KR101738733B1 - 전극 조립체 및 그를 이용한 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 탭이 외부 충격에 의해 유동하지 않도록 방지하는 전극 조립체에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 젤리-롤에서 양극 탭 또는 음극 탭이 노출되는 전극 노출면에 형성되며, 전극 노출면에는 절연층이 형성되고, 양극 탭 또는 음극 탭은 전극 노출면을 향해 밴딩되어 절연층에서 적어도 일 영역이 매립될 수 있다.

Description

전극 조립체 및 그를 이용한 이차전지{Electrode assembly and Secodary battery using the same}
본 발명은 전극 탭(양극 탭 및 음극 탭)이 외부 충격에 의해 유동하지 않도록 방지하는 전극 조립체 및 그를 이용한 이차전지에 관한 것이다.
충전 및 방전이 가능하면서 에너지 밀도와 출력 밀도가 높은 리튬 배터리는 휴대 단말기의 배터리에서 전기 자동차의 배터리까지 다양한 장치에서 동력원으로 이용되고 있다.
리튬 배터리는 수용하는 전해질의 종류에 따라 액상 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리와 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 배터리로 분류되며, 전극 조립체가 수용되는 외장재의 형상에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형으로 분류된다. 통상적으로, 각형 또는 원통형에 채용되는 전극 조립체는 양극판, 분리막, 음극판을 적층하고, 이를 권취한 젤리-롤 형태를 갖는다.
여기서, 양극판은 양극 집전체에 양극 활물질이 코팅된 양극 코팅부와, 코팅되지 않은 양극 무지부로 이루어져 있으며, 음극판의 경우도 마찬가지로, 음극 집전체에 음극 활물질이 도포된 음극 코팅부와, 코팅되지 않은 음극 무지부로 이루어져 있다. 그리고, 양극 무지부 및 음극 무지부에는 각각 전극 탭(양극 탭 및 음극 탭)이 설치된다.
양극판과 음극판 사이에는 다공성 분리막이 개재되는데, 분리막은 양극판과 음극판 사이를 상호 절연하는 한편, 양극판과 음극판 사이에 활물질 이온이 교환될 수 있도록 함으로써 전기화학 반응을 일으킨다.
양극판과 음극판 및 분리막이 권취되어 젤리-롤(Jelly Roll)을 형성한 전극 조립체는 압착되어 캔에 삽입되며, 양극 탭과 음극 탭은 각각 캔에 체결되는 탑 캡(Top cap)과 캔에 결선되어 양극과 음극을 이룬다. 여기서, 탑 캡과 캔에 결선되는 양극 탭과 음극 탭은 외부 충격에 의해 유동될 수 있으며, 이러한 유동에 의해 전극 조립체에 스트레스를 가하거나 심하면 전극 조립체가 파손될 우려가 있다.
일본특허출원번호 제2009-67334호
본 발명의 목적은 전극 탭의 유동을 차단하여 전극 조립체의 구조적 안정성을 확보하는 전극 조립체를 제공함에 있다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 젤리-롤에서 양극 탭 또는 음극 탭이 노출되는 전극 노출면에 형성되며, 전극 노출면에는 절연층이 형성되고, 양극 탭 또는 음극 탭은 전극 노출면을 향해 밴딩되어 절연층에서 적어도 일 영역이 매립되는 전극 조립체에 의해 달성된다.
여기서, 절연층은 양극 탭 또는 음극 탭의 수납을 위한 수납 홈을 구비할 수 있다.
여기서, 수납 홈은, 절연층의 노출 면에서 양극 탭 또는 음극 탭의 두께 대비 1/2 내지 1의 깊이로 형성될 수 있다.
여기서, 양극 탭 또는 상기 음극 탭의 노출 면은, 노출 면이 절연 층과 평행을 이루도록 할 수 있다.
여기서, 상기 수납 홈은, 양극 탭 및 음극 탭과 동일 형상으로 형성될 수 있다.
여기서, 절연층은, 비 전도성 합성수지로 형성될 수 있다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 젤리-롤에서 양극 탭 및 음극 탭이 노출되는 전극 노출면에 형성되는 전극 조립체에 있어서, 전극 노출면에는 절연층이 형성되고, 절연층에는 양극 탭 또는 음극 탭을 수납하기 위한 수납 홈이 형성되며, 수납 홈에는 양극 탭 또는 음극 탭이 젤리-롤과의 접촉 방지를 위한 접촉방지 부재가 배치되며, 접촉방지 부재상에 양극 탭 또는 음극 탭이 배치되는 전극 조립체에 의해 달성된다.
여기서, 양극 탭 또는 음극 탭 중 어느 하나와, 접촉방지 부재의 두께의 합은, 수납 홈의 깊이와 동일할 수 있다.
또한, 접촉방지 부재는, 합성수지 재질의 절연판 또는 절연 테이프일 수 있다.
그리고, 상기한 전극 조립체는 전극 조립체를 수용하는 캔에 수납되어 이차 전지를 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 전극 탭이 절연층에 매립되므로 외부 충격에 따른 전극 탭의 유동이 최소화되며, 전극 탭의 유동이 방지됨에 따라 실시예에 따른 전극 조립체를 구비하는 이차전지의 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 젤리-롤 타입의 전극 조립체의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 및 전극 조립체를 수용하는 캔에 대한 사시도를 도시한다.
도 3은 젤리-롤에서 돌출되는 전극 탭의 확대 사시도를 도시한다.
도 4는 절연층에 형성되는 수납부의 사시도를 도시한다.
도 5는 전극 탭이 밴딩된 일 예에 대한 참조도면을 도시한다.
도 6은 수납 홈에 추가로 설치되는 절연 부재의 일 예에 대한 참조도를 도시한다.
도 7a와 도 7b는 수납 홈에 추가로 설치되는 절연 부재의 다른 예에 따른 참조도를 도시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 실시예에 따른 젤리-롤 타입의 전극 조립체에 대한 사시도를 나타내고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 및 전극 조립체를 수용하는 캔에 대한 사시도를 도시하고, 도 3은 젤리-롤에서 돌출되는 전극 탭의 확대 사시도를 도시하고, 도 4는 절연층에 형성되는 수납부의 사시도를 도시하며, 도 5는 전극 탭이 밴딩된 일 예에 대한 참조도면을 도시한다.
도 1 내지 도 5를 함께 참조하여 설명하면, 실시예에 따른 전극 조립체는 양극판, 음극판 및 분리막이 권심 부재(102)를 중심으로 권취되어 젤리-롤 형상의 몸체(101)를 형성하고, 몸체(101)의 전극 노출면(S1)에는 양극 탭(102)과 음극 탭(104)이 부가된다. 양극 탭(102)은 전극 노출면(S1)을 향해 밴딩(Vending)되고, 음극 탭(104)은 전극 노출면(S2)를 향해 밴딩될 수 있다.
몸체(101)의 전극 노출면(S1, S2)에는 절연층(105)이 형성될 수 있다. 절연층(105)은 비 전도성의 합성수지 재질로, 몸체(101)의 양단부를 절연하여 전극 노출면(105)을 형성한다. 이후, 절연층(105)에 수납 홈(106)을 형성하고, 형성된 수납 홈(106)에 양극 탭(103) 및 음극 탭(104)이 밴딩되어 수납되도록 할 수 있다.
수납 홈(106)은 금형을 이용하여 절연층(105)에 압력을 가해 형성하거나 또는 양극 탭(102)과 음극 탭(103)을 전극 노출면(S1, S2)으로 밴딩할 때, 열을 가하여 전극 노출면(S1, S2)의 표면에 가열 압착할 수도 있다. 또한, 수납 홈(106)은 양극 탭(103)과 음극 탭(104)의 외형을 따라 그 형상이 결정될 수 있다. 예컨대, 양극 탭(103)과 음극 탭(104)이 전극 노출면(S2)을 향하는 외형이 직사각형인 경우 수납 홈(106)은 직사각형의 형상을 가질 수 있다.
도 3에서 양극 탭(103)과 음극 탭(104)의 길이가 d2고, 너비 방향 폭이 d3며, 두께가 d4라고 가정할 때, 수납 홈(106)의 길이는 d2 또는 그 이상이어야 하고, 수납 홈(106)의 너비 방향 폭은 d3 또는 그 이상이어야 하며, 깊이는 d4 이상이어야 한다. 수납 홈(106)의 길이 방향, 너비 방향 및 깊이의 치수는 양극 탭(103)과 음극 탭(104) 보다 크게 형성되어야 하나, 지나치게 크게 형성되는 경우, 양극 탭(103)과 음극 탭(104)이 수납 홈(106) 내에서 유동될 수 있다. 이에 따라, 수납 홈(106)은 양극 탭(103)과 음극 탭(104)의 길이 방향 길이(d2), 너비 방향 길이(d3) 및 두께(d4) 대비 5% 내지 15%의 추가적인 길이(d2, d3)나 깊이(d4)를 더 가질 수 있다.
이후, 양극 탭(103)과 음극 탭(104)은 수납 홈(106) 방향으로 밴딩되어 수납 홈(106)에 안착된다. 양극 탭(103)과 음극 탭(104)이 수납 홈(106)에 안착된 후, 몸체(101) 및 밴딩된 양극 탭(103)과 음극 탭(104)으로 구성되는 전극 조립체는 캔(50)에 수납되어 이차 전지를 형성할 수 있다. 도면에서 캔(50)의 외형은 원형인 것이 예시되고 있으나 이는 일 예일 뿐이며, 캔(50)의 형상은 원형, 타원형, 사각형, 파우치형 및 기타 다양한 형상일 수 있다. 다만 한정하지는 않는다.
