KR20070081540A - 탭 부위에 슬릿이 형성되어 있는 집전체를 포함하는이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지로서, 각 집전체에서 전극탭에 인접하는 집전체 상에 얇고 긴 하나 또는 그 이상의 슬릿이 형성되어 있는 이차전지를 제공한다.

본 발명의 탭 부위에 슬릿이 형성되어 있는 집전체를 포함하는 이차전지는 전지의 낙하와 같은 외부 충격시 탭이 상하좌우로 유동할 수 있어 탭 주위에 집중되는 응력을 효과적으로 분산하므로 탭이 끊어지는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

Description

탭 부위에 슬릿이 형성되어 있는 집전체를 포함하는 이차전지 {Secondary Battery Comprising Collector Provided with Slit around Tap}

도 1은 기존의 전극탭이 구비된 집전체의 모식도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전극탭 부위에 수평 슬릿과 수직 슬릿이 형성되어 있는 집전체의 모식도이다;

도 3은 도 2에서 전극탭 부위의 구조를 확대도이다.

본 발명은 탭 부위에 슬릿이 형성되어 있는 집전체를 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 스택형 전극조립체에 사용되는 집전체에서, 집전체의 본체 상단과 전극탭 부위에 슬릿(가늘고 긴 관통구)을 형성하여, 전지의 낙하 등과 같은 외부 충격시 그러한 외력이 탭에 집중되어 탭이 파괴되는 것을 방지하는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이 차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.

통상적으로 이차전지는 양극, 음극, 분리막 및 전해질로 구성되어 있다. 상기 전극들은 집전체 상에 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물(합제)이 도포되어 이루어지는데, 집전체로는 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 금속재료를 주로 사용되고 있다.

집전체에 관련된 공지기술로는 표면에 미세한 요철을 형성하여 활물질의 접착력을 높이는 방법 등이 있다. 그밖에, 집전판에 다수의 구멍을 천공하여 집전판의 강도를 향상시키고 활물질의 탈락을 억제하는 방법(한국특허공개 제1998-0075539호), 집전체에 슬릿을 형성하여 충방전에 수반하는 집전체의 주름발생을 방지하고 체적변화를 감소시킨 얇은 막 전극(일본특허공개 제2005-085570호) 등이 개시되어 있는데, 이러한 방법들은 주로 집전체와 활물질간의 접착에 관계된 것으로 집전체 전면에 걸쳐 관통구를 천공되어 있는 구조로 이루어져 있다.

한편, 집전체의 구조는 일측에 전극탭이 돌출되어 있는 구조가 일반적인데, 전지의 낙하와 같은 외부요인에 의해 셀에 충격이 가해지면, 전극탭이 뒤틀리거나 끊어지기 쉬워 내부단락이 일어나는 등 전극파괴가 일어나므로 전극탭의 내진성 및 내충격성을 개선할 필요가 있다. 특히, 스택형 전극조립체에 사용되는 집전체에 있어서 전극탭의 안정성을 확보하는 효과적인 수단이 아직까지 마련되지 않아, 이에 대한 연구가 절실히 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험들을 계속한 끝에, 스택형 전극조립체에 사용되는 집전체에서, 집전체의 본체 상단과 전극탭 부위에 슬릿을 형성하면, 외부 충격시 탭이 상하좌우로 짧은 거리지만 유동할 수 있어서, 탭 주위에 집중되는 응력을 효과적으로 분산하므로 탭이 끊어지는 것을 방지하고, 또한 전극간의 전단응력을 최소화하여 전극간의 밀림 현상을 억제함으로써 내부단락을 방지하는 등 안정성이 뛰어남을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지로서, 각 집전체에서 전극탭에 인접하는 집전체 상에 얇고 긴 하나 또는 그 이상의 슬릿이 형성되어 있는 이차전지를 제공한다.

상기 슬릿은 기본적으로 가늘고 긴 형태를 가지며, 양 단부는 어떠한 형태도 가능하지만, 양 단부의 모서리가 각지지 않은 곡선 형태로 이루어져 있는 것이 더욱 바람직하다.

상기 슬릿은 집전체의 상단에 대해 수평한 슬릿(수평 슬릿), 수직한 슬릿(수직 슬릿), 소정의 각도로 기울어진 슬릿(경사 슬릿) 및 소정의 곡률 반경으로 휘어진 슬릿(곡선 슬릿)으로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상을 선택하여 형성될 수 있다.

바람직한 예에서, 상기 수평 슬릿은 집전체의 상단으로부터 소정의 거리만큼 이격된 상태로 전극탭의 하부에 위치할 수 있으며, 상기 수직 슬릿은 전극탭의 양측 하단에 연속하여 형성될 수 있다. 상기 슬릿의 위치는 외부충격시 외력이 집중되는 부위이며, 상기 수평 슬릿과 수직 슬릿은 이 부위에 상하좌우의 유동성을 부여하는 역할을 한다.

전극탭에 대한 상기 수평 슬릿의 이격 거리는 집전체의 크기가 32.5*50 (mm)인 경우 0.5 ~ 0.7 mm인 것이 바람직하다. 집전체의 상단으로부터 이격 거리가 너무 멀면 탭주위에 집중되는 응력을 분산시키기 어려워지며, 반대로 이격 거리가 너무 가까우면 오히려 탭이 집전체로부터 쉽게 분리되는 결과를 초래할 수 있어 바람직하지 못하다.

