KR102183416B1 - 최외곽 전극의 구조 및 집전체의 재질에 의해 사용 안전성이 향상된 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 갖는 리튬이온 이차전지 - Google Patents
최외곽 전극의 구조 및 집전체의 재질에 의해 사용 안전성이 향상된 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 갖는 리튬이온 이차전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 전극 조립체는 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극판과 제 2 전극판으로 이루어진 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀;
상기 전극판들로부터 각각 돌출되는 전극 탭;을 포함하고, 상기 전극 탭은 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 포함하고, 상기 제 1 전극판은 상기 전극 조립체의 최외곽에 배치되며, 상기 전극 병렬 연결용 탭 및 상기 전극 리드 연결용 탭을 가지고, 상기 제 2 전극판의 집전체는 제 1 전극의 집전체보다 높은 인장응력을 가진다.
상기 전극판들로부터 각각 돌출되는 전극 탭;을 포함하고, 상기 전극 탭은 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 포함하고, 상기 제 1 전극판은 상기 전극 조립체의 최외곽에 배치되며, 상기 전극 병렬 연결용 탭 및 상기 전극 리드 연결용 탭을 가지고, 상기 제 2 전극판의 집전체는 제 1 전극의 집전체보다 높은 인장응력을 가진다.
Description
본 발명은 플렉서블한 환경에서 외부의 반복적인 굽힘과 비틀림 등, 힘에 의해 발생할 수 있는 전지의 기계적 문제인 외장재의 파손 및 내부 단락으로 인하여 발생하는 발화 내지 폭발 위험성을 사전에 방지하기 위하여, 최외곽 전극의 구조와 집전체의 재질을 통해 전지를 구성하는 외장재의 파손 내지 내부 단락이 발생하는 시점 이전에 전극리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극의 절단을 유도함으로써 사용상의 안전을 확보하게 하는 기술에 대한 것이다.
이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 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.
특히, 리튬 이차전지는 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.
이차전지는 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.
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 이차전지에 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 이차전지의 양극과 음극 리드에 연결될 수 있다.
한편, 기존 파우치 타입의 리튬 이차전지는 외부에서 가해지는 의도적인 힘에 의해 리튬 이차전지의 외측을 이루는 외장재가 손상됨으로써 외장재 내부에 수용된 전해액 누액 및 외부 공기의 유입이 일어난다. 이러한 전해액 누액은 전지 보호회로 와 같은 주변 부품을 부식시키는 등 정상적인 작동을 저해한다. 또한, 외부 공기의 유입으로 인한 발화 등의 큰 안전성 문제를 초래한다.
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.
한편, 플렉서블 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.
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.
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 단락 상태에서 지속적으로 사용 시에는 안전성에 문제가 될 수 있다는 것에 그 심각성이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0090104호를 참조하면, 기존의 파우치형 전지 내부에 포함되는 전극 조립체에서 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.
(특허문헌 1) KR10-2016-0090104 A
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전극 조립체를 이루는 최외곽 전극의 구조와 집전체의 재질을 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.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 전극 조립체는 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극판과 제 2 전극판으로 이루어진 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀; 상기 전극판들로부터 각각 돌출되는 전극 탭;을 포함하고, 상기 전극 탭은 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 포함하고, 상기 제 1 전극판은 상기 전극 조립체의 최외곽에 배치되며, 상기 전극 병렬 연결용 탭 및 상기 전극 리드 연결용 탭을 가지고, 상기 제 2 전극판의 집전체는 제 1 전극의 집전체보다 높은 인장응력을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 전극판의 집전체가 구리인 경우에, 상기 제 1 전극판과 대면되는 상기 제 2 전극판의 집전체는 스테인레스 스틸 재질을 갖는다.
상기 전극 조립체를 이루는 전극판들 중에서 상기 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 모두 포함하는 제 1 전극판과 제 2 전극판은 상기 전극 조립체 내에서 단수로 존재하며, 상기 단일 제 2 전극판은 상기 제 1 전극판의 내측에 일체적으로 대면하여 배치된다.
상기 전극 조립체는, 상기 전극 조립체를 구성하는 전극 탭 중 어느 하나의 전극 리드 연결용 탭 상에 용착 고정된 보강 탭;을 더 포함한다.
상기 전극 조립체를 구성하는 전극 탭 중 어느 하나의 전극 리드 연결용 탭 상에 결합된 전극 리드는 굽힘 구조를 더 포함한다.
상기 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드를 상기 보강 탭을 이용하여 덧대어진 구조의 탭 리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입 정렬된 상태이다.
