KR20050028798A - 2차 전지 - Google Patents

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KR20050028798A
KR20050028798A KR1020040074135A KR20040074135A KR20050028798A KR 20050028798 A KR20050028798 A KR 20050028798A KR 1020040074135 A KR1020040074135 A KR 1020040074135A KR 20040074135 A KR20040074135 A KR 20040074135A KR 20050028798 A KR20050028798 A KR 20050028798A
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KR1020040074135A
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이마찌나오끼
요시무라세이지
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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 집전(集電) 탭의 개수를 증가시키지 않고 집전 성능을 향상시킬 수 있는 2차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 2차 전지는 외장체(11)에 권취 전극체(4)를 수용하여 구성되며, 권취 전극체(4)의 권취축 방향의 양단부 중, 한쪽 단부에는 플러스극(41)의 비도공 단부(49)가 돌출되어 돌출부(48)가 형성되며, 다른쪽 단부에는 마이너스극(43)의 비도공 단부(49)가 돌출되어 돌출부(48)가 형성되어 있다. 또한, 양 돌출부(48, 48)에는, 각각 인접하는 비도공 단부(49, 49)끼리 초음파 압접된 집전 보조부(5)가 형성되어 있다. 플러스극(41) 및 마이너스극(43)에는 집전 탭(2, 3)이 각각 취부되며, 양 집전 탭(2, 3)의 선단부는 외장체(11)의 외부로 돌출되어 있으며, 양 선단부에 의해 플러스 마이너스의 한쌍의 전극 단자부(20, 30)가 각각 형성되어 있다.

Description

2차 전지{SECONDARY BATTERY}
본 발명은 리튬 이온 2차 전지나 리튬 폴리머 2차 전지와 같이 외장체의 내부에 발전 요소로 되는 전극체가 수용되어, 그 전극체가 발생하는 전력을 플러스 마이너스의 한쌍의 전극 단자부에서 외부로 추출할 수 있는 2차 전지에 관한 것이다.
최근, 휴대형 전자 기기 등의 전원으로서, 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 2차 전지나 리튬 폴리머 2차 전지가 주목받고 있다.
휴대 전화기의 전원 등에 이용되는 소형 전지로서는, 리튬 폴리머 2차 전지보다도 각형 리튬 이온 2차 전지쪽이 우수한 전지 특성을 나타내기 때문에, 리튬 폴리머 2차 전지는 전지 형상의 자유도가 높은 특성을 살려서, 대용량화·대면적화를 지향한 개발이 진행되고 있다.
리튬 폴리머 2차 전지로서, 집전(集電) 탭이 돌출되어 설치된 시트형의 플러스극 및 마이너스극을 세퍼레이터를 개재하여 적층하여 이루어지는 적층형 리튬 폴리머 2차 전지가 알려져 있다(특허 문헌 1 및 특허 문헌 2 참조).
적층형 리튬 폴리머 2차 전지에서는, 플러스극 및 마이너스극으로 각각 돌출되어 설치된 복수의 집전 탭을 서로 묶어서 전극 단자부가 구성되고, 그 전극 단자부로부터 전력이 외부로 추출된다. 따라서, 적층형 리튬 폴리머 2차 전지는 높은 집전 성능을 발휘하지만, 제조 공정에서 복수개의 시트형 플러스극, 세퍼레이터 및 마이너스극을 높은 정밀도로 정렬하여 적층하는 것이 곤란하기 때문에, 생산성이 낮다는 문제점이 있었다.
따라서, 도 11 및 도 12에 도시하는 권취형 리튬 폴리머 2차 전지가 개발되고 있다.
그 리튬 폴리머 2차 전지에서는, 2층의 수지층 사이에 알루미늄층을 개재하여 이루어지는 라미네이트 시트에 의해 외장체(11)가 형성되고, 그 외장체(11)의 내부에 권취 전극체(4)가 수용되며, 외장체(11)의 상단부로부터, 권취 전극체(4)의 양 전극(41)(43)에 연결되는 2개의 집전 탭(92)(93)이 돌출되어 있다. 양 집전 탭(92)(93)의 선단부에 의해 양 전극 단자부(20)(30)가 각각 형성되며, 양 전극 단자부(20)(30)로부터 권취 전극체(4)의 발생 전력을 외부로 추출할 수 있다.
권취 전극체(4)는 도 13에 나타낸 바와 같이, 각각 띠 형상의 플러스극(41), 세퍼레이터(42) 및 마이너스극(43)을 구비하며, 플러스극(41) 및 마이너스극(43)은 각각 세퍼레이터(42) 상에 폭 방향으로 어긋나 중첩되고, 스파이럴 형상으로 권취되어 있으며, 전체가 권취축에 수직인 방향으로 편평한 형상을 나타내고 있다.
또한, 플러스극(41)은 플러스극 활물질(44)이 도포되어 있는 도공(途工)부와, 플러스극 활물질(44)이 도포되어 있지 않은 비도공부를 구비하며, 그 비도공부는 심체(芯體)(45)의 엣지를 따라 형성됨과 함께 플러스극측의 집전 탭(92)의 취부 위치에 형성되어 있다. 또한, 마이너스극(43)은 마이너스극 활물질(46)이 도포되어 있는 도공부와, 마이너스극 활물질(46)이 도포되어 있지 않은 비도공부를 구비하며, 그 비도공부는 심체(47)의 엣지를 따라 형성됨과 함께, 마이너스극측의 집전 탭(93)의 취부 위치에 형성되어 있다.
