KR102422277B1 - 전극탭을 갖는 전극 어셈블리 및 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 전극 어셈블리는, 제1 전극과 제2 전극 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취된 전극 어셈블리에 있어서, 상기 제1 전극은 활물질이 코팅된 제1 코팅부와 활물질이 코팅되지 않으며 상기 제1 코팅부의 외측으로 돌출된 복수 개의 제1 전극탭을 포함하고, 상기 제1 전극에는 3회 권취 당 2개의 제1 전극탭이 돌출 형성된다.

Description

전극탭을 갖는 전극 어셈블리 및 이차 전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND RECHARGEABLE BATTERY HAVING ELECTRODE TAP}
본 발명은 전극 어셈블리 및 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극탭을 갖는 전극 어셈블리 및 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 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.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 고출력 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수 개의 이차 전지를 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지로 구성된다.
또한, 하나의 대용량 이차 전지는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지로 이루어지며, 이차 전지는 원통형과 각형 등으로 이루어질 수 있다. 또한 이차 전지는 충전과 방전을 수행하는 전극 어셈블리를 갖는데, 전극 어셈블리는 양극과 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함한다. 전극 어셈블리는 복수의 양극판과 음극판이 적층된 구조로 이루어지거나, 띠 형상의 양극과 음극이 권취된 구조로 이루어질 수 있다.
양극, 음극, 및 세퍼레이터를 적층하여 권취할 때 돌출된 전극탭을 정렬시키는 것은 매우 중요하며, 이를 위해서는 권취 종료 지점과 권취 시작 지점을 정확하게 파악해야 한다. 또한, 전극 사이의 간격이 증가하면 충전과 방전 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명은 고율방전 성능이 향상된 전극 어셈블리 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전극 어셈블리는, 제1 전극과 제2 전극 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취된 전극 어셈블리에 있어서, 상기 제1 전극은 활물질이 코팅된 제1 코팅부와 활물질이 코팅되지 않으며 상기 제1 코팅부의 외측으로 돌출된 복수 개의 제1 전극탭을 포함하고, 상기 제1 전극에는 3회 권취 당 2개의 제1 전극탭이 돌출 형성된다.
여기서 상기 제1 전극의 권취 횟수를 k라 할 때, 3k-2번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭과, 3k-1번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭은 상기 전극 어셈블리의 중심을 지나는 가상의 기준 평면을 사이에 두고 서로 반대편에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극의 권취 횟수를 k라 할 때, 3k-2번째 감겨진 부분과 3k-1번째 감겨진 부분에만 제1 전극탭이 돌출 형성되고, 3k-2번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭과 3k-1번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭은 서로 마주하도록 배치될 수 있다.
또한, 펼쳐진 상태에서의 상기 전극 어셈블리의 두께를 d1, 상기 제1 전극의 제일 내측면이 이루는 가상원(C1)의 반지름을 r1, 상기 제1 전극의 선단과 상기 가상원(C1)의 중심 및 첫번째 제1 전극탭의 중심을 이은 선분이 이루는 경사각을 θ1이라 할 때, 제1 전극의 내측 선단에서 3k-2번째 감겨진 부분의 제1 전극탭까지의 거리(y1)는 아래의 [수학식 1]을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015044447610-pat00001
또한, 제1 전극의 내측 선단에서 3k-1번째 감겨진 부분의 제1 전극탭까지의 거리(y2)는 아래의 [수학식 2]를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015044447610-pat00002
또한, 펼쳐진 상태에서의 상기 전극 어셈블리의 두께를 d1, 상기 제2 전극의 제일 내측면이 이루는 가상원(C2)의 반지름을 r2, 상기 제2 전극의 선단과 상기 가상원(C2)의 중심 및 첫번째 제2 전극탭의 중심을 이은 선분이 이루는 경사각을 θ2라 할 때, 상기 제2 전극의 내측 선단에서 3k-2번째 감겨진 부분의 제2 전극탭까지의 거리(z1)는 아래의 [수학식 3]을 만족할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015044447610-pat00003
또한, 상기 제2 전극의 내측 선단에서 3k-1번째 감겨진 부분의 제2 전극탭까지의 거리(z2)는 아래의 [수학식 4]를 만족할 수 있다.
Figure 112015044447610-pat00004
본 발명의 다른 측면에 따른 이차 전지는 제1 전극과 제2 전극 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취된 전극 어셈블리, 및 상기 전극 어셈블리를 수용하는 케이스를 포함하고, 상기 제1 전극은 활물질이 코팅된 제1 코팅부와 활물질이 코팅되지 않으며 상기 제1 코팅부의 외측으로 돌출된 복수 개의 제1 전극탭을 포함하고, 상기 제1 전극에는 3회 권취 당 2개의 제1 전극탭이 돌출 형성된다.
