KR102177506B1 - 이차 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 이차 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 전극판의 절단부가 균일한 두께 및/또는 직경을 갖는 곡면 형태로 형성됨으로써, 전극판의 절단부가 전극판과 전극판을 격리하는 분리막을 뚫고 지나가지 못하여 쇼트 발생을 억제할 수 있고, 전극판의 절단부가 외부 충격에 의해 전극판으로부터 분리되지 않음으로써, 금속 이물질이 발생되지 않는 이차 전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 케이스; 케이스 내측에 위치된 전극 조립체; 및 전극 조립체에 전기적으로 연결되며, 케이스를 관통하는 단자를 포함하고, 전극 조립체는 집전판과, 집전판에 코팅된 전기적 활물질과, 전기적 활물질이 코팅되지 않고 집전판의 둘레에 형성된 비코팅부와, 비코팅부의 단부에 비코팅부의 두께 방향으로 형성된 곡면부로 이루어진 전극판을 포함하는 이차 전지 및 그 제조 방법을 개시한다.

Description

이차 전지 및 그 제조 방법{RECHARGEABLE BATTERY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명의 일 실시예는 이차 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장할 수 있는 우수한 에너지 밀도를 제공하는 전력 저장 시스템이다. 재충전이 불가능한 일차 전지에 비해 이차 전지는 재충전이 가능하여 스마트폰, 셀룰러폰, 노트북, 타블렛 PC 등 IT 기기에 많이 사용되고 있다. 최근에는 유가 상승으로 인해 전기 자동차에 대한 관심이 높아졌고, 이에 따라 전기 자동차의 배터리를 이차 전지로 사용하는 추세에 있다. 이차 전지는 이러한 추세에 따라 고밀도, 고출력, 안정성 등의 특성이 요구되고 있다.
이차 전지의 종류에는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지가 있다. 이 중 리튬 이온 전지나 리튬 폴리머 전지는 다른 전지에 비해 작동 전압과 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점을 가지고 있어 휴대용 IT 기기에 급속도로 적용되고 있다.
이차 전지의 구성품 중 전극판은 제작할 이차 전지의 크기에 적합하게 정확히 재단하여야, 용량을 늘리고, 용량 산포를 줄여 이차 전지 품질을 높일 수 있다. 이렇게 정확하게 전극판을 재단하기 위해서, 일반적으로 금형을 이용한 절단 또는 재단이 이용되고 있다.
그러나, 금형 절단은 금형의 수명으로 인해 잦은 유지 보수가 필요하고, 제품 사양 변경에 따라 금형을 교체해야 할 수도 있다. 또한, 금형의 유지 보수 및 교체로 인해 설비 유지 비용이 상승하고 생산성이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 품질적인 측면에서는 금형을 사용할 수록 날이 무뎌지면서 재단 품질이 악화될 수 있으며, 이로 인해 전극판에 뾰족하고 날카로운 버(burr)가 발생할 수도 있다. 이렇듯 금형을 통한 전극판의 절단은 일정한 품질을 지속하기 어려운 문제가 있다.
특히, 금형 상태 및 셋팅 클리어런스에 따라 상술한 버가 발생할 가능성이 크며, 대략 15 ㎛ 이상의 날카로운 버는 전극판과 전극판 사이를 격리하는 대략 20 ㎛ 내지 30 ㎛ 정도의 분리막을 뚫고 전극판들 사이의 전기적 쇼트 현상을 발생 시키며, 버가 작은 충격에도 떨어져 나가게 되어 전지 내 금속 이물로 작용함으로써, 이차 전지 및 셀의 품질을 크게 저하시킨다.
본 발명의 일 실시예는 전극판의 절단부가 균일한 두께 및/또는 직경을 갖는 곡면 또는 비드 형태로 형성됨으로써, 전극판의 절단부가 전극판과 전극판을 격리하는 분리막을 뚫고 지나가지 못하여 전극판 사이의 전기적 쇼트 발생을 억제할 수 있는 이차 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 전극판의 절단부가 외부 충격에 의해 전극판으로부터 분리되지 않음으로써, 금속 이물질이 발생되지 않는 이차 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는 레이저 빔에 의해 형성된 곡면 또는 비드 형태의 절단부가 세라믹층으로 덮여 있음으로써, 절단부가 분리막을 뚫는다고 해도 세라믹층에 의해 전극판과 전극판 사이의 전기적 쇼트 발생을 억제할 수 있는 이차 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 연속파 레이저 빔을 이용하여 전극판을 절단 또는 재단함으로써, 전극판의 절단부가 균일한 두께 및/또는 직경을 갖는 곡면 또는 비드 형태로 형성되도록 하고, 또한 절단부가 외부 충격에 의해 전극판으로부터 분리되지 않도록 한 이차 전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 케이스; 상기 케이스의 내측에 위치된 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되며, 상기 케이스를 관통하는 단자를 포함하고, 상기 전극 조립체는 전극판을 포함하며, 상기 전극판은 집전판과, 상기 집전판에 전기적 활물질이 코팅되어 형성된 코팅부와, 상기 집전판의 둘레에 형성되며 상기 전기적 활물질이 코팅되지 않은 비코팅부와, 상기 비코팅부의 내측 방향으로 형성된 절단부와, 상기 절단부를 따라 상기 비코팅부의 두께 방향으로 형성된 곡면부를 포함한다.
상기 곡면부는 상기 절단부의 길이 방향에 수직 방향인 단면의 형태가 원형 또는 타원형일 수 있다.
상기 곡면부는 상기 비코팅부에 절단부가 형성될 때 상기 비코팅부가 용융되어 형성된 것일 수 있다.
상기 절단부 및 곡면부는 평면의 형태가 적어도 1회 절곡된 형태로 형성될 수 있다.
상기 절단부 및 곡면부는 평면의 형태가 각각 "∪"자 형태로 형성될 수 있다.
상기 절단부는 상호간 이격되어 다수개가 형성되고, 상기 절단부중 상호간 이격된 한쌍의 절단부 사이에는 상기 비코팅부로부터 외측 방향으로 연장되어 상기 단자에 전기적으로 접속되는 탭이 형성될 수 있다. 상기 곡면부는 상기 탭의 대향되는 양측 단부에도 형성될 수 있다.
상기 곡면부의 두께는 상기 집전판의 두께에 비하여 1배 내지 4배일 수 있다.
상기 곡면부의 두께는 상기 코팅부에 비하여 0.1배 내지 0.8배일 수 있다.
상기 곡면부의 두께는 상기 비코팅부의 폭에 비하여 0.001배 내지 1.1배일 수 있다.
상기 비코팅부의 두께를 초과하는 상기 곡면부의 두께는 0 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다.
상기 비코팅부의 폭은 0.1 mm 내지 10 mm일 수 있다.
상기 곡면부는 세라믹층으로 덮일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은 집전판과, 상기 집전판에 전기적 활물질이 코팅되어 형성된 코팅부와, 상기 집전판의 둘레에 형성되며 상기 전기적 활물질이 코팅되지 않은 비코팅부로 이루어진 전극판을 준비하는 단계; 및 상기 비코팅부의 내측 방향으로 연속파 레이저 빔을 조사하여 절단부를 형성함으로써, 상기 절단부를 따라 상기 비코팅부의 두께 방향으로 곡면부가 형성되도록 하는 단계를 포함한다.
상기 집전판이 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 경우, 상기 연속파 레이저 빔의 에너지는 19 cal/s 내지 119 cal/s이고, 상기 연속파 레이저 빔의 이동 속도는 100 mm/s 내지 5000 mm/s일 수 있다.
상기 집전판이 구리 또는 구리 합금일 경우, 상기 연속파 레이저 빔의 에너지는 47 cal/s 내지 143 cal/s이고, 상기 연속파 레이저 빔의 이동 속도는 100 mm/s 내지 9000 mm/s일 수 있다.
