KR20070120210A - 안전성 및 용량을 향상시킨 이차전지 - Google Patents

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KR20070120210A
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Abstract

본 발명은 분리막이 개재된 상태로 다수의 전극 판들을 적층하고 이들의 전극 탭들을 상호 연결하는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극 탭들의 상호 연결부가 전지케이스의 내면 하단에 위치하도록 전극조립체가 도립되어 설치되어 있고, 전극조립체가 도립된 상태에서 하나 또는 둘 이상의 전극 판에 형성되어 있는 상단 전극 탭을 통해 전지케이스 상단의 전극리드에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 낙하 또는 외부충격 인가시 전극조립체의 이동으로 인한 내부 단락을 방지함으로써 안전성을 한층 더 향상시킬 수 있고, 전지케이스의 내부 공간을 최대한 활용하여 동일 규격 대비 높은 용량을 가질 수 있는 장점이 있다.

Description

안전성 및 용량을 향상시킨 이차전지 {Secondary Battery of Improved Safety and Capacity}
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 전지케이스 내부 상단의 부분 확대도이다;
도 3은 도 1의 이차전지를 조립한 상태의 정면 투시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다;
도 5는 도 4의 이차전지에서 전극조립체의 조립 이전 상태의 분해 사시도이다;
도 6은 도 4의 이차전지를 조립한 상태의 정면 투시도이다.
본 발명은 안전성과 용량을 향상시킬 수 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리막이 개재된 상태로 다수의 전극 판들을 적층하고 이들의 전극 탭 들을 상호 연결하는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극 탭들의 상호 연결부가 전지케이스의 내면 하단에 위치하도록 전극조립체가 도립되어 설치되어 있고, 전극조립체가 도립된 상태에서 하나 또는 둘 이상의 전극 판에 형성되어 있는 상단 전극 탭을 통해 전지케이스 상단의 전극리드에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트 의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조 비용, 적은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 전극 판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 전극 판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.
전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(30)의 경우, 다수의 양극 탭들(40)과 다 수의 음극 탭들(50)이 전극리드(60, 70)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(20) 내부 상단은 전극조립체(30)로부터 이격되어 있다.
도 2에는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 전지케이스 내부 상단의 부분 확대도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 1의 이차전지를 조립한 상태의 정면 투시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극조립체(30)의 양극 집전체(41)로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 양극 탭들(40)은, 예를 들어, 용접에 의해 일체로 결합된 용착부의 형태로 양극리드(60)에 연결된다. 그러한 양극리드(60)는 양극 탭 용착부가 연결되어 있는 대향 단부(61)가 노출된 상태로 전지케이스(20)에 의해 밀봉된다. 다수의 양극 탭들(40)이 일체로 결합되어 용착부를 형성함으로 인해, 전지케이스(20)의 내부 상단은 전극조립체(30)의 상단면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 있고, 용착부의 양극 탭들(40)은 대략 V자 형상으로 절곡되어 있다. 따라서, 전극 탭들과 전극리드의 결합부위를 V-포밍(V-forming) 부위로 칭하기도 한다.
그러나, 이러한 V-포밍 부위는 전지의 용량과 안전성 측면에서 다수의 문제점을 가지고 있다. 우선, 전지의 용량은 실질적으로 전극조립체(30)의 크기에 의해 결정되는 바, V-포밍 부위의 존재는 전지케이스(20)에 내장되는 전극조립체(30)의 크기를 제한하므로, 전지의 용량 감소를 초래된다. 즉, 도 3에서 보는 바와 같이, 전극조립체(30)의 상단면과 절연필름(80) 사이의 거리(L1)가 매우 크며, 그러한 거리만큼 전극조립체(30)의 크기 감소가 불가피하다.
또한, 전지가 그것의 상단, 즉 양극리드(60) 쪽으로 낙하되거나 전지의 상단에 물리적인 외력이 가해지는 경우에, 전극조립체(30)가 전지케이스(20)의 내면 상단으로 이동되거나 또는 상단이 짓눌려져서, 전극조립체(30)의 음극이 양극 탭(42) 또는 양극리드(61)와 접촉되어 내부 단락을 유발할 수 있으므로, 전지의 안전성이 크게 저하된다.