여기서 상기 제1 전극의 권취 횟수를 k라 할 때, 3k-2번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭과, 3k-1번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭은 상기 전극 어셈블리의 중심을 지나는 가상의 기준 평면을 사이에 두고 서로 반대편에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극의 권취 횟수를 k라 할 때, 3k-2번째 감겨진 부분과 3k-1번째 감겨진 부분에만 제1 전극탭이 돌출 형성되고, 3k-2번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭과 3k-1번째 감겨진 부에만 제1 전극탭은 서로 마주하도록 배치될 수 있다.
또한, 펼쳐진 상태에서의 상기 전극 어셈블리의 두께를 d1, 상기 제1 전극의 제일 내측면이 이루는 가상원의 반지름을 r1, 상기 제1 전극의 선단과 상기 가상원의 중심 및 첫번째 제1 전극탭의 중심을 이은 선분이 이루는 경사각을 θ1이라 할 때, 제1 전극의 내측 선단에서 3k-2번째 감겨진 부분의 제1 전극탭까지의 거리(y1)는 아래의 [수학식 1]을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015044447610-pat00005
또한, 제1 전극의 내측 선단에서 3k-1번째 감겨진 부분의 제1 전극탭까지의 거리(y2)는 아래의 [수학식 2]를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015044447610-pat00006
또한, 펼쳐진 상태에서의 상기 전극 어셈블리의 두께를 d1, 상기 제2 전극의 제일 내측면이 이루는 가상원의 반지름을 r2, 상기 제2 전극의 선단과 상기 가상원의 중심 및 첫번째 제2 전극탭의 중심을 이은 선분이 이루는 경사각을 θ2라 할 때, 상기 제2 전극의 내측 선단에서 3k-2번째 감겨진 부분의 제2 전극탭까지의 거리(z1)는 아래의 [수학식 3]을 만족할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015044447610-pat00007
또한, 상기 제2 전극의 내측 선단에서 3k-1번째 감겨진 부분의 제2 전극탭까지의 거리(z2)는 아래의 [수학식 4]를 만족할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112015044447610-pat00008
또한, 상기 이차 전지는 엔진의 시동용 전지로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 3회 권취당 2개의 전극탭이 형성되므로 전극탭들이 전극 어셈블리를 지지하여 스웰링 시에 전극 사이의 간격이 증가하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전극탭들이 전극들을 압착해서 케이스 내에 전극 어셈블리를 용이하게 삽입할 수 있다. 이에 따라 고율 방전에서 이차 전지의 성능이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 일부를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극을 펼쳐서 본 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극이 권취되는 가상원을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 가상원이 납작하게 가압된 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극을 펼쳐서 본 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극이 권취되는 가상원을 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예와 비교예의 방전율 변화와 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예와 비교예의 저온 시동시에 방전율 변화와 전압을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 일 실시예에 따른 이차 전지(101)는 제1 전극(양극)(11)과 제2 전극(음극)(12) 사이에 세퍼레이터(13)를 개재하여 귄취된 전극 어셈블리(10)와, 전극 어셈블리(10)가 내장되는 케이스(27)와, 케이스(27)의 개구에 결합된 캡 어셈블리(30)를 포함한다.
본 일 실시예에 따른 이차 전지(101)는 리튬 이온 이차 전지로서 각형인 것을 예로서 설명한다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 리튬 폴리머 전지 또는 원통형 전지 등 다양한 형태의 전지에 적용될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이차 전지(101)는 고출력의 각형 전지로서 특히 차량의 시동용 전지로 이루어질 수 있다. 차량의 시동용 전지의 경우 순간적인 고출력이 요구되므로 본 일 실시예와 같이 전극탭들을 상부로 돌출시키는 구조가 유리하다. 그러나 전극탭을 상부로 돌출시키는 구조의 경우에는 전극탭들을 정확하게 시키는 것이 매우 어렵다. 전극탭들을 정확하게 정렬시키기 위해서는 권취를 시작하는 지점과 종료하는 지점을 정확하게 확정하여야 전극탭들이 엇갈리지 않고 정확하게 적층될 수 있다.
케이스(27)는 대략 직육면체로 이루어지며, 일면에는 개방된 개구가 형성된다. 케이스(27)는 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속으로 이루어질 수 있다.
