KR102071622B1 - 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극 탭들과 전극 리드의 전기적 저항을 감소시켜, 발열 현상을 저감하고, 전극 탭과 전극 리드 간의 용접성을 개선함으로써 구조적 안전성을 향상시키기 위한 것으로, 세퍼레이터를 개재하여 적층된 전극판을 포함하는 전극 적층체; 상기 전극판으로부터 연장되고, 서로에 대해 적층되어 적층체를 형성하는 다수의 제1 전극 탭들; 상기 전극판으로부터 제1 전극 탭과 동일한 방향으로 연장되고, 서로에 대해 적층되어 적층체를 형성하는 다수의 제2 전극 탭들; 및 상기 제1 전극 탭들 및 제2 전극 탭들과 전기적으로 연결되는 전극 리드;를 구비하는 전극조립체가 제공된다.

Description

전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지{Electrode assembly and secondary battery comprising the same}

본 발명은 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.

일반적인 이차전지에 포함되는 전극조립체는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 구조를 가지며, 각각의 양극판과 음극판은 전극 탭을 구비고, 이러한 전극 탭들은 전극 리드와 전기적으로 연결된다.

이러한 이차전지는 전극 탭들을 통하여 전극 리드로 고전류가 흐르게 되고 전극 탭들과 전극 리드의 전기적 저항은 발열의 요인이 됨과 동시에 발열에 의한 이차전지 성능 구현에 상당한 영향을 미치는 요소가 될 수 있다. 이와 같은 발열 현상으로 인해, 전기 화학적 반응을 일으키는 이차전지의 안전성이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전극 탭들과 전극 리드의 전기적 저항을 감소시켜, 발열 현상에 의한 이차전지의 기계적 안전성 저하를 방지할 수 있는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 세퍼레이터를 개재하여 적층된 전극판을 포함하는 전극 적층체; 상기 전극판으로부터 연장되고, 서로에 대해 적층되어 적층체를 형성하는 다수의 제1 전극 탭들; 상기 전극판으로부터 제1 전극 탭과 동일한 방향으로 연장되고, 서로에 대해 적층되어 적층체를 형성하는 다수의 제2 전극 탭들; 및 상기 제1 전극 탭들 및 제2 전극 탭들과 전기적으로 연결되는 전극 리드;를 구비하는 전극조립체가 제공된다.

바람직하게는, 상기 제1 전극 탭들과 제2 전극 탭들을 전기적으로 연결하는 브릿지를 더 구비하며, 상기 전극 리드는 브릿지를 통해 상기 제1 전극 탭들 및 제 2 전극 탭들과 전기적으로 연결될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 전극 탭은 상기 제2 전극 탭 보다 외측에 위치하며, 상기 제1 전극 탭은 상기 제2 전극 탭보다 넓은 폭을 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 전극판은 양극판과 음극판을 포함하며, 상기 양극판은 제1 전극 탭과 동일한 방향으로 연장되는 제3 전극 탭을 더 구비할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 전극 탭들과 제2 전극 탭들은 각각 초음파 용접에 의해 적층체를 형성할 수 있다.

바람직하게는, 상기 전극 리드의 둘레에 실링 필름이 배치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 세퍼레이터는 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 무기물 입자와 고분자 바인더를 포함하는 다공성 코팅층을 구비할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 세퍼레이터를 개재하여 적층된 전극판을 포함하는 전극 적층체; 상기 전극판으로부터 연장되고, 서로에 대해 적층되어 적층체를 형성하는 다수의 제1 전극 탭들; 상기 전극판으로부터 제1 전극 탭과 다른 방향으로 연장되고, 서로에 대해 적층되어 적층체를 형성하는 다수의 제2 전극 탭들; 및 상기 제1 전극 탭들 및 제2 전극 탭들과 전기적으로 연결되는 전극 리드;를 구비하는 전극조립체가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 전술한 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스를 포함하는 이차지가 제공된다.

본 발명에 따르면, 전극 탭들과 전극 리드의 전기적 저항을 감소시켜, 발열 현상을 저감할 수 있어, 이차전지의 기계적 안전성을 개선시킬 수 있다.

