KR102188429B1 - 전극 활물질 미코팅부를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체 - Google Patents

Abstract

일면 또는 양면에 전극 활물질이 각각 도포되어 있는 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 구조로 이루어진 젤리-롤형 전극조립체로서, 음극 시트의 양측 단부에는 음극 활물질이 도포되어 있지 않은 제 1 음극 무지부 및 제 2 음극 무지부가 형성되어 있으며, 상기 제 1 음극 무지부 상에는 음극 탭이 부착되어 있고, 제 2 음극 무지부는 전극조립체가 수납되는 케이스의 내벽에 접촉할 수 있도록 젤리-롤의 최외곽에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

Description

전극 활물질 미코팅부를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체 {Jelly-Roll Type Electrode Having Uncoated Part of Electrode Active Material}

본 발명은 전극 활물질 미코팅부를 포함하는 젤리-롤형 전극조립체에 관한 것이다.

최근, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 충방전이 가능한 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 또한, 이차전지는 화석연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

따라서, 이차전지 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 이차전지와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차전지는 주로 니켈 수소 금속(Ni-MH) 이차전지가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.

이러한 리튬 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되는 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재한 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.

그 중 젤리-롤형 전극조립체(이하, '젤리-롤')는 제조가 용이하고 중량당 에너지가 높은 특성을 가지고 있는 바, 상기 젤리-롤을 동력원으로 사용하는 EV, HEV에 대한 시장의 확대와 함께 원통형 이차전지에 대한 수요가 급증하고 있는 실정이다.

이와 관련하여, 도 1에는 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 원통형 이차전지에 수납되어 있는 전극조립체를 이루고 있는 전극 시트의 평면도에 관한 모식도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2의 양극 및 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤 전극조립체에 관한 모식도가 모시되어 있다.

도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 원통형 이차전지(10)는 젤리-롤(20)을 전지케이스(30)에 수납하고, 전지케이스(30) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(30)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자)가 형성되어 있는 탑 캡(40)을 결합하여 제작한다. 전극조립체(20)는 양극(21)과 음극(22), 및 이들 사이에 분리막(23)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(50)이 삽입되어 있다.

이러한 원통형 전지(10)의 경우, 가능한 내부 저항을 작게 설계하는 것이 필요하고, 이는 저항이 작을수록 실제 사용환경에서 발열이 적게 발생하며, 고율 방전(high rate discharge) 시에 유리하기 때문이다. 이를 달성하기 위해서, 양극(21)은 1개의 양극 탭(21d)을 그것의 양측에 활물질이 코팅된 양극 코팅부(21c)가 위치하도록, 활물질이 도포되지 않은 양극판(21a)의 무지부(21b) 상에 부착하며, 음극(22)은 2개의 음극 탭(22c, 22d)을 음극판(22a)의 양 측단부, 즉, 음극 활물질이 코팅된 부위(22b)를 제외한 나머지 부위에 위치하도록 설계하여 전지의 저항을 감소시킨다.

그러나, 2개의 음극 탭들(22c, 22d)을 포함하고 있는 젤리-롤(20)을 케이스(30)에 수납하는 경우, 권취시 젤리-롤의 최외곽에 위치하게 되는 음극 탭(22d)이 케이스(30) 내벽에 완벽하게 용접이 되어야 제대로 된 성능을 발휘할 수 있는데, 이 경우, 높은 수준의 용접 기술을 요하게 되며, 음극 탭(22d)을 용접 연결하는 과정에서 스패터(spatter)가 발생하거나 과도한 용접으로 인해 케이스 및/또는 분리막이 손상될 수 있다. 여기서, 스패터(spatter)란, 용융용접 중 용융금속의 미세한 입자가 주변으로 튀어나가는 현상으로 이해할 수 있다.

따라서, 젤리-롤의 최외곽에 위치한 음극 탭을 용접하는 과정에서 발생하는 상기의 문제점들을 해결하고, 젤리-롤의 중심부에 위치한 1개의 음극 탭 만으로도 종래와 동등한 수준의 저항 감소 효과를 달성할 수 있는 전극조립체에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은, 음극 시트의 일측 단부에 형성된 무지부가 젤리-롤의 최외곽에 위치하도록 권취함으로써, 상기 무지부가 케이스 내벽에 직접 접촉하여 전지의 저항을 감소시킬 수 있고, 별도의 음극 탭을 접속시키는 용접 과정을 생략함으로써, 상기 전극조립체를 포함하는 전지셀의 품질을 향상시킬 수 있는 전극조립체를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극조립체는,

일면 또는 양면에 전극 활물질이 각각 도포되어 있는 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 구조로 이루어진 젤리-롤형 전극조립체로서,