캡 어셈블리(30)는 케이스(27)의 개구를 덮는 캡 플레이트(31)와 캡 플레이트(31)의 외측으로 돌출되며, 제1 전극(11)과 전기적으로 연결된 제1 단자(21)와 캡 플레이트(31)의 외측으로 돌출되며 제2 전극(12)과 전기적으로 연결된 제2 단자(22)를 포함한다.
캡 플레이트(31)는 일방향으로 이어진 길쭉한 판 형태로 이루어지며, 케이스(27)의 개구에 결합된다. 캡 플레이트(31)에는 전해액 주입구(32)에 설치된 밀봉 마개(38)와 벤트 홀(34)에 설치되며 설정된 압력에서 개방될 수 있도록 노치(39a)가 형성된 벤트 플레이트(39)가 설치된다. 제1 단자(21) 및 제2 단자(22)는 캡 플레이트(31) 상부로 돌출되도록 설치된다.
제1 단자(21)는 제1 집전부재(41)를 매개로 제1 전극(11)과 전기적으로 연결되며, 제2 단자(22)는 제2 집전부재(42)를 매개로 제2 전극(12)과 전기적으로 연결된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 단자(21)가 음극과 전기적으로 연결되고, 제2 단자(22)가 양극과 전기적으로 연결될 수도 있다.
제1 단자(21)는 직사각형의 판 형상으로 이루어진다. 제1 단자(21)는 제1 집전부재(41)에 접합된 연결 단자(25)를 매개로 제1 전극(11)과 전기적으로 연결된다. 연결 단자(25)는 기둥 형상으로 이루어지며 연결 단자(25)의 상단은 제1 단자(21)에 끼움된 상태에서 용접으로 제1 단자(21)에 고정된다. 또한 연결 단자(25)의 상단은 제1 집전부재(41)에 용접으로 고정되며, 제1 집전부재(41)는 연결 단자(25)와 제1 전극(11)을 전기적으로 연결한다.
제1 단자(21)와 캡 플레이트(31) 사이에는 밀봉을 위한 실링 가스켓(59)이 단자가 관통되는 홀에 삽입 설치되고, 캡 플레이트(31)의 아래에는 제1 집전부재(41)를 지지하는 하부 절연부재(43)가 설치된다.
제1 단자(21)의 하부에는 제1 단자(21)와 캡 플레이트(31)를 전기적으로 연결하는 연결부재(58)가 설치된다. 이에 따라 캡 플레이트(31)와 케이스(27)는 양극으로 대전된다.
제2 단자(22)는 직사각형의 판 형상으로 이루어진다. 제2 단자(22)는 제2 집전부재(42)에 접합된 연결 단자(26)를 매개로 제2 전극(12)과 전기적으로 연결된다. 연결 단자(26)는 캡 플레이트(31) 및 제2 단자(22)를 관통하여 상단이 제2 단자(22)에 고정된다.
연결 단자(26)는 기둥 형상으로 이루어지며 연결 단자(26)의 상단은 제2 단자(22)에 끼움된 상태에서 용접으로 제2 단자(22)에 고정된다. 또한 연결 단자(26)의 상단은 제2 집전부재(42)에 용접으로 고정되며, 제2 집전부재(42)는 연결 단자(26)와 제2 전극(12)을 전기적으로 연결한다.
제2 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에는 밀봉을 위한 실링 가스켓(55)이 단자가 관통되는 홀에 삽입 설치되고, 캡 플레이트(31)의 아래에는 제2 단자(22) 및 제2 집전부재(42)를 캡 플레이트(31)에서 절연하는 하부 절연부재(45)가 설치된다.
한편, 제2 단자(22)의 하부에는 단락 홀(37)을 향하여 돌출된 단락 돌기가 형성된다. 제2 단자(22)는 단락 홀(37)을 덥도록 일방향으로 길게 연장되어 형성된다. 제2 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에는 제2 단자(22)와 캡 플레이트(31)를 전기적으로 절연하는 상부 절연부재(54)가 설치된다.
캡 어셈블리(30)는 제1 전극(11)과 제2 전극(12)을 단락시키는 단락부재(56)를 포함하는 바, 단락부재(56)는 캡 플레이트(31)와 전기적으로 연결되며, 이차 전지(101)의 내부 압력이 상승할 때 변형되어 제2 단자(22)와 연결된다.
캡 플레이트(31)에는 단락 홀(37)이 형성되며, 단락부재(56)는 단락 홀(37)에서 상부 절연부재(54)와 캡 플레이트(31) 사이에 배치된다. 또한 단락 홀(37)의 상부에는 제2 단자(22)가 단락 홀(37)을 덮도록 배치된다. 단락부재(56)는 아래로 볼록하게 호형으로 굴곡된 만곡부와 만곡부의 외측에 형성되며 캡 플레이트(31)에 고정된 테두리부를 포함한다.
