KR101637890B1 - 2개 이상의 음극 탭들을 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극집전체 또는 음극집전체의 적어도 일면에 활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취되어 있고, 상기 음극에는 2개 이상의 음극 탭들이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체를 제공한다.

Description

2개 이상의 음극 탭들을 포함하는 이차전지 {A Secondary Battery having Two More anode Taps}
본 발명은 2개 이상의 음극 탭들을 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 젤리-롤이 전해액을 함침한 상태로 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 이차전지로서, 양극집전체 또는 음극집전체의 적어도 일면에 활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취되어 있고, 상기 음극에는 2개 이상의 음극 탭들이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조인 스택/폴딩형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 종래기술의 젤리-롤형 전극조립체에서 음극에 대한 평면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 젤리-롤형 전극조립체의 부분 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(20)는 기본적으로 양극 탭(12)이 장착된 양극(도시하지 않음)과 음극 탭(11)이 장착된 음극(10), 및 이들 사이에 분리막을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로 구성되어 있다.
이러한 구조에서, 양극 탭(12)과 음극 탭(11)은 전극조립체(20)의 권취 외측 단부 상에 함께 위치되어 있고, 음극 탭(11)은 탑 캡(도시하지 않음)의 개방 상단에 돌출된 음극단자(도시하지 않음)의 하단에 전기적으로 연결된다.
한편, 이차전지가 휴대폰, 노트북 등의 전원으로 사용되는 경우에는 일정한 출력을 안정적으로 제공하는 이차전지가 요구되는 반면에, 전동드릴 등과 같은 파워 툴의 동력원으로 사용되는 경우, 순간적으로 높은 출력을 제공하면서도 안정적일 수 있는 이차전지가 요구된다. 즉, 이러한 파워 툴은 순간적으로 높은 출력을 필요로 하고, 장시간의 연속적인 작동에 의해 전지의 발열이 크게 증가하는 경우가 많다.
그러나, 종래의 이차전지가 단시간에 높은 출력을 제공하는 파워 툴의 동력원으로 사용되는 경우, 순간적으로 높은 출력에 따라 높은 전류가 발생되므로, 전극 탭이 장착된 전극조립체와 전극단자 간의 접속 저항과 접촉 부위의 저항이 높아, 균일한 출력을 제공하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 전극단자에 전달되는 높은 전류에도 안정적으로 제공될 수 있도록 파워 툴 등의 높은 동력원으로 사용하기 적합한 각형 이차전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 젤리-롤의 음극에 2개 이상의 음극 탭을 사용하여 전지에 발생되는 발열을 효과적으로 감소시켜 전지의 안전성을 향상시키고, 젤리-롤 전극조립체 제조시에 발생되는 불량률을 크게 감소시킬 수 있는 젤리-롤 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극집전체 또는 음극집전체의 적어도 일면에 활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취되어 있고, 상기 음극에는 2개 이상의 음극 탭들이 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 상기의 요건을 만족시키기 위하여, 다수의 음극 탭을 포함함으로써, 전지 용량에 따라 전극단자에 높은 전류가 전달되더라도, 전지에 발생되는 발열을 효과적으로 감소시킴으로써, 전지의 안전성을 향상시키고 젤리-롤 전극조립체 제조시에 발생되는 불량률을 크게 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 음극 탭들은, 바람직하게는, 상호 융착되어 하나의 전류 루프(Current Loop)를 구성하는 구조일 수 있다. 따라서, 별도로 음극 탭의 두께나 크기를 조절하는 경우에 비해, 불량율을 크게 감소시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 음극 탭들은 상기 음극의 활물질이 코팅되지 않는 미코팅부 중 최외각 양단부에 각각 장착되어 있는 구조일 수 있으나, 상기 음극 탭들의 위치 및 개수는 전지셀의 용량에 따라 다양하게 제공될 수 있음은 물론이다.
구체적인 예에서, 상기 음극 탭들은, 전극조립체의 중심축을 통과하는 가상 선을 중심으로, 전극조립체의 중심 부위에 중첩되는 위치에서 상측 방향 또는 하측 방향으로 함께 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 음극 탭들은 스트립 형태의 도전성 플레이트로서, 바람직하게는, 상기 음극 탭들은 융착이 용이하게 이루어지도록 근접한 위치에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
참고로, 일반적인 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
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 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 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 마이크로 미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로 미터다. 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.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 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, 비수계 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 있다.
