KR102041327B1 - 2차 전지 및 2차 전지 제조 방법 - Google Patents

2차 전지 및 2차 전지 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 조립체를 개선하기 위한 2차 전지 및 2차 전지 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전극 집전체, 내부에 상기 전극 집전체를 수용하는 파우치, 상기 전극 집전체로부터 연장되는 탭부재 및 상기 탭부재와 전기적으로 연결되되 상기 파우치의 외부로 노출되는 리드부를 포함하고 상기 전극 집전체의 일측 둘레 중 일부는 내측으로 함몰되어 함몰부를 형성하고 상기 전극 집전체의 일측 둘레 중 다른 일부는 상기 함몰부가 함몰된 크기만큼 확장되는 확장부를 형성하며, 상기 탭부재는 상기 함몰부가 형성된 영역으로부터 돌출되는 것을 특징으로 한다.

Description

2차 전지 및 2차 전지 제조 방법{SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURE METHOD FOR SECONDARY BATTERY}
본 발명은 2차 전지 및 2차 전지 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 전극 조립체를 개선하기 위한 2차 전지 및 2차 전지 제조 방법에 관한 것이다.
리튬 2차 전지는 전해질 형태에 따라 리튬 금속전지, 리튬 이온전지, 리튬 2차 전지로 나눌 수 있다.
여기서 리튬 2차 전지는 전해질이 고체 또는 젤 형태이기 때문에 불의의 사고로 전지가 파손되어도 전해질이 밖으로 새어 나가지 않아 발화하거나 폭발할 우려가 거의 없어 안전성이 확보되고 에너지 효율이 높다는 장점이 있다.
또한, 견고한 금속 외장을 사용할 필요가 없고, 용도에 따라 다양한 크기와 모양으로 제조할 수 있으며, 3mm 이하 두께로 제작이 가능하고 무게도 30% 이상 줄일 수 있으며, 대량생산 및 대형전지 제조가 가능하다.
이런 이유로 리튬 2차 전지는 현재 상용화되어 다양한 분야에서 사용되고 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2008-0102606호에는 종래의 파우치형 이차 전지가 공지되어 있다.
도 1은 종래의 파우치형 2차 전지를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 종래의 파우치형 2차 전지에서 브이 포밍부를 보이기 위해 일부 절개하여 측면에서 도시한 일부 단면도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 파우치형 2차 전지(1)는 전극 집전체(5)의 멀티탭(7)들을 외부와 연결해 주는 리드(3)와 용접하여 연결하고 이 부위를 "V"자 모양이 되게 하는 브이 포밍(V-forming) 구조(9)를 적용하고 있다.
종래의 리튬 이온 폴리머 전지 조립체 제조방법은 노칭(notching) 공정으로 탭 모양을 형성한 후 사전 용접(pre-welding)과 주 용접(main-welding)과 브이 포밍 공정을 통해 형성된 전극 조립체를 파우치 내에 내장한다.
이러한 종래의 2차 전지 제조방법은 브이 포밍 공정으로 인한 파우치와 전극 간 이격되어 최대 용량을 구현할 수 없으며, 브이 포밍 공정에서 탭부에 물리적인 힘이 가해져 탭이 끊어지는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 전극 조립체를 개선하여 전극 조립체의 용량을 증가시키고 불량을 줄일 수 있는 2차 전지 및 2차 전지 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 2차 전지는 전극 집전체, 내부에 상기 전극 집전체를 수용하는 파우치, 상기 전극 집전체로부터 연장되는 탭부재 및 상기 탭부재와 전기적으로 연결되되 상기 파우치의 외부로 노출되는 리드부를 포함하고 상기 전극 집전체의 일측 둘레 중 일부는 내측으로 함몰되어 함몰부를 형성하고 상기 전극 집전체의 일측 둘레 중 다른 일부는 상기 함몰부가 함몰된 크기만큼 확장되는 확장부를 형성하며, 상기 탭부재는 상기 함몰부가 형성된 영역으로부터 돌출되는 것을 특징으로 한다.
상기 확장부는 복수 개이며, 복수 개의 상기 확장부는 동일한 길이를 가질 수 있다.
상기 함몰부는 복수 개일 수 있다.
상기 탭부재와 상기 확장부는 상호 이격될 수 있다.
상기 함몰부(21)는 폭이 0.45mm ~ 0.55mm일 수 있다.
상기 확장부는 폭이 0.45mm ~ 0.55mm일 수 있다.
상기 탭부재는 길이가 0.45mm ~ 0.55m일 수 있다.
상기 탭부재의 양측 각각과 상기 전극 집전체와의 간격은 0.05mm ~ 0.15mm일 수 있다.
