KR102057084B1 - 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극 권취 시의 전극의 편심 현상을 해소하기 위한 이차전지에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전극과 분리막이 교대로 적층된 상태로 권취되어 마련되는 전극집합체, 상기 전극에 도포되는 활물질층 상에 상기 활물질층과 동일한 소재로 형성되는 발코니층, 상기 전극집합체의 권취 중심에 마련되는 권심부 및 상기 발코니층이 안착되도록 상기 권심부 둘레에 오목하게 형성되는 안착홈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지{SECONDARY BATTERY}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 전극 권취 시의 전극의 편심 현상을 해소하기 위한 이차전지에 관한 것이다.

물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(cell, battery)는 각종 전기전자 기기로 둘러싸여 있는 생활환경에 따라, 건물로 공급되는 교류 전원을 획득하지 못할 경우나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.

이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학전지인 일차전지와 이차전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 또한, 이차전지는 전류와 물질 사이의 산화환원과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지로서, 전류에 의해 소재에 대한 환원반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성되게 된다.

한편, 이차 전지 중 리튬이온 전지는 양극 도전 포일과 음극 도전 포일에 각각 활물질을 일정한 두께로 코팅하고, 상기 양 도전 포일 사이에는 분리막이 개재되도록 하여 대략 젤리 롤(jelly roll) 내지는 원통 형태로 다수 회 권취하여 제작한 전극 조립체를 원통형 또는 각형 캔, 파우치 등에 수납하고 이를 밀봉 처리하여 제작된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2006-0022128호에는 종래의 원통형 리튬 이온 이차 전지 및 이에 사용되는 권취형 전극 조립체가 공지되어 있다.

여기서 전극은 전극 코팅(coating) 시 전극 코팅의 시작부에서 활물질의 토출이 급격하게 증가하여 전극에 코팅되는 활물질의 로딩(loading)이 국부적으로 높은 발코니층이 형성된다.

그리고 원형 전지 제조 시 전극은 일정 수준의 권취 장력에 의해 잔류 응력이 형성된다.

이러한 전극을 권취하는 과정에서 발코니층에 의해 전극의 편심 현상이 발생하고 잔류 응력과 함께 전극이 편심된 발코니층 부분에 스트레스가 증가하여 전극이 단선 되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 전극집합체의 발코니층에 의해 전극집합체가 편심되지 않는 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 이차전지는 전극과 분리막이 교대로 적층된 상태로 권취되어 마련되는 전극집합체, 상기 전극에 도포되는 활물질층 상에 상기 활물질층과 동일한 소재로 형성되는 발코니층, 상기 전극집합체의 권취 중심에 마련되는 권심부 및 상기 발코니층이 안착되도록 상기 권심부 둘레에 오목하게 형성되는 안착홈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 발코니층은 상기 전극의 권취 시작부에 형성될 수 있다.

상기 안착홈은 상기 권심부의 일단에서 타단으로 이어지도록 상기 권심부의 둘레에 형성될 수 있다.

상기 안착홈은 복수 개가 상기 권심부의 둘레에 형성될 수 있다.

상기 안착홈은 상기 발코니층에 대응되도록 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전극집합체의 발코니층이 권심부의 안착홈에 안착되도록 하여 전극집합체의 편심을 방지하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 전극집합체가 권취되는 과정에서 편심되지 않게 하여 전극집합체가 받는 스트레스를 제거함에 따라 단선을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 캔부재를 제거하여 본 발명의 주요부를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극집합체에서 발코니층을 확대하여 도시한 일부 확대도이다.
도 4는 도 2에서 권심부 만을 도시한 평면도이다.
도 5는 도 4에서 안착홈이 보이도록 정면에서 도시한 정면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안착홈을 도시한 정면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안착홈을 도시한 평면도이다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 캔부재를 제거하여 본 발명의 주요부를 도시한 평면도이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 전극과 분리막이 교대로 적층된 상태로 권취되어 마련되는 전극집합체(10), 상기 전극에 도포되는 활물질층(11) 상에 상기 활물질층(11)과 동일한 소재로 형성되는 발코니층(13), 상기 전극집합체(10)의 권취 중심에 마련되는 권심부(20) 및 상기 발코니층(13)이 안착되도록 상기 권심부(20) 둘레에 오목하게 형성되는 안착홈(21)을 포함한다.

전극 집합체(10)는, 예를 들어, 양극 활물질이 도포된 양극과 음극 활물질이 도포된 음극을 포함하는 전극 및 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되도록 전극과 분리막이 교대로 적층될 수 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.

분리막은 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.

도 1에 도시된 바와 같이, 전극 집합체(10)는 전해액과 함께 원형 캔부재(1) 등에 수용된다.

하지만, 전극 집합체(10)는 원형 캔부재(1) 이외에 각형 캔부재 또는 파우치 등의 케이스에 수용될 수도 있다.

캔부재(1)는 대략 위쪽이 개방된 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 일반적으로 가볍고 부식에 대처가 용이한 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용된다.

캔부재(1)는 전극 집합체(10)와 전해액(미도시)의 용기가 되고, 전극 집합체(10)가 캔부재(1)의 개방된 상단, 즉, 상단개구부를 통해 캔부재(1)에 삽입된 뒤 캔부재(1)의 상단개구부는 탑캡(1a)에 의해 봉해진다.

