KR20060028180A - 리튬 이차 전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지의 전극 조립체의 변형을 방지하는 변형 방지 수단을 구비하는 리튬 이차 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 리튬 이차 전지는 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와; 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 전극 조립체 변형 방지체와; 상기 전극 조립체 변형 방지체가 외주부를 감싸는 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스와; 상기 케이스와 결합되어 이를 밀봉하며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 단자부가 형성된 캡 조립체를 포함한다.
리튬 이차 전지, 전극 조립체, 변형 방지

Description

리튬 이차 전지 및 그의 제조 방법{Li Secondary Battery and Method of fabricating the same}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 분해 사시도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 도면.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100; 리튬 이차 전지 110; 리튬 이차 전지용 케이스
200; 전극 조립체 210; 제 1 전극판
215; 제 1 전극 탭 220; 제 2 전극판
225; 제 2 전극 탭 230; 세퍼레이터
240; 절연 테이프
300, 310, 320; 전극 조립체 변형 방지체
400; 캡 조립체 410; 캡 플레이트
411; 단자 통공 412; 전해액 주입구
415; 보올 420; 전극 단자
430; 가스켓 440; 절연 플레이트
450; 단자 플레이트 460; 절연 케이스
462; 전해액 주입 통공
본 발명은 리튬 이차 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬 이차 전지의 전극 조립체의 변형을 방지하는 변형 방지 수단을 구비하는 리튬 이차 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 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/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 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, 상기 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차 전지용 케이스와, 상기 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
한편, 상기 리튬 이차 전지의 상기 전극 조립체는 금속을 기재로 하는 양극 집전체 및 음극 집전체 상에 양극 활물질 및 음극 활물질을 도포하여 양극 전극판 및 음극 전극판을 형성하고, 세퍼레이터와 함께 권취하여 형성된다.
그러나, 상기 전극 조립체는 상기 양극 집전체 및 음극 집전체가 금속을 기재로 하여 형성된 양극 전극판 및 음극 전극판을 이용하여 권취하여 형성되므로, 권취 후 금속의 복원력으로 인하여, 권취가 풀리는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 상기 전극 조립체의 권취 방향과 동일한 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 형태의 권취 고정 테이프를 도입하는 방법이 제시되었다.
그러나, 상기한 바와 같은 권취 고정 테이프는 상기 리튬 이차 전지의 충전시, 과충전 등의 오작동으로 발생할 수 있는 전극 조립체의 팽창(swelling) 현상을 방지할 수 없는 문제점이 있다. 즉, 리튬 이차 전지의 충전시, 전극 조립체의 팽창으로 인한 양극 전극판 및 음극 전극판 사이에 쇼트(short)가 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 상기 리튬 이차 전지의 충전시에 전극 조립체 및 리튬 이차 전지의 열적 안정성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 리튬 이차 전지의 전극 조립체의 변형을 방지하는 변형 방지 수단을 구비하는 리튬 이차 전지 및 그의 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차 전지는 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와; 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 전극 조립체 변형 방지체와; 상기 전극 조립체 변형 방지체가 외주부를 감싸는 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스와; 상기 케이스와 결합되어 이를 밀봉하며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 단자부가 형성된 캡 조립체를 포함한다.
또한, 본 발명의 리튬 이차 전지의 제조 방법은 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 권취하여 전극 조립체를 형성하는 단계와; 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 전극 조립체 변형 방지체를 형성하는 단계와; 상기 전극 조립체 변형 방지체가 외주부를 감싸는 전극 조립체를 케이스에 수용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전극 조립체 변형 방지체는 상기 전극 조립체의 권취 방향에 수직한 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 형태로 이루어질 수 있다.
또는 상기 전극 조립체 변형 방지체는 상기 전극 조립체의 권취 방향에 수직한 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 제 1 전극 조립체 변형 방지체와; 상기 전극 조립체의 권취 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 제 2 전극 조립체 변형 방지체로 이루어질 수 있다.
상기 전극 조립체 변형 방지체는 소정의 폭을 구비하는 테이프로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 전극 조립체 변형 방지체는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리페닐렌설파이드(PPS) 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 이차 전 지용 케이스(110), 상기 이차 전지용 케이스(110)의 내부에 수용되는 젤리-롤형의 전극 조립체(200), 상기 전극 조립체의 변형을 방지하는 전극 조립체 변형 방지체(300), 상기 이차 전지용 케이스(110)의 상부에 결합되는 캡 조립체(400)를 포함한다.
상기 리튬 이차 전지용 케이스(110)는 대략 사각형상을 가진 금속재로 이루어져 있으며, 그 자체가 단자 역할을 수행하는 것이 가능하다.
상기 전극 조립체(200)는 일반적으로 양극 탭으로 사용되는 제 1 전극 탭(215) 및 음극 탭으로 사용되는 제 2 전극 탭(225) 중 어느 하나, 예를 들면 제 1 전극 탭(215)이 부착된 제 1 전극판(210)과, 상기 제 1 전극 탭(215) 및 제 2 2 전극 탭(225) 중 다른 하나, 예를 들면, 제 2 전극 탭(225)이 부착된 제 2 전극판(220)과, 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 사이에 개재된 세퍼레이터(230)가 권취된 형태로 이루어져, 상기 리튬 이차 전지용 케이스(110)에 수용된다. 상기 제 1 전극 탭(215) 및 제 2 전극 탭(225)이 상기 전극 조립체(200)로부터 인출되는 경계부에는 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(240)로 각각 절연되어 있다.
상기 전극 조립체 변형 방지체(300)는 상기 전극 조립체의 권취가 풀리는 것을 방지하며, 또한, 상기 리튬 이차 전지(100)의 충전시, 과충전 등의 오작동으로 발생할 수 있는 상기 전극 조립체의 팽창을 방지한다. 이때, 상기 전극 조립체 변형 방지체(300)는 적어도 상기 전극 조립체의 권취 방향과 수직한 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 형태로 이루어져 있다.
상기 캡 조립체(400)에는 상기 이차 전지용 케이스(110)의 개구부와 대응하는 크기와 형상을 구비하는 평판형 캡 플레이트(410)가 마련되어 있다. 상기 캡 플레이트(410)의 중앙부에는 단자 통공(411)이 형성되어 있으며, 상기 캡 플레이트(410)의 일측에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입공(412)이 형성되어 있으며, 상기 전해액 주입공(412)은 보올(415)과 결합되어 밀폐된다.
상기 단자 통공(411)에는 전극 단자(420), 예를 들면, 음극 단자가 삽입 가능하도록 위치하고 있다. 상기 전극 단자(420)의 외부면에는 상기 캡 플레이트(410)와의 전기적 절연을 위한 튜브 형상의 가스켓(430)이 설치되어 있다. 상기 캡 플레이트(410)의 아랫면에는 절연 플레이트(440)가 배치되어 있다. 상기 절연 플레이트(440) 아래면에는 단자 플레이트(450)가 설치되어 있다.
상기 전극 단자(420)는 상기 가스켓(430)이 외주면을 감싼 상태에서 상기 단자 통공(411)을 통하여 삽입되어 있다. 상기 전극 단자(420)의 저면부는 상기 절연 플레이트(440)를 개재한 상태에서 단자 플레이트(450)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 캡 플레이트(410)의 아랫면에는 상기 제 1 전극판(210)으로부터 인출된 제 1 전극 탭(215)이 용접되어 있으며, 상기 전극 단자(420)의 하단부에는 상기 제 2 전극판(220)으로부터 인출된 제 2 전극 탭(225)이 용접된다.
한편, 상기 전극 조립체(200)의 상면에는 상기 전극 조립체(200)와 캡 조립체(400)를 전기적으로 절연시켜 주며, 이와 동시에 상기 전극 조립체(200)의 상단부를 커버할 수 있는 절연 케이스(460)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(460)는 상기 캡 플레이트(410)의 전해액 주입구(412)와 대응하는 위치에 전해액 주입 통공(462)을 구비하여, 전해액을 주입할 수 있도록 한다. 상기 절연 케이스(460)는 절연성을 가지는 고분자 수지로써, 바람직하게는 폴리프로필렌으로 이루어지나, 본 발명의 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 도면으로써, 전극 조립체 및 전극 조립체 변형 방지체에 한정하여 도시한 사시도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지(100)의 전극 조립체(200)는 상기 전극 조립체(200)의 외주부를 감싸는 형태의 전극 조립체 변형 방지체(300)를 구비한다.
이때, 상기 전극 조립체 변형 방지체(300)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 소정 폭을 구비하며, 상기 전극 조립체(200)의 권취 방향과 수직한 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 형태로 이루어질 수 있다.
또는, 상기 전극 조립체 변형 방지체(300)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 소정의 폭을 구비하며, 상기 전극 조립체(200)의 권취 방향과 수직한 방향으로 상기 전극 조립체(200)의 외주부를 감싸는 제 1 전극 조립체 변형 방지체(310)와, 상기 전극 조립체(200)의 권취 방향과 동일한 방향으로 상기 전극 조립체(200)의 외주부를 감싸는 제 2 전극 조립체 변형 방지체(320)로 이루어질 수 있다.
이는 상기 전극 조립체 변형 방지체(300, 310, 320)가 상기 전극 조립체 (200)의 외주부를 감싸도록 형성됨으로써, 상기 전극 조립체(200)의 권취가 풀리는 것을 방지하며, 상기 리튬 이차 전지(100)의 충전시, 과충전 등의 오작동으로 인해 발생하는 상기 전극 조립체(200)의 팽창(swelling)을 방지하기 위함이다. 따라서, 상기 전극 조립체(200)의 팽창에 의해 발생할 수 있는 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 사이의 쇼트를 방지할 수 있다.
또한, 상기 전극 조립체 변형 방지체(300, 310, 320)는 폴리에틸렌(PE, polyethylene), 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 폴리페닐렌설파이드(PPS, polyphenylenesulfide) 또는 이들의 등가물로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 하기와 같은 공정을 통하여 제조한다.
우선, 제 1 전극판(210), 제 2 전극판(220) 및 상기 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220) 사이에 개재된 세퍼레이터(230)를 권취하여 권취형 전극 조립체(200)를 형성한다.
그런 다음, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 또는 이들의 등가물로 이루어지는 테이프를 이용하여 상기 권취형 전극 조립체(200)의 외주부를 감싸 전극 조립체 변형 방지체(300, 310, 320)를 형성한다.
이때, 상기 변형 방지체(300)는 상기 권취형 전극 조립체(200)의 권취 방향과 수직한 방향으로 감싸는 형태로 이루어지거나, 또는 상기 권취형 전극 조립체(200)의 권취 방향 및 권취 방향과 수직한 방향으로 감싸는 형태로 이루어질 수 있다.
상기 권취형 전극 조립체 변형 방지체(300)를 형성한 후, 상기 전극 조립체(200)를 상기 리튬 이차 전지용 케이스(110)에 수용하고, 이후에는 일반적인 리튬 이차 전지(100)의 제조 방법을 수행하여 리튬 이차 전지(100)를 제조한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지(100)는 전극 조립체(100)의 외주부에 전극 조립체 변형 방지체(300)를 구비함으로써, 전극 조립체(200)의 권취가 풀리는 것을 방지하며, 충전시 발생할 수 있는 전극 조립체(200)의 팽창에 의한 변형을 방지하여, 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 사이의 쇼트를 방지할 수 있다.
따라서, 상기 전극 조립체 변형 방지체(300)를 통하여 리튬 이차 전지(100)의 열적 안전성이 향상된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 리튬 이차 전지의 전극 조립체의 변형을 방지하는 변형 방지 수단을 구비하는 리튬 이차 전지 및 그의 제조 방법을 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와;
    상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 전극 조립체 변형 방지체와;
    상기 전극 조립체 변형 방지체가 외주부를 감싸는 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스와;
    상기 케이스와 결합되어 이를 밀봉하며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 단자부가 형성된 캡 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 조립체 변형 방지체는 상기 전극 조립체의 권취 방향에 수직한 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 조립체 변형 방지체는
    상기 전극 조립체의 권취 방향에 수직한 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 제 1 전극 조립체 변형 방지체와;
    상기 전극 조립체의 권취 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 제 2 전극 조립체 변형 방지체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 조립체 변형 방지체는 소정의 폭을 구비하는 테이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 조립체 변형 방지체는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리페닐렌설파이드(PPS) 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  6. 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 권취하여 전극 조립체를 형성하는 단계와;
    상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 전극 조립체 변형 방지체를 형성하는 단계와;
    상기 전극 조립체 변형 방지체가 외주부를 감싸는 전극 조립체를 케이스에 수용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지의 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전극 조립체 변형 방지체를 형성하는 단계는
    상기 변형 방지체를 상기 전극 조립체의 권취 방향에 수직한 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 단계인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지의 제조 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 전극 조립체 변형 방지체를 형성하는 단계는
    제 1 전극 조립체 변형 방지체를 상기 전극 조립체의 권취 방향에 수직한 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 단계와;
    제 2 전극 조립체 변형 방지체를 상기 전극 조립체의 권취 방향으로 상기 전극 조립체의 외주부를 감싸는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지의 제조 방법.
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