이차 전지의 내부에서 이상반응으로 가스가 발생하면 이차 전지의 내부 압력이 상승한다. 이차 전지의 내부 압력이 기 설정된 압력보다 높아지면 만곡부가 상부로 볼록하도록 변형되며, 이때, 단락 돌기와 단락부재(56)가 맞닿아 단락을 유발한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 일부를 도시한 분해 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 전극 어셈블리(10)는 띠 형상의 제1 전극(11), 제2 전극(12) 및 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 배치된 세퍼레이터(13)를 포함하며, 권취된 구조로 이루어진다. 전극 어셈블리(10)는 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 세퍼레이터(13)를 개재한 상태에서 권회축(X1)을 중심으로 권취된 후, 납작하게 가압된다. 전극 어셈블리(10)는 하나의 제1 전극(11)과 하나의 제2 전극(12) 및 2개의 세퍼레이터(13)를 갖는다.
제1 전극(11)은 양극 집전체와 양극 집전체에 도포된 양극 활물질층을 포함하는데, 양극 집전체는 알루미늄 등의 금속 박판으로 이루어질 수 있으며, 양극 활물질층은 리튬계 산화물로 이루어질 수 있다. 양극 활물질층은 인산철리튬(LFP), 활성탄 및 도전제와 바인더를 포함한다.
제2 전극(12)은 음극 집전체와 음극 집전체에 도포된 음극 활물질층을 포함하는데, 음극 집전체는 구리 등의 금속 박판으로 이루어질 수 있으며, 음극 활물질층은 탄소계 활물질로 이루어질 수 있다. 음극 활물질층은 소프트카본과 도전제, 및 바인더를 포함한다. 세퍼레이터(13)는 다공성 박막으로 이루어지는데 폴리올레핀계 수지로 이루어질 수 있다.
전극 어셈블리(10)의 상단에는 캡 플레이트를 향하여 돌출된 제1 전극탭(11a)와 제2 전극탭(12a)가 형성된다. 제1 전극탭(11a)와 제2 전극탭(12a)는 전극 어셈블리(10)의 폭 방향으로 이격 배치된다.
제1 집전부재(41)는 연결 단자(25)에 접합된 상판(41a)과 상판(41a)에서 전극 어셈블리(10)를 향하여 절곡되어 제1 전극탭(11a)에 접합된 전극 부착부(41b)를 포함한다. 전극 부착부(41b)는 상판(41a)의 폭방향 단부에서 전극 어셈블리(10)와 평행하도록 절곡된다.
상판(41a)은 사각형의 판 형상으로 이루어지며, 연결 단자(25)의 하부에 용접으로 고정된다. 상판(41a)에는 결합 홀(41e)이 형성되며 이 결합 홀(41e)에 연결 단자(25)의 하부에 형성된 돌기가 끼움된 상태에서 연결 단자(25)와 상판(41a)이 용접된다.
상판(41a)에는 주변보다 작은 단면적을 갖는 퓨즈(41c)가 형성된다. 퓨즈(41c)에는 퓨즈 홀(41d)이 형성되어 퓨즈(41c)는 주변보다 작은 종단면적을 갖는다. 퓨즈 홀(41d)은 퓨즈(41c)의 중앙에 위치하며 퓨즈 홀(41d)의 양쪽 측단에 퓨즈(41c)가 형성되어 있다.
제2 집전부재(42)는 연결 단자(26)에 접합된 상판(42a)과 상판(42a)에서 전극 어셈블리(10)를 향하여 절곡되어 제2 전극탭(12a)에 직접 접합된 전극 부착부(42b)을 포함한다. 전극 부착부(42b)는 상판(42a)의 폭방향 단부에서 전극 어셈블리(10)와 평행하도록 절곡된다.
상판(42a)은 사각형의 판 형상으로 이루어지며, 연결 단자(26)의 하부에 용접으로 고정된다. 상판(42a)에는 결합 홀(42e)이 형성되며 이 결합 홀(42e)에 연결 단자(25)의 하부에 형성된 돌기가 끼움된 상태에서 연결 단자(25)와 상판(42a)이 용접된다.
