KR20060102854A - 이차전지의 전극판, 이의 제조 방법 및 이 전극판을 이용한이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지의 집전체 상에 활물질이 도포되지 않은 무지부의 구조를 개선하여 롤-프레싱 가공 시 전극판이 휘는 것을 방지함으로써 이차전지 전극판의 구조적 안전성과 신뢰성을 높일 수 있도록, 집전체에 활물질이 도포되는 코팅부와 활물질이 도포되지 않으며 전극판의 폭 방향으로 절단된 절단선이 전극판의 길이 방향을 따라 배열되는 무지부를 포함하는 양극판 및 음극판과, 상기 양극판 및 음극판 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군, 그리고 상기 전극군이 내장되는 케이스 및, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 단자가 구비되는 캡 조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.

이차전지, 전극판, 무지부, 코팅부

Description

이차전지의 전극판, 이의 제조 방법 및 이 전극판을 이용한 이차전지{ELECTRODE FOR SECONDARY BATTERY, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND SECONDARY BATTERY USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 롤-프레싱 가공하기 전의 이차전지 전극판을 도시한 평면도이다.

도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 롤-프레싱 가공한 후의 이차전지 전극판을 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 전극판을 도시한 평면도이다.

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집전체 상에 활물질이 도포되지 않은 무지부의 구조를 개선한 전극판을 포함하는 이차전지에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로써, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀을 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

상기 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 그리고 파우치형을 들 수 있으며, 띠 상의 양극 및 음극 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 권취한 전극군(또는, 젤리-롤)을 케이스에 내장 설치하고, 상기 케이스에 외부 단자가 형성된 캡 조립체를 설치하여 전지를 구성한다.

그리고 상기 전극판은 집전체에 활물질이 도포된 코팅부와, 도포되지 않은 무지부로 이루어지며, 상기 전극판의 무지부에는 각각 양극판 및 음극판에서 발생된 전류를 집전하기 위한 역할로서 도전성 탭(tap)이 각각 부착되어, 양극판 및 음극판에 발생된 전류를 양극단자 및 음극단자로 유도하게 된다.

상기 이차전지의 전극판은 종류에 따라 다소 차이가 있지만, 각형 이차전지의 경우 일반적으로 집전체의 양면에 결착제, 증점제 및 도전제를 포함하는 활물질 슬러리를 도포하고, 이것을 건조 및 롤-프레싱한 후 원하는 크기로 절단하는 공정에 의해 제조한다.

여기서, HEV(하이브리드 전기 자동차)용 이차전지와 같이 고출력 이차전지의 경우 짧은 시간에 많은 양의 전류를 사용하여야 하는 특성 때문에 전극판의 폭 방향으로 무지부가 형성되는 전극판구조 대신에, 전극판의 길이 방향으로 무지부가 형성되어 도전성 탭이 결합하는 전극판구조를 갖는 것이 유리하다.

그러나 상기와 같이 극판의 길이 방향으로 무지부가 형성된 고출력 이차전지의 전극판구조는 전극판의 밀도를 높이기 위해 롤-프레싱하는 과정에서 집전체로 사용되는 기재에 활물질이 도포된 코팅부와 활물질이 도포되지 않은 무지의 두께의 차이 때문에 전극판이 휘는 현상이 발생한다.

이와 같은 문제는 전극판의 코팅부에 활물질이 도포됨으로써 전극판의 코팅부와 무지부의 두께가 달라져 프레스에 의한 압력의 작용이 전극판의 코팅부와 무지부 사이에 불균일하기 때문에 나타난 현상으로서, 전극판의 코팅부 상의 기재는 프레스공정에서 연신되지만, 무지부의 기재는 연신되지 않거나 상대적으로 작게 연신되기 때문에 전극판이 무지부 방향으로 휘는 현상이 발생하여 전극판에 불량이 생기게 되는 문제점이 나타난다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 이차전지의 전극판 무지부의 구조를 개선하여 압연가공 시 전극판의 휨을 방지할 수 있는 전극판 및 그 제조방법, 그리고 상기 전극판을 포함하는 이차전지를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 집전체, 상기 집전체 상에 활물질이 도포되는 영역인 코팅부 및, 상기 집전체 상에 활물질이 도포되지 않는 영역으로, 폭 방향으로 절단된 절단선이 길이 방향을 따라 형성되는 무지부를 포함하는 이차전지의 전극판을 제공한다.

