KR20060033643A

KR20060033643A - 리벳에 의해 전극탭과 리드선이 접합되는 적층형리튬이차전지의 전극탭 처리방법

Info

Publication number: KR20060033643A
Application number: KR1020040082842A
Authority: KR
Inventors: 노환진; 박성우; 박진섭
Original assignee: 주식회사 에너랜드
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-19

Abstract

일측에 탭이 형성된 다수개의 양극판과 음극판을 격리막 상에 배열한 후 순차 접어 양극탭과 음극탭이 서로 독립적으로 중첩된 적층체를 얻는 단계, 상기 음극탭 및 양극탭을 일측으로 밀착시킨 후 리드선을 상기 탭 상에 정렬하는 단계, 리드선과 탭을 리벳에 의해 접합시키는 단계, 리벳처리된 탭과 리드선을 굴곡시켜 셀을 완성하는 단계로 구성된 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법이 제공된다. 상기한 전극탭 처리방법은 리벳에 의해 리드선과 탭을 접합시킴으로써 접합 공정에 소요되는 시간을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 탭에 존재하는 전극활물질 등의 이물질의 제거 공정이 요하지 아니한다. 또한 양극탭과 음극탭에 대한 접합을 동시에 수행할 수 있다.

리튬이차전지, 전극탭, 리드선, 리벳처리

Description

리벳에 의해 전극탭과 리드선이 접합되는 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법{METHOD FOR THE TREATMENT OF ELECTRODE TAPS OF STACKED LITHIUM SECONDARY BATTERY IN WHICH THE ELECTORDE TAPS AND LEAD LINE ARE CO-ATTACHED BY RIVET}

도 1은, 리튬이온 2차전지용 셀의 구조를 나타낸 전개도이다.

도 2는, 도 1을 결합시킨 사시도이다.

도 3은 전극탭 상에서의 리드선의 배치의 일예를 보여주는 단면도이다.

도 4는 전극탭 상에서의 리드선의 보다 바람직한 배치를 보여주는 단면도이다.

도 5a 내지 도 5j는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법을 보여주는 도면이다.

도 6은 도 5a 내지 도 5j에 따른 공정에 의해 제조된 적층형 리튬이차전지를 보여주는 단면도이다.

도 7은 종래의 리튬이차전지의 제조방법을 보여주는 단면도이다.

본 발명은 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 적층형 리튬이차전지의 전극탭과 리드선을 효율적으로 접합을 가능케하는 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법에 관한 것이다.

전지는 전기화학적 반응에 의해 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 장치로서, 이들은 크게 일차 전지와 이차 전지로 구분된다. 충방전이 가능한 이차전지 중 높은 전압과 높은 에너지 밀도를 갖고 있는 리튬이차전지가 현재 가장 주목받고 있다. 현재, 리튬이차전지는 휴대전화, 노트북 등의 정보통신가전용 소형 전지에 다양하게 응용되고 있다.

