KR102266593B1 - 이차 전지 - Google Patents

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한주형
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Abstract

본 발명에 따른 이차 전지는 무지부와 코팅부를 각각 가지며 세퍼레이터를 사이에 두고 반복 적층되어 있는 제1 전극 및 제2 전극으로 이루어지는 전극 조립체, 가요성을 가지고 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하고, 전극 조립체는 상기 무지부에 상기 세퍼레이터가 부착되어 고정된 고정부를 포함한다.

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 특히 가요성(flexible)을 가지는 이차 전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발에 따라 에너지원으로써 이차 전지의 수요가 증가되고 있다. 이차 전지(rechargeable battery)는 일차 전지와 달리 충전 및 방전을 반복적으로 수행하는 전지이다.
이차 전지를 제작하는 데 중요한 부분 중 하나가 에너지 밀도이다. 특히 소형 전자기기에 이용되는 이차 전지는 전자기기 내에 삽입되어 전원으로 이용되고 있다.
이때 전자기기의 크기가 제한되고 설계적으로 먼저 결정되므로 전원의 부피 또는 용량 및 폼팩터(form factor)가 정해진다. 정보(information technology) 기기들이 소형화 되므로 전원의 크기도 작아지고 있다.
이에 반하여, 소비자들은 이차 전지의 사용 가능 시간이 길어지고, 사이즈가 감소하면서 용량이 증가되기를 요구하고 있다. 즉 용량 에너지 밀도(volumetric energy density)가 증가되어야 한다. 따라서 이차 전지에서 불필요한 공간이 줄어들고, 컴팩트화가 요구된다. 또한, 가요성 전자 장치의 발달과 함께 이차 전지 또한 가요성 특성을 필요로 하고 있다.
이러한 특성을 가지도록 파우치형 이차 전지가 개발되고 있다. 파우치형 이차 전지는 충전 및 방전 작용하도록 양극, 세퍼레이터 및 음극을 적층하여 형성되는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 파우치 및 전극 조립체를 파우치의 외부로 인출하는 전극 탭을 포함한다.
그리고 전극 조립체와 파우치의 빈 공간에 전해액이 들어가 있으며, 내부는 진공 상태를 유지시켜 전체 부피를 최소화하고 있다.
그러나 가용성 이차 전지는 반복적인 굽힘 동작에 노출되게 되는데, 파우치형 이차 전지 구조에서 굽힘 응력(bending stress)을 인가할 경우 결합력이 약한 부분에서 파손되는 문제점이 발생한다.
따라서 본 발명은 반복적인 굽힘 동작에도 쉽게 끊어지지 않는 가요성 이차 전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 용량이 증가된 가요성 이차 전지를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지는 무지부와 코팅부를 각각 가지며 세퍼레이터를 사이에 두고 반복 적층되어 있는 제1 전극 및 제2 전극으로 이루어지는 전극 조립체, 가요성을 가지고 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하고, 전극 조립체는 무지부에 상기 세퍼레이터가 부착되어 고정된 고정부를 포함한다.
상기 세퍼레이터는 상기 코팅부와 대응하는 제1 부분, 제1 전극의 무지부와 대응하며 상기 제1 전극의 무지부의 어느 한 모퉁이를 노출하는 절개부를 가지는 제2 부분, 제2 전극의 무지부와 대응하며 상기 제2 전극의 무지부의 어느 한 모퉁이를 노출하는 절개부를 가지는 제3 부분을 포함할 수 있다.
상기 제2 부분의 절개부와 상기 제3 부분의 절개부에 의해서 노출되는 모퉁이는 서로 이웃할 수 있다.
상기 제1 전극의 무지부와 상기 제2 부분은 접착제로 부착되어 고정되며, 제2 전극의 무지부와 상기 제3 부분은 접착제로 부착되어 고정될 수 있다.
상기 제1 부분의 절개부를 통해서 노출된 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극 탭, 제2 부분의 절개부를 통해서 노출된 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극 탭을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 탭과 상기 제2 전극 탭은 상기 케이스의 일 단부에서 외부로 인출되어 서로 일정간격 떨어져 위치할 수 있다.
상기 전극 조립체의 일단과 상기 케이스의 내면 사이에 설정되어, 휘어지는 상기 전극 조립체의 자유단에서 길이 변화를 수용하는 마진부를 포함할 수 있다.
상기 마진부는 제1전극 탭과 상기 제2전극 탭의 반대측에 설정될 수 있다.
상기 케이스는 전극 조립체의 양면에 배치되는 제1 외장재와 제2 외장재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 각각 폴리머 시트로 이루어질 수 있다.
