KR101681969B1 - 유동 공간이 형성된 이차 전지 및 유동 공간 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충전과 방전시에 발생하는 이차 전지의 뒤틀림 현상을 완화시키는 유동 공간이 형성된 이차 전지 및 유동 공간 형성 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 이차 전지의 바인딩 공정에 있어서, 전극판이 움직일 수 있는 유동 공간을 형성하는 방법은, 양극판과 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 분리막이 함께 권취된 전극 조립체를 제작하는 단계; 상기 전극 조립체에 형성된 최외곽의 권취 단부에 구조물을 배치하는 단계; 상기 구조물이 배치된 전극 조립체의 외면을 실 테이프로 와인딩하는 단계; 및 상기 배치된 구조물을 제거하여 상기 권취 단부 근방에 전극판이 움직일 수 있는 소정의 유동 공간을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명은 이차 전지의 와인딩 공정시에, 전극 조립체의 권취 단부에 구조물 배치하고 제거하여, 충전 중에 부피 팽창에 대비한 유동 공간을 전극 조립체의 최외곽에 형성시킴으로, 이차 전지의 충방전시 발생하는 전극 조립체의 뒤틀림 현상을 완화한다.

Description

유동 공간이 형성된 이차 전지 및 유동 공간 형성 방법{Secondary battery having movable space and method for forming movable space}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 충전과 방전시에 발생하는 이차 전지의 뒤틀림 현상을 완화시키는 유동 공간이 형성된 이차 전지 및 유동 공간 형성 방법에 관한 것이다.

모바일 기기, 전기차, 하이브리드 자동차, 전력저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

이차전지에 포함되는 전극 조립체는 양극판, 분리막 및 음극판이 모여있는 형태에 따라서 다양하게 분류가 되며, 그 중 하나가 젤리 롤 형태의 전극 조립체이다. 젤리 롤 형태의 전극 조립체에 대해서는 본 출원인의 대한민국 공개특허공보 10-2008-0047165, 10-2009-0129621, 10-2010-0071941, 10-2010-0109842 및 10-2013-0052410 등에 자세히 개시되어 있다.

일반적으로, 젤리 롤 형태 전극 조립체는 양극집전체의 단면 또는 양면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과, 음극집전체의 단면 또는 양면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 사이에 두고 배치하고 권취시켜 제조된다. 또한, 상기 권취된 전극 조립체는 실 테이프(seal tape)로 감싸져서 고정된 후에, 전지 케이스에 수납된다.

이러한, 젤리 롤 형태의 전극 조립체는 전지의 충전시 리튬 이온의 이동에 따라 부피가 팽창하고, 방전시 다시 원래의 위치로 돌아간다. 즉, 전지는 충방전 시 전체 부피의 수% 이내에서 팽창/수축을 반복한다.

이러한 충방전에 의한 반복적인 팽창과 수축은 젤리 롤 형태 전극 조립체의 부피를 변화시킨다. 이러한 전극 조립체의 부피 변화로 인하여 전극 조립체의 뒤틀림 현상이 발생하게 되어, 결과적으로 이차전지의 수명을 저하되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 인식하여 안출된 것으로서, 이차 전지의 뒤틀림 현상을 최소화할 수 있는 유동 공간이 형성된 이차 전지 및 유동 공간 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 이차 전지의 바인딩 공정에 있어서, 전극판이 움직일 수 있는 유동 공간을 형성하는 방법은, 양극판과 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 분리막이 함께 권취된 전극 조립체를 제작하는 단계; 상기 전극 조립체에 형성된 최외곽의 권취 단부에 구조물을 배치하는 단계; 상기 구조물이 배치된 전극 조립체의 외면을 실 테이프로 와인딩하는 단계; 및 상기 배치된 구조물을 제거하여 상기 권취 단부 근방에 전극판이 움직일 수 있는 소정의 유동 공간을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 구조물은 외면이 코팅 처리된다.

상기 구조물의 높이는 상기 권취 단부의 높이 이상일 수 있다.

더욱 바람직하게, 상기 구조물을 배치하는 단계는, 상기 구조물의 옆면과 상기 권취 단부의 옆면이 맞닿게 상기 구조물을 배치한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 양극판과 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 분리막이 함께 권취된 전극 조립체를 케이스에 내장하고 있는 이차 전지는, 상기 전극 조립체의 외면에 실 테이프(seal tape)가 부착되고, 상기 전극 조립체의 최외곽에 형성되는 권취 단부의 근방에는 전극판이 움직일 수 있는 소정의 유동 공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 소정의 유동 공간은 구조물이 바인딩 공정에서 상기 권취 단부에 배치되고 제거됨에 따라 형성된다.

본 발명은 이차 전지의 와인딩 공정시에, 전극 조립체의 권취 단부에 구조물 배치하고 제거하여, 충전 중에 부피 팽창에 대비한 유동 공간을 전극 조립체의 최외곽에 형성시킴으로, 이차 전지의 충방전시 발생하는 전극 조립체의 뒤틀림 현상을 완화할 수 있는 장점이 있다.