음극 시트의 양측 단부에는 음극 활물질이 도포되어 있지 않은 제 1 음극 무지부 및 제 2 음극 무지부가 형성되어 있으며;

상기 제 1 음극 무지부 상에는 음극 탭이 부착되어 있고, 제 2 음극 무지부는 전극조립체가 수납되는 케이스의 내벽에 접촉할 수 있도록 젤리-롤의 최외곽에 위치하고 있는 구조로 이루어져 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는, 종래와 달리, 제 2 음극 무지부에 별도의 음극 탭을 부착하는 대신, 무지부 그 자체가 케이스의 내벽에 접촉할 수 있도록 권취함으로써, 젤리-롤의 최외곽에 위치한 음극 탭을 케이스의 내벽에 용접 또는 접속하는 과정에서 발생할 수 있는 스패터 발생, 케이스 및/또는 분리막의 손상 등과 같은 문제점들을 개선할 수 있으며, 음극 탭을 추가하는 과정에서 발생하게 되는 비용을 절감하여 공정의 효율성을 높일 수 있다.

특히, 제 2 음극 무지부는 케이스의 내벽에 직접 접촉하여 전기적 연결되며, 이러한 구조에서 접촉되는 면적이 상당한 점을 고려할 때, 전지의 저항을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 전지의 사용 과정에서의 발열량을 줄이고 고율 특성을 향상시킬 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 전극조립체를 통해 제조 공정상의 효율성을 확보하고, 전지의 저항 특성을 개선시킬 수 있다.

상기 음극 시트는 전도성 금속 박판, 예를 들어, 구리 호일(Cu-foil) 또는 니켈 호일(Ni-foil)로 이루어질 수 있으며, 양극 시트는 알루미늄 호일(Al-foil)과 같은 도전성이 우수한 금속 박판으로 이루어질 수 있다. 그러나, 이러한 소재들 만으로 한정되지 않음은 물론이다.

양극 활물질이 도포되어 있지 않은 무지부 상에는 초음파 융착에 의해 양극 탭이 부착되어 있을 수 있는데, 양극 탭의 부착 방식이 상기 방식에 제한되는 것은 아니며, 다양한 탭 부착 기술이 적용될 수 있다.

이때, 양극 시트에는 상기 양극 무지부를 기준으로 양측에 제 1 양극 코팅부와 제 2 양극 코팅부가 위치하는 구조일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 음극 시트의 길이는 양극 시트의 길이 대비 105% 내지 150%의 길이로 형성될 수 있으며, 음극에서의 리튬 석출을 방지하기 위해서 음극 활물질의 양은 양극 활물질보다 많아야 하므로, 음극 시트 상에 활물질이 도포되는 면적은 양극 시트의 활물질 도포 부위의 면적보다 상대적으로 클 수 있다.

상기 음극 시트의 길이가 양극 시트의 길이 대비 105% 미만인 경우에는, 충분한 양의 음극 활물질을 확보할 수 없어서 리튬 석출 등의 문제가 발생할 수 있으며, 반대로, 음극 시트의 길이가 양극 시트의 길이 대비 150%를 초과한다면, 음극 무지부의 초과 부위로 인해 제조 비용이 증가할 수 있고, 전지의 소형화에 적합하지 않은 면이 있다.

하나의 구체적인 예에서, 권취 방향을 기준으로, 상기 제 2 음극 무지부의 길이는 제 1 음극 무지부의 길이보다 상대적으로 길게 형성되어 있을 수 있다.

또한, 상기 제 2 음극 무지부는 젤리-롤의 최외곽 둘레의 10% 내지 100%를 감싸고 있는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 제 1 음극 무지부의 길이가 길어지게 되면, 음극 코팅부의 면적이 줄어들게 되어 전지의 용량, 출력 등에 영향을 미칠 수 있고, 제 2 음극 무지부는 케이스 내벽에 직접 접촉하여 전기적 연결이 이루어지므로 상기 내벽에 맞닿는 단면적이 넓을수록 전지의 내부 저항값이 감소되는 효과가 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 제 2 음극 무지부는 젤리-롤의 최외곽 둘레를 감싸는 구조로 이루어져 있는 바, 제 2 음극 무지부가 감싸고 있는 길이가 최외곽 둘레의 10% 미만인 경우, 소망하는 저항 감소 효과를 얻기 어려우며, 100%를 초과하는 경우, 전지의 용량과 상관없는 무지부가 케이스 내에 포함되어 비중이 높아지게 되므로 바람직하지 않다.

