KR101636449B1 - 전극조립체의 단전을 방지하기 위한 씰 테이프를 포함하는 이차전지 - Google Patents

전극조립체의 단전을 방지하기 위한 씰 테이프를 포함하는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집전체의 적어도 일면에 활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극이 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤 형태의 전극조립체; 상기 전극조립체가 수납되는 전지케이스; 상기 전극조립체와 함께 전지케이스에 내장되는 전해액; 및 상기 전극조립체의 권취 단부를 전극조립체의 외면에 부착 고정하고, 충방전에 따른 전극조립체의 팽창시 팽창 응력에 의해 파단되는 자가 파단부가 형성되어 있는 씰 테이프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

전극조립체의 단전을 방지하기 위한 씰 테이프를 포함하는 이차전지 {Secondary Battery Employed with Seal Tape for Preventing Power Failure of Electrode Assembly}
본 발명은 전극조립체의 단전을 방지하기 위한 씰 테이프를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 집전체의 적어도 일면에 활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극이 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤 형태의 전극조립체; 상기 전극조립체가 수납되는 전지케이스; 상기 전극조립체와 함께 전지케이스에 내장되는 전해액; 및 상기 전극조립체의 권취 단부를 전극조립체의 외면에 부착 고정하고, 충방전에 따른 전극조립체의 팽창시 팽창 응력에 의해 파단되는 자가 파단부가 형성되어 있는 씰 테이프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
이들 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어, 모바일 기기에 사용되는 이차전지의 전극조립체로서 각광을 받고 있다.
일반적으로, 젤리-롤형 전극조립체는 긴 시트형의 양극과 음극을 밀집된 상태로 권취하여 단면상으로 원통형 또는 타원형의 구조로 만든 후, 권취된 젤리-롤형 전극조립체를 전지케이스에 삽입하기 용이하도록, 그것의 권취 종료부인, 최외각의 전극 단부에 씰 테이프를 부착하여 고정시킴으로써 제조된다.
그러나, 젤리-롤형 전극조립체는, 충방전 과정에서 리튬이 음극에 적층되면서 음극의 부피가 늘어나게 되고, 이로 인해 젤리-롤형 전극조립체의 전체 부피가 팽창하게 된다.
특히, 젤리-롤형 전극조립체의 외곽부에서는 전극조립체의 내측으로부터 축적된 부피 증가로 인한 원주의 변화가 가장 심한 반면, 전극 단부에 부착된 씰 테이프는 전극조립체의 팽창을 억제시키는 바, 외곽부 전극에서의 응력을 크게 증가시킨다. 이로 인해, 상기 응력이 외곽부 전극에 한계치 이상으로 가해지는 경우, 전극조립체가 단락 되어 전지의 성능 및 안전성이 크게 위협받는 문제가 있다.
따라서, 젤리-롤형 전극조립체의 형태를 고정할 수 있을 뿐만 아니라, 충방전 과정에서 전극조립체의 팽창 응력으로 인한 전극조립체의 단락을 방지하는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 자가 파단부가 형성되어 있는 씰 테이프로 전극조립체의 권취 단부를 고정하는 경우, 충방전에 따른 전극조립체의 팽창 시, 실 테이프가 자가 파단되어, 전극조립체의 외곽부에 형성되는 응력을 효과적으로 해소함에 따라 전극의 단락을 방지할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 집전체의 적어도 일면에 활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극이 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤 형태의 전극조립체; 상기 전극조립체가 수납되는 전지케이스; 상기 전극조립체와 함께 전지케이스에 내장되는 전해액; 및 상기 전극조립체의 권취 단부를 전극조립체의 외면에 부착 고정하고, 충방전에 따른 전극조립체의 팽창 시, 팽창 응력에 의해 파단되는 자가 파단부가 형성되어 있는 씰 테이프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지는 자가 파단부가 형성되어 있는 씰 테이프가 전극조립체의 외면에 부착 고정되어 있어, 전극조립체를 전지케이스에 수납할 때는, 젤리-롤의 풀림 현상을 방지하도록 권취 단부를 안정적으로 고정하는 동시에, 이차전지의 충방전으로 전극조립체가 팽창하는 경우에는, 씰 테이프가 자가적으로 파단됨으로써, 전극조립체의 팽창을 억제하지 않는 바, 전극조립체의 권취 단부 및 외곽부에서 발생하는 응력을 해소할 수 있다.
