KR20060112738A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20060112738A
KR20060112738A KR1020050035298A KR20050035298A KR20060112738A KR 20060112738 A KR20060112738 A KR 20060112738A KR 1020050035298 A KR1020050035298 A KR 1020050035298A KR 20050035298 A KR20050035298 A KR 20050035298A KR 20060112738 A KR20060112738 A KR 20060112738A
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Abstract

본 발명의 이차 전지는 제1,2전극탭이 인출되며 활물질층이 코팅된 부분과 활물질층이 코팅되지 않은 무지부를 포함하는 제1,2전극판 및 제1,2세퍼레이터가 권취되며 제1,2세퍼레이터가 변형되는 것을 방지하는 변형방지부를 갖는 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 케이스를 마감하는 캡 조립체를 포함하므로, 충/방전시 발생된 열에 의해 세퍼레이터가 수축되는 것이 방지되는 이점이 있다.

Description

이차 전지 { Secondary Battery }
도 1은 본 발명에 따른 이차 전지의 일실시예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 전극 조립체의 일실시예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 전극 조립체의 제2실시예를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 전극 조립체의 제3실시예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 전극 조립체의 제4실시예를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 전극 조립체의 제5실시예를 도시한 도면이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >
100 : 이차전지 110 : 케이스
200 : 전극 조립체 210 : 제1전극판
210a : 제1전극집전체 211 : 제1활물질층
213 : 제1무지부 215 : 제1전극탭
220 : 제2전극판 220a : 제2전극집전체
221 : 제2활물질층 223 : 제2무지부
225 : 제2전극탭 230 : 세퍼레이터
250,250a,250b,250c,250d : 고정부재 300 : 캡 조립체
310 : 캡 플레이트 311 : 제1단자통공
321 : 전해액 주입공 315 : 보올
320 : 전극단자 330 : 개스킷
340 : 절연플레이트 341 : 제2단자통공
350 : 터미널플레이트 351 : 제3단자통공
360 : 절연케이스
본 발명은 젤리-롤형 전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제1,2전극판 및 세퍼레이터를 적층하여 젤리-롤형으로 권취시키는 젤리-롤형 전극 조립체 및 이를 이용한 전극 조립체 권취 방법에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화 된 전기/전자 장치들이 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/전자 장치를 일정기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충ㆍ방전이 가능한 이차전지 를 채용하고 있다. 이차 전지에는 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, 리튬 이차 전지는 각각 서로 다른 극성을 갖는 활물질이 코팅된 제1,2전극판과, 제1전극판과 제2전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 적층된 후 권취된 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 리튬 이차 전지용 케이스와, 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
그런데, 이러한 종래의 이차 전지는 이차 전지가 과충전될 경우, 세퍼레이터가 열수축하여 길이가 짧아지면, 제1전극판과 제2전극판이 접촉되어 단락되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소시키기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 세퍼레이터가 변형되어 제1,2전극판이 쇼트되는 것을 방지하는 전극 조립체를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1,2전극탭이 인출되며 활물질층이 코팅된 부분과 활물질층이 코팅되지 않은 무지부를 포함하는 제1,2전극판 및 제1,2세퍼레이터가 권취되며 제1,2세퍼레이터가 변형되는 것을 방지하는 변형방지부를 갖는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 상기 케이스를 마감하는 캡 조립체를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
상기 변형방지부는 상기 제1,2세퍼레이터를 상기 제1,2전극판에 고정시키기 위한 고정부재일 수 있다.
상기 고정부재는 상기 제1,2세퍼레이터 사이에 상기 제1전극판 또는 상기 제2전극판이 개재된 상태로 상기 제1,2세퍼레이터와 상기 제1,2전극판을 고정시킬 수 있다.
상기 고정부재는 그 사이에 상기 제1전극판 또는 상기 제2전극판이 개재된 상태로 상기 제1,2세퍼레이터의 양단을 고정시킬 수 있다.
상기 고정부재는 일측이 상기 제1세퍼레이터의 일면에 부착되고, 타측이 상기 제2세퍼레이터의 일면에 부착된 것이 좋다.
상기 고정부재는 일단이 상기 제1,2세퍼레이터의 일단끼리 고정시키고, 타단 이 상기 제1,2전극판 및 상기 제1,2세퍼레이터가 순차적으로 적층되어 젤리-롤형으로 권취된 후 상기 제1세퍼레이터 또는 상기 제2세퍼레이터 중 어느 하나의 권취된 최외곽면에 고정시키도록 설치될 수 있다.