상기 전극 리드 연결용 탭과 굽힘 구조의 전극 리드가 결합된 탭-리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입 정렬된 상태이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따른 리튬이온 이차전지는 상기 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 감싸는 외장재;를 포함하고, 상기 외장재부는 상기 전극 조립체의 외부를 둘러싸도록 상부 압인부와 하부 압인부가 반복 압인 가공된 구조이다.
상기 복수의 상부 압인부와 하부 압인부는 상기 전극조립체 및 외장재부의 폭과 평행한 방향으로 연속적으로 형성된다.
상기 리튬이차전지의 구부러짐 각도의 내각 범위는 10° 내지 180°이다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체 상에 외부 굽힘에 의한 인장 응력과 압축 응력이 반복적으로 가해질 경우, 전극 조립체 내 전극 리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극이 상대적으로 가장 먼저 절단됨으로써 전류가 차단되는 구조로 전지의 기능을 상실케하고 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.
즉, 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.
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.
즉, 전극 조립체를 이루는 최외곽 전극의 구조 및 집전체의 재질을 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.
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 전극의 절단을 유도함에 의해 전지 기능을 상실케 함으로써 전지 사용 상의 안전성까지 확보할 수 있다.
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 4는 전극리드 연결용 탭을 구비한 최외곽 전지 상에 절단이 발생함으로써 전극 조립체를 이루는 다른 내부 전극들이 폐쇄 상태(셧다운, shutdown)로 설정된 상태를 보인다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보강탭 및 전극 집전체에 대한 인장 응력 시험을 진행하는 방식을 보인다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보강탭과 전극 집전체의 재질 및 고유의 성질인 영률(Young's Modulus) 값을 보이는 도표이다.
도 7은 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 감싸는 외장재부를 갖는 플렉서블 전지를 보인다.
도 8는 플렉서블 전지를 이루는 외장재부에 있어서, 상기 외장재부의 폭과 평행한 방향으로 상부 압인부 및 하부 압인부 등의 패턴이 형성된 모습을 보인다.
도 9은 외장재부에 형성된 상부 압인부 및 하부 압인부의 구체적인 형태를 설명한다.
도 10는 본 발명의 실시예에 따른 굽힘 평가 결과를 보인다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 최외곽 전극을 음극으로 배치한 상태의 전극 조립체의 분해도를 보인다.
도 4는 전극리드 연결용 탭을 구비한 최외곽 전지 상에 절단이 발생함으로써 전극 조립체를 이루는 다른 내부 전극들이 폐쇄 상태(셧다운, shutdown)로 설정된 상태를 보인다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보강탭 및 전극 집전체에 대한 인장 응력 시험을 진행하는 방식을 보인다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보강탭과 전극 집전체의 재질 및 고유의 성질인 영률(Young's Modulus) 값을 보이는 도표이다.
도 7은 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 감싸는 외장재부를 갖는 플렉서블 전지를 보인다.
도 8는 플렉서블 전지를 이루는 외장재부에 있어서, 상기 외장재부의 폭과 평행한 방향으로 상부 압인부 및 하부 압인부 등의 패턴이 형성된 모습을 보인다.
도 9은 외장재부에 형성된 상부 압인부 및 하부 압인부의 구체적인 형태를 설명한다.
도 10는 본 발명의 실시예에 따른 굽힘 평가 결과를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플렉서블 전지에 대하여 설명하기로 한다.
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.
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.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 전극리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극의 절단 유도를 통해 전지 사용상의 안정성을 향상한 전극 조립체의 일 실시예를 설명한다.
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.
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.
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.
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.
상기 전극 조립체의 최상단 및 최하단에 배치되는 음극판은 음극 합제(40)가 단면에만 도포된 상태일 수 있다.
음극판(10) 또는 양극판(20) 상에서 돌출된 상태의 전극 병렬 연결용 탭(12, 22)은 동일한 극성의 전극판들은 서로 전기적으로 병렬 연결하게 한다. 병렬 연결된 탭-탭 결합부는 전극 조립체의 최상단 또는 최하단을 이루는 최외곽 전극판의 외면을 감싸고 있는 분리막 상에 위치하여 마감 테이핑 처리된다.
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.
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.
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.
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.
한편, 본 발명에 따른 전극 조립체는 전극 리드 연결용 탭(14, 24) 상에 전극 리드 굽힘 구조를 결합하는 형태일 수 있다.
