KR20050121914A - 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 - Google Patents

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KR20050121914A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에서 제공하는 이차 전지는, 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군; 상기 전극군이 수납되는 캔; 상기 캔에 조립되어 이를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체; 및, 상기 양극판과 음극판에 선택적으로 결합되는 집전판;을 포함하고, 적어도 어느 하나의 상기 극판에는 상기 집전판과 접촉되는 무지부와, 상기 전극군의 중심으로부터 외곽으로 갈수록 점진적으로 그 영역이 커지는 열발산부가 형성된다.

Description

이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체{SECONDARY BATTERY AND ELECTRODES ASSEMBLY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세히는 용접성을 개선한 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 그 용도나 전지 용량을 감안하면, 하나 또는 수 개의 전지 셀을 팩 형태로 포장하여 사용하는 저용량 이차 전지(이하, '소형 전지)와, 전지 셀을 수십 개 모아 사용하는 전지 팩 단위의 모터 구동용 대용량 이차 전지(이하, '대형 전지')로 구분할 수 있다.
이중, 소형 전지는 주로 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자장치의 전원으로 사용되며, 대형 전지는 하이브리드 자동차에서처럼 모터 구동용 전원으로 사용된다.
소형 전지가 하나의 셀로써 구성될 때에는 주로 원통형이나 사각형의 외형을 가지고 형성되는 바, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 감아 전극 조립체(또는, 젤리롤)를 형성하고, 이를 원통형의 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다.
그리고, 상기 양, 음극판에는 리드 단자 즉, 전지의 작용시 양, 음극판에서 발생된 전류를 집전하기 위한 역할로서 도전성 탭(tap)이 각기 부착되며, 이 도전성 탭은 전극 조립체에 용접 등으로 부착되어 각기 양, 음극판에 발생된 전류를 양, 음극 단자로 유도하게 된다.
이처럼 구성된 소형 전지의 구조를 그대로 대형 전지에 적용하는 경우에는 용량이나 출력면에서 대형전지의 동작 특성을 만족시키지 못하기 때문에, 복수의 탭을 전극 조립체 사이에 부착하여 사용하는 멀티탭 구조가 일본국 공개특허 제2003-7346호에서 제안되었다. 이 이차 전지는 전극 조립체의 일 방향으로 복수의 탭을 형성하고, 이들 탭을 외부 단자와 연결하는 내부 단자와 결합한 구조이다.
그런데, 이같은 멀티 탭 구조는 많은 작업 공수가 수요되는 문제점이 있다. 특히, 탭의 단위 면적이 작기 때문에 대형 전지에서 원하는 출력 특성을 만족시키지 못하는 한계가 있다.
탭에 대한 다른 예로서 판상으로 이루어지는 집전판이 있다. 이 집전판은 상술한 멀티탭에 비해서 단위 면적이 넓기 때문에 집전 효율을 이전보다 증대시킬 수 있었으며, 탭의 점유 공간을 줄여 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있었다.
그런데, 판상의 집전판 경우에는 극판과 집전판 사이의 고정이 용접에 의해서 이루어지나, 이의 고정이 견고하지 못하다는 단점이 있다. 더욱이, 전극군의 외곽을 향할수록 극판과 전극군 사이의 기재 양이 줄어들어 열을 제대로 발산하지 못해 세퍼레이터를 용해시키고, 이로 인해서 극판간 숏트를 발생시키는 문제가 있다.
이에, 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결해서, 탭의 용접성을 향상시키면서도 집전 효율을 증대한 본 발명의 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 순간적인 출력을 좋게 해서 하이브리드 전기 자동차와 같이 대형 전지가 요구되는 산업 분야에 적용 가능한 이차 전지를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 이차 전지는,
세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군;
상기 전극군이 수납되는 캔;
상기 캔에 조립되어 이를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체; 및,
상기 양극판과 음극판에 선택적으로 결합되는 집전판;을 포함하고,
적어도 어느 하나의 상기 극판에는 상기 집전판과 접촉되는 무지부와, 상기 전극군의 중심으로부터 외곽으로 갈수록 점진적으로 그 영역이 커지는 열발산부가 형성된다.