경우에 따라서는, 상기 제 2 음극 무지부가 최외곽에 위치한 상태에서 절연 테이프에 의해 고정될 수 있고, 이 경우에, 상기 절연 테이프의 폭 길이는 제 2 음극 무지부의 폭에 대응되는 길이 또는 제 2 음극 무지부의 폭의 5% 내지 30%의 길이로 형성되어 있을 수 있다.

상기 절연 테이프의 폭 길이가 제 2 음극 무지부의 폭의 5% 미만인 경우, 젤리-롤이 케이스 내에서 풀어지는 것을 방지하기 어려울 수 있고, 30% 초과인 경우, 전해액이 절연 테이프로 감싸진 젤리-롤의 내부로 쉽게 침투되지 못하는 점을 고려할 때, 절연 테이프로 인해 전해액 주입 공정 시간을 지연시켜 공정의 효율성을 저하시키게 되는 바, 바람직하지 않다.

또한, 상기 절연 테이프는 젤리-롤의 길이 방향을 기준으로, 중앙 부위에 부착되거나 또는 상/하단 부위에 각각 부착될 수 있다.

본 발명은 또한,

일면 또는 양면에 전극 활물질이 각각 도포되어 있는 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 구조로 이루어진 젤리-롤형의 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 원통형 케이스에 수용되어 있고,

상기 전극조립체는, 음극 시트의 양측 단부에는 음극 활물질이 도포되어 있지 않은 제 1 음극 무지부 및 제 2 음극 무지부가 형성되어 있으며;

상기 제 1 음극 무지부 상에는 음극 탭이 부착되어 있고, 제 2 음극 무지부는 전극조립체가 수납되는 케이스의 내벽에 접촉할 수 있도록 젤리-롤의 최외곽에 위치하고 있는 구조의 이차전지를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 이차전지를 포함하고 있는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다.

이러한 디바이스의 구성은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는, 음극 탭이 부착되어 있지 않은 무지부가 젤리-롤의 최외곽에 위치하도록 권취하여 상기 무지부가 케이스 내벽에 직접 접촉하여 전기적 연결됨으로써, 전지의 저항을 감소시키고 발열량을 줄일 수 있으며, 음극 탭이 용접에 의해 케이스 내부에 접속되는 공정 회수를 줄임으로써, 접속 과정에서 발생할 수 있는 용접 불량 문제들, 예를 들어, 스패터 발생 및/또는 분리막의 손상을 해소할 수 있다.

도 1은 종래의 원통형 이차전지의 수직 단면 사시도에 관한 모식도이다;
도 2는 도 1의 원통형 이차전지에 삽입되는 전극조립체를 이루고 있는 전극 시트의 평면도에 관한 모식도이다;
도 3은 도 2의 양극 및 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤 전극조립체에 관한 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 이루고 있는 전극 시트의 평면도에 관한 모식도이다;
도 5는 도 4의 양극 및 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형 전극조립체에 관한 모식도이다; 및
도 6은 도 5의 젤리-롤형 전극조립체를 상단이 개방되어 있는 원통형 케이스에 삽입하는 과정을 나타낸 모식도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체(이하, '젤리-롤')를 이루고 있는 전극 시트의 평면도에 관한 모식도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 양극 및 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤에 관한 모식도가 도시되어 있으며, 도 6에는 도 5의 젤리-롤을 상단이 개방되어 있는 원통형 케이스에 삽입하는 과정을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 4 내지 도 6을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 젤리-롤(100)은 시트 형태의 긴 구조의 양극(110) 및 음극(120) 사이에 분리막(도시하지 않음)이 개재된 상태로 화살표 방향(X)으로 권취되는 구조이다. 즉, 양극(110) 및 음극(120)의 권취가 시작되는 부위(A) 및 그 대향 부위(B)는, 권취된 이후에 각각 젤리-롤(100)의 최내각 중심부(A) 및 최외곽(B)에 위치하게 된다. 이러한 젤리-롤(100)은 상단이 개방되어 있는 원통형 케이스(130)에 삽입된다.

양극(110)은 양극 시트(111)의 양측 단부 사이에 위치한 일부 부위에 양극 활물질이 도포되지 않은 무지부(112)가 형성되어 있고, 무지부(112)를 기준으로 양측에는 양극 활물질이 도포된 제 1 양극 코팅부(113)와 제 2 양극 코팅부(114)가 형성되어 있으며, 양극 탭(115)은 무지부(112)의 가운데 상단 부위에 상향 돌출되도록 부착되어 있다.

