KR20050096290A - 내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지 - Google Patents

Abstract

금속 집전체의 적어도 일면에 활물질층을 일 방향으로 코팅하여 이루어진 양극 및 음극, 양극 및 음극을 절연시키는 세퍼레이터막이 적층 형성된 전극 조립체를 포함하여 이루어지는 이차 전지에 있어서, 양극 및 음극 가운데 적어도 하나에서 금속 집전체의 활물질층 코팅이 시작되는 불연속 부분과 끝나는 불연속 부분 가운데 적어도 하나를 커버하도록 부분적으로 형성되는 절연층이 더 구비되거나 불연속 부분 일부가 제거되는 것을 특징으로 하는 내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지가 개시된다.

Description

내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지{Secondary battery fabricated to protect internal short circuit between electrodes}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 조립체에서 다른 전극들 사이의 내부 단락 가능성을 줄일 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.

이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성이 커서 근래에 캠코더, 휴대용 컴퓨터, 휴대 전화 등 휴대용 전자기기의 전원으로 많이 사용되고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 것 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)이온 전지 및 리튬이온(Li-ion) 폴리머 전지가 있다.

이들 이차 전지에서 베어 셀(bare cell)의 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 알미늄 또는 알미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡 조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 형성된다. 전극 혹은 세퍼레이터가 폴리머로 형성되는 폴리머 전지의 경우, 세퍼레이터가 전해액의 역할을 함께 수행하거나, 세퍼레이터에 전해액 성분을 함침시켜 사용하므로 전해액 누액이 문제가 없거나 적어 캔 대신 파우치가 사용되기도 한다.

리튬 이차 전지에서 전극은 대개 금속박이나 금속 메시(mesh)로 이루어진 집전체 표면에 전극 활물질을 포함하는 슬러리(이하 활물질층을 이루는 물질의 의미로 사용)를 도포함으로써 이루어진다. 슬러리는 용매와 가소제, 전극 활물질, 바인더 등을 섞는 방법으로 형성된다. 전극 집전체로는 음극의 경우 구리가 양극의 경우 알미늄이 주로 사용되며, 바인더로는 PVDF(poly vinylidene fluoride)와 SBR(stylene butadiene rubber), 용매로는 아세톤, NMP(N-메칠프롤리돈) 등이 사용될 수 있다. 한편, 용매로 물이 사용되는 경우도 있다.

도1은 종래에 전극 집전체에 활물질층을 코팅하는 방법을 설명하기 위한 개략적 사시도이다.

도1을 참조하면, 권출기(미도시)에서 통상 롤 형으로 감겨 일정 너비로 공급되는 전극 집전체(10)가 평면상으로 풀리면서 슬릿 다이(20:slit die) 하부, 건조기(50)를 거쳐 권취기(미도시)에서 다시 감기게 된다. 슬릿 다이(20)는 슬러리 탱크(미도시)에서 슬러리를 공급받아 슬릿 형태로 길게 형성된 다이를 통해 슬러리를 고르게 뿌려주는 역할을 한다. 슬릿 다이(20) 아래로 전극 집전체(10)가 일정하게 지나가므로 전극 집전체(10) 표면에는 일정 두께의 활물질층(30)이 형성된다.

슬러리는 용매를 많이 포함하는 유동 상태이므로 건조기(50)에서는 열풍을 보내 슬러리의 용매를 휘발시켜 제거하고, 슬러리는 바인더의 작용으로 전극 집전체에 상당 강도로 부착된다. 도면부호 40은 전극 집전체를 이동시키는 풀리이다.

집전체에 활물질층을 코팅할 때 활물질층은 하나의 전극을 형성하는 데 필요한 길이만큼씩 코팅되고, 활물질층 코팅부 사이에는 탭을 용접하는 등의 필요성에 의해 '무지부'라고 불리는 일정 부분 활물질층이 코팅되지 않는 스트립 부분이 개재된다. 따라서, 집전체 전체로 볼 때에는 활물질층 코팅부와 스트립 부분이 번갈아 위치된다.

