KR101792572B1 - 절연물질이 코팅되어 있는 전극을 포함하는 전지셀 - Google Patents

절연물질이 코팅되어 있는 전극을 포함하는 전지셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 전극조립체를 구성하는 각각의 양극 및 음극에는 활물질이 도포되어 있지 않은 전극 탭이 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들이 적층되어 있는 일측 단부에는 전극 탭들을 전기적으로 연결하기 위한 전극리드가 위치되어 있으며, 양극 탭 및 음극 탭 중 적어도 하나에는 전극 본체 방향으로의 단부 부위에 절연물질이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

절연물질이 코팅되어 있는 전극을 포함하는 전지셀 {Battery Cell Having Electrode Coated with Insulating Material}
본 발명은 절연물질이 코팅되어 있는 전극을 포함하는 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 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 리튬 이온 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.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 적은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
한편, 스택형 전극조립체 또는 스택/폴딩형 전극조립체는 일측에 전극탭이 돌출되어 있는 양극 전극 및 음극 전극 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 구조를 형성하고 있으며, 이러한 구조에서 외부로부터의 열원 노출, 내부 단락 등에 의해 온도가 상승하여 분리막이 수축하는 경우 양극 전극 및 음극 전극의 일부가 접촉되어 단락이 유발되는 문제점이 발생하였다.
특히, 비정상적인 조건에 의해 분리막의 수축하는 경우, 돌출되어 있는 전극 탭의 일부 부위가 다른 극성을 가지는 전극과 접촉되는 일이 발생할 수 있으며, 이러한 현상은 전지셀의 안전성을 크게 저하시키고 수명을 단축하는 원인이 되고 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 양극/분리막/음극의 적층 구조에서, 분리막의 수축에 의해 발생하는 단락을 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 전지셀로서,
상기 전극조립체를 구성하는 각각의 양극 및 음극에는 활물질이 도포되어 있지 않은 전극 탭이 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들이 적층되어 있는 일측 단부에는 전극 탭들을 전기적으로 연결하기 위한 전극리드가 위치되어 있으며,
양극 탭 및 음극 탭 중 적어도 하나에는 전극 본체 방향으로의 단부 부위에 절연물질이 코팅되어 있는 구조로 구성될 수 있다.
즉, 비정상적인 환경 또는 작동에 의해 전극조립체에 고온의 인가되어 분리막이 수축하는 경우, 전극 탭의 일부 부위가 인접한 다른 극성을 가지는 전극과 접촉하면서 발생하는 단락을 방지하도록, 양극 탭 및 음극 탭 중 적어도 하나에는 그것의 일부 부위에 절연물질이 코팅되어 있는 구조로 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 분리막의 크기는 양극 및 음극의 크기보다 크게 형성되어 있고, 상기 양극은 음극보다 작은 크기로 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 이 때 상기 절연물질은 양극 탭의 단부 부위에만 코팅될 수 있다. 이러한 구조에서, 분리막이 수축되었을 때 음극 탭이 돌출되는 방향의 음극 전극의 단부 부위와, 양극 탭의 전극 본체 방향으로의 단부가 직접 접촉되어 단락이 발생할 수 있으므로, 양극 탭의 전극 본체 방향으로의 단부 부위에 절연물질을 코팅하여 상기와 같은 단락을 방지하는 구조로 이루어질 수 있다.
그러나, 상기의 구조에 한정되지 않고, 음극 탭의 단부 부위에도 절연물질이 코팅될 수 있으며, 양극 탭의 단부 부위 및 음극 탭의 단부 부위 모두 절연물질이 코팅되는 구조일수도 있다.
상기 절연물질이 코팅된 부위는 분리막이 수축되었을 때 인접한 전극에 도포된 활물질에 대해 절연되도록, 그것의 외측 단부가 인접한 전극의 활물질 도포 부위의 외측 단부와 비교하여 일치하거나 또는 외측으로 더 연장되어 있는 구조일수 있다.
상기 절연물질은 전극 탭의 돌출 방향을 기준으로 수직 방향의 양측 단부를 연결하는 선형 구조로 코팅될수 있다.
