KR20070081549A - Mandrel for preparation of jelly-roll type electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 및 1b는 종래기술에 따른 권심의 정면도와 단면도이다;1a and 1b are front and sectional views of the core according to the prior art;
도 2a 및 2b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 권심의 정면도와 단면도이다.2A and 2B are a front view and a cross-sectional view of the core according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 젤리-롤형 전극조립체의 제조를 위한 권취 공정에 사용되는 봉형의 권심에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 상기 권심의 일측 단부는 시트형 적층체가 삽입될 수 있도록 적층체의 폭에 대응하는 길이로 분리되어 있고, 그러한 분리 구조로 인해 형성된 두 개의 부재 중 일측 부재의 외면에는 적층체의 전극탭 및/또는 보호테이프를 수용할 수 있도록 상기 부재의 외주면 반경보다 작은 반경으로 만입되어 있고, 그러한 만입면이 원형으로 이루어진 수납부가 형성되어 있는 구조의 권심에 관한 것이다.The present invention relates to a rod-shaped core used in a winding process for manufacturing a jelly-roll electrode assembly, and more particularly, one end of the core has a length corresponding to the width of the laminate so that the sheet-like laminate can be inserted. The outer surface of one of the two members formed by the separation structure is indented with a radius smaller than the radius of the outer circumferential surface of the member to accommodate the electrode tab and / or the protective tape of the laminate. It is related with the core of the structure in which the accommodating part which is formed in circular shape is formed.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.As the development and demand for mobile devices increases, the demand for secondary batteries as energy sources is increasing rapidly. Among them, many researches have been conducted and commercialized and widely used for lithium secondary batteries with high energy density and discharge voltage. It is used.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.According to the shape of the battery case, secondary batteries are classified into cylindrical batteries and rectangular batteries in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can, and pouch-type batteries in which the electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet. .
또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다. In addition, the electrode assembly embedded in the battery case is a power generator capable of charging and discharging composed of a laminated structure of the anode / separator / cathode, a jelly-roll type wound through a separator between the long sheet-type anode and cathode coated with the active material And a plurality of positive and negative electrodes of a predetermined size, which are sequentially stacked in a state of being interposed in a separator. Among them, the jelly-roll type electrode assembly has advantages of easy manufacturing and high energy density per weight.
그러한 젤리-롤형 전극조립체의 제조 과정에는 양극/분리막/음극의 적층체의 단부에 권심을 끼워 원통형으로 권취한 후 권심을 제거하는 공정이 포함되어 있다. 이때 사용되는 종래기술에 따른 권심의 구조가 도 1a 및 1b에 도시되어 있다. The manufacturing process of such a jelly-roll type electrode assembly includes a step of winding the core by winding the core at the end of the laminate of the anode / separation membrane / cathode and removing the core. The structure of the core according to the prior art used at this time is shown in Figures 1a and 1b.
이들 도면을 참조하면, 권심(10)은 전체적으로 봉형의 부재로서, 그것의 일측 단부(11)는 시트형 적층체가 삽입될 수 있도록 대략 적층체의 폭에 대응하는 길이만큼 분리되어 있다. 그와 같이 분리된 단부(10)는 단면상으로 두 개의 반원들(11a와 21b)이 대면하고 있는 구조로 되어 있으며, 한쪽 부재(11a)의 외면에는 적 층체의 전극탭과 보호테이프가 위치할 수 있도록 부분적으로 평면 형태의 절취면(12)이 형성되어 있다. t1은 권심(20)의 길이 방향으로의 절취면(12)의 길이를 나타낸다.Referring to these figures, the
이러한 절취면(12)은 적층체(도시하지 않음)의 단부에 위치하는 전극탭이나 보호테이프가 권취 과정에서 임시적으로 걸쳐지는 수준의 크기 및 형태로 형성되어 있으므로, 종래기술의 권심(10)을 사용하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조할 때, 전극탭 또는 보호테이프가 단차를 형성하면서 돌출되어 롤의 대응 부위에 응력을 유발한다. 이러한 응력은 계속적인 충방전 과정에서 팽창과 수축을 반복하는 젤리-롤에 응력 집중을 초래하므로, 전지의 성능을 저하시키고 전극의 단선 및 내부 쇼트(short) 등 전지의 안전성을 저하시키는 주요 원인이 된다.Since the
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need for a technology that can fundamentally solve these problems.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 권심의 분리된 단부 부위에서 수직 단면상으로 반원을 이루며 대응하고 있는 두 개의 부재 중 한쪽 부재의 외면에 적층체의 전극탭 및/또는 보호테이프를 수용할 수 있도록 상기 부재의 외주면 반경보다 작은 반경으로 만입된 수납부를 형성할 경우, 적층체를 권취하는 과정에서 특정 부위에 응력이 집중되는 것을 방지하여 전지의 성능 저하를 방지하고 안전성을 확보할 수 있음을 확인하였다. 본 발명은 이러한 발견을 기초로 완성되었다.After in-depth study and various experiments, the inventors have formed the electrode tab and / or protective tape of the laminate on the outer surface of one of the two corresponding members in a semicircle in a vertical cross section at the separated end portion of the core. When forming an accommodating portion having a radius smaller than the outer circumferential radius of the member so as to be accommodated, it is possible to prevent the concentration of stress in a specific portion in the process of winding the laminate to prevent degradation of the battery performance and to ensure safety. It was confirmed that there is. The present invention has been completed based on this finding.