상기 제2전극판은 상기 제1전극판보다 길게 형성되고, 상기 제1,2세퍼레이터 사이에는 상기 제2전극판이 개재된 것이 좋다. 여기서, 상기 제2전극판은 음극인 것이 바람직하다.
상기 고정부재는 상기 제1,2무지부의 상단 또는 하단과 상기 제1,2무지부와 대향되게 위치된 상기 제1,2세퍼레이터의 상단 또는 하단이 결합되도록 설치될 수 있다.
상기 고정부재는 상기 제1,2무지부에 상기 제1,2전극탭이 인출된 부분을 제외한 부분에 설치된 것이 좋다.
상기 고정부재는 상기 제1,2세퍼레이터의 일면을 각각 커버하도록 설치될 수 있다.
상기 고정부재는 상기 제1,2무지부를 커버하도록 설치될 수 있다.
상기 케이스는 각형 또는 원통형 또는 파우치형일 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이차 전지의 일실시예를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 전극 조립체의 일실시예를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 전극 조립체의 제2실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 전극 조립체의 제3실시예를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 전극 조립체의 제4실시예를 도시한 도면이다.
이들 도면을 참조하면, 리튬 이차 전지는 케이스(110)에 젤리-롤형으로 권취된 전극 조립체(200)가 수용된 후, 전해액이 주입되어 캡 조립체(300)로 마감하여 이루어진다.
상기 이차 전지용 케이스(110)는 금속재로 이루어져 있으며, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 여기서, 케이스(110)는 원통형이나 각형 또는 파우치형으로 형성가능하다.
상기 전극 조립체(200)는 제1전극탭(215)이 부착된 제1전극판(210), 제2전극탭(225)이 부착된 제2전극판(220) 및 상기 제1전극판(210)과 제2전극판(220) 사이에 개재된 제1,2세퍼레이터(230,240)가 권취된 형태로 이루어져 있다.
즉, 전극 조립체(200)는 제1전극판(210), 제2전극판(220) 및 제1,2세퍼레이터(230,240)가 각각 한 장의 스트립(strip)으로 이루어져, 제1세퍼레이터(230), 제1전극판(210), 제2세퍼레이터(240), 제2전극판(220)의 순으로 배치되어 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 권취된다.
제1전극판(210)은 양극일 수 있으며, 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 제1전극집전체(210a)에 제1활물질층(211)이 코팅되어 이루어진다. 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다. 제1전극판(210)의 양 말단은 제1활물질층(211)이 도포되지 않은 제1전극집전체(210a)영역, 즉, 제1전극무지부(213)이며, 제1전극무지부(213) 중 어느 한 편에는 제1전극탭(215)이 전기적으로 연결되어 있다.
제2전극판(220)은 음극일 수 있으며, 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 제2전극집전체(220a)와, 그 양면에 코팅된 제2활물질층(221)을 포함하고 있다. 제2활물질는 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 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다. 제2전극판(220)의 양 말단은 제2활물질층(221)이 형성되지 않은 제2전극집전체(220a)영역, 즉 제2전극무지부(223)이며, 제2전극무지부(223) 중 어느 한 편, 예를 들면, 제1전극판(210)의 제1전극탭(215)이 형성된 반대편의 제2전극무지부(223)에는 제2전극탭(225)이 전기적으로 연결되어 있다.
상기 제1,2세퍼레이터(230,240)는 제1전극판(210)과 제2전극판(220)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이차 전지(100)의 전하(charge), 예를 들면 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 것으로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 어느 하나로 이루어져 있으나, 본 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 세퍼레이터(230)는 제1전극판(210) 및 제2전극판(220)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 제1전극판(210) 및 제2전극판(220) 간의 단락을 방지하는데 유리하다.
여기서, 전극 조립체(200)에는 제1,2세퍼레이터(230,240)가 이차 전지(100) 의 충/방전시 발생하는 열에 의해 수축되는 등의 변형을 방지하는 변형방지부가 추가로 포함된다.
변형방지부는 제1,2세퍼레이터(230,240)를 고정시키기 위한 갖는 고정부재(250)로서 기재와 접착제층으로 이루어진다.
고정부재(250)는 이차 전지(100)의 충/방전시 발생하는 열에 견딜수 있도록 열변형온도가 150℃이상인 것이 바람직하다. 또한, 기재는 제1,2세퍼레이터(230,240)와 같이 전해액이 투과가능한 재질로 형성되어야 한다.
