KR102278448B1 - 전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지 Download PDF

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Abstract

전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지가 개시된다. 전극 조립체는, 세퍼레이터와, 세퍼레이터의 일측에 배치되어 세퍼레이터와 함께 복수회로 접히는 제1 전극과, 세퍼레이터의 타측에 배치되며 제1 전극에 대향하는 위치에 복수개로 이격되게 배치되는 제2 전극과, 제1 전극에 연결되는 제1 집전 탭과 제2 전극에 연결되는 제2 집전 탭을 포함하는 리드 탭을 포함한다.

Description

전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY USING THE SAME}
본 발명은 내구성이 향상되고 에너지 밀도의 증가가 가능한 전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
대표적인 이차 전지에는 니켈 카드뮴(Ni Cd)전지와 니켈 수소(Ni MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li ion) 이차 전지 등이 있다. 특히, 리튬 이온 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈 카드뮴 전지나, 니켈 수소 전지보다 작동 전압이 약 3배나 높다. 또한, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 널리 사용되고 있다.
이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해질의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다.
이러한 이차 전지는 전극 조립체가 권취되어 케이스의 내부에 수납되는 바, 전극 조립체를 권취하는 과정에서 측면의 곡률 부분에서 응력이 집중될 수 있다. 따라서, 전극 조립체의 측면의 곡률 부분의 응력 발생에 의해 크랙 등이 발생되어 내구성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 내구성이 향상된 전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예는, 세퍼레이터와, 세퍼레이터의 일측에 배치되어 세퍼레이터와 함께 복수회로 접히는 제1 전극과, 세퍼레이터의 타측에 배치되며 제1 전극에 대향하는 위치에 복수개로 이격되게 배치되는 제2 전극과, 제1 전극에 연결되는 제1 집전 탭과 제2 전극에 연결되는 제2 집전 탭을 포함하는 리드 탭을 포함한다.
제1 집전 탭은 제1 전극의 무지부에 하나로 돌출되어 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 집전 탭은 제1 전극의 무지부의 양단에 각각 돌출되어 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 전극은 어느 하나의 모서리 부분에 제2 절개부가 형성될 수 있다.
절개부는, 제2 집전 탭들의 마주하는 어느 하나의 모서리에 각각 형성될 수 있다.
제2 절개부에는 제2 집전 탭이 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 집전 탭은 제2 절개부에 돌출되는 무지부에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 전극은 음극이고, 제2 전극은 양극일 수 있다.
세퍼레이터와 제1 전극에는 접히는 부분에 절곡홈이 형성될 수 있다.
제1 전극은 등간격으로 접힘부가 길이 방향에 엇갈리는 방향으로 형성될 수 있다.
접힘부는 제1 전극의 표면의 내부로 형성되는 절곡홈일 수 있다.
제1 전극에는 접힘부가 형성된 부분의 일측 가장자리에 제1 절개부가 형성될 수 있다.
제1 절개부는, 복수개의 접힘부들 중에 교번 위치에서 제1 전극의 일측 가장자리 부분에 형성될 수 있다.
제2 전극은 제1 전극이 접힌 상태에서 접힘부 방향으로 삽입될 수 있다.
전극 조립체가 수용되는 케이스와, 제1 집전 탭에 연결되는 제1 전극 리드와, 제2 집전 탭에 연결되는 제2 전극 리드을 포함한다.
본 발명의 일 실시예는, 양극은 타발된 복수개로 형성되어, 음극과 세퍼레이터의 접힌 사이 위치에 삽입된 상태로 배치될 수 있다.
따라서, 세퍼레이터와 음극의 절곡된 부분에는 양극이 위치되지 않도록 하여, 전극 조립체의 측면 절곡 부분에서 크랙 등의 손상이 발생되는 것을 방지하여 내구성의 향상이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 전극 조립체를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 전극 조립체의 요부가 일부 펼쳐진 상태에서 세퍼레이터와 제1 전극과 제2 전극의 위치 상태를 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 4는 도 2의 전극 조립체의 요부가 일부 펼쳐진 상태에서 세퍼레이터와 제1 전극과 제2 전극의 위치 상태를 개략적으로 도시한 요부 사시도이다.
