KR20060028177A - 젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

서로 다른 극성의 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하여 이루어진 전극 조립체가 외장재 내에 밀봉되고, 각 전극에 대응하여 하나씩 형성되며 외장재를 통해 인출되어 두 전극 각각을 외부 회로와 연결되도록 하는 서로 다른 재질의 탭들을 구비하여 이루어지는 이차전지에 있어서, 인장 강도가 보다 강한 재질의 탭의 두께를 인장 강도가 보다 약한 재질의 탭의 두께보다 얇게 형성됨을 특징으로 하는 젤리롤 형 전극 조립체를 갖는 이차 전지가 개시된다.
따라서, 젤리롤형 전극 구조체에서 전극 탭에 의해 젤리롤의 외면의 굴곡을 완화할 수 있고, 전극 탭과 겹쳐지는 부분의 활물질에 대한 압력을 완화시킬 수 있다.

Description

젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차전지{Secondary battery having jelly roll type electrode assembly}
도1은 통상적인 리튬 이차 전지에서 '젤리롤' 형태의 전극 조립체를 형성하는 하나의 전극을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도2는 도1과 같은 전극이 다른 전극 및 세퍼레이터와 함께 감겨 이루어진 젤리롤의 종래의 일 예에 대한 평단면도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 이차 전지를 형성하는 과정 중 만들어지는 베어 셀의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도4는 본 발명의 일 실시에에 따라 이루어진 이차 전지용 젤리롤의 평단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11: 캔 12: 전극 조립체
13,15: 양,음극판 14,14': 세퍼레이터
16,17: 탭 18: 절연 테이프
110: 캡 플레이트 111: 통공
112: 전해액 주입공 120: 가스켓
130: 전극 단자 131: 활물질(슬러리)
140: 절연 플레이트 160: 마개
150: 단자 플레이트 190:절연 케이스
191: 리드 통공 192: 전해액 통과공
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 전극과 이들 전극을 이격하여 절연시키는 세퍼레이터(separator)를 구비하여 이루어지는 젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성으로 인하여 근래에 이동형 전자 기기의 전원으로서 많이 개발되고 사용되고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 이차 전지 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.
이들 이차 전지에서 베어 셀(bare cell)의 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 용기에 넣고 밀봉하여 이루어진다. 용기로는 파우치가 사용될 수 있고, 철, 알미늄 또는 알미늄 합금 등의 금속 캔이 사용될 수 있다. 전해질로는 완전 고체형 폴리머, 전해액을 함침시킨 겔형 폴리머, 용매에 전해질이 이온 형태로 포함되는 액상 전해질 등이 사용될 수 있다.
밀봉된 베어 셀(bare cell)은 PTC 소자(positive temperature coefficient), 서멀 퓨즈(thermal fuse) 및 보호회로 기판(PCM: Protective Circuit Module) 등의 안전장치 및 기타 전지 부속들과 연결된 상태로 별도의 케이스에 수납되거나, 성형수지에 의해 간극이 채워지거나 피복되어 완성된 외관을 가지게 된다.
한편, 이차 전지의 제조에 있어서 작은 부피와 무게를 가진 전지에 많은 전기를 축적시키는 것은 가장 중요한 목표가 되며, 단위 시간당 전력량 즉, 전력을 크게 하는 것도 전지의 이용분야에 따라 중요한 문제가 된다. 전력을 확대시키기 위해서는 전해질에 닿는 전극 활물질의 면적을 늘릴 필요가 있다. 통상, 활물질의 표면적을 늘이기 위해, 그리고 전력량에 기여하는 활물질 비율을 높이기 위해 활물질은 전극판에 넓게 코팅된다.
활물질이 코팅된 전극판은 이차 전지를 작은 부피로 형성하기 위해 통상, 롤 형태로 권취된다. 경우에 따라서, 다수의 전극판을 극성에 따라 번갈아 적층하고, 이 적층된 상태로 같은 극성의 전극판을 전기적으로 함께 연결함으로써 전지의 두 전극을 형성할 수도 있다. 이때 다른 극성의 전극과 전극 사이는 세퍼레이터가 개재되어 내부 단락을 방지한다.
도1은 통상적인 리튬 이차 전지에서 '젤리롤' 형태의 전극 조립체를 형성하는 하나의 전극을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도2는 도1과 같은 전극이 다른 전극 및 세퍼레이터(14,14')와 함께 감겨 이루어진 젤리롤의 일 예에 대한 평단면도이다.