따라서, 본 발명에 따른 권심은, 양극/분리막/음극 구조를 포함하는 긴 시트형의 적층체에 장착되어 젤리-롤형 전극조립체의 제조를 위한 권취 공정에 사용되는 봉형의 부재로서, 상기 권심의 일측 단부는 시트형 적층체가 삽입될 수 있도록 상기 적층체의 폭에 대응하는 길이로 분리되어 있고, 그러한 분리 구조로 인해 형성된 두 개의 부재 중 일측 부재의 외면에는 적층체의 전극탭 및/또는 보호테이프를 수용할 수 있도록 상기 부재의 외주면 반경보다 작은 반경으로 만입되어 있는 수납부가 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.Accordingly, the core according to the present invention is a rod-shaped member mounted on an elongated sheet-like laminate including an anode / separation membrane / cathode structure and used in a winding process for manufacturing a jelly-roll electrode assembly, wherein one end of the core is wound. Is separated into a length corresponding to the width of the stack so that the sheet-like stack can be inserted therein, and the electrode tab and / or protective tape of the stack may be accommodated on the outer surface of one of the two members formed due to such a separation structure. It is comprised so that the accommodating part may be indented in the radius smaller than the radius of the outer peripheral surface of the said member so that it may be formed.
이러한 권심을 사용하여 시트형 적층체를 함으로써 젤리-롤형 전극조립체를 제조하는 경우, 수직 단면상으로 반원을 이루는 한쪽 부재 상에 형성되어 있는 수납부에 전극탭과 보호테이프 등이 완전히 수용되므로 권취 과정에서 이들이 돌출되지 않으며, 그 결과 전극의 특정부위에 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있다.In the case of manufacturing a jelly-roll type electrode assembly by using a sheet-like laminate using such a winding core, the electrode tab and the protective tape are completely accommodated in a receiving portion formed on one member that forms a semicircle on a vertical cross section, so that they It does not protrude, and as a result, it is possible to prevent the concentration of stress on a specific portion of the electrode.
상기 수납부의 크기는 전극탭과 보호테이프의 깊이에 따라 결정되게 된다. 예를 들어, 상기 수납부의 수직 단면 상의 폭(원주 길이)은 3 내지 6 mm 범위에서 형성되어 있는 것이 바람직하다. The size of the accommodating part is determined according to the depth of the electrode tab and the protective tape. For example, the width (circumferential length) on the vertical cross section of the housing is preferably formed in the range of 3 to 6 mm.
또한, 상기 수납부의 깊이는 부재의 외주면으로부터 0.1 내지 3.5 mm의 크기로 만입되어 있는 것이 바람직하다. In addition, the depth of the housing portion is preferably indented in a size of 0.1 to 3.5 mm from the outer peripheral surface of the member.