본 발명에서와 같이 무지부에 고정부를 형성하면, 반복적인 굽힘 동작에도 쉽게 끊어지지 않는 가요성 이차 전지를 제공할 수 있다.
또한, 코팅부에 고정부가 형성되지 않아 이차 전지의 용량이 증가된 이차 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 적용되는 전극 조립체의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 2는 도 1의 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지는 전극 조립체(110), 전극 조립체(110)를 내장하는 케이스(일례를 들어 이하에서는 "파우치"(120)라 함), 및 전극 조립체(110)와 파우치(120)의 내면 사이에 설정되어 휘어지는 전극 조립체(110)의 길이 변화를 수용하는 마진부(130)를 포함한다.
도 3은 도 2에 적용되는 전극 조립체의 분해 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전극 조립체(110)는 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 제1 전극(11)과 제2 전극(12)을 적층 배치하여 적층형으로 이루어진다. 세퍼레이터(13)는 리튬 이온을 통과시키는 폴리머 필름으로 형성될 수 있다.
전극 조립체(110)는 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)에 각각 연결되는 제1 전극 탭(14)과 제2 전극 탭(15)을 더 포함한다. 제1 전극 탭(14), 제2 전극 탭(15)은 파우치(120)의 일 단부에서 외부로 인출되어 서로 탭 간격(G)을 형성한다.
제1 전극(11) 및 제2 전극(12) 및 세퍼레이터(13)는 고정부(18)에 의하여 고정된다. 제1 전극(11), 제2 전극(12) 및 세퍼레이터(13)는 적층되어 고정부(18)를 제외한 부분에서는 서로 슬립(slip) 될 수 있는 상태를 유지한다.
고정부(18)는 제1 전극(11)의 무지부(11b)와 세퍼레이터(13) 및 제2전극(12)의 무지부(12b)를 접착제로 부착하여 형성된다. 예를 들어, 무지부(11b)에 대응하는 세퍼레이터(13)에 접착제를 도포하고, 제1 전극(11)의 무지부(11b)를 부착한 후, 무지부(11b)에 접착제를 도포하고 세퍼레이터(13)를 부착하며, 무지부(12b)에 대응하는 세퍼레이터(13)에 접착제를 도포하고, 제2 전극(12)의 무지부(12b)를 부착한 후, 무지부(12b)에 접착제를 도포하고 세퍼레이터(13)를 부착하는 공정의 반복으로 고정부(18)가 형성될 수 있다.
이를 위하여 세퍼레이터(13)는 제1 전극 및 제2 전극의 코팅부(11a, 12a)와 대응하는 제1 부분(130), 제1 전극의 무지부와 대응하며 제1 전극의 무지부의 어느 한 모퉁이를 노출하는 절개부를 가지는 제2 부분(131), 제2 전극의 무지부와 대응하며 제2 전극의 무지부의 어느 한 모퉁이를 노출하는 절개부를 가지는 제3 부분(132)을 포함할 수 있다. 이때, 제2 부분(131)과 제3 부분(132)은 절개홈(133)으로 구획될 수 있다.
따라서, 고정부(18)는 세퍼레이터의 제2 부분(131)과 제1 전극의 무지부가 접착제로 고정된 제1 고정부(18a)와 세퍼레이터(13)의 제3 부분(132)과 제2 전극의 무지부가 접착제로 고정된 제2 고정부(18b)를 포함한다. 이때, 접착제는 제2 부분(131)에서는 제1 전극(11)의 무지부(11b)에 마주하여 접착되고, 제3 부분(132)에서는 제2 전극(12)의 무지부(12b)에 마주하여 접착된다.
도 2 및 도 3에서와 같이, 세퍼레이터(13)의 절개홈(133)을 형성하면 절개홈(133)을 중심으로 양쪽에 분리 상태를 유지하므로 전기적으로 강한 절연 구조를 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 절개홈(133)을 형성하지 않을 수 있다(도시하지 않음). 즉, 절개홈(133)을 형성하지 않아 세퍼레이터(13)의 제2 부분(131) 및 제3 부분(132)이 일체로 연결된 구조를 가질 수 있다. 이처럼, 제2 부분과 제3 부분 사이에 절개홈이 형성되지 않으면 절개홈이 형성된 부분을 접착 영역으로 사용할 수 있으므로 고정부(18)의 결합력을 증가시킬 수 있다.
마진부(130)는 고정부(18)의 반대측에 설정된다. 즉 마진부(130)는 이차 전지 및 전극 조립체(110)의 길이 방향(x축 방향)에서 고정부(18)의 반대측에 구비되어 휘어지는 전극 조립체(110)의 길이 변화를 수용한다.
