KR20050121115A - 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤 - Google Patents

리튬 이차 전지용 전극 젤리롤 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지용 전극 젤리 롤에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 젤리롤의 변형을 막는 동시에 캔의 스웰링을 방지할 수 있는 변형 방지 지지체를 구비한 전극 젤리롤에 관한 것이다. 본 발명은 양극판 및 음극판과 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극 젤리롤에 있어서, 상기 전극 젤리롤의 중심부에 장축방향으로 변형 방지 지지체를 구비한다.

Description

리튬 이차 전지용 전극 젤리롤{Electrode jelly-roll for lithium secondary battery}
본 발명은 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 젤리롤의 변형을 막는 동시에 캔의 스웰링을 방지할 수 있는 변형 방지 지지체를 구비한 전극 젤리롤에 관한 것이다.
통상적으로, 이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로서, 휴대용 전자 기기의 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속하게 신장되고 있는 추세이다.
리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로, 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 종래의 각형 리튬 이차 전지를 도시한 분리 사시도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 각형 리튬 이차 전지(10)는 캔(11)과, 상기 캔(11)의 내부에 수용되는 전극 젤리롤(12)과, 상기 캔(11)에 결합되는 캡 조립체(100)를 포함한다.
상기 캔(11)은 금속재로 된 각형의 케이스이다. 상기 전극 젤리롤(12)은 양극판(13)과, 세퍼레이터(14)와, 음극판(15)을 순차로 적층한 후 롤상으로 권취시킨 것으로, 상기 캔(11)의 내부에 수납되어 있다. 상기 양극판(13) 및 음극판(14)으로부터 양극 및 음극 리드(16, 17)가 각각 인출되어 있다.
상기 캡 조립체(100)는 상기 캔(11)의 상단부에 결합되는 캡 플레이트(110)와, 상기 캡 플레이트(110)의 중앙에 형성되어 있는 단자 통공(111)에 삽입되는 전극 단자(130)와, 상기 캡 플레이트(110)의 아랫면에 설치되는 절연 플레이트(140)와, 상기 절연 플레이트(140)의 아랫면에 설치되어 상기 전극 단자(130)와 전기적으로 연결되는 단자 플레이트(150)를 포함하고 있다. 상기 전극 단자(130)의 외면에는 상기 전극 단자와 상기 캡 플레이트(110)와의 절연을 위하여 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치되어 있다.
상기 캡 플레이트(110)에는 상기 캔(11) 내부로 전해액을 주입하기 위한 통로를 제공하는 전해액 주입공(112)이 형성되어 있고, 상기 전해액 주입공(112)에는 볼(160)이 밀폐가능하도록 결합되어 있다.
상기 양극 리드(16)는 상기 캡 플레이트(110)의 저면에 연결되어 있으며, 상기 음극 리드(17)는 상기 단자 플레이트(150)를 통하여 전극 단자(130)와 접속되어 있다. 상기 양극 리드(16) 및 음극 리드(17)가 전극 젤리롤(12)로부터 인출되는 부분에는 극판(13, 15)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다. 상기 캔(11)의 내부에는 상기 전극 젤리롤(12)의 상부에 위치하며, 상기 전극 젤리롤(12)과, 캡 조립체(100)와의 절연을 위한 절연 케이스(30)가 설치되어 있다.
상기와 같은 구조를 가지는 리튬 이차 전지(10)에서 대략 타원형을 이루는 전극 젤리롤(12) 단부의 장축방향으로 전극 젤리롤이 전해액에 의해 함침되고, 충방전할 때 또는 열이 축적될 때 체적 변화와 선팽창 등이 이루어짐에 따라 팽창이 심화될 수 있다. 또한, 전지의 화성공정에서 초충전시 발생하는 가스 압력에 의해 전극 젤리롤에 힘이 가해지게 되고, 점차적으로 극판에 리튬이온이 석출 삽입되면서 극판이 팽창하여 더욱 전극 젤리롤에 힘이 가해져 전극 젤리롤의 변형이 유발된다. 한편, 상기 전극 젤리롤(12)은 캔(11)에 제한되므로 전극 젤리롤은 축방향을 기준으로 부분적으로 축에서 이격되면서 굽어지는 변형을 일으키게 된다. 이런 변형과 함께 캔(11) 자체가 두께 방향으로 두꺼워지는 스웰링 현상이 발생되어 전지의 케이스 장착을 어렵게 하고 불량을 발생시키는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극 젤리롤이 장축방향으로 팽창되어 장축을 기준으로 굽어지는 힘을 받더라도 이러한 힘에 저항하면서 전극 젤리롤의 변형을 막고, 동시에 캔의 두께가 팽창되는 스웰링을 방지할 수 있도록 젤리롤의 중심부에 장축방향으로 변형 방지용 지지체를 구비한 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양극판 및 음극판과 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극 젤리롤에 있어서, 상기 전극 젤리롤의 중심부에 장축방향으로 변형 방지 지지체를 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤을 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 의하면 상기 변형 방지 지지체는 사각 시트 형상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 변형 방지 지지체는 십자형으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 변형 방지 지지체는 절연 물질, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 또는 폴리이미드로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤(22)를 도시한 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 전극 젤리롤을 A-A선을 따라 절취한 횡단면도이다.