고정부재(250)는 접착제층에 의해 그 사이에 제1전극판(210) 또는 제2전극판(220)이 개재된 상태로 제1,2세퍼레이터(230,240)와, 제1,2전극판(210,220)을 고정시킬 수 있다.
고정부재(250)는 도 2에 도시된 바와 같이, 그 사이에 제1전극판(210) 또는 제2전극판(220)이 개재된 상태로 제1,2세퍼레이터(230,240)의 양단을 고정시킬 수 있다. 즉, 고정부재(250)는 일측은 제1세퍼레이터(230)의 외면에 부착되고, 타측은 제2세퍼레이터(240)의 외면에 부착된다. 그러면, 제1,2세퍼레이터(230,240)는 열에 의해 수축될 때, 그 사이에 게재된 제1전극판(210) 또는 제2전극판(220)의 단부에 고정부재(250a)가 걸리게 되어 제1,2전극판(210,220)보다 작게 수축될 수 없다. 이때, 제1,2세퍼레이터(230,240) 사이에 개재되는 것은 제1전극판(210)보다 길게 형성된 제2전극판(220)인 것이 바람직하다.
또한, 고정부재(250)는 도 3에 도시된 바와 같이 전극 조립체(200)의 양단에 각각 설치된다. 제1,2세퍼레이터(230,240)의 일단을 고정시키는 고정부재(250a)는 도 2와 동일하게 제1,2세퍼레이터(230,240)끼리 고정시키고, 타단을 고정시키는 고정부재(250b)는 제1,2전극판(210,220) 및 제1,2세퍼레이터(230,240)가 순차적으로 적층되어 젤리-롤형으로 권취된 후 제1세퍼레이터(230) 또는 제2세퍼레이터(240) 중 어느 하나를 권취된 면에 고정시키도록 설치될 수 있다.
그리고, 고정부재(250)는 제1,2세퍼레이터(230,240)가 제1전극판(210)이나 제2전극판(220) 중 어느 하나와 고정되게 설치될 수 있다.
즉, 제1,2세퍼레이터(230,240)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1,2전극판(210,220)의 제1,2무지부(213,223)와 각각 고정될 수 있다. 상세히 설명하면, 제1,2전극탭(215,225)이 설치되지 않은 제1,2무지부(213,223)에는 그 상단과 하단에 고정부재(250c)가 설치되고, 제1,2전극탭(215,225)이 설치된 제1,2무지부(213,223)에는 그 상단의 경우 제1,2전극탭(215,225)이 부착된 부분을 제외하고 고정부재(250d)가 설치된다.
한편, 고정부재(250)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1,2세퍼레이터(230,240)의 일면을 커버하도록 각각 부착되어 제1,2세퍼레이터(230,240)가 수축되려고 할 때, 고정부재(250)가 제1,2세퍼레이터(230,240)가 수축되지 않도록 할 수 있다.
고정부재(250)는 도 6에 도시된 바와 같이, 제1,2전극판(210,220)의 제1,2무지부(213,223)를 커버하도록 각각 설치되어도 무방하다. 이에, 제1,2세퍼레이터(230,240)는 수축되되더라도 고정부재(250)가 부착된 제1,2무지부(213,223)까지만 수축된다. 따라서, 제1,2전극판(210,220)은 제1,2세퍼레이터(230,240)가 수축되더라도 단락되는 것이 방지된다.
상술한 바와 같이, 이루어진 전극 조립체(200)는 각형 케이스(110)에 수납될 경우, 캡 조립체(300)에 의해 마감된다.
캡 조립체(300)에는 상기 이차 전지용 케이스(110)의 개구부와 대응하는 크기와 형상을 구비하는 평판형 캡 플레이트(310)가 마련되어 있다. 상기 캡 플레이트(310)의 중앙부에는 단자 통공(311)이 형성되어 있으며, 상기 캡 플레이트(310)의 일측에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입공(312)이 형성되어 있으며, 상기 전해액 주입공(312)은 보올(315)과 결합되어 밀폐된다.
상기 단자 통공(311)에는 전극 단자(320), 예를 들면, 음극 단자가 삽입 가능하도록 위치하고 있다. 상기 전극 단자(320)의 외부면에는 상기 캡 플레이트(310)와의 전기적 절연을 위한 튜브 형상의 가스켓(330)이 설치되어 있다. 상기 캡 플레이트(310)의 아랫면에는 절연 플레이트(340)가 배치되어 있다. 상기 절연 플레이트(340) 아래면에는 단자 플레이트(350)가 설치되어 있다.
