KR102032512B1 - An electrode assembly with improved safety in use by patterned structure of exterior materials and a lithium ion battery with the electrode assembly - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 이차전지는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 외부를 둘러싸도록 상부 압인부와 하부 압인부가 반복 압인 가공된 구조인 외장재;를 포함하고, 상기 상부 압인부와 하부 압인부는 주름 패턴을 형성하고, 상기 전극 조립체는, 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀; 상기 한 쌍의 전극판의 단면 또는 양면 상에 도포되는 전극 합제; 및 상기 전극판들로부터 각각 돌출되는 동시에 상기 전극 합제가 미도포된 상태의 전극 탭;을 포함하고, 상기 전극 탭은 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 포함하고, 상기 전극판은 상기 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭 중 어느 하나 이상의 전극 탭이 형성되며, 상기 주름 패턴의 간격이 상이한 상태이다.Secondary battery according to the present invention is an electrode assembly; And an exterior member having a structure in which an upper stamping portion and a lower stamping portion are repeatedly pressed to surround the outside of the electrode assembly, wherein the upper stamping portion and the lower stamping portion form a pleat pattern, and the electrode assembly includes a separator. At least one unit cell having a pair of electrode plates having different polarities; An electrode mixture applied on one or both surfaces of the pair of electrode plates; And electrode tabs protruding from the electrode plates at the same time, and wherein the electrode mixture is not coated, wherein the electrode tabs include tabs for parallel connection of electrodes and tabs for connecting electrode leads. At least one of the electrode tabs of the electrode parallel connection tab and the electrode lead connection tab is formed, and the gap between the corrugation patterns is different.
Description
본 발명은 플렉서블한 환경에서 외부의 반복적인 힘인 굽힘과 비틀림 등에 의해 발생할 수 있는 전지의 기계적 문제인 외장재의 파손 및 내부 단락으로 인하여 발생하는 발화 내지 폭발 위험성을 사전에 방지하기 위하여, 외장재의 패턴 간격 조절을 통해 전지를 구성하는 외장재의 파손 내지 내부 쇼트가 발생하는 시점 이전에 전극리드 연결용 탭 및 병렬 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극의 절단을 유도함으로써 사용상의 안전을 확보하게 하는 기술에 대한 것이다.The present invention is to control the pattern spacing of the packaging material in order to prevent the risk of fire or explosion caused by breakage and internal short circuit, which is a mechanical problem of the battery that may be caused by the external repeated forces bending and twisting in a flexible environment The present invention relates to a technology for ensuring safety of use by inducing cutting of the outermost electrode provided with a tab for electrode lead connection and a tab for parallel connection before a breakdown of an outer material constituting a battery or an internal short occurs through the battery. .
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 상기 휴대형 전자기기의 경량화와 고기능화 및 사물인터넷(Internet of things, IoT)이 발전함에 따라 그 구동 전원으로 사용되는 이차전지에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다.Secondary batteries (secondary battery) is a battery that can be charged and discharged, unlike a primary battery that can not be charged, and is widely used in the field of advanced electronic devices such as cellular phones, notebook computers, camcorders. As the weight reduction and high functionality of the portable electronic devices and the Internet of things (IoT) are developed, many researches on secondary batteries used as driving power sources have been made.
특히, 리튬 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있어서 그 수요가 증가하고 있는 추세이다.In particular, lithium secondary batteries have higher voltages and higher energy densities per unit weight than nickel-cadmium batteries or nickel-hydrogen batteries, which are widely used as power sources for portable electronic equipment.
이차 전지는 전해물질에 양극과 음극을 삽입한 상태에서, 상기한 양극과 음극을 연결했을 때 전해물질과 전극 사이에서 발생되는 전기화학적 반응을 이용한 전지로서, 기존의 일차전지와는 달리 전기전자제품에서 소모된 에너지를 충전기에 의해 재충전하여 반복 사용할 수 있는 충전과 방전이 가능한 전지이므로 무선 전기전자제품의 대중화와 더불어 확산되고 있는 추세이다.The secondary battery is a battery using an electrochemical reaction generated between the electrolyte and the electrode when the positive electrode and the negative electrode are connected with the positive electrode and the negative electrode inserted into the electrolytic material. Unlike the conventional primary battery, the electric and electronic products Since the battery can be recharged and recharged by recharging the energy consumed by the charger, the trend is spreading with the popularization of wireless electric and electronic products.
통상적으로, 양극판과 음극판과의 사이에 분리막을 삽입하고 이들을 함께 나선형으로 권취시킨 젤리롤 형태의 권취형 전극 조립체, 또는 분리막을 사이에 두고 다수의 양극판과 음극판을 적층하여 형성된 플렉서블 적층형 전극 조립체를 리튬 이차 전지에 많이 사용하고 있다. 예를 들어, 원통형 전지는 권취형 전극 조립체를 원통형 캔에 수납하고 전해질을 주입한 후 밀봉하는 것이고, 각형 전지는 권취형 전극 조립체나 적층형 전극 조립체를 압박하여 납작하고 평평하게 만든 다음 각형 캔에 수납하는 것이다. 또한, 파우치형 전지는 권취형 전극 조립체나 적층형 전극 조립체를 전해질과 함께 파우치형 외장재로 포장한 것이다. 이러한 전극 조립체에서, 양극판과 음극판으로부터 각각 양극탭과 음극탭이 전극 조립체의 외부로 인출되어 이차 전지의 양극과 음극에 연결될 수 있다.In general, a lithium electrode-type wound electrode assembly in which a separator is inserted between a positive electrode plate and a negative electrode plate and spirally wound together, or a flexible stacked electrode assembly formed by stacking a plurality of positive electrode plates and a negative electrode plate with a separator interposed therebetween is lithium. I use it a lot in a secondary battery. For example, a cylindrical battery is one that houses a wound electrode assembly in a cylindrical can, injects electrolyte, and seals it, while a square cell compresses the wound electrode assembly or stacked electrode assembly to make it flat and flat, and then stores it in a square can. It is. In the pouch type battery, the wound electrode assembly or the stacked electrode assembly is packaged together with an electrolyte in a pouch type packaging material. In such an electrode assembly, the positive electrode tab and the negative electrode tab may be respectively drawn out of the electrode assembly from the positive electrode plate and the negative electrode plate and connected to the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery.
한편, 기존 파우치 타입의 리튬이차전지는 외부에서 가해지는 의도적인 힘에 의해 리튬이차전지의 외측을 이루는 외장재가 손상됨으로써 외장재 내부에 수용된 전해액 누액 및 외부 공기의 유입이 일어난다. 이러한 전해액 누액은 전지 보호회로와 같은 주변 부품을 부식시키는 등 정상적인 작동을 저해한다. 또한 외부 공기의 유입으로 인한 발화 등의 큰 안전성 문제를 초래한다.On the other hand, the conventional pouch type lithium secondary battery is damaged by the intentional force applied to the exterior of the lithium secondary battery by the external force, the electrolyte leakage and the inflow of the outside air contained in the exterior material occurs. Such electrolyte leakage inhibits normal operation such as corroding peripheral components such as battery protection circuits. In addition, it causes a large safety problem such as ignition due to the inflow of outside air.
