KR19990066181A - 양.음극의 용량비를 보상한 2차 전지 - Google Patents

양.음극의 용량비를 보상한 2차 전지 Download PDF

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Abstract

목적 : 본 발명은 양·음극의 용량비를 보상한 2차 전지와 관한 것으로서, 2차 전지 내부의 전극 롤 어느 위치에서나 양·음극의 용량비율이 1 이상이 되도록 하는 2차 전지에 관한 것이다.
구성 : 대략 직사각형의 양·음극판 사이에 세퍼레이터를 위치시킨 극판군을 권취한 전극 롤이 캔의 내부에 삽입되고, 이 캔에 전해물질을 주입한 다음 안전변이 내장된 캡어셈블리와 절연가스킷으로 캔의 개구부를 밀봉하는 구조로 이루어진 2차 전지에 있어서, 상기 양·음극판의 표면에 도포되는 양·음극 활물질의 두께를 다르게 하는 것이 특징이다.
효과 : 따라서 본 발명은 2차 전지의 충방전 성능을 향상시키고, 나아가 전지의 폭발 위험에 따른 안전사고도 미연에 방지할 수 있다.

Description

양.음극의 용량비를 보상한 2차 전지
본 발명은 양·음극의 용량비를 보상한 2차 전지와 관한 것으로서, 더 상세하게는 양극 활물질에 대한 음극 활물질의 비율을 조절하여 2차 전지의 전지 성능을 최적화시키고, 2차 전지의 안전성을 확보할 수 있는 2차 전지에 관한 것이다.
2차 전지는 활물질이 도포된 양·음극판(substrate)을 세퍼레이터와 함께 권취하여 캔에 삽입한 후 이 캔에 전해물질을 주입하고, 전류를 인가했을 때 전해액의 분자들과 활물질 사이에서 발생하는 물리화학적 반응을 이용한 전지인데, 1회용으로 사용이 제한되는 기존의 1차 전지와 달리 전기 전자제품에 장착된 후 제품의 사용에 의해 소모된 에너지를 충전기로 재충전하여 반복 사용이 가능한 전지로서, 포터블화하는 전기 전자제품과 더불어 급속한 신장을 보이고 있다.
이러한 2차 전지에서 양극 활물질로 음극 활물질을 나눈 양·음극 용량비율(N/P rate)은 통상의 당 업계에서 1.2 내지 1.4 를 유지하는 데, 이것은 충방전시 양극에서 방출된 양극 이온이 음극으로 충분히 흡장될 수 있는 리저브(reserve)를 확보하기 위함이다. 예를 들어 양·음극 용량비율이 1 보다 적게 되면 2차 전지의 내부에서 금속 산화물이 석출되거나 전해액의 누수현상에 의한 전지의 충방전 성능을 저하시키며, 어떤 경우에는 전지의 내압이 상승해 폭발에 대한 위험성마저 내포하고 있다.
2차 전지의 종류는 양극이나 음극 혹은 전해액을 어떤 물질로 사용하냐에 따라 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 리튬이온전지 및 리튬폴리머 전지 등으로 나뉘며, 형태적으로는 원통형, 팩키지형 및 각형으로 구분된다.
특히 각형 2차 전지는 일반적인 구조를 살펴보면, 양극과 세퍼레이터 및 음극이 함께 권취된 전극 롤이 상기 음극과 접속된 캔의 내부에 수납되고, 이 캔의 상부에 캡어셈블리가 설치되어서 용접에 의해 밀봉되는 구조로 이루어지는 데, 캔의 내부에는 전해물질이 삽입되며 전극 롤의 상면과 하면에는 캡 어셈블리 및 캔과의 접촉을 방지하기 위해 각각 절연판이 설치된다. 캡 어셈블리는 캔의 상부에 용접되는 음극 플레이트와 그 중심에 배치되는 양극 플레이트를 포함하고, 음극 플레이트와 양극 플레이트의 사이에 절연판이 설치되며, 음극 플레이트와 양극 플레이트의 중심을 관통하여 결합되는 리벳이 전극 롤의 양극과 탭으로 연결되어서 전기적으로 접속된 구조로 이루어진다. 여기서 리벳은 별도의 가스켓을 개재하여 음극 플레이트와 절연된다.