한편, 수납 홈(106)은 양극 탭(103)과 음극 탭(104)의 두께에 따라 절연층(105)에서 형성되는 깊이가 결정될 수 있다.
절연층(105)은 0.1mm 내지 1mm의 두께로 형성할 수 있다. 절연층(105)의 두께는 양극 탭(103)과 음극 탭(104) 전체가 매립되거나 또는 일 영역이 매립되는 두께로 형성됨이 바람직하다.
절연층(105)은 젤리-롤 형태를 갖는 몸체(101)의 양단부를 절연하여 전극 노출면(S1, S2)을 형성한다. 전극 노출면(S1, S2)에서 양극 탭(103)과 음극 탭(104)이 밴딩되는 영역에는 수납 홈(106)이 형성될 수 있으며, 양극 탭(103)과 음극 탭(104)은 수납 홈(106) 방향으로 밴딩되고, 수납 홈(106)에 매립되어 고정될 수 있다.
이때, d4의 두께를 갖는 양극 탭(103)과 음극 탭(104)의 수납을 위해, 수납 홈(106)은 d4의 두께에 맞게 깊이를 d4로 형성하거나, 또는 d4보다 작은 깊이를 가질 수 있다. 예컨대, 수납 홈(106)은 양극 탭(103)과 음극 탭(104)의 두께(d4) 대비 1/2 내지 1의 비율로 형성되는 깊이로 전극 노출면(S1, S2)에 형성될 수 있다. 이는 전극 노출면에서 양극 탭(103)과 음극 탭(104)이 완전히 매립되거나 또는 일부가 매립되도록 하여 양극 탭(103)과 음극 탭(104)이 외부 충격에 의해 유동하지 않도록 하는데 따른다.
여기서, 수납 홈(106)의 깊이가 양극 탭(103)의 두께(d4)와 동일하게 형성되는 경우, 수납 홈(106)에 양극 탭(103)이 매립될 수 있다. 그러나, 양극 탭(103)의 일 면은 매립되지 않고 전극 노출면(S1)에서 노출되는데, 이는 양극 탭(103)이 캔(50)에 수납된 이후, 탑 캡(미도시)과 전기적으로 결선하기 위한 것이다. 즉, 수납 홈(106)의 깊이가 양극 탭(103)의 두께와 동일한 길이로 형성되더라도 양극 탭(103)의 노출면(S3)이 매립되지는 않으며, 캔(50)에 수납하여 탑 캡과 배선하는데 지장을 주지 않는다. 이는 음극 탭(104)에도 동일하게 적용되는 것으로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
실시예에 따른 전극 조립체는 젤리-롤 형상의 몸체(101)의 양단부에 형성되는 절연층(105), 절연층(105)에서 원형으로 노출되는 전극 노출면(S1)에는 수납 홈(106)이 마련되고, 몸체(101)에서 전극 노출면(106)으로 돌출되는 양극 탭(103)은 전극 노출면(S1)의 면 방향을 따라 밴딩되어 수납 홈(106)에 안착된다. 전극 노출면(S1)에 형성되는 수납 홈(106)의 길이 방향, 너비 방향 및 깊이에 대한 치수는 양극 탭(103)의 치수 대비 5% 내지 20% 더 길게 형성될 수 있으며, 이는 양극 탭(103)이 수납 홈(106)에 용이하게 수납되도록 한다.
도면에서, 양극 탭(103)의 길이 방향, 너비 방향의 길이가 각각 d2 및 d3고, 두께가 d4인 경우, 수납 홈(106)의 길이 방향, 너비 방향의 길이 및 깊이는 각각 d5, d6 및 d7에 대응한다.
이때, d5, d6 및 d7의 치수는 각각 양극 탭(103)의 d2, d3, d4에 대응하며, 양극 탭(103)의 치수 대비 5% 내지 20% 더 길게 형성된다. 여기서, 수납 홈(106)에 안착되는 양극 탭(103)은 도전성 재질로 형성되고, 몸체(101)를 형성하는 양극판과 음극판도 도전성 재질에 해당하므로 양극 탭(103)과 몸체(101)는 충분히 절연될 필요가 있다. 이를 위해, 수납 홈(106)에는 양극 탭(103)과 양극판, 또는 양극 탭(103)과 음극판이 도통되지 않도록 별도의 절연 부재가 설치할 수 있다. 이는 도 6과 도 7을 함께 참조하여 설명하도록 한다.