리튬이차전지의 내구성을 향상하기 위한 방안으로서, 리튬이차전지를 이루는 외장재 패턴의 형성과 단자의 보강 구조를 적용함으로써 전지의 내구성을 향상시켜 반복적으로 가해지는 힘인 굽힘, 비틀림 등에도 안정적으로 전기화학 구동을 가능하게 한다.As a method for improving the durability of lithium secondary batteries, electrochemical driving is stably performed even when bending, torsion, etc., which is a force repeatedly applied by improving the durability of the battery by forming the exterior pattern and forming the terminal reinforcement structure of the lithium secondary battery. To make it possible.
한편으로, 플렉서블한 환경에서는 반복적인 굽힘과 비틀림 등에 의해 외장재의 파손 및 내부 전극들의 오정렬, 이탈 등으로 인한 단락이 발생하여 발화 내지 폭발 위험성이 있을 수 있다. 내부 단락은 양극과 음극이 접촉되는 면적에 비례하여 전류가 과다하게 흘러 많은 열이 발생하는데, 이런 경우에 2차 단락이 추가적으로 발생하여 발화 및 폭발의 위험성이 있을 수 있다.On the other hand, in a flexible environment, a short circuit may occur due to breakage of the exterior material and misalignment or separation of internal electrodes due to repeated bending and torsion, such that a fire or explosion may occur. The internal short circuit generates excessive heat due to excessive current flow in proportion to the contact area between the anode and the cathode. In this case, an additional secondary short circuit may occur, which may cause a risk of fire and explosion.
일반적인 전지 구조를 보면, 와인딩 방식이나 일반 적층형 전지의 경우에 모든 전극에 외부로 연결되어 있어서 외부의 충격으로 인한 전극 및 분리막의 손상 시에 내부 단락이 일어난다.In the general battery structure, in the case of the winding type or the general stacked battery, all the electrodes are connected to the outside, and an internal short circuit occurs when the electrode and the separator are damaged due to an external impact.
상기와 같이 내부 단락이 발생하는 경우에, 전극 조립체의 어느 한 부분일 수 있는 내부 전극 또는 최외곽 전극이 끊어지는 경우에도 단지 용량이 감소하는 문제는 있을 수 있으나, 전극 조립체의 외부로 전류가 흐르는 데는 문제가 없으므로 전지의 작동에는 이상이 없게 된다. 다만, 상기 내부 전극의 파손 및 절단 상태에서 지속적으로 사용 시에는 안전성에 문제가 될 수 있다는데 그 심각성이 있다.In the case where the internal short circuit occurs as described above, even if the internal electrode or the outermost electrode, which may be any part of the electrode assembly, may have a problem that only the capacity decreases, the current flows out of the electrode assembly. There is no problem with the operation, so there is no problem with the operation of the battery. However, when the continuous use in the broken and cut state of the internal electrode may be a problem to the safety there is a seriousness.
한국 공개특허공보 제10-2016-0090104호를 참조하면, 기존의 파우치형 전지 내부에 포함되는 전극조립체에서 외부에서 외력이 가해지는 경우 파손 발생 및 내 전해액성 부족이라는 문제점을 극복하기 위하여 플렉서블 전지용 전극조립체의 일면에 보강부재를 구비함으로써 외력이 가해지는 경우에도 파손을 방지한다는 내용이 개시된다.Referring to Korean Unexamined Patent Publication No. 10-2016-0090104, in order to overcome the problems of breakage and lack of electrolyte resistance when external force is applied from an external electrode assembly included in a conventional pouch type battery, a flexible battery electrode Disclosed is the provision of a reinforcing member on one surface of the assembly to prevent breakage even when an external force is applied.
(특허문헌 1) KR10-2016-0090104 A(Patent Document 1) KR10-2016-0090104 A
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 외장재의 패턴 간격 조절을 통해 전지를 구성하는 외장재의 파손 내지 내부 단락이 발생하는 시점 이전에 전극리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극의 절단을 유도함으로써 사용상의 안전을 확보하게 하는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the problem to be solved by the present invention, by inducing the cutting of the outermost electrode provided with a tab for electrode lead connection before the breakage of the packaging material constituting the battery or the internal short circuit occurs by adjusting the pattern spacing of the packaging material. It is an object to provide a structure that ensures safety in use.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 외부를 둘러싸도록 상부 압인부와 하부 압인부가 반복 압인 가공된 구조인 외장재;를 포함하고, 상기 상부 압인부와 하부 압인부는 주름 패턴을 형성하고, 상기 전극 조립체는, 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀; 상기 한 쌍의 전극판의 단면 또는 양면 상에 도포되는 전극 합제; 및 상기 전극판들로부터 각각 돌출되는 동시에 상기 전극 합제가 미도포된 상태의 전극 탭;을 포함하고, 상기 전극 탭은 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 포함하고, 상기 전극판은 상기 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭 중 어느 하나 이상의 전극 탭이 형성되며, 상기 주름 패턴의 간격이 상이한 상태이다.Lithium ion secondary battery according to the present invention for achieving the above object is an electrode assembly; And an exterior member having a structure in which an upper stamping portion and a lower stamping portion are repeatedly pressed to surround the outside of the electrode assembly, wherein the upper stamping portion and the lower stamping portion form a pleat pattern, and the electrode assembly includes a separator. At least one unit cell having a pair of electrode plates having different polarities; An electrode mixture applied on one or both surfaces of the pair of electrode plates; And electrode tabs protruding from the electrode plates at the same time, and wherein the electrode mixture is not coated, wherein the electrode tabs include tabs for parallel connection of electrodes and tabs for connecting electrode leads. At least one of the electrode tabs of the electrode parallel connection tab and the electrode lead connection tab is formed, and the gap between the corrugation patterns is different.
상기 전극 조립체는 최외곽에 배치되는 최외곽 음극판 및 상기 최외곽 음극판의 내측에 일체적으로 배치되는 최외곽 양극판을 포함하고, 상기 최외곽 음극판 및 최외곽 양극판은 각각 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 모두 포함한다.The electrode assembly includes an outermost negative electrode plate disposed at the outermost side and an outermost positive electrode plate integrally disposed inside the outermost negative electrode plate, and the outermost negative electrode plate and the outermost positive electrode plate respectively have tabs and electrode leads for parallel connection of electrodes. Includes all tabs for the connection.
상기 외장재의 주름 패턴 간격은 상기 상부 압인부와 하부 압인부 각각의 폭을 기본 패턴 간격인 X로 설정한 상태에서, 상기 외장재 일부 영역에서의 상이한 주름 패턴 간격인 Y는 X<Y≤5X 이다.The wrinkle pattern spacing of the packaging material is a width of each of the upper stamping portion and the lower stamping portion set to X, which is a basic pattern spacing, and a different wrinkle pattern spacing Y in the partial region of the packaging material is X <Y ≦ 5X.
상기 전극 조립체는, 상기 전극 조립체를 구성하는 전극 탭 중 어느 하나의 전극 리드 연결용 탭 상에 용착 고정된 보강 탭;을 더 포함한다.The electrode assembly may further include a reinforcement tab welded and fixed on the electrode lead connection tab of any of the electrode tabs constituting the electrode assembly.
상기 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드를 상기 보강 탭을 이용하여 덧대어진 구조의 탭 리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입 정렬된 상태이다.The tab lead coupling portion of the structure in which the electrode lead connection tab and the electrode lead are padded using the reinforcement tab is inserted into and aligned with the inside of the separator.