상기 레이저 빔의 초점 사이즈는 10 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 전극판의 절단부가 균일한 두께 및/또는 직경을 갖는 곡면 또는 비드 형태로 형성됨으로써, 전극판의 절단부가 전극판과 전극판을 격리하는 분리막을 뚫고 지나가지 못하여 전극판 사이의 쇼트 발생을 억제할 수 있는 이차 전지 및 그 제조 방법을 제공한다. 즉, 본 발명에서는 전극판의 절단 또는 재단 공정 후 자연스럽게 형성되는 절단부가 뾰족하고 날카로운 버 형태가 아닌 부드러운 곡면 형태 예를 들면, 원형 또는 타원 형태로 형성됨으로써, 절단부가 분리막을 손상하지 않게 되고, 이에 따라 분리막을 중심으로 적층된 전극판 상호간 전기적 쇼트 현상이 발생하지 않게 된다.
본 발명의 일 실시예는 전극판의 절단부가 외부 충격에 의해 전극판으로부터 분리되지 않음으로써, 전지내 금속 이물질이 발생되지 않는 이차 전지 및 그 제조 방법을 제공한다. 즉, 본 발명에서는 전극판의 절단부가 용융된 후 자연 냉각되며 형성됨으로써, 전극판의 자체와 절단부 상호간의 연결 또는 접합 면적이 넓게 형성됨으로써, 이차 전지가 외부 충격을 받는다고 하여도 전극판으로부터 절단부가 쉽게 떨어지지 않게 된다. 따라서, 이러한 절단부가 이차 전지의 내부에서 금속 이물질로 작용하지 않게 된다.
본 발명의 일 실시예는 레이저 빔에 의해 형성된 곡면 또는 비드 형태의 절단부가 세라믹층으로 덮여 있음으로써, 절단부가 분리막을 뚫는다고 해도 세라믹층에 의해 전극판과 전극판 사이의 전기적 쇼트 발생이 억제된다. 즉, 본 발명에서는 곡면 또는 비드 형태의 절단부가 세라믹층에 의해 완전히 감싸여져 있음으로써, 이러한 절단부가 분리막을 뚫는다고 하여도 절연성의 세라믹층으로 인하여 전극판과 전극판 사이의 전기적 쇼트 현상이 발생하지 않게 된다.
본 발명의 일 실시예는 연속파 레이저 빔을 이용하여 전극판을 절단 또는 재단함으로써, 전극판의 절단부가 균일한 두께 및/또는 직경을 갖는 곡면 또는 비드 형태로 형성되도록 하고, 또한 전극판의 절단부가 외부 충격에 의해 전극판으로부터 분리되지 않도록 한 이차 전지의 제조 방법을 제공한다. 즉, 본 발명에서는 뾰족하고 날카로운 버(burr)가 형성되기 쉬운 펄스파 레이저 빔이 아니라, 균일한 에너지를 갖는 연속파 레이저 빔을 이용함으로써, 전극판의 절단부에 뾰족하고 날카로운 버가 형성되는 대신, 둥근 형태의 곡면부가 형성됨으로써, 분리막이 손상되지 않을 뿐만 아니라 전극판으로부터 곡면부가 쉽게 분리되지 않게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 2-2선을 따라 절취한 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 분해 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 전극판의 일부를 도시한 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 4b-4b선을 따라 절취한 단면도이고, 도 4c는 도 4a의 4c-4c선을 따라 절취한 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 전극판의 일부를 도시한 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 5b-5b선을 따라 절취한 단면도이고, 도 5c는 도 5a의 5c-5c선을 따라 절취한 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 탭과 단자 사이의 접속 방법을 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 탭과 단자 사이의 접속 방법을 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 탭과 단자 사이의 접속 방법을 도시한 개략도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 이용한 배터리 모듈의 일례를 도시한 사시도이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 전극판의 탭 형성을 위한 레이저 절단 시스템을 도시한 개략도이다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일 실시예에 따라 연속파 레이저 빔에 의해 형성된 음극판을 도시한 평면 사진 및 단면 사진이다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일 실시예에 따라 연속파 레이저 빔에 의해 형성된 양극판을 도시한 평면 사진 및 단면 사진이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따라 연속파 레이저 빔에 의해 형성된 음극판을 도시한 평면 사진 및 단면 사진이다.
도 14a 및 도 14b는 펄스파 방식의 레이저 빔에 의해 형성된 음극판을 도시한 평면 사진 및 단면 사진이다.
도 15a 및 도 15b는 펄스파 방식의 레이저 빔에 의해 형성된 양극판을 도시한 평면 사진 및 단면 사진이다.
도 16a 내지 도 16c는 본 발명의 다른 실시예에 따라 연속파 레이저 빔에 의해 형성된 음극판을 도시한 평면 사진 및 확대 평면 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 언급되는 "탭"이란 용어는 "양극 탭" 및/또는 "음극 탭"을 포함하는 개념이다. 양극 탭은 양극판의 양극 집전판으로부터 직접 외측 방향으로 연장되어 형성되고, 또한 음극 탭은 음극판의 음극 집전판으로부터 직접 외측 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 또한, 양극 탭은 양극판의 양극 집전판에 별도로 용접되어 외측 방향으로 일정 길이 연장되어 형성되고, 음극 탭은 음극판의 음극 집전판에 별도로 용접되어 외측 방향으로 일정 길이 연장되어 형성될 수 있다. 이와 같이 "탭"이란 용어는 복합적인 의미가 있으므로, 어느 하나의 의미로 축소 해석해서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 2-2선을 따라 절취한 이차 전지를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 제1단자(120), 제2단자(130), 케이스(140) 및 캡 조립체(150)를 포함한다.
전극 조립체(110)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 제1전극판(111), 분리막(113), 제2전극판(112)의 적층체가 권취되거나 겹쳐서 형성된다. 여기서, 제1전극판(111)은 양극 역할을 할 수 있으며, 제2전극판(112)은 음극 역할을 할 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
제1전극판(111)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 포일 또는 메시로 형성된 제1집전판(111a)과, 제1집전판(111a)에 전이금속산화물 등의 제1전기적 활물질이 코팅되어 형성된 제1코팅부(111b)와, 제1전기적 활물질이 코팅되지 않은 영역인 제1비코팅부(111c)와, 제1비코팅부(111c)의 내측 방향으로 형성된 제1절단부(111d, 도 4a 및 도 4b 참조)와, 제1절단부(111d)를 따라 제1비코팅부(111c)의 두께 방향으로 형성된 제1곡면부(111e, 도 4a 및 도 4b 참조)와, 제1비코팅부(111c)로부터 외측 방향으로 연장되어 제1단자(120)에 전기적으로 연결된 제1탭(111f)을 포함한다.
여기서, 제1탭(111f)은 제1전극판(111)과 제1단자(120) 사이의 전류 통로가 된다. 더불어, 제1전극판(111)의 절단부(111d), 곡면부(111e) 및 제1탭(111f)은 아래에서 다른 도면을 이용하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
제2전극판(112)은 구리, 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금과 같은 금속 포일 또는 메시로 형성된 제2집전판(112a)과, 제2집전판(112a)에 흑연 또는 탄소 등의 제2전기적 활물질이 코팅되어 형성된 제2코팅부(112b)와, 제2전기적 활물질이 코팅되지 않는 영역인 제2비코팅부(112c)와, 제2비코팅부(112c)의 내측 방향으로 형성된 제2절단부와, 제2절단부를 따라 제2비코팅부(112c)의 두께 방향으로 형성된 제2곡면부와, 제2비코팅부(112c)로부터 외측 방향으로 연장되어 제2단자(130)에 전기적으로 연결된 제2탭(112f)을 포함한다.
여기서, 제2탭(112f)은 제2전극판(112)과 제2단자(130) 사이의 전류 통로가 된다. 더불어, 제2비코팅부(112c), 제2절단부, 제2곡면부 및 제2탭(112f)의 외형은 실질적으로 상술한 제1비코팅부(111c), 제1절단부(111d), 제1곡면부(111e) 및 제2탭(112f)의 외형과 동일하거나 유사하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기와 같은 제1전극판(111) 및 제2전극판(112)은 극성을 달리하여 배치될 수 있다.