도1을 참조하면, 전극판이 길게 형성되고, 그 처음과 끝에는 활물질(131)이 코팅되지 않은 '무지부'가 존재한다. 전극판(13)의 시작단의 무지부에는 전극판에 축적된 전기(전자 등의 하전체)를 외부 연결도선으로 인출하기 위한 탭(17)이 부착 된다. 통상, 전극판은, 하나는 알미늄 포일이나 메쉬로, 다른 하나는 구리 포일로 이루어진 집전체 위에 각 전극의 활물질을 수지등과 함께 섞어 만든 슬러리를 도포하여 형성한다.
그런데, 도시된 것과 같은 종래의 젤리롤 형태의 전극 조립체에서는 전극판(13,15)을 외부와 연결하는 탭(17,16)이 집전체에 결합된 상태에서 권취가 이루어진다. 그러므로, 다 감겨진 상태의 젤리롤 외면(도2에서는 외곽선)은 탭의 두께로 인하여 도2와 같이 단차(A) 혹은 굴곡이 있게 형성된다.
완성된 전지의 부피를 최소화하기 위해 전극 조립체의 용기가 되는 캔 등은 전극 조립체의 크기와 거의 같은 크기를 가지도록 형성된다. 탭의 두께는 예를 들면 0.1mm 정도로 매우 얇은 것이다. 그러나, 이런 크기도 이차 전지의 제조과정에서 젤리롤형 전극 조립체 외측면에 굴곡을 형성하여 전극 조립체가 캔으로 내장될 때 캔 입구에 걸려 작업을 어렵게 할 수 있다. 또한, 탭의 두께가 두꺼울수록 젤리롤에서 겹쳐지는 부분의 활물질을 압박하여 이 부분에서 전기화학반응을 방해하고, 전기용량을 줄이는 원인이 되기도 한다. 특히, 음극의 경우, 리튬 이차전지에서 젤리롤의 중앙부에 위치하는 것이 통상적이므로 이런 문제점은 더욱 커질 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 젤리롤형 전극 구조체에서 전극 탭에 의해 젤리롤의 외면의 굴곡을 완화할 수 있고, 전극 탭과 겹쳐지는 부분의 활물질에 대한 압력을 완화시킬 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
서로 다른 극성의 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하여 이루어진 전극 조립체가 외장재 내에 밀봉되고, 각 전극에 대응하여 하나씩 형성되며 외장재를 통해 인출되어 두 전극 각각을 외부 회로와 연결되도록 하는 서로 다른 재질의 탭들을 구비하여 이루어지는 이차전지에 있어서,
인장 강도가 보다 강한 재질의 탭의 두께를 인장 강도가 보다 약한 재질의 탭의 두께보다 얇게 형성함을 특징으로 한다.
본 발명에서 바람직하게는, 두께를 다르게 한 경우의 두 전극 탭의 인장 강도의 차이가 한 탭의 인장 강도값을 기준으로 20%이내가 되도록 한다.
본 발명에서 두 전극의 탭은 알미늄 및 니켈 재질로 각각 이루어질 수 있으며, 이때, 니켈 재질의 탭은 알미늄 재질의 탭 두께의 60% 이하, 바람직하게는 50%의 두께로 형성될 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 이차 전지를 형성하는 과정 중 만들어지는 베어 셀의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3을 참조하면, 리튬 이온 전지의 베어 셀은 캔(11)과, 이 캔(11)의 내부에 수용되는 전극 조립체(12)와, 캔(11)의 개방된 상단과 결합하여 캔 상단을 밀봉하는 캡 조립체를 구비하여 이루어진다.
전극 조립체(12)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 양극판(13), 세퍼레이터(14), 음극판(15), 다른 세퍼레이터의 적층체를 와형으로 권취하여 형성한다. 양극판(13)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예컨대 알미늄 호일이나 메쉬(mesh)로 된 양극 집전체와, 그 양면 혹은 한면에 코팅된 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질층을 포함하고 있다. 양극판(13)에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 탭(16)이 전기적으로 연결되어 있다.
음극판(15)은 전도성의 금속 박판, 이를테면 구리 호일로 된 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질층을 포함하고 있다. 음극판(15)에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 탭(17)이 접속되어 있다.