또한, 본 발명은 집전체에 활물질이 도포되는 영역인 코팅부와 활물질이 도포되지 않는 영역으로, 폭 방향으로 절단된 절단선이 길이 방향을 따라 형성되는 무지부를 포함하는 양극판 및 음극판과, 상기 양극판 및 음극판 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군; 상기 전극군이 내장되는 케이스 및, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 단자가 구비되는 캡 조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.

또한 상기 양극판 및 음극판은 활물질이 도포된 코팅부와 도포되지 않은 무지부로 구성되는데, 본 이차전지의 경우 상기 무지부는 각 전극판의 일측단을 따라 연속적으로 형성되며, 상기 양극판 및 음극판의 무지부에 각각 도전성 탭 또는 집전판이 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 상기 절단선은 상기 전극판의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 형성될 수 있다.

상기 절단선의 형성 간격에는 제한이 없으며 롤-프레싱 압력에 따른 연신 정도에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

전극판 무지부의 이러한 구조는 전극판을 롤-프레싱 가공하는 과정에서 전극판의 코팅부가 연신되는 동안 무지부에 형성된 절단선이 벌어지게 되어 전극판이 휘는 현상을 막아줄 수 있다.

또한 상기 무지부에는 일정 간격으로 홈이 형성됨으로써 전극판이 휘는 현상을 방지할 수 있는데, 상기 홈은 전극판의 길이에 따라 전극판의 코팅부가 연신되는 길이와 거의 동일한 정도로 상기 다수개의 홈의 너비가 연신될 수 있을 정도로 충분한 수로 배열 될 수 있다.

상기 양극판 및 음극판, 그리고 상기 전극판들 사이에 개재된 상기 세퍼레이터는 권취롤을 이용하여 타원형으로 권취되어 젤리-롤형의 전극군을 형성할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 상기 전극판을 제조하는 공정은 최초 활물질 슬러리를 집전체의 코팅부에 도포하는 단계, 상기 활물질이 도포된 전극판을 건조하는 단계, 상기 건조된 전극판의 상기 무지부에 전극판의 폭방향으로 형성되는 절단선을 전극판의 길이방향을 따라 형성하는 단계, 상기 전극판을 롤-프레싱 가공하는 단계를 포함할 수 있다.

집전체에 활물질을 도포하는 방법 및 활물질이 도포된 전극판을 건조하는 방법은 특별히 한정하지 않으며, 종래의 기술을 이용한 어떠한 방법으로든지 실시될 수 있다.

또한 상기 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전도 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고출력 이차전지의 단면도이다.

이를 참조해서 본 발명의 이차전지를 설명하면 다음과 같다.

상기한 도면에 의하면, 본 이차전지는 띠 모양의 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층된 상태에서 이들을 감아 젤리-롤 형태로 형성한 전극군(10)과, 일단이 개방된 개구부를 이루고 내부에 상기 전극군(10)을 수용하는 공간부를 갖는 각형의 케이스(14), 상기 케이스(14)의 개구부에 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군(10)과 전기적으로 연결되는 양,음극단자(32,33)가 설치된 캡 조립체(30), 및 상기 전극군(10)의 무지부(11a,12a)를 부착되고 상기 단자(32,33)와 전기적으로 연결되는 도전성 탭(tap) 또는 집전판(20)을 포함한다.

상기 케이스(14)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(10)이 위치하는 내부 공간부를 가진 육면체 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.

그리고 상기 캡 조립체(30)는 상기 케이스(14)의 개구부에 기밀을 유지한 상태로 결합되어 케이스(14)를 밀폐하는 캡 플레이트(31)와, 이 캡 플레이트(31) 양쪽에 설치되고 각각 집전판(20)을 매개로 전극군(10)의 무지부(11a,12a)와 전기적으로 연결되는 양,음극단자(32,33)를 포함한다.

