KR20080047165A - 전극 조립체 및 이를 구비하는 이차전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 구비하는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일면 또는 양면에 양극활물질이 도포된 양극집전체와 상기 양극집전체에 일측 방향으로 돌출되도록 3개 이상의 양극탭들이 부착된 양극판; 일면 또는 양면에 음극활물질이 도포된 음극집전체와 상기 음극집전체에 일측 방향으로 돌출되도록 3개 이상의 음극탭들이 부착된 음극판; 및 상기 양극판과 음극판 사이에 배치된 세퍼레이터들을 구비하여 젤리롤 형태로 감겨진 전극 조립체로서, 상기 양극탭들 및 음극탭들은 각각 독립적으로 전극 조립체의 중심으로부터 바깥 방향으로 동일 축 상에 일렬로 배치되면서, 상기 돌출된 양극탭들의 길이 및 음극탭들의 길이는 각각 독립적으로 커지거나 작아지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 구비하는 이차전지에 관한 것이다.
이차전지, 전극 조립체, 젤리롤, 양극판, 양극탭, 음극판, 음극탭

Description

전극 조립체 및 이를 구비하는 이차전지 {ELECTRODE ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
도 1은 종래 기술에 따른 젤리롤 형태의 전극 조립체의 일예를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 전극 조립체에 사용되는 양극판 및 음극판을 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 젤리롤 형태의 전극 조립체의 일예를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 젤리롤 형태의 전극 조립체를 구비하는 이차전지의 일예를 나타낸 사시도이다.
본 발명은 젤리롤 형태의 전극 조립체 및 이를 구비하는 이차전지에 관한 것이다.
근래 전기제품의 경량화, 소형화에 따라 높은 에너지밀도를 갖는 전력원의 요구가 증대되었고, 이러한 추세와 더불어 환경오염에 대한 관심이 증가하면서 전 기 자동차(Electric Vehicle) 및 하이브리드(Hydrid) 전기 자동차의 개발이 크게 요구되어왔다. 이러한 요구에 따라, 고에너지 밀도를 갖는 이차전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이때 사용되는 전력원으로 리튬 이차전지는 높은 에너지와 파워를 갖는 에너지 저장 장치로서 다른 전지에 비해 용량이나 작동 전압이 높다는 우수한 장점을 가지고 있다.
이러한 이차전지는 원통형, 각형, 파우치형 등 여러 가지 형상으로 제조되고 있다. 그리고, 이러한 이차전지에 채용되는 전극조립체로는, 집전체에 활물질을 도포하고 이를 건조시킨 후 롤프레싱 및 절단하여 형성한 양극판 및 음극판 사이에 세퍼레이터를 삽입하여 감은 즉, 권취시킨 젤리롤 형태의 전극 조립체가 있다.
일반적으로, 원통형 전지에서는 젤리롤 형태의 전극 조립체를 원형으로 권취한 후 전지 케이스에 수납하게 되며, 각형 또는 파우치형 전지에서는 젤리롤 형태의 전극 조립체를 타원형으로 권취한 다음 압박하여 평평하게 한 후 전지 케이스에 수납하게 된다.
종래 기술에 따른 이차전지의 전극 조립체는 도 1에 나타낸 바와 같이, 동일 길이의 다수의 양극탭이 부착된 양극판 및 동일 길이의 다수의 음극탭이 부착된 음극판 사이에 세퍼레이터를 삽입하고 권취시키며, 상기 양극판에 부착된 양극탭들은 권취 중심으로부터 일렬로 상부 방향으로 배열되며, 상기 음극판에 부착된 음극탭들은 젤리롤 형태의 권취 중심으로부터 일렬로 하부 방향으로 배열된 전극 조립체가 일반적이다. 또한, 상부 방향으로 배열된 양극탭들은 양극 리이드와 결합되어 전지의 캡 조립체와 전기적으로 연결된다. 그리고, 하부 방향으로 배열된 음극탭들은 음극 리이드와 결합되어 전지 캔과 전기적으로 연결된다.