이와같은 구조로 이루어진 각형 2차 전지에서 양·음극(이하 전극)은 양·음극판의 양면 표면에 양·음극 각각의 활물질을 일정두께로 도포하고 건조시킨 후 롤 프레스하여 제조하게 되는 데, 여기서 활물질의 역할은 내부의 전자나 이온을 흡장, 방출하여 2차 전지가 기전력을 발생토록 하거나 보존토록 한다.
한편, 상기 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 위치시키고 이들을 권취함으로써 전극 롤이 형성된다. 이런 전극 롤은 도 6에 도시한 바와 같이 대략 타원형 모양의 횡단면을 갖는 바, 횡단면을 기준으로 봤을 때 직선부(St)와 곡선부(L)로 나뉘어진다.
전극 롤(100)의 직선부(St)에서는 세퍼레이터(102)를 사이에 두고 대면되는 양극과 음극의 활물질이 동일한 길이로 존재하지만, 전극 롤의 곡선부(L)에서는 도 7에 도시한 바와 같이, 기하학적 특성상 양·음극(100b)(100a) 길이의 차이가 나타나고, 이는 각 양·음극 활물질의 길이 차이로 귀결된다. 이러한 양·음극 활물질의 길이의 차이는 전극 롤을 권취했을 때 양극(100b)이 전극 롤(100)의 최외곽에 위치하도록 권취하느냐 혹은 음극(100a)이 전극 롤(100)의 최외곽에 위치하도록 권취하는 냐에 따라 역전되어 나타난다.
이러한 차이를 도 7과 도 8에 자세하게 나타내고 있다. 즉, 양·음극(100b)(100a) 활물질의 두께를 T 라 하고, 전극 롤의 곡선부에서 곡률진 영역의 임의의 각도를 θ라 하며, 곡률진 영역의 중심부로부터 각 양·음극판까지의 직선 길이를 Rn으로 (여기서 n 은 전극 롤 중심부에서 외곽부 방향으로 양·음극판의 순서를 나타낸다.) 가정하면, 곡선부에서 연접된 각 극판의 원주길이(S)는 각각 Sn= θRn, Sn-1= θRn-1로 표시할 수 있다. 그리고 극판과 극판 사이의 직선 거리는 T 와 동일하므로 연접한 극판 사이의 원주길이 차이는 Sn- Sn-1= θRn- θRn-1= θ(Rn-1+ T) - θRn-1= θT , 즉 곡선부에서의 각도에 양·음극 활물질의 두께를 곱한 값이 되고, 여기에 두께와 전극 롤의 종축 방향 길이를 곱한 값이 연접한 양·음극의 활물질의 양의 차이가 됨을 알 수 있다.
이런 까닭에, 종래의 2차 전지에서는 도 9에 도시한 바와 같이, 음극이 전극 롤의 최외곽에 위치할 때(가), 전극 롤의 연접한 양·음극에서의 용량비율은 항상 1 이상이 유지되지만 양극이 전극 롤의 최외곽에 위치할 때(나)는 전극 롤의 연접한 양·음극에서의 용량비율이 1 이하인 영역이 존재함을 알 수 있다. 특히 이는 전극 롤을 형성하기 전의 양·음극판 전체 길이 중에서 한 선단부를 기준으로 약 7.1 퍼센트 되는 영역이 이에 해당한다.
이에 따라 각형 2차 전지의 충방전시, 양·음극 용량비율이 1 이하가 되는 부분에서 금속산화물이 석출이 되기 쉽고, 이는 전지의 성능을 감소시키는 원인이 되고, 특히 고율 충방전시 전지의 안전성을 급격히 열화시키는 원인이 된다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 2차 전지 내부의 전극 롤 어느 위치에서나 양·음극의 용량비율이 1 이상이 되도록 하는 2차 전지를 제공하는 것이 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 대략 직사각형의 양·음극판 사이에 세퍼레이터를 위치시킨 극판군을 권취한 전극 롤이 캔의 내부에 삽입되고, 이 캔에 전해물질을 주입한 다음 안전변이 내장된 캡어셈블리와 절연가스킷으로 캔의 개구부를 밀봉하는 구조로 이루어진 2차 전지에 있어서, 상기 양·음극판의 표면에 도포되는 양·음극 활물질의 두께를 다르게 하는 것이 특징이다.