그런데, 슬러리 코팅 장비에 따라 차이는 있을 수 있으나, 통상 집전체에 슬러리가 코팅되기 시작하는 시작 부분과 슬러리 코팅이 종료되는 끝 부분에는 활물질층이 연속되는 부분에 비해 코팅된 슬러리가 뭉쳐 다소 돌출되는 과도 현상이 나타난다. 도2는 이러한 과도 현상을 설명하기 위해 활물질층(30)이 형성된 집전체(10)를 슬러리 코팅 방향으로 절단한 단면을 개략적 보여주는 단면도이다.

슬러리가 뭉쳐져 돌출된 돌출부(32,34)는 음극과 양극의 슬러리가 코팅된 시작과 끝 부분에 모두 나타난다. 전극 조립체 권취시의 압력 등 공정 과정에서의 압력 기타 외부적인 압력을 받으면 이들 돌출부(32,34)에 압력이 집중되어 음극과 양극을 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터에 손상을 가할 수 있다. 손상된 세퍼레이터를 통해 이들 부분에서 음극과 양극의 내부적인 단락이 발생하면 전지 생산 수율이 저하되고, 안전상의 사고까지 발생할 수 있으므로 문제가 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 전극에서 활물질층 코팅 시작 부분과 끝 부분의 돌출에 따른 두 전극의 내부 단락 가능성을 저감시킬 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전극에서 활물질층 코팅 시작 부분과 끝 부분의 돌출부에 대한 단락 방지 처리를 통해 두 전극의 내부 단락 가능성을 저감시킬 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차 전지는,

금속 집전체의 적어도 일면에 활물질층을 일 방향으로 코팅하여 이루어진 양극 및 음극, 상기 양극 및 상기 음극을 절연시키는 세퍼레이터막이 적층 형성된 전극 조립체를 포함하여 이루어지는 이차 전지에 있어서,

상기 양극 및 상기 음극 가운데 적어도 하나에서 금속 집전체의 상기 활물질층 코팅이 시작되는 불연속 부분과 끝나는 불연속 부분 가운데 적어도 하나를 커버하도록 부분적으로 형성되는 절연층이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 불연속 부분은 통상 활물질층에 돌출부가 형성되며, 본 발명은 전극 조립체가 양극, 세퍼레이터, 음극이 적층된 상태에서 권취되어 젤리 롤 형태로 이루어지는 경우에 보다 유용하게 적용될 수 있다.

본 발명에서 부가되는 절연층은 적어도 세퍼레이터를 사이에 두고 양극과 음극 모두에서 집전체 양면에 활물질층이 코팅된 부분이 겹쳐져서 전극 조립체의 물질 집적도가 높은 부분이면서 세퍼레이터에 면한 활물질층 코팅이 시작되거나 끝나는 부분에는 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 절연층은 일정 폭의 절연 테이프를 부착시켜 형성되거나, 절연 수지를 불연속부 위에 부분적으로 도포하여 형성될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 한 측면에 따른 이차 전지는,

금속 집전체의 적어도 일면에 활물질층을 일 방향으로 코팅하여 이루어진 양극 및 음극, 상기 양극 및 상기 음극을 절연시키는 세퍼레이터막이 적층 형성된 전극 조립체를 포함하여 이루어지는 이차 전지에 있어서,

상기 양극 및 상기 음극 가운데 적어도 하나에서 금속 집전체의, 전극 탭이 형성되지 않는 쪽에는 적어도 한쪽 면에서 활물질층과 전극 집전체가 함께 시작되며, 활물질층에 돌출부가 형성되지 않은 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 한 전극 집전체 일면에서 코팅된 활물질층의 코팅 시작과 끝 부분의 돌출부에 절연층이 부가 형성된 것을 개략적으로 나타낸 단면도 및 평면도이다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 '젤리 롤' 형태의 권취된 전극 조립체를 형성하기 위해 전극과 세퍼레이터가 적층된 상태에서의 탭 및 활물질층의 돌출부 위치와 단락 방지를 위한 부가 절연층이 설치되는 위치를 단순화하여 나타낸 단면도이다.