상기 전극 조립체를 구성하는 전극 탭 중 어느 하나의 전극 리드 연결용 탭 상에 결합된 전극 리드는 상기 전극 조립체를 향하도록 접합된 상태에서 180˚ 반대 방향으로 굽혀져 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 향한 굽힘 구조를 더 포함한다.The electrode lead coupled to the electrode lead connection tab of any one of the electrode tabs constituting the electrode assembly is bent in an opposite direction to 180 ° in the state of being bonded to face the electrode assembly and bent toward the outside of the electrode assembly. It further includes a structure.
상기 전극 리드 연결용 탭과 굽힘 구조의 전극 리드가 결합된 탭-리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입 정렬된 상태이다.The tab-lead coupling portion to which the electrode lead connection tab and the electrode lead of the bent structure are coupled is inserted into and aligned inside the separator.
상기 전극 조립체의 최상단 및 최하단에 배치된 최외곽 음극판은 전극 합제가 단면으로 도포된다.In the outermost negative electrode plates disposed at the top and bottom of the electrode assembly, the electrode mixture is coated in cross section.
본 발명에 따르면, 전극 조립체 상에 외부 굽힘에 의한 인장 응력과 압축 응력이 반복적으로 가해질 경우, 전극 조립체를 이루는 최외곽 전극 중에서 외장재의 상이한 패턴 상에 일치하는 부분이 손상 및 절단됨으로써 전류가 차단되는 구조로 전지의 기능을 상실케하고 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.According to the present invention, when tensile and compressive stresses caused by external bending on the electrode assembly are repeatedly applied, currents are interrupted by breaking and cutting portions corresponding to different patterns of the outer material of the outermost electrode constituting the electrode assembly. The structure can cause loss of battery function and safety of use.
즉, 전극 조립체에 대한 충방전과 동시에 굽힘 평가를 진행하는 경우에, 전극 조립체를 둘러싸는 외장재의 패턴 너비가 기본 패턴보다 상대적으로 큰 부분에 대면하는 최외곽 전극 부분은 상기 최외곽 전극인 음극과 내측의 양극 간의 이격 거리가 증가하고, 저항이 커짐으로 인해서 최외곽 전극 내에 리튬이 남아있게 되어 상대적으로 두께 차이가 발생한다. 이러한 전극 두께의 차이가 있는 상태에서 반복적으로 외부 힘에 의한 굽힘 및 휘어짐 평가 시에는 의도적인 최외곽 전극을 절단이 가능하게 됨을 알 수 있다.That is, when the bending evaluation is performed at the same time as charging and discharging the electrode assembly, the outermost electrode portion facing the portion where the pattern width of the packaging material surrounding the electrode assembly is relatively larger than the basic pattern is the negative electrode which is the outermost electrode. As the separation distance between the inner anodes increases and the resistance increases, lithium remains in the outermost electrode, so that a difference in thickness occurs. It can be seen that the intentional outermost electrode can be cut at the time of repeatedly evaluating bending and bending due to an external force in a state where the electrode thickness is different.
또한, 충/방전이 진행됨에 따라 전극은 부피 팽창과 수축이 발생하는데, 기본 패턴보다 상이한 패턴 상의 일치하는 전극 부분은 계속해서 부피 팽창이 유지되고, 외부에서의 반복적인 휘어짐과 굽힘으로 인해 스트레스가 상대적으로 다른 부분에 비해 국부적으로 심하게 걸린다.In addition, as the charging / discharging proceeds, the electrodes undergo volume expansion and contraction, and corresponding electrode portions on patterns different from the basic pattern are continuously maintained in volume expansion, and stress is caused by repeated bending and bending outside. It is more severe locally than other parts.
전극리드 연결용 탭과 병렬연결용 탭이 동시에 구비된 최외곽 전극이 절단될 경우에, 활물질 내의 전자가 외부로 연결되는 유일한 통로가 끊김으로써 전류가 차단되는 구조로 전지의 기능을 상실케 하는 과정을 통해 사용상의 안전성을 확보한다.In the case where the outermost electrode provided with both the electrode lead connection tab and the parallel connection tab is cut, the process of losing the function of the battery by cutting off the current by cutting off the only passage through which electrons in the active material are connected to the outside To ensure the safety of use.
본 발명에 따른 전극 조립체를 이루는 최외곽 전극 및 일반 전극들은 병렬 연결용 탭으로 접속되고, 최외곽 전극 상에는 전극리드 연결용 탭 부분에 단자가 형성되어 있는데, 외부에서 굽힘 및 비틀림 등의 외력이 가해지는 경우에는 내부의 일반 전극들보다는 최외곽 전극이 우선적으로 손상되며 절단된다. 이 때, 전극리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극이 끊어지게 되면, 병렬연결용 탭에 의해 연결된 일반 전극들은 전류가 차단된 상태에서 폐쇄 상태(shutdown)가 되어 용량이 급감하여 전지가 원래의 기능을 하지 못한다.The outermost electrode and the general electrodes constituting the electrode assembly according to the present invention are connected by tabs for parallel connection, and the terminal is formed on the electrode lead connection tab portion on the outermost electrode, and external forces such as bending and twisting are applied from the outside. In case of loss, the outermost electrode is preferentially damaged and cut rather than the inner general electrodes. At this time, when the outermost electrode provided with the electrode lead connection tab is cut off, the general electrodes connected by the parallel connection tab are shut down in the state where the current is cut off, and the capacity decreases rapidly and the battery returns to its original state. It doesn't work.
즉, 전극 조립체를 이루는 최외곽 전극의 종류 및 배치를 적절하게 활용하여 외장재 파손 내지 내부 단락이 발생하는 시점 이전에 전극리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극의 절단을 유도함으로써 이루어지는 전류 차단 구조를 통해 전지의 안전성을 확보한다.That is, the current blocking structure formed by inducing the cutting of the outermost electrode provided with the tab for electrode lead connection before the point of failure of the outer material or the internal short circuit by appropriately utilizing the type and arrangement of the outermost electrode constituting the electrode assembly. To ensure the safety of the battery.
따라서, 본 발명은 병렬연결용 탭과 전극리드 연결용 탭이 동시에 구비된 전극의 형상과 적층 구조를 통해 전지의 유연성을 향상시킬 뿐 아니라 외장재의 파손 내지 리튬 석출로 인한 내부 단락의 위험에 이르기 전에, 의도적으로 최외곽 전극의 절단을 유도함에 의해 전지 기능을 상실케 함으로써 전지 사용 상의 안전성까지 확보할 수 있다.Therefore, the present invention not only improves the flexibility of the battery through the shape and laminated structure of the electrode provided with the tab for parallel connection and the electrode lead connection tab at the same time, but also before the risk of internal short circuit due to breakage of the exterior material or lithium deposition. By intentionally inducing the cutting of the outermost electrode, the battery function can be lost, thereby ensuring the safety of the battery.
도 1은 본 발명에 따라 플렉서블 전지를 구성하는 전극 조립체의 예시적인 구성을 보인다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 최외곽 전극을 음극으로 배치한 상태의 전극 조립체의 분해도를 보인다.
도 4 및 도 5는 전극 조립체를 둘러싸는 외장재의 패턴 간격을 조절한 경우에 최외곽 음극 상에 발생하는 두께의 차이로 인한 합제층의 크랙 및 탈리를 보인다.
