KR20040058918A - 전지부와, 이의 감는 방법과, 이를 채용하여 제조된 리튬이차 전지 - Google Patents

Abstract

전지부와, 이의 감는 방법과, 이를 채용하여 제조된 리튬 이차 전지을 개시한다. 본 발명은 제1 전극 리드가 형성된 제1 전극판과, 세퍼레이터와, 제2 전극 리드가 부착된 제2 전극판 순으로 배치되어 감겨진 전지부;와, 제1 및 제2 전극판의 감기 시작부 사이에 배치되며, 세퍼레이터의 표면에 부착된 절연 테이프;와, 전지부가 수용되는 공간부를 제공하는 캔;과, 캔의 상단부에 결합되며, 캡 플레이트와, 캡 플레이트에 형성된 단자 통공을 통하여 결합되고 그 외면에 캡 플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극 단자를 가지는 캡 조립체;를 포함하는 것으로서, 전극 리드가 부착된 전극 집전체와 상응하는 세퍼레이터의 표면에 절연 테이프가 부착된 상태에서 전지부의 감기가 됨으로써, 이중층의 절연체로 인하여 전극 리드가 세퍼레이터를 찢어서 극성을 달리하는 다른 극판의 전극 리드와 전기적으로 접촉하는 현상을 미연에 방지할 수 있다.

Description

전지부와, 이의 감는 방법과, 이를 채용하여 제조된 리튬 이차 전지{Battery unit and the winding method thereof and lithum secondary battery using the same}

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 극판간의 단락을 방지하기 위하여 전지부의 구조가 개선된 전지부와, 이의 감는 방법과, 이를 채용하여 제조된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

통상적으로, 이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀루라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.

특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

도 1은 미국 특허 번호 제5,508,122호에 개시된 전지(10)의 감기 시작부의 위치 관계를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 전지(10)의 감기 끝부를 나타낸 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 전지(10)는 양극판(1)과, 음극판(2)과, 세퍼레이터(3)를 포함한다. 상기 양극판(1)은 도전성 양극 코어(11)와, 상기 양극 코어(11)의 양면에 코팅되는 양극 슬러리를 포함하고 있다. 상기 양극판(1)에는 양극 슬러리가 코팅되지 않은 부분에 양극 리드(12)가 용접되어 있다. 상기 음극판(2)은 도전성 음극 코어(21)와, 상기 음극 코어(21)의 양면에 코팅되는 음극 슬러리를 포함하고 있다. 상기 음극판(2)에는 음극 슬러리가 코팅되지 않은 부분에 음극 리드(22)가 용접되어 있다.

상기와 같은 구조를 가지는 전지(10)는 권심(windng spool,4)에 대하여 세퍼레이터(3), 양극판(1), 음극판(2)의 순서로 감기 시작한다. 이때, 상기 음극판(2)은 양극판(1)의 선단에서 15 밀리미터 이상 지연되어서 감기기 때문에 양극 리드(12)의 표면은 양극 코어(11) 및 세퍼레이터(3)가 배치된 상태가 된다.

상기 전지(10)의 감기 끝부분에는 음극 리드(22)의 표면은 세퍼레이터(3)가 배치된 상태이고, 양극 슬러리의 최종 단부에서 절연 테이프(5)를 붙여서 시작하고, 이후에 음극 리드(22)가 감기도록 한 것에 의하여 전지(10)를 고정할 수 있음과 동시에 음극 리드(22)의 대향 부분에 양극판(1)을 존재시키지 않을 수 있다.

이처럼, 종래의 전지(10)는 젤리-롤형의 전지부를 최초 감는 양극 슬러리가 코팅되지 않은 부분에 양극 리드(12)를 용접하고, 상기 양극 리드(12)가 부착된 양극 코어(11)를 한바퀴 이상 감고난 후에 세퍼레이터(3)를 사이에 두고, 음극판(2)이 공히 감기면서 최외곽에 나머지 전극 리드인 음극 리드(22)가 부착되도록 감게 된다.

