KR102593163B1 - 플렉서블 전지용 금속탭 - Google Patents

Abstract

금속 탭으로서, 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 리튬이차전지에서 상기 제 1 전극으로부터 돌출되어 연장된 전극탭 상에만 용착된 금속탭이며, 상기 제 1 전극은 제 2 전극보다 낮은 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 금속탭이 제공된다.

Description

플렉서블 전지용 금속탭{metal tab}

본 발명은 플렉서블 환경에서 발생할 수 있는 전지의 기계적 문제를 해결할 수 있는 플렉서블 전지용 금속탭에 관한 것이다.

이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 상기 휴대형 전자기기의 경량화와 고기능화 및 사물인터넷(Internet of things, IoT)이 발전함에 따라 그 구동 전원으로 사용되는 이차전지에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다.

특히, 리튬 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있어서 그 수요가 증가하고 있는 추세이다.

이차 전지는 전해물질에 양극과 음극을 삽입한 상태에서, 상기한 양극과 음극을 연결했을 때 전해물질과 전극 사이에서 발생되는 전기화학적 반응을 이용한 전지로서, 기존의 일차전지와는 달리 전기전자제품에서 소모된 에너지를 충전기에 의해 재충전하여 반복 사용할 수 있는 충전과 방전이 가능한 전지이므로 무선 전기전자제품의 대중화와 더불어 확산되고 있는 추세이다.

통상적으로, 양극판과 음극판과 사이에 분리막을 삽입하고 이들을 함께 나선형으로 권취시킨 젤리롤 형태의 권취형 전극 조립체, 또는 분리막을 사이에 두고 다수의 양극판과 음극판을 적층하여 형성된 플렉서블 적층형 전극 조립체를 리튬 이차 전지에 많이 사용하고 있다. 예를 들어, 원통형 전지는 권취형 전극 조립체를 원통형 캔에 수납하고 전해질을 주입한 후 밀봉하는 것이고, 각형 전지는 권취형 전극 조립체나 적층형 전극 조립체를 압박하여 납작하고 평평하게 만든 다음 각형 캔에 수납하는 것이다. 또한, 파우치형 전지는 권취형 전극 조립체나 적층형 전극 조립체를 전해질과 함께 파우치형 외장재로 포장한 것이다. 이러한 전극 조립체에서, 양극판과 음극판으로부터 각각 양극탭과 음극탭이 전극 조립체의 외부로 인출되어 이차 전지의 양극과 음극에 연결될 수 있다.

한편, 상하 방향으로 적층된 다수의 양극판과 음극판 상의 전극 탭을 통해 전극 리드에 연결하게 되는데, 종래의 전극 탭과 전극 리드 간의 결합구조는 직접 용착을 하는 과정에서 결합력이 다소 떨어지게 됨으로써, 구부리는 것과 같은 전지의 변형 사용 동작을 통해서 상기 전극 탭과 전극 리드 간에 결합에 문제가 발생하게 된다. 한국 공개특허공보 제10-2013-0063709호를 참조하여 파우치형 전지를 예를 들어 설명하면, 두 전극과 분리막, 전해질을 파우치에 넣고 실링하여 사용하는 파우치형 이차전지에 있어서, 파우치가 내부 수지 층, 금속박 층, 외부 수지 층으로 이루어지고, 내부 수지 층과 금속박 층이 맞닿는 면에 금속박 층 보다 반응성이 작은 버퍼 층이 형성되어 있다고 개시되어 있다. 이 경우, 금속박 층 보다 반응성이 작은 버퍼 층을 추가로 형성함으로써, 내부 수지 층에 마이크로 크랙(micro crack)이 발생하는 등 손상이 가는 경우에도 금속박 층의 산화 반응을 막음으로써, 전지의 외측 부식을 방지할 수 있는 장점이 있지만, 근본적으로 금속박은 벤딩시 구겨짐과 같은 변형에 취약하여 플렉서블 전지의 특성을 저하시키는 문제점이 있다.

종래 기술에서 일반적인 전지 어셈블리의 굽힘 동작시에는 굽힘 안쪽은 압축응력이 인가되고, 그 반대쪽에는 인장응력이 전지에 인가됨에 따라, 전지의 전극 조립체를 감싸는 외장재도 늘어나거나 좁혀지면서 국부적인 기계적 파손이 발생한다. 따라서, 플렉서블 특성에 적합한 새로운 플렉서블 전지 어셈블리가 필요한 상황이다.

더 나아가, 일반적인 리튬이차전지의 집전체의 경우 활물질에서 발생되는 전자를 외부로 흐를 수 있는 경로는 제공하는데 이때 상이한 극성을 갖는 전극으로부터 돌출되어 연장된 전극탭은 서로 다른 특성을 갖는 각각의 금속을 사용한다. 예를 들어 음극 집전체로는 구리가 주로 사용된다. 그 이유는 알루미늄의 경우 음극의 작동전위에서 리튬과 반응하여 합금을 생성하기 때문이다. 반면, 구리의 경우에는 음극의 작동전위에서 산화환원반응에 참여하지 않아 안정적이다. 이때, 알루미늄과 같이 영률(Young's modulus)이 낮은 금속 집전체와, 구리 등과 같이 상대적으로 영률이 높은 금속집전체를 함께 사용하는데, 각 요소의 연신율, 두께 등이 상이한 경우 전지의 굽힘 시, 응력을 효과적으로 최소화하는 기술이 필요한데, 특히 전극과 전극리드 사이의 영률 차이에 따른 문제를 효과적으로 해결하는 기술이 필요하다.

