KR20060037826A - 권취형 전극 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 권취형 전극 조립체의 최외각을 연신률이 우수한 재질의 전극 조립체 고정 테이프를 이용하여 고정하여 열적 안정성이 향상된 권취형 전극 조립체에 관한 것으로, 본 발명의 권취형 전극 조립체는 제 1 전극판과, 제 2 전극판과, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판의 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터와, 상기 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 세퍼레이터 중 최외각에 위치하는 것을 고정시키기 위한 전극 조립체 고정 테이프를 포함하여 이루어진다.
전극 조립체, 고정 테이프

Description

권취형 전극 조립체{Jelly-Roll Type Electrode Assembly}
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 설명하기 위한 사시도.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100; 전극 조립체 110; 제 1 전극판
115; 제 1 전극 탭 120; 제 2 전극판
125; 제 2 전극 탭 130; 세퍼레이터
140; 절연 테이프 150; 전극 조립체 고정 테이프
본 발명은 권취형 전극 조립체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 권취형 전극 조립체의 최외각을 연신률이 우수한 재질의 전극 조립체 고정 테이프를 이용하여 고정하여 열적 안정성이 향상된 권취형 전극 조립체에 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 있 다. 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 활물질층이 형성된 양극 전극판, 음극 활물질층이 형성된 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 가능하 게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 하기와 같이 제조된다.
우선, 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
그런 다음, 상기 전극 조립체의 양극 전극판, 음극 전극판 및 세퍼레이터 중 최외각에 위치하는 것의 말단 경계부에 소정의 테이프를 이용하여 권취가 풀리는 것을 방지한다.
그런 다음, 상기 전극 조립체를 상기 리튬 이차 전지용 케이스에 수용하여 상기 전극 조립체가 이탈하지 않도록 한 후, 상기 리튬 이차 전지용 케이스에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 리튬 이차 전지를 완성한다.
이때, 상기 양극 활물질층 및 음극 활물질층은 일반적으로 전지 반응에서 전자를 발생시키거나 전달을 전달하는 양극 활물질 및 음극 활물질과 상기 양극 활물질 및 음극 활물질을 상기 양극 전극판 및 음극 전극판 상에 결착시키기 위한 바인더를 포함하여 이루어진다.
특히, 음극 활물질층에 사용되는 바인더의 경우 널리 알려진바 대로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 N-메틸-2-피롤리돈(이하, NMP) 또는 아세톤 유기용매에 용해시킨 비수계 시스템을 주로 사용하고 있다. 그러나 이와 같은 PVDF/NMP 비수계 시스템을 바인더로서 사용하는 경우에는 NMP 또는 아세톤 등과 같은 유기용매는 환경을 오염시킬 수 있으며, 가격이 비교적 고가이므로 리튬 전지의 제조단가를 상승시킬 뿐만 아니라 대부분 고 휘발성이어서 밀폐된 공간 내에서 사용하는 경우 폭발문제가 따르므로 이를 방지하기 위하여 추가적으로 방폭설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
최근에는 이러한 문제점을 극복하기 위하여 음극 극판의 제조시, 스티렌-부타디엔 러버(이하, "SBR"이라 칭함)를 증점제인 카르복시메틸셀룰로오스(이하, "CMC"라 칭함)와 함께 물에 분산시킨 수계 바인더 시스템을 사용하고자 하는 시도가 활발하다. SBR 바인더는 에멀션 형태로 물에 분산될 수 있어서 유기용매를 사용하지 않아도 되며, 접착력이 강하여 그 만큼 바인더의 함량을 줄이고 음극 활물질의 함량을 증가시켜 리튬 전지를 고용량 하는데 유리하기 때문이다.
그러나, 음극 활물질의 점도 조절을 위해 첨가되는 CMC 증점제는 고온에서 카르복실기가 분해되어 가스가 발생하는 현상이 나타나게 되어 고온 방치시 용량유지율이 하락하는 등 전지 특성이 나빠지게 된다.
또한, 고온에서 발생되는 가스로 인하여 고온 방치시 전극 조립체가 팽창하는 스웰링 현상이 바인더로 PVDF를 사용하는 경우에 비하여 큰 문제점이 있다.
특히, 상기 SBR을 바인더로 이용하는 경우에는 상기 스웰링의 증가하나, 상기 전극 조립체의 권취가 풀리는 것을 방지하기 위하여 사용되는 상기 테이프가 충분히 연신되지 않아, 상기 전극 조립체가 균일하게 팽창하지 못하고, 내부에서 변형되는 문제점이 있다.