특히, 본 발명은 이차 전지의 최외곽에 배치된 전극판 단부가 움직일 수 있는 유동 공간을 형성시켜, 최외곽의 전극판에서 빈번하게 발생하는 뒤틀림을 현상을 최소화하는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 구조물의 배치와 제거를 통한 단순한 공정을 통해, 이차 전지의 뒤틀림 현상이 최소화할 수 있는 전극 조립체를 제조하는 이점이 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 이차 전지의 바인딩 공정에서 전극판이 움직일 수 있는 유동 공간을 형성하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 권취되기 전의 전극판과 분리막을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 권취된 전극 조립체를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 권취된 전극 조립체에 구조물이 배치된 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 구조물이 배치된 전극 조립체의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 구조물이 배치된 전극 조립체에 실 테이프가 와인딩된 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 실 테이프가 와인딩된 전극 조립체의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 다른, 전극 조립체의 권취 단부에서 구조물이 제거된 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 실 테이프가 와인딩된 전극 조립체에서 구조물이 제거된 상태에 대한 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 이차 전지의 바인딩 공정에서 전극판이 움직일 수 있는 유동 공간을 형성하는 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 1을 참조하면, S101 단계에서, 양극판(10)과 음극판(20) 그리고 상기 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 개재된 분리막(seperator)(30)이 함께 권취된 젤리-롤 형태의 전극 조립체(100)를 제작한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 권취되기 전의 전극판과 분리막을 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 권취된 전극 조립체를 나타내는 도면이다.

도 2와 도 3을 참조하면, 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 분리막(30)이 개재된 상태에서 도 2의 화살표 방향으로 표시된 바와 같이 권취되어, 도 3과 같은 젤리-롤 형태의 전극 조립체(100)가 제작된다. 또한, 전극 조립체(100)의 양극판(10)에는 양극 탭(11)이 형성되고, 음극판(20)에는 음극 탭(12)이 형성된다. 또한, 전극판(10, 20)이 감기는 방향으로 전극판(10, 20)의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부(도면에 도시되지 않음)가 형성될 수 있다.

상기 양극판(10)은 알루미늄 소재고 주로 이용되고, 대안적으로 상기 양극판(10)은 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다.

상기 양극판(10)의 일부 영역에는 양극 탭(11)이 구비되는데 양극 탭(11)은 상기 양극판(10)이 연장되는 형태로 이루어질 수 있다. 상기 양극 탭(11)은 전극 조립체(100)의 외부로 돌출된 형태를 가진다. 대안적으로, 양극판(10)의 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접 등을 통하여 접합하는 형태로 구성하는 것도 가능하다. 또한 양극 재료를 상기 양극판(10) 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하여 양극 탭(11)을 형성하여도 무방하다.

음극판(20)은 주로 구리 재질이 이용되며, 대안적으로 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있고, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.

상기 음극판(20) 또한 일부 영역에 음극 탭(21)이 구비되며, 앞서 설명된 양극 탭(11)과 같이 상기 음극판(20)에서 연장되는 형태로 구현될 수 있음은 물론, 음극판(20) 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접하는 등의 방법으로 접합할 수도 있으며, 음극 재료를 상기 음극 집전체 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하는 방식 등으로 형성하는 것도 가능하다.

상기 양극판(10)에 구비된 양극 탭(11)에는 양극 리드(도면 미도시)가, 상기 음극판(20)에 구비된 음극 탭(21)에는 음극 리드(도면 미도시)가 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드는 각각 복수의 양극 탭(11), 복수의 음극 탭(21) 각각과 접합될 수 있다.

상기 분리막(10)은 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 개재되거나, 양극판(10) 또는 음극판(20)의 일면에 결합되어, 양극판(10)과 음극판(20)을 절연시킨다. 상기 분리막(10)은 다공성 재질을 가진 것이라면 특별히 제한이 없다. 상기 분리막(10)은 다공성이 있는 고분자막, 예컨대 다공성 폴리올레핀막, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크리로니트릴스티렌부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드로, 폴리에틸렌나프탈렌, 부직포막, 다공성 웹(web) 구조를 가진 막 또는 이들의 혼합체 등으로 이루어질 수 있다. 상기 분리막(10)의 단면 또는 양면에는 무기 입자가 결착되어 있을 수 있다.