도5는 본 발명에서 모든 활물질층의 돌출부에 절연층이 형성되지 않아도 됨을 설명하기 위한 보조 설명도이다.

도6은 본 발명의 한 형태에 따라 전극 집전체와 활물질층이 함께 시작되는 경우를 구현하기 위한 가공 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도3a 내지 도3b를 참조하면, 활물질층(30)의 시작 부분 및 끝 부분에 있는 돌출부(32,34) 위로 절연 테이프(60)가 부착되거나 혹은 절연 수지(70)가 도포되어 돌출부(32,34)를 감싸고 있다. 도면부호 '11'은 전극의 탭을 나타낸다. 따라서, 비록 이 돌출부에 의해 압력이 집중되어도 실질적으로 절연이 강화됨으로써 전지 내의 두 전극 사이에 절연이 파괴될 가능성을 낮출 수 있다. 즉, 세퍼레이터가 부분적으로 손상되는 경우에도 테이프나 수지층이 전지의 두 극판이 내부에서 단락되는 것을 방지할 수 있다.

이런 구성을 위한 테이핑이나 수지 도포는 전극을 형성하는 과정에서 활물질 도포, 건조에 이어서 일관적으로 이루어질 수 있으며, 활물질층의 시작 및 끝 부분 위치를 기억하는 자동 장비에 의해 자동적으로 이루어질 수 있다. 테이프나 도포된 수지층은 활물질 돌출부에 의해 집중되는 압력에 의해 손상되지 않도록 기계적으로 강하고 질긴 절연재르 사용하는 것이 바람직하다. 테이프나 수지층의 두께는 세퍼레이터 두께보다 크게 이루어질 수 있다. 이런 경우, 비록 테이프나 수지층이 형성된 곳에서 전극층의 두께가 늘어나지만 테이프나 수지층은 세퍼레이터와 같이 전극 전면을 커버하는 것이 아니므로 전극 조립체 전체 부피에 대한 증가는 미미하다. 즉, 큰 부피 증가 없이 세퍼레이터 두께를 보강하는 효과를 얻을 수 있다.

도4를 참조하면, 도3a와 같이 형성된 개별 전극이 이차 전지에 사용되는 젤리 롤형 전극 조립체를 형성하기 위해 권취 전에 세퍼레이터와 함께 적층된다. 도면에서 양극(80)이나 음극(90)을 이루는 집전체와 활물질층은 별도로 구분되지 않고 하나의 선으로 표시된다. 톱니모양으로 두드러진 부분은 활물질층의 시작 부분과 끝 부분의 돌출부(83,85,87,89,93,95,97,99)를 나타낸다. 각 전극의 각 면에서 톱니와 톱니 사이에만 집전체에 코팅된 활물질층이 존재하고, 그 범위 밖에는 무지부라 불리는 집전체 스트립층만 존재한다. 각 전극(80,90)에서 탭(81,91)이 설치된 면에는 그 이면에 비해 활물질층 코팅 방향을 기준으로 활물질층이 조금 좁게 코팅된다.

도4에 도시된 바에 따르면 각 전극에서 모든 활물질 돌출부에 부가 절연층 처리가 되지는 않는다. 부가되는 절연층(112,114,116,118)은 도4와 같이 권취되지 않은 상태에서 세퍼레이터(110)를 사이에 두고 대향된 두 전극 면 가운데 적어도 어느 한 쪽에 돌출부가 있는 경우, 도4의 적층체가 권취될 때를 감안하여 최하층의 세퍼레이터(110)를 중심으로 양극(80)의 하면과 음극(90)의 상면이 대향될 때 이들 두 면 가운데 적어도 어느 한 쪽에 돌출부가 있는 경우에 돌출부 위에 형성된다.