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 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 리튬이차전지는 휘어지는 특성을 갖는 플렉서블 리튬이차전지이며, 상기 리튬이차전지의 최대 구부러짐 각도의 내각 범위는 10°내지 180°이다. 상기 리튬이차전지의 굽힘 동작이 없는 일반적인 상태를 내각 180°로 설정하고 리튬이차전지의 중앙 부분을 중심으로 내각 범위를 10°까지 반복 굽힘 동작을 하여, 외부의 힘에 의해 작용되는 압축응력과 인장응력에서도 정상적인 전기화학구동이 가능한 플렉서블 배터리를 구현한다.
즉, 본 발명은 플렉서블 특성의 리튬이차전지에서 발생하는 응력문제, 특히 두꺼운 두께의 전극 리드(예를 들어 니켈)도 함께 휘는 경우 얇은 두께의 제 1 전극의 집전체(예를 들어 구리)이 찢어지거나 분리되는 문제를 해결하기 위하여, 금속탭을 제 1 전극탭과 전극 리드 사이에 사용하였다.
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.
도 4는 전극 리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극 상에 절단이 발생함으로써 전극 조립체를 이루는 다른 내부 전극들이 폐쇄 상태(셧다운, shutdown)로 설정된 상태를 보인다.
구체적으로는, 전극 조립체를 이루는 복수의 전극들은 우측의 병렬 연결용 탭을 통해 연결되어 있고, 복수의 전극들 중 하단부 최외곽에 배치되는 극판에는 전극리드 연결용 탭 부분에 단자가 형성되어 있다.
상기 전극 조립체를 이루는 전극판들 중에서 상기 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 모두 포함하는 제 1 전극판과 제 2 전극판은 상기 전극 조립체 내에서 유일하게 단수로 존재하므로 상기한 폐쇄 상태(shutdown) 설정이 가능하다. 상기 단일 제 1 전극판은 상기 전극 조립체의 최외곽에 배치되고, 상기 단일 제 2 전극판은 상기 단일 제 1 전극판의 내측에 일체적으로 대면하여 배치된다.
상기 상태에서, 전극 조립체 상에 외부에서 굽힘 및 비틀림 등의 외력이 가해지는 경우에는 전극 조립체의 내부보다는 하단부의 최외곽에 있는 전극이 우선적으로 손상되며 절단된다.
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.
이를 위해, 본 발명은 최외곽 전극의 형상 및 집전체의 재질을 적절하게 활용하여 외장재 파손 내지 내부 단락이 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 성능 보장 및 제어를 필요로 하는 디바이스에 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 금속탭 및 전극의 집전체에 대한 인장 응력 시험을 진행하는 방식을 보인다. 전지 재료의 양 끝단에 힘을 가해 잡아당길 경우에 전지 재료의 단면적은 점점 감소하다가 절단이 된다. 이 때, 전지 재료에는 외부의 힘에 저항하려는 내력이 발생하게 되고, 이 저항력을 단면적 값으로 나눈 것을 응력(stress)으로 정의한다. 인장응력(tensile stress)은 재료를 잡아당기는 방향의 인장력이 작용하여 절단되기까지 내부에 작용하는 응력으로 다시 말해 인장시험에서 측정되는 응력값이다. 또한, 동일한 힘이 가해졌더라도 전지 재료의 크기, 두께, 형상에 따라 내부에 작용하는 인장응력은 다르다.
본 발명은 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극판과 제 2 전극판 중 전극 리드 연결용 탭을 포함하는 제 1 전극판이 굽힘 및 비틀림 동작 시에 제 2 전극판보다 물리적으로 먼저 절단되게 한다. 이를 위하여, 상기 제 1 전극판의 집전체는 상이한 극성의 제 2 전극판의 집전체와는 다른 재질을 갖는다.
다른 한편으로는, 상기 제 2 전극판의 집전체는 제 1 전극의 집전체보다 높은 인장응력을 갖는다. 예로, 제 1 전극판의 집전체가 구리인 경우 제 2 전극판의 집전체는 스테인레스 스틸 재질이 될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보강 탭, 전극의 집전체, 전극 리드의 재질 및 영률을 정리한 도표이다.
도 6에 보이는 바와 같이, 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸, 니켈 및 구리 등을 재질로 구성요소를 분류할 수 있다.
한편, 영률은 탄성을 가진 어떤 물체가 외부의 힘(stress)에 대해 상대적인 길이가 어떻게 변화하는 지를 나타내는 계수이다. 이는 물체의 모양과는 관계가 없으며 오직 물체를 구성하는 재질과만 관계가 있다.