이에 따라 세퍼레이터를 사이에 둔 양·음극의 용량비율이 1 이상을 유지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 관련된 각형 2차 전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도
도 2는 본 발명에 관련된 전극 롤의 횡단면을 도시한 개략도
도 3은 도 2의 A에서의 전극 길이 차이를 가시적으로 도시한 개략도
도 4는 본 발명의 특징에 따른 전극 롤에서의 양·음극 용량비율을 도시한 그래프
도 5는 본 발명의 특징에 따른 전극 롤에서의 양·음극 용량비율을 도시한 그래프
도 6은 종래 전극 롤의 횡단면을 도시한 개략도
도 7은 도 6의 B를 도시한 확대도
도 8은 도 6의 B에서의 전극의 길이 차이를 가시적으로 도시한 개략도
도 9는 종래 전극 롤에서의 양·음극 용량비율을 도시한 그래프
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
2 : 전극 롤 2a : 음극
2b : 양극 2c : 세퍼레이터
St : 직선부 L : 곡선부
이하 본 발명에 관련된 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
참고로 본 발명을 설명함에 있어, 종래 기술에서 인용된 도면과 동일한 본 발명의 구성에 대해서는 설명의 명료성을 위해 동일한 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명에 관련된 각형 2차 전지의 전체 구조를 나타내고 있다.
양극과 세퍼레이터 및 음극이 함께 권취된 전극 롤(2)이 상기 음극과 접속된 캔(4)의 내부에 수납되고, 그 캔(4)의 상부에는 캡 어셈블리(6)가 설치되어서 용접에 의해 밀봉되는 구조로 이루어진다. 상기 전극 롤(2)의 상면과 하면에는 캡 어셈블리(6) 및 캔(4)과의 접촉을 방지하기 위해 각각 절연판(8)이 설치된다.
캡 어셈블리(6)는 캔(4)의 상부에 용접되는 음극 플레이트(10)와 그 중심에 절연판(14)을 사이에 두고 배치되는 양극 플레이트(12)를 포함하고, 이들 모두를 관통하는 리벳(16)이 전극 롤(2)의 양극과 탭(18)으로 연결되어서 전기적으로 접속된 구조로 이루어진다. 리벳(18)은 별도의 가스켓(20)을 개재하여 음극 플레이트(10)와 절연된다. 그리고 음극 플레이트에는 전해액 주입구(22)를 형성하여 전해액을 주입한 후, 이에 플러그를 삽입하고 용접하므로서 밀봉되며, 또한 각형 2차 전지의 내부 압력이 이상 상승함으로써 발생할 수 있는 폭발을 방지하기 위해, 캡 어셈블리(6)의 음극 플레이트(10)에 기계적인 방법이나 에칭 및 전기주형법(electrofoaming)으로 일정한 홈을 형성한 안전변(24)을 설치한다.
이러한 구조로 이루어진 각형 2차 전지에서 본 발명의 특징에 따라 캔의 내부에 삽입된 전극 롤을 도 2에 의거하여 살펴보면, 양극(2b)과 음극(2a) 사이에 세퍼레이터(2c)를 위치시킨 극판군을 권취한 후 압착함으로써 전극 롤(20)이 형성된다. 이런 전극 롤(2)은 횡단면의 모양이 대략 타원형으로 형성되는 바, 횡단면을 기준으로 봤을 때 직선부(St)와 곡선부(L)로 나뉘어진다.
여기서, 양극(2b)이 전극 롤(2)의 최외곽부에 위치하느냐 혹은 음극(2a)이 전극 롤(2)의 최외곽부에 위치하는 냐에 따라 양·음극의 용량비율이 다르게 나타난다.
