KR102325035B1 - 전지셀 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 전지셀은, 양극, 분리막, 음극이 반복적으로 적층되어 구성되되, 상기 양극은 분리막의 양측 각각으로 양극탭이 돌출되도록 배치되고 상기 음극은 분리막의 양측 각각으로 음극탭이 돌출되도록 배치된 전극조립체; 분리막의 양측 각각으로 끝단이 돌출되도록 상기 전극조립체의 바닥면에 적층되는 제1리드부; 및 분리막의 양측 각각으로 끝단이 돌출되도록 상기 전극조립체의 상면에서 상기 제1리드부와 교차하는 방향으로 적층되는 제2리드부;를 포함하고, 상기 양극탭과 음극탭은 서로 교차하는 방향으로 배치되어 상기 양극탭과 음극탭 중 어느 하나는 양측 각각에서 제1리드부에 연결되고 다른 하나는 양측 각각에서 제2리드부에 연결되며, 상기 제1리드부와 제2리드부는 각각에 연결된 양극탭 또는 음극탭과 함께 전극조립체의 두께방향에 나란하도록 수직으로 절곡된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제조방법은, 직사각형의 양극과 음극을 교차하는 방향으로 적층하되 분리막이 양극과 음극 사이에 개재되도록 적층하여 형성되는 전극조립체를 제조하는 단계; 상기 전극조립체의 바닥면에 제1리드부를 적층하고 상면에 제2리드부를 적층하는 단계; 분리막에서 돌출된 양극의 양극탭과 음극의 음극탭 중 어느 하나는 제1리드부에 접합하고 다른 하나는 제2리드부에 접합하는 단계; 제1리드부와 제2리드부를 전극조립체의 두께방향에 나란하도록 수직으로 절곡하는 단계;를 포함한다.

Description

전지셀 및 그 제조 방법{Battery cell and manufacturing method thereof}
본 발명은 외부로 전기를 통전시키는 제1리드부와 제2리드부가 전극조립체의 상면과 바닥면 각각에 배치되어 직렬연결이 용이하게 이뤄질 수 있고, 양극탭과 음극탭 각각이 양측 각각에 배치되어 탭의 퇴화 속도를 저하시킬 수 있는 전지셀 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
개인 휴대단말, 전기 자동차 분야를 포함하여 여러 분야에서 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.
일차전지와는 달리 충방전이 가능한 이차전지는 디지털 기기 뿐만 아니라 전기 자동차 등과 같은 운송수단용으로도 개발이 이뤄지고 있다.
이차전지는 양극과 음극의 재질 및 외부 형상에 따라 다양하게 분류될 수 있으나, 이 중에서 리튬 화합물 재질을 사용하는 리튬 이차전지는 용량이 크고 자가 방전율이 적어 종래의 니켈-카드뮴 이차전지 등을 대신하여 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지는 케이스에 전극조립체와 전해액이 내장되어 구성된다. 상기 전극조립체는 양극-분리막-음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리롤형, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택-폴딩형 등으로 제조된다.
상기 전극조립체의 양극과 음극 각각은 양극탭과 음극탭으로 확장되고 상기 양극탭과 음극탭은 케이스 외부의 양측 끝단 각각에서 또는 일측 끝단에서 이격되어 위치하는 양극리드와 음극 리드로 연결되도록 구성된다.