그러나, 이와 같은 전기적 연결을 하기 위해서는 동일 길이의 다수의 양극탭들 및 음극탭들을 일체로 각각 접합하고, 이들을 각각 양극 리이드 및 음극 리이드와 용접 등으로 연결하여야 하지만, 상기 양극탭들 및 음극탭들을 각각 접합하는 과정과 이들을 용접 등으로 연결하는 과정이 어렵고, 접합된 동일 길이의 다수의 양극탭들 및 음극탭들은 저항값이 크다는 단점이 있다.
본 발명은 양극탭들 및 음극탭들을 일체로 각각 접합하고, 이들을 리이드나 전지 케이스 상의 전극 단자와 연결하기 위한 용접 과정이 용이하며, 이를 구비한 이차전지의 조립작업이 용이하고, 부피를 줄일 수 있는 전극 조립체를 제공하고자 한다. 또한, 상기 전극 조립체를 구비한 이차전지를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전극 조립체는,
일면 또는 양면에 양극활물질이 도포된 양극집전체와 상기 양극집전체에 일측 방향으로 돌출되도록 3개 이상의 양극탭들이 부착된 양극판; 일면 또는 양면에 음극활물질이 도포된 음극집전체와 상기 음극집전체에 일측 방향으로 돌출되도록 3개 이상의 음극탭들이 부착된 음극판; 및 상기 양극판과 음극판 사이에 배치된 세퍼레이터들을 구비하여 젤리롤 형태로 감겨진 전극 조립체로서,
상기 양극탭들 및 음극탭들은 각각 독립적으로 전극 조립체의 중심으로부터 바깥 방향으로 동일 축 상에 일렬로 배치되면서, 상기 돌출된 양극탭들의 길이 및 음극탭들의 길이는 각각 독립적으로 커지거나 작아지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 이차전지는 전지 케이스 내에 상기 전극 조립체를 수용한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전극 조립체의 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 전극 조립체에 사용되는 양극판, 음극판을 도시한 것이다.
양극판은 일면 또는 양면에 양극활물질(10)이 도포된 양극집전체(20)와 상기 양극집전체에 일측 방향으로 돌출되도록 3개 이상의 양극탭들(30)이 부착되어 있으며, 음극판은 일면 또는 양면에 음극활물질(40)이 도포된 음극집전체(50)와 상기 음극집전체에 일측 방향으로 돌출되도록 3개 이상의 음극탭들(60)이 부착되어 있다.
또한, 상기 돌출된 양극탭들의 길이 및 음극탭들의 길이는 각각 독립적으로 커지거나 작아지도록 부착된다.
양극활물질로는 Ni, Co, Mn, Ti, Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속과 리튬을 포함하는 리튬 금속산화물이 사용될 수 있다. 리튬 금속산화물의 비제한적인 예로는, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0＜a＜1, 0＜b＜1, 0＜c＜1, a+b+c=1), LiNi1-YCoYO2, LiCo1-YMnYO2, LiNi1-YMnYO2 (여기에서, 0≤Y＜1), Li(NiaCobMnc)O4(0＜a＜2, 0＜b＜2, 0＜c＜2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4, LiMn2- zCozO4(여기에서, 0＜Z＜2), LiCoPO4, LiFePO4 등이 있다.
음극활물질로는 리튬이온을 흡장 및 방출할 수 있는 탄소재, 리튬 금속 또는 이의 합금이 사용 가능하며, 기타 리튬을 흡장 및 방출할 수 있고, 리튬에 대한 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2 등과 같은 금속 산화물을 사용할 수 있다. 특히, 흑연, 탄소섬유(carbon fiber), 활성카본 등의 탄소재가 바람직하다.
양극집전체 및 음극집전체는 각각 전도성이 높은 금속으로, 상기 전극활물질을 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 대표적인 예로, 알루미늄, 구리, 금, 니켈, 또는 이들의 합금, 또는 이들의 조합에 의해서 제조되는 스트립 형상의 박판이 있으며, 양극집전체로는 알루미늄박판을 음극집전체로는 구리박판을 사용할 수 있다.
양극탭 및 음극탭은 통상적으로 사용하는 것이라면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 비제한적인 예로, 양극탭은 일정한 폭을 가진 알루미늄 또는 알루미늄 합금을, 음극탭은 일정한 폭을 가진 니켈 또는 니켈 합금을 사용할 수 있다. 양극탭 및 음극탭을 각각 양극집전체와 음극집전체에 부착하는 것은 용접 등에 의하여 부착할 수 있고, 용접 부분은 활물질이 존재하지 않는 부분이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 전극 조립체(100)의 일예를 도시한 것이다.