상기 전극 단자(320)는 상기 가스켓(330)이 외주면을 감싼 상태에서 상기 단자 통공(311)을 통하여 삽입되어 있다. 상기 전극 단자(320)의 저면부는 상기 절연 플레이트(340)를 개재한 상태에서 단자 플레이트(350)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 캡 플레이트(310)의 아랫면에는 상기 양극 전극판(210)으로부터 인출된 양극 탭(215)이 용접되어 있으며, 상기 전극 단자(320)의 하단부에는 상기 음극 전극판(220)으로부터 인출된 음극 탭(225)이 용접된다.
전극 조립체(200)의 상면에는 상기 전극 조립체(200)와 캡 조립체(300)를 전 기적으로 절연시켜 주며, 이와 동시에 상기 전극 조립체(200)의 상단부를 커버할 수 있는 절연 케이스(360)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(360)는 상기 캡 플레이트(310)의 전해액 주입구(312)와 대응하는 위치에 전해액 주입 통공(362)을 구비하여, 전해액을 주입할 수 있도록 한다. 상기 절연 케이스(360)는 절연성을 가지는 고분자 수지로써, 바람직하게는 폴리프로필렌으로 이루어지나, 본 발명의 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 이차 전지는 충/방전시 발생된 열이 발생되어도 변형방지부(250)에 의해 제1,2세퍼레이터(230,240)가 수축되는 것이 방지되어 제1,2전극판(210,220)는 단락되는 것이 방지된다.
한편, 젤리-롤형 전극 조립체(200)는 도시되지 않은 원통형 케이스 또는 파우치형 케이스에 수납되어 이차 전지(100)로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면 이차 전지는 변형방지부가 구비되므로 충/방전시 발생된 열에 의해 세퍼레이터가 수축되는 것이 방지되는 이점이 있다.
또한, 이차 전지는 세퍼레이터가 수축되는 것이 방지되므로 제1,2전극판이 서로 접촉되어 단락되는 것이 방지되어 그 수명이 길어지는 이점이 있다.

Claims (18)

  1. 제1,2전극탭이 인출되며 활물질층이 코팅된 부분과 활물질층이 코팅되지 않은 무지부를 포함하는 제1,2전극판 및 제1,2세퍼레이터가 권취되며 제1,2세퍼레이터가 변형되는 것을 방지하는 변형방지부를 갖는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
    상기 케이스를 마감하는 캡 조립체;를 포함하는 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 변형방지부는 상기 제1,2세퍼레이터를 상기 제1,2전극판에 고정시키기 위한 고정부재인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 고정부재는 열수축온도가 150℃이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 고정부재는 기재;와,
    상기 기재의 적어도 일면에 도포되는 접착제층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기재는 전해액이 투과 가능한 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 제1,2세퍼레이터 사이에 상기 제1전극판 또는 상기 제2전극판이 개재된 상태로 상기 제1,2세퍼레이터와 상기 제1,2전극판을 고정시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 고정부재는 그 사이에 상기 제1전극판 또는 상기 제2전극판이 개재된 상태로 상기 제1,2세퍼레이터의 양단을 고정시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 고정부재는 일측이 상기 제1세퍼레이터의 일면에 부착되고, 타측이 상기 제2세퍼레이터의 일면에 부착된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 고정부재는 일단이 상기 제1,2세퍼레이터의 일단끼리 고정시키고, 타단 이 상기 제1,2전극판 및 상기 제1,2세퍼레이터가 순차적으로 적층되어 젤리-롤형으로 권취된 후 상기 제1세퍼레이터 또는 상기 제2세퍼레이터 중 어느 하나의 권취된 최외곽면에 고정시키도록 설치된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제 8항 또는 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2전극판은 상기 제1전극판보다 길게 형성되고, 상기 제1,2세퍼레이터 사이에는 상기 제2전극판이 개재된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제2전극판은 음극인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  12. 제 6항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 제1,2무지부의 상단 또는 하단과 상기 제1,2무지부와 대향되게 위치된 상기 제1,2세퍼레이터의 상단 또는 하단이 결합되도록 설치된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 제1,2무지부에 상기 제1,2전극탭이 인출된 부분을 제외한 부분에 설치된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  14. 제 7항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 제1,2세퍼레이터의 일면을 각각 커버하도록 설치된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  15. 제 7항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 제1,2무지부를 커버하도록 설치된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스는 원통형인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스는 각형인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스는 파우치형인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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