또한, 전극 탭과 전극 리드 간의 용접성을 개선함으로써 기계적 안전성을 향상시킬 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 전극조립체의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 전극조립체의 분해 사시도이다.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 측면에 따른 전극판의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 측면에 따른 전극조립체의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 측면에 따른 전극판의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 측면에 따른 전극조립체의 분해 사시도이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

종래의 전극조립체는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 구조를 가지며, 각각의 양극판과 음극판은 전극 탭을 구비고, 이러한 전극 탭들은 전극 리드와 전기적으로 연결된다. 이러한 이차전지는 전극 탭들을 통하여 전극 리드로 고전류가 흐르게 되고 전극 탭들과 전극 리드의 전기적 저항으로 인해, 발열 현상이 발생하여 이차전지의 기계적 안전성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 전류가 흐르는 통로 역할을 하는 전극 탭을 복수개 구비함으로써, 전극 탭의 전체 저항이 감소하게 되며, 이에 따라 전극 탭들과 전극 리드간에 발생하는 발열 현상을 저감할 수 있다. 또한, 전극 탭을 복수개 구비함으로써, 전극 탭과 전극 리드가 용접되는 부분이 증가하게 되므로, 전극 탭과 전극 리드간의 긴밀한 접합을 통해 용접성이 향상되어, 이차전지의 기계적 안전성을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 전극조립체의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 전극조립체(100)는, 전극판(110)들로부터 연장되는 제1 전극탭(120)들 및 제2 전극 탭(130)들과, 상기 제1 및 제2 전극 탭(120, 130)들과 전기적으로 연결되어 있는 전극 리드(140)를 구비한다. 전극판이 1개의 전극 탭을 갖는 종래의 전극조립체와 비교하여, 본 발명은 전류가 흐르는 통로 역할을 하는 전극 탭(120, 130)을 2개 구비함으로써, 저항이 감소하게 되며, 이로 인해 발열 현상을 저감시킬 수 있다. 또한, 2개의 전극 탭(120, 130)과 전극 리드(140)가 용접되므로, 용접되는 부분이 증가하게 되어, 전극 탭들(120, 130)과 전극 리드 간(140)의 용접성이 향상되어 이차전지의 기계적 안전성을 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 전극조립체의 분해 사시도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 전극 조립체는 통상의 전극조립체와 마찬가지로 세퍼레이터(170)가 개재된 상태에서, 양극판(111)과 음극판(112)이 순차적으로 적층되어 있는 전극 적층체로서, 소정 크기 단위로 절단한 양극판(111), 세퍼레이터(170) 및 음극판(112)이 차례대로 적층된 스택형 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 스택형 전극 조립체에서는 양극판(111), 음극판(112) 등의 전극판의 적층 수를 늘리는 것에 의해 용이하게 전지 용량을 증가시킬 수 있다. 본 명세서를 통하여, 양극판 및 음극판을 포괄하여 전극판으로 총칭하기로 한다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 전극조립체는 소정 단위의 양극판과 음극판들이 세퍼레이터를 개재한 상태로 적층된 단위 적층체들을 긴 길이의 연속적인 세퍼레이터 시트를 이용하여 권취한 스택-폴딩형 구조를 가질 수 있다.

도 1 및 2의 전극판(110, 111, 112)은 전극 집전체의 표면에 활물질을 도포하여 형성될 수 있으며, 전극 집전체와, 상기 전극 집전체의 적어도 일면에 형성된 전극 활물질층(180, 181, 182)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 양극판은 양극 집전체와, 양극 집전체의 적어도 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 음극판은 음극 집전체와, 음극 집전체의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함한다. 상기 전극판의 가장자리에는 활물질층이 형성되지 않은 무지부가 형성될 수 있다.

상기 전극판은 전극 무지부에 전극 탭을 구비하여, 이러한 전극 탭은 전도성이 우수한 금속소재를 저항 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 등에 의해 구비되거나, 전극 집전체에 전극 활물질을 스트라이프(stripe) 형태로 형성한 후, 전극 무지부에 전극 탭이 형성되도록 타발 또는 노칭하여 형성될 수 있다. 또한, 전극 탭들은 초음파 용접에 의해 적층체를 형성할 수 있다.