종래의 리튬이차전지의 제조방법의 한 예가 도 7에 도시되어 있다. 상기 방법에 따른 리튬이차전지는 그리드 형태의 음극 집전체(11), 매트릭스 필름 형태의 음극(12), 매트릭스 필름 형태의 격리막(13), 매트릭스 필름 형태의 양극(14), 그리드 형태의 양극 집전체(15)를 순차 적층한 후 라미네이터를 통과시켜 상기 요소들을 일체화시킨 후, 다시 지그-재그 형태로 접어 원하는 형태의 구조를 갖도록 하는 것을 특징으로 한다. 이러한 방법의 예로는 미국특허 제5,460,904호를 참조하기 바란다. 상기한 방법에 의해 제조된 리튬이차전지는 전극이 연속적으로 연결되어 있고, 따라서 "연속형 리튬이차전지"라 칭할 수 있다. 상기한 형태의 리튬이차전지는 전극이 서로 연결되어 있어 탭처리가 간단하다는 장점을 갖고 있으나, 접는 공정에서 전극의 손상이 필연적으로 동반된다는 문제점을 갖는다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 복수의 음극판 및 복수의 양극판을 사용한 예가 한국특허 제309604호 및 제336396호, 한국공개특허공보 제2002-93781호에 개 시되어 있다. 이 때, 복수의 음극판과 복수의 양극판은 교대로 적층되어 있으며, 따라서, "적층형 리튬이차전지"라 불리운다. 이러한 형태의 리튬이차전지는 접음 공정에서 동반되는 전극의 손상(즉, 집전체로부터의 전극활물질의 탈리와 집전체의 손상)이 발생하지 아니한다는 장점을 갖는다. 도 1 및 도 2는 적층형 리튬이차전지의 제조 공정을 설명하는 사시도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 양극판(2a) 또는 음극판(2b)을 격리막(30)의 일면에 적절한 순서로 배열시킨 후 이를 접어서 양극판(2a)과 음극판(2b)이 교대로 위치하는 적층체(100)를 얻는다. 도 2의 적층체(100)에서, 상기 양극판(2a) 또는 음극판(2b)의 일측에는 양극탭(200a)과 음극탭(200b)이 돌출되게 형성되고, 이들은 리드선에 의해 처리된다. 상기한 적층형 리튬이차전지의 경우, 복수의 음극판과 복수의 양극판 각각에 위치한 탭의 효율적 처리가 필연적으로 요구된다. 전극탭의 효율적 처리를 위해서는 다음의 조건이 만족되어야 한다.

(1) 전극탭과 리드선의 배치가 정확하고 원활하게 이루어져야 한다.

(2) 전극탭과 리드선의 접합이 신속하고 견고하게 이루어져야 한다.

(3) 전극탭과 리드선의 굴곡공정이 가급적 간단하게 수행되어야 한다.

종래 기술 따르면, 전극탭과 리드선의 접합은 초음파 용접(ultrasonic welding)에 의해 수행되었다. 이러한 초음파 용접은 연속형 리튬이차전지의 경우 좋은 효과를 제공한다. 구체적으로 설명하면, 연속형 리튬이차전지의 경우 하나의 전극탭만을 가지고 있고, 하나의 전극탭을 리드선과 접합시키는 것은 초음파 용접에 효율적으로 수행된다. 그러나, 적층형 리튬이차전지와 같이 복수의 전극탭들이 서로 적층되어 있어 때때로 불충분한 결과를 야기한다. 또한 상기 초음파 용접은 전극탭에 전극활물질 등과 같은 이물질이 도포되어 있을 경우 접합 강도를 저하시킨다. 하나의 전극탭을 갖는 연속형 리튬이차전지의 경우 이물질의 제거공정은 쉽게 수행된다. 그러나, 적층형 리튬이차전지의 경우 전극탭이 복수개(통상, 5 ~ 20개) 존재하므로, 각각의 전극탭으로부터 이물질을 제거하는 것은 곤란할 경우가 있다.

또한, 전극탭으로부터 전극활물질 등과 같은 이물질을 제거하는 공정은 통상 수작업에 의해 수행되는데, 전극활물질의 제거를 수행하는 도중에, 전극활물질이 대기중으로 비산되어 작업환경을 오염시킬 뿐만 아니라, 전지 내부로 침투되어 불량률을 증가시킨다. 때때로, 내부로 침투된 전극활물질은 예기치 않은 화학적 반응에 의해 단락을 야기하기도 한다.

상기한 문제점 외에도, 복수의 전극탭과 리드선을 초음파 용접에 의해 접합시키는데 장시간이 소요된다. 구체적으로, 초음파 용접에 의해 통상 30초 이상의 시간이 소요된다. 이것은 전지제조공정의 수율을 저하시키는 요인이 된다. 또한 상기한 초음파 용접은 두개의 전극탭(양극탭과 음극탭)을 한꺼번에 수행할 수 없다는 단점을 갖는다.