즉, 수납부의 크기는 시트형 적층체의 전극탭과 보호테이프가 수용될 수 있도록 그 폭과 깊이가 한정된다. 만일, 수납부의 폭과 깊이가 상기 전극탭과 보호테이프의 크기보다 작거나 또는 얇은 경우에는, 권취 과정에서 전극탭과 보호테이프의 돌출을 유발할 수 있다. 반대로, 수납부의 폭과 깊이가 너무 넓거나 깊은 경우에는, 권취 과정에서 수납부의 경계부근에 단차가 생기게 되고 이러한 단차는 특정부위 전극에 응력의 집중을 유발할 수 있으며, 부재의 기계적 강성이 떨어져서 권취 과정에서 파괴될 수 있다.That is, the size of the housing portion is limited in width and depth so that the electrode tab and the protective tape of the sheet-like laminate can be accommodated. If the width and depth of the housing portion are smaller or thinner than the size of the electrode tab and the protective tape, the electrode tab and the protective tape may be protruded during the winding process. On the contrary, if the width and depth of the enclosure are too wide or too deep, a step may occur near the boundary of the enclosure during the winding process, which may cause concentration of stress on the electrode at a specific location, and the mechanical stiffness of the member may be inferior. May be destroyed during the winding process.
또한, 상기 수납부는 권심의 길이 방향으로 양극/분리막/음극 구조의 적층체를 수용할 수 있어야 하므로, 권심의 길이 방향으로 적어도 전극 탭의 길이와 동일하거나 그 보다 길게 형성되어 있다. 하나의 예로서 수납부의 길이는 60 내지 90 mm인 것이 바람직하다.In addition, the accommodating portion must be able to accommodate the laminate of the anode / separation membrane / cathode structure in the longitudinal direction of the core, and thus is formed at least equal to or longer than the length of the electrode tab in the longitudinal direction of the core. As one example, the length of the housing is preferably 60 to 90 mm.
상기 권심의 수직 단면상의 형상은 전극조립체의 권취 형상에 영향을 미치는 바, 하나의 바람직한 예로서, 권심은 수직 단면상으로 보았을 때, 진원 형태로 이루어져 있다.The shape on the vertical cross section of the winding core affects the winding shape of the electrode assembly. As one preferred example, the winding core has a round shape when viewed in the vertical cross section.
본 발명은 또한 상기 권심을 사용하여 권취된 젤리-롤형 전극조립체를 포함하고 있는 리튬 이차전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium secondary battery comprising a jelly-roll type electrode assembly wound using the winding core.
권심은 양극/분리막/음극의 시트형 적층체를 권취한 후 제거되며, 이렇게 제조된 젤리-롤형 전극조립체는 권취된 상태 그대로 원통형 금속 캔에 내장되거나, 또는 압축되어 각형 금속 캔 또는 알루미늄 라미네이트의 파우치형 케이스에 내장된다. 리튬 이차전지는 이러한 전극조립체에 리튬 전해질을 주입한 후 밀봉함으로써 제조된다. The core is removed after winding the sheet-like stack of anode / separator / cathode, and the thus prepared jelly-roll electrode assembly is embedded in a cylindrical metal can as it is wound or compressed and pouched in a square metal can or aluminum laminate. It is built into the case. A lithium secondary battery is manufactured by injecting a lithium electrolyte into such an electrode assembly and then sealing it.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 젤리-롤형 전극조립체의 제조를 위한 권취 과정에서 전극탭과 보호테이프에 의한 특정 부위에 응력 집중이 발생하지 않으므로 사용시에도 우수한 성능을 그대로 유지하고 전지의 안전성을 확보할 수 있다. 전지의 기타 구성 및 그것의 구체적인 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로 그에 대한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.In the lithium secondary battery according to the present invention, since stress concentration does not occur at a specific portion of the electrode tab and the protective tape during the winding process for manufacturing the jelly-roll type electrode assembly, it is possible to maintain excellent performance and ensure battery safety even when used. Can be. Other configurations of the battery and its specific manufacturing method are well known in the art, and thus description thereof is omitted herein.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the scope of the present invention is not limited thereto.
도 2a에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 개선된 구조의 2차 전지용 권심의 정면도가 도시되어 있고, 도 2b에는 그것의 수평 단면도가 도시되어 있다.FIG. 2A shows a front view of a core for a secondary battery of an improved structure according to one embodiment of the invention, and FIG. 2B shows a horizontal sectional view thereof.