본 발명은 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극판과 제 2 전극판 중 전극 리드 연결용 탭을 포함하는 제 1 전극판이 굽힘 및 비틀림 동작 시에 제 2 전극판보다 물리적으로 먼저 절단되게 한다. 이를 위하여, 상기 제 1 전극판의 집전체는 상이한 극성의 제 2 전극판의 집전체와는 다른 재질을 갖는다.
다른 한편으로는, 상기 제 2 전극판의 집전체는 제 1 전극의 집전체보다 낮은 영률을 갖는다. 일 실시예로, 제 1 전극판의 집전체가 구리인 경우 제 2 전극판의 집전체는 알루미늄 재질이 될 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전극 조립체는 상기 전극 조립체의 외부를 둘러싸도록 상부 압인부와 하부 압인부가 반복 압인 가공된 구조의 외장재부(200)를 배치한다.
도 8를 참조하면, 외장재부 상에 반복적으로 압인 가공된 복수의 상부 압인부와 하부 압인부는 굽힘, 비틀림 또는 구겨짐 동작에서 전극 조립체를 갖는 플렉서블 전지의 압축 및 인장이 가능하도록 패턴 및 형태가 반복된다.
상기 복수의 상부 압인부와 하부 압인부는 상기 전극 조립체 및 외장재부의 폭과 평행한 방향으로 연속적으로 형성된다.
상기 복수의 상부 압인부와 하부 압인부는 각각 상부와 하부 금형으로 압인된다.
전극 조립체의 외부를 둘러싸는 외장재부는 실링부(230)의 붉은 점선을 기준으로 하여 상기 전극 조립체 상에서 상부 외장재부(210) 및 하부 외장재부(220)를 갖는 형태일 수 있다. 즉, 외장재부 상에 반복되는 복수의 상부 압인부(212, 222)와 하부 압인부(214, 224)는 실링부를 기준으로 대칭되는 구조로 형성되고, 상부 외장재부(210)와 하부 외장재부(220) 상에 대칭적으로 압인된다. 상기 상태에서, 상기 실링부를 상하 대칭적으로 절곡 후에 상기 외장재부 내부에 상기 전극 조립체를 수용하게 된다.
상기 상부 외장재부(210)와 하부 외장재부(220)를 구분하는 기준인 실링부의 폭은 3 ㎜ 내지 5 ㎜이고, 실제 실링 폭은 1 ㎜ 내지 2 ㎜ 일 수 있지만, 이는 일 실시예 일 뿐 이에 한정하는 것은 아니다.
도 9을 참조하면, 상기 외장재부 상에 반복되는 복수의 상부 압인부 높이(h)와 하부 압인부 높이(h')는 동일(h=h') 할 수 있다.
상기 외장재부 상에 반복되는 복수의 상부 압인부 높이(h)와 하부 압인부 높이(h')는 0.5 ㎜ 내지 1 ㎜이며 최적값은 0.75 ㎜ 이지만, 이는 일 실시예일 뿐 이에 한정하는 것은 아니다.
한편, 상기 외장재부 상에 인접한 복수의 상부 압인부 최고점 간의 폭(a)과 복수의 하부 압인부 최저점 간의 폭(b)은 동일(a=b)하여 물결무늬 패턴을 형성한다.
본 발명은 분리막을 통해 상하로 적층되는 복수의 전극을 갖는 전극 조립체 중 최외곽 전극을 음극을 배치하여 플렉서블 전지의 굽힘 시에 전극 단자의 파손을 방지한다.
도 10은 전극 조립체를 이루는 제 1 전극판과 제 2 전극판의 구조 및 서로 다른 재질의 집전체에 따른 본 발명의 실시예에 따른 굽힘 평가 결과를 보인다.
첫번째 그래프는 최하단에 위치한 제 1 전극판의 집전체를 구리로 채용하고, 최외곽 전극에 바로 인접한 제 2 전극판의 집전체는 영률이 낮은 알루미늄으로 채용한 경우의 굽힘 평가로서, 굽힘5,000~6,000회 부근에서 노이즈가 발생하여 작동전압 이하로 전압이 떨어졌다.
두번째 그래프는 최하단에 위차한 제 1 전극판의 집전체를 구리로 채용하고, 최외곽 전극에 바로 인접한 제 2 전극판의 집전체를 제 1 전극의 집전체보다 높은 인장응력의 스테인레스 스틸로 채용한 경우의 굽힘 평가로서, 굽힘 5,000~6,000회 부근에서 최외곽 전극 구리가 절단되었다.