상기 리튬 폴리머 2차 전지에서는, 플러스극(41), 세퍼레이터(42) 및 마이너스극(43)을 중첩하여 권취하는 것만으로, 플러스극(41)과 마이너스극(43)이 세퍼레이터(42)를 개재하여 서로 층 형상으로 중첩되어 대향된 전극체가 형성되기 때문에, 그 생산성이 높다.
[특허 문헌 1]
일본 특개2003-17112호 공보[H01M10/04]
[특허 문헌 2]
일본 특개2000-12085호 공보[H01M10/40]
그런데, 도 11에 도시하는 리튬 폴리머 2차 전지에서, 그 전지 용량을 증대시키기 위해서는, 플러스극(41) 및 마이너스극(43)의 길이 방향의 길이(전극 길이)를 증대시켜 도공부의 면적을 증대시키는 것이 유효하다.
그러나, 그 리튬 폴리머 2차 전지에서, 권취 전극체(4)의 각 전극에는, 하나의 집전 탭이 취부되어 있는 것에 불과하기 때문에, 전극 길이를 증대시킬 경우, 집전 탭에서 먼 영역에서 발생하는 전류가 집전 탭에 이르기까지의 전류 경로가 길어지며, 이것에 수반하여 그 전류 경로의 전기 저항이 크게 되어, 집전 탭에 의한 집전 효율이 저하되는 문제가 있었다.
따라서, 각 전극에 복수개의 집전 탭을 일정 간격으로 취부하고, 상기 복수개의 집전 탭의 선단부를 전극마다 묶는 구성을 생각할 수 있다. 이 경우, 도 14에 도시한 바와 같이, 복수개의 집전 탭이 전극마다 정렬되어 있을 필요가 있다.
그러나, 집전 탭은 양 전극(41)(43)을 권취하기 전에 각 전극에 각각 취부되어 있기 때문에, 복수개의 집전 탭이 전극마다 배치되도록 양 전극(41)(43)을 권취하는 것이 곤란하다는 문제가 있었다. 또한, 집전 탭은 전극의 비도공부에 취부할 필요가 있기 때문에, 각 전극에 복수의 비도공부를 형성해야만 하며, 이것에 의해 도공부의 면적이 감소되어 전지 특성이 저하되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 집전 탭의 개수를 증가시키지 않고 집전 성능을 향상시킬 수 있는 2차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 2차 전지에서는, 외장체(11)의 내부에, 각각 띠 형상의 플러스극(41)과 마이너스극(43) 사이에 세퍼레이터(42)를 개재시켜 이들을 스파이럴 형상으로 권취한 권취 전극체(4)가 수용되며, 플러스극(41) 및 마이너스극(43)은 각각, 띠 형상의 심체의 표면에 활물질을 도포하여 구성되고, 그 권취 전극체(4)가 발생하는 전력을 플러스 마이너스의 한쌍의 전극 단자부(20)(30)로부터 외부로 추출할 수 있다.
플러스극(41)의 권취축 방향의 한쪽 단부와 마이너스극(43)의 권취축 방향의 한쪽 단부에는, 각각 활물질이 도포되어 있지 않은 비도공부가 심체의 엣지를 따라 형성되며, 권취 전극체(4)는 권취축 방향의 한쪽 단부에, 플러스극(41)의 비도공부를 돌출시켜 이루어지는 돌출부(48)를 가짐과 함께, 다른쪽 단부에, 마이너스극(43)의 비도공부를 돌출시켜 이루어지는 돌출부(48)를 갖고 있으며, 각 돌출부(48)에는 인접하는 비도공부끼리 서로 접합하여 형성되는 집전 보조부(5)가 설치되어 있다. 권취 전극체(4)에는 한쌍의 띠 형상의 집전 탭(2)(3)이 배치 구비되며, 한쪽 집전 탭(2)의 기단부는 플러스극(41)에 접속됨과 함께, 다른쪽 집전 탭(3)의 기단부는 마이너스극(43)에 접속되고, 양 집전 탭(2)(3)의 선단부는 외장체(11)를 관통하여 외부로 돌출되며, 양 선단부에 의해 플러스 마이너스의 한쌍의 전극 단자부(20)(30)가 각각 형성되어 있다.
상기 본 발명에 따른 2차 전지에서, 권취 전극체(4)의 각 전극에는 집전 보조부(5)를 경유하지 않고 집전 탭에 이르는 제1 전류 경로와, 집전 보조부(5)를 경유하여 집전 탭에 이르는 제2 전류 경로의 2개의 전류 경로가 형성되며, 전극으로부터 발생되는 전류는 양 전류 경로를 지나 집전 탭에 유입된다. 여기서, 집전 탭으로부터 먼 영역에서 발생하는 전류는 제2 전류 경로의 길이가 제1 전류 경로의 길이보다도 현저하게 짧아지기 때문에, 그 대부분이 전기 저항이 작은 제2 전류 경로를 지나 집전 탭에 유입되게 된다. 따라서, 전기 저항이 큰 제1 전류 경로가 형성되는 것에 불과하였던 종래의 전지에 비해, 전지의 내부 저항이 저하되어, 집전 성능이 향상된다.
구체적 구성에서, 권취 전극체(4)는 권취축에 대하여 수직인 방향으로 편평한 형상을 나타내고 있다. 또한, 외장체(11)는 2층의 수지층 사이에 금속층을 개재하여 이루어지는 라미네이트 시트에 의해 형성되어 있다. 플러스극(41) 및 마이너스극(43)에는, 각각 심체 길이 방향의 단부에, 활물질이 도포되어 있지 않은 비도공 권부(410)가 형성되어 있으며, 상기 집전 탭은 그 기단부가 비도공 권부(410)에 접속되고, 권취 전극체(4)의 권취축에 대하여 수직인 방향으로 돌출되어 있다.