이 때, 상기 씰 테이프는 전극조립체 외면의 전기적 절연 상태를 보장하도록, 전기절연성의 고분자 수지로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 고분자 수지는 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드 및 폴리에스테르로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나 이것으로 한정되는 것은 아니다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 상기 전극조립체의 양극 및 음극에는, 전극조립체의 권취 시 전극조립체의 상면으로 돌출되도록, 활물질 코팅부가 없는 집전체의 무지부에 각각 양극 탭 및 음극 탭이 부착되어 있을 수 있다.
이 때, 상기 씰 테이프는, 양극 탭 및 음극 탭의 전기적 연결을 방해하지 않도록, 탭들이 돌출되어 있는 전극조립체의 상면 및/또는 하면을 제외한 나머지 면에 부착됨이 바람직하다.
구체적으로, 상기 씰 테이프는 전극 탭이 돌출되어 있는 전극조립체의 상면과 그에 대향하는 하면을 제외한 측면 전체를 감싸면서 부착되는 구조일 수 있다.
이러한 구조에서는 전극조립체의 측면 전체의 절연성을 확보할 수 있고, 전극조립체를 안정적으로 고정할 수 있다는 측면에서 바람직하다.
또한, 경우에 따라서는, 전극조립체의 측면 일부를 감싸면서 부착되는 구조일 수 있는 바, 상세하게는, 상기 씰 테이프는 전극 탭이 돌출되어 있는 전극조립체의 상면과 그에 대향하는 하면을 제외한 측면에서, 상기 측면의 전체 면적을 기준으로 5 내지 60%의 면적을 감싸면서 부착될 수도 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 씰 테이프에 형성되어 있는 자가 파단부는 전극조립체의 반경이 3% 내지 30% 증가하는 팽창 범위에서 파단되도록 형성될 수 있다.
즉, 전극조립체의 반경이 3% 내지 30% 이하의 범위로 팽창하는 경우에는, 씰 테이프가 전극조립체의 반경에 대응하여 팽창하며, 전극조립체의 반경이 3% 내지 30% 이상의 범위로 팽창하는 경우에는, 씰 테이프가 파단되어, 전극조립체의 팽창을 억제하지 않으므로 응력 증가를 방지한다.
이를 위해, 상기 자가 파단부는 예를 들어, 소망하는 파단 부위의 두께를 극히 얇게 설정하여 씰 테이프의 찢어짐을 유도하는 구조, 또는 일정한 외력이 인가되는 경우 씰 테이프가 파단될 수 있도록, 소망하는 파단부위에 절취선이 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 상세하게는, 보다 확실한 파단을 위해 씰 테이프 상에 연속적 또는 비연속적으로 형성되어 있는 하나 이상의 절취선일 수 있고, 더욱 상세하게는 비연속적으로 형성되어 있는 둘 이상의 절취선일 수 있다.
이와 관련하여, 절취선의 상세한 구조는, 전극조립체의 반경이 3% 내지 30% 증가하는 팽창 범위에서 파단되는 경우라면, 한정되지는 아니하나, 상세하게는, 대각선, 곡선 또는 직선의 다양한 형태일 수 있고, 전극조립체의 팽창 방향, 즉 전극조립체의 권취 방향의 대향으로 파단되도록, 전극조립체의 권취 단부에 평행하게 형성될 수 있다.