본 실시예에서 고정부(18)는 무지부(11b, 12b)에 구비되므로 마진부(130)의 반대측에 위치한다.
한편, 전극 조립체에서 고정부와 마진부의 거리가 단축될수록 전극 조립체의 길이 변화 가능 범위가 감소될 수 있다. 그러나 본 발명에서는 고정부가 무지부에 형성됨으로써 길이 변화 가능 범위의 감소를 최소화할 수 있다. 즉 이차 전지에 굽힘응력이 작용하면 전극 조립체(110)가 휘어지고, 이때, 제1 전극(11), 제2전극(12) 및 세퍼레이터(13)가 고정부(18)에서 고정된 상태를 유지하면서 미끄러지고 자유단에서 길이의 증감이 발생된다. 따라서 전극 조립체(110) 및 이차 전지가 원활히 휘어질 수 있다.
제1 전극(11)은 금속 박판의 집전체에 활물질을 도포한 코팅부(11a), 및 활물질을 도포하지 않아 노출된 진접체로 설정되는 무지부(11b)를 포함한다. 예를 들면, 제1전극(11)의 집전체 및 제1전극 탭(14)은 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다.
제2 전극(12)은 제1전극(11)의 활물질과 다른 활물질을 금속 박판의 집전체에 도포한 코팅부(12a), 및 활물질을 도포하지 않아 노출된 집전체로 설정되는 무지부(12b)를 포함한다. 예를 들면, 제2전극(12)의 집전체 및 제2전극 탭(15)은 구리(Cu)로 형성될 수 있다.
적층 상태에서, 제1 전극(11), 제2전극(12)은 무지부(11b, 12b)를 폭 방향(y축 방향) 양측으로 번갈아 배치한다. 즉, 도 3에서 제1전극(11)의 무지부(11b)는 우측에 배치되고, 제2전극(12)의 무지부(12b)는 좌측에 배치된다.
본 발명에서는 고정부가 무지부에 형성됨으로써 제1 전극 및 제2 전극의 코팅부 전체를 활성 영역으로 사용할 수 있으므로, 이차 전지의 용량을 증가시킬 수 있다.
다시, 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1전극 탭(14)은 제1 전극(11)의 무지부(11b)에 연결되고, 제2 전극 탭(15)은 제2전극(12)의 무지부(12b)에 연결될 수 있으며, 세퍼레이터(13)의 각 부분에서 절개부를 통해서 노출된 제1 전극의 무지부(11b) 및 제2 전극의 무지부(12b)와 각각 용접으로 연결될 수 있다. 따라서 파우치(120)의 일측 외부에서 제1, 제2전극 탭(14, 15)은 탭 간격(G)을 형성한다.
파우치(120)는 가요성을 가지고 전극 조립체(110)를 수용하여, 그 외곽부를 열융착하여 이차 전지를 형성한다. 이때, 제1 전극 탭(14) 및 제2전극 탭(15)은 절연부재(16, 17)로 피복되어, 융착된 부분을 통하여 파우치(120) 밖으로 인출된다. 즉, 절연부재(16, 17)는 제1전극 탭(14) 및 제2전극 탭(15)을 전기적으로 절연하고, 제1 전극 탭(14) 및 제2전극 탭(15)과 파우치(120)를 전기적으로 절연한다.
파우치(120)는 마진부(130)를 구비하여 전극 조립체(110)의 외부를 감싸는 다층 시트 구조로 형성될 수 있다. 예를 들면, 파우치(120)는 내면을 형성하며 절연 및 열융착 작용하는 폴리머 시트(121), 외면을 형성하여 보호 작용하는 PET(polyethyleneterephthalate) 시트, 나일론 시트 또는 PET-나일론 복합 시트(122)(이하에서, 편의상 "나일론 시트"를 예로 설명한다), 및 기계적인 강도를 제공하는 금속 시트(123)를 포함한다. 금속 시트(123)는 폴리머 시트(121)와 나일론 시트(122) 사이에 개재되며, 일례인 알루미늄 시트로 형성될 수 있다.
파우치(120)는 전극 조립체(110)를 수용하는 제1외장재(201), 및 전극 조립체(110)를 덮고 전극 조립체(110)의 외측에서 제1외장재(201)에 열융착되는 제2외장재(202)를 포함한다.
제1 외장재(201) 및 제2외장재(202)는 동일한 층구조의 폴리머 시트(121), 나일론 시트(122) 및 금속 시트(123)로 형성될 수 있다. 도시하지 않았으나 제1 외장재 및 제2외장재는 가스킷(gasket)을 개재하여 밀봉될 수 있다.