상판(42a)에는 주변보다 작은 단면적을 갖는 퓨즈(42c)가 형성된다. 퓨즈(42c)에는 퓨즈 홀(42d)이 형성되어 퓨즈(42c)는 주변보다 작은 종단면적을 갖는다. 퓨즈 홀(42d)은 퓨즈(42c)의 중앙에 위치하며 퓨즈 홀(42d)의 양쪽 측단에 퓨즈(42c)가 형성되어 있다.
제1 전극(11)은 양극 활물질층이 형성된 제1 코팅부(11b)와 양극 활물질층이 형성되지 않은 제1 전극탭(11a)를 포함하는데, 제1 전극탭(11a)은 복수개가 적층된 구조로 이루어진다. 또한, 제2 전극(12)은 양극 활물질층이 형성된 제2 코팅부(12b)와 양극 활물질층이 형성되지 않은 제2 전극탭(12a)를 포함하는데, 제2 전극탭(12a)는 복수개가 적층된 구조로 이루어진다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극을 펼쳐서 본 평면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극이 권취되는 가상원을 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 제1 전극(11)에는 복수 개의 제1 전극탭들(11a)이 형성되며, 제1 전극탭(11a)은 제1 코팅부(11b)에서 상부로 돌출된다.
복수의 제1 전극탭(11a)이 제1 전극(11)의 길이방향을 따라 이격 배치되는데, 3회 권취 당 2개의 제1 전극탭(11a)이 돌출 형성된다. 즉, 제1 전극(11)의 권취 횟수를 k라 할 때, 3k-2번째와 3k-1번째 감겨진 부분에는 제1 전극탭(11a)이 형성되고, 3k번째 감겨진 부분에는 제1 전극탭(11a)이 형성되지 않는다.
전극 어셈블리(10)는 가상원(C1)을 따라 감겨질 수 있는데, 가상원(C1)은 제1 전극(11)의 제일 내측 면이 이루는 원을 의미한다. 권취된 모든 제1 전극(11)은 가상원(C1)을 갖는데, 전극 어셈블리(10)가 원이 아닌 타원 또는 다각형으로 감겨지는 경우에도, 감겨진 제1 전극(11)의 제일 내측 면을 원으로 변형시키면 가상원이 형성될 수 있다.
또한, 첫번째 제1 전극탭(11a)의 중심(T1)은 가상원의 중심(O1)과 제1 전극(11)의 내측 선단(S1)을 이은 기준선에서 경사각(θ1)을 갖도록 배치된다. 즉, 가상원(C1)의 반지름을 r1, 펼쳐진 상태에서의 전극 어셈블리의 두께를 d1이라 할 때, 첫번째 제1 전극탭(11a)은 제1 전극(11)의 내측 선단(S1)에서 2π(r1+d1)*(θ1/2π) 만큼 이격되어 있다. 펼쳐진 상태에서의 전극 어셈블리(10)의 두께(d1)는 하나의 제1 전극(11)의 두께와 하나의 제2 전극(12)의 두께 및 2개의 세퍼레이터(13)의 두께를 합한 값이 된다.
또한, 두번째 제1 전극탭(11a)의 중심(T2)은 제1 전극(11)의 내측 선단(S1)에서 -θ1의 경사각을 갖도록 배치된다. 이를 위해서 두번째 제1 전극탭(11a)은 제1 전극(11)의 내측 선단(S1)에서 2π(r+d1)+2π(r+2d1)-2π(r+2d1)*(θ1/2π)만큼 이격되어 있다.
제1 전극(11)이 3k-2번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭(11a)의 중심은 T1과 가상원(C1)의 중심(O1)을 이은 직선 상에 위치하며, 3k-1번째 감겨진 제1 전극탭(11a)의 중심은 T2와 가상원(C1)의 중심(O1)을 이은 직선 상에 위치한다.
이를 위해서 펼쳐진 상태에서의 전극 어셈블리(10)의 두께를 d1, 제1 전극(11)의 제일 내측면이 이루는 가상원(C1)의 반지름을 r1, 제1 전극(11)의 선단(S1)과 가상원(C1)의 중심(O1) 및 첫번째 제1 전극탭(11a)의 중심을 이은 선분이 이루는 경사각을 θ1이라 할 때, 제1 전극(11)의 내측 선단에서 3k-2번째 제1 전극탭까지의 거리(y1)는 하기의 [수학식 1]을 만족한다.
[수학식 1]
Figure 112015044447610-pat00009
또한, 제1 전극의 내측 선단에서 3k-1번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭까지의 거리(y2)는 하기의 [수학식 2]을 만족한다.