선택적으로, 상기 무지부는 상기 양극판과 음극판에 서로 대향하는 방향으로 각각 형성되고, 상기 무지부 각각에 대해서 상기 집전판이 고정되어서 이차 전지가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 전극군의 외곽에 위치하는 무지부의 너비가 상기 전극군의 중심에 위치하는 무지부의 너비보다 크게 이루어질 수 있으며, 이때 무지부의 단부는 상기 전극군의 중심에서 외곽을 향해 오르막 경사로 형성된다.
그리고, 상기 열발산부는 전극군의 중심을 향해 구부러져서 상기 집전판과 면접촉을 이루어 집전판이 상기 전극군에 고정될 수 있다.
이에 따라, 상기 상기 열발산부는 상기 집전판과 상기 무지부와의 용접에 의해 발생된 열을 면(面)으로 발산하게 된다.
이러한 본 실시예에서 제공하는 이차 전지는, 상기 전극군이 원통형 젤리롤 형태로 형성해서 이차 전지의 형상이 원통형으로 형성됨이 바람직하며, 이러한 셀 단위의 이차전지가 직렬로 복수개 연결되어 하이브리드 전기 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)용도로 사용됨이 바람직하다.
그리고, 다른 실시예에서 제공하는 본 발명은 이차 전지용 전극 조립체로,
세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군;
상기 양극판과 음극판에 선택적으로 길이 방향의 단부를 따라 활물질을 도포하지 않고 형성하며, 상기 전극군의 외곽에 배치되는 열반산부가 구비된 무지부; 및,
상기 무지부에 형성된 접촉부와 전기적으로 연결되는 집전판;을 포함해서 형성된다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다. 이를 참조해서 본 발명의 이차 전지를 설명하면 다음과 같다.
본 실시예의 이차전지는 원통형 또는 육면체 형상을 가지며 일부가 개방된 캔(11)에, 절연 물질인 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극판(23) 및 음극판(22)을 권취해서 형성한 전극 조립체(20)를 삽입하고, 가스켓(32)을 매개로 캔(11)의 개방된 부분을 캡 조립체(30)로 밀봉한 형태로 이루어진다.
먼저, 캔(11)은 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸 등과 같은 도전성 금속재로 이루어지는데, 그 형상은 상기 전극 조립체(20)가 삽입 안착될 수 있는 공간이 형성된 원통형으로 형성됨이 바람직하나, 이에 한정될 필요는 없다.
다음으로, 전극 조립체(20)는 양극판(23)과 음극판(22) 사이에 세퍼레이터(21)를 개재하고, 이를 귄취해서 형성한 전극군(25)과, 상기 전극군(25)의 폭 방향 단부(도면에서는 위, 아래)에 형성된 무지부(22b, 23b)와 선택적으로 연결된 양, 음극 집전판(70, 50)을 포함해서 이루어진다. 이 전극 조립체(20)에 대해서는 도면을 달리해서 아래에서 자세히 설명한다.
한편, 도 1에서는 원통형 케이스(20)에 젤리롤 타입의 전극 조립체(10)가 위치하는 경우를 예를 들어 도시하였으며, 이하에서도 이를 기준으로 설명하나 본 발명이 이에 한정되고자 함은 아니다.
그리고, 캡 조립체(30)는 외부 단자(31a)를 가지는 캡 플레이트(31)와, 상기 외장캔(11)과 상기 캡 플레이트(31)를 절연시키는 가스킷(32)을 포함하는데, 이 캡 조립체(30)에는 내부 압력을 완충시킬수 있는 공간부를 가지며 설정된 압력에서 파손되어 가스를 방출함으로써 전지의 폭발을 방지하는 안전변(미도시)을 가지는 밴트 플레이트(33)가 더욱 포함될 수 있다. 상기 안전변은 밴트 플레이트(33)에 형성된 것에 한정되지 않고, 설정된 압력하에서 전극 조립체(20)와 외부단자(31a)를 전기적으로 단선시킬 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.