도면을 참조하면, 상기 전극 젤리롤(22)은 양극판(23)과, 음극판(25)과, 세퍼레이터(24)를 포함하고 있다. 상기 양극판(23)과 음극판(25)과 세퍼레이터(24)는 각각 한 장의 스트립으로 이루어져 있고, 양극판(23), 세퍼레이터(24), 음극판(25) 순으로 배치되어서 롤상으로 권취되어 있다.
상기 양극판(23)은 양극 활물질용 분말에 바인더 및 도전성 첨가제 등을 혼합하여 슬러리 형태의 활물질 층을 만든 다음, 집전체로 사용되는 도전판, 예를 들면 알루미늄판 상에 소정 두께로 균일하게 코팅하여 제조된다. 상기 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, LiCrO2, 또는 LiMn2O 4과 같은 리튬 금속 산화물들이 사용될 수 있다. 상기 양극판(23)에 양극 활물질층이 형성되지 않은 영역, 즉 전극 무지부(electrode uncoated area)에 양극 리드(26)가 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 양극 리드(26)의 단부는 상기 전극 젤리롤(22)의 상단부 위로 인출되어 있다.
상기 음극판(25)은 음극 활물질용 분말에 바인더 및 첨가제 등을 혼합하여 슬러리 형태의 활물질층을 제조하여 구리판과 같은 집전체 상에 코팅하여 제조된다. 상기 음극 활물질은 천연 흑연, 인조 흑연, 흑연성 카본, 비흑연성 카본(non-graphitizable carbon), 또는 이들의 조합으로 이루어진 탄소재료를 주재료로 하여 이루어진 것이 사용될 수 있다. 상기 음극판(25)에 음극 활물질층이 형성되지 않은 영역에 음극 리드(27)가 전기적으로 접속되어 있으며, 상기 음극 리드(27)의 단부도 상기 전극 젤리롤(22)의 상단부 위로 인출되어 있다.
상기 양극 및 음극 리드들(26, 27)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 상기 양극 및 음극 리드들(26, 27)이 상기 전극 젤리롤(22)로부터 인출되는 부분에는 극판들(23, 25)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(28)가 감겨져 있다.
상기 세퍼레이터(24)는 음극판과 양극판을 분리시켜 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하기 위한 것으로서, 예를 들면 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포와 같은 것들이 사용될 수 있다. 상기 세퍼레이터(24)는 상기 양극판(23)과 음극판(25)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 상기 극판들(23, 25)간의 단락을 방지하는데 유리하다고 할 것이다.
상기 전극 젤리롤(22)의 중심부에 장축방향으로 변형 방지 지지체(200a, 200b)가 구비되어 있다. 상기 변형 방지 지지체(200a, 200b)는 절연 물질로 형성되는 것이 바람직한데, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 또는 폴리이미드 등으로 이루어질 수 있다.
상기 변형 방지 지지체(200a, 200b)의 두께는 상기 전극 젤리롤(22)에 가해지는 힘에 대항해서 전극 젤리롤의 변형을 방지할 수 있을 만큼의 기계적 강도를 가지면서도 전극 젤리롤(22)의 단축방향의 두께를 증가시키지 않는 것이 바람직하다.
상기 변형 방지 지지체(200a, 200b)는 얇은 사각 시트 형상 또는 십자형으로 구성될 수 있다. 그 크기는 전극 젤리롤(22)의 크기에 따라 소정의 크기로 구성될 수 있으며, 복수개의 변형 방지 지지체들이 상기 전극 젤리롤(22)의 중심부에 설치될 수도 있다.
도 2b에 나타나 있듯이, 상기 변형 방지 지지체(200a, 200b)의 양 끝단이 전극 젤리롤(22)의 내주부에 접하는 크기로 구성되는 것이 바람직하다. 이럴 경우 전극 젤리롤(22)의 전체 면적에 걸쳐서 보다 강한 기계적 지지력을 발할 수 있다. 여기서 "내주부"라 함은 전극 젤리롤(22)의 중심부의 타원형 내면을 의미한다.
전극 젤리롤(22)의 장축방향의 중심부는 전극 젤리롤에 힘이 가해질 때 팽창 및 변형이 일어나기 쉬운 부분으로서, 이 부분에 본 발명의 변형 방지 지지체(200a, 200b)를 설치함으로써 상기 전극 젤리롤(22)의 중심부의 강도가 증가되어 열이나 압력 등에 의한 팽창이나 변형이 억제될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤은 그 중심부의 장축방향으로 변형 방지 지지체를 구비함으로써 열 발생이나 내압 상승 등으로 인하여 전극 젤리롤에 힘이 가해질 때 전극 젤리롤의 변형을 막고, 동시에 캔의 두께가 팽창되는 스웰링을 방지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래의 각형 리튬 이차 전지를 도시한 분리 사시도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤의 사시도.
도 2b는 도 2a의 전극 젤리롤을 A-A선을 따라 절취한 횡단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤의 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
22...전극 젤리롤 23...양극판
24...세퍼레이터 25...음극판
26...양극 리드 27...음극 리드
28...절연 테이프 200a, 200b...변형 방지 지지체

Claims (5)

  1. 양극판 및 음극판과 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극 젤리롤에 있어서,
    상기 전극 젤리롤의 중심부에 장축방향으로 변형 방지 지지체를 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 변형 방지 지지체는 사각 시트 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 변형 방지 지지체는 십자형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 변형 방지 지지체는 절연 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 변형 방지 지지체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 또는 폴리이미드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 전극 젤리롤.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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