먼저, 도 6은 수납 홈(106)에 추가로 설치되는 절연 부재의 일 예에 대한 참조도를 도시한다.
도 6을 참조하면, 실시예에 따른 절연 부재(107)는 수납 홈(106)의 길이 방향, 너비 방향의 길이(d3, d4)에 따라 가로 세로 길이가 결정되고, 수납 홈(106)의 깊이(d5) 보다 작은 두께의 절연 부재(107)가 개시된다. 절연 부재(107)는 필름, 플라스틱 또는 세라믹 재질일 수 있으며, 비 전도성이면서 내열성이 좋은 소재라면 어떠한 소재든 이용될 수 있다.
절연 부재(107)가 수납 홈(106)에 안착된 후, 양극 탭(103)이 절연 부재(107) 방향으로 밴딩되어 전극 노출면(S1)에 장착될 수 있다. 이에 따라, 양극 탭(103)과 젤리-롤 형태의 전극 조립체는 전기적으로 도통될 우려가 감소된다. 다만, 절연 부재(107)의 두께와 양극 탭(013)의 두께의 합은 수납 홈(106)의 깊이(d5)와 동일 또는 유사해야 한다. 만일, 양극 탭(103)이 수납 홈(106)에서 지나치게 돌출되는 경우, 양극 탭(103)이 외부 충격에 의해 유동될 우려가 있다.
다음으로, 도 7a와 도 7b는 수납 홈에 추가로 설치되는 절연 부재의 다른 예에 따른 참조도를 도시한다.
도 7a와 도 7b를 참조하면, 수납 홈(106)에는 접착성 또는 점착성을 갖는 절연 테이프(108)가 부착될 수 있다. 절연 테이프(108)는 전극 노출면(S1)에서 쉽게 이탈되지 않도록 전극 노출면(S1)의 일 영역(S3)부터 수납 홈(106)에 이르는 영역에 부착될 수 있다. 도 7b에서 절연 테이프(108)는 수납 홈(106)의 바닥면에서 S3 영역에 부착되며, S3 영역에 대한 부착을 통해 절연 테이프(108)가 전극 노출면(S1)을 통해 견고히 부착 후, 수납 홈(106)의 바닥면을 따라 연장되도록 설치할 수 있다.
이후, 양극 탭(103)이 전극 노출면(S1)의 면 방향으로 밴딩되어 수납 홈(106)에 안착될 수 있다. 이때, 절연 테이프(108)의 두께와 양극 탭(103)의 두께의 합은 수납 홈(106)의 깊이와 동일 또는 유사하여야 하며, 바람직하게는 수평을 이룰 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
101 : 권심 몸체 103 : 양극 탭
104 : 음극 탭 105 : 절연층

Claims (11)

  1. 젤리-롤에서 양극 탭 또는 음극 탭이 노출되는 전극 노출면이 형성되며,
    상기 전극 노출면에는 절연층이 형성되고,
    상기 전극 노출면을 향해 노출된 상기 양극 탭 또는 상기 음극 탭이 밴딩되고, 밴딩된 상기 양극 탭 또는 상기 음극 탭 중 적어도 일 영역이 상기 절연층에 매립되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 양극 탭 또는 상기 음극 탭의 수납을 위한 수납 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수납 홈은,
    상기 절연층의 표면에서 상기 양극 탭 또는 상기 음극 탭의 두께 대비 1/2 내지 1의 비율에 따른 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 수납 홈은,
    상기 양극 탭 및 상기 음극 탭과 동일 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극 탭 또는 상기 음극 탭은,
    노출 면이 상기 절연층의 표면과 평행을 이루는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    비 전도성 합성수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양극 탭 또는 상기 음극 탭은,
    상기 절연층의 표면에서 상기 전극 노출면을 향해 밴딩되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 젤리-롤에서 양극 탭 및 음극 탭이 노출되는 전극 노출면에 형성되는 전극 조립체에 있어서,
    상기 전극 노출면에는 절연층이 형성되고, 상기 절연층에는 상기 양극 탭 또는 상기 음극 탭을 수납하기 위한 수납 홈이 형성되며,
    상기 수납 홈에는 상기 양극 탭 또는 상기 음극 탭이 상기 젤리-롤과의 접촉 방지를 위한 접촉방지 부재가 배치되며,
    상기 접촉방지 부재상에 상기 양극 탭 또는 상기 음극 탭이 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 양극 탭 또는 상기 음극 탭 중 어느 하나와, 상기 접촉방지 부재의 두께의 합은,
    상기 수납 홈의 깊이와 동일한 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 접촉방지 부재는,
    합성수지 재질의 절연판 또는 절연 테이프인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 수용하는 캔;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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