상기 양극판과 음극판 사이를 절연시키도록 세퍼레이터들이 배치되고, 예를 들면 양극판, 세퍼레이터, 음극판, 세퍼레이터과 같이 차례로 배치되고, 젤리롤 형태으로 감겨져 본 발명의 전극 조립체가 형성된다.
사용 가능한 세퍼레이터는 특별한 제한이 없으나, 다공성 세퍼레이터를 사용하는 것이 바람직하며, 비제한적인 예로는 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 또는 폴리올레핀계 다공성 세퍼레이터 등이 있다.
본 발명에 따른 젤리롤 형태의 전극 조립체에서, 상기 양극탭들(30) 및 음극탭들(60)은 각각 독립적으로 전극 조립체의 중심으로부터 바깥 방향으로 동일 축 상에 일렬로 배치된다. 상기 돌출된 양극탭들의 길이 및 음극탭들의 길이는 각각 독립적으로 전극 조립체의 중심으로부터 바깥 방향으로 커지거나 작아지도록 배치된다. 이와 같이 배치 될 경우, 전지 캡 또는 전지 캔과 같은 전지를 구성하는 부품의 동일 위치에 여러 개의 탭을 동시에 용접하기가 용이해져 생산성 및 수율이 증가될 수 있다. 본 발명과 달리 여러 개의 탭의 길이가 같은 경우, 탭을 구부려서 동일 위치에 용접하기가 매우 어려우며, 이에 따라 생산성이 떨어지며, 경우에 따라서는 음극과 양극의 단락으로 인하여 불량이 발생하거나 충전 중 안전성의 위험이 나타날 수 있다.
도 3에서는, 전극 조립체의 상부로 돌출된 양극탭들(30)의 길이는 젤리롤 형태의 전극 조립체 권취 중심으로부터 바깥 방향으로 점차 커지고 있고, 하부로 돌출된 음극탭들(60)의 길이도 젤리롤 형태의 전극 조립체 권취 중심으로부터 바깥 방향으로 점차 커지고 있다.
그리고, 양극탭들과 음극탭들은 서로 반대 방향으로 돌출되도록 배치된 것이 바람직하다. 일예로, 양극탭들은 상부 방향으로 돌출되고 음극탭들은 하부 방향으로 돌출될 수 있는데, 이는 양극탭과 음극탭의 통전에 의한 단락을 방지하며, 전지 케이스 상의 전극 단자와의 전기적 연결을 용이하게 하기 위함이다.
또한, 양극탭들이 일렬로 배치된 축과 음극탭들이 일렬로 배치된 축이 이루는 각은 180°일 수 있다. 일예로, 양극탭들과 음극탭들이 모두 젤리롤 형태의 전극 조립체의 상부 방향으로 부착된 경우, 통전에 의한 단락을 방지하기 위해 양극탭들이 일렬로 배치된 축과 음극탭들이 일렬로 배치된 축이 이루는 각은 0°가 아닌 것이 바람직하고, 180°인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 전극 조립체에서, 상기 양극탭들은 양극탭들의 돌출된 끝이 동일 선상에 위치하도록 서로 접합되며, 상기 음극탭들은 음극탭들의 돌출된 끝이 동일 선상에 위치하도록 서로 접합될 수 있다. 접합은 용접이나 기타 전도성, 비전도성 부재로 묶어서 이루어질 수 있다. 접합된 모양은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 각진 형태나 유선형 등이 될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 전극 조립체를 구비하는 이차전지의 일예, 즉캔형 전지를 도시한 것이다.
구체적으로 본 발명의 캔형 이차전지는 상기 전극 조립체(100)가 전지 케이스 내에 수납되며,
상기 전지 케이스는 상기 전극 조립체(100)가 수납되면서 일측에 개구부가 형성된 전지 캔(70); 및
상기 전지 캔(70)의 개구부를 밀봉하는 전지 캡 조립체(80)를 구비하여 이루어질 수 있다.