본 발명의 목적은 전극탭으로부터 전극활물질 등과 같은 이물질의 제거를 요하지 아니하는 적층형 리튬이차전지 전극탭 처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적층형 리튬이차전지의 복수의 전극탭과 리드선의 접 합을 신속하게 수행할 수 있는 적층형 리튬이차전지 전극탭 처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 적층형 리튬이차전지의 복수의 전극탭과 리드선의 접합을 신속하게 수행할 수 있는 적층형 리튬이차전지 전극탭 처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 적층형 리튬이차전지의 복수의 전극탭과 리드선의 접합을 양극탭과 음극탭에 대하여 동시에 수행할 수 있는 적층형 리튬이차전지 전극탭 처리방법을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적 및 발명의 상세한 설명에 기술될 또 다른 목적은 일측에 탭이 형성된 다수개의 양극판과 음극판을 격리막 상에 배열한 후 순차 접어 양극탭과 음극탭이 서로 독립적으로 중첩된 적층체를 얻는 단계, 상기 음극탭 및 양극탭을 일측으로 밀착시킨 후 리드선을 상기 탭 상에 정렬하는 단계, 리드선과 탭을 리벳에 의해 접합시키는 단계, 리벳처리된 탭과 리드선을 굴곡시켜 셀을 완성하는 단계로 구성된 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법의 제공에 의해 성취될 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리공정을 기술하면 다음과 같다. 먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 격리막(30) 상에 양극탭(200a)을 갖는 양극판(2a) 과 음극탭(200b)를 갖는 음극판(2b){양극판과 음극판을 합쳐 "전극판"이라 하며, 양극탭(200a)과 음극탭(200b)을 합쳐 "전극탭(200)"이라 칭한다}를 적절히 배열한 후, 이들을 접어 도 2에 도시된 적층체(100)를 제조한다. 상기 적층체(100)는 양극판(2a)과 음극판(2b)이 서로 교대로 위치하며, 양극판(2a)과 음극판(2b) 사이에 격리막(30)이 위치하는 구조를 갖는다. 이 때, 복수의 양극탭(200a)과 복수의 음극탭(200b)은 서로 독립적으로 중첩된다.

서로 중첩된 전극탭(200)들은 상방으로의 압착에 의해 서로 모아지고, 탭의 끝단이 서로 매칭되지 아니할 경우, 커터를 이용하여 절단한다. 그 후, 전극탭(200) 상에 리드선이 정렬된다. 전극탭(200) 상으로서 리드선을 정렬하는 일 예가 한국공개특허공보 제2003-95519호에 기재되어 있다. 도 3은 상기 공보에 기재된 정렬을 보여준다. 도 3에 도시된 바와 같이, 적층체(100)의 대향되는 방향에서 리드선(4)이 배치된다. 그러나, 이러한 방법은 대개 작업자의 감각에 의존하여 전극탭(200)과 리드선(4)의 중첩간격이 설정됨으로 인해, 재현성이 부족하고 작업 공간이 많이 소요된다는 문제점을 안고 있다. 이러한 문제점은, 도 4에 도시된 바와 같이, 리드선(4)의 일단부는 적층체(100)의 상면에 위치되도록 하고, 타단부는 상기 전극탭(200)의 끝단과 일치되도록 하여 리드선(4)을 정렬시킴으로써 해결될 수 있다.

전극탭(200)과 리드선(4)은 리벳(5)에 의해 서로 접합된다(도 5a 내지 도 5j 참조). 이때, 상기 리벳(5)은, 머리부(50)와 수직봉체(52)를 포함하여 이루어진다. 바람직하게는, 상기 리벳(5)은 전극탭(200) 및/또는 리드선(4)과 접촉하는 부위에 요철(54a, 54b)이 형성된 구조를 갖는다. 구체적으로, 상기 머리부(50)의 저면과 수직봉체(52)의 외주면에는 요철(54a, 54b)이 형성된다. 상기 요철(54a, 54b)은 리드선(4) 및 전극탭(200)을 보다 긴밀하게 고정시킨다.