또한, 상기 캡 플레이트(31)와 양,음극 단자(32,33) 사이에는 절연부재(34)가 위치된다.

상기 전극군(10)은 각각의 활물질(11d)이 집전체(11c)에 코팅되어 구성된 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터을 사이에 두고 적층된 구성으로 이루어지거나, 양극판(11)과 세퍼레이터(13) 및 음극판(12)이 적층된 상태에서 이들이 와류상으로 감겨 형성된 젤리-롤 타입으로 이루어진다.

또한 상기 양극판(11)과 음극판(12)의 사이에 개재되는 세퍼레이터(13)는 상 기 양극판(11)과 음극판(12) 사이를 상호 절연하는 한편, 전극판들 간에 활물질 이온이 교환될 수 있게 함으로써 전기화학 반응을 일으킨다.

여기서 상기 양극판(11) 및 음극판(12)의 집전체(11c)는 리튬 이차전지의 경우 양극 활물질(11d)은 LiCoOP₂, LiNiO₂, LiMnO₂ 등을 주성분할 수 있으며, 음극 활물질(12d)은 그라파이트 등의 카본계 활물질을 주성분으로 할 수 있다.

이하 본 실시예에서는 도 1에서 도시한 바와 같이 각형의 케이스(14)에 젤리-롤 타입으로 감아진 전극군(10)이 위치하는 경우를 예로써 설명한다.

또한, 본 실시예에서는 각 단자와 전기적으로 연결되는 무지부(11a,12a)가 상기 전극군(10)을 이루는 각 전극판(11,12)의 길이방향으로 일 측단에 형성된 구조를 예로써 설명한다.

이에 본 실시예에 따라 상기 이차전지를 이루는 전극군(10)은 각각의 활물질(11d)이 집전체(11c)에 코팅되어 구성된 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층된 상태에서 이들이 와류상으로 감겨 형성된 젤리-롤 타입으로 이루어지며, 양극판의 무지부(11a)와 음극판의 무지부(12a)가 전극군(10)의 양단에 대향 배치되어, 케이스(14)를 수직으로 세워 캡 조립체(30)가 상,하방향으로 놓여졌을 때를 기준(이하 설명에서 특별한 언급이 없는 한 이 기준을 따르도록 한다.)으로 케이스(14)의 양 측면에 전극군(10)의 양극판과 음극판의 무지부(11a,12a)가 각각 위치할 수 있도록 내장설치되며, 전극군(10)의 양단의 무지부(11a,12a)에 각각 설치되는 도전성 탭(20) 또는 집전판(미도시)을 매개로 캡 조립 체(30)의 양,음극단자(32,33)가 전기적으로 연결된다.

상기 전극군(10)은 세퍼레이터(13)와, 상기 세퍼레이터(13)의 양면에 배치되며 집전체에 활물질(11d)이 도포되는 코팅부(11b,12b)와 활물질(11d)이 도포되지 않는 무지부(11a,12a)를 포함하는 양극판(11) 및 음극판(12)을 포함하고 있으며, 상기 무지부(11a,12a)에 전극판의 폭방향으로 하나 이상의 절단선(15)이 전극판의 길이 방향을 따라 일정간격을 두고 형성된다.

본 실시예의 전극판은 양극판(11) 또는 음극판(12) 중 적어도 하나에 적용할 수 있으며, 그 원리는 동일하므로, 이하 실시예의 설명에 있어서는 양극판에 대한 설명으로 음극에 대한 설명을 대체토록 한다.

도 2에서 도시된 바와 같이 양극 집전체(11c)에는 적어도 어느 한 면에 활물질(11d)이 도포 충전되며, 상기 양극 집전체(11c)에는 활물질(11d)이 도포 충전된 코팅부(11b)와 활물질(11d)이 도포되지 않는 무지부(11a)가 생성된다.

상기 무지부(11a)는 전극판의 일측면을 따라 양극판(11)의 길이방향으로 형성되고, 상기 무지부(11a)에는 양극판(11)의 폭 방향으로 형성되는 절단선(15)이 길이방향을 따라 다수 형성된다.