분리막(113)은 제1전극판(111)과 제2전극판(112) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 그러나, 본 발명에서 상기 분리막의 재질이 한정되지 않는다.
한편, 이러한 전극 조립체(110)가 갖는 권취 축은 제1단자(120)가 갖는 단자 축 및 제2단자(130)가 갖는 단자 축에 대략 평행 또는 대략 수평하게 형성된다. 여기서, 권취 축 및 단자 축은 도 2 및 도 3에서 상하 방향으로 형성된 축을 의미하며, 권취 축 및 단자 축이 대략 평행 또는 수평하다는 것은 권취 축 및 단자 축을 길게 늘여도 서로 만나지 않거나, 또는 아주 길게 늘일 경우 서로 만날 수 있음을 의미한다.
또한, 상술한 바와 같이 전극 조립체(110)와 제1단자(120)의 사이에는 제1탭(111f)이 개재되고, 전극 조립체(110)와 제2단자(130)의 사이에는 제2탭(112f)이 개재된다. 즉, 제1탭(111f)은 전극 조립체(110)의 상단으로부터 제1단자(120)를 향하여 연장되어 접속 또는 용접된다. 또한, 제2탭(112f)은 전극 조립체(110)의 상단으로부터 제2단자(130)를 향하여 연장되어 접속 또는 용접된다.
실질적으로, 제1탭(111f)은 상술한 바와 같이 제1전극판(111) 중 제1활물질이 코팅되지 않은 제1비코팅부(111c) 자체이거나, 또는 제1비코팅부(111c)에 접속된 별도 부재일 수 있다. 여기서, 별도 부재의 재질은 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 하나일 수 있다.
또한, 제2탭(112f)은 제2전극판(112) 중 제2활물질이 코팅되지 않은 제2비코팅부(112c) 자체이거나, 또는 제2비코팅부(112c)에 접속된 별도의 부재일 수 있다. 여기서, 별도 부재의 재질은 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 하나일 수 있다.
이와 같이, 전극 조립체(110)가 갖는 권취 축과 단자(120,130)가 갖는 단자 축이 상호간 대략 평행 또는 수평하게 형성됨으로써, 전해액 주액 방향과 권취 축 방향 역시 평행 또는 수평하게 형성되어, 전해액 주입 시 전극 조립체(110)의 전해액 함침성이 우수할 뿐만 아니라, 과충전 시 내부 가스가 안전벤트(154)로 신속하게 이동하여 안전벤트(154)를 빠르게 동작시킨다.
또한, 전극 조립체(110)가 갖는 탭(111f,112f)(비코팅부 자체 또는 별도 부재)이 단자(120,130)에 직접 전기적으로 접속되어 전기적 경로가 짧아짐으로써, 이차 전지(100)의 내부 저항이 감소할 뿐만 아니라 부품 개수도 감소한다.
이러한 전극 조립체(110)는 실질적으로 전해액과 함께 케이스(140)에 수납된다. 상기 전해액은 EC, PC, DEC, EMC, DMC와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
제1단자(120)는 금속으로 형성되며, 제1전극판(111)과 전기적으로 연결된다. 이러한 제1단자(120)는 제1단자 기둥(121), 제1플랜지(122) 및 제1단자 플레이트(123)를 포함한다.
실질적으로, 제1단자 기둥(121)은 제1플랜지(122)와 일체로 형성되며, 후술되는 캡 플레이트(151)를 관통하여 상부로 일정 길이 돌출 및 연장되고, 캡 플레이트(151)의 하부에서 제1탭(111f)과 전기적으로 연결된다. 즉, 제1단자 기둥(121)의 하단에 제1단자 기둥(121)이 캡 플레이트(151)로부터 빠지지 않도록 상대적으로 넓은 제1플랜지(122)가 형성되며, 이러한 제1플랜지(122)에 상술한 제1탭(111f)이 전기적으로 접속된다.
제1단자 기둥(121) 및 제1플랜지(122)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지며, 따라서, 제1플랜지(122)에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 제1탭(111f)이 용이하게 전기적/기계적으로 접속된다.
제1단자 플레이트(123)는 캡 플레이트(151) 위에 위치하며, 홀(123a)을 갖는다. 또한, 이러한 홀(123a)에 제1단자 기둥(121)이 결합되고 용접된다. 예를 들면, 레이저 빔이 상부로 노출된 제1단자 기둥(121)과 제1단자 플레이트(123)의 경계 영역에 제공됨으로써, 상기 경계 영역이 상호간 용융된 후 냉각되어 용접된다. 이러한 용접 영역은 도 3에서 도면 부호 124으로 표시되어 있다.
또한, 제1단자 플레이트(123)는 캡 플레이트(151)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 따라서 이하에서 설명될 캡 플레이트(151) 및 케이스(140)는 제1단자(120)와 같은 극성(예를 들면, 양극)을 가질 수 있다.
제2단자(130)는 금속으로 형성되며, 제2전극판(112)과 전기적으로 연결된다. 이러한 제2단자(130)는 제2단자 기둥(131), 제2플랜지(132) 및 제2단자 플레이트(133)를 포함한다.
실질적으로, 제2단자 기둥(131)은 제2플랜지(132)와 일체로 형성되며, 후술되는 캡 플레이트(151)를 관통하여 상부로 일정 길이 돌출 및 연장되고, 캡 플레이트(151)의 하부에서 제2탭(112f)과 전기적으로 연결된다. 즉, 제2단자 기둥(131)의 하단에 제2단자 기둥(131)이 캡 플레이트(151)로부터 빠지지 않도록 상대적으로 넓은 제2플랜지(132)가 형성되며, 이러한 플랜지(132)에 상술한 제2탭(112f)이 전기적으로 접속된다.
이러한 제2단자 기둥(131) 및 제1플랜지(132)는 구리 또는 구리 합금으로 이루어지며, 따라서, 제2플랜지(132)에 구리, 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어진 제2탭(112f)이 용이하게 전기적/기계적으로 접속된다.
제2단자 플레이트(133) 역시 캡 플레이트(151) 위에 위치되며, 홀(133a)을 갖는다. 또한, 이러한 홀(133a)에 제2단자 기둥(131)이 결합되고 용접된다. 예를 들면, 레이저 빔이 상부로 노출된 제2단자 기둥(131)과 제2단자 플레이트(133)의 경계 영역에 제공됨으로써, 상기 경계 영역이 상호간 용융된 후 냉각되어 용접된다. 이러한 용접 영역은 도 3에서 도면 부호 134으로 표시되어 있다.
케이스(140)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성되며, 전극 조립체(110), 제1단자(120) 및 제2단자(130)가 삽입 안착될 수 있는 개구부가 형성된 대략 육면체 형상으로 이루어진다. 도 2에서는, 케이스(140)와 캡 조립체(150)가 결합된 상태로 도시되고 있으므로 개구부가 도시되지 않았지만, 캡 조립체(150)의 상부 부분이 실질적으로 개방된 부분이다. 한편, 케이스(140)의 내면은 절연 처리되어, 전극 조립체(110), 제1단자(120), 제2단자(130) 및 캡 조립체(150)와 절연될 수 있다.
캡 조립체(150)는 케이스(140)에 결합된다. 캡 조립체(150)는 구체적으로 캡 플레이트(151), 시일 가스켓(152), 마개(153), 안전벤트(154), 상부 절연부재(155) 및 하부 절연부재(156)를 포함한다.
캡 플레이트(151)는 케이스(140)의 개구를 밀봉하며, 케이스(140)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 캡 플레이트(151)는 레이저 용접 방식으로 케이스(140)에 결합될 수 있다. 여기서, 캡 플레이트(151)는 상술한 바와 같이 제1단자(120)와 동일한 극성을 가질 수 있으므로, 캡 플레이트(151) 및 케이스(140)는 동일한 극성을 가질 수 있다.