도 6은 최외곽 전지 상에 절단이 발생함으로써 전극 조립체를 이루는 다른 내부 전극들이 폐쇄 상태(셧다운, shutdown)로 설정된 상태를 보인다.
도 7은 본 발명에 따라 전극 조립체를 감싸는 외장재부를 갖는 플렉서블 전지를 보인다.
도 8은 기존의 플렉서블 전지 및 본 발명에 따른 플렉서블 전지에 대한 반복적인 굽힘 평가 결과를 보인다.1 shows an exemplary configuration of an electrode assembly constituting a flexible battery according to the present invention.
2 and 3 show an exploded view of the electrode assembly with the outermost electrode disposed as a cathode according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 show cracks and detachment of the mixture layer due to the difference in thickness occurring on the outermost cathode when the pattern spacing of the packaging material surrounding the electrode assembly is adjusted.
FIG. 6 shows a state in which cutting occurs on the outermost cell so that the other internal electrodes constituting the electrode assembly are set to a closed state.
7 shows a flexible battery having an exterior member surrounding the electrode assembly according to the present invention.
8 shows repeated bending evaluation results for the existing flexible battery and the flexible battery according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플렉서블 전지에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a flexible battery according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.The following examples are detailed description to help understand the present invention, and it should be understood that the present invention is not intended to limit the scope of the present invention. Therefore, equivalent inventions that perform the same functions as the present invention will also fall within the scope of the present invention.
또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In addition, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used as much as possible even if displayed on different drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따라 외장재의 패턴 간격 조절을 통해 최외곽 전극의 절단 유도를 가능하게 함으로써 전지의 안정성을 향상한 전극 조립체의 일 실시예를 설명한다.1 to 3, an embodiment of an electrode assembly having improved stability of a battery by enabling cutting of the outermost electrode by adjusting a pattern spacing of the exterior member according to the present invention will be described.
전극 조립체는 분리막(30)을 사이에 두고 음극판(10)과 양극판(20)으로 구분된 단위셀(A), 음극판과 양극판 사이에서 이온 전달 매개체 역할을 하는 전해액, 전극판으로부터 돌출되어진 상태에서 용도에 따라 분리되는 전극 병렬 연결용과 전극 리드 연결용으로 나뉘는 전극 탭을 포함한다. 상기 음극판(10)과 양극판(20)을 포함하는 전극판들 중 어느 하나 이상의 전극판은 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 양측에 이격 배치할 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(100)의 최하단에 배치되는 임의의 최외곽 음극판(10)은 음극 병렬 연결용 탭(12)과 음극 리드 연결용 탭(14)을 구비하고, 상기 최외곽 음극판의 직상단에 배치된 임의의 양극판은 양극 병렬 연결용 탭(22)과 양극 리드 연결용 탭(24)을 구비한다. 즉, 전극 조립체의 최하단에는 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 모두 갖는 음극 및 양극이 일체적으로 배치된다.The electrode assembly is a unit cell (A) divided into the
여기에서, 전극판들은 전극 합제가 전극 집전체인 전극판의 단면 또는 양면에 도포되며, 상기 전극 병렬 연결용 탭 및 전극 리드 연결용 탭은 상기 전극판으로부터 돌출된 형태이다. 한편, 상기 전극 병렬 연결용 탭 및 전극 리드 연결용 탭에는 전극 합제가 미도포된 상태로 노출된 형태이다.Herein, the electrode plates are applied to one or both surfaces of the electrode plate in which the electrode mixture is an electrode current collector, and the tabs for parallel connection of electrodes and the tabs for connecting electrode leads protrude from the electrode plates. Meanwhile, the electrode mixture is exposed in the uncoated state to the electrode parallel connection tab and the electrode lead connection tab.
상기 복수의 전극판들은 전극 병렬 연결용 전극 탭을 통해 동일한 극끼리 연결된다. 즉, 복수의 음극판(10)들 및 복수의 양극판(20)들은 각각 전극 탭들 간을 연결하는 탭-탭 결합부에 의해서 전기적으로 병렬 연결된다.The plurality of electrode plates are connected to the same pole through the electrode tab for parallel connection of the electrodes. That is, the plurality of
한편, 전극 조립체는 전극 리드 연결용 탭을 통해 외장재 외부로 노출되어 있는 전극 리드와 전기적으로 연결되는 구조를 갖는다. 분리막은 전극판들을 물리적으로 이격시키지만 전해액에 포함된 이온은 통과시키는 기능을 한다.On the other hand, the electrode assembly has a structure that is electrically connected to the electrode lead exposed to the outside of the packaging material through the tab for connecting the electrode lead. The separator physically separates the electrode plates, but functions to pass ions included in the electrolyte.
상기 전극 조립체의 최상단 및 최하단에 배치되는 음극판은 음극 합제(40)가 단면에만 도포된 상태일 수 있다.The negative electrode plates disposed at the uppermost and lowermost ends of the electrode assembly may be in a state in which the
음극판(10) 또는 양극판(20) 상에서 돌출된 상태의 전극 병렬 연결용 탭(12, 22)은 동일한 극성의 전극판들로 서로 전기적인 병렬 연결을 하게 한다. 병렬 연결된 탭-탭 결합부는 전극 조립체의 최상단 또는 최하단을 이루는 최외각 전극판의 외면을 감싸고 있는 분리막 상에 위치하여 마감 테이핑 처리된다.The
본 발명에서 전극판에 형성된 전극 병렬 연결용 탭(12, 22)이 서로 병렬 연결된 탭-탭 결합부 및 전극 리드 연결용 탭(14, 24)과 전극 리드가 서로 연결된 탭-리드 결합부 간의 연결 및 접합은 스팟 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 및 도전성 접착제에 의한 결합을 포함하는 접합 방식 중 어느 하나를 통해 전기적으로 연결된다.In the present invention, the connection between the tab-tab coupling portion in which the
전극 조립체 내 최상단 및 최하단에 배치되는 전극이 모두 음극판이지만, 이는 일 실시예 일뿐 이에 한정하는 것은 아니다. 본 발명에서 최상단 및 최하단 전극은 음극/음극, 양극/음극, 음극/양극, 양극/양극 중 어느 하나의 조합으로 전극 조립체 내 배치될 수 있다.The electrodes disposed at the top and bottom of the electrode assembly are both negative electrode plates, but this is only an example and the present invention is not limited thereto. In the present invention, the uppermost and the lowermost electrodes may be disposed in the electrode assembly in any combination of a cathode / cathode, an anode / cathode, a cathode / anode, and an anode / anode.