한편, 상기 음극 탭들은 집전체와의 경계면 상에 절기 절연성 소재의 보호 테이프가 부착되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 음극 탭과 양극에 장착된 양극 탭은, 양극 전류와 음극 전류에 의해 발생하는 자기장을 최소화 하도록 근접한 위치에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명은, 상기와 같은 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 각형 이차전지를 제공하는 바, 이러한 이차전지는 상기 전극조립체를 각형 금속 케이스 또는 파우치 전지케이스에 장착한 후 전해액을 주입하는 것으로 제조될 수 있다. 이러한 리튬 이차전지에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 둘 또는 그 이상 포함하는 전지팩과, 상기 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공한다.
본 발명에 따른 전지팩이 사용될 수 있는 디바이스의 바람직한 예로는, 한정된 장착 공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 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, 젤리-롤의 음극에 2개 이상의 음극 탭을 사용하여 전지에 발생되는 발열을 효과적으로 감소시켜 전지의 안전성을 향상시키고, 젤리-롤 전극조립체 제조시에 발생되는 불량률을 크게 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래기술의 젤리-롤형 전극조립체에서 음극에 대한 평면도이다;
도 2는 도 1의 젤리-롤형 전극조립체의 부분 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 음극에 대한 평면도이다;
도 4는 도 3의 젤리-롤형 전극조립체를 권취한 후의 전극조립체의 사시도이다;
도 5는 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 각형 전지의 부분 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 3에는 본 발명의 하나의 실시에에 따른 음극에 대한 평면도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 젤리-롤형 전극조립체를 권취한 후의 전극조립체의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 3에서는 설명의 편의를 위해 둥글게 권취하기 전의 형상을 나타내었다.
이들 도면을 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체 제조용 음극(200)은 집전체(구리 호일: 210)의 양면에 활물질(220)이 도포되어 있고 그것의 단부에 상향 돌출한 형태로 한 쌍의 음극 탭들(101)이 스팟 용접(250) 등으로 부착되어 있다. 음극 탭들(101)과 집전체(210)의 경계면 부위에는 집전체(210) 상단으로부터 아래쪽까지 약간 연장되도록 절연 테이프(230)가 부착되어 있다.
이러한 구조에서, 음극이 권취된 후, 최외각의 전극 단부에는 실링 테이프(103)가 부착되어 각형 전지케이스(도시하지 않음)에 삽입할 수 있도록 압축되어 있다.
도 5에는 본 발명에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 각형 전지의 부분 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 도 3 및 도 4와 함께 참조하면, 각형 전지(200)는 젤리-롤형 전극조립체(100)가 각형 금속 케이스(110)에 내장되어 있고 케이스(110)의 개방 상단에 돌출형 음극단자(122)가 형성되어 있는 상단 캡(120)을 결합하는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(100)의 음극은 하나의 전류 루프(Loop)를 형성하도록 융착된 한 쌍의 음극 탭들(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 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.
또한, 양극 탭(102)와 한 쌍의 음극 탭들(102)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 결합한다. 그런 다음, 전해액 주입구(123)를 통해 전해액을 주입한 후 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 전지 조립이 완성된다.
따라서, 상기와 같이, 음극의 양 단부에 형성된 한 쌍의 음극 탭들을 상호 융착하여 하나의 전류 루프(Loop)를 형성시켜, 높은 전력 소모에 따른 전지셀의 발열을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
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 (12)

  1. 양극집전체 또는 음극집전체의 적어도 일면에 활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취되어 있고, 상기 음극에는 2개 이상의 음극 탭들이 장착되어 있으며,
    상기 음극 탭들은 상호 융착되어 하나의 전류 루프(Current Loop)를 구성하고,
    상기 음극 탭들은 상기 음극의 활물질이 코팅되지 않는 미코팅부 중 최외각 양단부에 각각 장착되어 있고, 양극 탭은 권취 내측 단부 부위에 장착되어 있으며, 상기 음극 탭 및 양극 탭은 상향 돌출된 상태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤형 전극조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 탭들은, 전극조립체의 중심축을 통과하는 가상 선을 중심으로, 전극조립체의 중심 부위에 중첩되는 위치에서 상측 방향으로 함께 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 탭들은 스트립 형태의 도전성 플레이트인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 탭들은 집전체와의 경계면 상에 전기 절연성 소재의 보호 테이프가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 삭제
  8. 제 1 항 및 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전극조립체를 각형 또는 파우치 전지케이스에 장착한 후 전해액을 주입하여 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 9 항에 따른 이차전지를 단위전지로 둘 또는 그 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 10 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력 저장장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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