음극(90) 가운데 권취가 시작되는 부분인 탭(91) 부분은 최초에는 음극만 겹치기 때문에 음극(90) 상면의 돌출부(93)는 탭(91)이 형성된 음극 상면과 대향되고, 다른 전극 간 단락 위험이 없으므로 절연층 처리가 되지 않는다. 양극 탭(81) 쪽의 하면 활물질층 돌출부(85)는 젤리 롤 상태에서 최외각에 위치하여 음극(90)과 접촉될 위험이 없으므로 절연층 처리가 되지 않는다.

한편 세퍼레이터(110)를 사이에 두고 활물질층의 돌출부가 대향하는 경우, 두 돌출부(가령 99와 83) 가운데 하나의 돌출부(가령 83)만 절연층으로 커버되어도 두 전극 사이의 절연은 강화될 수 있다. 또한, 두 돌출부(99,83)가 완전히 대향하지 않고 인근에 위치하는 경우, 하나의 돌출부(83)를 커버하는 절연층(118)의 폭을 넓게 하면 도5에서 볼 수 있듯이 다른 돌출부(99)가 위치하는 곳에서도 이 절연층(118)에 의해 세퍼레이터(110)의 절연이 보강되는 효과를 가질 수 있다.

활물질층의 어느 부분의 돌출부 위에 부가 절연층을 형성할 것인가는 두 전극과 각 전극 양면 혹은 단면의 활물질층의 시작 부분 및 끈 부분, 젤리 롤 형태의 전극 조립체에서의 위치 등을 종합적으로 고려하여 모델별로 개별적으로 결정할 수 있다. 한편, 이들 요인의 변이를 고려하여 모든 활물질층 돌출부에 절연층 처리를 실시할 수도 있다.

한편, 내부 단락을 방지하는 이차 전지를 형성하기 위해 활물질층 돌출부에 절연층 처리를 하는 외에 형태도 고려될 수 있다.

이런 형태에서는 금속 집전체의 적어도 일면에 활물질을 일 방향으로 코팅하여 이루어진 양극 및 음극, 양극 및 음극을 절연시키는 세퍼레이터막이 적층 형성된 전극 조립체를 포함하여 이루어지는 이차 전지에서, 양극 및 음극 가운데 적어도 하나에서 전극 탭이 형성되지 않는 쪽에 활물질 코팅과 전극 집전체가 함께 시작되는 면이 존재하고, 이 시작부에는 활물질 코팅부에 돌출부가 형성되지 않는다.

이런 구성을 만드는 방법과 관련하여 도6을 참조하여 설명하면, 일단 전극 집전체(10)에 활물질층(30)을 코팅한다. 활물질층 코팅은 필요에 따라 집전체(10) 한 면에만 이루어지거나 각각의 면에 한번씩 양면에 이루어질 수 있다. 전극의 탭을 형성하기 위해 활물질층(30)이 코팅되지 않은 부분이 필요하므로 탭(11)이 형성되지 않은 쪽의 활물질층 돌출부(32)를 집전체(10)와 함께 커터(120)로 잘라 제거한다.

양극과 음극 모두에 이런 작업이 이루어질 경우, 활물질층 돌출부의 갯수가 줄어들어 활물질층 돌출부로 인한 단락을 줄일 수 있다. 더우기, 스트립 부분에 형성된 양극 탭과 음극 탭 인근의 활물질층 돌출부가 다른 전극의 활물질층 형성부와 겹치지 않도록 배치하면 실질적으로 문제가 되는 전극 조립체의 물질 집적도가 높은 부분(세퍼레이터를 사이에 두고 양극과 음극 모두에서 집전체 양면에 활물질이 코팅된 부분이 겹쳐진 부분)에 활물질층 돌출부가 위치하지 않게 된다. 따라서, 압력이 집중되는 부분을 피할 수 있고, 이로 인한 세퍼레이터 파손과 두 전극 사이의 단락을 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면 전극의 활물질층 코팅 시작 부분과 끝 부분의 돌출부를 절연체로 감싸거나 제거하여 두 전극의 내부 단락 가능성을 저감시킬 수 있고, 따라서, 불량률과 안전 사고 가능성을 줄일 수 있다.

