KR20050036313A - 분리하부테잎이 부착된 이차전지의 전극조립체 - Google Patents

분리하부테잎이 부착된 이차전지의 전극조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극조립체에 부착되는 하부테잎에 관한 것으로, 음극판, 양극판 및 세퍼레이터를 포함하여 충방전을 하는 전극조립체; 및 전극조립체의 하부에 분리 부착되어 전극조립체가 캔에 용이하게 삽입되도록 하는 분리하부테잎으로 구성된다.

Description

분리하부테잎이 부착된 이차전지의 전극조립체{Jelly Roll with Seprate Support Tape in Secondary Battery}
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 상세하게는 각형 이차전지의 젤리롤을 캔에 삽입할 때 젤리롤의 삽입을 용이하게 하기 위하여 젤리롤의 하부에 부착하는 하부테잎의 개선된 구조에 관한 것이다.
이차전지는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔 내부에 전해액을 주입하여 밀봉함으로써 형성된다. 전지의 상부에는 캔과 절연된 전극 단자를 구비하여, 전극 단자가 전지의 양극 또는 음극을 이루게 하고, 캔 자체는 전극 단자가 양극인 경우에 음극을, 전극 단자가 음극인 경우에 양극을 이루게 된다. 밀봉된 전지에는 PTC(Positive Temperature Coefficient)소자, 서멀 퓨즈(thermal fuse), 보호회로기판(PCM: Protecting Circuit Module)등과 같은 안전장치가 연결되는데, 이들 안전장치는 전지의 양극과 음극에 각각 전기적으로 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과도한 충방전 등으로 전지의 전압이 급상승하는 경우 전류를 차단하여 전지의 파열 등의 위험을 방지하게 된다. 이렇게 안전장치가 연결된 상태의 전지는 외장 케이스에 수납되어 전지 팩을 이루게 된다.
도1은 권취된 젤리롤을 캔에 삽입하기 위하여 종래의 단일하부테잎을 부착한 상태를 도시하고 있다. 도1에는 전극조립체(11), 음극탭(12), 양극탭(13), 단일하부테잎(14) 등이 도시되어 있다. 전극조립체(11)는 양극판 및 음극판 사이에 세퍼레이터(separator)를 개재하여 적층시킨 후 젤리롤 형태로 권취되어 사용된다. 전극조립체(11)의 상부에는 음극판 및 양극판에 각각 전기적으로 연결된 음극탭(12) 및 양극탭(13)이 인출되어 있다. 전극조립체(11)는 젤리롤 형태로 권취된 후, 알루미늄 등의 금속으로 이루어진 대략 직육면체 형상의 캔(미도시)에 삽입된다.
젤리롤 형태로 권취된 전극조립체(11)가 캔에 삽입될 때, 전극조립체(11)가 캔에 용이하게 삽입될 수 있도록 전극조립체(11)의 하부에 소정길이 및 폭을 갖는 테잎이 부착되어 있다. 종래의 단일하부테잎은, 도1에 도시된 바와같이, 양단부에서 1 내지 2mm 정도의 간격을 두고, 전극조립체의 하부 전체를 감싸는 형태로 부착되어 있다.
그런데, 이러한 형태로 단일하부테잎이 부착되어 있는 전극조립체를 캔에 삽입한 후 안전성 시험을 실시하게 되면 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 폭방항으로부터 전지의 양측을 가압하여 전지의 발화가능성을 평가하는 전지 안전성 시험에서, 전지를 압축하면 전지의 중간부위가 꺾이면서 전지가 반으로 접히게 된다. 이때, 전극조립체의 하부를 잡아주는 단일하부테잎의 힘에 의하여 특히 전극조립체 하부의 중간부분에서 구겨짐이 심하게 발생하여, 하드쇼트(hard short)로 인한 발화의 가능성을 증대시키고 있다.