도 5는 전극 조립체의 제1 전극의 요부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 6은 전극 조립체의 세퍼레이터의 요부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 7은 전극 조립체의 제2 전극의 요부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 조립체의 제1 전극의 요부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
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 제1 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 전극 조립체를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 전극 조립체의 요부가 일부 펼쳐진 상태에서 세퍼레이터와 제1 전극과 제2 전극의 위치 상태를 개략적으로 도시한 요부 단면도이고, 도 4는 도 2의 전극 조립체의 요부가 일부 펼쳐진 상태에서 세퍼레이터와 제1 전극과 제2 전극의 위치 상태를 개략적으로 도시한 요부 사시도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 세퍼레이터(15)와 제1 전극(11) 및 제2 전극(13)을 포함하는 전극 조립체(10)와, 전극 조립체(10)를 내장하는 케이스(40)와, 제1 전극(11)에 연결되는 제1 집전 탭(21)과 제2 전극(13)에 연결되는 제2 집전 탭(23)을 포함하는 리드 탭(21, 23)과, 제1 집전 탭(21)에 연결되는 제1 전극 리드(31) 및 제2 집전 탭(23)에 연결되는 제2 전극 리드(33)를 포함한다.
예를 들면, 전극 조립체(10)는 절연체인 세퍼레이터(15)의 양면에 제1 전극(이하, "음극"이라 한다)(11)과 제2 전극(이하, "양극"이라 한다)(13)을 배치하고, 음극(11), 세퍼레이터(15) 및 양극(13)은 복수회로 지그재그로 접힌 상태로 형성될 수 있다.
음극(11)은 세퍼레이터(15)의 일측면에 배치되는 것으로서, 무지부에는 제1 집전 탭(이하, "음극 집전 탭"이라 한다)(21)이 연결된다. 이러한 음극 집전 탭(21)은 음극(13)에 하나로 연결되는 것으로 음극(11)을 제1 전극 리드(31)에 연결하도록 설치된다.
도 5는 전극 조립체의 제1 전극의 요부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 음극(11)은 길이 방향을 따라 복수개의 접힘부(11b)가 등간격으로 형성될 수 있다. 접힘부(11b)는 음극(11)의 내부로 일정 깊이로 형성된 절곡홈으로 형성될 수 있다. 이하에서 접힘부와 절곡홈은 동일 참조 번호 11b를 사용한다.
이와 같이, 절곡홈(11b)이 음극(11)에 복수개로 형성되는 것은, 음극(11)이 세퍼레이터(15)와 함께 복수회로 접혀 전극 조립체(10)를 형성하도록 하기 위한 것이다.
한편, 음극(11)에는 절곡홈(11b)이 형성된 위치에 제1 절개부(11c)가 형성된다.
제1 절개부(11c)는 음극(11)의 가장자리 위치에서 절곡홈(11b)이 형성된 위치에 라운드 형상으로 절개된 상태로 형성될 수 있다. 제1 절개부(11c)는 라운드 형상으로 절개되는 것으로 반드시 한정되는 것은 아니고, 일부분에 라운드 형상이 포함된 다각 형상으로 절개되는 것도 가능하다.
보다 구체적으로 설명하면, 제1 절개부(11c)는 복수개의 절곡홈(11b)들이 형성된 위치에서, 절곡홈(11b)들의 교번 위치에서 음극(11)의 일측 가장자리 부분에 형성될 수 있다. 이와 같이, 제1 절개부(11c)가 음극(11)에 형성되는 것은, 양극(13)에 형성되는 제2 절개부(13c)의 위치에 돌출된 제2 집전 탭(23)이 외부로 노출되도록 하기 위한 것이다. 이에 대해서는 이하에서 양극(13)을 설명하면서 보다 구체적으로 설명한다.
이러한 음극(11)과 양극(13)의 사이 부분에는 세퍼레이터(15)가 위치된다.
도 6은 전극 조립체의 세퍼레이터의 요부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터(15)는 전극 조립체(10)의 권취 과정에서, 음극(11)의 일측면에 배치된 상태로 음극(11)과 함께 복수회로 접히게 된다. 이를 위해, 세퍼레이터(15)에는 음극(11)에 형성된 절곡홈(11b)의 위치에 대응하는 위치에 절곡부(15b)가 형성될 수 있다. 이러한 절곡부(15b)는 전극 조립체(10)가 복수회로 접힌 상태로 형성되는 과정에서 음극(11)의 접힘 작용과 함께 굴곡될 수 있다. 절곡부(15b)는 세퍼레이터(15)의 표면에서 그 내부로 일정 깊이의 홈으로 형성될 수 있다. 참조 번호 15c는 세퍼레이터 절개부를 말한다.
