KR20060022126A - 전극 조립체 및 이를 이용한 리튬이차전지 - Google Patents

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KR20060022126A
KR20060022126A KR1020040070914A KR20040070914A KR20060022126A KR 20060022126 A KR20060022126 A KR 20060022126A KR 1020040070914 A KR1020040070914 A KR 1020040070914A KR 20040070914 A KR20040070914 A KR 20040070914A KR 20060022126 A KR20060022126 A KR 20060022126A
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Abstract

전극조립체 및 이를 이용한 이차 전지는 양극 전극판 또는 음극전극판 및 세퍼레이터를 고정하며 그 일부에만 접착제가 도포된 절연테이프를 구비하는 권취형 전극 조립체와, 전극 조립체를 감싼 케이스와, 케이스와 결합되어 이를 밀봉하여 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 단자부가 형성된 캡 조립체를 포함하므로, 기재 기판에 도포되는 접착제층의 면적이 한정되어 케이스의 내부에 접착제층이 도포되지 않은 부분만큼 공간이 확보되고, 스웰링 현상에 의해 전극 조립체가 일정정도 팽창되더라도 케이스가 변형되는 변형률을 최소화하는 이점이 있다.
이차 전지, 전극 조립체, 절연, 절연테이프, 접착제

Description

전극 조립체 및 이를 이용한 리튬이차전지{ELETRODE ASSEMBLY AND LITHIUM SECONDARY BATTERY WITH THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 분해사시도,
도 2a는 본 발명에 따른 전극 조립체의 일실시예를 도시한 도면,
도 2b는 도 1의 A-A'방향으로 절단한 일실시예를 도시한 도면,
도 3a는 본 발명에 따른 전극 조립체의 다른 실시예를 도시한 도면,
도 3b는 도 1의 A-A'방향으로 절단한 다른 실시예를 도시한 도면,
도 4a는 본 발명에 따른 전극 조립체의 또 다른 실시예를 도시한 도면,
도 4b는 도 1의 A-A'방향으로 절단한 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
< 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명 >
100 : 이차전지 110 : 케이스
110a : 상단개구부 200 : 전극 조립체
210 : 양극 전극판 215 : 양극탭
220 : 음극 전극판 225 : 음극탭
230 : 세퍼레이터 300 : 캡 조립체
310 : 캡 플레이트 311 : 제1단자통공
321 : 전해액 주입공 315 : 보올
320 : 전극단자 330 : 개스킷
340 : 절연플레이트 341 : 제2단자통공
350 : 터미널플레이트 351 : 제3단자통공
360 : 절연케이스 400 : 절연테이프
410 : 기재기판 420a,420b : 접착제층
본 발명은 전극 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 조립체에 사용되는 절연테이프의 접착제층을 변경하여 전극 조립체의 두께 변화를 최소화하는 전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화 된 전기/전자 장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자 장치를 일정기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충ㆍ방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차 전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 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.
통상적으로, 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차 전지용 케이스와, 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하며 권취된 부분을 감싸도록 절연테이프를 접착하여 전극 조립체를 제조한다.
그런 다음, 전극 조립체를 리튬 이차 전지용 케이스에 수용하여 전극 조립체가 이탈하지 않도록 한 후, 리튬 이차 전지용 케이스에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 리튬 이차 전지를 완성한다.
이러한 리튬 이온 이차전지는 충전시에 과충전이 발생하면 전극 조립체에서 전해액이 분해되는 과정에서 가스가 발생하여 압력이 증가한다. 증가된 압력에 의해 리튬 이온 이차전지는 전극 조립체가 수납된 전지용 케이스가 팽창하는 스웰링(Swelling)현상이 발생한다. 특히, 전극 조립체는 그 중심부가 더 팽창하여 전극 조립체의 변형을 유발한다.