따라서, 리튬 이차 전지의 열적 안정성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 권취형 전극 조립체의 최외각을 연신률이 우수한 재질의 전극 조립체 고정 테이프를 이용하여 고정하여 열적 안정성이 향상된 권취형 전극 조립체를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전극 조립체는 제 1 전극판과, 제 2 전극판과, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판의 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터와, 상기 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 세퍼레이터 중 최외각에 위치하는 것을 고정시키기 위한 전극 조립체 고정 테이프를 포함하여 이루어진다.
상기 전극 조립체 고정 테이프는 연신률이 50% 내지 200%인 물질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 상기 전극 조립체 고정 테이프는 폴리프로필렌(Poly-Propylene), 폴리에틸렌(Poly-Ethylene), 폴리에스테르(Polyester) 및 나일론(Nylon)계 수지 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 세퍼레이터 중 상기 세퍼레이터가 최외각에 위치하며, 상기 세퍼레이터는 상기 전극 조립체 고정 테이프를 통하여 고정될 수 있다.
상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 중 어느 하나가 최외각에 위치하며, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 중 최외각에 위치하는 전극판은 상기 전극 조립체 고정 테이프를 통하여 고정될 수 있다.
상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판은 전극 집전체와, 상기 전극 집전체 상에 형성된 활물질층을 포함하여 이루어지며, 상기 활물질층은 활물질 및 SBR을 포함하는 바인더를 구비하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도면에 있어서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 양극 활물질 및 음극 활물질 중 어느 하나, 예를 들면, 양극 활물질이 코팅된 제 1 전극판(110), 상기 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나, 예를 들면, 음극 활물질이 코팅된 제 2 전극판(120), 상기 제 1 전극판(110) 및 제 2 전극판(120) 사이에 위치하여 상기 제 1 전극판(110)과 제 2 전극판(120)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(130)로 이루어진다. 또한, 상기 제 1 전극판(110)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 상부로 일정 길이 돌출된 제 1 전극 탭(115)이 접합되어 있다. 상기 제 2 전극판(120)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 하부로 일정 길이 돌출된 제 2 전극 탭(125)이 접합되어 있으나, 본 발명에서 상기 제 1 전극 탭(115) 및 제 2 전극 탭(125)의 재질 및 그 돌출 방향을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 전극 탭(115) 및 제 2 전극 탭(125)이 상기 전극 조립체(100)로부터 인출되는 경계부에는 상기 제 1 전극(100) 및 제 2 전극판(120) 간의 쇼트(short)를 방지하기 위하여 절연 테이프(140)로 각각 절연되어 있다.
또한, 상기 전극 조립체(100)의 제 1 전극판(110), 제 2 전극판(120) 및 세퍼레이터(130) 중 최외각에 위치하는 것의 말단은 전극 조립체 고정 테이프(150)를 통하여 고정되어 있다.
즉, 상기 전극 조립체(100)가 도 1a에서와 같이, 원통형 리튬 이차 전지용 전극 조립체인 경우, 상기 전극 조립체(100)의 최외각에는 상기 세퍼레이터(130)가 위치하므로, 상기 세퍼레이터(130)가 상기 전극 조립체 고정 테이프(150)를 통하여 고정된다.
또한, 상기 전극 조립체(100)가 도 1b에서와 같이, 각형 리튬 이차 전지용 전극 조립체인 경우, 상기 전극 조립체(100)의 최외각에는 제 1 전극판(110) 및 제 2 전극판(120) 중 어느 하나, 예를 들면, 양극 전극판으로 작용하는 제 1 전극판(110)이 위치하므로, 상기 제 1 전극판(130)이 상기 전극 조립체 고정 테이프(150)를 통하여 고정된다.
한편, 상기 제 1 전극판(110), 제 2 전극판(120) 및 세퍼레이터(130)는 각각 한 장의 스트립(strip)으로 이루어져, 상기 제 1 전극판(110), 세퍼레이터(130), 제 2 전극판(120), 세퍼레이터(130)의 순으로 배치되어, 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 권취된다. 또는, 상기 제 1 전극판(110) 및 제 2 전극판(120)이 각각 한 장의 스트립으로 이루어지며, 상기 제 1 전극판(110) 및 제 2 전극판(120) 중 어느 하나의 전극판을 상기 세퍼레이터(130)가 감싸는 형태로 이루어진 상태에서 젤리-롤형으로 권취될 수도 있다.