전극 조립체에서 상기 양극탭들(30)은 양극탭들의 돌출된 끝이 동일 선상에 위치하도록 서로 접합되어 양극 리이드(도시하지 않음) 또는 전지 케이스 상의 양극 단자(전지 캡)와 연결되고, 상기 음극탭들(60)은 음극탭들의 돌출된 끝이 동일 선상에 위치하도록 서로 접합되어 음극 리이드(도시하지 않음) 또는 전지 케이스 상의 음극 단자(전지 캔(70))과 연결될 수 있다. 여러 개의 탭 말단부가 동일선상에 위치하지 않은 경우, 음극과 양극의 단락으로 인하여 불량이 발생하거나 충전 중 안전성의 위험이 나타날 수 있어 보다 세심한 작업이 필요하며, 이 경우 생산성 및 수율이 감소하게 될 수 있다.
양극탭들이 양극 리이드와 연결되면 양극 리이드는 다시 전극 단자 역할을 하는 전지 케이스 상의 양극 단자인 전지 캡과 연결되며, 음극 리이드도 또다른 전극 단자 역할을 하는 전지 케이스 상의 음극 단자인 전지 캔과 연결될 수 있다. 상기 각각의 연결은 용접 등으로 이루어질 수 있다.
이때, 전지 캔의 개구부는 전지 캡 조립체와 용접 등으로 밀봉될 수 있다.
도 3 및 도 4에서는, 전극판 및 세퍼레이터가 젤리롤 형태로 감겨진 상태와 전극탭들의 연결을 명확하게 도시하기 위하여 이들을 다소 과장된 두께를 갖는 것으로 도시되었으나, 서로에 대하여 무리하게 굽히지 아니하고도 이들을 용이하게 고정시킬 수 있는 정도의 얇은 두께를 갖는다.
또한, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 양극탭들 및 음극탭들이 일체로 각각 접합되기 쉽고, 따라서 이들을 리이드나 전지 케이스 상의 전극 단자와 결합하기 위한 용접 과정이 용이해진다. 또한, 양극탭들과 음극탭들을 각각 일체로 전지 케이스 상의 전극 단자와 전기적으로 연결하기 위해 전극 조립체의 외면에 양극리드 및 음극리드를 설치하지 않아도 되므로, 본 발명의 전극 조립체를 구비한 이차전지는 조립작업이 용이하고, 부피를 줄일 수 있다.

Claims (6)

  1. 일면 또는 양면에 양극활물질이 도포된 양극집전체와 상기 양극집전체에 일측 방향으로 돌출되도록 3개 이상의 양극탭들이 부착된 양극판; 일면 또는 양면에 음극활물질이 도포된 음극집전체와 상기 음극집전체에 일측 방향으로 돌출되도록 3개 이상의 음극탭들이 부착된 음극판; 및 상기 양극판과 음극판 사이에 배치된 세퍼레이터들을 구비하여 젤리롤 형태로 감겨진 전극 조립체로서,
    상기 양극탭들 및 음극탭들은 각각 독립적으로 전극 조립체의 중심으로부터 바깥 방향으로 동일 축 상에 일렬로 배치되면서, 상기 돌출된 양극탭들의 길이 및 음극탭들의 길이는 각각 독립적으로 커지거나 작아지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양극탭들과 음극탭들은 서로 반대 방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양극탭들이 일렬로 배치된 축과 음극탭들이 일렬로 배치된 축이 이루는 각은 180°인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양극탭들은 양극탭들의 돌출된 끝이 동일 선상에 위치하도록 서로 접합되며, 상기 음극탭들은 음극탭들의 돌출된 끝이 동일 선상에 위치 하도록 서로 접합된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 전지 케이스 내에 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 전극 조립체를 수용한 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전극 조립체에서 상기 양극탭들은 양극탭들의 돌출된 끝이 동일 선상에 위치하도록 서로 접합되어 양극 리이드 또는 전지 케이스 상의 양극 단자와 연결되고, 상기 음극탭들은 음극탭들의 돌출된 끝이 동일 선상에 위치하도록 서로 접합되어 음극 리이드 또는 전지 케이스 상의 음극 단자와 연결된 것을 특징으로 하는 이차전지.
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