상기 구체적 구성을 갖는 2차 전지의 조립 공정에서는, 외장체를 형성해야 할 라미네이트 시트를 둘로 절첩하여, 그 내부에 권취 전극체(4)를 수용하고, 라미네이트 시트의 3변의 중첩면을 각각 밀봉한다. 이 때, 권취 전극체(4)는 집전 탭이 중앙의 중첩면을 관통하는 수용 자세로 하며, 그 중앙의 중첩면과 다른 1 변의 중첩면을 밀봉한 후, 나머지 1 변의 중첩면을 개구시켜, 그 개구로부터 전해질을 주입하고, 마지막으로 그 개구를 밀봉한다.
상기 조립 공정에서, 전해질은 상기 개구로부터 권취 전극체(4)의 권취축 방향으로 주입된다. 여기서, 권취 전극체(4)의 단부에서 각 전극과 세퍼레이터(42) 사이에 형성되는 간극은 권취 전극체(4)의 권취축 방향으로 개구되어 있기 때문에, 전해질은 그 간극으로부터 권취 전극체(4)의 내부로 용이하게 침투되어, 단시간에 권취 전극체(4)의 전체에 함침되게 된다.
다른 구체적 구성에서, 상기 집전 보조부(5)는 인접하는 비도공부끼리 서로 초음파 압접되어 형성되어 있다. 그 구체적 구성에 따르면, 인접하는 비도공부끼리의 접합부에서의 전기 저항을 충분히 저감시킬 수 있다.
또한, 다른 구체적 구성에서, 집전 보조부(5)는 권취 전극체(4)의 돌출부(48)를 관통하는 집전 보조 핀(51)을 구비하며, 그 집전 보조 핀(51)은 돌출부(48)를 관통하는 동체부(52)와, 그 동체부(52)의 양단부에 돌출되어 설치된 한쌍의 협압(狹壓)부(53)(53)로 구성되어 있다. 그 한쌍의 협압부(53)(53)는 돌출부(48)를 그 양측으로부터 협압하여, 그 협압력에 의해 인접하는 비도공부끼리 서로 압착되어 있다.
상기 구체적 구성에서는, 집전 보조 핀(51)의 동체부(52)가 권취 전극체(4)의 돌출부(48)를 관통하여, 협압부(53)(53)가 돌출부(48)를 그 양측으로부터 협압하고 있기 때문에, 외부로부터 큰 충격이 가해진 경우에도, 집전 보조 핀(51)이 돌출부(48)로부터 떨어질 우려가 없어서, 인접하는 비도공부끼리의 압착 상태는 확실하게 유지된다.
또한, 집전 보조부(5)는 상기 집전 보조 핀(51)을 이용한 구성 대신, 권취 전극체(4)의 돌출부(48)를 끼워넣은 구조의 집전 보조 부재(54)를 이용하여 구성하는 것도 가능하다. 그 집전 보조 부재(54)는 돌출부(48)를 사이에 협지하여 상호 감합 가능한 볼트편(55)과 너트편(56)을 구비하며, 볼트편(55)과 너트편(56)에 의한 협압력에 의해 인접하는 비도공부끼리 서로 압착되어 있다.
상기 집전 보조부(5)에서는, 집전 보조 부재(54)를 구성하는 볼트편(55)과 너트편(56)이 서로 감합에 의해 권취 전극체(4)의 돌출부(48)에 취부되기 때문에, 용접을 실시할 필요가 없어서, 취부 공정은 간이하다. 또한, 집전 보조 부재(54)는 볼트편(55) 및 너트편(56)으로 이루어지는 간이한 구조를 갖고 있기 때문에, 예를 들면 금속편을 프레스 성형함으로써 용이하게 제작할 수 있다.
<실시예>
이하, 본 발명을 리튬 폴리머 2차 전지에 실시한 형태에 대하여, 도면을 따라 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 리튬 폴리머 2차 전지는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 2층의 수지층 사이에 알루미늄층을 개재하여 이루어지는 라미네이트 시트에 의해 형성되는 외장체(11)의 내부에, 권취 전극체(4)를 수용하여 구성되어 있으며, 권취 전극체(4)는 권취축에 대하여 수직인 방향으로 편평한 형상을 나타내고 있다. 또한, 권취 전극체(4)의 플러스극(41) 및 마이너스극(43)에는, 각각 띠 형상의 집전 탭(2)(3)이 취부되어 있다. 양 집전 탭(2)(3)의 선단부는 외장체(11)의 측부로부터 외부로 돌출되며, 그 선단부에 의해 플러스 마이너스의 한쌍의 전극 단자부(20)(30)가 각각 형성되어 있고, 양 전극 단자부(20)(30)로부터 권취 전극체(4)의 발생 전력을 외부로 추출할 수 있다.
권취 전극체(4)는 도 3에 도시한 바와 같이, 각각 띠 형상의 플러스극(41)과 마이너스극(43) 사이에 띠 형상의 세퍼레이터(42)를 개재하여, 이들을 스파이럴 형상으로 감아서 구성되어 있다. 플러스극(41)은 알루미늄박으로 이루어지는 띠 형상의 심체(45)의 양면에 리튬 복합 산화물로 이루어지는 플러스극 활물질(44)을 도포하여 구성되며, 마이너스극(43)은 동박으로 이루어지는 띠 형상의 심체(47)의 양면에 탄소 재료를 포함하는 마이너스극 활물질(46)을 도포하여 구성되어 있다. 세퍼레이터(42)에는 겔형 전해질이 함침되어 있다.