이 때, 상기 절취선의 총 길이는 씰 테이프가 전극조립체를 고정하는 동시에, 소망하는 전극조립체의 팽창 범위에서 자가 파단이 가능한 범위로 설정해야 하는 바, 상세하게는, 씰 테이프의 길이를 기준으로 10% 내지 70%의 크기일 수 있다.
만약, 절취선의 길이가 씰 테이프의 길이를 기준으로 10% 미만인 경우에는 소망하는 팽창 범위에서 국소적인 파단만이 발생하여 소망하는 파단 효과를 기대하기 힘들고, 씰 테이프의 길이를 기준으로 70%를 초과하는 경우에는 미세한 외력에도 파단이 개시될 수 있어, 젤리-롤의 형태로 고정하는 것이 용이하지 않아 바람직하지 않다.
한편, 상기 절취선의 형성 위치 역시 반경이 3% 내지 30% 증가하는 팽창 범위에서 파단되는 경우라면, 한정되지는 아니하나, 상세하게는 전극조립체의 팽창 시, 응력의 해소가 극대화 되는 파단 부위에 설정되는 것이 바람직하므로, 하나의 구체적인 예에서, 상기 절취선은 전극조립체의 권취 단부를 기준으로 전극조립체의 외주면 길이의 10% 범위 내에 형성될 수 있다.
또 하나의 구체적인 예에서, 상기 절취선은 전극조립체의 권취 단부에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
즉, 절취선이 전극조립체의 권취 단부 또는 인접 부위에 형성됨으로써 씰 테이프가 파단이 될 경우, 응력의 발생이 가장 심한 권취 단부의 응력이 해소될 수 있고, 권취 단부의 풀림이 제약을 받지 않아, 전극조립체가 팽창할 여지가 생김으로써, 전극조립체 외곽부의 응력을 효과적으로 감소시킬 수 있는 바, 결과적으로 전극의 단선을 방지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 이차전지의 전지케이스는 전극조립체를 수납할 수 있는 소재라면 크게 한정되는 것은 아니나, 상세하게는 원통형 또는 각형의 금속 캔일 수 있다.
이하에서는 상기 이차전지의 기타 구성요소에 대해 설명한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 둘 또는 그 이상 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공한다.
본 발명에 따른 디바이스의 구체적인 예로는, 휴대폰, 태블릿 PC, 노트북 컴퓨터, 전동공구, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력 저장장치일 수 있지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 자가 파단부가 형성되어 있는 씰 테이프가 전극조립체의 외면에 부착 고정되어 있음으로써, 전극조립체를 전지케이스에 수납할 때는, 젤리-롤의 풀림 현상을 방지할 수 있고, 이차전지의 충방전으로 전극조립체가 팽창하는 상황에서는, 씰 테이프가 자가적으로 파단됨으로써, 전극조립체의 팽창을 억제하지 않으므로, 전극조립체의 권취 단부 및 외곽부에서 발생하는 응력을 해소할 수 있는 바, 결과적으로 전극 단락의 원인을 방지할 수 있어 이차전지의 안전성을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체가 내장된 각형 이차전지의 모식도이다;
도 2는 도 1의 전극조립체의 사시도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 사시도이다;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체가 내장된 원통형 이차전지의 모식도이다;
도 5는 도 4의 전극조립체의 사시도이다;
도 6는 도 5의 전극조립체 팽창에 따른 씰 테이프의 파단 과정을 나타내는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체가 내장된 각형 이차전지가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 이차전지(200)는 양극 탭(102) 및 음극 탭(101)이 전극조립체의 상면에 돌출된 상태로, 양극-분리막-음극이 권취된 상태에서 씰 테이프(103)가 부착되어 있는 젤리-롤형 전극조립체(100)가 수납되어 있는 각형 금속 케이스(110)와 케이스(110)의 개방 상단에 돌출형 음극단자(122)가 형성되어 있는 상단 캡(120)을 결합하는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(100)의 음극은 음극 탭(101)을 통해 상단 캡(120) 상의 음극단자(122)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(122)는 절연부재(121)에 의해 상단 캡(120)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 전극조립체(100)의 또 다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(102)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 상단 캡(120)에 전기적으로 연결되고, 따라서 상단 캡(120)은 그 자체로서 양극단자를 형성한다.