본 발명에 따른 2차 전지 제조 방법은 전극 집전체를 준비하는 준비 단계, 상기 전극 집전체의 일측 둘레 일부를 함몰되게 절삭하는 절삭 단계, 상기 전극 집전체의 일측 둘레 일부가 함몰된 크기만큼 상기 전극 집전체의 일측 둘레 다른 일부는 크기를 확장하는 확장 단계, 상기 전극 집전체의 함몰된 영역에 탭부재를 형성하는 탭부재 형성 단계, 상기 탭부재에 리드부를 용접하는 리드부 용접 단계 및 상기 전극 집전체를 파우치에 삽입하는 삽입 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 브이 포밍 공정을 제거하여 전극 집전체의 용량을 극대화 하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 브이 포밍 공정을 제거하여 브이 포밍 공정에서 발생할 수 있는 불량을 개선하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 파우치형 2차 전지를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 종래의 파우치형 2차 전지에서 브이 포밍부를 보이기 위해 일부 절개하여 측면에서 도시한 일부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 함몰부가 형성된 영역을 절개하여 측면에서 도시한 일부 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 전극 집전체에서 함몰부를 형성하는 것을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 6은 도 5에서 확장부를 형성하는 것을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 7은 도 6에서 탭부재를 형성하는 것을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 2차 전지 제조 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 본 명세서에 기재되어 있다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명의 함몰부가 형성된 영역을 절개하여 측면에서 도시한 일부 확대 단면도이다.
도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 2차 전지는 전극 집전체(20), 내부에 상기 전극 집전체(20)를 수용하는 파우치(10), 상기 전극 집전체(20)로부터 연장되는 탭부재(30) 및 상기 탭부재(30)와 전기적으로 연결되되 상기 파우치의 외부로 노출되는 리드부(40)를 포함하고, 상기 전극 집전체(20)의 일측 둘레 중 일부는 내측으로 함몰되어 함몰부(21)를 형성하고 상기 전극 집전체(20)의 일측 둘레 중 다른 일부는 상기 함몰부(21)가 함몰된 크기만큼 확장되는 확장부(23)를 형성하며, 상기 탭부재(30)는 상기 함몰부(21)가 형성된 영역으로부터 돌출되는 것을 특징으로 한다.
전극 집전체(20)는, 예를 들어, 양극 활물질이 도포된 양극과 음극 활물질이 도포된 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 복수 회 적층하여 제작할 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 한하지 않으며, 전극 집전체(20)는 양극과 세퍼레이터 및 음극을 적층한 적층체를 젤리 롤 형태로 권취하여 제작할 수도 있다.
양극은 알루미늄 판일 수 있으며, 양극 활물질이 도포된 양극 활물질부와, 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부를 포함할 수 있다.
양극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMnO4와 같은 리튬 함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물일 수 있다.
양극 활물질부는 예를 들어, 알루미늄 판의 적어도 어느 한 면의 일부에 양극 활물질을 도포하여 형성하며, 양극 활물질이 미 도포된 알루미늄 판의 나머지 부분이 양극 무지부가 될 수 있다.
음극은 구리 판일 수 있으며, 음극 활물질이 도포된 음극 활물질부와 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 무지부를 포함할 수 있다.
음극 활물질은, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유와 같은 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금 등일 수 있다.
음극 활물질부는 예를 들어, 구리 판의 적어도 어느 한 면의 일부에 음극 활물질을 도포하여 형성하며, 음극 활물질이 미 도포된 구리 판의 나머지 부분이 음극 무지부가 될 수 있다.
세퍼레이터는 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리스틸렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 기재에 폴리비닐리덴 플로우라이드-헥사플로로프로필렌 공중합체(PVDF-HFP co-polymer)를 코팅함으로써 제조될 수 있다.
파우치(10)는 전극 집전체(20)를 밀봉하며, 내부에 전극 집전체(20)와 함께 전해질을 수용한다.
도 5는 본 발명의 전극 집전체에서 함몰부를 형성하는 것을 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 6은 도 5에서 확장부를 형성하는 것을 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 7은 도 6에서 탭부재를 형성하는 것을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 전극 집전체(20)는 양극 무지부들과 음극 무지부들에 각각 탭부재(30)가 연결되며, 탭부재(30)는 함몰부(21)가 형성된 영역 내에 돌출되게 형성되되 확장부(23)의 단부보다 길게 형성되지 않는다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 함몰부(21)는 전극 집전체(20)의 일측 둘레로부터 함몰되는 폭의 길이(a)가 0.45mm ~ 0.55mm이며, 도 6에 도시된 바와 같이, 확장부(23)는 전극 집전체(20)의 일측 둘레 중에 함몰부(21)와 이웃하도록 형성되며, 전극 집전체(20)에서 함몰부(21)가 함몰된 크기만큼 전극 집전체(20)의 용량을 보상할 수 있도록 전극 집전체(20)의 일측 둘레 중에 함몰부(21)가 함몰되는 폭에 대응되도록 확장된다.