상기 수평 슬릿은 집전체의 크기가 32.5*50 (mm)인 경우 3.6 ~ 4.4 mm의 길이를 가지는 것이 바람직하며, 상기 수직 슬릿은 0.15 ~ 0.25 mm의 길이를 가지는 것이 바람직하다. 수평 슬릿과 수직 슬릿의 길이가 너무 짧으면, 슬릿의 형성에 따른 효과를 기대하기 어렵고, 반대로 길이가 과도하게 길면 오히려 슬릿에서의 응력 집중을 유발하여 슬릿 부위에서 탭이 끊어지는 문제점이 있으므로 바람직하지 못하다. 또한, 집전체를 관통하는 슬릿의 폭은 0.15 ~ 0.25 mm 정도가 바람직하다.

상기 슬릿을 형성하는 방법으로는, 예를 들면, 표면에 커터를 가지는 롤(roll)을 사용하거나, 커터가 구비된 틀을 이용하는 방법 등이 있으나, 그러한 방법으로 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명은 상기 슬릿과 같이 관통구가 아닌 노치(notch) 형태일 수 있다. 상기와 같은 위치에 노치가 형성될 경우, 길이방향에 대한 자유유동으로 응력을 분산하므로 슬릿과 마찬가지로 목적하는 안정성을 확보할 수 있다.

상기 노치는 통상 두께가 0.14 ~ 0.15 mm인 집전체 상에 0.05 mm 정도의 깊이로 형성될 수 있으며, 이는 금형제작의 방법으로 형성할 수 있다.

상기와 같이 슬릿이 형성된 집전체는 그 표면에 활물질을 도포한 다음 전극조립체를 구성할 수 있으며, 경우에 따라서는 활물질 도포 후에 상기와 같은 슬릿을 형성시키는 방법도 가능하다.

상기와 같은 본 발명을 적용할 수 있는 이차전지로는, 대표적으로, 스택형 전극조립체가 각형의 금속 케이스(금속캔)에 내장된 각형 전지, 스택형 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지에 내장된 파우치형 전지 등을 들 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 일반적인 집전체의 형태가 간략하게 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 집전체(10)는 얇은 판상형의 구조로, 그것의 상부 일측에 전극탭(11)이 구비되어 있다. 이러한 구조의 집전체(10)는 전극의 종류에 따라 양극 집전체와 음극 집전체로 나뉘어진다.

양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집 전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전극탭(11) 부위에 수평 슬릿(12)과 수직 슬릿(13)이 형성되어 있는 집전체(10)의 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 2에서 탭 부위의 구조가 확대도로서 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 전극탭(11)에 인접하는 집전체(10) 상에 얇고 긴 하나의 슬릿(12)이 집전체의 상단에 대해 수평 방향으로 천공되어 있으며, 상기 수평 슬릿(12)보다 짧은 두 개의 슬릿(13)이 수직방향으로 배치되어 있다. 수평 슬릿(12)은 전극탭의 하부에 위치하며 집전체의 상단으로부터 소정의 이격된 위치에 형성되어 있다. 한편, 수직 슬릿(13)은 전극탭(11)의 양측 하단에 연속하여 형성되어 있다. 수평 슬릿(12)에 의해 탭은 상하로 유동성을 가지며, 수직 슬릿(12)에 의해 좌우로 유동성을 가진다.

상술한 바와 같은 본 발명의 이차전지에 일정한 외부충격을 반복적으로 가한 결과, 도 1에서와 같은 기존의 집전체를 사용한 전지와 달리 낙하 및 외부 충격에 대한 구조적 문제점이 개선되어 구조적 안정성이 입증되었다. 또한, 수평 슬릿과 수직 슬릿을 각각 형성한 집전체와, 도 2와 같이 두 가지 슬릿을 동시에 형성한 집전체를 전지에 적용하여 충격 테스트를 실시한 결과, 두 가지 슬릿을 모두 형성한 전지가 구조적 안정성이 보다 우수한 것으로 나타났다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 탭 부위에 슬릿이 형성되어 있는 집전체를 포함하는 이차전지는, 집전체의 본체 상단과 전극탭 부위에 슬릿(가늘고 긴 관통구)을 형성함으로써, 종래에 비해 탭 주위에 집중되는 외력을 적절히 분산하여 전지의 낙하와 같은 외부 충격에 의한 내부 유동으로 탭이 파괴되는 것을 방지할 수 있어 안정성을 요구하는 이차전지 산업에 널리 효과적으로 적용될 수 있다.

Claims (7)

1. 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지로서, 각 집전체에서 전극탭에 인접하는 집전체 상에 얇고 긴 하나 또는 그 이상의 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬릿은 양 단부의 모서리가 각지지 않은 곡선 형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 슬릿은 집전체의 상단에 대해 수평한 슬릿(수평 슬릿), 수직한 슬릿(수직 슬릿), 소정의 각도로 기울어진 슬릿(경사 슬릿) 및 소정의 곡률 반경으로 휘어진 슬릿(곡선 슬릿)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 수평 슬릿은 집전체의 상단으로부터 소정의 거리만큼 이격된 상태로 전극탭의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 수직 슬릿은 전극탭의 양측 하단에 연속하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 소정의 이격 거리는 집전체의 크기가 32.5*50 (mm)인 경우에 0.5 ~ 0.7 mm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 수평 슬릿은 집전체의 크기가 32.5*50 (mm)인 경우에 3.6 ~ 4.4 mm의 길이를 가지며, 상기 수직 슬릿은 0.15 ~ 0.25 mm의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.

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