전극 조립체의 변형이 심한 경우에는 전극 조립체의 음극 전극판과 양극 전극판 사이에 쇼트(Short)가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 전극 조립체의 두께변화를 최소화하는 접착제층을 갖는 절연테이프를 갖는 전극 조립체 및 이차전지를 제공한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 양극 전극판 또는 음극전극판 및 세퍼레이터를 결합시키며 그 일부에만 접착제층이 도포된 절연테이프를 구비하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 감싸는 케이스와 상기 케이스와 결합되어 이를 밀봉하여 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 단자부가 형성된 캡 조립체를 포함하며 상기 전극 조립체는 권취형으로 된다.
상기 절연 테이프는 상기 음극 전극판과 상기 양극 전극판 및 상기 세퍼레이터의 상부에서 하부를 감싸도록 일정한 폭을 갖는 기재 기판(Base Film)과 상기 기재 기판의 상ㆍ하부에 마련된 접착제층으로 되거나, 상기 절연 테이프는 상기 음극 전극판과 상기 양극 전극판 및 상기 세퍼레이터의 상부와 하부, 또는 상부와 하부 중 적어도 어느 하나에 설치된 기재 기판과 상기 기재 기판에 마련된 접착제층으로 된다.
상기 기재 기판은 변형 온도가 150℃ 이상인 물질로 이루어지며, 폴리프로필렌, 폴리이미드 및 폴리프로필렌 설파이드 중 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 접착제층은 전해액과 반응하지 않으며, 접착력을 구비하는 물질로써 아크릴인 것이 바람직하고, 그 두께는 35um인 것이 바람직하다.
상기 케이스는 원통형이거나, 사각 박스형일 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 분해사시도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 리튬 이차 전지(100)는 이차 전지용 케이스(110)와, 케이스(110)의 내부에 수용된 젤리-롤형의 전극 조립체(200)와, 케이스(110)의 상부에 결합되는 캡 조립체(300)로 구성된다.
케이스(110)는 대략 원통형이거나 사각 형상을 갖는 금속재로 이루어지고, 일측이 개구되어 상단 개구부(110a)를 갖으며, 그 자체가 단자 역할을 수행할 수 있다.
전극 조립체(200)는 양극 탭(215)이 부착된 양극 전극판(210), 음극 탭(225)이 부착된 음극 전극판(220) 및 양극 전극판(210)과 음극 전극판(220) 사이에 개재된 세퍼레이터(230)가 권취된 형태로 이루어져 있다. 또한, 전극 조립체(200)는 권취되어 젤리-롤형을 갖는 양극 전극판(210), 음극 전극판(220) 및 세퍼레이터(230)가 분리되지 않도록 함과 아울러, 전극 조립체(200)에는 그 외면을 감싸는 절연 테이프(400)가 설치된다.
절연테이프(400)는 절연테이프(400)의 일부에만 접착제가 도포된다. 즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 기재 기판(410)과 기재 기판(410)의 상부와 하부에 도포된 접착제층(420a,420b)으로 이루어진다.
기재기판(410)은 리튬 이차 전지(100)의 과충전시, 내부 온도가 약 150℃ 정도로 상승하므로, 그 변형 온도가 150℃ 이상인 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 폴리프로필렌(Polyphenylene), 폴리이미드(Polyimide) 및 폴리프로필렌 설파이드(Polyphenylene Sulfide) 중 어느 하나의 물질이 사용되나, 본 실시예에서 그 물질의 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 접착제층(420a,420b)은 전해액과 반응하지 않으며, 접착력을 구비하는 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 아크릴(Acryl)을 사용하는 것이 바람직하나 본 실시예에서 그 물질의 종류를 한정하는 것은 아니다.
접착제층(420a,420b)은 기재 기판(410)의 상ㆍ하부에만 도포됨으로써, 스웰링 현상에 의해 중심부가 팽창되는 전극 조립체(200)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 접착제층(420a,420b)이 도포되지 않은 기재 기판(410)쪽으로 팽창된다.