도1은 종래에 전극 집전체에 활물질층을 코팅하는 방법을 설명하기 위한 개략적 사시도,

도2는 활물질층이 코팅되는 시작 및 끝 부분에 슬러리가 뭉치는 과도 현상을 설명하기 위해 활물질층이 코팅된 집전체를 활물질층 코팅 방향으로 절단한 단면을 개략적 보여주는 단면도,

도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 한 전극 집전체 일면에서 코팅된 활물질층의 코팅 시작과 끝 부분의 돌출부에 절연층이 부가 형성된 것을 개략적으로 나타낸 단면도 및 평면도,

도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극과 세퍼레이터가 적층된 상태에서의 탭 및 활물질층 코팅에 의한 돌출부 위치와 단락 방지를 위한 부가 절연층이 설치되는 위치를 단순화하여 나타낸 단면도,

도5는 본 발명에서 활물질층의 돌출부 모두에 절연층이 형성되지는 않아도 됨을 설명하기 위한 보조 설명도,

도6은 본 발명의 한 형태에 따라 전극 집전체와 활물질층이 함께 시작되는 경우를 구현하기 위한 가공 방법을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (7)

1. 금속 집전체의 적어도 일면에 활물질을 일 방향으로 코팅하여 이루어진 양극 및 음극, 상기 양극 및 상기 음극을 절연시키는 세퍼레이터막이 적층 형성된 전극 조립체를 포함하여 이루어지는 이차 전지에 있어서,

   상기 양극 및 상기 음극 가운데 적어도 하나에서 상기 금속 집전체의 활물질층이 시작되는 불균일 부분과 끝나는 불균일 부분 가운데 적어도 하나를 커버하는 절연층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극 조립체는 상기 양극, 상기 음극, 상기 세퍼레이터가 적층된 상태에서 권취되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 절연층은 절연 테이프를 부착시켜 형성됨을 특징으로 하는 내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 절연층은 절연 수지를 상기 불균일부 위에 도포하여 형성됨을 특징으로 하는 내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 절연층은 적어도, 상기 세퍼레이터를 사이에 두고 상기 양극과 상기 음극 모두에서 상기 금속 집전체 양면에 활물질이 코팅된 부분이 겹쳐진 부분이면서 상기 세퍼레이터에 면한 상기 활물질층의 돌출된 부분에는 설치되는 것을 특징으로 하는 내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지.
6. 금속 집전체의 적어도 일면에 활물질을 일 방향으로 코팅하여 이루어진 양극 및 음극, 상기 양극 및 상기 음극을 절연시키는 세퍼레이터막이 적층 형성된 전극 조립체를 포함하여 이루어지는 이차 전지에 있어서,

   상기 양극 및 상기 음극 가운데 적어도 하나에서 상기 금속 집전체의 상기 활물질의 코팅이 시작되는 부분과 끝나는 부분 가운데 전극 탭이 형성되지 않는 쪽은 활물질층이 상기 전극 집전체 단부에서 함께 시작되는 면이 존재하면서 상기 활물질층이 평탄성을 유지하는 것을 특징으로 하는 내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 전극 조립체는 적층된 상기 양극, 상기 음극 및 상기 세퍼레이터를 권취하여 젤리 롤 형태로 이루어지는 것임을 특징으로 하는 내부 단락을 방지할 수 있는 이차 전지.