본 발명에 따른 전극 조립체는 전극 조립체의 일측에 배치된 전극 리드 연결용 탭(14, 24) 상에는 별도의 보강 탭을 보강할 수 있다. 상기 보강 탭에 전극 리드를 결합함으로써 전극 리드 연결용 탭(14, 24)과 전극 리드를 보강 탭을 이용하여 덧댐 구조의 탭 리드 결합부를 형성한다. 보강 탭을 이용하여 전극 리드 연결용 탭(14, 24)과 전극 리드를 결합하는 보강 접합 방식은 양극 탭 및 음극 중 적어도 어느 하나에 해당한다.The electrode assembly according to the present invention may reinforce a separate reinforcing tab on the electrode
상기 보강 탭은 전극 리드 연결용 탭(14, 24)과 전극 리드의 연결 부분의 강도를 보강함으로써 물리적으로 강화한다. 예시적으로, 전극 조립체의 전극판에서 연장되는 전극 리드 연결용 탭 상단에 상기 전극 리드 연결용 탭보다 1배 내지 5배 두꺼운 동종 또는 이종의 금속 보강 탭을 덧댐으로 보강시켜 용착한다. 덧댐으로 보강된 보강 탭 및 전극 리드 연결용 탭은 동일 또는 상이한 폭을 갖는다. 보강되는 보강 탭의 폭은 3 ㎜ 내지 5 ㎜, 길이는 2 ㎜ 내지 4 ㎜일 수 있지만, 이는 일 실시예 일 뿐 이에 한정하는 것은 아니다.The reinforcing tab is physically strengthened by reinforcing the strength of the connecting portions of the electrode leads connecting
덧댐으로 보강된 보강 탭 상에 접합함으로써 전극 리드 연결용 탭과 결합하는 전극 리드는 구체적으로 2 ㎜ 내지 3 ㎜의 폭 및 0.5 ㎜ 내지 1 ㎜의 길이를 가질 수 있지만, 이는 일 실시예 일 뿐 이에 한정하는 것은 아니다. 본 발명에서 전극판의 집전체는 알루미늄, 스테인레스 스틸 및 구리를 포함하는 그룹 중 어느 하나일 수 있고, 전극 리드는 알루미늄, 니켈 및 니켈이 코팅된 구리를 포함하는 그룹 중 어느 하나의 재질을 가질 수 있다. 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드의 탭-리드 결합부 상에 덧댐으로 보강시키는 보강 탭은 원, 타원 및 다각형을 포함하는 그룹 중 1개의 모양으로 형성된다.The electrode leads that engage with the tabs for connecting electrode leads by joining on reinforcement tabs reinforced with pads may specifically have a width of 2 mm to 3 mm and a length of 0.5 mm to 1 mm, but this is only one embodiment. It is not limited. In the present invention, the current collector of the electrode plate may be any one of a group containing aluminum, stainless steel and copper, the electrode lead may have a material of any one of the group containing aluminum, nickel and nickel coated copper. have. The tab for electrode lead connection and the reinforcing tab which reinforces on the tab-lead coupling part of the electrode lead are formed in the shape of one of a group including circles, ellipses and polygons.
한편, 본 발명에 따른 전극 조립체는 전극 리드 연결용 탭(14, 24) 상에 전극 리드 굽힘 구조를 결합하는 형태일 수 있다.On the other hand, the electrode assembly according to the present invention may be in the form of coupling the electrode lead bending structure on the electrode lead connecting tabs (14, 24).
전극 리드를 전극 리드 연결용 탭의 상부에 나란하게 배치한 상태에서, 전극 리드의 끝단 일부를 전극 리드 연결용 탭의 상단에 용착한다. 상기 상태에서, 전극 리드를 180˚ 구부리는 과정을 통해서, 전극 리드가 전극 리드 연결용 탭으로부터 전극 조립체의 외측 방향으로 향하도록 한다. 이는 플렉서블한 환경에서 국부적인 기계적 부하를 최소화하여 전극 탭과 전극 리드 간의 결합 보강 구조의 특징을 갖는다. 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드의 굽힘을 통한 접합 방식은 양극 탭 및 음극 탭 중 적어도 어느 하나에 해당할 수 있고, 전극 리드 연결용 탭 상에 결합되는 전극 리드(60)의 폭은 2 ㎜ 내지 3 ㎜, 길이는 1 ㎜ 내지 3 ㎜일 수 있지만, 이는 일 실시예일 뿐 이에 한정하는 것은 아니다.In a state where the electrode leads are arranged side by side on the upper side of the tab for electrode lead connection, a part of the end of the electrode lead is welded to the upper end of the tab for electrode lead connection. In this state, the electrode lead is directed toward the outside of the electrode assembly from the electrode lead connection tab through the process of bending the electrode lead 180 degrees. This minimizes the local mechanical load in a flexible environment and is characterized by a joint reinforcement structure between the electrode tab and the electrode lead. The bonding method by bending the electrode lead connection tab and the electrode lead may correspond to at least one of a positive electrode tab and a negative electrode tab, and the width of the electrode lead 60 coupled to the electrode lead connection tab is 2 mm to 3 mm, the length may be 1 mm to 3 mm, but this is merely an example and not limited thereto.
한편, 전극 리드 연결용 탭(14, 24)과 전극 리드를 보강 탭을 이용하여 결합한 탭-리드 결합부 및 전극 리드 연결용 탭과 굽힘 탭 구조의 전극 리드가 결합된 탭-리드 결합부는 분리막의 내측으로 삽입/정렬된 상태를 갖는다. 이를 통해 플렉서블 전지의 최대 약점인 단자 부분의 외부노출을 방지함으로써 보호시킨다.Meanwhile, the tab-lead coupling portion in which the electrode leads connecting
도 4 및 도 5는 전극 조립체를 둘러싸는 외장재의 패턴 간격을 조절한 경우에 최외곽 전극 상에 발생하는 두께의 차이로 인한 합제층의 크랙 및 탈리를 보인다.4 and 5 show cracks and detachment of the mixture layer due to the difference in thickness occurring on the outermost electrode when the pattern spacing of the packaging material surrounding the electrode assembly is adjusted.
외장재 상에 형성된 주름 패턴은 상기 외장재의 길이 방향을 따라 산골부가 연속적으로 형성되는 구조를 보이는 것으로서, 주름 패턴의 외장재 내에 전극조립체를 구비하게 되는 경우에, 패턴 간격의 차이가 상대적으로 넓게 형성된 영역에서는 국부적으로 스트레스가 가해지게 된다.The corrugation pattern formed on the packaging material shows a structure in which valleys are continuously formed along the longitudinal direction of the packaging material. In the case where the electrode assembly is provided in the packaging material of the corrugation pattern, in the region where the difference in pattern spacing is relatively wide, Local stress is applied.
구체적으로는, 외장재의 전체 길이 중 중간 영역 상에서 패턴 간격의 변화를 줄 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 외장재의 어느 영역에서든지 패턴 간격의 차이를 줄 수 있다.Specifically, the pattern spacing may be changed on the middle region of the entire length of the packaging material, but the present invention is not limited thereto, and the pattern spacing may be varied in any region of the packaging material.
여기에서, 굽힘 평가 시에 외장재의 파손 및 내부 단락이 발생하는 시점 이전에 패턴 간격이 넓게 형성된 외장재에 대면되는 병렬연결용 탭과 전극리드 연결용 탭이 동시에 구비된 최외곽 전극의 절단을 유도할 수 있다.Here, in the evaluation of bending, it is possible to induce the cutting of the outermost electrode simultaneously provided with a tab for parallel connection and an electrode lead connection tab facing the exterior material having a wide pattern spacing before the breakage of the exterior material and an internal short circuit occur. Can be.
이하, 도 4 내지 도 5를 참조하여 패턴 간격에 차이를 가한 외장재 내에 전극 조립체를 내장한 상태에서 굽힘 후 분해해본 결과를 설명한다.Hereinafter, referring to FIGS. 4 to 5, the result of bending and disassembling in the state in which the electrode assembly is embedded in a packaging material having a difference in pattern spacing will be described.