전극 탭은 젤리 롤이 권취되는 장변 방향과 수직 방향으로 각 전극 집전체에 연결되어, 젤리 롤 상태에서 축 방향으로 캡 어셈블리쪽으로 돌출된다. 캡 플레이트(110) 하면에는 양극판(13)으로부터 인출된 양극 탭(16)이 용접되어 있으며, 전극 단자(130)의 하단부에는 음극판(15)으로부터 인출된 음극 탭(217)이 사행으로 접혀진 상태에서 용접되어 전기적 기계적 연결을 이루게 된다.
양극판(13) 및 음극판(15)과, 양극 탭 및 음극 탭(16,17)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 양극 탭 및 음극 탭(16,17)이 전극 조립체(12)로부터 인출되는 경계부에는 두 전극판(13,15)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(218)가 각각 감겨져 있다.
세퍼레이터(14)는 폴리에틸렌이나, 폴리프로필렌이나, 폴리에틸렌과 폴리 프 로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어져 있다. 세퍼레이터(14)는 양극판 및 음극판(13,15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판간의 단락을 방지하는데 유리하다.
파우치형을 채택하는 리튬 이온 폴리머 전지에서 전해질은 일체로서 세퍼레이터의 역할을 겸하는 고분자 고체 전해질이나, 세퍼레이터에 함침된 상태로, 즉, 완전 고체형과 겔(Gel)형으로 사용되나, 도시된 캔형 리튬 이온 전지에서는 이온을 함유하는 액체로서 전극 조립체와 별도로 캔에 주입되어 사용된다.
캔(11)은 대개 직육면체의 각형이나 원통형으로 만들어지며, 알미늄, 알미늄 합금, 철 등의 기타 금속으로 형성될 수 있다. 전극 조립체(12)가 인입된 후에 입구는 캡 플레이트(110)를 구비한 캡 어셈블리에 의해 봉지된다. 캔(11)은 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하나 본 실시예에서는 캡 조립체의 캡 플레이트(110)가 양극단자의 역할을 수행하게 된다.
캡 조립체에는 캔(11)의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(110)가 마련되어 있다. 캡 플레이트(110)의 중앙부에는 전극 단자가 통과할 수 있도록 단자용 통공(111)이 형성된다. 캡 플레이트(110)의 중앙부를 관통하는 전극 단자(130) 외측에는 전극 단자(130)와 캡 플레이트(110)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치되어 있다. 캡 플레이트(110) 중앙부, 단자용 통공(111) 근방에는 캡 플레이트(110) 하면에 절연 플레이트(140)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(140)의 아랫면에는 단자 플레이트(150)가 설치되어 있다.
전극 단자(130)는 가스켓(120)이 외주면을 감싼 상태에서 단자용 통공(111)을 통하여 삽입되어 있다. 전극 단자(130)의 저면부는 절연 플레이트(140)를 개재한 상태에서 단자 플레이트(150)와 전기적으로 연결되어 있다.
한편, 전극 조립체(12)의 상면에는 전극 조립체(12)와 캡 조립체와의 전기적 절연을 위하고, 이와 동시에 상기 전극 조립체(12)의 상단부를 커버할 수 있도록 절연 케이스(190)가 설치되어 있다. 절연 케이스(190)는 절연성을 가지는 고분자 수지이며, 폴리프로필렌으로 된 것이 바람직하다. 전극 조립체(12)의 중앙부와 음극 탭(17)이 통과할 수 있도록 통공(191)이 형성되고, 다른 측방에는 전해액 통과공(192)이 형성되어 있다. 전해액 통과공은 별도로 형성되지 않을 수 있으며, 양극 탭(16)을 통공이 음극을 위한 중앙의 통공(191) 옆에 형성될 수도 있다.
캡 플레이트(110)의 일측에는 전해액 주입공(112)이 형성되어 있다. 상기 전해액 주입공(112)에는 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입공을 밀폐시키기 위하여 마개(160)가 설치된다. 마개(160)는 알미늄이나 알미늄 함유 금속으로 만든 볼형 모재를 전해액 주입공 위에 놓고 기계적으로 전해액 주입공으로 압입하여 형성한다.
도4는 본 발명의 일 실시에에 따라 이루어진 이차 전지용 젤리롤의 평단면도이다. 젤리롤형 전극 조립체는 양극판(15), 음극판(13) 및 세퍼레이터들(14,14')가 권치되어 이루어진다.
도시된 바에 따르면, 도2의 종래의 경우와 비교할 때 음극 탭(17)의 두께 감소에 따라 전체적인 젤리롤의 두께 감소가 이루어지고, 겹치는 부분의 활물질에 대 한 압력도 상대적으로 낮게 나타날 것임을 알 수 있다.