상기 절단선(15)은 상기 양극판(11)의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 배열될 수 있는데, 상기 절단선(15)의 형성간격에는 제한이 없으며 롤-프레싱 압력에 따른 연신정도에 알맞게 설정한다.

또한, 상기 절단선(15)의 배열 간격에 대해서는 제한이 없지만, 바람직하게는 1cm 내지 3cm 간격을 두고 배열될 수 있다.

또한, 상기 절단선(15)의 형성길이에 대해서는 제한이 없으며, 바람직하게는 무지부(11a)가 충분히 연신될 수 있도록 무지부(11a)와 코팅부(11b)가 접하는 부분까지 형성되어 상기 무지부(11a)의 폭과 대응되도록 한다.

상기에서 설명한 바와 같은 구조의 무지부(11a)를 전극판에 적용할 경우, 도 3에서 도시된 바와 같이, 가공전의 무지부(11a)를 길이를 a라고 하고, 코팅부의 길이를 d라고 한다면, 롤-프레싱 가공 후의 무지부의 길이는 상기 절단선(15)의 너비가 연신되어 a'가 되고 이러한 무지부의 길이는 롤-프레싱 가공으로 연신된 코팅부(11b)의 길이 d'와 동일하거나 또는 거의 유사하게 되어 수 있을 정도로 충분히 연신될 수 있다.

또한 롤-프레싱 가공 시에 코팅부(11b)에 프레스의 압력이 더 크게 작용하기 때문에 코팅부(11b)가 무지부(11a)보다 더 많이 연신되고, 이에 따라서 상대적으로 작게 연신되는 무지부(11a)에는 코팅부(11b)와 맞닿은 부분에서부터 인장력이 생기며, 또한 상기 인장력은 가장 취약한 부분인 절단선(15)에 작용하게 된다.

실제로 코팅부(11b)가 연신되는 정도는 미미하지만, 전극판(11)의 길이 방향으로 연신되는 코팅부(11b)의 길이가 누적되어서 전극판(11)이 휘는 현상이 나타나므로, 상기와 같은 구조의 무지부(11a)를 구비한 전극판(11)의 경우, 수 개의 절단선(15)에서 코팅부가 연신되는 길이를 완충할 수 있어서 전극판이 휘는 현상을 방지할 수 있게 된다.

따라서 고출력 이차전지의 전극판 제조 시에 집전체(11c)에 활물질(11d)을 도포한 후 롤-프레싱 가공을 함에 있어서, 무지부(11a)와 코팅부(11b)의 연신율의 차이에 따라 전극판(11)이 휘는 현상을 방지할 수 있어서 불량률을 낮출 수 있으며, 이러한 전극판(11)을 사용함으로써 이차전지의 신뢰성과 안정성을 높일 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 상기 절단선(15)은 홈(16)의 형태로 형성될 수 있는데, 상기 무지부에 일정 간격으로 홈(16)이 형성됨으로써 전극판(11)이 휘는 현상을 방지할 수 있다.

또한 상기 홈(16)은 전극판(11)의 길이방향을 따라 코팅부(11b)가 연신되는 길이와 거의 동일한 정도로 상기 다수개의 홈(16)의 너비가 연신될 수 있을 정도로 충분한 수로 형성될 수 있다.

상기 홈의 깊이에 대해서는 제한이 없지만, 바람직하게는 무지부가 충분히 연신될 수 있도록 무지부(11a)와 코팅부(11b)가 접하는 부분까지 형성되어 상기 무지부(11a)의 폭과 대응되도록 한다.

또한 상기 홈(16)의 배열 간격에 대해서도 제한이 없지만, 바람직하게는 1cm 내지 3cm 간격을 두고 배열될 수 있다.

또한 도 3a에서 홈(16)의 너비에 대해서는 제한이 없으며, 바람직하게는 1mm 내지 3mm 사이의 길이로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 상기와 같이 절단부(15)가 홈의 형태로 형성됨으로써 홈(16)의 폭 만큼 무지부의 연신될 수 있는 부분이 증가하므로 보다 용이하게 코팅부(11b)가 연신되는 길이에 대응하여 연신된다.