일반적으로 리튬이차전지는 충/방전이 진행되면서 리튬 이온에 삽입/탈리에 의해, 음극의 부피 팽창 및 수축이 발생한다. 충전상태(SOC, State of Charge)는 이차전지의 전지 용량을 의미하며, 0% 내지 100%로 그 상태를 나타낸다. SOC를 측정하는 방법은 전해질의 비중과 pH를 이용한 화학적 방법(Chemical method), 전압 측정법(Voltage method), 전지의 전류를 측정하고 이를 시간에 대해 적분하여 계산하는 전류 적분 방법(Current integration method, 쿨럼 카운팅), 전지의 내부 압력을 계산하는 압력 측정 방법(Pressure method)이 있으나, 본 발명에서는 간단하게 전압을 통해 음극의 완전 방전 상태(SOC 0%)와 완전 충전 상태(SOC 100%)에서 음극의 두께를 측정하였다. 보통, 음극이 흑연일 경우 완전 충전 상태(SOC 100%)에서 평균 7%, 최대 10%의 부피팽창이 일어난다.In general, a lithium secondary battery is inserted / desorbed into lithium ions while charging / discharging, thereby causing volume expansion and contraction of the negative electrode. State of Charge (SOC) refers to a battery capacity of a secondary battery, and represents its state at 0% to 100%. The method of measuring SOC includes a chemical method using a specific gravity and pH of an electrolyte, a voltage method, a current integration method of measuring a current of a cell and integrating it over time. Counting), there is a pressure measurement method (Pressure method) to calculate the internal pressure of the battery, but in the present invention, the voltage of the negative electrode in the fully discharged state (
또한, 외부 공기와의 반응으로 인한 두께 변수가 작용하지 않도록, 온도와 습도가 일정하게 유지되는 드라이룸 내에서 전지의 분해가 이루어졌음은 물론이다.In addition, it is a matter of course that the battery is disassembled in a dry room in which temperature and humidity are kept constant so that the thickness variable due to the reaction with the outside air does not work.
외장재의 표면 중에서 주름 패턴 간격에 차이를 주었던 부분과 직접 대면되는 최외곽 전극 상에서 두께 차이가 발생한 것을 확인할 수 있다.It can be seen that a difference in thickness occurred on the outermost electrode directly facing the portion of the surface of the packaging material that gave a difference in the wrinkle pattern spacing.
이는 패턴 간격이 넓은 부분에서는 분리막 내부 전극들 간의 간격이 벌어지는 것을 알 수 있다. 즉, 최외곽 전극인 음극과 양극이 분리막을 사이에 두고 최대한 가깝게 대면되어야 하지만, 굽힘 평가가 진행되면서 상대적으로 패턴 간격이 넓은 외장재 부분에 인접한 전극들 사이가 벌어지면서 최외곽 전극인 음극과 양극 간의 거리가 멀어지고 저항이 크게 걸리게 된다.It can be seen that the gap between the electrodes in the separator is widened in the portion where the pattern interval is wide. In other words, the cathode and anode, which are the outermost electrodes, should face each other as close as possible with the separator interposed therebetween. The distance is greater and the resistance is greater.
최외곽 전극인 음극과 양극 부분에 전극 저항이 크게 걸릴 경우에는 비용량이 감소하게 되고, 방전 때 리튬이 양극 쪽으로 이동하지 못하여 음극 내에 남아 있게 된다.When the electrode resistance is largely applied to the cathode and anode portions, which are the outermost electrodes, the specific capacity decreases, and lithium does not move toward the anode during discharge and remains in the cathode.
정리하면, 본 발명에 따라 외장재의 패턴 간격을 조절한 플렉서블 전지의 굽힘 평가 방전 시에, 패턴 간격이 넓어진 부분에 대응되는 전극 두께(t')과 그렇지 않은 전극의 두께(t)를 측정해 보았을 때 두께 차이(t'-t)가 발생한다.In summary, during the bending evaluation discharge of the flexible battery in which the pattern interval of the exterior material is adjusted according to the present invention, the electrode thickness t 'corresponding to the portion where the pattern interval is widened and the thickness t of the electrode which is not When the thickness difference (t'-t) occurs.
일 실시예로, 외장재의 패턴 간격이 d인 전극 부분과 패턴 간격이 2d인 전극 부분의 패턴 간격 차이로 인해 전극 조립체 내 전극의 일반 패턴 간격이 아닌 특정 영역의 상이한 패턴과 대면되는 전극들 간의 거리가 상대적으로 멀어지거나 전극 저항으로 인해 방전이 덜 되어 그 부분에 두께 차이(t'-t)가 발생하며, 다수의 표본을 통해 음극 합제층 두께의 2 내지 4% 임을 알 수 있다.In one embodiment, the distance between the electrodes facing a different pattern of a specific region, rather than the general pattern spacing of the electrodes in the electrode assembly, due to the pattern spacing difference between the electrode portion having a pattern spacing of d and the electrode portion having a pattern spacing of 2d. Is relatively far away or less discharged due to electrode resistance, the thickness difference (t'-t) occurs in the portion, it can be seen that the sample is 2 to 4% of the thickness of the negative electrode mixture layer.
충방전을 진행하면서 굽힘 평가를 할 때, 상기한 두께 차이로 인해 방전 상태에서 상대적으로 전극의 두꺼운 부위에서 1500-2500회 정도의 굽힘에서 절단됨을 알 수 있다.When the bending evaluation is carried out while charging and discharging, it can be seen that due to the above-described thickness difference, it is cut at about 1500-2500 bends in a relatively thick region of the electrode in the discharge state.
또한, 충방전이 진행됨에 따라 전극은 부피 팽창과 수축이 발생하는데, 일반 패턴 간격이 아닌 특정 영역의 상이한 패턴과 대면되는 전극 부분은 계속해서 부피 팽창이 유지되고, 외부에서의 반복적인 휘어짐과 굽힘으로 인해 스트레스가 상대적으로 다른 부분에 비해 국부적으로 심하게 작용한다. 결국에는 합제층이 집전체로부터 크랙 및 탈리 손상되어 노이즈가 발생하면서 전지의 정상적인 기능 또한 다하지 못하게 된다.In addition, as charging and discharging proceeds, the electrode undergoes volume expansion and contraction. The electrode portion facing the different pattern of a specific region, not the general pattern interval, is continuously maintained in the volume expansion, and the external bending and bending repeatedly As a result, the stress acts locally more severely than in other parts. Eventually, the mixture layer is cracked and detached from the current collector and noise is generated, thereby preventing normal operation of the battery.
외장재의 패턴 간격은 도 7과 같이 X,Y로 상이하게 배치 가능할 수 있고, 여기에서 외장재 일부 영역에서의 상이한 주름패턴 간격인 Y는 기본 패턴 간격인 X에 비해 5배인 5X로 넓어진 간격이 바람직하다. 그 이유는 상기한 패턴 간격 설계에 따라 외부에서 가해지는 힘에 대해 플렉서블한 성능을 유지하면서 효과적으로 최외곽 전극의 절단을 유도할 수 있기 때문이다.The pattern spacing of the packaging material may be differently arranged as X and Y as shown in FIG. 7, wherein a different pleat pattern spacing Y in some areas of the packaging material is preferably 5X wider than 5 times the basic pattern spacing X. . The reason is that according to the pattern spacing design described above, cutting of the outermost electrode can be effectively induced while maintaining a flexible performance against externally applied forces.