또한, 상기 가스킷(32)은 절연 물질로 구성되어 외장캔(11)을 밀봉하면서도 양극으로 이루어지는 캡 조립체(30)와 음극으로 이루어지는 외장캔(11) 사이를 전기적으로 절연시키게 된다. 이에 대해서는 아래에서 자세히 후술될 것이다.
이처럼 구성된 캡 조립체(30)는 리드선(60)을 통해서 본 발명에 따른 전극 조립체(20)와 전기적으로 연결된다.
이하, 본 실시예에 따른 전극 조립체에 대해서 설명한다.
먼저, 도 2를 가지고 전극 조립체의 일부를 구성하는 전극군에 대해서 설명하고, 다음으로 전극군에 집전판을 결합해 이루어진 전극 조립체를 설명한다.
본 실시예에서, 전극군(25)은 양극판(23)과 음극판(22)이 무지부(22b, 23b)를 폭 방향의 단부를 따라 형성한 상태에서, 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 교대로 횡권해서 이루어진다.
보다 상세히, 각각의 양극 및 음극용 활물질(22a, 23a)을 집전체(221, 231)에 코팅해서 양극판(23)과 음극판(22)을 구성하고, 이들을 감아 젤리롤(jelly roll) 타입으로 전극군(25)을 형성한다. 이때, 상기 전극군(25)의 중심에는 형태를 유지하고, 극판(23, 22)들을 권취하기 편리하도록 권취심(미도시)이 위치할 수도 있다.
그리고, 양극판(23)과, 음극판(22) 각각에는 길이 방향 단부, 즉 집전체(231, 221) 가장 자리(도면의 위, 아래)에 활물질이 도포되지 않은 무지부(22b, 23b)가 형성된다. 이때, 상기 무지부(23b, 22b)는 세퍼레이터를 사이에 두고 양극과 음극이 서로 엇갈리게 배치된다.
또한, 상기 무지부(22b, 23b)는 극판들(22, 23)이 권취될 때 위로(양극 집전판이 결합되는 방향)는 양극 무지부(23b)가 전극군 밖으로 나오도록 배치되고, 아래로는 음극 무지부(22b)가 나오도록 배치된다. 이에 따라, 전극군(25)의 위로는 양극 무지부(23b)가 돌출 형성되고, 아래로는 음극 무지부(22b)가 돌출된 형상을 이룬다.
이렇게 전극군(25)을 구성한 상태에서, 전극군(25)의 위로는 양극 집전판(70)을 무지부(23b)에 접촉되도록 올려놓고, 아래로는 음극 집전판(50)을 음극 무지부(22b)에 접촉시킨 상태에서, 이들을 전극군(25)과 용접해서 고정시키는 것으로 전극 조립체(20)가 완성된다.
이때, 무지부(23b, 22b)와 집전판(70, 50) 사이의 접촉 저항을 최소화하기 위해서, 본 실시예에서는 상기 무지부(23b, 22b)를 전극군(25)의 중심으로 만곡시켜서 집전판(70, 50)과 무지부(23b, 22b)가 면 접촉을 이룰 수 있도록 한다.
한편, 무지부와 집전판의 용접 과정에서 발생하는 열은 세퍼레이터를 융해시켜 양극판 및 음극판 사이에 숏트를 발생시킬 수 있다. 특히, 이러한 문제는 기재의 양이 부족해서 열의 발산이 잘 이루어지지 않는 전극군 외곽 부분에서 자주 발생한다.
이에, 본 실시예에서는 열발산부가 구비된 무지부를 제안하며, 이에 대해서 도 3 내지 도 5를 참조로 설명하면 다음과 같다. 이하의 설명은 양극판을 예를 들어 설명하나, 음극판도 동일하게 이루어질 수 있음은 물론이다.
