KR20060118954A - 전극판 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지 - Google Patents

전극판 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소정 간격으로 이격된 복수의 요부가 형성된 전극 집전체를 구비하여, 전지 용량을 향상시킬 수 있는 전극판 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 본 발명의 전극판은 적어도 일면에 소정 간격으로 이격된 복수의 요부를 구비하는 전극 집전체와; 상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 활물질층을 구비하여 이루어진다.
이차 전지, 전극판, 전극 집전체, 요부,

Description

전극판 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지{Electrode Plate and Li Secondary Battery with the same}
도 1은 종래의 전극판을 설명하기 위한 단면도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극판을 설명하기 위한 사시도.
도 2b는 도 1a의 A-A 라인에 따른 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극판을 구비하는 이차 전지를 설명하기 위한 도면.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100; 전극판 110; 전극 집전체
113; 요부 115; 무지부
120; 활물질층 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
본 발명은 전극판 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소정 간격으로 이격된 복수의 요부가 형성된 전극 집전체를 구비하여, 전지 용량을 향상시킬 수 있는 전극판 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지에 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. 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, 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 이온 이차 전지용 케이스와, 상기 리튬 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 하기한 바와 같이 제조된다.
우선, 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판과, 음극 활물질이 코팅되며 음극 탭이 연결된 음극 전극판과, 상기 양극 전극판 및 음극 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
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.
한편, 상기한 바와 같은 리튬 이차 전지의 양극 및 음극 전극판은 일반적으로 도전성의 전극 집전체 상에 활물질층을 코팅하여 형성되며, 리튬 이차 전지의 전지 용량은 양극 및 음극 전극판의 활물질층에 포함되는 활물질의 양에 의해 결정 된다.
최근 상기한 바와 같은 리튬 이차 전지의 전지 용량을 향상시키기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 집전체(11)의 적어도 일면에 형성되는 활물질층(12)의 일부(12a)를 주기적으로 두껍게 형성하여 전극판(10)을 형성하는 방법이 도입되었다.
그러나, 상기한 바와 같이 활물질층(12)을 주기적으로 두껍게 하더라도 상기한 바와 같은 양극 및 음극 전극판에서는 활물질의 함량을 증가시키는 데에 한계가 있어, 리튬 이차 전지의 고용량화에 제한이 따르는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 소정 간격으로 이격된 복수의 요부가 형성된 전극 집전체를 구비하여, 전지 용량을 향상시킬 수 있는 전극판 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전극판은 적어도 일면에 소정 간격으로 이격된 복수의 요부를 구비하는 전극 집전체와; 상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 활물질층을 구비하여 이루어진다.
상기 전극 집전체의 요부에 형성된 활물질층 및 타부에 형성된 활물질층 중 상기 타부에 형성된 활물질층의 두께가 요부에 형성된 활물질층의 두께보다 두꺼운 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 이차 전지는 적어도 일면에 소정 간격으로 이격된 복수의 요부를 구비하는 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 활물질층을 구비하는 제 1 전극판 및 제 2 전극판과, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 이차 전지용 외장재를 포함하여 이루어진다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도면의 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극판을 설명하기 위한 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 A-A 라인에 따른 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극판(100)은 전극 집전체(110) 및 상기 전극 집전체(110)의 적어도 어느 일면 상에 형성된 활물질층(120)을 구비하는 구조로 이루어진다.
상기 전극 집전체(110)는 소정 폭과 소정의 길이를 구비하는 일종의 플레이트와 같은 형상으로 이루어진다. 또한, 상기 전극 집전체(110)가 양극 집전체인 경우에는 일반적으로 알루미늄(Al) 및 이의 등가물로 이루어지며, 음극 집전체인 경우에는 일반적으로 구리(Cu) 및 이의 등가물로 이루어지나, 본 발명에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 전극 집전체(110)는 적어도 일면에 소정 간격으로 이격된 복수의 요부(113)를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 활물질층(120)은 상기 전극 집전체(110)의 적어도 일면에 형성되며, 또 한, 국부적으로 보다 두껍게 형성된다.
보다 상세히 설명하면, 상기 전극 집전체(110)의 요부(113)에 형성된 활물질층(120a) 및 타부에 형성된 활물질층(120b) 중 상기 타부에 형성된 활물질층(120b)의 두께가 요부에 형성된 활물질층(120a)의 두께보다 두꺼운 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 전극판(100)은 하기한 바와 같이 형성된다.
우선, 전극 집전체(110)를 준비한다.
상기 전극 집전체(110)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 적어도 일면에 소정 간격으로 이격된 복수의 요부를 구비하는 것이 바람직하다.
그런 다음, 상기 전극 집전체(110)의 적어도 일면 상에 길이 방향 양 끝단의 일부분을 제외하고 활물질층(120)을 형성하여 전극판(100)을 형성한다. 상기 전극 집전체(110) 양 끝단은 활물질층(120)이 형성되지 않은 무지부(115)로 작용한다.