플러스극(41)에는 플러스극 활물질(44)이 도포되어 있는 도공부와, 플러스극 활물질(44)이 도포되어 있지 않은 비도공부가 형성되고, 그 비도공부는 심체(45)의 엣지를 따라 형성된 비도공 단부(49)와, 길이 방향의 단부 중, 마지막으로 권취되는 것으로 되는 단부에 형성된 비도공 권부(410)를 구비하고 있다.
또한, 마이너스극(43)에는 마이너스극 활물질(46)이 도포되어 있는 도공부와, 마이너스극 활물질(46)이 도포되어 있지 않은 비도공부가 형성되며, 그 비도공부는 심체(47)의 엣지를 따라 형성된 비도공 단부(49)와, 길이 방향의 단부 중, 마지막으로 권취되는 것으로 되는 단부에 형성된 비도공 권부(410)를 구비하고 있다.
플러스극(41) 및 마이너스극(43)은 각각 세퍼레이터(42) 상에 폭 방향으로 어긋나 중첩되고, 플러스극(41) 및 마이너스극(43)의 비도공 단부(49)를 세퍼레이터(42)의 양단 모서리로부터 각각 외측으로 돌출시킨다. 그리고, 이들을 스파이럴 형상으로 권취한 후, 전극체의 외주면을 양측부로부터 압축함으로써, 권취축에 수직인 방향으로 편평한 형상을 나타내는 권취 전극체(4)가 형성된다.
그 권취 전극체(4)에서는 권취축 방향의 양단부 중, 한쪽 단부에서는 플러스극(41)의 복수개의 비도공 단부(49)가 세퍼레이터(42)의 한쪽 엣지보다 외측으로 돌출되어 돌출부(48)를 형성하고, 다른쪽 단부에서는 마이너스극(43)의 복수개의 비도공 단부(49)가 세퍼레이터(42)의 다른쪽 단부보다 외측으로 돌출되어 돌출부(48)를 형성하고 있다. 또한, 권취 전극체(4)에는 권취축 방향의 양단부 사이를 관통하는 중앙 구멍(411)이 형성되어 있다.
플러스극(41)의 비도공 권부(410)에는, 플러스극측의 집전 탭(2)이 권취 전극체(4)의 권취축에 대하여 수직인 방향으로 돌출된 형태로 취부되어 있다. 그 집전 탭(2)은 띠 형상의 리드(21)와, 그 리드(21)의 중앙부 양면을 덮는 수지 커버(22)로 구성되며, 그 리드(21)의 선단부에 의해 플러스극 단자부(20)가 형성되어 있다.
마이너스극(43)의 비도공 권부(410)에는, 마이너스극측의 집전 탭(3)이 권취 전극체(4)의 권취축에 대하여 수직인 방향으로 돌출한 자세로 취부되어 있다. 그 집전 탭(3)은 띠 형상의 리드(31)와, 그 리드(31)의 중앙부 양면을 덮는 수지 커버(32)로 구성되며, 그 리드(31)의 선단부에 의해 마이너스 극 단자부(30)가 형성되어 있다.
이것에 의해, 양 전극 단자부(20)(30)는 도 4에 도시한 바와 같은 권취 전극체(4)로부터 측방을 향해 돌출되게 된다.
또한, 양 전극 단자부(20)(30)를 권취 전극체(4)로부터 측방을 향해 돌출시킨 구성 대신, 도 6에 도시한 바와 같이, 양 전극 단자부(20)(30)를 권취 전극체(4)의 권취축 방향을 향해 돌출시키는 구성도 가능하다. 양 집전 탭(2)(3)은 마찬가지로, 권취 전극체(4)의 플러스극(41) 및 마이너스극(43)의 비도공 권부(410)(410)에 각각 취부되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 권취 전극체(4)의 각 돌출부(48)의 중앙부에는 인접하는 비도공 단부(49)(49)끼리 상호 초음파 압접하여 이루어지는 집전 보조부(5)가 설치되어 있으며, 이것에 의해, 인접하는 비도공 단부(49)(49)끼리 서로 압착되어 있다.
다음으로, 상기 리튬 폴리머 2차 전지의 제조 방법에 대하여 설명한다.
(플러스극(41)의 제작)
코발트산 리튬과 탄소를 92:5의 질량비로 혼합하여 플러스극 합제 분말로 하여, 그 플러스극 합제 분말을 혼합 장치(예를 들면, 호소카와미클론제 메카노퓨젼 장치) 내에 200g 충전하고, 그 혼합 장치를 회전 수 1500rpm으로 10분 동안 작동시켜, 플러스극 합제 분말에 충격, 압축, 전단 작용을 가하고 이것을 혼합하여, 혼합 플러스극 활물질을 얻는다. 다음으로, 그 혼합 플러스극 활물질과 불소계 수지 결착제(PVDF)를 97:3의 질량비로 되도록 NMP 용제 속에 혼합하여 플러스극 합제 슬러리로 하여, 그 플러스극 합제 슬러리를 알루미늄박의 양면의 도공부에 도포하고, 건조 후 압연하여 플러스극을 얻는다.
또한, 플러스극은 상술한 구성에 한정되는 것은 아니며, 니켈산 리튬으로 대표되는 리튬 니켈 복합 산화물이나 스피널형 망간산 리튬으로 대표되는 리튬 망간 복합 산화물, 또는 오리빈형 인산 화합물을 플러스극 합제 분말로서 채용할 수 있다. 또한, 플러스극 합제 분말을 혼합 장치에 의해 혼합하지 않은 상태의 것을 플러스극 활물질로서 채용하는 것도 가능하다.