따라서, 접착제층(420a,420b)의 두께만큼 전극 조립체(200)가 팽창되어도 케이스(1110)의 외부가 변형되는 변형률이 줄어든다.
이때, 도포된 접착제층(420a,420b)의 기판 기재(410)가 전극 조립체(200)에 접착 가능한 최소의 양으로서, 그 두께는 35um이하인 것이 바람직하다.
도 3a,3b 또는 도 4a,4b에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(200)의 외면에 접착되는 절연테이프(400)는 기판 기재(410)의 상부 또는 하부 중 적어도 어느 하나에만 접착제층(420a,420b)을 도포하여도 무방하다.
이에, 절연테이프(400)는 전극 조립체(200)의 외면을 감싸며 케이스(110)와 전극 조립체(200)를 절연시킴과 아울러, 전극 조립체(200)를 케이스(110)에 수납할 때 전극 조립체(200)의 외면과 케이스(110)가 접촉되어 전극 조립체(200)가 손상되는 것을 방지한다.
캡 조립체(300)는 캡 플레이트(310)와, 절연 플레이트(340)와, 터미널 플레이트(350) 및 전극 단자(320)를 포함하여 구성된다. 캡 조립체(300)는 별도의 절연 케이스(360)와 결합되어 케이스(110)의 상단 개구부(110a)에 결합되어 케이스(110)를 밀봉하게 된다.
캡 플레이트(310)는 케이스(110)의 상단 개구부(110a)와 상응하는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 캡 플레이트(310)의 중앙에는 소정 크기의 제1단자통공(311)이 형성되며, 제1단자통공(311)에는 전극 단자(320)가 삽입된다.
전극단자(320)가 제1단자통공(311)에 삽입될 때는 전극 단자(320)와 캡 플레이트(310)의 절연을 위하여 전극 단자(320)의 외면에는 튜브형의 개스킷(330)이 결 합되어 함께 삽입된다.
한편, 캡 플레이트(310)의 일측에는 소정 크기의 전해액 주입공(312)이 형성된다. 전해액 주입공(312)은 캡 조립체(300)가 케이스(110)의 상단개구부(110a)에 조립된 후, 전해액 주입공(312)을 통하여 전해액이 주입되고 전해액 주입공(312)은 보올(315)에 의해 밀폐된다.
전극 단자(320)는 음극 전극판(220)의 음극탭(225) 또는 양극 전극판(210)의 양극탭(215)에 연결되어 음극 단자 또는 양극 단자로 작용하게 된다.
절연 플레이트(340)는 개스킷(330)과 같이 절연물질로 형성되며 캡 플레이트(310)의 하면에 결합된다. 절연 플레이트(340)는 캡 플레이트(310)의 제1단자통공(311)에 대응되는 위치에 전극 단자(320)가 삽입되는 제2단자통공(341)이 형성된다.
터미널 플레이트(350)는 Ni금속 또는 이의 합금으로 형성되며, 절연 플레이트(340)의 하면에 결합된다. 터미널 플레이트(350)는 캡 플레이트(310)의 제1단자통공(311)에 대응되는 위치에 전극 단자(320)가 삽입되는 제3단자통공(351)이 형성되며 전극단자(320)가 개스킷(330)에 의하여 절연되면서 캡 플레이트(310)의 제1단자통공(311)을 통하여 결합되므로 터미널 플레이트(350)는 캡 플레이트(310)와 전기적으로 절연되면서 전극 단자(320)와 전기적으로 연결된다.
한편, 전극단자(320)를 캡 플레이트(310)와 절연 플레이트(340) 및 터미널 플레이트(350)에 결합시키는 방법으로는 전극 단자(320)를 회전시키면서 일정한 힘을 가하여 캡 플레이트(310)의 제1단자통공(311)에 삽입하게 된다.