외장재 일부 영역에서의 상이한 주름패턴 간격인 Y가 기본 패턴 간격 X 이하일 경우에는 효과적으로 최외곽 전극의 절단을 유도할 수 없으며, 외장재의 패턴 형성이 용이하지 않다.When Y, which is a different wrinkle pattern interval in some areas of the exterior member, is less than or equal to the basic pattern interval X, cutting of the outermost electrode cannot be effectively induced, and pattern formation of the exterior member is not easy.
또한, 5X를 초과할 경우에는 플렉서블 전지로서의 성능을 구현할 수 없다. 외장재 상에 반복적으로 압인 가공된 패턴은 굽힘, 비틀림 또는 구겨짐 같은 동작에서 플렉서블 전지의 압축 및 인장이 가능하게 하는 구조인데, 5X를 초과하게 되면 패턴 형성이 되지 않은 일반 배터리를 구부리는 것과 같기 때문에 외장재와 동시에 전극이 손상됨은 당연하다.Moreover, when it exceeds 5X, performance as a flexible battery cannot be implemented. The pattern repeatedly pressed on the exterior material allows the flexible battery to be compressed and stretched in bending, torsional or wrinkling operation. When it exceeds 5X, the exterior material is equivalent to bending a non-patterned battery. Of course, the electrode is damaged at the same time.
도 6은 최외곽 전지 상에 절단이 발생함으로써 전극 조립체를 이루는 다른 내부 전극들이 폐쇄 상태(셧다운, shutdown)로 설정된 구조를 보인다.FIG. 6 shows a structure in which other internal electrodes constituting the electrode assembly are set to a closed state (shut down) by cutting occurring on the outermost cell.
구체적으로는, 전극 조립체를 이루는 복수의 전지들은 우측의 병렬 연결용 탭을 통해 연결되어 있고, 복수의 전지들 중 하단부 최외곽에 배치되는 극판에는 전극리드 연결용 탭 부분에 단자가 형성되어 있다.Specifically, a plurality of batteries constituting the electrode assembly is connected through a tab for parallel connection on the right side, and a terminal is formed in the tab portion for electrode lead connection in the electrode plate disposed at the outermost part of the lower end of the plurality of batteries.
상기 상태에서, 전극 조립체 상에 외부에서 굽힘 및 비틀림 등의 외력이 가해지는 경우에는 전극 조립체의 내부보다는 하단부의 최외곽에 있는 전극이 우선적으로 손상되며 절단된다.In this state, when external forces such as bending and torsion are applied on the electrode assembly from the outside, the electrode at the outermost portion of the lower end portion is preferentially damaged and cut rather than inside the electrode assembly.
이 때, 전극리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극이 끊어지게 되면, 병렬연결용 탭에 의해 연결된 전극들은 전류가 차단되어, 폐쇄 상태가 되고, 용량이 급감하여 전지가 제 기능을 하지 못하게 된다, 이는 내부 전극의 손상에도 불구하고 지속적으로 사용 시 내부 단락으로 이어져 발생할 수 있는 발화 위험성을 갖는 기존의 전지와는 차별적으로 미연에 방지하는 기능을 제공한다.At this time, when the outermost electrode provided with the electrode lead connection tab is cut off, the electrodes connected by the parallel connection tab are cut off, the current is closed, and the capacity decreases rapidly, thereby preventing the battery from functioning. This provides a function that prevents, in spite of the damage of the internal electrode, in contrast to the conventional battery having the risk of ignition that can occur due to internal short-circuit in continuous use.
이를 위해, 본 발명은 최외곽 전극의 종류 및 배치를 적절하게 활용하여 외장재 파손 내지 내부 쇼트가 발생하는 시점 이전에 전극리드 연결용 탭이 구비된 전극의 절단을 유도한다. 이런 의도된 구조는 사용자의 부주의나 과도한 굽힘으로 인한 위험성으로부터 전지를 안전하게 하고, 외부 힘에 의한 일정 굽힘 횟수 이상에서의 플렉서블 전지의 성능의 보장 및 제어를 필요로 하는 디바이스에 적용될 수 있다.To this end, the present invention appropriately utilizes the type and arrangement of the outermost electrode to induce cutting of the electrode provided with a tab for electrode lead connection before the breakage of the exterior material or the internal short occurs. This intended structure can be applied to devices that safeguard the battery from the risks of user carelessness or excessive bending and require the assurance and control of the performance of the flexible battery above a certain number of bends by external forces.
도 8은 기존의 플렉서블 전지 및 본 발명에 따른 플렉서블 전지에 대한 반복적인 굽힘 평가 결과를 보인다. 구체적으로는, 기존의 플렉서블 전지, 외장재의 상이한 패턴 간격에 의해 전극이 절단된 플렉서블 전지 및 합제층의 크랙 및 탈리된 플렉서블 전지를 위에서부터 차례로 보인다.8 shows repeated bending evaluation results for the conventional flexible battery and the flexible battery according to the present invention. Specifically, the conventional flexible battery, the flexible battery in which the electrode is cut by different pattern intervals of the packaging material, and the crack of the mixture layer and the detached flexible battery are sequentially seen from above.
각각의 경우의 플렉서블 전지의 충방전 및 굽힘 평가(25 cpm) 결과를 설명한다.In each case, the results of charge / discharge and bending evaluation (25 cpm) of the flexible battery will be described.
기존의 플렉서블 전지는 5,000회 이상에서도 정상적인 전기화학구동을 보여주고 있다. 하지만, 일부 영역에 상이한 패턴 간격의 외장재부를 갖는 플렉서블 전지로 2,000회 부근에서 방전 3.6V를 시작으로 작은 노이즈가 생기더니 최외곽 음극의 절단과 동시에 전압이 작동전압 이하로 떨어져 버린 것을 확인할 수 있다. The existing flexible battery shows normal electrochemical driving even over 5,000 times. However, it can be seen that the flexible battery having exterior parts having different pattern intervals in some regions generates small noise starting from discharge of 3.6V around 2,000 times, and the voltage dropped below the operating voltage at the same time as the cutting of the outermost cathode.
제일 하단의 그래프를 보면, 일부 영역에 상이한 패턴 간격의 외장재부를 갖는 플렉서블 전지로 전극 상 도포된 합제층의 크랙 및 탈리가 일어난 상태로, 방전 초반 4.2V 부근에서 집전체로부터 합제층이 1차로 탈리되면서 전압이 급격하게 떨어짐과 동시에 지속적으로 노이즈가 발생하였으며, 2차로 합제층과 집전체에 크랙이 가면서 용량 또한 급감하며 전압이 작동 전압 이하로 떨어지는 것을 보여주고 있다.In the bottom graph, cracks and detachment of the mixture layer applied on the electrode were caused by a flexible battery having exterior portions having different pattern intervals in some regions, and the mixture layer was first detached from the current collector near 4.2V at the beginning of discharge. As a result, the voltage suddenly dropped and noise was continuously generated. As a result, the cracks in the mixture layer and the current collector were reduced rapidly, and the voltage dropped below the operating voltage.