전극 탭은 전기 집전체가 알미늄으로 된 경우에 알미늄 재질의 탭을 전기 집전체가 구리인 경우 니켈 재질의 탭을 많이 사용한다. 알미늄 탭은 인장 강도가 약 30kgf/mm2 정도이며, 니켈이나 니켈-철 합금의 경우는 인장 강도가 대략 50 내지 70kgf/mm2이다. 전극 탭의 두께는 두 전극 탭에 동일하게 예를 들면 100um 정도로 이루어진다. 이러한 전극 탭 두께는 인장 강도가 약한 것을 기준으로 결정된 것이므로, 전극 탭이 충분한 기계적 강도로 전기 단자와 혹은 안전장치 단자와 용접된 경우를 가정할 때 음극판과 연결된 니켈 음극 탭(17)은 과다한 두께를 가지는 것이다. 따라서, 구리 전극과 연결되는 니켈 음극 탭(17)의 경우, 두께 50um 정도로 사용되어도 필요한 인장 강도를 확보할 수 있다.
탭 자체는 일정한 두께로 형성된 것을 사용함이 원칙이며, 니켈 음극 탭(17)의 인장 강도가 알미늄 탭의 2배에 달할 때 니켈 탭 두께는 알미늄 양극 탭(16)의 50% 정도가 되도록 함이 이상적이다. 이때 외측으로 굴곡지는 부분의 단차(B)는 도2의 단차(A)와 비교할 때 낮아져 있다.
그러나, 탭을 가공할 때 압력을 받을 수 있고, 탭의 두께는 50um 혹은 100um 정도의 미세한 것이므로 제조 과정 자체에서 두께에 편차를 가질 수 있다. 따라서, 알미늄 양극 탭(16)과 니켈 음극 탭(17) 각각의 두께 정확성에 10% 정도의 오차를 두어 다른 두께와 다른 재질을 가진 두 탭이 견딜 수 있는 인장 강도의 차가 알미늄 양극 탭(16) 혹은 니켈 음극 탭(17)에 예정된 인장 강도의 최대 20% 정도의 오 차범위 내에 있도록 탭들의 구체적 두께를 정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 니켈 탭은 주로 젤리 롤 형 전극 조립체의 롤 중간에 설치되므로 니켈 탭과 겹치는 전극 부분이 많지만 본 발명과 같은 구성에서는 니켈 탭의 두께가 적으므로 탭에 의한 활물질 작용 방해는 종래에 비해 줄어들게 된다.
또한, 젤리 롤의 내측에 전극 탭이 있을수록 젤리 롤의 크기는 통상 커지므로 인장강도가 강한 물질을 젤리롤 내측으로 설치하면 절리롤 전체의 부피를 줄이고 캔 내에 전극 조립체를 투입할 때 어려움을 줄일 수 있다.

Claims (6)

  1. 서로 다른 극성의 두 전극 및 상기 두 전극의 전기적 단락을 방지하는 세퍼레이터를 포함하여 이루어진 젤리롤 형 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 외장재가 구비되고,
    상기 전극 조립체의 상기 두 전극에는 상기 두 전극을 상기 외장재를 통과하여 외부 회로와 연결시키는 서로 다른 재질의 탭들이 구비되는 이차전지에 있어서,
    상기 탭들 가운데 인장 강도가 보다 강한 재질의 탭의 두께를 인장 강도가 보다 약한 재질의 탭의 두께보다 얇게 형성함을 특징으로 하는 젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탭들의 인장 강도의 차이가 상기 탭들 가운데 한 탭의 인장 강도 값을 기준으로 20%이내가 되도록 함을 특징으로 하는 젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차전지.
  3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탭들은 알미늄 및 니켈 재질로 각각 이루어짐을 특징으로 하는 젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차전지.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 탭들 가운데 니켈 재질의 탭은 알미늄 재질의 탭 두께의 60% 이하로 형성됨을 특징으로 하는 젤리롤형 전극 조립체를 가지는 이차전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 탭들 가운데 니켈 재질의 탭은 알미늄 재질의 탭 두께의 50%의 두께로 형성됨을 특징으로 하는 젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차전지.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 탭들 가운데 인장 강도가 보다 강한 재질의 탭의 위치가 상기 젤리롤 형 전극 조립체의 롤 중심부에 위치하는 것을 특징으로 하는 젤리롤 형 전극 조립체를 가지는 이차전지.
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