(마이너스극(43)의 제작)
흑연과 스틸렌 부타디엔고무를 98:2의 질량비로 혼합하여 마이너스극 활물질로 하여, 그 마이너스극 활물질을 동박의 양면의 도공부에 도포한 후, 건조 후 압연하여 마이너스극을 얻는다.
또한, 마이너스극은 상술한 구성에 한정되는 것은 아니며, 코우크스, 산화 주석, 금속 리튬, 규소, 또는 이들 혼합물을 마이너스극 활물질로서 채용할 수 있다.
(겔형 전해질의 조제)
에틸렌카보네이트와 디에틸카보네이트를 용적비 3:7로 혼합한 용매에, LiPF6을 1mol/l의 비율로 용해하여 전해액을 제조하고, 그 전해액과 리튬염을 폴리머 속에 혼합하여 겔형 전해질을 얻는다.
또한, 전해액은 상술한 구성에 한정되는 것은 아니고, 리튬염으로서, LiClO4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F 5)2, LiPF6-X(CnF2n+1)X (단, 1≤X≤6, n=1 또는 2), 또는 이들을 여러 종류 혼합한 것을 리튬염으로서 채용할 수 있다. 리튬염의 농도는 0.8 mol/l∼1.5 mol/l가 바람직하다. 또한, 용매 종류로서는 EC, PC, GBL, EMC, DMC 등의 카보네이트계 용매가 바람직하며, 또한 고리형 카보네이트와 쇠사슬형 카보네이트의 조합이 바람직하다.
또한, 폴리머 재료로서는 폴리에테르계 고체 고분자, 폴리카보네이트계 고체 고분자, 폴리아크릴로니트릴계 고체 고분자, 옥세탄계 폴리머, 에폭시계 폴리머 및 이들 2 종류 이상으로 이루어지는 공중 합체 혹은 가교한 고분자 등이 바람직하다.
(전지의 조립)
먼저, 도 3에 도시한 바와 같이, 양 집전 탭(2)(3)의 선단부를 플러스극(41) 및 마이너스극(43)의 길이 방향의 단부로부터 각각 돌출시킨 상태에서, 양 집전 탭(2)(3)의 기단부를 비도공 권부(410)(410)에 각각 초음파 압접함으로써, 양 집전 탭(2)(3)을 플러스극(41) 및 마이너스극(43)에 각각 접속한다. 그리고, 이온 투과성 폴리프로필렌제 미세 다공막으로 이루어지는 세퍼레이터(42)를 권심(도시 생략)에 수회 감은 후, 세퍼레이터(42)가 플러스극(41)과 마이너스극(43) 사이에 개재되도록, 플러스극(41), 세퍼레이터(42), 마이너스극(43) 및 세퍼레이터(42) 4개를 중합시킨다. 이 상태에서 플러스극(41), 마이너스극(43) 및 세퍼레이터(42)를 비도공 권부(410)(410)와는 반대측의 단부로부터 스파이럴 형상으로 권취하여 원통형의 권취 전극체를 제작한다.
계속해서, 상기 권심을 추출한 후 권취 전극체를 압축하여, 도 4에 도시한 바와 같은 권취축에 대하여 수직인 방향으로 편평한 형상의 권취 전극체(4)를 얻는다. 그리고, 권취 전극체(4)의 권취축 방향의 양단부에 형성된 돌출부(48)(48)에 대하여 각각 초음파 압접을 실시하고, 각 돌출부(48)를 구성하는 복수개의 비도공 단부(49)끼리 접합시켜, 집전 보조부(5)를 형성한다.
그 후, 도 5에 도시한 바와 같이, 2층의 수지층 사이에 알루미늄층을 개재하여 구성되는 띠 형상의 라미네이트 시트(12)를 2로 절첩하여, 그 내부에 권취 전극체(4)를 수용하고, 라미네이트 시트(12)의 3변의 중첩면을 각각 밀봉한다. 이 때, 권취 전극체(4)는 집전 탭(2)(3)이 중앙의 중첩면을 관통하는 수용 자세로 하며, 그 중앙의 중첩면과 다른 1 변의 중첩면을 밀봉한다. 또한, 양 집전 탭(2)(3)이 돌출되는 중앙의 중첩면의 밀봉에서는, 수지 커버(22)(32)와 라미네이트 시트(12)를 중합시켜, 그 수지 커버(22)(32)와 라미네이트 시트(12)의 수지층을 서로 용착시킨다. 이것에 의해, 라미네이트 시트(12)는 1개의 개구를 갖는 주머니 형상으로 형성되게 된다.
그 후, 상기 개구로부터 겔형 전해질을 주입한다. 여기서, 권취 전극체(4)의 단부에서 플러스극(41) 및 마이너스극(43)과 세퍼레이터(42) 사이에 형성되는 간극은 권취 전극체(4)의 권취축 방향으로 개구되어 있기 때문에, 겔형 전해질은 그 간극으로부터 권취 전극체(4)의 내부로 용이하게 침투되어, 단시간에 권취 전극체(4)의 전체에 함침된다.
마지막으로 상기 개구를 밀봉하여, 용량이 3000㎃의 본 실시예의 리튬 폴리머 2차 전지를 완성한다.