그런데, 종래의 전지(10)는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

양극 코어(11)와 용접된 양극 리드(12)는 전지(10)의 최내곽에 위치시키고, 양극 리드(12)를 한 바퀴 감은 다음에 세퍼레이터(3)를 사이에 두고, 음극 코어(21)에 용접된 음극 리드(22)를 전지(10)의 최외곽에 위치시켜야 하는 일련의 감기 공정이 복잡하게 되어서 생산성이 저하된다.

또한, 양극 슬러리가 코팅되지 않은 부분에 양극 리드(12)를 부착시키고, 이를 적어도 한 바퀴 이상 감은 다음에 극성을 달리하는 극판이 위치하게 되므로, 극판의 소모가 많아지고, 권취 리드 타임이 증가하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극 리드가 부착되는 표면에 절연 테이프를 부착시켜 전지부를 감게 되여서 권취 리드 타임이 감소되고, 극판 길이를 감소시키는 것에 의하여 전지부의 두께를 감소시킬 수 있도록 구조가 개선된 전지부와, 이의 감는 방법과, 이를 채용하여 제조된 리튬 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 전지의 감기 시작부의 위치 관계를 도시한 단면도,

도 2는 도 1의 전지의 감기 끝부를 도시한 단면도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지를 일부 확대 도시한 분리 사시도,

도 4는 도 3의 전지부의 전극 리드가 형성된 부분을 도시한 분리 사시도,

도 5는 도 3의 전지부의 감기 시작부를 도시한 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

30...리튬 이차 전지 31...캔

32...전지부 33...양극판

34...음극판 35...세퍼레이터

36...양극 리드 37...음극 리드

43...절연 테이프 300...캡 조립체

310...캡 플레이트 320...가스켓

330...음극 단자

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 전지부는,

제1 전극 리드가 형성된 제1 전극 집전체와, 상기 제1 전극 집전체의 적어도 일면에 코팅되는 제1 전극 활물질층으로 된 제1 전극판;

제2 전극 리드가 형성된 제2 전극 집전체와, 상기 제2 전극 집전체의 적어도 일면에 코팅되는 제2 전극 활물질층으로 된 제2 전극판;

상기 제1 전극판 및 제2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터; 및

전극 리드가 부착되는 전극 집전체간의 단락을 방지하기 위하여 상기 전극판의 감기 시작부에 위치하며, 상기 세퍼레이터의 표면에 부착된 절연 테이프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 절연 테이프는 상기 제1 또는 제2 전극 리드중 적어도 어느 하나의 전극 리드가 부착되는 전극 집전체의 상응하는 부분에 이를 커버하도록 배치된 것을 특징으로 한다.

게다가, 절연 테이프가 부착된 세퍼레이터는 대향되는 제1 전극 리드와 제2 전극 리드 사이에 위치한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전지부의 감는 방법은,

제1 전극 리드가 부착된 제1 전극 집전체로 된 제1 전극판을 공급하는 단계;

제2 전극 리드가 부착된 제2 전극 집전체로 된 제2 전극판을 공급하는 단계;

상기 제1 및 제2 전극판의 감기 시작부 사이에 절연 테이프가 위치하도록, 상기 절연 테이프가 표면에 부착된 세퍼레이터를 공급하는 단계; 및

상기 세퍼레이터를 사이에 두고, 제1 및 제2 전극판을 일방향으로 공히 감는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 세퍼레이터를 공급하는 단계에서는,

상기 절연 테이프가 제1 또는 제2 전극 리드중 어느 하나의 전극 리드가 부착되는 전극 집전체의 상응하는 부분에 위치하도록 세퍼레이터와 공히 공급되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 전지부를 채용하여 제조된 리튬 이차 전지는,

제1 전극 리드가 형성된 제1 전극판과, 세퍼레이터와, 제2 전극 리드가 부착된 제2 전극판 순으로 배치되어 감겨진 전지부;

상기 제1 및 제2 전극판의 감기 시작부 사이에 배치되며, 상기 세퍼레이터의 표면에 부착된 절연 테이프;

상기 전지부가 수용되는 공간부를 제공하는 캔;

상기 캔의 상단부에 결합되며, 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트에 형성된 단자 통공을 통하여 결합되고 그 외면에 상기 캡 플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극 단자를 가지는 캡 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 상세하게 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지(30)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 리튬 이차 전지(30)는 캔(31)과, 상기 캔(31)의 내부에 수용되는 전지부(32)와, 상기 캔(31)의 상단부에 결합되는 캡 조립체(300)를 포함한다.