이러한 확장부(23)의 폭(a')은 함몰부(21)가 함몰되는 폭과 대응되도록 0.45mm ~ 0.55mm로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 도 7에 도시된 바와 같이, 함몰부(21)에 형성되는 탭부재(30)의 길이는 단부가 확장부(23)의 단부보다 길지 않도록 함몰부(21)의 폭(a)과 확장부(23)의 폭(a')을 합친 0.9mm ~ 1.1mm로 형성되어 탭부재(30)는 함몰부(21)가 형성된 영역 내에 위치한다.
그리고 함몰부(21)가 형성된 영역 내에 위치하는 탭부재(30)는 양측이 전극 집전체(20)와 이격되게 형성되는데, 탭부재(30)의 양측과 각각 대향하는 확장부(23)와의 간격은 탭부재(30)의 넓이 보다 작게 형성된다. 이때, 예를 들어 탭부재(30)의 양측과 각각 대향하는 전극 집전체(20)와의 간격(b)은 0.05mm ~ 0.15mm를 형성하여 탭부재(30)와 확장부(23)가 접촉하여 발화 등이 발생하는 것을 방지하는 것이 좋다.
또한, 함몰부(21)는 전극 집전체(20)의 일측 둘레 중에 복수 개로 형성될 수 있다.
또한, 확장부(23)는 복수 개로 형성될 수 있으며, 복수 개의 확장부(23)는 동일한 길이로 형성되어 전극 집전체(20)의 일측면을 평평하게 한다.
그리고 탭부재(30)에는 리드부(40)가 전기적으로 연결되고, 리드부(40)는 파우치(10)를 관통하여 외부로 노출된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 전극 집전체(20)에서 탭부재(30)가 형성되는 부분에 함몰부(21)를 형성하여 탭부재(30)가 전극 집전체(20)로부터 돌출되지 않게 하여 종래의 탭부재(30)를 위해 전극 집전체(20)와 파우치(10)와의 사이에 형성된 간격만큼 전극 집전체(20)를 더 형성할 수 있어 전극 집전체(20)의 용량을 극대화할 수 있다.
또한, 전극 집전체(20)와 파우치(10)와의 사이 간격을 최소화함에 따라 전극 집전체(20)에서 탭부재(30)와 리드를 연결하기 위한 종래의 브이 포밍(V-forming)부를 제거할 수 있어 브이 포밍부 공정 중 탭부재에 물리적인 힘이 가해져 탭부재가 끊이지는 등의 불량 요인을 제거할 수 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 2차 전지 제조 방법을 설명한다.
도 8은 본 발명의 2차 전지 제조 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 2차 전지 제조 방법은 준비 단계(S1), 절삭 단계(S2), 확장 단계(S3), 탭부재 형성 단계(S4), 리드부 용접 단계(S5) 및 삽입 단계(S6)를 포함한다.
상기 준비 단계(S1)는 양극 활물질이 도포된 양극과 음극 활물질이 도포된 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 복수 회 적층하여 2차 전지의 전극 집전체를 준비하는 단계이다.
상기 절삭 단계(S2)는 도 5에 도시된 바와 같이 전극 집전체의 일측 둘레 중 일부를 함몰되게 절삭하여 함몰부(21)를 형성하는 단계이다.
이때, 함몰부(21)는 복수로 형성할 수 있으며, 함몰부(21)의 폭이 0.45mm ~ 0.55mm를 형성하도록 레이저 삭마(laser ablation) 공정으로 전극 집전체(20)를 절삭한다.
상기 확장 단계(S3)는 도 6에 도시된 바와 같이 전극 집전체(20)의 일측 둘레 중 함몰부(21)가 형성되지 않은 부분을 전극 집전체(20)에서 함몰부(21)의 형성으로 인해 줄어든 용량만큼 확장하는 단계이다.
즉, 확장 단계(S3)에서는 전극 집전체(20)의 일측 둘레 중 함몰부(21)가 형성되지 않은 부분에 함몰부(21)가 함몰된 폭과 같은 0.45mm ~ 0.55mm만큼 폭이 확장되는 확장부(23)를 형성한다.
상기 탭부재 형성 단계(S4)는 도 6에 도시된 바와 같이 전극 집전체(20)에서 함몰부(21)가 형성된 영역에 탭부재(30)를 형성하는 단계이다.