둘째, 단일하부테잎이 전극조립체의 하부를 잡아주는 힘이 강하게 되면, 전극조립체의 하부로 전해액이 충분히 스며들지 못하여 전지용량 등의 전지 성능을 악화시킨다.
세째, 단일하부테잎이 전극조립체 하부의 거의 전체 면에 부착되어 있어서, 하부테잎의 사용량이 크며, 이로 인하여 전지의 원가가 상승되고 있다. 더구나, 하부테잎의 기능이 전극조립체를 캔에 용이하게 삽입하는 데 있고, 또한 하부테잎이 전극조립체의 하부면에 약하게 부착되어 있는 경우에는 전극조립체가 캔에 삽입된 후에 떨어지는 경우도 있음을 감안할 때, 하부테잎의 과다 사용은 개선될 필요가 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 전지에 가해지는 외부의 힘에 의하여 전지가 구겨질 때 하드쇼트로 인한 발화의 가능성을 줄이고, 전극조립체이 하부에도 전해액이 충분히 스며들게 하여 전지성능이 악화되는 것을 방지하며, 또한 하부테잎의 사용량을 감소시켜 원가절감의 효과를 얻는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전극조립체를 캔에 삽입하기 용이하도록 부착하는 하부테잎의 구조를 분리하여, 전극조립체 하부의 중간에는 하부테잎을 부착하지 않고, 하부의 좌우측에 일정한 폭과 길이로 부착하는 구조를 갖는 하부테잎 부착의 전극조립체를 제공한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도2a는 본 발명에 따른 분리된 하부테잎이 부착된 전극조립체의 사시도이다. 도2a에 도시된 바와같이, 본 발명은 전극조립체(11), 음극탭(12), 양극탭(13), 분리된 하부테잎(24) 등을 포함한다.
전극조립체(11)는 집전체의 양면에 활물질을 도포 충전하고 이를 건조 및 롤 프레싱한 후 소정의 크기로 절단하여 형성된 양극판 또는 음극판의 사이에 세퍼레이터를 개재하고 함께 권취된 것이다. 양극판과 음극판을 세퍼레이터와 교대로 겹친 상태에서 타원형의 권취용 맨드릴을 이용하여 나선형으로 권취하고, 권취된 전극조립체의 최외측부는 음극판을 1회정도 더 권취한 상태에서 테이프에 의해 마감 처리된다. 젤리롤 형태의 타원형 전극조립체를 형성한 후 이를 프레싱하여 각형 캔의 내부에 삽입된다. 여기서, 양극판의 폭은 음극판의 폭보다 작고, 음극판의 폭은 세퍼레이터의 폭보다 작다.
양극판은 양극활물질, 바인더, 도전제 등의 슬러리를 금속집전체의 양면에 도포하여 형성한다. 예를들어, 양극판은 LiNixCoyO2 의 양극활물질, 슈퍼-P의 도전제, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)의 바인더를 유기용매인 N-메틸-2-피롤리돈 (NMP) 에 용해한 혼합물(슬러리 또는 페이스트)을 알루미늄 호일의 집전체의 양면에 균일하게 도포하여 형성된다. 도포된 집전체는 건조를 통해서 유기용매가 제거되고, 이후 롤프레스로 압연되어 0.147mm 두께의 양극판이 형성된다.
음극판은 음극활물질, 바인더, 도전제 등의 슬러리를 금속집전체의 양면에 도포하여 형성한다. 예를들어, 음극판은 MCF 의 음극활물질, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)의 바인더를 유기용매인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 용해한 혼합물(슬러리 또는 페이스트)을 구리 호일의 집전체의 양면에 균일하게 도포하여 형성된다. 도포된 집전체는 건조를 통해서 유기용매가 제거되고, 이후 롤프레스로 압연되어 0.173mm 두께의 음극판이 형성된다.
세퍼레이터는 유기용매와 반응성이 적고 안전성에 적합한 0.025mm의 폴리에틸렌 다공성 막을 사용한다.