시일 가스켓(152)은 절연성 재질로 제1단자 기둥(121) 및 제2단자 기둥(131) 각각과 캡 플레이트(151) 사이에 형성되어, 제1단자 기둥(121) 및 제2단자 기둥(131) 각각과 캡 플레이트(151) 사이를 밀봉시킨다. 이러한 시일 가스켓(152)은 외부의 수분이 이차 전지(100)의 내부에 침투하지 못하도록 하거나, 이차 전지(100)의 내부에 수용된 전해액이 외부로 유출되지 못하도록 한다.
마개(153)는 캡 플레이트(151)의 전해액 주입구(151a)를 밀봉하며, 안전벤트(154)는 캡 플레이트(151)의 벤트홀(151b)에 설치되며, 설정된 압력에서 개방될 수 있도록 노치(154a)가 형성된다.
상부 절연부재(155)는 제1단자 기둥(121) 및 제2단자 기둥(131) 각각과 캡 플레이트(151) 사이에 형성된다. 또한, 상부 절연부재(155)는 캡 플레이트(151)와 밀착된다. 더욱이, 상부 절연부재(155)는 시일 가스켓(152)에도 밀착될 수 있다. 이러한 상부 절연부재(155)는 제1단자 기둥(121) 및 제2단자 기둥(131)과 캡 플레이트(151)를 절연시킨다.
하부 절연부재(156)는 전극 조립체(110)와 캡 플레이트(151) 사이에 형성되어, 불필요한 단락의 발생을 방지한다. 즉, 하부 절연부재(156)는 제1집전판(111a)과 캡 플레이트(151) 사이의 단락, 및/또는 제2집전판(112a)과 캡 플레이트(151) 사이의 단락을 방지한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 전극판의 일부를 도시한 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 4b-4b선을 따라 절취한 단면도이고, 도 4c는 도 4a의 4c-4c선을 따라 절취한 단면도이다. 여기서, 전극판은 일례로 상술한 양극판일 수 있으나, 여기에 설명된 모든 특징은 음극판에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 전극판(111)은 집전판(111a)과, 집전판(111a)에 전기적 활물질이 코팅되어 형성된 코팅부(111b)와, 집전판(111a)의 둘레에 형성되며 전기적 활물질이 코팅되지 않은 비코팅부(111c)와, 비코팅부(111c)의 내측 방향으로 형성된 절단부(111d)와, 절단부(111d)와 절단부(111d)의 사이에 형성되어 단자에 전기적으로 연결되는 탭(111f)과, 절단부(111d) 및 탭(111f)을 따라 비코팅부(111c)의 두께 방향으로 형성된 곡면부(111e)를 포함한다.
집전판(111a)은 포일 또는 메시 형태이며 상술한 바와 같이, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 그러나, 본 발명에서 집전판(111a)의 재질이 한정되지 않는다. 이러한 집전판(111a)은 두께가 대략 6 ㎛ 내지 12 ㎛일 수 있다. 두께가 대략 6 ㎛보다 작을 경우 전지 제조 공정 중 권취, 권출 또는 이송이 어렵고, 또한 외부 충격에 의해 찢어지거나 쉽게 손상될 수 있다. 두께가 12 ㎛보다 클 경우 집전 효율은 더 이상 증가하지 않고 전지 두께만 커질 수 있다.
코팅부(111b)의 두께는 집전판(111a)의 두께에 비해 상당히 크며, 이는 전기적 활물질인 전이금속산화물, 흑연, 탄소 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명에서 코팅부(111b)의 재질이 한정되지 않는다. 이러한 코팅부(111b)는 두께가 집전판(111a)의 한 표면으로부터 대략 40 ㎛ 내지 60 ㎛일 수 있다. 두께가 대략 40 ㎛보다 작을 경우 원하는 전지 용량의 확보가 어려울 수 있다. 또한 두께가 대략 60 ㎛보다 클 경우 더 이상 전지 용량은 증가하지 않고 전지 두께만 커질 수 있다. 더불어, 코팅부(111b)는 집전판(111a)을 기준으로 양면에 형성될 수 있으므로, 코팅부(111b)의 전체 두께는 대략 80 ㎛ 내지 120 ㎛일 수 있다.
비코팅부(111c)는 전기적 활물질이 코팅되지 않고 집전판(111a)이 직접 외측으로 노출된 영역을 의미한다. 이러한 비코팅부(111c)는 실질적으로 전극판(111)의 일측 둘레에 형성된다. 또한, 비코팅부(111c)는 탭(111f)을 제외한 영역의 폭이 대략 0.1 mm 내지 10 mm일 수 있다. 비코팅부(111c)의 폭이 대략 0.1 mm 보다 작으면 레이저 절단이 수행되는 롤투롤 장비의 허용 오차 범위보다 작아지므로, 레이저 절단 또는 재단 시 코팅부(111b)까지 절단될 위험이 있다. 레이저 빔에 의해 코팅부(111b)가 절단되면, 코팅부(111b)를 이루는 전기적 활물질(세라믹)이 파티클 형태로 비산될 수 있기 때문에, 롤투롤 장비의 오염도가 높아질 뿐만 아니라 이를 이용한 이차 전지의 신뢰성도 저하된다. 또한, 비코팅부(111c)의 폭이 대략 10 mm보다 클 경우, 비코팅부(111c)의 면적이 불필요하게 커지며 전지 용량이 상대적으로 감소할 수 있다.
절단부(111d)를 평면에서 보면 비코팅부(111c)의 내측 방향으로 일정 깊이 파인 형태로 형성된다. 실질적으로, 이러한 절단부(111d)는 아래에서 다시 설명하겠지만 연속파 레이저 빔에 의해 비코팅부(111c) 중 일정 영역이 절단된 라인을 의미한다. 이러한 절단부(111d)는 상호간 이격되어 다수개가 형성될 수 있다.
탭(111f)은 절단부(111d)중 상호간 이격된 한쌍의 절단부(111d) 사이에 비코팅부(111c)로부터 외측 방향으로 일정 길이 연장되어 단자에 전기적으로 접속되는 영역이다. 이러한 탭(111f)은 길이가 대략 5 mm 내지 30 mm일 수 있다. 길이가 대략 5 mm보다 작을 경우 다수의 탭(111f)을 단자에 전기적으로 접속하기 어려울 수 있다. 길이가 대략 30 mm보다 클 경우 전류가 흐르는 경로가 상대적으로 길어짐으로써 전기 저항이 커질 수 있다.
곡면부(111e)는 절단부(111d) 및 탭(111f)의 단부를 따라 비코팅부(111c)의 두께 방향 및 두께 방향에 직각인 방향으로 형성된다. 구체적으로, 곡면부(111e)는 비코팅부(111c)에 연속파 레이저 빔에 의해 절단부(111d)가 형성될 때 비코팅부(111c)가 용융되어 형성된 일종의 드로스(dross)일 수 있다. 이와 같이 곡면부(111e)는 비코팅부(111c)(즉, 집전판(111a) 자체)가 연속파 레이저 빔에 의해 용융된 후 냉각되어 형성된 것이기 때문에, 표면 장력에 의해 단면 형태가 대략 둥근 형태일 수 있다. 즉, 곡면부(111e)는 절단부(111d)(즉, 집전판(111a))의 길이 방향에 수직 방향인 단면의 형태가 대략 원형 및/또는 타원형일 수 있다. 여기서, 곡면부(111e)는 도 4b 및 도 4c에서와 같이 완벽한 원형일 수도 있으나, 제조 공정 상의 특성으로 인해 대체로 찌그러진 원형 또는 찌그러진 타원형일 수 있다. 이밖에도 곡면부(111e)는 구면, 타원면 등의 곡선으로 이루어진 면일 수 있으며, 본 발명에서 곡면부(111e)의 형태를 한정하는 것은 아니다.
이러한 곡면부(111e)는 비코팅부(111c)가 용융된 후 자연 냉각되어 형성된 것이기 때문에, 곡면부(111e)의 표면은 일정 곡률을 갖는 둥근 형태로 형성된다. 다르게 설명하면, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 곡면부(111e)는 연속파 레이저 빔의 열에 의해 순간적으로 용융된 후 냉각되며, 표면 장력에 의해 형성됨으로써, 곡면부(111e)의 표면은 일정 곡률을 갖는 대략 원형 및/또는 타원형으로 형성된다.