탭부재(30)는 함몰부(21)가 형성된 영역에 형성되어 단부가 확장부(23)의 단부보다 길지 않도록 전체 길이가 0.9mm ~ 1.1mm를 형성하여 함몰부(21)와 확장부(23)의 폭을 합친 길이를 넘지 않도록 형성한다.
또한, 탭부재(30)는 양측이 각각 전극 집전체(20)와의 사이에 0.05mm ~ 0.15mm의 간격을 갖도록 형성한다.
상기 리드부 용접 단계(S5)는 탭부재(30)에 리드부(40)를 용접하여 리드부(40)가 전극 집전체(20)를 외부와 전기적으로 연결할 수 있도록 하는 단계이다.
이때, 리드부(40)를 탭부재(30)에 사전 용접한 후에 다시 주 용접하는 방식으로 리드부(40)를 탭부재(30)에 용접 결합한다.
상기 삽입 단계(S6)는 탭부재(30)에 리드부(40)가 결합된 전극 집전체(20)를 파우치(10)에 삽입하는 단계이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 브이 포밍 공정을 제거하여 전극 집전체의 용량을 극대화하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 브이 포밍 공정을 제거하여 브이 포밍 공정에서 발생할 수 있는 불량을 개선하는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 2차 전지 및 2차 전지 제조 방법을 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
10: 파우치
20: 전극 집전체
21: 함몰부
23: 확장부
30: 탭부재
40: 리드부

Claims (9)

  1. 전극 집전체(20);
    내부에 상기 전극 집전체(20)를 수용하는 파우치(10);
    상기 전극 집전체(20)로부터 연장되는 탭부재(30); 및
    상기 탭부재(30)와 전기적으로 연결되되 상기 파우치의 외부로 노출되는 리드부(40); 를 포함하고,
    상기 전극 집전체(20)의 일측 둘레 중 일부는 내측으로 함몰되어 함몰부(21)를 형성하고
    상기 전극 집전체(20)의 일측 둘레 중 다른 일부는 상기 함몰부(21)가 함몰된 크기만큼 확장되는 확장부(23)를 형성하며,
    상기 탭부재(30)는 상기 함몰부(21)가 형성된 영역으로부터 돌출되고,
    상기 확장부(23)는 복수 개이며,
    상기 함몰부(21)는 복수 개이며,
    상기 탭부재(30)와 상기 확장부(23)는 상호 이격되며,
    상기 탭부재(30)는 함몰부(21)가 형성된 영역 내에 위치하고,
    상기 탭부재(30)와 상기 확장부(23)가 접촉하여 발화 등이 발생하는 것을 방지하도록, 상기 탭부재(30)의 양측 각각은 상기 확장부(23)와 대향되는 방향으로 간격을 갖도록 형성시키되, 상기 탭부재(30)의 양측과 각각 대향하는 상기 확장부와의 간격은 상기 탭부재(30)의 넓이 보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    복수 개의 상기 확장부(23)는 동일한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 함몰부(21)는 폭이 0.45mm ~ 0.55mm인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 확장부는 폭이 0.45mm ~ 0.55mm인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탭부재는 길이가 0.9mm ~ 1.1mm인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 탭부재의 양측 각각과 상기 전극 집전체와의 간격은 0.05mm ~ 0.15mm인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  9. 전극 집전체를 준비하는 준비 단계(S1);
    상기 전극 집전체의 일측 둘레 일부를 함몰되게 절삭하여 함몰부를 형성시키는 절삭 단계(S2);
    상기 전극 집전체의 일측 둘레 일부가 함몰된 크기만큼 상기 전극 집전체의 일측 둘레 다른 일부는 크기를 확장하여 확장부를 형성하는 확장 단계(S3);
    상기 전극 집전체의 함몰된 영역에 탭부재를 형성하는 탭부재 형성 단계(S4);
    상기 탭부재에 리드부를 용접하는 리드부 용접 단계(S5); 및
    상기 전극 집전체를 파우치에 삽입하는 삽입 단계(S6); 를 포함하고,
    상기 절삭 단계(S2)는 레이저 삭마(laser ablation) 공정을 통해 상기 전극 집전체에 상기 함몰부를 형성하며,
    상기 탭부재 형성 단계(S4)는 상기 탭부재의 양측 각각을 상기 확장부와 대향되는 방향으로 간격을 갖도록 형성시키되, 상기 탭부재의 양측과 각각 대향하는 상기 확장부와의 간격이 상기 탭부재의 넓이 보다 작게 형성시키는 것을 특징으로 하는 2차 전지 제조 방법.
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