양극(13)은 세퍼레이터(15)를 사이에 두고 음극(11)에 대향하는 위치에서, 세퍼레이터(11)의 측면에 배치될 수 있다.
이러한 세퍼레이터(15)의 측면에는 음극(11)에 대향하는 위치에 양극(13)이 위치된다.
도 7은 전극 조립체의 제2 전극의 요부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 양극(13)은 세퍼레이터(15)의 측면에 복수개로 이격된 상태로 배치될 수 있다. 이러한 양극(13)은 프레스 등에 의해 타발 작업 공정에 의해 형성되어, 세퍼레이터(15)의 측면에 복수개로 배치될 수 있다.
이러한 양극(13)은 타발 작업 공정에 의해 직사각 형상으로 이루면서 세퍼레이터(15)의 측면에 배치될 수 있다. 양극(13)은 본 실시예에서 직사각 형상으로 형성되는 것을 예시적으로 설명하지만, 이에 반드시 한정되는 것은 아니고 일부분에 라운드 형상을 포함하는 등의 다양한 형상으로 형성되는 것도 가능하다.
양극(13)은 서로 간에 이격된 상태로 세퍼레이터(15)의 측면에 복수개로 배치되며, 배치된 각각의 가장자리에는 제2 집전 탭(이하, "양극 집전탭"이라 한다)(23)이 돌출되게 연결될 수 있다.
양극(13)에는 양극 집전 탭(23)에 연결되는 위치에 제2 절개부(13c)가 형성될 수 있다.
제2 절개부(13c)는 복수개의 양극 집전 탭(23)들 중에 인접한 상태로 마주하는 어느 하나의 모서리에 각각 형성될 수 있다. 이러한 제2 절개부(13c)는 제1 절개부(11c)의 형상에 대응하여 라운드 형상을 이루도록 양극(13)의 모서리 부분에 형성될 수 있다.
제2 절개부(13c)가 양극(13)에 형성되는 것은, 제2 집전 탭(23)이 연결되는 위치를 확보하도록 양극(13)의 형상을 일부 변형하기 위한 것이다. 즉, 양극(13)은 타발 공정에 의해 형성되고, 제1 절개부(11c) 및 제2 절개부(13c)의 절개된 위치로 제2 집전 탭(23)이 돌출되게 형성되는 바, 케이스(40)의 내부 공간을 최대한 활용하여 에너지 밀도를 증가시키는 것이 가능하다.
한편, 제2 절개부(13c)에는 양극 집전 탭(23)의 연결을 위한 무지부가 돌출될 수 있다. 따라서, 양극 집전 탭(23)은 무지부(23a)에 일단이 연결되고 타단은 제2 절개부(13c)의 외측으로 돌출된 상태로 연결될 수 있다.
이와 같이, 양극(13)은 타발된 복수개로 형성되어, 음극(11)과 세퍼레이터(15)의 복수회로 접힌 사이 위치에 삽입된 상태로 배치될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(15)와 음극(11)의 절곡된 부분에는 양극(13)이 위치되지 않도록 하여, 전극 조립체(10)의 측면 절곡 부분에서 크랙 등의 손상이 발생되는 것을 방지하여 내구성의 향상이 가능하다.
한편, 양극 집전 탭(23)은 복수개의 양극(13)에 위치를 달리하면서 돌출될 수 있다. 이는 전극 조립체(10)가 지그재그로 복수회로 접힌 상태에서 양극 집전 탭(23)이 전극 조립체(10)의 측면에 나란하게 돌출되도록 하기 위한 것이다.
양극 집전 탭(23)은 전극 조립체(10)에 돌출된 상태로 서로간에 연결될 수 있다.
양극 집전 탭(23)은 서로간에 용이하게 용접 등에 의해 연결되어, 제2 전극 리드(33)에 연결될 수 있다.
한편, 제1 전극 리드(31)와 제2 전극 리드(33)는 동일 형상을 이루며, 제1 집전 탭(21)과 제2 집전 탭(23)에 각각 연결될 수 있다.