한편, 상술한 절단부(111d) 및 곡면부(111e)는 평면에서 보았을 때, 적어도 1회 절곡된 형태일 수 있다. 다시 설명하면, 절단부(111d) 및 곡면부(111e)는 평면의 형태가 대략 "∪"자 형태일 수 있으나, 이러한 형태로 본 발명이 한정되지 않는다. 여기서, 탭(111f)은 대향되는 양측 단부에만 곡면부(111e)가 형성되고, 상단에는 곡면부(111e)가 형성되지 않을 수 있다. 물론, 탭(111f)은 대향되는 양측 단부뿐만 아니라, 상단에도 곡면부(111e)가 형성될 수 있다.
탭(111f)의 상단이 연속파 레이저 빔으로 절단되지 않은 전극판 자체의 단부일 경우에는 탭(111f)의 상단에 곡면부(111e)가 형성되지 않고, 전극판 자체가 연속파 레이저 빔으로 절단되어 탭(111f)의 상단을 형성할 경우 탭(111f)의 상단에 곡면부(111e)가 형성된다.
더불어, 곡면부(111e)의 두께는 집전판(111a)(즉, 비코팅부(111c))의 두께에 비하여 대략 1배 내지 4배일 수 있다. 곡면부(111e)의 두께는 작으면 작을 수록 좋으나, 제조 공정 상의 특성으로 인해 집전판(111a)의 두께에 비하여 실질적으로 1배보다 작게 만들기는 어렵다. 그러나, 곡면부(111e)의 두께는 레이저 빔의 에너지 세기 및 레이저 빔의 이동 속도 등을 조절함으로써, 집전판(111a)의 두께에 비하여 대략 4배보다 작게 할 수 있다. 여기서, 곡면부(111e)의 두께는 상술한 바와 같이, 집전판(111a)의 두께 방향뿐만 아니라, 집전판(111a)의 두께 방향에 직각인 방향도 의미한다.
더욱 구체적으로, 비코팅부(111c)의 두께를 초과하는 곡면부(111e)의 두께는 대략 0 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하기로 15 ㎛ 내지 35 ㎛, 더욱 바람직하기로 20 ㎛ 내지 30 ㎛로 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 곡면부(111e)의 두께는 작으면 작을 수록 좋으나, 제조 공정 상의 특성으로 인해 대략 0 ㎛보다 작게 만들기는 어렵다. 그러나, 레이저 빔의 에너지 세기 및 레이저 빔의 이동 속도 등을 조절함으로써, 곡면부(111e)의 두께는 대략 100 ㎛보다 작게 제어될 수 있다.
또한, 곡면부(111e)의 두께는 코팅부(111b)의 두께에 비하여 0.1배 내지 0.8배일 수 있다. 여기서, 코팅부(111b)의 두께는 집전판(111a)을 중심으로 양측면에 형성된 코팅부(111a)의 전체 두께를 의미한다.
상술한 바와 유사하게, 제조 공정 상의 특성으로 인해 곡면부(111e)의 두께가 코팅부(111b)의 두께에 비하여 0.1배보다 작게 만들기는 어렵다. 그러나, 곡면부(111e)의 두께는 레이저 빔의 에너지 세기 및 레이저 빔의 이동 속도 등을 조절함으로써, 코팅부(111b)의 두께에 비하여 대략 0.8배보다 작게 할 수 있다.
더불어, 곡면부(111e)의 두께는 비코팅부(111c)의 폭에 비하여 0.001배 내지 1.1배 일 수 있다. 곡면부(111e)의 두께를 비코팅부(111c)의 폭에 비하여 대략 0.001배 보다 작게 만드는 것은 레이저 절단이 수행되는 롤투룰 장비의 한계로 인해 어렵고, 또한 곡면부(111e)의 두께가 비코팅부(111c)의 폭에 비하여 대략 1.1배 보다 크게 되면 레이저 절단이 수행되는 롤투롤 장비의 오차에 의해, 레이저 절단 또는 재단 시 코팅부(111b)까지 절단될 위험이 있다. 상술한 바와 같이, 레이저 빔에 의해 코팅부(111b)가 절단되면, 코팅부(111b)를 이루는 전기적 활물질(세라믹)이 파티클 형태로 비산될 수 있기 때문에, 롤투롤 장비의 오염도를 높일 뿐만 아니라 이를 이용한 이차 전지의 신뢰성도 저하시킨다.
이와 같이 하여, 본 발명에서 전극판(111)의 절단부(111d) 즉, 곡면부(111e)가 균일한 두께 및/또는 직경을 갖는 원형, 타원형 또는 용접 비드와 유사하게 형성됨으로써, 전극판(111)의 곡면부(111e)가 전극판(111)과 전극판(111)을 격리하는 분리막을 뚫고 지나가지 못하여 쇼트 발생을 억제하게 된다. 더욱이, 곡면부(111e)의 둥글게 형성되기 때문에, 곡면부(111e)가 분리막에 직접 접촉한다고 해도 곡면부(111e)가 분리막을 찢거나 또는 손상시키지 않게 된다.
더욱이, 본 발명에서 전극판(111)의 절단부(111d) 즉, 곡면부(111e)가 집전판(111a)으로부터 용융된 후 표면 장력을 받으며 냉각되어 형성된 것이기 때문에, 집전판 자체와 곡면부 사이의 접합 면적이 상대적으로 크고, 이에 따라 곡면부가 외부 충격에 의해 집전판(111a)으로부터 쉽게 분리되지 않고, 따라서 전극 조립체(110)의 내부에서 금속 이물질이 발생되지 않는다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 전극판의 일부를 도시한 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 5b-5b선을 따라 절취한 단면도이고, 도 5c는 도 5a의 5c-5c선을 따라 절취한 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 전극판(211)은 집전판(111a)과, 집전판(111a)에 활물질이 코팅되어 형성된 코팅부(111b)와, 집전판(111a)의 둘레에 형성되며 활물질이 코팅되지 않은 비코팅부(111c)와, 비코팅부(111c)의 내측 방향으로 형성된 절단부(111d)와, 절단부(111d)와 절단부(111d)의 사이에 형성되어 단자에 전기적으로 연결되는 탭(111f)과, 절단부(111d) 및 탭(111f)을 따라 비코팅부(111c)의 두께 방향으로 형성된 곡면부(111e)와, 상술한 코팅부(111b), 비코팅부(111c), 절단부(111d) 및 곡면부(111e)를 덮는 세라믹층(212)을 포함한다.
특히, 세라믹층(212)은 코팅부(111b) 및 비코팅부(111c)뿐만 아니라 절단부(111d)에 형성된 곡면부(111e)를 완전히 덮도록 형성됨으로써, 금속 재질의 곡면부(111e)가 외부로 노출되지 않고, 이에 따라 곡면부(111e)가 분리막을 뚫는다고 하여도 양극판과 음극판 사이의 전기적 쇼트 현상이 발생하지 않게 된다. 다만, 이러한 세라믹층(212)은 탭(111f) 및 탭(111f)의 양측에 형성된 곡면부(111e)에는 형성되지 않음으로써, 탭(111f)이 단자에 용이하게 전기적으로 접속될 수 있도록 한다.
이러한 세라믹층(212)은 레이저 절단 작업 전에 코팅부(111b) 및 비코팅부(111c)에 미리 형성되고, 비코팅부(111c)의 레이저 절단 작업 시 함께 절단되며, 이때 새로 형성되는 곡면부(111e)가 기존의 세라믹층(212)으로 완전히 덮이게 된다.