상기 절연물질은 전극 상에서 활물질이 도포되어 있는 경계면을 덮도록 코팅되어 있는 구조로 형성될 수 있으나, 상기 절연물질이 활물질이 도포되어 있는 경계면과 접하는 구조일 수 도 있다.
상기 절연물질이 코팅되어 있는 부위의 폭은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 절연물질이 0.5 mm 내지 5 mm의 폭으로 코팅될 수 있다. 상기 폭이 너무 작으면 절연효과를 기대하기 어렵고, 반대로 절연물질 코팅 영역의 폭이 너무 크면 전극 탭들의 연결을 위한 절연물질이 코팅되지 않은 전극 탭의 표면이 상대적으로 좁아지게 되므로 바람직하지 않다.
상기 절연물질은 절연성을 가지는 소재라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, PE, PP, 및 PET 중 어느 하나이거나, 이들 중 어느 하나의 유도체, 또는 이들 어느 하나 이상이 포함되어 있는 공중합체일 수 있다.
또한, 상기 절연물질에는 높은 강도와 가공성 및 내약품성이 우수한PVDF(Polyvinylidene fluoride)가 포함되어 있을 수 도 있다.
상기 절연물질이 코팅되어 있는 구조는 절연물질이 도포되어 있는 구조일 수 도 있고, 해당 부위에 절연 테이프가 부착되어 있는 구조일 수도 있다. 상기 절연 테이프는 PE, PP, 및 PET 중 어느 하나, 또는 이들 중 어느 하나의 유도체, 또는 이들 중 어느 하나 이상이 포함되어 있는 공중합체를 포함하는 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연 테이프는 아크릴라이트(acrylite)계의 코팅에 의한 점착층을 포함하는 구조일 수 있다.
상기 전극조립체는 양극/분리막/음극을 구성하는 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 권취형 구조, 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조로 형성될 수 있다.
스택/폴딩형 전극조립체는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층된 유닛셀들이 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조로서, 상기 유닛셀들은 양측 외면의 전극들의 극성이 동일한 바이셀과 양측 외면의 전극들의 극성이 다른 풀셀로 분류할 수 있다.
스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.
상기 전지셀은 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 포함하고 있는 전지팩을 제공한다. 상기 전지팩은 하나의 전지셀이 포함되어 있거나 또는 다수의 전지셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 구조가 포함될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 스마트 패드, 노트북 컴퓨터, 전동 공구, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치등으로부터 선택되는 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당 업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 비정상적인 환경 또는 작동에 의해 전극조립체에 고온의 인가되어 분리막이 수축하는 경우, 전극 탭의 일부 부위가 인접한 다른 극성을 가지는 전극과 접촉하면서 발생하는 단락을 방지함으로써 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 양극/분리막/음극 구조에 관한 모식도이다;
도 2는 도 1을 적층한 구조의 부분 단면도이다;
도 3은 양극 전극을 제조하는 공정에 관한 모식도이다;
도 4는 도 3의 A 부위에 관한 확대도이다.
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 양극/분리막/음극 구조에 관한 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1을 적층한 구조의 부분 단면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전극조립체를 구성하는 양극(110)과 음극(120)은 활물질이 도포되어 있지 않은 전극 탭(112, 122)이 각각 돌출되어 있다. 이러한 양극(110)과 음극(120)은 교번 적층되어 있으며, 양극(110)과 음극 (120)사이에는 분리막(130)이 개재되어 있다.
음극(120)은 양극(110)보다 큰 구조로 형성되어 있고, 분리막(130)은 양극(110)과 음극(120)보다 큰 구조로 형성되어 있다. 그리고, 양극 탭(112)에는 양극(110)의 활물질이 도포되어 있는 본체(114) 방향으로의 단부 부위에 절연물질(115)이 코팅되어 있다.
즉, 전극조립체에 고온의 인가되어 분리막(130)이 수축하는 경우, 양극 탭(112)과 음극 전극(120)의 본체 상단이 직접적으로 접촉되면서 발생하는 단락을 방지하도록, 양극 탭(112)의 본체(114) 방향의 단부 부위에 절연물질이(115) 코팅되어 있다.