상기와 같이 다수의 실험 결과, 외장재가 파손되거나 리튬 석출로 인한 내부 쇼트가 발생 확률이 높은 굽힘 횟수 8,000회 전에 의도적으로 전극의 손상 및 절단을 설계하여 배터리 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명은 전극 조립체를 최외곽 전극의 구조 및 집전체의 재질의 최적화를 통해 외부에서의 반복적인 휘어짐과 굽힘으로 전극 리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극이 절단됨으로써 전류가 차단되는 구조를 통해 사용자의 부주의나 과도한 굽힘으로 인한 위험성으로부터 전지의 기능을 상실케 하고 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.
적층되는 구조는 전극리드 연결용 탭 및 병렬연결용 탭이 동시에 구비된 양극과 음극을 전극 조립체의 최외곽 중 일면에 인접하여 배치하며, 병렬연결용 탭 만이 구비된 전극은 상기 최외곽 전극 상에 순차적으로 적층된다.
일반적인 외장재 패턴과 보강된 단자 구조를 갖는 플렉서블 전지는 반복적인 굽힘 횟수인 8000회를 전후로 하여 외장재가 파손되거나 리튬 석출로 인한 내부 쇼트가 발생 확률이 높다.
상기의 문제점을 극복하기 위하여 본 발명은 5000회 이상이 되기 전에 전극 조립체를 이루는 전극의 종류와 배치 조절을 통하여 의도적으로 5000회 이하에서 먼저 전극이 끊기도록 유도한다.
상기와 같이 함으로써, 병렬연결용 탭만이 구비된 전극들이 연결된 부분은 전류가 차단됨과 동시에 무용 공간이 되므로 용량이 급격하게 감소하고 더 이상 전지는 제 기능을 하지 못한다.
Claims (10)
- 플렉서블 이차전지를 이루는 전극 조립체에 있어서,
상기 전극 조립체는,
분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극판과 제 2 전극판으로 이루어진 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀;
상기 전극판들로부터 각각 돌출되는 전극 탭;을 포함하고,
상기 전극 탭은 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 포함하고,
상기 제 1 전극판은 상기 전극 조립체의 최외곽에 배치되며, 상기 전극 병렬 연결용 탭 및 상기 전극 리드 연결용 탭을 가지고,
상기 제 2 전극판의 집전체는 제 1 전극의 집전체보다 높은 인장응력을 갖는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극판의 집전체가 구리인 경우에,
상기 제 1 전극판과 대면되는 상기 제 2 전극판의 집전체는 스테인레스 스틸 재질인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전극 조립체를 이루는 전극판들 중에서 상기 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 모두 포함하는 제 1 전극판과 제 2 전극판은 상기 전극 조립체 내에서 단수로 존재하며,
상기 단일 제 2 전극판은 상기 단일 제 1 전극판의 내측에 일체적으로 대면하여 배치되는, 전극 조립체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전극 조립체는,
상기 전극 조립체를 구성하는 전극 탭 중 어느 하나의 전극 리드 연결용 탭 상에 용착 고정된 보강 탭;을 더 포함하는, 전극 조립체.
- 제 1항에 있어서,
상기 전극 조립체는,
상기 전극 조립체를 구성하는 전극 탭 중 어느 하나의 전극 리드 연결용 탭 상에 결합된 전극 리드는 굽힘 구조를 더 포함하는, 전극 조립체.
- 제 4 항에 있어서,
상기 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드를 상기 보강 탭을 이용하여 덧대어진 구조의 탭 리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입 정렬된 상태인, 전극 조립체.
- 제 5 항에 있어서,
상기 전극 리드 연결용 탭과 굽힘 구조의 전극 리드가 결합된 탭-리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입 정렬된 상태인, 전극 조립체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전극 조립체; 및
상기 전극 조립체를 감싸는 외장재;를 포함하고,
상기 외장재부는 상기 전극 조립체의 외부를 둘러싸도록 상부 압인부와 하부 압인부가 반복 압인 가공된 구조인, 전극 조립체.
- 제 8 항에 있어서,
상기 복수의 상부 압인부와 하부 압인부는 상기 전극 조립체 및 상기 외장재부의 폭과 평행한 방향으로 연속적으로 형성되는, 전극 조립체.
- 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 전극 조립체를 포함하는 리튬이차전지의 구부러짐 각도의 내각 범위는 10° 내지 180°인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
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| A107 | Divisional application of patent | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |