KR102366429B1 - 전극탭의 용접 특성을 개선한 전극 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

전극탭의 용접 특성을 개선한 전극 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 출력과 용량을 구현하기 위하여 적층되는 전극 층의 수가 증가함에 따른 용접 안전성을 유지하기 위하여 복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭을 하나 이상 형성시킨 전극탭의 용접 특성을 개선한 전극 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로 복수개로 구성된 전극탭의 용접시 발생하는 단선을 배제할 수 있는 효과, 복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭과 용접되는 전극리드의 하단부를 상기 무지부 전극탭에 대응되도록 상기 하단부를 타발하여 이차전지 전극단차의 유연성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

전극탭의 용접 특성을 개선한 전극 및 이를 포함하는 이차전지{Electrodes with Improved Welding Characteristics of Electrode Tabs and Secondary Battery Using the same}
본 발명은 전극탭의 용접 특성을 개선한 전극 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로 보다 상세하게는, 본 발명은 높은 출력과 용량을 구현하기 위하여 적층되는 전극 층의 수가 증가함에 따른 용접 안전성을 유지하기 위하여 복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭을 하나 이상 형성시킨 전극탭의 용접 특성을 개선한 전극 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
이차 전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이 셀(Bicell) 또는 풀 셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극 조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태의 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다. 이러한 이차 전지는 통상 분리막이 개재된 상태에서 양극판과 음극판이 순차적으로 적층되어 있는 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 외장재인 전지 케이스를 포함하여 이루어진다. 이 때, 전극 조립체에는 복수개의 양극판으로부터 연장되어 있는 복수개의 양극 탭과, 복수개의 음극판으로부터 연장되어 있는 복수개의 음극 탭이 형성되어 있으며, 이러한 복수개의 양극 탭 및 복수개의 음극 탭은 각각 양극 리드 및 음극 리드와 초음파 용접기에 의해 용접 결합된다. 여기서, 복수개의 양극 탭과 복수개의 음극 탭이 전극 탭을 구성하고, 양극 리드와 음극 리드가 전극 리드를 구성하게 된다.
이차 전지에서 와이딩 타입이 아니라, 적층형의 전극 구성에 대해서는 수 내지 수 십층의 무지부 전극탭을 용접하여, 상호 통전(通電) 경로를 구축해야만, 전기적으로 작동 할 수 있다. 특히, 자동차 전지의 경우에는 더 높은 출력과 용량을 구현하기 위하여, 적층 되는 전극 층의 수가 양극 및 음극이 각각 20 내지 30장 또는 그 이상으로 많아지고 있기 때문에 미용접 불량이 다발하고 있다.
또한, 초음파 또는 레이져 용접 경우에도 두꺼워진 용접층에 대한 높은 에너지의 용접이 필요하기 때문에, 용접부에 대한 손상이 발생하여, 용접 불량이 높아지고 있는 상황이다. 더욱이 전지셀 단계에서 용접이 완료되었다고 하더라도, 전지팩 공정에서 두꺼운 두께의 버스바 용접 등을 위해 추가적인 높은 에너지 용접이 뒤따르게 되고, 이 때, 전지셀 안에서 약하게 용접된 전극탭 부위가 떨어지는 용접 불량도 다발하고 있다
이와 같이, 초음파 용접기에 의해 전극 탭 및 전극 리드를 용접할 때, 복수의 전극 탭의 용접 불량이 발생하고, 전극 탭과 전극 리드의 용접을 강하게 행하는 경우에는 전극 탭이 단선되는 문제점이 있었다.
종래에는 용접 방법 및 용접면을 제어하여 전극리드 및 전극탭의 연결을 안정적으로 형성하려는 시도는 있었으나, 상기 전극탭의 무지부 형상을 개선하여 안정적인 용접을 형성하려는 시도는 없었다.
한편, 한국 공개특허공보 제2017-0022314호는 복수 위치에서 연결된 전극 탭들을 가진 전지셀에 관한 기술로써, 무지부에 형성된 제1 전극 탭들과 제2 전극 탭들이 리드 결합부를 각각 형성하여 전극리드와 초음파 용접되는 점이, 청구항 1, 2와 일부 대응되나, 동일 전극의 무지부 탭이 교번하여 겹치도록 형성된 기술이 아니기에 차이가 있다.
한국 공개특허공보 제2017-0032031호에서는 다중 탭 구조를 지닌 전극 적층 구조체 및 전지에 관한 기술로써, 무지부에 형성된 제1 및 제2탭이 리드부와 용접되어 서로 전기적으로 연결될 수 있는 점이 일부 대응되나, 동일 전극의 무지부 탭이 교번하여 겹치도록 형성된 기술이 아니기에 차이가 있다.
한국 공개특허공보 제2016-0020284호에서는 배터리 팩에 관한 기술로써, 무지부에 형성된 제 1, 2 전극탭이 회로기판에 형성된 단자홀에 직접 연결되는 점이 일부 대응되나, 동일 전극의 무지부 탭이 교번하여 겹치도록 형성된 기술이 아니기에 차이가 있다.
일본 등록특허공보 제5877047호에서는 라미네이트형 에너지 디바이스 및 그 제조 방법에 관한 기술로써, 무지부에 형성된 인출 전극과 탭 전극이 용접되어 연결된 점이 일부 대응되나, 동일 전극의 무지부 탭이 교번하여 겹치도록 형성된 기술이 아니기에 차이가 있다.
이와 같이, 이차전지 특히, 파우치형 이차전지의 전극탭과 전극리드의 초음파 용접 등의 경우, 혼 쪽에 무지부 전극탭의 얇은 포일이 복수로 여러장 겹쳐 있어 용접이 미완료 되거나 전지팩 공정에서 포일이 단선되는 현상이 발생하여 전지의 성능에 문제를 일으키는 바, 이에 대한 근본적인 해결을 위하여 무지부 전극탭의 형상을 개선하여 용접 후 단선되는 현상을 배제한 이차전지 전극 및 이를 포함하는 이차전지 기술은 제시된 바가 없다.
(특허문헌 0001) 한국 공개특허공보 제2017-0022314호
(특허문헌 0002) 한국 공개특허공보 제2017-0032031호
(특허문헌 0003) 한국 공개특허공보 제2016-0020284호
(특허문헌 0004) 일본 등록특허공보 제5877047호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 주된 목적은 높은 출력과 용량을 구현하기 위하여 적층되는 전극 층의 수가 증가함에 따른 용접 안전성을 유지하기 위하여 복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭을 하나 이상 형성시킨 전극탭의 용접 특성을 개선한 전극 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 복수개의 전극 탭 및/또는 전극 리드의 용접에 의한 용접 불량 및 용접에 의한 전극 탭의 단선이 방지될 수 있는 복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭을 하나 이상 형성시킨 전극탭의 용접 특성을 개선한 전극 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 전극탭 및/또는 전극리드의 초음파 용접시 복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭을 하나 이상 형성시킨 전극탭을 적용하여 용접부의 용접 강도 산포를 균일화한 이차전지를 제공하는데 추가적인 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭이 하나 이상 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지 전극을 제공한다.
또한, 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭은 일정 거리로 이격되어 전극리드에 결합될 수 있다.
또한, 하나 이상의 상기 무지부 전극탭은 상기 전극리드의 폭을 벗어나지 않고 결합될 수 있다.
또한, 복수로 적층된 동일 전극의 상기 무지부 전극탭의 두께(Tt)는 겹쳐진 상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수에 반비례하여 감소 될 수 있다.
또한, 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭은 교번하여 겹치도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 무지부 전극탭과 용접되는 전극리드는 하단부는 상기 일정 거리만큼 타발하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 하단부에서부터 타발되는 길이는 절연테이프 영역까지 연장될 수 있다.
또한, 복수로 적층된 동일 전극의 상기 무지부 전극탭을 용접하기 위한 초음파 용접 혼에 있어서, 진동인가 플레이트; 상기 진동인가 플레이트 상에 적어도 1 이상 배치되는 돌출형 단위피치패턴이 형성되는 혼패턴영역;을 포함하며, 상기 혼패턴영역의 외각부는 상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수가 증가함에 따라, 상기 돌출형 단위피치패턴의 측면이 라운딩 처리되어 용접을 진행할 수 있다.
또한, 복수로 적층된 동일 전극의 상기 무지부 전극탭을 용접하기 위한 초음파 용접 혼에 있어서, 진동인가 플레이트; 상기 진동인가 플레이트 상에 적어도 1 이상 배치되는 돌출형 단위피치패턴이 형성되는 혼패턴영역;을 포함하며, 상기 혼패턴영역의 외각부는 상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수가 증가함에 따라, 상기 돌출형 단위피치패턴의 팁 날카로움(Sharpness)이 감소되어 용접을 진행할 수 있다.
또한, 상기 돌출형 단위피치패턴이 용접을 위해 상기 무지부 전극탭 및/또는 전극리드에 접하는 경우, 상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수가 증가함에 따라, 상기 돌출형 단위피치패턴이 상기 무지부 전극탭 및/또는 전극리드와 형성하는 상기 돌출형 단위피치패턴의 내부에 접하는 반지름(rh)이 증가되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 돌출형 단위피치패턴은 측벽면이 곡률을 구비하는 반구형 돌출패턴일 수 있다.
또한, 상기 이차전지 전극을 포함하는 이차전지는 젤리롤 또는 적층형인 것을 특징으로 하는 이차전지일 수 있다.
또한, 상기 이차전지 전극을 포함하는 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스일 수 있다.
또한, 상기 디바이스는 전자기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭이 하나 이상 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지 전극 및 이를 포함하는 이차전지에 의하면, 복수개로 구성된 전극탭의 용접시 발생하는 단선을 배제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 가압 상태의 용접이 가능하여 용접 시간과 진폭을 동일하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭과 용접되는 전극리드의 하단부를 상기 무지부 전극탭에 대응되도록 상기 하단부를 타발하여 이차전지 전극단차의 유연성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭이 형성되므로 상기 무지부 전극탭의 두께가 감소하여 초음파 용접 혼의 팁 날카로움이 감소되어 용접 불량율을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 파우치형 이차전지의 전극탭과 전극리드 용접부를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 파우치형 이차전지의 전극탭과 전극리드 용접 구성을 나타낸 개념도이다.
도 3은 종래 파우치형 이차전지의 단위피치패턴이 구성된 혼패턴영역의 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭과 전극리드 용접 구성을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단방향 파우치형 이차전지의 동일 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭 구성의 적용 전(a), 후(b) 구성을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 파우치형 이차전지의 양극 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭 구성의 적용 전(a), 후(b) 구성을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 파우치형 이차전지의 음극 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭 겹친 구성의 적용 전(a), 후(b) 구성을 나타낸 개념도이다.
도 8은 파우치형 이차전지의 전극탭 용접시 단위피치패턴의 단면 형상의 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭 용접시 단위피치패턴의 단면 형상의 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭과 전극리드의 용접을 위한 구성의 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭과 전극리드의 용접 구성시 용접 불량율 및 용접 인장강도 실험결과이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 종래 파우치형 이차전지의 전극탭과 전극리드 용접부를 나타낸 도면이다.
본 발명의 박판을 이용한 리드 단선을 개선하는 파우치형 이차전지는, 파우치에 의해 전극체가 밀폐되고 상기 파우치의 상측 외부로 양극탭과 음극탭이 인출되도록 형성되며 나란히 적층되는 한 쌍의 파우치형 셀, 및 상기 파우치형 셀들의 파우치가 밀폐되도록 결합되는 셀 케이스를 포함하며 나란히 적층 배열되는 수개의 파우치형 셀모듈; 을 포함하여 이루어진다.
상기 파우치형 셀모듈은 상기 파우치형 셀의 전극체가 상기 파우치에 의해 밀폐되도록 상기 파우치가 상기 전극체의 외면을 둘러싸는 형태로 형성된다. 그리고 상기 전극체의 일측으로 연장 형성되는 상기 양극탭과 음극탭이 상기 파우치의 외부로 인출되도록 형성된다. 즉, 상기 파우치형 셀은 상기 전극체에 그 일측으로 양극탭 및 음극탭이 연장 형성되어 이루어지며, 상기 파우치가 상기 양극탭과 음극탭을 제외한 상기 전극체만을 밀폐하도록 감싸는 형태로 이루어진다. 그리고 이와 같이 형성되는 상기 파우치형 셀은 한 쌍으로 이루어져 나란히 적층되며, 상기 파우치형 셀들은 파우치가 밀폐되도록 결합되는 셀 케이스가 외측면에 결합된다.
즉, 상기 파우치형 셀들의 양극탭 및 음극탭을 제외한 상기 파우치로 감싸있는 부분이 다시 상기 셀 케이스에 의해 둘러싸여 상기 셀 케이스에 의해 밀폐된다. 이때, 상기 셀 케이스는 내부에 일정한 공간이 확보될 수 있도록 상기 파우치에 밀착되지 않게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 파우치형 셀모듈은 일측으로 상기 양극탭 및 음극탭이 상기 셀 케이스의 외부로 인출되도록 형성되고, 상기 전극체는 상기 파우치에 의해 밀폐되며, 상기 파우치의 외측에 셀 케이스의 결합에 의해 다시 밀폐되어 2중으로 밀폐되는 구조를 이룬다.
이때, 상기 파우치형 셀의 전극체는 양극, 음극, 전해질 및 상기 양극과 음극을 분리하는 격리판으로 구성되어 전기가 충전 및 방전되는 부분이며, 상기 양극탭 및 음극탭은 상기 전극체에서 방전시 발생되거나 외부로부터 충전시 유입되는 전류를 전달하는 부분이다.
상기와 같이 형성되는 파우치형 셀모듈은 수개가 나란히 적층되도록 구성되며, 상기 셀 케이스의 외부로 인출되는 양극탭 또는 음극탭은 하나의 파우치형 셀모듈의 한 쌍의 양극탭이 결합되고 음극탭은 서로 이웃하는 파우치형 셀모듈의 음극탭와 결합되어 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
이때, 상기 양극탭 및 음극탭은 커넥터 또는 연결판 등을 이용하여 결합되거나 레이저 또는 초음파용접에 의해 결합될 수 있다. 본 발명은 상기 양극탭 및 음극탭과 양극리드 및 음극리드가 용접되는 용접부에서 발생되는 단선현상을 해결하기 위하여 안출한 것이다.
도 2는 종래 파우치형 이차전지의 전극탭과 전극리드 용접 구성을 나타낸 개념도이다.
초음파 용접기는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전극 조립체의 복수의 전극 탭과 전극 리드를 용접하기 위한 것으로서, 크게 혼(horn)과, 앤빌(anvil)과, 혼과 연결되어 혼을 진동시키는 초음파 액추에이터를 포함하여 이루어진다.
여기서, 전극 탭은 전극 조립체의 복수의 양극판으로부터 연장되어 있는 복수의 양극 탭과 복수의 음극판으로부터 연장되어 있는 복수의 음극 탭으로 구성된다. 혼은 초음파 액추에이터와 전기적으로 연결되어, 초음파 액추에이터에 의한 진동을 앤빌로 전달한다.
앤빌은 혼과 인접하게 마련되어, 용접물(복수의 양극 탭 및 양극 리드 또는 복수의 음극 탭 및 음극 리드)이 용접 가능하도록 용접물을 지지하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 초음파 용접 혼은 앤빌(anvil)에 의해 지지되는 용접대상물에 초음파 진동을 가하는 초음파 용접 혼(sonotrode horn)에 있어서, 상기 초음파 용접 혼은, 진동인가 플레이트와 상기 진동인가 플레이트 상에 적어도 1 이상 배치되는 돌출형 단위피치패턴이 형성되는 혼패턴영역을 구비하되, 상기 혼패턴영역의 외각부에 배치되어 외부에 노출되는 상기 단위피치패턴의 측면이 라운딩 처리되는 것을 특징으로 한다.
초음파 용접 혼의 구조에서 진동인가를 하는 돌출패턴이 형성되는 표면 영역을 본 발명에서는 '혼패턴영역'으로 정의하여 기술하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 혼패턴영역의 구조를 도시한 평면도이다.
상기 혼패턴영역은 다수의 단위피치패턴이 배치되는 구조로 형성되어 있으며, 상기 단위피치패턴은 기본적으로 첨부를 가지는 돌출패턴 형상을 구비하고 있다. 또한, 상기 혼패턴영역은 외부영역과 인접하는 개소에 배치되는 단위피치패턴과 외부와 인접하지 않은 개소에 배치되는 단위피치패턴으로 구분할 수 있다.
본 발명에서는 상기 단위피치패턴의 모서리 부분이 매우 날카로운 형상으로 구현되어, 이차전지의 리드부와 탭을 초음파 용접하는 경우 이 모서리부분의 날카로움으로 인해 용접대상물에 크랙이 발생하는 문제를 해소하기 위해, 상기 단위피치패턴의 모서리 부분을 라운딩처리하는 것을 특징으로 한다. 여기에서, '라운딩처리'란, 단위피치패턴의 모서리 부분을 일정한 곡률을 가지는 형상으로 구현하는 모든 방법을 포괄하는 개념이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭과 전극리드 용접 구성을 나타낸 개념도이다.
본 발명은 양극 또는 음극의 적층시 전극에 대한 무지부 전극탭의 영역을 1/2로 양분하여 설계한 각기 동일 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭의 전극을 순차적으로 적층한 구성이다. 이에 따라 각 전극층 간에 용접해야 할 무지부 전극탭 수를 1/2로 절감하여, 용접에 대한 효율성을 크게 개선한 전극 형상 및 이에 대한 단점을 개선한 신규 멀티 전극탭 터미널을 개발하였다.
복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭이 하나 이상 형성될 수 있다. 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭은 일정 거리로 이격되어 전극리드에 결합될 수 있다.
상기 무지부 전극탭은 (+)극과 (-)극이 전극조립체의 동일 방향에 형성되는 단방향 전극탭에 형성될 수 있으며, (+)극과 (-)극이 전극조립체의 대향 방향에 각각 형성되는 양방향 전극탭에 형성될 수 있다. 따라서, 형성되는 무지부 전극탭이 결합되는 전극리드도 이에 한정되는 것은 자명하다. 즉 무지부 전극탭이 복수개로 형성되어도 상기 동일 전극의 복수개 무지부 전극탭은 동일 전극의 단일 전극리드와 결합된다. 더하여 무지부 전극탭의 일정거리 이격범위는 용접되어야 하는 단일 전극리드의 폭을 벗어날 수 없는 것도 자명하다.
상기 전극탭은 적층형 전지에서 4방향 모두 가능함은 자명하다.
상기 무지부 전극탭 수를 1/2로 한정하는 것은 아니며 목적하는 전지 출력 및 용량을 확보된다면 동일 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수는 조절 가능함은 자명하다.
도 2와 비교하면 동일 출력과 용량을 구현하기 위한 무지부 전극탭의 두께(Tt)가 본 발명의 일실시예인 도 4의 경우, 교번하여 적층된 전극 구성을 통해, 전극탭의 용접 두께를 1/2로 줄일 수 있어, 용접시 무지부 전극탭에 가해지는 손상을 줄일 수 있다.
실시예인, 기존 적층형의 폴딩 전지셀의 경우, 양극 29장, 음극 28장으로 적층 수가 많아 전극탭의 용접시 전극탭의 손상 및 단선등의 문제가 발생하였다.
특히, 도 2의 초음파 용접을 하는 상단부 전극탭의 용접은 혼의 팁 깊이가 깊어져 손상이 심할 수 있다. 이러한 상단 용접부의 손상에 의한 탈리 가능성 증대하고 하단부 전극탭 용접의 경우에도 용접 두께 증가로 인한 미 용접 불량 발생 가능성이 증가한다.
또한, 전지팩 공정의 전극리드 버스바 용접 시에도 두꺼운 용접부에 대한 높은 에너지 용접이 필요하며, 이 때, 전지셀 안쪽에서 약하게 용접된 전극탭 용접 상단부 및 하단부에서는 용접 손상에 의한 추가 탈리 문제가 발생할 수 있다.
이차전지는 단방향 형태의 전극단자는 상기 전극조립체의 양극 및 음극 전극탭이 동일 방향에 형성된 후, 상기 전극탭에 전극리드가 연결되어 전극단자를 형성하는 것이다. 단방향 셀의 경우 전극리드 쪽의 발열 및 충전 및 방전시 셀의 활물질 사용의 불균일로 인해서 수명에 좋지 않은 단점이 있다.
양방향 형태의 전극단자는 상기 전극조립체의 양극 및 음극 전극탭이 상기 전극조립체의 대향면에 형성된 후, 상기 전극탭에 전극리드가 연결되어 전극단자를 형성하는 것이다. 양방향 셀의 경우 전지팩을 구성할 경우, 단방향 셀보다 공간을 많이 차지하게 됨으로써 에너지 밀도가 떨어지는 단점이 있다.
단방향으로 전극리드가 형성된 전지셀의 경우, 전극리드쪽의 발열 및 충전 또는 방전시 전극셀의 활물질 사용의 불균일성에 기인하여 수명에 좋지 않은 영향을 갖으며, 양방향으로 전극리드가 형성된 전지셀의 경우, 단방향 전지셀보다 패킹시 공간을 많이 차지하므로 에너지 밀도가 떨어지는 문제가 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단방향 파우치형 이차전지의 동일 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭 구성의 적용 전(a), 후(b) 구성을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 파우치형 이차전지의 양극 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭 구성의 적용 전(a), 후(b) 구성을 나타낸 개념도이다.
도 5 및 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이 기존 전극의 전극탭의 적용 면적을 동일 전극탭 폭(Tw)의 범위에서 유지하면서 전극의 전극탭 무지부 적용 면적을 1/2로 양분화하였다.
도 5 및 도 6의 (b)와 같이 동일 전극의 무지부 전극탭의 형태를 기존 제1음극탭과 제1양극탭에서 제1음극탭과 제2음극탭, 제1양극탭과 제2양극탭으로 디자인된 전극을 제조하였다.
두 전극을 순차적으로 적층하여 용접하고자 하는 전극탭 수와 용접층 두께를 1/2로 감소함으로써 용접성능을 개선하고 용접 수율을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 양방향 파우치형 이차전지의 음극 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭 겹친 구성의 적용 전(a), 후(b) 구성을 나타낸 개념도이다. 표현된 각 전극 사이 사이에는 음극에 대응되는 양극 전극과 절연을 위한 분리막도 위치되어 있지만, 음극의 무지부 전극탭이 교번되어 적층되는 개념도의 이해를 높이기 위하여 생략되었다. 추가적으로, 전극의 적층 구조에서 양/음극 전극은 직접적인 쇼트 방지를 위해 양극 크기는 음극보다 작고, 양/음극 사이의 분리막 크기는 음극 보다 크게 적용되어 있음은 자명하다. 따라서, 실제 전극 구성에 있어서는 교번되어지는 무지부 전극탭의 좌/우측 단차 발생에 대한 용접 특성을 고려해야 하며, 이를 용접하기 위해서는 도 10과 같이, 음극 리드의 형태를 변형하여, 단차에 대한 유연성을 주고, 용접 수율을 개선시킬 수 있다. 또 다른 방법으로는 초음파 용접 장치의 혼(horn)과, 앤빌(anvil)에 대하여, 무지부 전극탭의 좌/우측 단차를 고려한 단차 설계를 적용하고, 양측을 동시에 용접하거나, 좌/우측 각각의 전극탭을 개별적으로 용접하여 용접 수율을 개선시킬 수 있다.
도 8은 파우치형 이차전지의 전극탭 용접시 단위피치패턴의 단면 형상의 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭 용접시 단위피치패턴의 단면 형상의 개념도이다.
신규 음극 적층의 경우, 무지부 전극탭의 겹침에 의한 두께 상승을 방지하기 위해 적층시 전극탭 위치 산포를 감안한 일정거리 이격을 둘 수 있다. 이러한 경우에는 같은 극성에 대한 전극의 적층으로, 전극탭부 접촉으로 인한 쇼트 발생 가능성이 없다.
또한, 용접 적층수 감소로 혼의 단위피치패턴의 팁 날카로움(Tip sharpness)을 제어하여 용접 조건을 완화시키는 것이 가능하다.
복수로 적층된 동일 전극의 상기 무지부 전극탭을 용접하기 위한 초음파 용접 혼에 있어서, 진동인가 플레이트; 상기 진동인가 플레이트 상에 적어도 1 이상 배치되는 돌출형 단위피치패턴이 형성되는 혼패턴영역;을 포함하며, 상기 혼패턴영역의 외각부는 상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수가 증가함에 따라, 상기 돌출형 단위피치패턴의 측면이 라운딩 처리되어 용접을 진행할 수 있다.
복수로 적층된 동일 전극의 상기 무지부 전극탭을 용접하기 위한 초음파 용접 혼에 있어서, 진동인가 플레이트; 상기 진동인가 플레이트 상에 적어도 1 이상 배치되는 돌출형 단위피치패턴이 형성되는 혼패턴영역;을 포함하며, 상기 혼패턴영역의 외각부는 상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수가 증가함에 따라, 상기 돌출형 단위피치패턴의 팁 날카로움(Sharpness)이 감소되어 용접을 진행할 수 있다.
도 3의 혼의 팁부분의 형태는 기존 마름모 모양의 혼 모양이 전극탭의 나누어지는 수가 증가함에 따라 더 큰 마름모 모양으로 팁의 날카로움이 감소되는 형태로 변화되는 것을 의미한다.
상기 돌출형 단위피치패턴이 용접을 위해 상기 무지부 전극탭 및/또는 전극리드에 접하는 경우, 상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수가 증가함에 따라, 상기 돌출형 단위피치패턴이 상기 무지부 전극탭 및/또는 전극리드와 형성하는 상기 돌출형 단위피치패턴의 내부에 접하는 반지름(rh)이 증가되도록 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭과 전극리드의 용접을 위한 구성의 개념도이다.
음극의 경우에는 통상적으로 전극리드가 니켈계이기 때문에 기계적 강도가 높아 용접이 더 어렵고, 이 때, 도 10의 (c) 내지 (d)와 같이 음극 무지부 전극탭을 양분하여 교번 적층하고 전극을 두께를 1/2로 줄이며, 이 때 발생하는 단차를 고려한 신규 형태의 음극 리드탭을 적용하면, 유연성이 부여되어 용접 불량을 크게 줄 일 수 있다.
양극의 경우에는 전극 리드가 알루미늄계이기 때문에 용접이 용이하여, 도 10의 (a)와 같이 기존의 양극 탭 형태를 그대로 적용할 수도 있다. 그리고, 양극의 경우에도 상술한 음극의 경우와 같이, 신규 전극 형태를 적용할 수 있음은 자명하다.
(실시예)
본 발명에서 제안하는 신규 전극의 경우, 각기 다른 전극탭을 순차적으로 적층하기 때문에 전극간 두께만큼의 단차가 발생한다. 다만, 그 두께가 수십 ~ 수백 μm 수준이고, 용접해야 할 두께가 1/2로 줄었기 때문에, 기존 용접 Process에 대해서 큰 문제가 발생하지 않는 수준이지만, 이러한 두께 단차 만큼의 차이에 대해서도 용접 불량이 발생할 수 있다.
본 발명에서는 용접되는 전극탭 터미널의 하부 전극리드 형태를 새롭게 디자인하여, 용접할 전극 단차에 대하여 전극리드 용접부에 유연성(Flexibility)을 주었고, 용접 불량률을 추가적으로 개선하였다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지의 전극의 겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭과 전극리드의 용접 구성시 용접 불량율 및 용접 인장강도 실험결과이다.
도 11의 실시예2는 도 10 (c)의 경우와 같이 기존 전극리드의 하단부를 깊이(Ld1)만큼 타발하여, 무지부 전극탭 간의 용접부에 대한 단차를 보정하였다. 실제 자동차용 전지의 경우에는 전극리드의 두께가 두꺼워 하단부를 타발하여도 유연성이 떨어지기 때문에 도 11의 실시예3은 도 10 (d)와 같이 하단부를 깊이(Ld2)만큼 타발한 후, 보호필름인 PP 필름 적용 영역을 변경하여, 추가적인 유연성을 두어 단차부 용접 성능을 개선하였다.
상기 전극리드의 타발깊이(Ld)가 깊어 질수록 유연성은 증가하나 파우치 밀폐를 위한 실링(sealing) 특성이 저하될 수 있으므로 적절한 깊이로 타발되어야 한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100 : 전지셀
110 : 상부파우치
120 : 전극조립체
121 : 제1양극탭
122 : 제1음극탭
123 : 보호필름
124 : 양극리드
125 : 음극리드
126 : 용접부
127 : 제2양극탭
128 : 제2음극탭
129 : 타공부
130 : 하부파우치
200 : 초음파용접기
210 : 초음파 액츄에이터
220 : 혼
221 : 진동인가 플레이트
222 : 단위피치패턴
223 : 팁
230 : 앤빌

Claims (14)

  1. 복수로 적층된 동일 전극의 무지부 전극탭이 하나 이상 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지 전극으로서,
    겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭은 일정 거리로 이격되어 전극리드에 결합되고,
    겹쳐진 하나 이상의 상기 무지부 전극탭은 교번하여 겹치도록 형성되며,
    상기 무지부 전극탭과 용접되는 전극리드의 하단부는 상기 일정 거리만큼 타발하여 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지 전극.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 상기 무지부 전극탭은 상기 전극리드의 폭을 벗어나지 않고 결합되는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    복수로 적층된 동일 전극의 상기 무지부 전극탭의 두께(Tt)는 겹쳐진 상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수에 반비례하여 감소하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하단부에서부터 타발되는 길이는 절연테이프 영역까지 연장될 수 있는것을 특징으로 하는 이차전지 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    복수로 적층된 동일 전극의 상기 무지부 전극탭을 용접하기 위한 초음파 용접 혼에 있어서,
    진동인가 플레이트;
    상기 진동인가 플레이트 상에 적어도 1 이상 배치되는 돌출형 단위피치패턴이 형성되는 혼패턴영역;을 포함하며,
    상기 혼패턴영역의 외각부는 상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수가 증가함에 따라, 상기 돌출형 단위피치패턴의 측면이 라운딩 처리되어 용접을 진행할 수 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극.
  9. 제1항에 있어서,
    복수로 적층된 동일 전극의 상기 무지부 전극탭을 용접하기 위한 초음파 용접 혼에 있어서,
    진동인가 플레이트;
    상기 진동인가 플레이트 상에 적어도 1 이상 배치되는 돌출형 단위피치패턴이 형성되는 혼패턴영역;을 포함하며,
    상기 혼패턴영역의 외각부는 상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수가 증가함에 따라, 상기 돌출형 단위피치패턴의 팁 날카로움(Sharpness)이 감소되어 용접을 진행할 수 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 돌출형 단위피치패턴이 용접을 위해 상기 무지부 전극탭 및/또는 전극리드에 접하는 경우,
    상기 무지부 전극탭의 나누어지는 수가 증가함에 따라, 상기 돌출형 단위피치패턴이 상기 무지부 전극탭 및/또는 전극리드와 형성하는 상기 돌출형 단위피치패턴의 내부에 접하는 반지름(rh)이 증가되도록 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 전극.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 돌출형 단위피치패턴은 측벽면이 곡률을 구비하는 반구형 돌출패턴인것을 특징으로 하는 이차전지 전극.
  12. 제1항, 제3항, 제4항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 이차전지 전극을 포함하는 이차전지.
  13. 제12항에 따른 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 디바이스는 전자기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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