따라서, 상기 V-포밍 부위에 따른 전지의 용량 및 안전성 문제를 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 낙하 또는 외부충격 인가시 전극조립체의 이동으로 인한 내부 단락을 방지함으로써, 안전성을 한층 더 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전지케이스의 내부 공간을 최대한 활용하여 동일 규격 대비 높은 용량을 가지는 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는 분리막이 개재된 상태로 다수의 전극 판들을 적층하고 이들의 전극 탭들을 상호 연결하는 구조의 전 극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극 탭들의 상호 연결부가 전지케이스의 내면 하단에 위치하도록 전극조립체가 도립되어 설치되어 있고, 전극조립체가 도립된 상태에서 하나 또는 둘 이상의 전극 판에 형성되어 있는 상단 전극 탭을 통해 전지케이스 상단의 전극리드에 전기적으로 연결되어 있는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지에서는, 전극 탭들간 연결부가 전지케이스의 내면 하단에 밀착된 상태로 위치하고, 상단 전극 탭과 전극리드간 연결부가 전지케이스의 내면 상단에 밀착된 상태로 위치함으로써, 이들의 형성을 위한 공간을 최소화하여 전지케이스의 동일 규격 대비 용량을 더욱 크게 할 수 있고, 이들 연결부가 서로 분리된 상태로 전지케이스 내면 상하단에 각각 밀착되게 함으로써, 전극조립체의 이동을 억제하여 낙하, 외부충격 등과 같은 외력의 인가시 더욱 우수한 안전성을 확보할 수 있다.
상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 상단 전극 탭은 전극조립체를 구성하는 전극 판들 중에서 적어도 하나 이상의 양극 판, 및 적어도 하나 이상의 음극 판에 각각 형성되어 있을 수 있으며, 더욱 바람직하게는 하나의 양극 판과 음극 판에만 각각 형성되어 있을 수 있다. 이는, 하나 이상의 양극 판 및 음극 판에 각각 상단 전극 탭이 형성되어 있을 경우, 상기 상단 전극 탭들을 연결하기 위한 별도의 공정이 추가되어야 하며, 상기 상단 전극 탭들의 밀착시 부피가 증가되어 전지케이스 내부에서 차지하는 공간이 넓어지기 때문이다. 따라서, 상기 전극조립체는 두 개의 전극 탭들이 각각 형성되어 있는 양극 판과 음극 판을 하나씩 포함하는 것이 특히 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 상단 전극 탭은 별도의 전극리드에 연결되지 않고 자체로서 전극리드의 역할을 할 수 있도록, 다른 전극 탭들에 비하여 다소 큰 크기로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 상단 전극 탭과 전극리드의 전기적 연결을 위한 별도의 공정을 생략할 수 있고, 연결부위의 취약성에 따른 많은 문제점도 해결할 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여, 상기 전극리드와 연결되는 상단 전극 탭을 제외한 나머지 전극 탭들, 즉 전극 판들을 전기적으로 연결하기 위한 전극 탭들은 하단 전극 탭들로 나타낸다.
상기 하단 전극 탭들은 다양한 방식으로 상호 연결될 수 있으며, 바람직하게는 초음파 융착에 의하여 더욱 안정적으로 연결될 수 있다.
일반적으로, 전극조립체는 단락의 방지를 위해 양극 및 음극보다 큰 크기의 분리막을 사용하므로, 전극조립체의 외주면은 양극 및 음극보다 길게 연장된 분리막들에 의해 실질적으로 감싸이게 된다. 따라서, 전극 탭들이 상호 연결된 부위는 절곡되어 전극조립체의 하단면 상에 밀착되더라도 단락이 유발되지는 않는다.