본 발명의 발명자들은 레이저 절단 작업 시 세라믹층(212)이 곡면부(111e)를 완전히 덮는 예측하지 못했던 메커니즘을 정확하게 규명하지는 못했지만, 아마도 다음과 같은 메커니즘에 의해 세라믹층(212)이 곡면부(111e)를 덮는 것으로 생각된다. 즉, 금속 재질의 비코팅부(111c)는 용융점이 대략 600 ℃ 내지 1000 ℃이지만, 통상의 세라믹층(212)은 용융점이 2000 ℃보다 훨씬 높기 때문에, 레이저 절단 작업 시 세라믹층(212)이 용융되지는 않는다. 그러나, 금속 재질의 비코팅부(111c)의 비중에 비해 절연성이며 다공성 재질의 세라믹층(212)의 비중이 상대적으로 작기 때문에, 레이저 절단 작업 시 새롭게 생성된 용융된 금속 재질의 곡면부(111e)의 표면에 절연성이며 다공성 재질의 세라믹층(212)이 부유하고, 이후 딱딱하게 냉각된 곡면부(111e)의 표면에 세라믹층(212)이 완전하게 부착되어 잔존하는 것으로 판단된다.
여기서, 세라믹층(212)의 두께는 대략 1 ㎛ 내지 12 ㎛로 형성됨이 바람직하고, 구체적으로는 2 ㎛ 내지 10 ㎛로 형성됨이 바람직하다. 특히, 세라믹층(212)의 두께가 대략 1 ㎛보다 작을 경우 곡면부(111e)의 일부 표면이 세라믹층(212)을 통해 외부로 노출될 수도 있음을 관찰할 수 있었다. 또한, 세라믹층(212)의 두께가 대략 12 ㎛보다 클 경우 레이저 빔에 의한 절단 작업 시 용융된 곡면부(111e)의 표면에 세라믹층(212)이 부유하지 않고, 외부로 그대로 탈락되어 제거되고, 따라서 곡면부(111e)의 표면에 세라믹층(212)이 잔존하지 않음을 관찰할 수 있었다.
따라서, 세라믹층(212)이 곡면부(111e)의 표면에 잔존하도록, 세라믹층(212)의 두께는 대략 1 ㎛ 내지 12 ㎛ 로 유지됨이 가장 바람직하다. 또한, 이러한 범위로 세라믹층(212)의 두께가 유지될 경우 내열성이 우수하며, 열수축을 억제할 수 있다.
한편, 이러한 세라믹층(212)은 전기적으로 절연성이며 다공성의 특성을 갖는 Al2O3, MgO, TiO2, Al(OH)3, Mg(OH)2, Ti(OH)4 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
세라믹층(212)을 이루는 세라믹 입자의 평균입경은 대략 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛ 일 수 있고, 구체적으로는 0.4 ㎛ 내지 0.8 ㎛ 일 수 있다. 상기 범위 내의 평균입경을 가지는 세라믹 입자를 사용할 경우 균일한 세라믹층(212)의 코팅이 가능하다.
더불어 세라믹층(212)의 공극율은 30 부피% 내지 55 부피% 일 수 있고, 구체적으로는 40 부피% 내지 55 부피% 일 수 있다. 이러한 세라믹층(212)이 상기 범위 내의 공극율을 가지는 경우, 이온 이동이 보다 원활하게 일어나 전지 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
더불어, 이러한 세라믹층(212)은 음극판뿐만 아니라 양극판에도 동일하게 적용될 수 있음은 당연하다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 탭과 단자 사이의 접속 방법을 도시한 개략도이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 탭(111f)은 전극 조립체(110)로부터 연장되며, 탭(111f)의 길이 방향은 전극 조립체(110)의 길이 방향 또는 권취 축 방향과 같다. 이러한 탭(111f)은 레이저 빔에 의해 단자 기둥(121)의 하단에 구비되고 상대적으로 넓은 평평한 플랜지(122)에 직접 용접될 수 있다. 물론, 레이저 빔 외에 저항 용접이나 초음파 용접도 가능하다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 탭(111f)은 단자(120)로부터 대략 직각 방향으로 절곡될 수 있다. 즉, 탭(111f)은 대략 "ㄱ"자 형태로 절곡될 수 있다. 따라서, 전극 조립체(110)의 권취 축, 단자(120)의 단자 축 및 탭(111f)의 탭 축이 대략 평행 또는 수평한 상태를 갖게 된다. 실질적으로, 단자(120)의 단자 축 및 탭(111f)의 탭 축은 상호간 연결될 수 있다. 즉, 단자(120)의 단자 축 하단에 탭(111f)의 탭 축 상단이 연결될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 탭과 단자 사이의 접속 방법을 도시한 개략도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 탭(111f)에는 상대적으로 두께가 두꺼운 리드(210)가 접속되고, 이러한 리드(210)가 레이저 빔에 의해 단자 기둥(121)의 하단에 구비된 플랜지(122)에 직접 용접될 수 있다. 실질적으로, 다수의 탭(111f)이 단자(120)에 직접 접속될 때, 각각의 탭(111f)이 갖는 두께가 상대적으로 작기 때문에, 다수의 탭(111f)이 동시에 단자(120)에 접속되기 어렵다. 따라서, 상술한 바와 같이 다수의 탭(111f)을 먼저 리드(120)에 레이저 빔이나 초음파 에너지에 의해 안정적으로 접속된 후, 하나의 리드(120)가 단자에 접속됨으로써, 단자(120)와 전극 조립체(110)의 상호간 전기적 연결 신뢰성이 향상된다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 탭과 단자 사이의 접속 방법을 도시한 개략도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 하나의 단자(120)에는 두개의 전극 조립체(110A,110B)가 전기적으로 접속될 수 있다. 좀더 구체적으로 설명하면, 단자(120) 중 단자 기둥(121)의 하부에 구비된 평평한 플랜지(122)에 한쌍의 전극 조립체(110A,110B)로부터 연장된 탭(111f)이 각각 전기적으로 접속될 수 있다.
이때, 전극 조립체(110A,110B)로부터 각각 연장된 탭(111f)의 절곡 형태는 단자(120)를 중심으로 상호간 대칭되는 형태이거나, 또는 비대칭되는 형태일 수 있다.
이와 같이, 하나의 단자(120)에 적어도 한쌍의 전극 조립체(110A,110b)가 탭(111f)을 통하여 직접 접속됨으로써, 내부 저항이 작으면서도 용량이 큰 이차 전지가 용이하게 제조된다.
도 9는 본 발명에 따른 이차 전지를 이용한 배터리 모듈의 일례를 도시한 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 다수의 이차 전지(100)가 일렬로 배치되고, 이와 같이 일렬로 배치된 이차 전지(100)에는 다수의 버스바(220)가 결합됨으로써, 하나의 배터리 모듈(1000)이 완성될 수 있다. 예를 들면, 어느 한 이차 전지(100)의 제1단자(120)와, 이와 인접한 다른 이차 전지(100)의 제2단자(130)가 버스바(220)로 용접됨으로써, 다수의 이차 전지(100)가 직렬로 연결된 배터리 모듈(1000)이 제공될 수 있다. 여기서, 버스바(220)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있으며, 이때 제1단자(120)의 제1단자 플레이트(123), 제2단자(130)의 제2단자 플레이트(133) 역시 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어짐으로써, 버스바(220)는 제1단자(120) 및 제2단자(130)에 용이하게 용접될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 전극판의 탭 형성을 위한 레이저 절단 시스템을 도시한 개략도이다. 여기서, 레이저 절단 시스템은 예를 들면 공랭식이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 레이저 절단 시스템(300)은 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기(310)와, 레이저 빔의 사이즈를 확장하는 익스펜더(320)와, 전극판(111)에 레이저 빔을 스캔 및 집속하는 스캐너 집속 렌즈부(330)를 포함한다.
여기서, 레이저 빔은 펄스파 방식이 아닌 연속파 방식이며, 이를 위해 다이오드 또는 반도체 펌프 단일 모드 연속파 레이저 발진기가 이용될 수 있다. 이밖에도 통상의 이산화탄소, 야그, 헬륨 네온 등의 적외선 레이저 발진기가 사용될 수 있으며, 본 발명에서 레이저 발진기의 종류가 한정되지 않는다.