그러나, 이러한 구조는 케이스의 크기에 비해 전극조립체의 크기는 제한될 수 밖에 없으므로 배터리 소형화에 제약조건으로 작용하였으며, 양극탭과 음극탭은 어느 일측으로만 돌출되는 구조이므로, 양극과 음극 각각에서 양극탭과 음극탭에서 멀리 떨어진 부분에서는 전자의 이동거리가 증가하여 가까운 부분 보다 퇴화가 일찍 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 문제점(케이스 크기 대비 전극조립체의 크기가 제약되는 문제, 양극 및 음극에서 불균일 퇴화가 발생하는 문제)를 해소할 수 있는 전지셀 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 주목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전지셀에 있어서, 양극, 분리막, 음극이 반복적으로 적층되어 구성되되, 상기 양극은 분리막의 양측 각각으로 양극탭이 돌출되도록 배치되고 상기 음극은 분리막의 양측 각각으로 음극탭이 돌출되도록 배치된 전극조립체; 분리막의 양측 각각으로 끝단이 돌출되도록 상기 전극조립체의 바닥면에 적층되는 제1리드부; 및 분리막의 양측 각각으로 끝단이 돌출되도록 상기 전극조립체의 상면에서 상기 제1리드부와 교차하는 방향으로 적층되는 제2리드부;를 포함하고, 상기 양극탭과 음극탭은 서로 교차하는 방향으로 배치되어 상기 양극탭과 음극탭 중 어느 하나는 양측 각각에서 제1리드부에 연결되고 다른 하나는 양측 각각에서 제2리드부에 연결되며, 상기 제1리드부와 제2리드부는 각각에 연결된 양극탭 또는 음극탭과 함께 전극조립체의 두께방향에 나란하도록 수직으로 절곡된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 분리막은 정사각형 모양을 갖고, 상기 양극과 음극 및 제1리드부와 제2리드부는 직사각형 모양을 갖는다.
아울러, 상기 제1리드부의 바닥면에는 제1단자가 전기적으로 연결되도록 적층되고 상기 제2리드부의 상면에는 제2단자가 전기적으로 연결되도록 적층된다.
상기 제1단자와 제2단자는 사각형 모양을 갖고, 상기 제2단자 위로 다른 전지셀의 제1단자가 안착되도록 상기 전지셀은 2개 이상이 적층될 수 있다.
그리고, 상기 제1단자와 제2단자를 제외한 부분은 밀봉재에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 밀봉될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 전지셀의 제조방법도 제공한다. 본 발명에 따른 제조방법에서는, 직사각형의 양극과 음극을 교차하는 방향으로 적층하되 분리막이 상기 양극과 음극 사이에 개재되도록 적층하여 형성되는 전극조립체를 제조하는 단계; 상기 전극조립체의 바닥면에 제1리드부를 적층하고 상면에 제2리드부를 적층하는 단계; 분리막에서 돌출된 상기 양극의 양극탭과 상기 음극의 음극탭 중 어느 하나는 제1리드부에 접합하고 다른 하나는 제2리드부에 접합하는 단계; 상기 제1리드부와 제2리드부를 전극조립체의 두께방향에 나란하도록 수직으로 절곡하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제조방법에서는 상기 제1리드부의 바닥면과 상기 제2리드부의 상면 각각에 제1단자와 제2단자를 적층하는 단계를 포함하고, 상기 제1단자와 제2단자를 제외한 부분을 밀봉시키는 단계를 포함한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 제1리드부와 제2리드부가 전극조립체의 상면과 바닥면 각각에 배치되어 전극조립체들 다수 개가 직렬로 (수평방향 또는 수직방향 또는 수평과 수직 모두에서) 용이하게 이어질 수 있는 효과를 가진다.
또한, 양극탭과 음극탭 각각은 양측 두 곳 모두에서 통전(通電)되므로, 기존 일측 탭으로 되어 있는 전지에서 탭 부분 활물질의 빠른 퇴화로 인한 불균일 퇴화와 대비하여 양측 탭의 사용시 활물질의 탭부분의 빠른 퇴화를 저하시킬 수 있어 불균일 퇴화를 억제하며 양측을 모두 사용함으로 저항도 줄어도는 효과를 가지게 된다.
그리고, 제1리드부와 제2리드부가 수직으로 꺾인 부분에는 냉각핀 등을 추가장착할 수 있는 공간을 제공하여 냉각효율을 증대시킬 수 있고, 적층된 전극조립체를 나란히 배치시켜 공간활용을 증대시킬 수도 있다.
아울러, 전지셀에 밀봉재가 직접장착되어 케이스 없이도 전지셀 자체가 이차전지로써 직접 사용될 수도 있다.
도 1 은 본 발명의 전지셀이 분해된 모습으로써, 바닥면에 제1단자와 제1리드부가 배치되고 양극, 분리막, 음극이 반복적으로 적층되며 상면에 제2리드부와 제2단자가 배치된 모습이 도시된 사시도.
도 2 는 도 1 에서 제1단자, 제1리드부, 양극, 분리막, 음극, 제2리드부, 제2단자가 순차적으로 적층된 모습이 도시된 사시도.