[수학식 2]
Figure 112015044447610-pat00010
상기한 바에 따라 도 6에 도시된 바와 같이 감겨진 제1 전극(11)은 3k-2번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭(11a)과, 3k-1번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭(11a)은 전극 어셈블리(10)의 중심을 지나는 가상의 기준 평면(F1)을 사이에 두고 서로 마주하도록 배치된다.
본 실시예에 따르면 제1 전극탭(11a)이 기준 평면(F1)을 사이에 두고 양쪽에서 서로 마주하도록 배치되므로 제1 전극탭(11a)을 서로에 대하여 고정하면 제1 전극탭들(11a)이 전극 어셈블리가 팽창되지 않도록 지지할 수 있다.
또한, 3회 권취당 2개의 제1 전극탭(11a)을 형성하면 3회 권취당 1턴에는 제1 전극탭(11a)이 형성되지 않는데, 이에 따라 제1 전극탭(11a)이 형성되지 않은 부분은 제1 전극탭(11a)이 형성된 부분에 의하여 가압 지지되므로 전극 어셈블리(10)를 더욱 안정적으로 지지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극을 펼쳐서 본 평면도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극이 권취되는 가상원을 도시한 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면 제2 전극(12)에는 복수 개의 제2 전극탭들(12a)이 형성되며, 제2 전극탭(12a)은 제2 코팅부(12b)에서 상부로 돌출된다.
복수의 제2 전극탭(12a)이 제2 전극(12)의 길이방향을 따라 이격 배치되는데, 3회 권취 당 2개의 제2 전극탭(12a)이 돌출 형성된다. 즉, 제2 전극(12)의 권취 횟수를 j라 할 때, 3j-2번째와 3j-1번째 감겨진 부분에는 제2 전극탭(12a)이 형성되고, 3j번째 감겨진 부분에는 제2 전극탭(12a)이 형성되지 않는다.
제2 전극(12)는 가상원(C2)을 따라 감겨질 수 있는데, 가상원(C2)은 제2 전극(12)의 제일 내측 면이 이루는 원을 의미한다. 또한, 첫번째 제2 전극탭(12a)의 중심(P1)은 가상원의 중심(O2)과 제2 전극(12)의 내측 선단(S2)을 이은 기준선에서 경사각(θ2)을 갖도록 배치된다. 즉, 가상원(C2)의 반지름을 r2, 펼쳐진 상태에서의 전극 어셈블리의 두께를 d1이라 할 때, 첫번째 제2 전극탭(12a)은 제2 전극(12)의 내측 선단(S1)에서 2π(r1+d1)*(θ2/2π) 만큼 이격되어 있다. 펼쳐진 상태에서의 전극 어셈블리(10)의 두께(d1)는 하나의 제2 전극(12)의 두께와 하나의 제2 전극(12)의 두께 및 2개의 세퍼레이터(13)의 두께를 합한 값이 된다.
또한, 두번째 제2 전극탭(12a)의 중심(P2)은 제2 전극(12)의 내측 선단(S2)에서 -θ2의 경사각을 갖도록 배치된다. 이를 위해서 두번째 제2 전극탭(12a)은 제2 전극(12)의 내측 선단(S2)에서 2π(r+d1)+2π(r+2d1)-2π(r+2d1)*(θ2/2π) 만큼 이격되어 있다.
제2 전극(12)이 3j-2번째 감겨진 부분에서 돌출된 제2 전극탭(12a)의 중심은 P1과 가상원(C2)의 중심(O2)을 이은 직선 상에 위치하며, 3j-1번째 감겨진 제2 전극탭(12a)의 중심은 P2와 가상원(C2)의 중심(O2)을 이은 직선 상에 위치한다.
이를 위해서 펼쳐진 상태에서의 전극 어셈블리(10)의 두께를 d1, 제2 전극(12)의 제일 내측면이 이루는 가상원(C2)의 반지름을 r2, 제2 전극(12)의 선단과 가상원(C2)의 중심(O2) 및 첫번째 제2 전극탭(12a)의 중심을 이은 선분이 이루는 경사각을 θ2이라 할 때, 제2 전극(12)의 내측 선단에서 3j-2번째 감겨진 부분에서 돌출된 제2 전극탭(12a)까지의 거리(z1)는 하기의 [수학식 3]을 만족한다.
[수학식 3]
Figure 112015044447610-pat00011
또한, 제2 전극(12)의 내측 선단에서 3j-1번째 감겨진 부분에서 돌출된 제2 전극탭(12a)까지의 거리(z2)는 하기의 [수학식 4]를 만족한다.