양극판과 음극판을 이루는 집전체는 화학변화를 일으키지 않는 전도체라면 특별히 제한되지 않으며, 일반적으로 알루미늄, 구리, 스테인레스, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등이 사용되며, 집전체의 표면이 카본, 니켈, 티탄 또는 은 등으로 처리될 수도 있다. 리튬이온 이차전지에 있어서는, 내산화성, 전극의 유연성, 비용 등을 고려하여 양극에서는 알루미늄박, 음극에서는 구리박(Cu foil)이 일반적으로 사용된다. 구리박이나 알루미늄박의 두께는 통상 1~30㎛, 바람직하게는 5~20㎛이지만, 특별히 제한되는 것은 아니다.
음극탭(12)은 음극판 집전체와 동일한 구리나 니켈을 사용한다. 구리 음극탭(12)의 폭은 1 mm 내지 10 mm 로 하고, 두께는 5 ㎛ 내지 50000㎛로 한다.
양극탭(13)은 양극판 집전체와 동일한 알루미늄을 사용한다. 알루미늄 양극탭(13)의 폭은 1mm 내지 10 mm 로 하고, 두께는 5 ㎛ 내지 50000㎛로 한다.
분리하부테잎(24)은 전극조립체(11)의 하부의 전후방의 소정 높이까지 감싸는 구조로서, 전극조립체(11)의 중앙을 경계로 하여 하부 양측으로 분리되어 부착된다. 도2a에는 전극조립체(11)의 중앙을 경계로 양측에 2개의 분리하부테잎(24)으로 구성되어 있으나, 양측에 각각 2개씩 4개의 분리하부테잎으로 구성될 수도 있다. 여기서, 전극조립체의 중심선에서 양측으로 소정 길이는 분리하부테잎(24)을 부착하지 않는다. 분리하부테잎(24)를 부착하지 않는 것이 가장 바람직하지만, 전극조립체(11)를 캔에 삽입하는 공정에서 전극조립체의 하부가 손상되는 경우가 발생할 수 있으므로, 이를 감안하여 분리하부테잎(24)의 총길이는 전극조립체(11)의 하부 지지에 충분한 길이인 전극조립체(11)의 폭의 3/4 이하로 하는 것이 바람직하다.
분리하부테잎(24)은 잘 늘어나는 재질을 사용하는 것이 바람직하여, 이때 연성재질의 인장강도가 2000 kgf/㎠ 이상이면 충분하다. 또한, 분리하부테잎(24)은 전극조립체(11)가 캔에 삽입된 후에는 전극조립체의 하부에 압력을 주지 않는 것이 바람직하므로, 전극조립체가 캔에 삽입된 후에는 분리하부테잎(24)이 전극조립체에서 분리되는 것이 가장바람직하며, 분리하부테잎(24)이 분리되지 않는 경우라면 분리하부테잎(24)이 전극조립체의 하부에 미치는 영향을 최소로 하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 분리하부테잎(24)을 전극조립체(11)의 하부에 부착하는 공정에서 드럼의 압력을 낮게 할 필요가 있다. 즉, 분리하부테잎(24)을 부착하는 드럼의 압력이 0.4 Mpa 이하가 되도록 한다.
도2b는 분리하부테잎의 일례를 보여주는 정단면도이다. 도2b에는 전극조립체(11)의 중심선에서 양측으로 소정간격 이격되어 부착되는 2개의 분리된 하부테잎(24)이 도시되어 있다. 전극조립체(11)의 전체 폭의 길이를 a, 전극조립체(11)의 폭 가장자리에서 분리하부테잎(24)의 외측 단부까지의 길이를 b, 그리고 전극조립체(11)의 중심선에서 분리하부테잎(24)의 안쪽 단부까지의 길이를 c라 할 때, 분리하부테잎의 폭을 변경하면서 측정한 압축시 발연비율을 보면 다음과 같다.