상기 본 발명에 따른 리튬 폴리머 2차 전지에서는, 권취 전극체(4)의 내부에 발생한 전류가 집전 보조부(5)를 경유하지 않은 제1 전류 경로와, 집전 보조부(5)를 경유하는 제2 전류 경로를 지나, 집전 탭에 이르게 된다. 여기서, 집전 탭으로부터 먼 영역에서 발생한 전류는 제2 전류 경로의 길이가 제1 전류 경로의 길이보다도 현저하게 짧아지기 때문에, 그 대부분이 전기 저항의 작은 제2 전류 경로를 지나 집전 탭에 유입되게 된다.
이것에 대하여, 집전 탭에 가까운 영역에서 발생한 전류는, 제1 전류 경로의 길이가 제2 전류 경로의 길이보다도 짧아지기 때문에, 그 대부분이 전기 저항의 작은 제1 전류 경로를 지나 집전 탭에 유입되게 된다.
이렇게 하여, 권취 전극체(4)의 내부에서 발생한 전류는, 그 발생한 곳에 따라 전기 저항이 작은 쪽의 전류 경로를 지나, 집전 탭에 유입되기 때문에, 권취 전극체(4) 전체적인 전류 경로의 전기 저항은 제1 전류 경로에 상당하는 1개의 전류 경로가 형성되는 것에 불과한 종래의 2차 전지에서의 전류 경로의 전기 저항보다도 낮은 것으로 된다.
더구나, 집전 보조부(5)는 인접하는 비도공 단부(49)(49)끼리 상호 초음파 압접에 의해 접합되어 형성되어 있기 때문에, 집전 보조부(5)의 전기 저항은 매우 작은 것으로 된다.
상술한 바와 같이, 상기 본 발명에 따른 리튬 폴리머 2차 전지에서는, 권취 전극체(4)의 플러스극(41) 및 마이너스극(43)에 각각 1개의 집전 탭을 배치 구비한 구성에도 불구하고, 집전 보조부(5)의 형성에 의해 전류 경로의 전기 저항이 저하되기 때문에, 전지의 내부 저항이 저하되어 높은 집전 성능을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 폴리머 2차 전지에서는, 상술한 집전 보조부(5)의 구성 대신, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 돌출부(48)를 관통하는 집전 보조 핀(51)에 의해 집전 보조부(5)를 구성하는 것도 가능하다.
상기 집전 보조 핀(51)은 원통형의 동체부(52)와, 그 동체부(52)의 양단부에 방사형으로 돌출되어 설치된 복수의 돌기로 이루어지는 한쌍의 협압부(53)(53)로 구성되어 있으며, 본체부(54)가 권취 전극체(4)의 돌출부(48)의 중앙부를 관통함과 함께, 양 협압부(53)(53)가 돌출부(48)를 그 양측으로부터 협압하고 있다. 이것에 의해, 복수의 비도공 단부(49)에는 큰 협압력이 가해져, 인접하는 비도공 단부(49)(49)끼리 서로 넓은 접촉 면적에 의해 강하게 압착되어 있다.
따라서, 그 집전 보조부(5)에 따르면, 인접하는 비도공 단부(49)(49)끼리의 접촉면에서의 전기 저항은 작게 된다. 또한, 집전 보조 핀(51)은 돌출부(48)에 코오킹 고정에 의해 강고하게 취부되어 있기 때문에, 외부로부터 큰 충격이 가해졌다고 하여도, 집전 보조 핀(51)이 돌출부(48)로부터 떨어질 우려는 없어서, 인접하는 비도공 단부(49)(49)의 압착 상태는 확실하게 유지된다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 폴리머 2차 전지에서는, 상술한 집전 보조부(5)의 구성 대신, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 돌출부(48)를 그 양측으로부터 협지하는 집전 보조 부재(54)에 의해 집전 보조부(5)를 구성하는 것도 가능하다.
상기 집전 보조 부재(54)는 평판 형상의 볼트편(55)과, 그 볼트편(55)을 감합하기 위한 오목부(57)를 갖는 너트편(56)으로 구성되어 있으며, 볼트편(55)이 권취 전극체(4)의 돌출부(48)를 개재하여 너트편(56)의 오목부(57)에 감합되어 있다. 이것에 의해, 복수의 비도공 단부(49)에는 큰 협압력이 가해져서, 인접하는 비도공 단부(49)(49)끼리 서로 넓은 접촉 면적에 의해 강하게 압착되어 있다.
따라서, 그 집전 보조부(5)에 의하면, 인접하는 비도공 단부(49)(49)끼리의 접촉면에서의 전기 저항은 작게 된다. 또한, 집전 보조 부재(54)는 금속편의 프레스 성형에 의해 용이하게 제작할 수 있으며, 또한 볼트편(55)을 너트편(56)의 오목부(57)에 감합시킴으로써 취부가 가능하기 때문에, 취부 공정은 간이하다.
실시예의 전지 및 비교예의 전지를 제작하여, 본 발명의 효과를 확인하였다.
제1 비교예의 전지의 제조에서는, 먼저 각각 1개의 집전 탭을 취부한 띠 형상의 플러스극 및 마이너스극을 세퍼레이터를 개재하여 스파이럴 형상으로 권취하여, 권취 전극체를 제작한다. 다음으로, 2층의 수지층 사이에 알루미늄층을 개재하여 이루어지는 라미네이트 시트를 둘로 절첩하여, 그 내부에 권취 전극체를 수용하고, 주액구로 되는 중첩면을 제외하고 그 라미네이트 시트의 3 변의 중첩면을 밀봉한다. 그리고, 주액구로부터 겔형 전해질을 주입한 후, 그 주액구를 밀봉함으로써, 라미네이트 시트로 이루어지는 외장체의 내부에 권취 전극체를 수용한 제1 비교예의 전지를 얻는다. 또한, 그 전지의 전극체의 양단부에는 비도공부로 이루어지는 돌출부는 형성되어 있지 않다.