[수학식 4]
Figure 112015044447610-pat00012
상기한 바에 따라 도 6에 도시된 바와 같이 감겨진 제2 전극(12)은 3j-2번째 감겨진 부분에서 돌출된 제2 전극탭(12a)과, 3j-1번째 감겨진 부분에서 돌출된 제2 전극탭(12a)은 전극 어셈블리(10)의 중심을 지나는 가상의 기준 평면(F1)을 사이에 두고 서로 마주하도록 배치된다.
본 실시예에 따르면 제2 전극탭(12a)이 기준 평면(F1)을 사이에 두고 양쪽에서 서로 마주하도록 배치되므로 제2 전극탭(12a)을 서로에 대하여 고정하면 제2 전극탭들(12a)이 전극 어셈블리가 팽창되지 않도록 지지할 수 있다.
또한, 3회 권취당 2개의 제2 전극탭(12a)을 형성하면 3회 권취당 1턴에는 제2 전극탭(12a)이 형성되지 않는데, 이에 따라 제2 전극탭(12a)이 형성되지 않은 부분은 제2 전극탭(12a)이 형성된 부분에 의하여 가압 지지되므로 전극 어셈블리(10)를 더욱 안정적으로 지지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예와 비교예의 방전율 변화와 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
도 9는 출력 전압이 3.6V이고, 2Ah용량을 갖는 이차 전지를 0.05C(C-rate)로 컷오프(cut-off)한 후, 2V로 고율 방전을 수행한 결과를 나타낸다. 본 실시예에 따른 이차 전지는 3턴당 2개의 전극탭을 갖고, 비교예에 따른 이차 전지는 1턴당 하나의 전극탭을 갖는다.
도 9에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 이차 전지는 저율 방전에서는 비교예와 유사한 방전 용량을 갖지만, 10C 이상의 고율 방전에서 비교예에 비하여 현저히 우수한 방전 용량을 갖는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에 따른 이차 전지는 자동차 엔진 등의 시동을 위한 이차 전지로서 시동용 이차 전지는 고율 방전이 요구된다. 따라서 본 실시예와 같이 3회 권취당 2개의 전극탭을 형성하면 종래의 이차 전지들에 비하여 고율 방전에서 보다 우수한 방전 용량을 나타낼 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예와 비교예의 저온 시동시에 방전율 변화와 전압을 나타낸 그래프이다.
도 10은 출력 전압이 3.6V이고, 2Ah용량을 갖는 이차 전지를 0.05C(C-rate)로 컷오프(cut-off)하고, 영하 10도씨에서 1시간 방치한 후 1초동안 방전한 결과를 나타내고 있다.
도 10은 시동용 전지의 저온 시동성을 나타낸 것으로서 본 실시예에 따른 이차 전지는 0.1초까지 비교에 따른 이차 전지에 비하여 높은 전압을 나타낸 것을 알 수 있다. 또한 1초의 범위 동안 전체적으로 비교예의 이차 전지에 비하여 높은 전압을 나타낸다. 반면, 비교예의 이차 전지는 0.1초 이내에 전압이 급격하게 낮아지는 것을 알 수 있다. 상기한 바와 같이 본원 발명에 따른 이차 전지는 종래의 이차 전지에 비하여 고율 방전 특성 및 저온 시동 특성이 향상된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
101: 이차 전지 10: 전극 어셈블리
11: 양극 11a: 제1 전극탭
11b: 제1 코팅부 12: 음극
12a: 제2 전극탭 12b: 제2 코팅부
13: 세퍼레이터 21: 제1 단자
22: 제2 단자 25, 26: 연결 단자
27: 케이스 30: 캡 어셈블리
31: 캡 플레이트 32: 전해액 주입구
34: 벤트 홀 37: 단락 홀
38: 밀봉 마개 39: 벤트 플레이트
41: 제1 집전부재 42: 제2 집전부재
41a, 42a: 상판 41b, 42b: 전극 부착부
41c, 42c: 퓨즈 41d, 42d: 퓨즈 홀
41e, 41e: 결합 홀 43, 45: 하부 절연부재
54: 상부 절연부재 55, 59: 실링 가스켓
56: 단락부재 58: 연결부재
C1, C2: 가상원 F1: 기준 평면

Claims (15)

  1. 제1 전극과 제2 전극 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취된 전극 어셈블리에 있어서,
    상기 제1 전극은 활물질이 코팅된 제1 코팅부와 활물질이 코팅되지 않으며 상기 제1 코팅부의 외측으로 돌출된 복수 개의 제1 전극탭을 포함하고,
    상기 제1 전극의 권취 횟수를 k라 할 때, 상기 제1 전극에는 3회 권취 당 2개의 제1 전극탭이 돌출 형성되며,
    3k-2번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭과 3k-1번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭은, 상기 전극 어셈블리의 중심을 지나는 가상의 기준 평면을 사이에 두고 서로 반대편에 배치되어 고정되면서, 제1 전극탭이 형성되지 않은 3k번째 감겨진 부분이 가압되는 전극 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    펼쳐진 상태에서의 상기 전극 어셈블리의 두께를 d1, 상기 제1 전극의 제일 내측면이 이루는 가상원의 반지름을 r1, 상기 제1 전극의 선단과 상기 가상원의 중심 및 첫번째 제1 전극탭의 중심을 이은 선분이 이루는 경사각을 θ1이라 할 때, 제1 전극의 내측 선단에서 3k-2번째 감겨진 부분의 제1 전극탭까지의 거리(y1)는
    Figure 112015044447610-pat00013

    로 이루어진 전극 어셈블리.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 내측 선단에서 3k-1번째 감겨진 부분의 제1 전극탭까지의 거리(y2)는
    Figure 112022023780109-pat00014

    로 이루어진 전극 어셈블리.