도 3 은 도 2 에서 양극탭과 음극탭 각각이 제1리드부와 제2리드부에 접합된 후에 상기 제1리드부와 제2리드부가 수직으로 꺾여지기 전의 모습이 도시된 사시도.
도 4 는 도 3 에서 제1리드부와 제2리드부가 수직으로 꺾여지기 전, A-A 의 단면상태가 도시된 단면도.
도 5 는 도 3 에서 제1리드부와 제2리드부가 수직으로 꺾여지기 전, B-B 의 단면상태가 도시된 단면도.
도 6 은 제1리드부와 제2리드부의 양측 말단이 각각 꺾인 후에 밀봉재가 장착된 모습이 도시된 도면.
도 7 은 전극조립체의 측면 전체를 밀봉재가 밀봉한 모습이 도시된 투시도.
도 8 은 전극조립체의 측면에서 돌출된 제1리드부와 제2리드부의 꺾인 부분만 밀봉재가 밀봉한 모습이 도시된 투시도.
도 9 는 본 발명에 따른 전극조립체들 다수 개가 상하방향으로 적층된 모습이 도시된 단면도.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 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.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 이차전지의 전지셀에 관한 것으로써 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명한다.
실시예1
도 1 은 본 발명의 전지셀이 분해된 모습으로써, 바닥면에 제1단자(30)와 제1리드부(20)가 배치되고 양극(11), 분리막(12), 음극(13)이 반복적으로 적층되며 상면에 제2리드부(40)와 제2단자(50)가 배치된 모습이 도시된 사시도이고, 도 2 는 도 1 에서 제1단자(30), 제1리드부(40), 양극(11), 분리막(12), 음극(13), 제2리드부(40), 제2단자(50)가 순차적으로 적층된 모습이 도시된 사시도이며, 도 3 은 도 2 에서 양극탭(11a)과 음극탭(13a) 각각이 제1리드부(20)와 제2리드부(40)에 접합된 후에 상기 제1리드부(20)와 제2리드부(40)가 수직으로 꺾여지기 전의 모습이 도시된 사시도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전지셀은 전극조립체(10)의 상면과 바닥면 각각에 제1리드부(20)와 제2리드부(40)가 추가적으로 장착되는 것을 특징으로 한다.
상기 전극조립체(10)는 양극(11), 분리막(12), 음극(13)이 반복적으로 적층되어 구성되되, 양극(11)과 음극(13)은 직사각형 판 모양을 갖는 반면 분리막(12)은 정사각형 판 모양을 갖는다. 이 상태에서 상기 양극(11)과 음극(13)은 서로 간에 교차하는 방향(즉, 서로 90°로 회전된 위치에 놓이는 방향)으로 놓인다. 상기 음극(13)과 양극(11) 사이에서 분리막(12)이 배치되되 상기 양극(11)과 음극(13) 각각은 분리막(12)을 중심에 두고 양측이 동일한 길이만큼 돌출되도록 배치된다(도 2 참조).
그리고, 상기 음극(13)과 양극(11)의 최하층 아래로는 제1리드부(20)와 제1단자(30)가 적층되며 최상층 위로는 제2리드부(40)와 제2단자(50)가 각각 적층된다. 상기 제1리드부(20)는 최하층에 위치한 (양극(11) 또는) 음극(13)과 동일한 크기를 가지며 전체 면적에 걸쳐 부착되고 상기 제2리드부(40)는 최상층에 위치한 (음극(13) 또는) 양극(11)과 동일한 크기를 가지며 전체 면적에 걸쳐 부착된다.
상기 제1단자(30)와 제2단자(50)는 분리막(12)과 동일한 크기의 정사각형 모양을 가지며 각각은 제1리드부(20) 또는 제2리드부(40)와 전기가 통하도록 접합된다.
도 2 에 도시된 상태에서, 음극(13)과 양극(11)으로 돌출된 부분은 제1리드부(20) 또는 제2리드부(40) 쪽으로 모아져 양극탭(11a) 또는 음극탭(13a)을 형성하며, 상기 양극탭(11a)과 음극탭(13a)은 제1리드부(20) 또는 제2리드부(40)의 말단에 모아진 상태로 접합된다.
상기 양극탭(11a)과 음극탭(13a)이 제1리드부(20) 또는 제2리드부(40)에 접합된 후에, 상기 제1리드부(20)와 제2리드부(40) 각각의 양측 끝단이 도 3 에 표시된 화살표 방향으로 꺾이게 된다. 즉, 도 4 의 상태에서, 제2리드부(40)의 양측 끝단은 양극탭(11a)과 함께 아랫쪽으로(수직 아래를 향하도록) 꺾이고, 도 5 의 상태에서, 제1리드부(20)의 양측 끝단은 음극탭(13a)과 함께 윗쪽으로(수직으로 세워지도록) 꺾인다.
이에 따라, 상기 제1리드부(20)와 제2리드부(40)의 말단은 각각에 연결된 양극탭(11a) 또는 음극탭(13a)과 함께 전극조립체(10)의 두께방향에 나란하도록 절곡된다.
위와 같이 바닥면에 양극(11)과 연결된 제1단자(30)가 배치되고 상면에 음극(13)과 연결된 제2단자(50)가 배치되되, 네 곳의 측면은 제1리드부(20)와 제2리드부(40)의 말단이 수직으로 꺾여진 전지셀은 (도 9 에 도시된 바와 같이) 다수 개가 수직방향으로 적층될 수 있을 뿐만 아니라 제1리드부(20)와 제2리드부(40)의 꺾여진 부분을 맞닿게 배치시켜 수평방향으로도 직렬연결을 구성할 수 있다. 또한, 제1리드부(20)와 제2리드부(40)의 꺾여진 부분에는 냉각핀(미도시) 등을 추가 장착하여 냉각성능을 증대시킬 수도 있다.
그리고, 본 발명과 같이 양극탭(11a)과 음극탭(13a) 각각이 양측 두 곳 모두에서 돌출되는 구성은 양측으로 전류가 흐르게 되어 (일측에서만 돌출되는 구성 보다 전자의 이동 거리를 감소시킬 수 있으므로) 탭의 퇴화 속도를 저하시킬 수 있다.
실시예2
아울러, 본 발명에서는 전지셀의 제조방법 또한 제공한다. 본 발명에 따른 제조방법은 전극조립체(10)를 제조하는 단계, 제1리드부(20)와 제2리드부(40)를 적층하는 단계, 음극탭(13a) 및 양극탭(11a)이 접합된 상태에서 상기 제1리드부(20)와 제2리드부(40)의 말단을 절곡하는 단계를 포함한다.
도 1 내지 3 에 도시된 바와 같이, 전극조립체(10)를 제조하는 방법에서는 직사각형의 양극(11)과 음극(13)을 서로 교차하는 방향으로 적층하되 정사각형 모양의 분리막(12)이 상기 양극(11)과 음극(13) 사이에 개재되도록 적층된다. 그리고, 상기 전극조립체(10)의 바닥면에 제1리드부(20)를 적층하며 상면에 제2리드부(40)를 적층하고, 상기 양극(11)의 양극탭(11a)과 상기 음극(13)의 음극탭(13a) 중 어느 하나는 제1리드부(20)에 접합하고 다른 하나는 제2리드부(40)에 접합한 다음에, 상기 제1리드부(20)와 제2리드부(40) 각각의 말단을 전극조립체(10)의 두께방향에 나란하도록 수직으로 도 6 에 도시된 바와 같이 절곡한다.
아울러, 상기 제조방법에서는 상기 제1리드부(20)의 바닥면과 상기 제2리드부(40)의 상면 각각에 제1단자(30)와 제2단자(50)를 적층하는 단계를 포함한다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 제1단자(30)와 제2단자(50)를 제외한 부분을 밀봉재(60)로 도 7 에 도시된 바와 같이 전체적으로 밀봉시키거나 도 8 에 도시된 바와 같이 부분적으로 밀봉시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 밀봉재(60)는 소정량의 전해액이 봉입된 상태로(양극, 음극, 분리막이 전해액에 함침된 상태로) 전극조립체(10)를 밀봉시키므로, 상기 전지셀은 (별도의 케이스에 내장되지 않은 상태로) 하나의 전지로써 사용이 가능할 수도 있다.
참고적으로, 상기 전지셀의 면적 및 두께는 사용용도에 따라 다양하게 디자인될 수 있되 전도성능 및 방열 성능을 고려하여 제1단자(30)와 제2단자(50)는 5 내지 1000 μm 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1단자(30)와 제2단자(50)는 금, 은, 구리, 알루미늄 및 그 합금으로 된 금속으로 제조되는 것이 바람직하며, 일면 또는 양면은 양극 활물질 또는 음극 활물질로 코팅될 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은 양극탭(11a)과 음극탭(13a) 각각이 양측으로 돌출되는 구조를 가짐으로써 내부 저항을 낮출 수 있으며 이에 따라 발열을 감소시킬 수 있을 뿐만아니라 활물질의 균일한 도포가 가능하고 전극조립체(10) 네 측면을 다양한 방식으로 활용할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
10 : 전극조립체
11 : 양극
11a : 양극탭
12 : 분리막
13 : 음극
13a : 음극탭
20 : 제1리드부
30 : 제1단자
40 : 제2리드부
50 : 제2단자
60 : 밀봉재

Claims (9)

  1. 전지셀에 있어서,
    양극, 분리막, 음극이 반복적으로 적층되어 구성되되, 상기 양극은 분리막의 양측 각각으로 양극탭이 돌출되도록 배치되고 상기 음극은 분리막의 양측 각각으로 음극탭이 돌출되도록 배치된 전극조립체;
    분리막의 양측 각각으로 끝단이 돌출되도록 상기 전극조립체의 바닥면에 적층되는 제1리드부; 및
    분리막의 양측 각각으로 끝단이 돌출되도록 상기 전극조립체의 상면에서 상기 제1리드부와 교차하는 방향으로 적층되는 제2리드부;를 포함하고,
    상기 양극탭과 음극탭은 서로 교차하는 방향으로 배치되어 상기 양극탭과 음극탭 중 어느 하나는 양측 각각에서 제1리드부에 연결되고 다른 하나는 양측 각각에서 제2리드부에 연결되며,
    상기 제1리드부와 제2리드부는 각각에 연결된 양극탭 또는 음극탭과 함께 전극조립체의 두께방향에 나란하도록 수직으로 절곡되되,
    상기 전극조립체는 상면과 바닥면이 사각형으로 형성되어 네 개의 측면들을 가지며, 상기 네 개의 측면들은 제1리드부 및 제2리드부의 절곡된 부분에 의해 가려지는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1리드부의 바닥면에는 제1단자가 전기적으로 연결되도록 적층되고 상기 제2리드부의 상면에는 제2단자가 전기적으로 연결되도록 적층된 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1단자와 제2단자는 사각형 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2단자 위로 다른 전지셀의 제1단자가 안착되도록 상기 전지셀은 2개 이상이 적층된 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1단자와 제2단자를 제외한 부분은 밀봉재에 의해 밀봉된 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 전지셀의 제조방법에 있어서,
    직사각형의 양극과 음극을 교차하는 방향으로 적층하되 분리막이 상기 양극과 음극 사이에 개재되도록 적층하여 형성되는 전극조립체를 제조하는 단계;
    상기 전극조립체의 바닥면에 제1리드부를 적층하고 상면에 제2리드부를 적층하는 단계;
    분리막에서 돌출된 상기 양극의 양극탭과 상기 음극의 음극탭 중 어느 하나는 제1리드부에 접합하고 다른 하나는 제2리드부에 접합하는 단계;
    상기 제1리드부와 제2리드부를 전극조립체의 두께방향에 나란하도록 수직으로 절곡하는 단계;를 포함하고,
    상기 전극조립체는 상면과 바닥이 사각형으로 형성되어 네 개의 측면들을 가지며, 상기 제1리드부와 제2리드부를 수직으로 절곡하는 단계에서 상기 전극조립체 네 개의 측면들은 제1리드부 및 제2리드부의 절곡된 부분에 의해 가려지는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1리드부의 바닥면과 상기 제2리드부의 상면 각각에 제1단자와 제2단자를 적층하는 단계를 포함하는 전지셀의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1단자와 제2단자를 제외한 부분을 밀봉시키는 단계를 포함하는 전지셀의 제조방법.
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