예를 들면, 제1 외장재(201)는 전극 조립체(110)를 수용하도록 오목 구조로 형성되고, 제2 외장재(202)는 제1 외장재(201)에 수용된 전극 조립체(110)를 덮을 수 있도록 평평하게 형성되어 있다. 도시하지 않았으나 제2외장재는 제1외장재에 연결될 수도 있다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4를 참조하면, 한 실시예의 이차 전지는 마진부(130)를 제1, 제2전극 탭(14, 15)의 반대측에 구비하여, 휘어지는 전극 조립체(110)의 길이 변화를 수용한다.
예를 들면, 전극 조립체(110)는 특성 길이(L)와 두께(t) 및 허용 곡률 반경(R)을 가진다. 특성 길이(L)는 전극 조립체(110)의 x축 방향 전체 길이에서 고정부(18)를 제외한 전극 조립체(110)의 나머지 길이를 의미한다. 즉 특성 길이(L)는 전극 조립체(110)가 굽힘응력을 받을 때, 직접 슬립을 일으키면서 휘어질 수 있는 부분을 의미한다.
두께(t)는 특성 길이(L) 부분에 설정되는 전극 조립체(110)의 두께를 의미한다. 즉 두께(t)는 이차 전지가 굽힘응력을 받을 때, 직접 슬립을 일으키면서 휘어질 수 있는 전극 조립체(110)의 두께를 의미한다. 즉 두께(t)는 이차 전지에서 파우치(120)의 두께를 제외한다.
굽힘응력의 작용으로 길이가 증가하고 증가된 길이를 마진부(130)에서 수용함에 따라 전극 조립체(110)는 및 이차 전지는 굽힘응력에 상응하는 정도로 휘어질 수 있다. 따라서 이차 전지가 휘어질 때, 이차 전지에서 파단이 발생되지 않고, 내부 단락(short-circuit)이 발생되지 않는다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
11, 12: 제1, 제2전극 11a, 12a: 코팅부
11b, 12b: 무지부 13: 세퍼레이터
14, 15: 제1, 제2전극 탭 16, 17: 절연부재
18: 고정부 110: 전극 조립체
120: 케이스(파우치) 121: 폴리머 시트
122: 나일론 시트 123: 금속 시트
130: 마진부 131: 세퍼레이터의 제1 부분
132: 세퍼레이터의 제2 부분
201, 202: 제1, 제2외장재

Claims (10)

  1. 무지부와 코팅부를 각각 가지며 세퍼레이터를 사이에 두고 반복 적층되어 있는 제1 전극 및 제2 전극으로 이루어지는 전극 조립체,
    가요성을 가지고 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스,
    를 포함하고,
    상기 전극 조립체는 상기 무지부에 상기 세퍼레이터가 부착되어 고정된 고정부
    를 포함하고,
    상기 세퍼레이터는 상기 코팅부와 대응하는 제1 부분,
    상기 제1 전극의 무지부와 대응하며 상기 제1 전극의 무지부의 어느 한 모퉁이를 노출하는 절개부를 가지는 제2 부분,
    상기 제2 전극의 무지부와 대응하며 상기 제2 전극의 무지부의 어느 한 모퉁이를 노출하는 절개부를 가지는 제3 부분을 포함하는 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 제2 부분의 절개부와 상기 제3 부분의 절개부에 의해서 노출되는 모퉁이는 서로 이웃하는 이차 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 전극의 무지부와 상기 제2 부분은 접착제로 부착되어 고정되며,
    상기 제2 전극의 무지부와 상기 제3 부분은 접착제로 부착되어 고정되는 이차 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 부분의 절개부를 통해서 노출된 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극 탭,
    상기 제2 부분의 절개부를 통해서 노출된 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극 탭
    을 더 포함하는 이차 전지.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 전극 탭과 상기 제2 전극 탭은 상기 케이스의 일 단부에서 외부로 인출되어 서로 일정간격 떨어져 위치하는 이차 전지.
  7. 제5항에서,
    상기 전극 조립체의 일단과 상기 케이스의 내면 사이에 설정되어, 휘어지는 상기 전극 조립체의 자유단에서 길이 변화를 수용하는 마진부
    를 포함하는 이차 전지.
  8. 제7항에서,
    상기 마진부는
    상기 제1전극 탭과 상기 제2전극 탭의 반대측에 설정되는 이차 전지.
  9. 제1항에서,
    상기 케이스는
    상기 전극 조립체의 양면에 배치되는 제1 외장재와 제2 외장재를 더 포함하는 이차 전지.
  10. 제1항에서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 각각 폴리머 시트로 이루어지는 이차 전지.
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