또한, 제2 비교예의 전지의 제조에서는, 먼저 각각 1개의 집전 탭을 구비한 시트형의 플러스극 및 마이너스극 사이에 세퍼레이터가 개재되도록, 마이너스극, 세퍼레이터, 플러스극, 세퍼레이터의 순으로, 10층의 마이너스극과 9층의 플러스극을 적층한 적층형 전극체를 제작한다. 다음으로, 2층의 수지층 사이에 알루미늄층을 개재하여 이루어지는 라미네이트 시트를 둘로 절첩하여, 그 내부에 적층형 전극체를 수용하고, 주액구로 되는 중첩면을 제외하고 그 라미네이트 시트의 3 변의 중첩면을 밀봉한다. 그리고, 주액구로부터 겔형 전해질을 주입한 후, 그 주액구를 밀봉함으로써, 라미네이트 시트로 이루어지는 외장체의 내부에 적층형 전극체를 수용한 제2 비교예의 전지를 얻는다.
또한, 상술한 본 실시예의 제조 방법에 의해, 도 1에 도시하는 리튬 폴리머 2차 전지(제1 실시예의 전지)와, 양 집전 탭을 권취 전극체의 권취축 방향의 한쪽 단부로부터 권취축 방향으로 돌출시킨 도 6의 리튬 폴리머 2차 전지(제2 실시예의 전지)를 제작한다.
또한, 플러스극 및 마이너스극의 활물질의 도포량은 각 전지에서 동일하며, 플러스극에 대해서는 340㎎/10㎠, 마이너스극에 대해서는 160㎎/10㎠이고, 양 전극의 도포 면적도 각 전지에서 동일한 1360㎠이다. 또한, 제1 비교예의 전지, 제1 실시예의 전지 및 제2 실시예의 전지의 권취 전극체의 권취 수는 10이다.
각 전지의 내부 저항을 측정한 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1로부터 분명한 바와 같이, 제1 실시예의 전지 및 제2 실시예의 전지의 내부 저항은 복수의 집전 탭을 갖는 적층형 제2 비교예의 전지와 동일한 정도로까지 저하되어 있으며, 이것에 의해, 집전 보조부를 형성함에 따른 내부 저항의 저감 효과가 확인되었다.
다음으로, 제1 비교예의 전지 및 제1 실시예의 전지의 플러스극 및 마이너스극의 전극 길이를 변화시키고, 각 전극 길이에서의 양 전지의 내부 저항을 측정했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
또한, 양 전극에 형성되는 도공부의 폭 방향의 도포 길이는 50㎜로 설정되어 있다.
표 2로부터 분명한 바와 같이, 전극 길이가 커짐에 따라 제1 비교예의 전지와 제1 실시예의 전지의 내부 저항값의 차는 큰 것으로 되어 있다. 제1 실시예의 전지에서는, 전극 길이가 600㎜보다도 커지면, 제1 비교예의 전지와의 내부 저항의 차가 현저해지기 때문에, 전극 길이가 600㎜ 이상에서 집전 보조부가 유효하게 기능하고 있다고 할 수 있다.
또한, 제1 비교예의 전지 및 제1 실시예의 전지의 플러스극 및 마이너스극의 활물질의 도포 면적을 변화시키고, 각 도포 면적에서의 양 전지의 내부 저항을 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
또한, 양 전극에 형성되는 도공부의 폭 방향의 도포 길이는 50㎜로 설정되어 있다.
표 3으로부터 분명한 바와 같이, 양 전극의 도포 면적이 증대됨에 따라 제1 비교예의 전지와 제1 실시예의 전지의 내부 저항값의 차는 큰 것으로 되어 있다. 제1 실시예의 전지에서는, 도포 면적이 700㎠보다도 커지면, 제1 비교예의 전지와의 내부 저항의 차가 현저해지기 때문에, 도포 면적이 700㎠ 이상에서 집전 보조부가 유효하게 기능하고 있다고 할 수 있다.
또한, 본 발명의 각 부의 구성은 상기 실시예에 한하지 않으며, 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 범위 내에서 여러가지로 변형이 가능하다. 예를 들면, 권취 전극체(4)의 돌출부(48)에 용접을 실시하여, 그 돌출부(48)를 구성하는 복수개의 비도공 단부(49)를 서로 접합시킨 집전 보조부(5)에 의해서도 상기 본 실시예와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
또한, 상호 근접하는 방향으로 탄성 복귀력을 발휘하는 한쌍의 측판을 구비한 집전 보조 클립에 의해, 돌출부(48)를 그 양측으로부터 협지하여, 인접하는 비도공 단부(49)(49)끼리 서로 압착시킨 집전 보조부(5)에 의해서도 상기 본 실시예와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
본 발명에 따른 2차 전지에 따르면, 집전 탭의 개수를 증감시키지 않고 종래보다도 집전 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 폴리머 2차 전지의 단면도.
도 2는 그 리튬 폴리머 2차 전지의 단면도 및 집전 보조부의 확대 단면도.
도 3은 권취 전극체의 일부를 전개하여 나타내는 사시도.
도 4는 그 권취 전극체의 사시도.
도 5는 그 권취 전극체를 라미네이트 시트에 의해 포위된 상태의 사시도.
도 6은 다른 구성을 갖는 권취 전극체의 일부를 전개하여 나타내는 사시도.
도 7은 다른 구성을 갖는 집전 보조부를 도시하는 확대 단면도.