도면을 참조하면, 양극판(23)의 길이 방향 단부를 따라 형성된 무지부(23b)는 도면을 기준으로 좌표의 원점, 즉 전극군(25)의 중심을 형성하는 부분에서 무지부 너비(G1)가 외곽의 너비(G2)보다 작게 이루어진다. 이로 인해서, 양극판(23)에는 열발산부(WA)가 길이 방향의 측단(도면의 X축 (+) 방향)으로 형성된다. 이 열발산부(WA)는 전극군 외곽에서 기재의 양을 늘려 주어, 전극 조립체를 구성시 양극 집전판을 양극판에 고정하는 용접 과정에서 발생하는 열을 면(面)을 통해서 발산하도록 한다.
이때, 상기 열발산부(WA)는 횡권의 외곽, 도면에서는 X축의 양의 방향으로 갈수록 부분 면적이 크게 형성함이 바람직하다. 왜냐하면, 양극판(23)이 횡권되면, 바깥을 향할수록 열을 방출할 수 있는 기재의 양이 줄기 때문에, 이에 대응하도록 부분 면적을 크게 형성한다. 이를 만족하는 하나의 예로, 도면에 도시하고 있는 것처럼 무지부의 단부(23c, 22c)가 중심(도면의 원점)을 향해 내리막 경사의 사선으로 형성할 수 있다.
이 같은 열발산부(WA)가 구비된 양극판(23)은 그 사이에 세퍼레이터를 개지한 상태로 음극판과 말아서 원통형 젤리롤 형태로 전극군(25)을 완성한다. 이에 따라서, 전극군(25)의 단면은 도 5에 도시된 바처럼 전극군(25)의 중심에서 무지부의 단부(23c)가 가운데로 오목한 형태를 이루게 된다.
이 상태에서, 이 전극군(25)의 상, 하로 각각의 집전판(70, 50)을 무지부(23b, 22b)에 접촉시키는데, 이때 무지부(23b, 22b)에 형성된 열확산부(WA)는 전극군(25)의 중심을 향해 구부려진다. 이처럼 열확산부(WA)가 전극군(25)의 중심을 향해 구부려진 상태에서 상기 접전판(70, 50)이 열확산부(WA) 위에 놓이면, 이 열확산부(WA)는 상기 집전판(50, 70)에 면접촉된다. 이렇게 무지부와 집전판 사이가 면접촉을 형성함으로써 집전판과 전극군 사이의 접촉 면적이 증대되어 전지의 집전 효율을 높일 수 있으며, 또한 집전판을 더욱 견고하게 전극군에 고정시킬 수 있게 된다.
그리고, 이 상태에서 레이저 용접을 통해 상기 집전판(70, 50)을 상기 접촉부(23d)에 고정시키는 것으로 전극 조립체(20)가 완성된다(도 6 참조). 이때, 집전판(70)과 면접촉을 형성하고 있는 열확산부(WA)는 전극군(25)의 외곽에 모자라는 기재의 양을 보충해서 용접 과정에서 발생하는 열을 대기중으로 발산시켜 세퍼레이터가 융해되는 것을 방지한다.
이처럼 구성된 전극 조립체는 캔(11)에 양극 집전판(70)이 캡 조립체(30)를 향하도록 수납된다. 따라서, 음극판(22)과 서로 연결되어 있는 음극 집전판(50)이 캔(11)의 바닥면에 접촉되고, 이 상태에서 음극 집전판(50)과 바닥면을 저항 용접을 통해 고정하게 된다. 이에 따라, 캔(11)이 전지의 음극을 형성하게 된다.
선택적으로는 음극 집전판(50)을 사용하지 않고 음극 무지부(22b)를 캔(11)에 직접 접촉시켜 전지의 음극을 형성할 수도 있다.
다음으로, 양극 집전판(70)에 형성된 주입부(미도시)를 통해서 전해액을 캔(11) 내부로 공급해서 전극 조립체(20)에 함침시키게 된다. 또한, 양극판(23)과 전기적으로 연결되어 있는 양극 집전판(70)은 리드선(60)을 통해서 캡 조립체(30)와 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 캡 조립체(30)가 전지의 양극을 형성해서 본 실시예에 따른 이차 전지가 완성된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따르면, 집전판과 전극군 사이의 접촉 면적이 높아져 접촉 저항을 줄임으로, 이에 반해서 집전 효율은 증대시키는 장점이 있다.