한편, 절단할 대상인 전극판(111)은 예를 들면 롤투롤 장비에 의해 이동할수 있으나, 본 발명에서 이러한 롤투롤 장비를 한정하는 것은 아니다.
이러한 레이저 절단 시스템(300)의 준비 이후에는, 집전판(111a)과, 집전판(111a)에 전기적 활물질이 코팅되어 형성된 코팅부(111b)와, 집전판의 둘레에 형성되며 전기적 활물질이 코팅되지 않은 비코팅부(111c)로 이루어진 전극판(111)이 준비된다.
이어서, 상술한 레이저 절단 시스템(300)에 의해 비코팅부(111c)의 내측 방향으로 연속파 레이저 빔이 조사되어 다수의 절단부(111d)가 형성됨으로써, 절단부(111d)를 따라 비코팅부(111c)의 두께 방향으로 곡면부가 형성되도록 한다. 물론, 이때 다수의 절단부(111d) 사이에는 비코팅부(111c)로부터 외측 방향으로 일정 길이 연장된 다수의 탭(111f)이 형성된다. 이와 같은 공정을 노칭 공정이라고도 하며, 이때 형성된 탭을 노칭탭이라고도 부른다.
여기서, 집전판이 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 경우, 연속파 레이저 빔의 에너지는 대략 19 cal/s(80W) 내지 대략 119 cal/s(500W)이고, 연속파 레이저 빔의 이동 속도는 대략 100 mm/s 내지 대략 5000 mm/s일 수 있다. 물론, 연속파 레이저 빔이 이동할 때, 집전판을 지지하고 있는 지지부재도 함께 이동하여 양자가 상대적으로 운동하거나, 또는 집전판을 지지하고 있는 지지부재는 고정되어 있을 수 있다. 또한, 연속파 레이저 빔이 움직이는 대신, 집전판을 지지하고 있는 지지부재가 이동할 수도 있으며, 이때 지지부재의 이동 속도는 대략 100 mm/s 내지 대략 3000 mm/s일 수도 있다.
여기서, 레이저 빔의 에너지가 대략 19 cal/s보다 작을 경우 비코팅부의 절단이 이루어지지 않으며, 또한 레이저 빔의 에너지가 대략 119 cal/s보다 크다고 해도 절단 품질이 더 이상 향상되지 않는다. 더불어, 레이저 빔의 이동 속도가 대략 100 mm/s 보다 작을 경우, 절단 시간이 너무 오래 걸려 양산성이 떨어지고, 또한 레이저 빔의 이동 속도가 대략 5000 mm/s보다 클 경우, 레이저 빔의 에너지 부족으로 인해 절단이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.
다른 예로, 집전판이 구리 또는 구리 합금일 경우, 연속파 레이저 빔의 에너지는 대략 47 cal/s(200W) 내지 대략 143 cal/s(600W)이고, 연속파 레이저 빔의 이동 속도는 대략 100 mm/s 내지 대략 9000 mm/s일 수 있다. 마찬가지로, 연속파 레이저 빔이 이동할 때, 집전판을 지지하고 있는 지지부재도 함께 이동하여 양자가 상대적으로 운동하거나, 또는 집전판을 지지하고 있는 지지부재는 고정되어 있을 수 있다. 또한, 연속파 레이저 빔이 움직이는 대신, 집전판을 지지하고 있는 지지부재가 이동할 수도 있으며, 이때 지지부재의 이동속도는 대략 100 mm/s 내지 대략 3000 mm/s일 수도 있다.
여기서, 레이저 빔의 에너지가 대략 47 cal/s보다 작을 경우 비코팅부의 절단이 이루어지지 않으며, 또한 시스템의 특성으로 인해 실질적으로 레이저 빔의 에너지가 대략 143 cal/s보다 크게 되기는 어렵다. 더불어, 레이저 빔의 이동 속도가 대략 100 mm/s 보다 작을 경우, 에너지가 축적되어 절단 또는 재단 품질이 저하되고(드로스가 많이 생김), , 또한 레이저 빔의 이동 속도가 대략 9000 mm/s보다 클 경우, 레이저 빔의 에너지 부족으로 인해 절단이 이루어지지 않을 수 있다.
물론, 레이저 빔의 출력은 더 증가될 수 있으나, 이 경우 현재 기술로서는 본 발명에서와 같은 공랭식 레이저 시스템이 아닌 수랭식 레이저 시스템을 사용해야 한다. 그러나, 주지된 바와 같이 전지 구성 요소들은 대부분 수분 및 습기에 취약하므로, 전지 제조 공정 중 수분 및 습기는 회피해야 할 대상이므로, 수랭식 레이저 시스템을 채택하기 어렵다.
다만, 본 발명에서 수랭식 레이저 시스템을 완전히 배제하는 것은 아니며, 수분 및 습기 문제가 해결될 경우, 전지 제조 공정에서도 레이저 빔의 에너지가 상대적으로 큰 수랭식 레이저 시스템을 이용할 수 있다.
더욱이, 상술한 공랭식 레이저 시스템을 이용한 레이저 빔의 에너지 세기 및 레이저 빔의 이동 속도는 본 발명의 이해를 위한 일례일 뿐이며, 수랭식 레이저 시스템에서와 같이 레이저 빔의 에너지 세기가 변경될 경우, 상술한 레이저 빔의 에너지 세기 및 레이저 빔의 이동 속도는 당연히 변경될 수 있다.
한편, 알루미늄 계열의 집전판에 비해 구리 계열의 집전판에 대한 레이저 빔의 에너지가 큰 이유는 구리의 용융점, 열전도율 및 반사율(IR 파장 기준)이 알루미늄의 융용점, 열전도율 및 반사율보다 크기 때문이다. 즉, 용융점, 열전도율 및 반사율이 큰 재료일 수록 레이저 빔에 의한 절단 효율이 감소하므로, 레이저 빔의 에너지도 커져야 한다.
또한, 상술한 알루미늄 계열 또는 구리 계열의 집전판에 대한 레이저 빔의 이동 속도는 상술한 레이저 빔의 구체적 에너지 범위에 따라 상술한 이동 속도 범위 내에서 조절될 수 있다.
더불어, 레이저 빔의 스팟 사이즈는 대략 10 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다. 상술한 바와 같이, 집전판은 두께가 대략 6 ㎛ 내지 12 ㎛이므로, 상술한 레이저 빔의 스팟 사이즈에 의해 집전판은 균일한 폭으로 절단될 수 있다. 그러나, 레이저 빔의 스팟 사이즈가 대략 10 ㎛보다 작으면 가공 심도도 작아지기 때문에 절단 공정이 원활히 수행되지 않고, 레이저 빔의 스팟 사이즈가 대략 50 ㎛보다 크면 불필요하게 절단 영역이 커지며 재단 품질이 저하된다.
[실시예 1]
피가공물은 이차 전지에 사용되는 두께가 대략 8 ㎛ 내지 12 ㎛의 음극판용 구리 집전판을 사용하였다. 출력 용량 72 cal/s(300W)의 IR-CW 레이저를 사용하였고, 빔 사이즈 40 ㎛, 가공 속도 4000 mm/s의 가공 조건으로 위에서 준비한 음극판용 구리 집전판에 재단 실험을 수행하였다. 도 11a 내지 도 11d는 상기 조건에서 재단한 구리 집전판의 표면 및 단면 사진으로, 비교예 1의 실험 결과인 도 14a 및 도 14b의 사진에 비해 절단부 단면이 균일한 비드형 절단면 형상이 얻어짐을 알 수 있다.
즉, 연속파 레이저 빔에 의해 형성된 절단부 및 곡면부의 표면은 대략 둥글고, 또한 길이 방향에 수직 방향인 단면의 형태가 대략 원형 또는 타원형으로 형성됨으로써(도 11d 참조), 이러한 절단부 및 곡면부가 분리막을 손상시키지 않게 된다.