도 8은 그 집전 보조부를 구성하는 집전 보조 핀이 돌출부를 관통하고 있는 상태를 나타내는 확대 단면도.
도 9는 또 다른 구성을 갖는 집전 보조부를 도시하는 확대 단면도.
도 10은 그 집전 보조부를 구성하는 집전 보조 부재가 돌출부를 협지하고 있는 상태를 나타내는 단면도 및 그 주요부의 확대 단면도.
도 11은 종래의 리튬 폴리머 2차 전지의 단면도.
도 12는 그 리튬 폴리머 2차 전지의 단면도.
도 13은 종래의 권취 전극체의 일부를 전개하여 나타내는 사시도.
도 14는 종래의 다른 구성을 갖는 권취 전극체의 일부를 전개하여 나타내는 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 외장체
2, 3 : 집전 탭
20 : 플러스극 단자부
30 : 마이너스 극 단자부
4 : 권취 전극체
41 : 플러스극
42 : 세퍼레이터
43 : 마이너스극
48 : 돌출부
49 : 비도공 단부
410 : 비도공 권부
5 : 집전 보조부
51 : 집전 보조 핀
54 : 집전 보조 부재

Claims (6)

  1. 외장체(11)의 내부에, 각각 띠 형상의 플러스극(41)과 마이너스극(43) 사이에 세퍼레이터(42)를 개재시켜 이들을 스파이럴 형상으로 권취한 권취 전극체(4)가 수용되며, 플러스극(41) 및 마이너스극(43)은 각각 띠 형상의 심체(芯體)의 표면에 활물질을 도포하여 구성되고, 상기 권취 전극체(4)가 발생하는 전력을 플러스 마이너스의 한쌍의 전극 단자부(20)(30)로부터 외부로 추출할 수 있는 2차 전지로서,
    플러스극(41)의 권취축 방향의 한쪽 단부와 마이너스극(43)의 권취축 방향의 한쪽 단부에는, 각각 활물질이 도포되어 있지 않은 비도공부(非塗工部)가 심체의 엣지를 따라 형성되며, 권취 전극체(4)는 권취축 방향의 한쪽 단부에, 플러스극(41)의 비도공부를 돌출시켜 이루어지는 돌출부(48)를 가짐과 함께, 다른쪽 단부에, 마이너스극(43)의 비도공부를 돌출시켜 이루어지는 돌출부(48)를 갖고, 각 돌출부(48)에는 인접하는 비도공부끼리 서로 접합하여 형성되는 집전 보조부(5)가 설치되어 있으며, 권취 전극체(4)에는 한쌍의 띠 형상의 집전 탭(2)(3)이 배치 구비되고, 한쪽 집전 탭(2)의 기단부는 플러스극(41)에 접속됨과 함께, 다른쪽 집전 탭(3)의 기단부(基端部)는 마이너스극(43)에 접속되며, 양 집전 탭(2)(3)의 선단부는 외장체(11)를 관통하여 외부로 돌출되고, 양 선단부에 의해 플러스 마이너스의 한쌍의 전극 단자부(20)(30)가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    권취 전극체(4)는 권취축에 대하여 수직인 방향으로 편평한 형상을 나타내고 있으며, 외장체(11)는 2층의 수지층 사이에 금속층을 개재시켜 이루어지는 라미네이트 시트에 의해 형성되고, 플러스극(41) 및 마이너스극(43)에는, 각각 심체 길이 방향의 단부에, 활물질이 도포되어 있지 않은 비도공 권부(410)가 형성되어 있으며, 상기 집전 탭은 그 기단부가 비도공 권부(410)에 접속되고, 권취 전극체(4)의 권취축에 대하여 수직인 방향으로 돌출되어 있는 2차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    권취 전극체(4)는 권취축에 대하여 수직인 방향으로 편평한 형상을 나타내고 있으며, 외장체(11)는 2층의 수지층 사이에 금속층을 개재시켜 이루어지는 라미네이트 시트에 의해 형성되고, 플러스극(41) 및 마이너스극(43)에는, 각각 심체 길이 방향의 단부에, 활물질이 도포되어 있지 않은 비도공 권부(410)가 형성되고 있으며, 상기 집전 탭은 그 기단부가 비도공 권부(410)에 접속되고, 권취 전극체(4)의 권취축과 평행한 방향으로 돌출되어 있는 2차 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
    집전 보조부(5)는 인접하는 비도공부끼리 상호 초음파 압접(壓接)되어 형성되어 있는 2차 전지.
  5. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
    집전 보조부(5)는 권취 전극체(4)의 돌출부(48)를 관통하는 집전 보조 핀(51)을 구비하며, 상기 집전 보조 핀(51)은 돌출부(48)를 관통하는 동체부(52)와, 상기 동체부(52)의 양단부에 돌출되어 설치된 한쌍의 협압부(53)(53)로 구성되고, 상기 한쌍의 협압부(53)(53)는 돌출부(48)를 그 양측으로부터 협압하여, 그 협압력에 의해, 인접하는 비도공부끼리 서로 압착되어 있는 2차 전지.
  6. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
    집전 보조부(5)는, 권취 전극체(4)의 돌출부(48)를 양측으로부터 끼워넣는 집전 보조 부재(54)를 구비하며, 상기 집전 보조 부재(54)는 돌출부(48)를 협지하여 상호 감합 가능한 볼트편(55)과 너트편(56)을 구비하고, 볼트편(55)과 너트편(56)에 의한 협압력에 의해, 인접하는 비도공부끼리 서로 압착되어 있는 2차 전지.
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