본 발명의 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 전극판을 롤-프레싱 가공함에 있어서 코팅부와 무지부의 연신율을 동일하게 유지하여 롤-프레싱 가공하는 과정에서 전극판이 휘는 현상을 방지할 수 있다.

이에 따라 전극판 제조 시에 불량률을 낮출 수 있으며, 이러한 전극판을 사용함으로써 이차전지의 신뢰성과 안정성을 높일 수 있다.

Claims (19)

1. 집전체에 활물질이 도포되는 코팅부와 활물질이 도포되지 않으며 전극판의 폭 방향으로 절단된 절단선이 전극판의 길이 방향을 따라 배열되는 무지부를 포함하는 양극판 및 음극판과, 상기 양극판 및 음극판 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군;

   상기 전극군이 내장되는 케이스; 및

   상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 단자가 구비되는 캡 조립체;

   를 포함하는 이차전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 절단선은 길이가 무지부와 코팅부가 접하는 부분까지 형성되는 이차전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 절단선이 전극판의 길이 방향을 따라 1cm 내지 3cm 간격을 두고 배열되는 이차전지.
4. 제1항에 있어서, 상기 절단선은 홈 형태로 형성된 이차전지.
5. 제 4항에 있어서, 상기 홈의 너비가 1mm 내지 3mm인 이차전지.
6. 제4항에 있어서, 상기 홈은 전극판의 길이 방향을 따라 1cm 내지 3cm 간격을 두고 배열되는 이차전지.
7. 제1항에 있어서, 상기 이차전지는 모터 구동용인 이차전지.
8. 집전체;

   상기 집전체 상에 활물질이 도포되는 코팅부; 및

   상기 집전체 상에 활물질이 도포되지 않으며 전극판의 폭 방향으로 하나 이상의 절단선이 형성되어 전극판의 길이 방향을 따라 배열되는 무지부;

   를 포함하는 이차전지의 전극판.
9. 제8항에 있어서, 상기 절단선은 길이가 무지부와 코팅부가 접하는 부분까지 형성되는 이차전지의 전극판.
10. 제8항에 있어서, 상기 절단선이 전극판의 길이 방향을 따라 1cm 내지 3cm 간격을 두고 배열되는 이차전지의 전극판.
11. 제8항에 있어서, 상기 절단선은 홈 형태로 형성된 이차전지의 전극판.
12. 제11항에 있어서, 상기 홈의 너비가 1mm 내지 3mm인 이차전지의 전극판.
13. 제 11항에 있어서, 상기 홈은 전극판의 길이 방향을 따라 1cm 내지 3cm 간격을 두고 배열되는 이차전지의 전극판.
14. 활물질 슬러리를 집전체의 코팅부에 도포하는 단계;

    상기 활물질로 도포된 전극판을 건조하는 단계;

    상기 건조된 전극판의 상기 무지부에 전극판의 폭방향으로 하나 이상의 절단선을 전극판의 길이방향을 따라 형성하는 단계; 및

    상기 전극판의 밀도를 높이기 위하여 전극판을 롤-프레싱 가공하는 단계;

    를 포함하는 이차전지 전극판의 제조방법.
15. 제 14항에 있어서, 상기 절단선은 길이가 무지부와 코팅부가 접하는 부분까지 형성되는 이차전지 전극판의 제조방법.
16. 제 14항에 있어서, 상기 절단선이 전극판의 길이 방향을 따라 1cm 내지 3cm 간격을 두고 배열되는 이차전지 전극판의 제조방법.
17. 제 14항에 있어서, 상기 절단선은 홈 형태로 형성된 이차전지 전극판의 제조방법.
18. 제 17항에 있어서, 상기 홈의 너비가 1mm 내지 3mm인 이차전지 전극판의 제조방법.
19. 제 17항에 있어서, 상기 홈은 전극판의 길이 방향을 따라 1cm 내지 3cm 간격을 두고 배열되는 이차전지 전극판의 제조방법.

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