전극탭(200)과 리드선(4)의 접합이 완료된 후, 굴곡공정이 수행되며, 굴곡공정에 의해 전극탭 처리가 완료된다. 얻어진 적층형 리튬이차전지용 셀은 소정의 케이스에 수용되고, 케이스의 내부에 전해액을 주입한 다음 밀봉시킴으로써 적층형 리튬이차전지가 최종 완성된다.

도 5a 내지 도 5j는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법을 보여준다. 도 1에 도시된 전극배치를 순차 접어 도 2에 도시된 적층체(100)가 얻어진다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 다수개 적층된 전극탭(200a)들은, 도 5b와 같이, 상방으로 밀어 압착된다. 그 후, 도 5c에 도시된 바와 같이, 탭의 끝단이 서로 매칭되지 아니할 경우, 상기 중첩된 다수의 전극탭(200)의 끝단은 커터(300)를 이용하여 균일하게 절단되어 도 5d와 같이 정렬된다.

리드선(4)을 전극탭(200)의 상단에 정렬시키되, 리드선(4)의 일단부는 적층된 전극판의 상면에 위치되도록 하고, 타단부는 상기 전극탭(200)의 끝단과 일치되도록 하여 정렬된다. 즉, 전극탭(200)의 끝단과 리드선(4)의 일측끝단이 일치하며, 리드선(4)의 본체는 전극판의 상부에 위치한다(도 5e 참조). 이 때, 전극탭(200) 상부로의 리드선(4)의 정렬을 보다 원활하고 신속하게 수행하기 위해 정렬부재(700) 등이 채용될 수 있다.

정렬을 완료한 후, 전극탭(200)과 리드선(4)은 리벳(5)에 의해 물리적으로 접합된다(도 5f 참조). 이때, 상기 리벳(5)은 헤드(50)와 수직봉체(52)를 포함하여 이루어지며, 바람직하게는, 상기 리벳(5)이 상기 헤드(50)의 저면 및 수직봉체(52)의 외주면 중 적어도 하나에 요철(54a, 54b)를 갖는 것이다. 상기 요철(54a, 54b)은 리드선(4)과 전극탭(200)의 물리적 고정을 보다 견고하게 한다(도 5g 참조). 상기 리벳 처리에 의한 물리적 접합에 소요되는 시간은 통상 0.5초 내지 1초 정도이다. 아울러, 상기 리벳 처리 시간은 중첩된 전극탭(200)의 숫자에 거의 의존하지 아니한다는 장점을 제공한다. 초음파 용접과 달리, 전극탭 상에 존재하는 전극활물질 등의 이물질에 의한 영향도 받지 아니한다. 그리고, 두 개의 전극탭(200), 양극탭(200a) 및 음극탭(200b)에 대하여 동시에 수행할 수 있다.

상기 리벳(5)에 의한 접합부는 불필요한 전기적인 접촉을 방지하기 위해, 또는 접합부의 손상을 막기 위해 절연 테이프와 같은 절연재(400)로 감싸서 보호함이 바람직하다(도 5h 참조).

접합에 의해, 리드선(4)과 전극탭(200)을 일체화시킨 후, 절곡 공정이 수행된다. 본 발명에 따른 탭처리 방법에 있어서, 상기 절곡 공정은 2회에 걸쳐 수행된다. 제1 절곡은 상기 전극탭(200)과 리드선(4)의 접합부를 하방으로 절곡시켜서 리드선(4)을 셀의 바닥면에 대해 수직하게 배치되도록 한다(도 5i 참조). 제2 절곡은 전극탭(200)과 중첩되지 아니하는 영역의 상기 리드선(4)을 적층된 전극판(또는 셀)의 외측으로 절곡시켜서 적층된 전극판의 외부쪽으로 수평하게 연장되도록 한다(도 5j 참조).

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의해 리드선(4)이 연결된 셀(A)의 조립이 완료될 수 있으며, 이렇게 완성된 리튬이차전지용 셀(A)을 케이스(500) 내측 에 수용하고, 리드선(4)의 끝단이 외부로 노출되도록 한 후 케이스(500)의 내부에 전해액을 주입한 다음 밀봉시킴으로써 리튬이차전지(B)가 최종 완성된다(도 6).