이러한 이차전지(200)는, 양극 탭(102)과 음극 탭(101)을 제외하고 전극조립체(100)와 상단 캡(120)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 각형 케이스(110)와 전극조립체(100) 사이에 시트형 절연부재(130)를 삽입한 뒤, 상단 캡(120)을 덮고, 탑 캡(120)과 케이스(110)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한 다음, 전해액 주입구(123)를 통해 전해액을 주입한 후 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 조립한다.
한편, 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 구체적으로 설명하기 위해 도 2에는 도 1의 전극조립체의 사시도를 도시하였다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(100)는 양극 탭(102) 및 음극 탭(101)이 돌출되어 있는 상면 및 그 대향면인 하면을 제외한 전극조립체의 측면인 외면 일부에 씰 테이프(103)가 전극조립체(100)의 권취 종료부인 권취 단부(105)를 감싸는 형태로 부착되어 있는 구조로 이루어져 있고, 씰 테이프(103)에는 대략 권취 단부(105)와 일치하는 위치에 비연속적으로 절취선(104)이 다수 개 형성되어 있다.
따라서, 씰 테이프(103)는 전극조립체(100)가 케이스(110)에 수납되는 과정에서, 전극조립체(100)의 권취 단부(105)가 풀리는 것을 방지하여 전극조립체(100)의 형태를 젤리-롤로 고정할 수 있다. 이 같은 점은, 케이스(110)에 전극조립체(100)가 수납되는 과정을 용이하게 할 뿐만 아니라, 전극 시트(도시하지 않음)들을 밀착시킴으로써, 전극 시트간 잔여공간으로 초래되는 전극의 불활성화 역시 방지할 수 있다.
또한, 씰 테이프(103)에 형성되어 있는 절취선(104)은 권취 단부(105)와 평행한 방향으로 형성되어 있는 바, 전극조립체(100)의 권취 방향의 반대로 전극조립체가 팽창하는 경우에, 손쉽게 파단될 수 있다.
한편, 절취선(104)은 전극조립체(100)에 부착 전에 씰 테이프(103) 상에 먼저 형성되거나, 씰 테이프(103)를 전극조립체(100)에 부착 후, 형성시킬 수 있으며, 이는 전극조립체의 부피에 따라 달라 질 수 있다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 사시도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전극조립체(100)는 양극 탭(102) 및 음극 탭(101)이 돌출되어 있는 상면 및 그 대향면인 하면을 제외한 전극조립체(100)의 측면인 외면 전체에 전기절연성의 씰 테이프(203)가 부착되어 있는 구조로 이루어져 있고, 씰 테이프(203)에는 대략 권취 단부(105)와 일치하는 위치에 절취선(204)이 상기 권취 단부와 평행한 방향으로 다수 개 형성되어 있다. 이러한 구조에서는 씰 테이프(204)가 파단이 되는 경우에도, 전극조립체의 측면 대부분의 전기절연성을 보장할 수 있으므로 안전성 측면에서 우수한 효과를 나타낸다.
한편, 도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체가 내장된 원통형 이차전지가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도4의 전극조립체의 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 원통형 전지(400)는 원통형 전지케이스(420), 전지케이스(420)의 내부에 수용되는 전극조립체(300), 및 전지케이스(420)의 상부에 결합되는 캡 어셈블리(430)로 구성되어 있다.