(실시예 1)
분리하부테잎의 길이조건을 b/a=0 및 c/a=0 으로 했을 때, 압축시 발연되는 비율이 30% 를 보였다.
(실시예 2)
분리하부테잎의 길이조건을 b/a=0.1 및 c/a=0 으로 했을 때, 압축시 발연되는 비율이 20% 를 보였다.
(실시예 3)
분리하부테잎의 길이조건을 b/a=0 및 c/a=0.1 로 했을 때, 압축시 발연되는 비율이 20% 를 보였다.
(실시예 4)
분리하부테잎의 길이조건을 b/a=0.1 및 c/a=0.1 로 했을 때, 압축시 발연되는 비율이 30% 를 보였다.
위의 실시예에서, 분리하부테잎의 길이조건을 b/a이 0.1 이상, 그리고 c/a이 0.1 이상으로 할 경우에 압축시 발연되는 비율이 상당히 감소함으로 알 수 있다. 따라서, 분리하부테잎은 전극조립체의 중심선에서 전극조립체의 전체 폭의 10% 이상 이격시키는 것이 바람직하고, 분리하부테잎의 외측단부도 전극조립체의 가장자리로부터 전극조립체의 전체 폭의 10% 이상 이격시키는 것이 바람직하다. 다만, 전극조립체를 캔에 삽입하는 삽입공정에서 삽입불량을 고려할 때에는 적어도 분리하부테잎의 내측 단부는 전극조립체의 중심선에서 전극조립체의 전체 폭의 10% 이상 이격되도록 하며, 분리하부테잎의 외측 단부는 1 내지 2 mm 정도 이격시켜도 무방하다.
이상과 같은 형상을 갖는 분리하부테잎에 의하면, 전지에 가해지는 외부의 힘에 의하여 전지가 구겨지는 경우에도 하드쇼트로 인한 발화의 가능성이 줄어들고, 전극조립체의 하부에도 전해액이 충분히 스며들어 전지성능의 악화를 방지할 수 있으며, 또한 하부테잎의 사용량을 감소시켜 원가가 절감된다.
도1은 권취된 젤리롤을 캔에 삽입하기 위하여 종래의 단일하부테잎을 부착한 상태를 도시하는 사시도,
도2a는 본 발명에 따른 분리된 하부테잎이 부착된 전극조립체의 사시도, 그리고
도2b는 하부분리테잎의 일례를 보여주는 정단면도이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
11: 전극조립체 12: 음극탭
13: 양극탭 14: 단일하부테잎
24: 분리하부테잎

Claims (6)

  1. 음극판, 양극판 및 세퍼레이터를 포함하여 충방전을 하는 전극조립체; 및
    상기 전극조립체의 하부에 분리 부착되어 상기 전극조립체가 캔에 용이하게 삽입되도록 하는 분리하부테잎을 포함하는 것을 특징으로 하는 분리하부테잎을 갖는 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분리하부테잎은
    상기 전극조립체의 중심에서 좌우 대칭으로 소정간격 이격되는 것을 특징으로 하는 분리하부테잎을 갖는 전극조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 분리하부테잎은
    좌측 및 우측에 각각 다수로 형성되는 것을 특징으로 하는 분리하부테잎을 갖는 전극조립체.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 분리하부테잎은
    내측단부가 상기 전극조립체의 중심에서 상기 전극조립체의 전체 폭의 10% 이상 이격되고, 그리고 외측단부는 상기 전극조립체의 가장자리로부터 상기 전극조립체의 전체 폭의 10% 이상 이격되도록 하는 것을 특징으로 하는 분리하부테잎을 갖는 전극조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분리하부테잎은
    연성 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 분리하부테잎을 갖는 전극조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 분리하부테잎은
    0.4 Mpa 이하의 압력으로 부착되는 것을 특징으로 하는 분리하부테잎을 갖는 전극조립체.
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