[실시예 2]
피가공물은 이차 전지에 사용되는 두께가 대략 8 ㎛ 내지 12 ㎛의 양극판용 알루미늄 집전판을 사용하였다. 출력 용량 19 cal/s(80W)의 IR-CW 레이저를 사용하였고, 빔 사이즈 40 ㎛, 가공속도 1000 mm/s의 가공 조건으로 위에서 준비한 양극판용 알루미늄 집전판에 재단 실험을 수행하였다. 도 12a 내지 도 12c는 상기 조건에서 재단한 알루미늄 집전판의 표면 및 단면 사진으로, 비교예 2의 실험 결과인 도 15a 및 도 15b에 비해 절단부 단면이 대체로 균일한 비드형 절단면 형상이 얻어짐을 알 수 있다. 여기서, 도 12c에서는 절단부 및 곡면부의 길이 방향을 따른 표면이 울퉁불퉁한 것으로 보이나, 실질적으로 이러한 울퉁불퉁한 표면 역시 일정 곡률을 가지며 둥글게 형성됨으로써, 이러한 절단부 및 곡면부가 분리막을 뚫지 않는다. 다시 설명하면, 절단부 및 곡면부의 길이 방향을 따르는 표면은 대략 "사인 파형 또는 코사인 파형"을 함으로써, 그 표면이 둥글게 형성되어 분리막을 손상시키지 않는다.
[실시예 3]
피가공물은 이차 전지에 사용되는 두께가 대략 8 ㎛ 내지 12 ㎛의 음극판용 구리 집전판을 사용하였다. 가공 조건은 실시예 1에서 가공 속도만 1000 mm/s로 변경한 조건으로 상기에서 준비한 시편에 재단 실험을 수행하였다. 도 13a 내지 도 13c는 상기 조건에서 재단한 음극 집전판의 표면 및 단면 사진으로 실시예 1과 마찬가지로 절단부 단면이 균일한 비드형 절단면 형상으로 형성되는 것을 알 수 있다.
[비교예 1]
피가공물은 이차 전지에 사용되는 두께가 대략 8 ㎛ 내지 12 ㎛의 음극판용 구리 집전판을 사용하였다. 출력 용량 19 W의 UV 펄스 레이저를 사용하였고, 펄스 주파수 100 kHz, 펄스 폭 10 ns, 펄스 에너지 0.19 mJ, 빔 사이즈 30 ㎛, 가공속도 1000 mm/s의 가공 조건으로 위에서 준비한 음극판용 구리 집전판에 재단 실험을 수행하였다. 도 14a 및 도 14b은 상기 조건에서 재단한 음극 집전판의 표면 및 단면 사진으로 절단부 단면 형상이 뾰족하고 날카로운 버 형태로 형성되는 것을 알 수 있다. 이러한 버는 양극판과 음극판 사이에 개재된 분리막을 손상시키거나 찢음으로써, 양극판과 음극판이 쇼트될 수 있다. 더욱이, 이러한 뾰족하고 날카로운 버는 외부 충격에 의해 전극판으로부터 분리되고, 이에 따라 전극 조립체의 내부에 금속 이물질이 발생될 수도 있다.
[비교예 2]
피가공물은 이차 전지에 사용되는 두께가 대략 8 ㎛ 내지 12 ㎛의 양극판용 알루미늄 집전판을 사용하였다. 출력 용량 8.5 W의 UV 펄스 레이저를 사용하였고, 펄스 주파수 100 kHz, 펄스 폭 40 ns, 펄스 에너지 0.085 mJ, 빔 사이즈 30 ㎛, 가공속도 1000 mm/s의 가공 조건으로 위에서 준비한 양극판용 알루미늄 집전판에 재단 실험을 수행하였다. 도 15a 및 도 15b는 상기 조건에서 재단한 알루미늄 집전판의 표면 및 단면 사진으로 절단부 단면 형상이 뾰족하고 날카로운 버 형태로 형성되는 것을 알 수 있다.
[실시예 4]
피가공물은 이차 전지에 사용되는 두께가 대략 6 ㎛ 내지 12 ㎛의 음극판용 구리 집전판으로서, 구리 집전판의 표면에 코팅부 및 비코팅부가 형성되고, 코팅부 및 비코팅부에 세라믹층이 형성된 것을 사용하였다. 출력 용량 72 cal/s(300W)의 IR-CW 레이저를 사용하였고, 빔 사이즈 40 ㎛, 가공 속도 4000 mm/s의 가공 조건으로 위에서 준비한 음극판용 구리 집전판에 재단 실험을 수행하였다. 도 16a 내지 도 16c는 상기 조건에서 재단한 구리 집전판의 표면 사진으로, 비드형 절단면이 형성됨을 알 수 있고, 더욱이 비드형 절단면이 세라믹층으로 덮여 있음을 알 수 있다. 특히, 도 16b에 도시된 바와 같이, 미리 세라믹층이 형성되어 있던 영역에 형성된 비드형 절단면은 세라믹층으로 완전히 덮임을 알 수 있다. 또한, 도 16c에 도시된 바와 같이, 미리 세라믹층이 형성되어 있지 않은 영역에 형성된 비드형 절단면은 세라믹으로 덮이지 않음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지 및 그 제조 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기일 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 이차 전지 110: 전극 조립체
111; 제1전극판 111a; 제1집전판
111b; 제1코팅부 111c; 제1비코팅부
111d; 제1절단부 111e; 제1곡면부
111f; 제1탭 112; 제1전극판
113; 분리막 120: 제1단자
121: 제1단자 기둥 122; 제1단자 플레이트
123; 용접 영역 130: 제2단자
131: 제2단자 기둥 132: 제2단자 플레이트
140: 케이스 150: 캡 조립체

Claims (10)

  1. 케이스;
    상기 케이스의 내측에 위치된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되며, 상기 케이스를 관통하는 단자를 포함하고,
    상기 전극 조립체는 전극판을 포함하며, 상기 전극판은 집전판과, 상기 집전판에 전기적 활물질이 코팅되어 형성된 코팅부와, 상기 집전판의 둘레에 형성되며 상기 전기적 활물질이 코팅되지 않은 비코팅부와, 상기 비코팅부의 내측 방향으로 형성된 절단부와, 상기 절단부를 따라 상기 비코팅부의 두께 방향으로 형성된 곡면부를 포함하고,
    상기 곡면부는 세라믹층으로 덮인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 곡면부는 상기 절단부의 길이 방향에 수직 방향인 단면의 형태가 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절단부 및 곡면부는 평면의 형태가 적어도 1회 절곡된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절단부 및 곡면부는 평면의 형태가 각각 "∪"자 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절단부는 상호간 이격되어 다수개가 형성되고,
    상기 절단부중 상호간 이격된 한쌍의 절단부 사이에는 상기 비코팅부로부터 외측 방향으로 연장되어 상기 단자에 전기적으로 접속되는 탭이 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 곡면부는 상기 탭의 대향되는 양측 단부에도 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 곡면부의 두께는 상기 집전판의 두께에 비하여 1배 내지 4배인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 삭제
  9. 집전판과, 상기 집전판에 전기적 활물질이 코팅되어 형성된 코팅부와, 상기 집전판의 둘레에 형성되며 상기 전기적 활물질이 코팅되지 않은 비코팅부로 이루어진 전극판을 준비하는 단계; 및
    상기 비코팅부의 내측 방향으로 연속파 레이저 빔을 조사하여 절단부를 형성함으로써, 상기 절단부를 따라 상기 비코팅부의 두께 방향으로 곡면부가 형성되도록 하는 단계를 포함하고,
    상기 곡면부는 세라믹층으로 덮인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 집전판이 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 경우, 상기 연속파 레이저 빔의 에너지는 19 cal/s 내지 119 cal/s이고, 상기 연속파 레이저 빔의 이동 속도는 100 mm/s 내지 5000 mm/s이고,
    상기 집전판이 구리 또는 구리 합금일 경우, 상기 연속파 레이저 빔의 에너지는 47 cal/s 내지 143 cal/s이고, 상기 연속파 레이저 빔의 이동 속도는 100 mm/s 내지 9000 mm/s인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
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