도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 측면에 따른 전극판의 평면도이다. 도 3a 및 3b를 참조하면, 본 발명의 전극판(110)은 동일한 방향으로 연장되어 형성된 제1 전극 탭(120)과 제2 전극 탭(130)을 구비하며, 소정의 거리만큼 이격되어 형성될 수 있다. 도 3c 및 3d를 참조하면, 본 발명의 전극판(110)은 서로 다른 방향으로 연장되어 형성된 제1 전극 탭(120)과 제2 전극 탭(130)을 구비하며, 서로 동일 선상에 있거나, 서로 다른 선상에 있을 수 있다. 본 발명의 전극판(110)은 복수의 전극 탭(120, 130)을 구비하여, 전극 리드가 구비되는 방향을 자유롭게 설정할 수 있음으로써, 전지 모듈 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.

상기 제1 전극 탭과 제2 전극 탭은 인접한 모서리 간의 간격이 적어도 2 mm 이상 되도록 이격되어 있을 수 있다. 바람직하게는, 2 mm 내지 D_max 의 거리로 이격될 수 있다. 여기서 D_max는 하기 수학식에 따라 정의될 수 있다.

상기 전극 리드는 전극 탭들을 전기적으로 연결할 수 있는 소재로 이루어진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 금속 플레이트일 수 있다. 그러한 금속 플레이트의 예로는, 알루미늄 플레이트, 구리 플레이트, 니켈 플레이트, 니켈이 코팅된 구리 플레이트, 및 SUS 플레이트 등을 들 수 있다.

상기 전극 리드는 전극 탭들과 용이하게 연결될 수 있는 구조라면 특별히 제한되지 않고 다양할 수 있으며, 예를 들어, 수직 단면상으로 직선의 형태를 가지는 구조일 수 있다. 이러한 전극 리드는 다양한 방식으로 전극 탭들에 연결될 수 있는 바, 바람직하게는 용접에 의해 더욱 안정적으로 연결될 수 있다. 그러한 용접의 예로는, 초음파 용접, 레이저 용접, 및 저항 용접 등을 들 수 있다.

또한, 상기 전극 리드(140)는 둘레에 전지 케이스와의 접촉부에서 절연 상태를 확보하고, 밀봉도를 높이기 위하여, 둘레에 실링 필름(150)이 배치될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 일 측면에 따른 전극조립체의 사시도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 전극조립체(100)는 제1 전극 탭(120)들과 제2 전극 탭(130)들을 전기적으로 연결하는 브릿지(160)를 더 구비하며, 전극 리드(140)는 브릿지(160)를 통해 상기 제1 전극 탭(120)들 및 제 2 전극 탭(130)들과 전기적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 전극조립체(100)는 브릿지(160)를 더 구비함으로써, 전극 리드(140)가 구비되는 방향을 자유롭게 조절할 수 있다.

상기 브릿지는 전극 탭들과 전극 리드를 전기적으로 연결할 수 있는 소재로 이루어진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 금속 플레이트일 수 있다. 그러한 금속 플레이트의 예로는, 알루미늄 플레이트, 구리 플레이트, 니켈 플레이트, 니켈이 코팅된 구리 플레이트, 및 SUS 플레이트 등을 들 수 있다.