(특허문헌 1) KR10-2013-0063709 A

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 플렉서블 환경에서 발생할 수 있는 전지의 기계적 문제를 해결할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 리튬이차전지에서, 상기 제 1 전극으로부터 돌출되어 연장된 전극탭 상에만 용착된 금속탭이며, 상기 제 1 전극은 제 2 전극보다 높은 영률(Young's modulus)을 갖는 것을 특징으로 하는 금속탭인 것을 특징으로 한다.

상기 리튬이차전지는, 상기 금속탭 상에 전극 리드가 접합되며, 상기 제 1 전극, 금속탭 및 전극리드의 영률(Young's modulus)은 전극리드 > 금속탭 ≥ 제 1 전극 순서이다.

상기 금속탭은 상기 제 1 전극과 동일 재질 금속이며, 상기 제 1 전극보다 두꺼울 수 있다.

본 발명에 따르면, 전극 중 일정 수준 이하의 연신율 및 굽힘성을 갖는 전극 상에 보다 두꺼운 두께의 전극리드와 연결되는 금속탭을 사용한다. 이를 통하여 두께 및 연신율 차이에 따른 전극과 리드간 분리 문제를 효과적으로 해결한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속탭이 전극탭 상에 결합된 모습의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속탭의 두께에 따라, 전지를 충전 및 방전함과 동시에 굽힘 시험을 진행할 때, 굽힘 횟수에 따른 전압의 변화를 보이는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플렉서블 전지에 대하여 설명하기로 한다.

이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속탭이 전극탭 상에 결합된 모습의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 금속탭(100)은, 분리막(400)을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극(200) 및 제 2 전극(300)을 포함하는 리튬이차전지에서 사용되는데, 두 종류의 전극 중 보다 높은 영률(Young's modulus)을 가짐으로써 휜 상태에서 응력을 많이 받게 되는 전극인 제 1 전극(200)에 사용된다.

본 발명에 따른 금속탭(100)은 상기 제 1 전극(200)에서부터 전기적 연결을 위하여 돌출된 탭(210, 이하 전극탭) 상에 접합된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 금속탭(100)은 제 1 전극(200)보다 낮은 영률의 제 2 전극(300)에서는 사용되지 않는데, 그 이유는 휜 상태에서 발생하는 응력에 의한 전극리드-전극 간 분리문제는 제 1 전극(200)에서 주로 발생하기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 금속탭(100)의 영률은 제 1 전극(200) 보다는 크거나 같지만, 금속 리드(500)보다는 작은 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서는 굽힘 시 발생하는 응력의 정도를 두께로 제어하는데, 도 1에서 상기 금속탭(100)의 두께는 적어도 상기 제 1 전극(200)의 두께보다 더 두껍다.

그 이유는 제 1 전극(200)보다 두꺼운 두께이어야만, 높은 영률을 갖는 전극 리드(500)의 휨에 따라 발생하는 응력을 효과적으로 흡수할 수 있기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 리튬이차전지는 휘어지는 특성을 갖는 플렉서블 리튬이차전지이며, 상기 리튬이차전지의 최대 구부러짐 각도의 내각 범위는 10° 내지 180°이다. 즉, 본 발명은 플렉서블 특성의 리튬이차전지에서 발생하는 응력문제, 특히 두꺼운 두께의 전극리드(예를 들어 니켈)도 함께 휘는 경우 얇은 두께의 제 1 전극(예를 들어 구리)이 찢어지거나 분리되는 문제를 해결하기 위하여, 금속 탭을 제 1 전극과 전극리드 사이에 사용하였다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속탭의 두께에 따라, 전지를 충전 및 방전함과 동시에 굽힘 시험을 진행할 때, 굽힘 횟수에 따른 전압의 변화를 보이는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 20㎛의 금속탭을 적용하여 굽힘 시험을 진행한 경우에 굽힘 시험을 가하지 않은 경우와 거의 근접한 결과를 보이는 것으로 확인할 수 있다.

Claims (4)

1. 리튬이차전지를 구성하는 금속 탭으로서,
   상기 리튬이차전지는 제 1 전극, 제 2 전극 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 분리막을 포함하고, 상기 금속탭은 상기 제 1 전극과 연결된 제 1 전극탭 상에 형성되며,
   상기 제 1 전극의 집전체는 제 2 전극의 집전체보다 높은 영률(Young's modulus)을 갖고,
   상기 금속탭 상에 전극리드가 접합되며,
   상기 제 1 전극, 금속탭 및 전극리드 간의 영률 관계는 전극리드 > 금속탭 ≥ 제 1 전극인 것을 특징으로 하는 금속탭.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 리튬이차전지의 최대 구부러짐 각도의 내각 범위는 10° 내지 180° 인 것을 특징으로 하는 금속탭.
   
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속탭은 상기 제 1 전극과 동일 재질 금속이며, 상기 제 1 전극보다 두꺼운 두께인 것을 특징으로 하는 금속탭.

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