그리고, 상술한 문제점을 해결해서 대형 전지가 요구하는 동작 특성을 수용할 수가 있으며, 집전판과 전극 조립체간 고정을 더욱 견고히 할 수 있으므로 이로 인해서 제반되었던 종래 문제를 해결하며, 안정적으로 짧은 시간내에 충방전이 일어날 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극군의 모습을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극판의 모습을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극판의 모습을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 2에 따른 전극군의 단면을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 전극 조립체의 모습을 도시한 분해 사시도이다.
도 7은 양극판의 무지부와 양극 접전판의 접촉 관계를 확대해서 보여주는 도면이다.

Claims (17)

  1. 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군;
    상기 전극군이 수납되는 캔;
    상기 캔에 조립되어 이를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 캡 조립체; 및,
    상기 양극판과 음극판에 선택적으로 결합되는 집전판;을 포함하고,
    적어도 어느 하나의 상기 극판에는 상기 집전판과 접촉되는 무지부와, 상기 전극군의 중심으로부터 외곽으로 갈수록 점진적으로 그 영역이 커지는 열발산부를 형성하고 있는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무지부가 상기 양극판과 음극판에 서로 대향하는 방향으로 배치되고, 상기 무지부 각각에 대해서 상기 집전판이 고정되어 이루어진 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열발산부가 상기 무지부의 일부로 이루어지고, 상기 전극군의 외곽에 위치하는 무지부의 너비가 상기 전극군의 중심에 위치하는 무지부의 너비보다 크게 이루어진 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열발산부가 전극군의 중심을 향해 구부러져서 상기 집전판과 면접촉을 이루는 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열발산부가 상기 전극군의 중심에서 외곽을 향해 부분 면적이 커지도록 형성되는 이차 전지.
  6. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 무지부의 단부가 상기 전극군의 중심에서 외곽을 향해 오르막 경사의 사선으로 형성되는 이차 전지.
  7. 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 열발산부가 상기 집전판과 상기 무지부와의 용접에 의해 발생된 열을 면(面)으로 발산하는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극군이 원통의 젤리롤 형태로 이루어지는 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지가 HEV(Hybrid Electric Vehicle)용인 이차 전지.
  10. 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판과 음극판을 권취해서 이루어진 전극군;
    상기 양극판과 음극판에 선택적으로 길이 방향의 단부를 따라 활물질을 도포하지 않고 형성하며, 전극군의 중심으로부터 외곽으로 갈수록 점진적으로 그 영역이 커지는 열발산부가 구비된 무지부; 및,
    상기 무지부에 형성된 접촉부와 전기적으로 연결되는 집전판;을 포함해서 이루어지는 이차 전지용 전극 조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 무지부가 상기 양극판과 음극판에 서로 대향하는 방향으로 배치되고, 상기 무지부 각각에 대해서 상기 집전판이 고정되어 이루어진 이차 전지용 전극 조립체.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 열발산부가 상기 무지부의 일부로 이루어지고, 상기 전극군의 외곽에 위치하는 무지부의 너비가 상기 전극군의 중심에 위치하는 무지부의 너비보다 크게 이루어진 이차 전지용 전극 조립체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열발산부가 전극군의 중심을 향해 구부러져서 상기 집전판과 면접촉을 이루는 이차 전지용 전극 조립체.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 열발산부가 상기 전극군의 중심에서 외곽을 향해 부분 면적이 커지도록 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
  15. 제12항 또는 제14항에 있어서,
    상기 무지부의 단부가 상기 전극군의 중심에서 외곽을 향해 오르막 경사의 사선으로 형성되는 이차 전지.
  16. 제10항 내지 제14항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 열발산부가 상기 집전판과 상기 무지부와의 용접에 의해 발생된 열을 면(面)으로 발산하는 이차 전지.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 전극군이 원통의 젤리롤 형태로 이루어지는 이차 전지용 전극 조립체.
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