상기 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 적층형 리튬이차전지는 a) 복수의 양극판과 복수의 음극판 - 여기서, 상기 복수의 양극판과 복수의 음극판은 서로 독립적으로 전극탭을 갖고 있으며, 복수의 음극탭과 복수의 양극탭은 서로 독립적으로 리드선에 접합되어 있음-, b) 상기 양극판과 음극판의 사이에 배치된 격리막, c) 전해질, d) 상기 복수의 음극탭과 복수의 양극탭을 리드선에 접합시키는 리벳, 및 e) 상기 요소를 수용하는 외부 케이스로 구성된다. 또한 바람직하게는, 상기 전극탭의 일단과 리드선의 일단이 서로 매칭된 형태이다.

상기 전극탭 처리방법에 있어서, 리벳 처리에 의한 전극탭(200)과 리드선(4)의 접합은 다음의 이점을 제공한다.

(1) 초음파 용접은 전극탭(200) 상에 존재하는 전극활물질에 의해 접합 효율이 현저히 떨어지나, 리벳 처리에 의한 접합은 전극탭(200) 상에 존재하는 전극활물질에 영향을 거의 받지 아니한다. 따라서, 전극탭(200)상에 존재하는 전극활물질의 제거공정이 추가로 요구되지 아니한다.

(2) 초음파 용접에 의한 전극탭(200)과 리드선(4)의 접합은 전극탭의 숫자가 증가할 경우 장시간이 소요되며, 또한 그 효율도 감소되는 경향이 있다. 그러나, 리벳 처리에 의한 접합은 물리적인 접합으로서, 접합에 소요되는 시간이 현저히 감소된다. 예를 들면, 초음파 용접의 경우, 전극탭의 숫자가 10개 정도일 때 통상 30 초 이상의 시간이 되나, 리벳 처리에 의한 접합은 단 0.5 내지 1초 만에 완료될 수 있다.

(3) 초음파 용접에 의한 전극탭(200)과 리드선(4)의 접합은 양극탭과 음극탭을 동시에 접합시키는 것이 불가능하나, 리벳처리에 의한 물리적 접합은 이러한 제한이 없다. 따라서, 양극탭과 음극탭에 대한 동시적 접합이 가능하다.

Claims

일측에 탭이 형성된 다수개의 양극판과 음극판을 격리막 상에 배열한 후 순차 접어 양극탭과 음극탭이 서로 독립적으로 중첩된 적층체를 얻는 단계, 상기 음극탭 및 양극탭을 일측으로 밀착시킨 후 리드선을 상기 탭 상에 정렬하는 단계, 리드선과 탭을 리벳에 의해 접합시키는 단계, 리벳처리된 탭과 리드선을 굴곡시켜 셀을 완성하는 단계로 구성된 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법.
제1항에 있어서,

상기 리벳은, 머리부와 수직봉체를 포함하는 것을 특징으로 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법.
제1항에 있어서,

상기 리벳은, 상기 머리부의 저면과 수직봉체의 외주면에 요철부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법.
제2항에 있어서,

상기 리벳은 상기 머리부의 저면과 수직봉체의 외주면에 요철부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법.
제1항에 있어서,

전극탭 상으로의 리드선의 배열이 리드선의 일단은 적층체의 상면에 위치되도록 하고, 타단은 상기 전극탭의 끝단과 일치되도록 배열하는 특징으로 하는 적층형 리튬이차전지의 전극탭 처리방법.
a) 복수의 양극판과 복수의 음극판 - 여기서, 상기 복수의 양극판과 복수의 음극판은 서로 독립적으로 전극탭을 갖고 있으며, 복수의 음극탭과 복수의 양극탭은 서로 독립적으로 리드선에 접합되어 있음 -,

b) 상기 양극판과 음극판의 사이에 배치된 격리막,

c) 전해질,

d) 상기 복수의 음극탭과 복수의 양극탭을 리드선에 접합시키는 리벳, 및

e) 상기 요소를 수용하는 외부 케이스로 구성된 적층형 리튬이차전지.