우선 도 2a을 참조하면, 권심(20)은 전체적으로는 도 1a에서와 같이 봉형 구조로 이루어져 있으며, 그것의 일측 단부는 시트형 적층체(도시하지 않음)가 삽입될 수 있도록 적층체의 폭에 대응하는 길이로 분리되어 있다.First, referring to FIG. 2A, the
그러한 분리 구조로 인해 형성된 두 개의 부재(21a, 21b) 중, 일측 부재(21a)의 외면에는 적층체의 전극탭/또는 보호테이프를 수용할 수 있도록, 부재(21a)의 반경보다 작은 반경으로 만입되어 있는 수납부(22)가 형성되어 있다. t2는 권심(20)의 길이 방향으로의 수납부(22)의 크기를 나타내며, 이러한 크기(t2)는 적층체에서 전극탭의 길이와 대략 일치하거나 그 보다 약간 큰 정도의 수준이다.Of the two
도 2b를 참조하면, 권심(20)은 일측 단부의 분리 구조로 인해 형성된 두 개의 부재(21a, 21b) 중 일측 부재(21a)의 외면에는 적층체(도시하지 않음)의 전극탭과 보호테이프를 수용할 수 있도록 부재(21a)의 외주면 반경보다 작은 반경으로 원형으로 만입된 수납부(22)가 형성되어 있다. 수납부(22)의 만입 형태는 권취시의 형상에 따라 원호 구조를 나타내며, 적층체의 전극탭과 보호테이프가 완전히 수용할 수 있는 폭(원주 길이)과 깊이로 형성되어 있다.Referring to FIG. 2B, the
이하에서는, 본 발명에 따른 효과를 확인하는 측면에서, 하나의 실시예에 따라 수행된 실험 내용을 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되지 않음은 물론이다.In the following, in view of confirming the effect according to the present invention, the contents of the experiment performed according to one embodiment will be described, but the scope of the present invention is not limited thereto.
[실시예 1] Example 1
1-1. 양극의 제조1-1. Manufacture of anode
LiCoO2가 함유된 양극 활물질을 알루미늄 집전체에 도포한 후, 집전체의 단부에 상향 돌출되도록 양극 탭을 부착하는 것으로 양극을 제조하였다. The positive electrode was manufactured by applying a positive electrode active material containing LiCoO 2 to an aluminum current collector and then attaching a positive electrode tab to protrude upward from an end of the current collector.
1-2. 음극의 제조1-2. Preparation of Cathode
인조흑연이 함유된 음극 활물질을 구리 집전체에 도포한 후, 집전체의 단부 에 상향 돌출되도록 음극 탭을 부착하는 것으로 음극을 제조하였다.The negative electrode was prepared by applying a negative electrode active material containing artificial graphite to a copper current collector, and then attaching a negative electrode tab to protrude upward from an end portion of the current collector.
1-3. 1-3. 권심을With one's heart 이용한 Used 적층체의Laminate 권취Winding
상기 1-1의 양극과 상기 1-2의 음극 사이에 분리막을 개재하고 양극의 단부 위치가 음극 상에 보호테이프를 부착한 시트형 적층체를 권심에 끼워 소정의 응력(tension)이 가해지도록 권취함으로써 젤리-롤을 제조하였다.By interposing a separator between the positive electrode of 1-1 and the negative electrode of 1-2 and attaching a sheet-like laminate having a protective tape on the negative electrode to the core, the coil is wound so that a predetermined tension is applied. Jelly-rolls were prepared.
본 실험에서는 도 2b에서와 같이 단면상으로 반원을 이루는 한쪽 부재 상에 절취면이 원형으로 되어 있는 수납부가 형성되어 있는 권심을 사용하였으며, 상기 수납부의 권심 방향의 길이는 75 mm, 가로방향 길이(원주 길이)는 45 mm, 그리고 깊이는 0.3 mm 이었다.In this experiment, as shown in FIG. 2B, a winding core having a circular cutting surface is formed on one member forming a semicircle in a cross section. The winding core has a length of 75 mm and a horizontal length ( Circumferential length) was 45 mm, and the depth was 0.3 mm.
[실시예 2]Example 2
권취 시 응력을 1.5 배로 증가시켰다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 적층체를 권취하였다.The laminate was wound in the same manner as in Example 1 except that the stress was increased by 1.5 times during winding.
[실시예 3]Example 3
사용한 권심에서 수납부의 깊이가 0.2 mm인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 적층체를 권취하였다.The laminate was wound in the same manner as in Example 1 except that the depth of the accommodating portion was 0.2 mm at the used core.