절연물질(115) 이 코팅된 부위는 분리막(130)이 수축되었을 때 인접한 음극(120)에 대해 절연되도록, 외측 단부가 인접한 음극 전극(120)의 외측 단부와 비교하여 외측으로 더 연장되어 있는 구조로 형성되어 있다. 또한 절연물질(115)은 활물질이 도포되어 있는 경계면과 접하도록 코팅되어 있다.
이러한 구조의 전극조립체는 양극(110) 및 음극(120)의 전극 탭들(112, 122)이 적층되어 있는 일측 단부에 전극 탭들(112, 122)을 전기적으로 연결하는 전극리드(도시하지 않음)가 결합된다.
도 3에는 양극 전극을 제조하는 공정에 관한 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 A 부위에 관한 확대도가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면 양극 전극(110)은 양극 집전체의 모재가 되는 금속 시트에 활물질 및 절연물질을 도포한 후 전극 탭(112)이 돌출되는 형태로 각각 노칭하여 제조한다. 전극 탭(112)을 형성하는 부위에는 활물질이 도포되지 않으며, 전극 탭(112)에서 전극 본체(114)방향으로의 단부에 절연물질(115)을 선형으로 도포한 후 노칭 공정을 수행하면, 전극 탭(112)의 돌출 방향을 기준으로 수직 방향의 양측 단부를 연결하는 선형 구조로 절연물질(115)의 코팅 부위가 형성된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 금속 시트에 활물질 및 절연물질을 도포한 후 전극 탭이 돌출되는 형태로 각각 노칭하여 양극 전극을 제조하는 과정; 및
    (b) 상기 전극 탭을 형성하는 부위에는 활물질이 도포되지 않으며, 전극 탭에서 전극 본체 방향으로의 단부에 절연물질을 선형으로 도포한 후 수행하는 노칭 공정;
    을 포함하고 있으며,
    상기 전극조립체를 구성하는 각각의 양극 및 음극에는 활물질이 도포되어 있지 않은 전극 탭이 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들이 적층되어 있는 일측 단부에는 전극 탭들을 전기적으로 연결하기 위한 전극리드가 위치되어 있으며,
    양극 탭 및 음극 탭 중 적어도 하나에는 전극 본체 방향으로의 단부 부위에 전극 탭의 돌출 방향을 기준으로 수직 방향의 양측 단부를 연결하는 선형 구조로 절연물질이 코팅되어 있으며,
    상기 전극조립체는 전극군으로서 풀셀 또는 바이셀의 유닛셀을 포함하고 있는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극은 음극보다 작은 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 절연물질은 양극 탭의 단부 부위에만 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 절연물질은 양극 탭 및 음극 탭 중 적어도 하나의 단부에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 절연물질이 코팅된 부위는 분리막이 수축되었을 때 인접한 전극에 도포된 활물질에 대해 절연되도록, 그것의 외측 단부가 인접한 전극의 활물질 도포 부위의 외측 단부와 비교하여 일치하거나 또는 외측으로 더 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 절연물질은 전극 탭의 돌출 방향을 기준으로 수직 방향의 양측 단부를 연결하는 선형 구조로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 절연물질은 활물질이 도포되어 있는 경계면을 덮도록 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연물질이 코팅된 부위의 일측 단부는 활물질이 도포되어 있는 경계면과 접하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 절연물질이 코팅되어 있는 부위의 폭은 0.5 mm 내지 5 mm의 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 절연물질은 PE, PP, 및 PET 중 어느 하나이거나, 이들 중 어느 하나의 유도체, 또는 이들 어느 하나 이상이 포함되어 있는 공중합체인 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 절연물질에는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 절연물질이 코팅되어 있는 구조는 절연 테이프가 부착되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서 상기 절연 테이프는 PE, PP, 및 PET 중 어느 하나, 또는 이들 중 어느 하나의 유도체, 또는 이들 중 어느 하나 이상이 포함되어 있는 공중합체인 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 절연 테이프는 아크릴라이트(acrylite)계의 코팅에 의한 점착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막의 크기는 양극 및 음극의 크기보다 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조 방법.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
KR1020140019728A 2014-02-20 2014-02-20 절연물질이 코팅되어 있는 전극을 포함하는 전지셀 KR101792572B1 (ko)

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