또한, 상기 제 1 전극판(110)은 도전성이 우수한 제 1 전극판용 전극 집전체와, 상기 제 1 전극판용 전극 집전체 상에 양극 활물질 및 음극 활물질 중 어느 하나, 예를 들면, 양극 활물질을 포함하는 제 1 활물질층을 구비한다. 이때, 상기 제 1 전극판용 전극 집전체로는 일반적으로 알루미늄(Al)이 사용되며, 상기 제 1 활물질층은 리튬 이차 전지의 양극 화학 반응에 참여하여 전자를 발생시키는 양극 활물질과, 상기 양극 활물질에서 발생한 전자를 상기 전극 집전체로 전달하는 도전제와, 상기 양극 활물질 및 도전제를 결착시키며 양극 전극판의 기계적 강도를 유지하는 양극 결합제가 용매를 통하여 혼합된 양극 슬러리를 상기 전극 집전체(110) 상에 코팅하여 형성된다. 이러한 상기 양극 활물질은 리튬 이차 전지의 양극 화학 반응에 참여하여 전자를 발생시킬 수 있는 물질로 이루어지며, 예를 들면, 는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되나, 본 발명에서 이의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 제 2 전극판(120)은 전도성 금속 박판으로 이루어지는 제 2 전극판용 전극 집전체와, 상기 제 2 전극판용 전극 집전체 상에 양극 활물질 또는 음극 활물질 중 다른 하나, 예를 들면 음극 활물질을 포함하는 제 2 활물질층을 구비한다. 이때, 상기 제 2 전극판용 전극 집전체는 일반적으로 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)로 이루어지며, 상기 제 2 활물질층은 리튬 이차 전지의 음극 화학 반응에 참여하여 전자가 유입되는 음극 활물질과, 상기 음극 활물질을 상기 전극 집전체 상으로 결착시키며 음극 전극판의 기계적 강도를 유지하는 음극 결합제가 용매를 통하여 혼합 된 음극 슬러리를 상기 전극 집전체(110)에 코팅하여 형성된다. 상기 음극 활물질는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되나, 본 발명에서 이의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 음극 결합제로는 스티렌-부타디엔 러버(SBR)를 증점제인 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)와 함께 물에 분산시킨 수계 바인더 시스템을 사용한다.
상기 세퍼레이터(130)는 상기 제 1 전극판(110)과 제 2 전극판(120)의 쇼트(short)를 방지하고 원통형 리튬 이차 전지(100)의 전하(charge), 예를 들면 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 것으로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 폴리플로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 어느 하나로 이루어져 있으나, 본 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 세퍼레이터(130)는 상기 제 1 전극판(110) 및 제 2 전극판(120)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 상기 제 1 전극판(110) 및 제 2 전극판(120) 간의 단락을 방지하는데 유리하다.
또한, 상기 전극 조립체 고정 테이프(150)는 연신률이 50% 내지 200%인 물질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 폴리프로필렌(Poly-Propylene), 폴리에틸렌(Poly-Ethylene), 폴리에스테르(Polyester), 나일론(Nylon)계 수지 또는 이의 등가물로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
이는 상기 전극 조립체(100)의 음극 전극판으로 사용되는 제 2 전극판(120)에 있어서, 상기 음극 활물질의 결합제로 작용하는 상기 바인더 물질로 스티렌-부 타디엔 러버(SBR)를 사용함으로써, 상기 바인더 물질로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 사용하는 경우보다 리튬 이차 전지의 충전시 발생하는 스웰링 현상에 따른 전극 조립체(100)의 팽창이 더욱 크게 발생하더라도, 상기 전극 조립체 고정 테이프(150)가 충분히 연신되도록 하기 위함이다.
또한, 상기 전극 조립체 고정 테이프(150)는 상기 전극 조립체(100)의 팽창에 따라 충분히 연신이 됨으로써, 상기 전극 조립체(100)가 불균일한 변형이 발생하게 되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 상기 제 1 전극판(110) 및 제 2 전극판(120) 사이의 쇼트를 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 권취형 전극 조립체의 최외각을 연신률이 우수한 재질의 전극 조립체 고정 테이프를 이용하여 고정하여 열적 안정성이 향상된 권취형 전극 조립체를 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 (6)

  1. 제 1 전극판과, 제 2 전극판과, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판의 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터와, 상기 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 세퍼레이터 중 최외각에 위치하는 것을 고정시키기 위한 전극 조립체 고정 테이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 조립체 고정 테이프는 연신률이 50% 내지 200%인 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전극 조립체 고정 테이프는 폴리프로필렌(Poly-Propylene), 폴리에틸렌(Poly-Ethylene), 폴리에스테르(Polyester) 및 나일론(Nylon)계 수지 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터가 최외각에 위치하며,
    상기 세퍼레이터는 상기 전극 조립체 고정 테이프를 통하여 고정되는 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 중 어느 하나가 최외각에 위치하며,
    상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 중 최외각에 위치하는 전극판은 상기 전극 조립체 고정 테이프를 통하여 고정되는 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판은 전극 집전체와, 상기 전극 집전체 상에 형성된 활물질층을 포함하여 이루어지며,
    상기 활물질층은 활물질 및 SBR을 포함하는 바인더를 구비하는 것을 특징으로 하는 권취형 전극 조립체.
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