상기 활물질층(120)은 상기 전극 집전체(110)가 양극 집전체인 경우에는 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 결합제가 용매를 통하여 혼합된 양극 슬러리를 상기 전극 집전체(110) 상에 코팅하여 형성된다.
또는, 상기 활물질층(120)은 상기 전극 집전체(110)가 음극 집전체인 경우에는 리튬 이차 전지의 음극 화학 반응에 참여하여 전자가 유입되는 음극 활물질과, 상기 음극 활물질을 상기 전극 집전체 상으로 결착시키며 음극 전극판의 기계적 강 도를 유지하는 결합제가 용매를 통하여 혼합된 음극 슬러리를 상기 전극 집전체(110)에 코팅하여 형성된다. 또한, 전자의 이동을 보다 원활히 하기 위하여 도전제를 더 포함할 수도 있다.
상기 양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있다. 음극 활물질층 물질로는 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 발명에서 상기 양극 활물질 및 음극 활물질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 도전제로는 인조 흑연, 천연 흑연 등의 흑연계 물질과, 아세틸렌 블랙, 써멀 블랙, 채널 블랙 등의 카본 블랙계 물질과, 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유와, 동 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말과, 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물과 같은 물질이 사용될 수 있으나, 본 발명에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 결합제로는 폴리비닐리덴 플로라이드(Polyvinylidene fluoride, 이하 "PVDF"라 칭함), 스티렌부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, 이하 "SBR"라 칭함), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride, 이하 "PVC"라 칭함) 또는 폴리에틸렌(polyethylene, 이하"PE"라 칭함)과 같은 물질이 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극판을 구비하는 이차 전지를 설명하 기 위한 도면으로, 전극 조립체에 한정하여 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 전극 조립체(200) 및 상기 전극 조립체(200)를 수용하기 위한 이차 전지용 외장재(도면상에는 미도시)를 구비하여 이루어진다.
상기 전극 조립체(200)는 양극 활물질 및 음극 활물질 중 어느 하나, 예를 들면, 양극 활물질이 코팅된 제 1 전극판(210), 상기 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나, 예를 들면, 음극 활물질이 코팅된 제 2 전극판(220), 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 사이에 위치하여 상기 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(230)로 이루어진다. 또한, 상기 전극 조립체(200)는 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)을 배치한 후, 상기 세퍼레이터(230)가 상기 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220) 사이에 개재되도록 한 상태에서 권취된다.
또한, 상기 제 1 전극판(210)의 무지부(도면상에는 도시하지 않음)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 상부로 일정 길이 돌출된 제 1 전극 탭(215)이 접합되어 있다. 상기 제 2 전극판(220)의 무지부(도면상에는 도시하지 않음)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 하부로 일정 길이 돌출된 제 2 전극 탭(225)이 접합되어 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 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.
또한, 상기 세퍼레이터(230)는 상기 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)의 쇼트(short)를 방지하고 상기 전극 조립체(200)를 이용하는 이차 전지의 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(230)는 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 간의 단락을 방지하는데 유리하다.
한편, 도면상에는 도시하지 않았으나, 상기 전극 조립체(200)를 수용하는 이차 전지용 외장재는 상기 전극 조립체(200)의 형태 및 이차 전지의 사용 용도에 따라, 원통형 케이스, 각형 케이스 및 파우치 외장재 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극판(100)은 기재 기판에 소정 간격으로 이격된 복수의 요부를 구비함으로써, 기재 기판 상에 형성되는 활물질의 양이 증가하게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극판을 구비하는 이차 전지의 경우, 전지 용량이 향상된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 소정 간격으로 이격된 복수의 요부가 형성된 전극 집전체를 구비하여, 전지 용량을 향상시킬 수 있는 전극판 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지를 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 (4)

  1. 적어도 일면에 소정 간격으로 이격된 복수의 요부를 구비하는 전극 집전체와;
    상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 활물질층을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 집전체의 요부에 형성된 활물질층 및 타부에 형성된 활물질층 중 상기 타부에 형성된 활물질층의 두께가 요부에 형성된 활물질층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 이차 전지용 전극판.
  3. 적어도 일면에 소정 간격으로 이격된 복수의 요부를 구비하는 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일면 상에 형성된 활물질층을 구비하는 제 1 전극판 및 제 2 전극판과, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와;
    상기 전극 조립체를 수용하기 위한 이차 전지용 외장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전극 집전체의 요부에 형성된 활물질층 및 타부에 형성된 활물질층 중 상기 타부에 형성된 활물질층의 두께가 요부에 형성된 활물질층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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