상기 캔(31)은 각형의 금속재로서, 그 자체가 전지부(32)의 한 전극 단자와 전기적으로 연결되어서 전극 단자로서 역할을 하고 있다. 상기 캔(31)은 알루미늄 소재로 이루어져 있다.

상기 전지부(32)는 양극판(33)과, 음극판(34)과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터(35)를 포함한다. 상기 양극 및 음극판(33)(34)과, 세퍼레이터(35)는 각각 한 장의 스트립으로 이루어져 있으며, 세퍼레이터(35)를 사이에 두고 양극판(33)과 음극판(34)이 배치되어서 일방향으로 감겨져 있다. 상기 양극 및 음극판(33)(34)으로부터는 양극 리드(36)와 음극 리드(37)가 각각 인출되어 있다.

상기 캡 조립체(300)에는 캡 플레이트(310)가 마련되어 있다. 상기 캡 플레이트(310)는 상기 캔(31)의 개방구를 밀폐시킬 수 있도록 이와 상응하는 형상과 크기를 가지는 금속판이다.

상기 캡 플레이트(310)의 중앙부에는 단자 통공이 형성되어 있고, 상기 단자 통공에는 가스켓(320)에 의하여 이와 절연된 전극 단자(330)가 삽입 고정되어 있다. 또한, 상기 캡 플레이트(310)의 일측에는 전해액 주입공이 형성되어 있으며, 상기 전해액 주입공은 볼(340)에 의하여 밀폐되어 있다.

한편, 전지부(32)와 캡 조립체(300)의 사이에는 이들의 전기적 절연과, 전지부(32)의 위치 이동을 방지하기 위하여 절연 케이스(350)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(350)는 절연성을 가지는 소재인 고분자 수지이며, 폴리 프로필렌으로 된 것이 바람직하다.

본 발명의 특징에 따르며, 상기 전지부(32)의 전극 리드(36)(37)가 부착되는 극판(33)(34)의 영역에서 전기적 단락을 방지하기 위하여 별도의 절연 테이프가 개재되어 있다는데에 있다.

보다 상세하게는 도 4에 도시된 바와 같다.

여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조 번호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.

도 4를 참조하면, 상기 전지부(32)는 스트립으로 된 양극판(33)과, 음극판(34)과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터(35)를 포함한다.

상기 양극판(33)은 박판의 금속 호일, 예컨대 알루미늄 호일로 된 양극 집전체(41)와, 상기 양극 집전체(41)의 적어도 일면에 코팅되는 양극 활물질층(42)을 포함하고 있다. 상기 양극 활물질층(42)은 리튬계 산화물을 주성분으로 하고 있다.

상기 양극 집전체(41)에는 양극 활물질층(42)이 코팅되지 않은 영역인 양극 무지부(positive electrode uncoated area, 41a)가 존재하고 있다. 상기 양극 무지부(41a)는 전지부(32)의 감기 공정시 감기 시작부에 해당된다.

상기 양극 무지부(41a)의 표면에는 양극 리드(43)가 부착되어 있다. 상기 양극 리드(43)는 상기 양극 집전체(41)의 폭방향으로 부착되어 있으며, 단부는 상기 양극 집전체(41)의 상단부 위로 돌출하여 있다. 상기 양극 리드(43)는 양극 집전체(41)에 대하여 초음파 용접되어 있다.

상기 음극판(34)은 박판의 금속 호일, 이를테면 구리 호일로 된 음극 집전체(410)와, 상기 음극 집전체(420)의 적어도 일면에 코팅되는 음극 활물질층(420)을 포함하고 있다. 상기 음극 활물질층(420)은 탄소재를 주성분으로 하고 있다.