상기와 같이 다수의 실험결과, 외장재에 형성된 주름 패턴 형성을 상이하게 구현함으로써 굽힘 횟수수 1,500~2,500회 부근에서 최외곽 전극 상의 국부적인 부위에서 전극 절단 및 합제층의 크랙 또는 탈리 현상이 일어나게 된다. 이를 통해서, 외장재가 파손되거나 리튬 석출로 인한 내부 단락의 발생 확률이 높은 과도한 굽힘 횟수 이전에 의도적으로 최외곽 전극의 손상 및 절단을 설계함으로써 전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.As a result of many experiments as described above, by forming different wrinkle patterns formed on the exterior material, cracking or detachment of the electrode and cracking of the mixture layer may occur at local portions on the outermost electrode at a bending number of about 1,500 to 2,500. Through this, it is possible to secure the safety of the battery by designing the damage and cutting of the outermost electrode intentionally before the excessive number of bending, which is likely to damage the outer material or the internal short circuit due to lithium precipitation.
본 발명은 전극 조립체 상에 외부 굽힘에 의한 인장 응력과 압축 응력이 반복적으로 가해질 경우, 전극 조립체를 이루는 최외곽 전극의 외장재의 상이한 패턴 상에 일치하는 부분이 절단됨으로써 전류가 차단되는 구조를 통해 사용자의 부주의나 과도한 굽힘으로 인한 위험성으로부터 전지를 안전하게 하고, 외부 힘에 의한 일정 굽힘 횟수 이상에서의 플렉서블 전지의 성능 보장 및 제어를 필요로 하는 디바이스에 적용될 수 있다.According to the present invention, when the tensile stress and the compressive stress due to external bending on the electrode assembly are repeatedly applied, the user cuts through a structure in which currents are cut off by matching portions on different patterns of the outermost material of the outermost electrode constituting the electrode assembly. It can be applied to a device that secures the battery from the danger of inadvertent or excessive bending, and requires the guarantee and control of the performance of the flexible battery above a certain number of bending times by external force.
Claims (9)
상기 전극 조립체의 외부를 둘러싸는 외장재;를 포함하고,
상기 전극 조립체는,
분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀;
상기 한 쌍의 전극판의 단면 또는 양면 상에 도포되는 전극 합제; 및
상기 전극판들로부터 각각 돌출되는 전극 탭;을 포함하고,
상기 전극 탭은,
상기 전극판들을 서로 동일한 극끼리 연결하는 전극 병렬 연결용 탭; 및
상기 외장재 외부로 노출되어 있는 전극 리드와 결합되는 전극 리드 연결용 탭을 포함하고,
상기 전극 조립체의 최외곽에서의 손상에 의해 상기 전극 조립체가 폐쇄 상태가 되도록,
상기 전극 리드 연결용 탭은 상기 전극 조립체의 최외곽에 배치되는 전극판에 형성되고,
상기 외장재는, 반복되는 상부 압인부와 하부 압인부를 구비하고,
상기 외장재의 상기 최외곽에 배치되는 전극판과 대면되는 영역 중, 일부 영역에서의 상기 반복되는 상부 압인부와 하부 압인부의 간격이 나머지 영역에서의 상기 반복되는 상부 압인부와 하부 압인부의 간격보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
An electrode assembly; And
It includes; surrounds the exterior of the electrode assembly;
The electrode assembly,
At least one unit cell having a pair of electrode plates having different polarities with a separator therebetween;
An electrode mixture applied on one or both surfaces of the pair of electrode plates; And
Electrode tabs protruding from the electrode plates, respectively;
The electrode tab,
Tabs for parallel connection of electrodes connecting the electrode plates to one another; And
An electrode lead connection tab coupled to an electrode lead exposed to the outside of the exterior material;
So that the electrode assembly is closed by damage at the outermost part of the electrode assembly,
The electrode lead connection tab is formed on an electrode plate disposed on the outermost side of the electrode assembly,
The packaging material includes a repeating upper stamping portion and a lower stamping portion,
Of the areas facing the electrode plate disposed at the outermost side of the packaging material, the distance between the repeated upper and lower indentations in some areas is greater than the distance between the repeated upper and lower indentations in the remaining areas. Secondary battery, characterized in that formed.
상기 전극 조립체는 최외곽에 배치되는 최외곽 음극판 및 분리막을 사이에 두고 상기 최외곽 음극판과 인접하여 대면 배치되는 최외곽 양극판을 포함하고,
상기 최외곽 음극판 및 최외곽 양극판에는 각각 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭이 모두 형성되는 이차전지.
The method of claim 1,
The electrode assembly includes an outermost positive electrode plate disposed to face the outermost negative electrode plate and the outermost negative electrode plate disposed between the outermost negative electrode plate and the separator interposed therebetween,
Secondary batteries are formed in the outermost negative electrode plate and the outermost positive electrode plate both tab for the electrode parallel connection and the electrode lead connection.
상기 나머지 영역에서의 상기 상부 압인부와 하부 압인부 각각의 폭을 기본 패턴 간격인 X로 설정한 상태에서, 상기 일부 영역에서의 상기 상부 압인부와 하부 압인부 각각의 폭인 Y는 X<Y≤5X 인 이차전지.
The method of claim 1,
In the state where the width of each of the upper and lower indentations in the remaining area is set to X, which is a basic pattern interval, Y, which is the width of each of the upper and lower indentations in the partial area, is X <Y≤ 5X secondary battery.
상기 전극 조립체는,
상기 전극 리드 연결용 탭에 결합되는 보강 탭;을 더 포함하는 이차전지.
The method of claim 1,
The electrode assembly,
And a reinforcing tab coupled to the electrode lead connection tab.
상기 전극 리드는,
상기 전극 리드 연결용 탭 상에서, 상기 전극 조립체를 향하는 측에서 상기 전극 조립체의 외측을 향하는 방향으로 굽혀지도록 형성되는 굽힘 구조를 더 포함하는 이차전지.
The method of claim 1,
The electrode lead is,
The secondary battery further includes a bending structure formed on the tab for connecting the electrode leads to bend in a direction toward the outside of the electrode assembly from the side facing the electrode assembly.
상기 보강 탭에 의해 덧대어진 탭 리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입되어 있는 이차전지.
The method of claim 4, wherein
The tab lead coupling portion padded by the reinforcing tab is inserted into the separator.
상기 전극 리드 연결용 탭과 굽힘 구조의 전극 리드가 결합된 탭-리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입되어 있는 이차전지.
The method of claim 5,
And a tab-lead coupling part to which the electrode lead connection tab and the electrode lead of the bent structure are coupled are inserted into the separator.
상기 전극 조립체의 최상단 및 최하단에 배치된 최외곽 음극판은 전극 합제가 단면 도포된 이차전지.
The method of claim 1,
The outermost negative electrode plates disposed on the top and bottom of the electrode assembly is a secondary battery, the electrode mixture is coated on one side.
상기 전극 조립체의 최외곽에서의 손상은, 상기 일부 영역에 대응되는 영역에서 상기 전극판들 사이의 간격이 벌어짐에 따라, 상기 전극 합제의 크랙 또는 상기 전극 합제의 상기 전극판으로부터의 탈리에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 이차전지.The method of claim 1,
Damage at the outermost side of the electrode assembly is caused by cracking of the electrode mixture or detachment from the electrode plate of the electrode mixture as the gap between the electrode plates increases in an area corresponding to the partial region. Secondary battery characterized in that the.
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