본 발명에서는, 상기 하단 전극 탭들의 연결부위에서 이러한 절곡 및 밀착에 따른 단락의 가능성을 더욱 낮추기 위하여, 전극조립체의 분리막 크기를 통상의 전극조립체에서 보다 더욱 크게 하거나, 절연 필름 등의 절연성 부재로 상기 하단 전극 탭의 연결부위를 미리 도포한 후 절곡하여 전극조립체의 하단면에 밀착시킬 수도 있다.
이상과 같이, 하단 전극 탭들간 연결부위 및 상단 전극 탭과 전극리드간 연결부위가 각각 전극조립체의 하단 및 상단부에 밀착된 상태로 위치하므로, 전체적으로 사공간(dead space)이 존재하지 않거나 적어도 사공간을 최소화하여 콤팩트한 구조의 전지가 완성될 수 있으며, 전극조립체의 상단 및 하단이 각각 전지케이스의 내면에 밀착됨으로써 외력의 인가시에도 전극조립체가 이동하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 전지는 리튬 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는, 이른바, 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지는 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 구체적으로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 이차전지(100)는, 하단 양극 탭들(330, 331, 332 …) 및 하단 음극 탭들(340, 341, 342 …)이 초음파 융착에 의하여 각각 연결되어 있고, 상단 양극 탭(301)과 상단 음극 탭(302)이 각각 양극리드(400)와 음극리드(401)에 용접되어 있는 전극조립체(300) 및, 이러한 전극조립체(300)를 수용할 수 있는 전지케이스(200)로 이루어져 있다.
전극조립체(300)는 그것의 최상층에 상단 양극 탭(301)과 하단 양극 탭(330)이 돌출되어 있는 양극 판(310)과 상단 음극 탭(302)과 하단 음극 탭(340)이 돌출되어 있는 음극 판(320)을 각각 하나씩 포함하고 있다. 전극조립체의 구체적인 구조는 그것의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있는 도 5에서 더욱 용이하게 확인할 수 있다.
도 5를 참조하면, 전극조립체(300)는 상단 양극 탭(301)과 하단 양극 탭(330)이 돌출되어 있는 하나의 양극 판(310)과 상단 음극 탭(302)과 하단 음극 탭(340)이 돌출되어 있는 하나의 음극 판(320), 및 하단 양극 탭들(331, 332 …)만 돌출되어 있는 다수의 양극 판들(311, 312 …)과, 하단 음극 탭들(341, 342)만 돌출되어 있는 다수의 음극 판들(321, 322)을, 분리막(350)을 이용하여 순차적으로 적층하여 제조된다.
다시 도 4를 참조하면, 하단 양극 탭들(331, 332 …)과 하단 음극 탭들(341, 342 …)은 초음파 융착되어 상호 연결된 상태에서 전극조립체(300)의 하단면(360)에 밀착된다. 이때, 하단 양극 탭들(331, 332 …)과 하단 음극 탭들(341, 342 …)이 전극조립체(300)의 하단면(360)과 접속되어 단락이 유발되는 것을 방지하기 위하여, 하단 양극 탭들(331, 332 …)과 하단 음극 탭들(341, 342 …)을 절연성 필름(500)으로 감싼 상태에서 하단면(360)으로 밀착한다.
전극조립체(300)가 전지케이스(200)의 수납부(210)에 장착된 상태에서, 상단 양극 탭(301)과 상단 음극 탭(302)이 절곡 과정을 거치지 않고 전지케이스(200)의 상단 밀착부위에 곧 바로 위치할 수 있도록, 두 전극 탭들(301, 330; 302, 340)이 각각 형성되어 있는 양극 판(310)과 음극 판(320)은 전극조립체(300)의 최상층에 위치한다.
또한, 도면에는 표시되어 있지 않지만, 상단 양극 탭(301)과 상단 음극 탭(302)은 각각 외부로 일부 돌출되어 있는 양극리드(400)와 음극리드(401)에 연결되지 않고, 자체로서 전지케이스(200)의 외부로 직접 돌출될 수도 있다.