상기 음극 집전체(410)에도 음극 활물질층(420)이 코팅되지 않은 영역인 음극 무지부(negative electrode uncoated area, 411)가 존재하고 있다.

상기 음극 무지부(411)의 표면에는 음극 리드(430)가 부착되어 있다. 상기음극 리드(430)도 양극 리드(430)와 마찬가지로 상기 음극 집전체(410)의 폭방향으로 부착되어 있으며, 단부는 상기 음극 집전체(411)의 상단부 위로 돌출하여 있다. 상기 음극 리드(430)는 음극 집전체(410)에 대하여 초음파 용접되어 있다.

상기 세퍼레이터(35)는 양극판(33)과 음극판(34) 간의 절연을 위하여 적어도 한장 이상 배치되어 있다. 상기 세퍼레이터(35)는 폴리 에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어져 있다. 상기 세퍼레이터(35)는 상기 양극 및 음극판(33)(34)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판(33)(34) 간의 단락을 방지하기 위하여 유리하다고 할 것이다.

이때, 상기 세퍼레이터(35)에는 절연 테이프(490)가 부착되어 있다. 즉, 상기 세퍼레이터(35)의 감기 시작부에는 이와 상응한 폭을 가지는 절연 테이프(490)가 테이핑되어 있다. 상기 절연 테이프(490)는 상기 세퍼레이터(35)와 동일한 재질인 것이 바람직하다.

상기 절연 테이프(49)는 상기 세퍼레이터(35)의 표면에 부착되어서 세퍼레이터(35)의 두께를 보강하고 있다. 이러한 절연 테이프(39)가 부착되는 영역은 전극 리드가 용접 고정된 전극 집전체와 대응되는 부분이다. 상기 절연 테이프(39)의 추가적인 배치로 인하여, 상기 세퍼레이터(35)는 실질적으로 전극 리드가 형성된 부분에서 이중층의 구조를 이루고 있다. 이에 따라, 전극 리드의 가장자리에 발생할 수 있는 버어(burr)로 인하여 세퍼레이터(35)를 찢고 극성을 달리하는 다른 극판과 접촉하여 발생시킬 수 있는 전기적 단락 현상을 줄일 수 있다.

도 5는 도 3의 전지부(32)의 감기 시작부를 나타낸 것이다.

도면을 참조하면, 상기 전지부(32)에는 양극판(33), 세퍼레이터(35), 음극판(34), 세퍼레이터(35) 순으로 배치되어 있으며, 이러한 배치 상태에서 일방향으로 와인딩되어 있다.

상기 양극 집전체(41)의 감기 시작부에는 양극 리드(43)가 용접고정되어 있으며, 상기 양극 리드(43)가 부착된 양극 집전체(41)의 전면에는 절연 테이프(490)가 부착되어서, 이를 보호하고 있다.

상기 절연 테이프(490)는 상기 세퍼레이터(35)의 전면에 테이핑되어서, 상기 세퍼레이터(35)와 공히 감겨지게 된다. 이때, 상기 절연 테이프(490)는 상기 세퍼레이터(35)가 공급시 그 표면에 동시에 제공되어서 그 위치를 설정하게 된다.

상기 양극 집전체(41)의 감기 시작부로부터 소정 밀리미터 지연된 부분에는 음극판(34)이 위치하고 있다. 상기 음극 집전체(410)의 감기 시작부에는 음극 리드(430)가 용접고정되어 있다.

이처럼, 상기 양극 리드(43)가 부착된 양극 집전체(41)의 시작부와, 음극 리드(430)가 부착된 음극 집전체(410)의 시작부 사이에는 절연 테이프(490)가 테이핑된 세퍼레이터(35)로 된 이중층의 절연체가 개재되어 있다.