우선, 본 발명에 따른 양·음극판의 길이는 종래 양·음극판의 길이와 동일하고, 양극이 전극 롤의 최외곽부에 위치할 경우를 가시적으로 나타낸 도 3에 의거하여 살펴본다. 여기서, 양·음극(2b)(2a) 활물질의 두께는 T 라 하고, 전극 롤의 곡선부에서 곡률진 영역의 임의 각도를 θ라 하며, 곡률진 영역의 중심부로부터 각 양·음극판까지의 직선 길이를 Rn으로 가정하면, 곡선부에서 연접된 각 극판의 원주길이(S)는 각각 Sn= θRn, Sn-1= θRn-1로 표시할 수 있다. 단, n 은 전극 롤 중심부에서 외곽부 방향으로 양·음극의 순서를 나타낸다.
양극판의 양면에 도포된 활물질의 두께는 종래 양극판의 양면에 도포된 활물질의 두께와 동일하고, 음극판의 양면에 도포되는 활물질의 두께를 조절한다. 즉, 극판군에서 음극을 기준으로 양측면에 연접한 양극판의 한 면에 도포된 활물질의 두께를 T/2 라 하면, 상기 전극 롤에서의 외곽부를 지향할 음극판의 한 면에 도포된 활물질의 두께는 T/2 보다 큰 두께로 도포하고, 타 면의 두께는 T/2 보다 작은 두께로 도포하는 데, 이 때 음극판을 기준으로 양면의 두께의 차이 비율은 10 퍼센트 정도로 유지한다.
이와같은 방법으로 음극을 제작하여 양·음극의 용량비율을 산출하게 되면, 도 4에 도시한 바와 같이 전극 롤의 곡선부 중심에서 양·음극의 용량비율이 1 이상되고, 전극 롤의 곡선부 외측으로 갈수록 완만한 기울기를 갖고 양·음극 용량비율이 상승하게 되어 전극 롤 의 직선부를 포함한 전체 전극 롤에서의 양·음극 용량비율이 1 이상으로 나타난다. 즉, 극판군의 전체길이에 대해 극판군의 한 선단부에서부터 대략 7.1 퍼센트 정도의 영역에서, 전극 롤을 형성한 다음에 양·음극 용량비율이 1 이상이 된다. 단, 가로축은 전극 롤의 권취 회수를 나타내고, 세로축은 양·음극 용량비율을 나타낸다.
한편, 음극판의 양면에 도포된 활물질의 두께가 종래 양극판의 양면에 도포된 활물질의 두께와 동일하고, 양극판의 양면에 도포되는 활물질의 두께를 조절한다. 이 때는 상기 전극 롤의 중심부를 지향할 양극판의 한 면에 도포된 활물질의 두께는 T/2 보다 얇은 두께로 도포하고, 타 면의 두께는 종래 양극 활물질의 두께와 동일하게 유지한다. 이에 따라 음극판에 도포되는 활물질의 두께를 조절하는 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 전극 롤의 직선부를 포함하여 전체 전극 롤에서 양·음극 용량비율이 1 이상으로 유지된다.
다음으로, 음극이 전극 롤의 최외곽부에 위치할 경우에는 전극 롤의 중심부에서부터 최외곽부까지 연접한 양·음극 사이에서의 용량비율이 1 이상으로 나타나는 데, 도 5에서와 같이 전극 롤 전체에서의 양·음극 용량비율을 감안한 그래프는 전극 롤 중심부에서 외곽부로 갈수록 기울기가 완만히 감소하게 되고, 전극 롤의 최외곽부에서도 양·음극 용량비율은 1 이상이 된다.
다른 실시예로서, 양·음극판의 양면에 도포되는 양·음극 활물질의 두께를 모두 변화시켜 양극 혹은 음극이 전극 롤의 최외곽부에 위치할 어느 경우에서든지 연접한 양·음극 사이의 용량비율을 1 내지 1.2 사이로 유지하여 불필요한 양·음극 용량비율 증가를 억제하고 부족한 양·음극 용량비율을 증가시켜 양·음극에 도포되는 활물질의 양을 적절한 수준으로 유지하면서도 각형 2차 전지의 충방전 성능을 향상시킬 수 있다.