케이스(40)는 내부에 전극 조립체(10)와 전해액을 수용하는 공간을 설정하도록 형성되는 것으로, 전극 조립체(10)를 보호하도록 형성된다. 케이스(40)는 파우치형 또는 각형일 수 있다. 본 실시예에서 케이스(40)는 파우치형으로 적용되는 것을 예시적으로 설명한다.
케이스(40)는, 본체(41)와, 본체(41)의 내부에 형성되는 수용부(43)와, 수용부(43)를 덮는 커버(45)를 포함할 수 있다.
본체(41)는 바닥면(41a) 및 바닥면(41a)로부터 연장된 측면(41b)을 포함할 수 있다.
수용부(43)는 본체(41)의 바닥면(41a)과 측면(41b)에 의해 형성된 공간을 말한다. 이러한 수용부(43)는 전극 조립체(10)를 수용한다.
본체(41)는 수용부(43)의 입구, 즉, 측면(41b)으로부터 연장되어 밀봉부(47)를 형성할 수 있다.
커버(45)는 본체(41)의 밀봉부(47)의 어느 가장자리로부터 연장될 수 있다.
커버(45)는 수용부(43)를 모두 덮으면서 본체(41)의 밀봉부(47)와 밀봉되어 이차전지를 밀봉할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 조립체의 제1 전극의 요부를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도 1 내지 도 7과 동일 참조 번호는 동일 또는 유사 기능의 동일 또는 유사 부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 음극(11)의 무지부에는 음극 집전 탭(21)이 복수개로 연결된다.
즉, 음극 집전 탭(21)은 음극(13)에 양단에 각각 연결되어, 음극(11)을 제1 전극 리드(31)에 연결하도록 설치될 수 있다.
이와 같이, 음극 집전 탭(21)이 음극(13)에 복수개로 연결되는 바, 이차 전지의 출력 증가에 용이하게 대응할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10...전극 조립체 11...제1 전극
11a..무지부 11b..절곡홈
11c..제1 절개부 13...제2 전극
13c..제2 절개부 15...세퍼레이터
15b..절곡부 21...제1 집전 탭
23...제2 집전 탭 31...제1 전극 리드
33...제2 전극 리드 40...케이스
41...본체 41a..바닥면
41b..측면 43...수용부
45...커버 47...밀봉부

Claims (14)

  1. 세퍼레이터;
    상기 세퍼레이터의 일측에 배치되어 상기 세퍼레이터와 함께 복수회로 접히는 제1 전극;
    상기 세퍼레이터의 타측에 배치되며, 상기 제1 전극에 대향하는 위치에 복수개로 이격되게 배치되는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극에 연결되는 제1 집전 탭과 상기 제2 전극에 연결되는 제2 집전 탭을 포함하는 리드 탭;
    을 포함하고,
    상기 제1 집전 탭은 상기 제1 전극의 무지부의 양단에 각각 돌출되어 전기적으로 연결되는 전극 조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 어느 하나의 모서리 부분에 제2 절개부가 형성되는 전극 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절개부는, 상기 제2 집전 탭들의 마주하는 어느 하나의 모서리에 각각 형성되는 전극 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 절개부에는 상기 제2 집전 탭이 전기적으로 연결되는 전극 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 집전 탭은 상기 제2 절개부에 돌출되는 무지부에 전기적으로 연결되는 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 음극이고, 상기 제2 전극은 양극인 전극 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터와 상기 제1 전극에는 접히는 부분에 절곡홈이 형성되는 전극 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 등간격으로 접힘부가 길이 방향에 엇갈리는 방향으로 형성되는 전극 조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 접힘부는 상기 제1 전극의 표면의 내부로 형성되는 절곡홈인 전극 조립체.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전극에는 상기 접힘부가 형성된 부분의 일측 가장자리에 제1 절개부가 형성되고,
    상기 제1 절개부는, 복수개의 상기 접힘부들 중에 교번 위치에서 상기 제1 전극의 일측 가장자리 부분에 형성되는 전극 조립체.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 전극이 접힌 상태에서 상기 접힘부 방향으로 삽입되는 전극 조립체.
  14. 제1항, 제4항 내지 제13항 중의 어느 한 항의 상기 전극 조립체가 수용되는 케이스;
    상기 제1 집전 탭에 연결되는 제1 전극 리드; 및
    상기 제2 집전 탭에 연결되는 제2 전극 리드;
    를 포함하는 이차 전지.
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