또한, 상기 전지부(32)는 상기 양극 및 음극 리드(43)(430)가 전지부(32)의 중심에 공히 위치하고 있는 상태에서, 일방향으로 감아서 각형으로 된 캔(31) 내부에 수용가능한 크기로 제조하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전지부와, 이의 감는 방법과, 이를채용하여 제조된 리튬 이차 전지는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 전극 리드가 부착된 전극 집전체와 상응하는 세퍼레이터의 표면에 절연 테이프가 부착된 상태에서 전지부의 감기가 됨으로써, 이중층의 절연체로 인하여 전극 리드가 세퍼레이터를 찢어서 극성을 달리하는 다른 극판의 전극 리드와 전기적으로 접촉하는 현상을 미연에 방지할 수 있다.

둘째, 전극 집전체의 전극 무지부를 한 바퀴 감아서 전지부를 감지 않음에 따라서, 전극 무지부의 길이를 감소할 수가 있다. 이에 따라, 젤리-롤형의 전지부의 전체적인 두께를 감소할 수가 있다.

셋째, 두께 감소에 따라서 권취 리드 타임을 줄일 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

1. 제1 전극 리드가 형성된 제1 전극 집전체와, 상기 제1 전극 집전체의 적어도 일면에 코팅되는 제1 전극 활물질층으로 된 제1 전극판;

   제2 전극 리드가 형성된 제2 전극 집전체와, 상기 제2 전극 집전체의 적어도 일면에 코팅되는 제2 전극 활물질층으로 된 제2 전극판;

   상기 제1 전극판 및 제2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터; 및

   전극 리드가 부착되는 전극 집전체간의 단락을 방지하기 위하여 상기 전극판의 감기 시작부에 위치하며, 상기 세퍼레이터의 표면에 부착된 절연 테이프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지부.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 절연 테이프는 상기 제1 또는 제2 전극 리드중 적어도 어느 하나의 전극 리드가 부착되는 전극 집전체의 상응하는 부분에 이를 커버하도록 배치된 것을 특징으로 하는 전지부.
3. 제 2 항에 있어서,

   절연 테이프가 부착된 세퍼레이터는 대향되는 제1 전극 리드와 제2 전극 리드 사이에 위치한 것을 특징으로 하는 전지부.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 절연 테이프는 상기 세퍼레이터와 실질적으로 동일한 소재로 된 것을 특징으로 하는 전지부.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 및 제 2 전극 리드는 전지부의 중심에 공히 위치한 것을 특징으로 하는 전지부.
6. 제1 전극 리드가 부착된 제1 전극 집전체로 된 제1 전극판을 공급하는 단계;

   제2 전극 리드가 부착된 제2 전극 집전체로 된 제2 전극판을 공급하는 단계;

   상기 제1 및 제2 전극판의 감기 시작부 사이에 절연 테이프가 위치하도록, 상기 절연 테이프가 표면에 부착된 세퍼레이터를 공급하는 단계; 및

   상기 세퍼레이터를 사이에 두고, 제1 및 제2 전극판을 일방향으로 공히 감는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지부의 감는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 세퍼레이터를 공급하는 단계에서는,

   상기 절연 테이프가 제1 또는 제2 전극 리드중 어느 하나의 전극 리드가 부착되는 전극 집전체의 상응하는 부분에 위치하도록 세퍼레이터와 공히 공급되는 것을 특징으로 하는 전지부의 감는 방법.
8. 제1 전극 리드가 형성된 제1 전극판과, 세퍼레이터와, 제2 전극 리드가 부착된 제2 전극판 순으로 배치되어 감겨진 전지부;

   상기 제1 및 제2 전극판의 감기 시작부 사이에 배치되며, 상기 세퍼레이터의 표면에 부착된 절연 테이프;

   상기 전지부가 수용되는 공간부를 제공하는 캔;

   상기 캔의 상단부에 결합되며, 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트에 형성된단자 통공을 통하여 결합되고 그 외면에 상기 캡 플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극 단자를 가지는 캡 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 절연 테이프는 상기 제1 및 제2 전극 리드중 적어도 어느 하나의 전극 리드가 부착되는 전극 집전체의 상응하는 부분에서 세퍼레이터의 표면에 부착된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.