  6. 제4 항에 있어서,
    펼쳐진 상태에서의 상기 전극 어셈블리의 두께를 d1, 상기 전극 어셈블리의 제일 내측면이 이루는 가상원의 반지름을 r2, 상기 제2 전극의 선단과 상기 가상원의 중심 및 첫번째 제2 전극탭의 중심을 이은 선분이 이루는 경사각을 θ2라 할 때, 상기 제2 전극의 내측 선단에서 3k-2번째 감겨진 부분의 제2 전극탭까지의 거리(z1)는
    Figure 112015044447610-pat00015

    로 이루어진 전극 어셈블리.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 전극의 내측 선단에서 3k-1번째 감겨진 부분의 제2 전극탭까지의 거리(z2)는
    Figure 112015044447610-pat00016

    로 이루어진 전극 어셈블리.
  8. 제1 전극과 제2 전극 사이에 세퍼레이터를 개재하여 권취된 전극 어셈블리;
    상기 전극 어셈블리를 수용하는 케이스;
    를 포함하고,
    상기 제1 전극은 활물질이 코팅된 제1 코팅부와 활물질이 코팅되지 않으며 상기 제1 코팅부의 외측으로 돌출된 복수 개의 제1 전극탭을 포함하고,
    상기 제1 전극의 권취 횟수를 k라 할 때, 상기 제1 전극에는 3회 권취 당 2개의 제1 전극탭이 돌출 형성되며,
    3k-2번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭과 3k-1번째 감겨진 부분에서 돌출된 제1 전극탭은, 상기 전극 어셈블리의 중심을 지나는 가상의 기준 평면을 사이에 두고 서로 반대편에 배치되어 고정되면서, 제1 전극탭이 형성되지 않은 3k번째 감겨진 부분이 가압되는 이차 전지.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8 항에 있어서,
    펼쳐진 상태에서의 상기 전극 어셈블리의 두께를 d1, 상기 제1 전극의 제일 내측면이 이루는 가상원의 반지름을 r1, 상기 제1 전극의 선단과 상기 가상원의 중심 및 첫번째 제1 전극탭의 중심을 이은 선분이 이루는 경사각을 θ1이라 할 때, 제1 전극의 내측 선단에서 3k-2번째 감겨진 부분의 제1 전극탭까지의 거리(y1)는,
    Figure 112015044447610-pat00017

    로 이루어진 이차 전지.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 내측 선단에서 3k-1번째 감겨진 부분의 제1 전극탭까지의 거리(y2)는
    Figure 112022023780109-pat00018

    로 이루어진 이차 전지.
  13. 제11 항에 있어서,
    펼쳐진 상태에서의 상기 전극 어셈블리의 두께를 d1, 상기 제2 전극의 제일 내측면이 이루는 가상원의 반지름을 r2, 상기 제2 전극의 선단과 상기 가상원의 중심 및 첫번째 제2 전극탭의 중심을 이은 선분이 이루는 경사각을 θ2라 할 때, 상기 제2 전극의 내측 선단에서 3k-2번째 감겨진 부분의 제2 전극탭까지의 거리(z1)는
    Figure 112015044447610-pat00019

    로 이루어진 이차 전지.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 전극의 내측 선단에서 3k-1번째 감겨진 부분의 제2 전극탭까지의 거리(z2)는
    Figure 112015044447610-pat00020

    로 이루어진 이차 전지.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 이차 전지는 엔진의 시동용 전지인 이차 전지.
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