탑캡(1a)은 적어도 캔부재(1)의 개구부와 대응되는 크기와 형상을 가져 캔부재(1)의 개구부를 밀봉하게 결합된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극집합체에서 발코니층을 확대하여 도시한 일부 확대도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 발코니층(13)은 전극을 제작하는 과정에서 코터를 사용하여 알루미늄 판 또는 구리 판에 활물질을 코팅하면서 형성된다.

즉, 코터가 활물질을 알루미늄 판 또는 구리 판에 토출을 시작할 때 시작부에서 활물질의 로딩(loading)이 국부적으로 높아져서 알루미늄 판 또는 구리 판에 코팅되는 활물질의 두께가 다른 부위에 비해 두꺼워져 발코니층(13)을 형성한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 권심부(20)는 전극집합체(10)를 권취하는 중심에 위치하여 권심부(20)를 중심으로 전극집합체(10)를 권취하는 것이다.

이때, 전극집합체(10)는 일정 수준의 권취 장력에 의해 잔류 응력이 형성되는데, 전극집합체(10)에서 타 부위에 비해 두께가 두껍게 형성된 발코니층(13)은 권심부(20)에 밀착되면서 잔류 응력이 집중되어 전극집합체(10)의 스트레스(stress)가 급격히 증가하여 단선 등의 문제가 발생할 수 있다.

안착홈(21)은 이러한 문제를 해결하기 위해 권심부(20)의 둘레에 발코니층(13)에 대응하게 형성된다.

즉, 볼록하게 돌출된 형상의 발코니층(13)에 대응하게 안착홈(21)은 오목하게 형성되어 발코니층(13)을 내측에 안착시킨다.

도 4는 도 2에서 권심부 만을 도시한 평면도이고, 도 5는 도 4에서 안착홈이 보이도록 정면에서 도시한 정면도이다.

도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면 안착홈(21)은 권심부(20)의 일측 둘레에 오목하게 형성되며, 권심부(20)의 일단에서부터 타단까지 연속되게 형성된다.

따라서 안착홈(21)은 전극집합체(10)의 권취 시작부를 따라 연속되게 형성된 발코니층(13)에 대응되게 형성되어 발코니층(13)을 안착할 수 있다.

안착홈(21)에 발코니층(13)이 안착함에 의해 권심부(20)에 권취되는 전극집합체(10)는 전체 면적에 고르게 잔류 응력이 형성되어 전극집합체(10)에 국부적으로 발생하는 스트레스를 해소하여 전극집합체(10)가 단락되는 것을 방지할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안착홈을 도시한 정면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 안착홈(21)은 권심부(20)의 일측 둘레에 오목하게 형성되며, 권심부(20)의 일단에서부터 타단까지 불연속되게 형성될 수 있다.

따라서 안착홈(21)은 전극집합체(10)의 권취 시작부를 따라 불연속되게 형성된 발코니층(13)에 대응되게 형성되어 발코니층(13)을 안착할 수 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안착홈을 도시한 평면도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 안착홈(21)은 권심부(20)의 양측 둘레에 각각 오목하게 형성될 수 있다.

따라서 안착홈(21)은 전극집합체(10)에 형성된 복수의 발코니층(13)에 대응되어 복수의 발코치층(13)을 안착할 수 있다.

상술한 실시예들 외에도 안착홈(21)은 전극집합체(10)에 형성된 발코니층(13)을 안착하여 전극집합체(10)에 스트레스가 증가하는 것을 방지할 수 있다면 그 형상이나 개수를 제한하지 않는다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 전극집합체의 발코니층이 권심부의 안착홈에 안착되도록 하여 전극집합체의 편심을 방지하는 효과가 있다.

또한, 전극집합체가 권취되는 과정에서 편심되지 않게 하여 전극집합체가 받는 스트레스를 제거함에 따라 단선을 방지하는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 이차전지를 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: 전극집합체
11: 활물질층
13: 발코니층
20: 완충 코어
21: 안착홈

Claims (6)

1. 전극과 분리막이 교대로 적층된 상태로 권취되어 마련되는 전극집합체(10);
   상기 전극에 도포되는 활물질층(11) 상에 상기 활물질층(11)과 동일한 소재로 형성되고, 상기 전극의 권취 시작부에 형성되는 발코니층(13);
   상기 전극집합체(10)의 권취 중심에 마련되는 권심부(20); 및
   상기 발코니층(13)이 안착되도록 상기 권심부(20) 둘레에 오목하게 형성되는 안착홈(21); 을 포함하고,
   상기 안착홈(21)은 상기 권심부(20)의 길이방향을 따라 일단에서 타단까지 형성되되, 복수 개의 안착홈들(21)이 서로 간에 이격되도록 불연속되게 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 안착홈(21)은 상기 권심부(20)의 둘레에서 서로 대향하는 위치에 각각 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 안착홈(21)은 상기 발코니층(13)에 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 표면에 활물질층(11)이 도포되되 상기 활물질층(11)에서 국부적으로 더 높은 높이를 갖는 발코니층(13)이 형성된 전극을 권취하는 권심부(20)로써,
   상기 권심부(20)의 표면에는 전극의 발코니층(13)이 안착되는 안착홈(21)이 형성되고,
   상기 안착홈(21)은 상기 권심부(20)의 길이방향을 따라 일단에서 타단까지 형성되되, 복수 개의 안착홈들(21)이 서로 간에 이격되도록 불연속되게 형성된 것을 특징으로 하는 권심부.

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