음극(120)은 음극 시트(121)의 양측 단부에 소정의 길이만큼 음극 활물질이 도포되지 않은 무지부들(123, 124)이 형성되어 있다. 설명의 편의를 위해, 권취가 시작되는 부위(A)측에 형성되어 있는 무지부를 제 1 음극 무지부(123)라 하고, 제 1 음극 무지부(123)의 대향 측에 형성된 무지부를 제 2 음극 무지부(124)라 칭한다. 이러한 무지부들(123, 124)을 제외한 나머지 부위에는 음극 활물질이 도포된 코팅부(122)가 형성되어 있다. 음극 탭(125)은 제 1 음극 무지부(123) 상에 가운데 하단 부위에 하향 돌출되도록 부착되어 있다.

양극 시트(111)와 음극 시트(121)를 비교할 때, 음극 시트(121)의 길이(L2)는 양극 시트(111)의 길이(L1)보다 길게 형성되어 있다. 또한, 음극에서의 리튬 석출을 방지하기 위해서 음극 활물질의 양은 양극 활물질보다 많아야 하는 바, 음극 코팅부(122)의 면적은 양극 코팅부들(113, 114)을 합한 면적보다 크게 형성되어 있다.

음극(120)의 제 2 음극 무지부(124)를 그 대향 측에 형성되어 있는 제 1 음극 무지부(123)와 비교할 때, 제 2 음극 무지부(124)의 길이(w2)는 제 1 음극 무지부(123)의 길이(w1)보다 상대적으로 길게 형성되어 있다.

이러한 구조에서, 권취된 이후 젤리-롤(100)의 최내각 중심부(A)에 위치하게 되는 제 1 음극 무지부(123)의 길이(w1)가 길어질 경우, 음극 코팅부(122)의 면적이 줄어들게 되어 전지의 용량, 출력 등에 영향을 미칠 수 있으므로 바람직하지 않다.

또한, 제 2 음극 무지부(124)가 케이스(130) 내벽(131)에 접촉하는 면적은 제 2 음극 무지부(124)의 길이(w2)에 비례하므로, 제 2 음극 무지부(124)의 길이(w2)는 젤리-롤(100)의 최외곽 둘레의 30% 내지 100% 범위 내에서 감싸는 동시에, 제 1 음극 무지부(123)의 길이(w1)보다 긴 것이 바람직하다.

한편, 젤리-롤(100)이 케이스 내에서 권취구조가 풀어지는 것을 방지하기 위해 최외곽에 위치한 제 2 음극 무지부(124)의 일부 부위(C)에 절연 테이프(140)를 감거나 또는 부착하여 고정시킬 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (10)

1. 일면 또는 양면에 전극 활물질이 각각 도포되어 있는 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 구조로 이루어진 젤리-롤형 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 원통형 케이스에 수용되어 있고,
   상기 젤리-롤형 전극조립체는,
   양측 단부에는 음극 활물질이 도포되어 있지 않은 제 1 음극 무지부 및 제 2 음극 무지부가 형성되고, 상기 제 1 음극 무지부 및 제 2 음극 무지부를 제외한 나머지 부위에는 음극 활물질이 도포된 음극 코팅부가 형성되어 있는 음극 시트, 및
   양측 단부를 제외한 일부분에 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부가 형성되고, 상기 양극 무지부를 제외한 나머지 부분으로서, 상기 양극 무지부를 기준으로 양측에 제 1 양극 코팅부 및 제 2 양극 코팅부가 형성된 양극 시트를 포함하고,
   권취 방향을 기준으로, 상기 제 2 음극 무지부의 길이는 제 1 음극 무지부의 길이보다 상대적으로 길게 형성되며,
   상기 제 1 음극 무지부 상에는 하향 돌출되도록 음극 탭이 부착되어 있고, 제 2 음극 무지부는 전극조립체가 수납되는 케이스의 내벽에 접촉하여 상기 케이스와 전기적으로 연결될 수 있도록 젤리-롤의 최외곽 둘레의 10% 내지 100%를 감싸고 있으며,
   상기 양극 무지부에는 양극 탭이 상향 돌출되도록 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 시트는 알루미늄 호일(Al-foil)로 이루어져 있고, 음극 시트는 구리 호일(Cu-foil)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 시트의 길이는 양극 시트의 길이 대비 105% 내지 150%의 길이로 형성되어 있고, 음극 시트 상에 활물질이 도포되는 면적은 양극 시트의 활물질 도포 부위의 면적보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 음극 무지부는 최외곽에 위치한 상태에서 절연 테이프에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 절연 테이프의 폭 길이는, 제 2 음극 무지부의 폭에 대응되는 길이 또는 제 2 음극 무지부의 폭의 5% 내지 30%의 길이로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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