이러한 브릿지는 다양한 방식으로 전극 탭들과 전극 리드에 연결될 수 있는 바, 바람직하게는 용접에 의해 더욱 안정적으로 연결될 수 있다. 그러한 용접의 예로는, 초음파 용접, 레이저 용접, 및 저항 용접 등을 들 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 일 측면에 따른 전극판의 평면도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 전극판(110)은 동일한 방향으로 연장되어 형성된 제1 전극 탭(120)과 제2 전극 탭(130)을 구비하며, 제1 전극 탭(120)은 제2 전극 탭(130) 보다 외측에 위치하며, 제1 전극 탭(120)은 제2 전극 탭(130) 보다 넓은 폭을 가질 수 있다. 복수의 전극 탭을 구비하는 경우, 상대적으로 외측에 위치한 전극 탭에 더 많은 외력이 가해지므로, 전극 리드와의 용접부에서 탈리가 발생할 수 있다. 본 발명의 전극판은 외측에 위치하는 제1 전극 탭의 폭을 제2 전극 탭 보다 넓게 함으로써, 외부에서 외력이 가해지더라도, 전극 리드와의 용접성을 개선하여, 기계적 안전성을 향상시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 일 측면에 따른 전극조립체의 분해 사시도이다. 도 6를 참조하면, 본 발명의 전극조립체는 음극판(111)과 양극판(112)을 포함하며, 상기 양극판은(112)는 제1 전극 탭(122)과 동일한 방향으로 연장되는 제3 전극 탭(190)을 더 구비할 수 있다. 양극판에 주로 사용되는 금속은 음극판에 주로 사용되는 금속과 비교하여, 고유 저항이 크므로, 양극판은 음극판과 비교하여 상대적으로, 발열 현상이 더 일어나게 된다. 본 발명의 전극조립체는 양극판의 전극 탭을 음극판 보다 더 구비함으로써, 양극판의 저항을 감소시켜, 발열 현상을 저감시킬 수 있다.

상기 세퍼레이터는 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 무기물 입자와 고분자 바인더를 포함하는 다공성 코팅층을 구비하는 것을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 전극조립체는 세퍼레이터를 개재하여 적층된 전극판을 포함하는 전극 적층체; 상기 전극판으로부터 연장되고, 서로에 대해 적층되어 적층체를 형성하는 다수의 제1 전극 탭들; 상기 전극판으로부터 제1 전극 탭과 반대 방향으로 연장되고, 서로에 대해 적층되어 적층체를 형성하는 다수의 제2 전극 탭들; 및 상기 제1 전극 탭들 및 제2 전극 탭들과 전기적으로 연결되는 전극 리드;를 구비한다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 전술한 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스를 포함하는 이차전지가 제공된다.

본 발명에서 사용되는 전지 케이스는 당분야에서 통상적으로 사용되는 것이채택될 수 있고, 전지의 용도에 따른 외형에 제한이 없으며, 예를 들면, 캔을 사용한 원통형, 각형 또는 파우치(pouch)형 등이 될 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100: 전극조립체
110: 전극판
111: 음극판
112: 양극판
120, 121, 122: 제1 전극 탭
130, 131, 132: 제2 전극 탭
140: 전극 리드
150: 실링 필름
160: 브릿지
170: 세퍼레이터
180, 181, 182: 전극 활물질층
190: 제3 전극 탭

Claims (9)

1. 세퍼레이터를 개재하여 적층된 전극판을 포함하는 전극 적층체;
   상기 전극판으로부터 연장되고, 서로에 대해 적층되어 적층체를 형성하는 다수의 제1 전극 탭들;
   상기 전극판으로부터 제1 전극 탭과 동일한 방향으로 연장되고, 서로에 대해 적층되어 적층체를 형성하는 다수의 제2 전극 탭들; 및
   상기 제1 전극 탭들 및 제2 전극 탭들과 전기적으로 연결되는 전극 리드;를 구비하며,
   상기 제1 전극 탭은 상기 제2 전극 탭보다 외측에 위치하며, 상기 제1 전극 탭은 상기 제2 전극 탭보다 넓은 폭을 갖는 전극조립체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전극 탭들과 제2 전극 탭들을 전기적으로 연결하는 브릿지를 더 구비하며, 상기 전극 리드는 브릿지를 통해 상기 제1 전극 탭들 및 제 2 전극 탭들과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 전극판은 양극판과 음극판을 포함하며, 상기 양극판은 제1 전극 탭과 동일한 방향으로 연장되는 제3 전극 탭을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전극 탭들과 제2 전극 탭들은 각각 초음파 용접에 의해 적층체를 형성하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
6. 제1항에 있어서,
   상기 전극 리드의 둘레에 실링 필름이 배치되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
7. 제1항에 있어서,
   상기 세퍼레이터는 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 무기물 입자와 고분자 바인더를 포함하는 다공성 코팅층을 구비하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
8. 삭제
9. 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전극조립체는 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 전극조립체인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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