전극조립체(300)는 양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 상태로 권취한 젤리-롤의 형태이고, 양극에는 양극리드(422)가 부착되어 캡 어셈블리(430)에 접속되어 있고, 음극에는 음극리드(도시하지 않음)가 부착되어 전지케이스 하단에 접속되어 있으며, 양극리드(422) 및 음극리드가 부착된 전극조립체(300)의 상면 및 하면을 제외한 측면에는 씰 테이프(303)가 전극조립체(300)의 외주면 및 권취 종료부인 권취 단부(305)를 감싸는 형태로 부착되어 있다. 또한, 씰 테이프(303)에는 대략 권취 단부(305)와 일치하는 위치에 비연속적인 절취선(304)이 다수 개 형성되어 있다.
본 발명에 따른 절취선이 형성된 씰 테이프의 파단 형상을 설명하기 위해 도 6에는 도 5의 전극조립체가 충방전을 수행할 경우, 전극조립체의 팽창에 따른 씰 테이프의 파단 과정을 모식적으로 도시하였다.
도 6을 참조하면, 충방전을 수행하지 않은 전극조립체(300)에는 씰 테이프(303)가 부착되어 있고, 씰 테이프(303) 상에는 절취선(304)이 다수 개 형성되어 있다. 충방전을 초회 또는 수회 실시한 후의 전극조립체(300a)는 팽창하기 시작하고 절취선(304a)은 전극조립체(300a)의 팽창에 따라 초기 절취선(304)의 형태를 유지하지 못하고, 일부가 파단된다. 나아가, 충방전이 더욱 진행되는 경우에는, 전극조립체(300b)는 급격히 팽창되면서, 절취선(304b)을 완전히 파단 시킨다.
즉, 전극조립체(300a)는 반복되는 충방전으로 팽창하게 되고, 씰 테이프(303)는 전극조립체와 함께 늘어나다가, 전극조립체(300)의 팽창력이 씰 테이프(303)가 가지는 인장력 이상이 되는 경우에는 상대적으로 인장력이 낮은 절취선(304)이 파단되는 것이다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 집전체의 적어도 일면에 활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극이 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤 형태의 전극조립체;
    상기 전극조립체가 수납되는 전지케이스;
    상기 전극조립체와 함께 전지케이스에 내장되는 전해액; 및
    상기 전극조립체의 권취 단부를 전극조립체의 외면에 부착 고정하고, 충방전에 따른 전극조립체의 팽창 시, 팽창 응력에 의해 파단되는 자가 파단부가 형성되어 있는 씰 테이프;
    를 포함하며,
    상기 자가 파단부는 씰 테이프 상에 연속적 또는 비연속적으로 형성되어 있는 하나 이상의 절취선인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 양극 및 음극에는 활물질 코팅부가 없는 집전체의 무지부에 각각 양극 탭 및 음극 탭이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 씰 테이프는 전기절연성의 고분자 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 씰 테이프는 전극 탭이 돌출되어 있는 전극조립체의 상면과 그에 대향하는 하면을 제외한 측면 전체를 감싸면서 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 씰 테이프는 전극 탭이 돌출되어 있는 전극조립체의 상면과 그에 대향하는 하면을 제외한 측면에서, 상기 측면의 전체 면적을 기준으로 5 내지 60%의 면적을 감싸면서 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 자가 파단부는 전극조립체의 반경이 3% 내지 30% 증가하는 팽창 범위에서 파단되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절취선은 전극조립체의 권취 단부에 평행하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 자가 파단부는 비연속적으로 형성되어 있는 둘 이상의 절취선들로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 절취선은 전극조립체의 권취 단부를 기준으로 전극조립체의 외주면 길이의 10% 범위 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 절취선은 전극조립체의 권취 단부에 대응하는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 절취선의 총 길이는 씰 테이프의 길이를 기준으로 10 내지 70%의 크기인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 원통형 또는 각형의 금속 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 1 항에 따른 이차전지를 단위전지로 둘 또는 그 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 PC, 노트북 컴퓨터, 전동공구, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력 저장장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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