전극 조립체(100)가 제작되면, 상기 권취된 전극 조립체(100)의 최외곽에 배치된 권취 단부에 구조물(200)이 배치되는 S103 단계가 진행된다. 즉, 권취된 전극 조립체(100)의 최외곽에 위치하는 전극판(10, 20)의 단부의 옆면과 구조물(200)의 옆면이 맞닿도록, 상기 구조물(200)이 전극 조립체(100)의 권취 단부에 배치된다

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 권취된 전극 조립체에 구조물이 배치된 상태를 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 구조물이 배치된 전극 조립체의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 권취된 전극 조립체(100)의 최외곽에 배치된 권취 단부에 구조물(200)이 배치된다. 상기 구조물(200)의 옆면과 권취 단부의 옆면이 맞닿도록, 상기 구조물(200)이 전극 조립체(100)의 권취 단부에 배치된다. 바람직하게, 상기 구조물(200)의 높이는 상기 권취 단부의 높이와 비교하여 같거나 길다. 또한, 상기 구조물(200)의 제거가 용이하도록 상기 구조물(200)의 외면에는 코팅층이 형성되어 있다. 즉, 상기 구조물(200)은 마찰력이 낮은 코팅층이 외면에 형성되어 있다.

상기 구조물(200)의 형상은 직사각형, 원통형 등으로 전극판(10, 20)과 실 테이프(seal tape)(300) 사이에 유동 공간을 형성할 수 있는 형상이라면 제안되지 않으나, 바람직하게는 실 테이프(300)의 와인딩시에, 전극 조립체(100)의 형체가 훼손되지 않도록, 구조물(200)의 하면 전체가 전극 조립체(100)의 외주면과 밀착되는 형태인 것이 바람직하다.

한편, 권취된 전극 조립체(100)의 외주면에 추가적인 분리막이 와인딩된 경우, 상기 구조물(200)이 권취 단부에 배치된 상태에서, 추가적인 분리막이 전극 조립체(100)에 와인딩된다.

S105 단계에서 전극 조립체(100)에 구조물(200)이 배치된 상태에서, 실 테이프(300)가 와인딩된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 구조물이 배치된 전극 조립체에 실 테이프가 와인딩된 상태를 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 실 테이프가 와인딩된 전극 조립체의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 구조물(200)이 배치된 전극 조립체(100)에 실 테이프(300)가 와인딩되면, 상기 구조물(200)은 독립적인 공간을 점유한 상태로 전극 조립체(100)와 실 테이프(300) 사이에 개재된다.

다음으로, S107 단계에서 구조물(200)이 제거된다. 구체적으로, 상기 실 테이프(300)에 의한 고정이 완료되면, 실 테이프(300)와 전극 조립체(100) 사이에 개재된 상기 구조물(200)이 제거된다. 앞서 설명한 바와 같이, 구조물(200)의 외면에는 마찰력이 작은 코팅층이 형성되어 있기 때문에, 구조물(200)은 전극 조립체(100)에서 용이하게 제거될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 다른, 전극 조립체의 권취 단부에서 구조물이 제거된 상태를 나타내는 도면이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 실 테이프가 와인딩된 전극 조립체에서 구조물이 제거된 상태에 대한 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 구조물(200)이 제거되면, 구조물(200)의 형상에 해당하는 유동 공간(400)이 전극 조립체(100)의 권취 단부와 실 테이프(300) 사이에 형성된다. 부연하면, 전극 조립체(100)의 최외곽에 형성된 권취 단부에 배치된 구조물(100)을 제거하여, 충전 중에 부피 팽창에 대비한 전극판(10, 20)이 움직일 수 있는 유동 공간을 조립체의 최외곽에 형성시킨다. 특히, 상기 유동 공간(400)은 최외곽에 배치된 전극판(10, 20) 단부가 움직일 수 있는 공간을 제공하기 때문에, 최외곽의 전극판에서 빈번하게 발생하는 이차 전지의 뒤틀림을 현상을 최소화할 수 있다.

상기와 같은 실 테이프(300)가 와인딩되고 유동 공간(400)이 형성된 전극 조립체(100)는 케이스(도면에 미도시)에 내장된다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

10 : 양극판 11 : 양극 탭
20 : 음극판 21 : 음극 탭
30 : 분리막 100 : 전극 조립체
200 : 구조물 300 : 실 테이프
400 : 유동 공간

Claims (6)

1. 이차 전지의 바인딩 공정에 있어서, 전극판이 움직일 수 있는 유동 공간을 형성하는 방법으로서,
   양극판과 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 분리막이 함께 권취된 전극 조립체를 제작하는 단계;
   상기 전극 조립체에 형성된 최외곽의 권취 단부에 구조물을 배치하는 단계;
   상기 구조물이 배치된 전극 조립체의 외면을 실 테이프로 와인딩하는 단계; 및
   상기 배치된 구조물을 제거하여 상기 권취 단부 근방에 전극판이 움직일 수 있는 소정의 유동 공간을 형성하는 단계를 포함하는 유동 공간 형성 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 구조물은 외면이 코팅 처리된 것을 특징으로 하는 유동 공간 형성 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 구조물의 높이는 상기 권취 단부의 높이 이상인 것을 특징으로 하는 유동 공간 형성 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 구조물을 배치하는 단계는,
   상기 구조물의 옆면과 상기 권취 단부의 옆면이 맞닿게 상기 구조물을 배치하는 것을 특징으로 하는 유동 공간 형성 방법.
5. 삭제
6. 삭제

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