[실시예 4]Example 4
권취 시 응력을 1.5 배로 증가시켰다는 점을 제외하고는 상기 실시예 3과 동 일한 방법으로 적층체를 권취하였다.The laminate was wound in the same manner as in Example 3 except that the stress was increased by 1.5 times during winding.
[비교예 1]Comparative Example 1
도 1b에서와 같이 평면 형태의 부분 절취면으로 이루어진 권심을 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 적층체를 권취하여 젤리-롤을 제조하였다. A jelly-roll was prepared by winding the laminate in the same manner as in Example 1, except that a winding consisting of a partially cut surface in a planar shape was used as in FIG.
[비교예 2]Comparative Example 2
도 1b에서와 같이 평면 형태의 부분 절취면으로 이루어진 권심을 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 적층체를 권취하여 젤리-롤을 제조하였다.A jelly-roll was prepared by winding the laminate in the same manner as in Example 2, except that a winding consisting of a partially cut surface in a planar shape was used as in FIG.
[실험예 1]Experimental Example 1
상기 실시예 1 ~ 4와 비교예 1 및 2의 각각 20 개의 젤리-롤을 권취한 후, 권취된 전극조립체를 다시 분해하여 전극 표면에 전극단자와 보호테이프에 의한 단차가 생성되었는지를 관찰하였다. 그 결과를 표 1로 나타내었다.After winding 20 jelly-rolls of each of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, the wound electrode assembly was disassembled again to observe whether a step formed by an electrode terminal and a protective tape was formed on the electrode surface. The results are shown in Table 1.
표 1에서 보는 바와 같이, 기존 권심을 사용한 경우(비교예 1 및 2), 전극의 일부 면에 전극탭과 보호테이프로 인한 단차가 부분적으로 생성되었음을 확인할 수 있으며, 응력을 증가시킬 때 단차 생성부위가 취약해져 전극 찢어짐이 발생할 가능성이 있음을 알 수 있다. As shown in Table 1, in the case of using the existing core (Comparative Examples 1 and 2), it can be confirmed that the step due to the electrode tab and the protective tape is partially formed on some surfaces of the electrode, and the step generating portion is increased when the stress is increased. It can be seen that there is a possibility that the breakage of the electrode may occur.
반면에, 본 발명에 따른 권심을 사용한 경우(실시예 1 ~ 4), 상기 단차의 흔적이 없고, 응력을 증가시킬 때 수납부의 수직 단면 상의 폭(원주 길이)의 깊이에 따라 약간 달라지는 바, 전극 탭과 보호테이프를 수용할 수 있는 깊이의 수납부가 형성된 권심은 응력을 증가시켜도 단차가 생성되지 않음을 알 수 있다. 따라서, 전극의 특정 부위에 응력이 집중되지 않아, 장기간의 반복적인 충방전시 전지의 성능 저하가 현저히 적으며 전지의 완전성을 확보됨을 확인할 수 있다.On the other hand, in the case of using the core according to the present invention (Examples 1 to 4), there is no trace of the step, and slightly increases depending on the depth of the width (circumferential length) on the vertical cross section of the housing when the stress is increased, It can be seen that the core formed with an accommodating part having a depth capable of accommodating the electrode tab and the protective tape does not generate a step even when the stress is increased. Therefore, the stress is not concentrated in a specific portion of the electrode, it can be confirmed that the performance degradation of the battery is remarkably small during repeated long-term charging and discharging and ensure the integrity of the battery.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to make various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 권심은 젤리-롤형 전극조립체의 권취 과정에서 발생하는 적층체와 전극탭 및/또는 보호테이프 사이의 단차로 인한 전극의 돌출부위를 제거함으로써, 전극의 특정부위에 응력이 집중되는 것을 방지하여 장기간의 충방전시 전지의 성능 저하를 현저히 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 전극 단선 및 내부 쇼트(short)를 방지할 수 있어 전지의 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.As described above, the core according to the present invention removes the protruding portion of the electrode due to the step between the laminated body and the electrode tab and / or the protective tape generated during the winding-up of the jelly-roll type electrode assembly, thereby providing a specific portion of the electrode. It is possible to prevent the concentration of stress in the battery, significantly reducing the performance of the battery during long-term charging and discharging, as well as preventing electrode disconnection and internal short, thereby securing battery safety. .
Claims (5)
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2006
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