전극 단자(320)는 제1단자통공(311)을 통과하게 되면 다시 캡 플레이트(310)의 하면에 결합되어 있는 절연 플레이트(340)와 터미널 플레이트(350)에 형성된 제2단자통공(341)과 제3단자통공(351)을 통과하게 된다. 이때, 절연 플레이트(340)에 형성된 제2단자통공(341)의 내경은 삽입되는 전극단자(320)의 외경과 동일하거나 약간 크게 형성되며 전극 단자(320)의 삽입시에는 전극 단자(320)의 외면이 밀착되어 강제 삽입된다.
한편, 전극 조립체(200)의 상면에는 전극 조립체(200)와 캡 조립체(300)를 전기적으로 절연시킴과 동시에 전극 조립체(200)의 상단부를 커버하는 절연 케이스(360)가 설치된다.
절연 케이스(360)는 캡 플레이트(310)의 전해액 주입구(312)와 대응하는 위치에 전해액 주입 통공(315)이 형성되어 전해액을 주입할 수 있도록 한다. 또한, 절연 케이스(360)는 절연성을 갖는 고분자 수지로써, 바람직하게는 폴리프로필렌으로 이루어지나, 본 발명의 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 기재 기판에 도포되는 접착제층의 면적이 한정되므로 케이스의 내부에 접착제층이 도포되지 않은 부분만큼 공간이 확보되는 이점이 있다.
또한, 케이스 내부에 공간이 확보됨에 따라 스웰링 현상에 의해 전극 조립체가 일정정도 팽창되더라도 케이스가 변형되는 변형률을 최소화하는 이점이 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 후술하는 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (18)

  1. 양극 집전체 상의 양극 활물질이 코팅된 양극 활물질층과 상기 양극 집전체 양 말단의 양극 무지부를 구비하는 양극 전극판;
    음극 집전체 상의 음극 활물질이 코팅된 음극 활물질층과 상기 음극 집전체 양 말단의 음극 무지부를 구비하는 음극 전극판;
    상기 양극 전극판 및 음극 전극판의 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터; 및
    상기 양극 전극판과 상기 음극 전극판과 상기 세퍼레이터를 권취형으로 결합시키되 그 일부에만 접착제가 도포된 절연테이프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 절연테이프는 상기 음극 전극판과 상기 양극 전극판 및 상기 세퍼레이터의 상부에서 하부를 감싸도록 일정한 폭을 갖는 기재 기판;과
    상기 기재기판의 상ㆍ하부에 도포된 접착제층;으로 된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기재 기판은 변형 온도가 150℃ 이상인 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 기재 기판은 폴리프로필렌, 폴리이미드 및 폴리프로필렌 설파이드 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 접착제층은 상기 기재 기판의 상부 또는 하부에 도포된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 접착제층은 전해액과 반응하지 않으며, 접착력을 구비하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 절연테이프의 접착제층은 아크릴인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제 5항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접착제층의 두께는 35um이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 양극 전극판 또는 음극전극판 및 세퍼레이터를 고정하며 그 일부에만 접착제가 도포된 절연테이프를 구비하는 권취형 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 감싸 케이스;와
    상기 케이스와 결합되어 이를 밀봉하여 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 단자부가 형성된 캡 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 절연 테이프는 상기 음극 전극판과 상기 양극 전극판 및 상기 세퍼레이터의 상부에서 하부를 감싸도록 일정한 폭을 갖는 기재 기판;과
    상기 기재기판의 상ㆍ하부에 도포된 접착제층;으로 된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 기재 기판은 변형 온도가 150℃ 이상인 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 기재 기판은 폴리프로필렌, 폴리이미드 및 폴리프로필렌 설파이드 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 접착제층은 상기 기재 기판의 상부 또는 하부에 도포된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 접착제층은 전해액과 반응하지 않으며, 접착력을 구비하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 절연 테이프의 접착제층은 아크릴인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  16. 제 13항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접착제층의 두께는 35um이하인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  17. 제 9항에 있어서,
    상기 케이스는 원통형인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  18. 제 9항에 있어서,
    상기 케이스는 사각 박스형인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
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