이상에서 제시한 바와 같이, 본 발명의 특징에 따른 각형 2차 전지는 종래의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.
즉, 세퍼레이터를 사이에 두고 전극 롤을 이루는 양·음극판에 도포되는 활물질의 두께가 적절하게 조절됨으로서 각형 2차 전지의 양·음극 용량비율이 1 이상을 유지한다.
따라서, 종래 2차 전지에서 양·음극 용량비율이 1 이하인 부분에서 발생되는 금속 산화물의 석출로 인한 전지의 충방전 성능 저하에 대한 요인을 제거하여 2차 전지의 충방전 성능을 향상시키고, 나아가 전지의 폭발 위험에 따른 안전사고도 미연에 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
참고로 본 발명은 각형 2차 전지에 국한되지 아니하며, 극판군을 권취하여 사용하는 어떤 종류의 2차 전지에서 모두 적용가능함을 밝혀둔다.

Claims (9)

  1. 대략 직사각형의 양·음극판 사이에 세퍼레이터를 위치시킨 극판군을 권취한 전극 롤이 캔의 내부에 삽입되고, 이 캔에 전해물질을 주입한 다음 안전변이 내장된 캡어셈블리와 절연가스킷으로 캔의 개구부를 밀봉하는 구조로 이루어진 2차 전지에 있어서,
    상기 양·음극판의 표면에 도포되는 양·음극 활물질의 두께를 다르게 함으로써 양·음극의 용량비를 보상한 2차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 음극이 전극 롤의 최외곽에 위치하고 상기 음극판의 양면에 도포되는 활물질의 두께가 다른 경우에, 음극판에 도포되는 활물질의 두께는 상기 음극판의 폭 방향으론 동일하고 길이 방향으로 조절되는 것을 특징으로 하는 양·음극의 용량비를 보상한 2차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 음극이 전극 롤의 최외곽에 위치하고 상기 음극판의 양면에 도포되는 활물질의 두께가 다른 경우에, 상기 음극 활물질의 두께는 음극판을 기준으로 양면의 두께가 다른 것을 특징으로 하는 양·음극의 용량비를 보상한 2차 전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 음극 활물질의 두께는 상기 음극판을 기준으로 했을 때 상기 전극 롤의 외곽부를 지향하는 음극 활물질의 두께가 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 양·음극의 용량비를 보상한 2차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 양면의 두께 차이 비율이 1 내지 100 퍼센트 정도인 것을 특징으로 하는 양·음극의 용량비를 보상한 2차 전지.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 음극이 전극 롤의 최외곽에 위치하고 상기 음극판의 양면에 도포되는 활물질의 두께가 다른 경우에, 상기 음극 활물질의 두께 차이 비율에 의해 상기 양극 활물질의 양으로 음극 활물질의 양을 나눈 값이 1 이상인 것이 특징인 양·음극의 용량비를 보상한 2차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 혹은 양극이 전극 롤의 최외곽에 위치하고 상기 양·음극판에 도포되는 양·음극 활물질의 두께가 모두 다른 경우에, 상기 양·음극판을 기준으로 양면에 도포되는 양·음극 활물질의 두께가 다른 것을 특징으로 하는 양·음극의 용량비를 보상한 2차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 양·음극판의 어느 한 면에서 양·음극 활물질의 두께는 어느 위치에서나 동일한 것이 특징인 양·음극의 용량비를 보상한 2차 전지.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 양·음극 활물질이 대면되는 영역에서 양극 활물질의 양으로 음극 활물질의 양을 나눈 값이 1 보다 큰 쪽에서 1 에 수렴하는 것을 특징으로 하는 양·음극의 용량비를 보상한 2차 전지.
KR1019980001884A 1998-01-22 1998-01-22 양.음극의 용량비를 보상한 2차 전지 KR100274884B1 (ko)

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