도 6에는 도 4의 이차전지를 조립한 상태의 정면 투시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 이차전지(100)는, 전극조립체(300)의 상단면과 절연필름(420) 사이의 거리(L2)를 크게 줄임으로써, 전지케이스(200)의 동일 규격 대비 전극조립체(300) 크기를 더욱 크게 하여 전지의 용량을 증가시킬 수 있다. 또한, 이차전지(100)는 전극조립체(300)가 전지케이스(200) 내부에서 이동할 수 있을 만한 공간이 존재하지 않으므로, 낙하 및 외부충격시 단락에 대한 안전성을 더욱 확보할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
양극 활물질로서 LiCoO2 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하고, 음극 활물질로서 인조흑연 95 중량%, Super-P(도전제) 1 중량% 및 PVdF(결합제) 4 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하여, 알루미늄 호일과 구리 호일에 각각 도포하였다.
상기 알루미늄 호일과 구리 호일을, 도 5에서와 같이, 일측에만 전극 탭이 형성되어 있는 다수 개의 판과, 양측에 전극 탭이 형성되어 있는 한 개의 판으로 각각 절단하여 양극 판과 음극 판들을 제조하였다. 그런 다음, 분리막으로 셀가드TM(TONEN)를 사용하여, 상기 양측에 전극 탭이 형성되어 있는 양극 판과 음극 판을 최외측으로 하고 나머지 양극 판과 음극 판을 순차적으로 적층하여 전극조립체를 제조하였다. 상기 전극조립체를, 도 4에서와 같이, 도립된 상태로 파우치형 전지케이스에 장착한 후, 전해액을 주입하여 전지를 완성하였다.
[비교예 1]
일측에 전극 탭이 형성되어 있는 양극 판과 음극 판을 이용하여 전극조립체를 제조하고 이를 도 1에서와 같은 구조로 전지케이스에 작창하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 각각 각각 20 개의 제조된 전지들을 대상으로, 1.5 m의 높이에서 전지의 전극리드 돌출 방향으로 전지 낙하 실험을 50 회 반복하여 수행한 후, 단락 여부를 확인하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure 112006042487410-PAT00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들은 전면 낙하 실험에서 20 개 전지 모두에서 단락이 유발되지 않았다. 즉, 전지케이스 내면 상단과 전극조립체 사이에 빈 공간이 존재하지 않음으로써, 전지의 낙하시 전극조립체의 이동에 의한 단락이 유발되지 않았다. 반면에, 비교예 1의 전지들은 다수의 전지들에서 단락이 확인되었다.
또한, 전지의 용량 측면에서, 동일한 크기의 전지케이스를 사용하였을 때, 실시예 1의 전지는 비교예 1의 전지와 비교하여 활물질이 도포되는 전극판의 크기를 대략 10% 정도 증가시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 따라서, 그 만큼 전지의 용량을 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 낙하 또는 외부충격 인가시 전극조립체의 이동으로 인한 내부 단락을 방지함으로써, 안전성을 한층 더 향상시킬 수 있고, 전지케이스의 내부 공간을 최대한 활용하여 동일 규격 대비 높은 용량을 가지는 장점이 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (8)

  1. 분리막이 개재된 상태로 다수의 전극 판들을 적층하고 이들의 전극 탭들을 상호 연결하는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극 탭들의 상호 연결부가 전지케이스의 내면 하단에 위치하도록 전극조립체가 도립되어 설치되어 있고, 전극조립체가 도립된 상태에서 하나 또는 둘 이상의 전극 판에 형성되어 있는 상단 전극 탭을 통해 전지케이스 상단의 전극리드에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상단 전극 탭은 전극조립체를 구성하는 다수의 전극 판들 중 하나의 양극 판 및 음극 판에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 도립된 상태에서 전극조립체의 하단 전극 탭들을 초음파 융착에 의해 전기적으로 연결하고 절연성 부재로 상기 전극 탭 연결부위를 도포한 후, 전극조립체의 하단면에 밀착되도록 절곡하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 절연성 부재로서의 절연성 필름으로 전극 탭 연결부위를 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 시트는 알루미늄 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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