KR20080057629A - 전극조립체와 그를 이용한 원통형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극조립체와 그를 이용한 원통형 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최외각에 위치하는 전극탭의 극판에 대한 결합 강도가 강화되는 전극조립체 및 그를 이용하는 원통형 이차전지에 관한 것이다.

본 발명은 원통형의 캔과, 상기 캔의 내면으로부터 음극판, 세퍼레이터, 양극판의 순서가 되도록 권취되어 상기 캔의 내측에 수용되고 중앙의 양극판과 최외각의 음극판에 제1 전극탭과 제2 전극탭이 각각 결합되며 최외각의 음극판에 상기 제2 전극탭의 결합 부분을 지지하는 상태의 실링테이프가 부착되는 전극 조립체와, 상기 캔의 개방 측을 밀폐하는 캡 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지를 제공한다.

이차전지, 전극조립체, 원통형, 실링테이프

Description

전극조립체와 그를 이용한 원통형 이차전지{Electorde assembly and cylinder type secondary battery using the same}

도 1은 본 발명에 따른 전극조립체의 일 실시예를 보인 사시도

도 2는 도 1의 실시예에 따른 전극조립체의 단면도

도 3은 본 발명에 따른 전극조립체의 다른 실시예를 보인 단면도

도 4는 도 1과 도 2의 실시예에 따른 전극조립체가 적용된 원통형 이차전지를 보인 단면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 이차전지 100 : 전극조립체

110 : 극판권취롤 112: 양극판

114 : 음극판 116 : 세퍼레이터

120 : 제1 전극탭 130 : 제2 전극탭

140 : 실링테이프 200 : 원통형 캔

210 : 비딩부 220 : 크리핑부

300 : 캡 조립체 310 : 안전벤트

320 : 인쇄회로기판 330: 양성온도소자

340 : 전극캡 350 : 절연가스켓

본 발명은 전극조립체와 그를 이용한 원통형 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최외각에 위치하는 전극탭의 극판에 대한 결합 강도가 강화되는 전극조립체 및 그를 이용하는 원통형 이차전지에 관한 것이다.

일반적으로 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 이러한 이차전지로는 현재 니켈수소(Ni-MH) 전지와 리튬 전지 등이 널리 사용되고 있다. 이와 같은 이차전지는 휴대폰, 노트북 컴퓨터, PDA 등에 사용되는 핵심부품으로서 휴대용 전자기기의 고성능화와 보급 확대 등에 힘입어 소형 이차전지 시장이 발전하고 있는 추세이다.

그리고, 이와 같은 이차전지는 전극 조립체를 수용하고 있는 캔의 외관에 따라서 원통형 알루미늄 캔을 사용하는 원통형 전지, 각형의 알루미늄 캔을 사용하는 각형 전지, 그리고 박판의 파우치 캔을 사용하는 파우치형 전지로 구분할 수 있다.

상기 원통형 이차전지의 구성에 대해 간략하게 설명하면, 원통형 이차전지는 재충전 가능한 전극조립체와, 일측이 개방되어 상기 전극조립체를 수용하는 원통형 캔, 그리고 상기 원통형 캔의 개방된 일측을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 전극조립체는 상기 원통형 캔에 대한 수납을 위해 그 횡단면의 형상이 원형으로 이루어진다.

상기 원통형 전극조립체의 구성을 간략하게 설명하면, 양극판과 음극판이 세 퍼레이터를 개재한 상태로 권취되며, 여기서 전극조립체는 그 최외각을 기준으로 양극판, 세퍼레이터, 음극판의 순서로 권취된다. 이에 따라, 통상 원통형 캔이 음극을 형성하는 원통형 이차전지의 특성상, 상기 양극판과 원통형 캔 간의 내부 단락을 방지하기 위해 전극조립체의 최외각에 마감용 세퍼레이터 및 절연테이프가 추가로 권취된다.

그러나, 상기한 종래의 전극조립체는 극판에 대한 전극탭의 결합을 용접 강도에만 의존하는 형태이고, 이에 따라 이차전지의 사용 과정에서 전극탭의 극판에 대한 용접 상태가 불량해질 가능성이 크다.

즉, 원통형 이차전지는 각형 이차전지에 비해 고용량이며, 따라서 원통형 이차전지는 전력 소모가 많은 전동공구 등에 널리 활용된다. 이러한 이유로 원통형 이차전지가 전동 공구의 전원 공급에 사용될 경우, 원통형 이차전지는 그 사용 과정에서 전동공구의 작동에 의해 상당한 진동을 받게 되며, 더욱이 원통형 이차전지는 원통형 캔의 내측에 원통형 전극 조립체가 수용되는 것이므로, 그 진동 과정에서 전극조립체가 캔의 내부에서 회전할 위험이 크다.

그리고, 이와 같이 이차전지에 가해지는 진동은 전극조립체에 전달되며, 따라서 전극조립체의 극판과 전극탭 간의 용접 부분에 외력이 작용하게 된다. 이와 같은 결과로써, 전극조립체의 극판과 전극탭의 용접 부분에 균열이 발생되어 전극탭의 리드 기능이 정상적으로 이루어지지 못하거나, 심한 경우 극판으로부터 전극탭이 분리되어 이차전지의 내부 회로가 끊어질 수 있다. 또한, 분리된 전극탭의 유동으로 인해 원통형 캔과 내부 단락을 일으킬 위험성이 매우 크다.

예를 들면, 원통형 이차전지는 전동공구에 사용되는 것과 유사한 환경을 조성하여 전극조립체의 극판과 전극탭의 고정 상태 등을 테스트하기 위해 드럼 테스트의 과정을 거치게 된다. 그리고, 최근에 드럼 테스트의 시간이 기존의 30분에서 150분으로 늘어나고, 전극탭을 통해 흐르는 전류량이 증가하는 것 등 여러 이유로 인해 전극탭의 두께가 0.1t에서 0.15t로 두꺼워 졌다. 이에 따라, 전극탭의 극판에 대한 용접 강도가 약화되는 결과가 초래되며, 그 결과 드럼 테스트 과정에서 전극 조립체의 극판과 전극탭 간의 용접 부분에 상술한 바와 같이 균열 발생 내지는 극판에서 전극 탭이 분리되는 현상이 발생하고 있다. 이는 상술한 바와 같이 이차전지의 구조적인 안전성이 취약함을 나타내는 것이라 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 최외각에 위치하는 전극탭과 극판의 물리적인 결합력이 극대화될 수 있는 전극조립체를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 최외각의 전극탭과 극판의 물리적인 결합력이 커, 사용 과정에서 전극탭과 극판이 양호한 결합 상태를 장기간 유지할 수 있도록 하는 원통형 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 원통형 이차전지의 전극조립체에 사용되는 재료의 량을 줄일 수 있고, 그 결과 원통형 이차전지의 생산비용이 절감될 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 최외각으로부터 중심 방향으로 음극판, 세퍼레이터, 양극판의 순서로써 권취되는 극판권취롤과, 상기 권취된 양극판 중 상기 극판권취롤의 중앙에 위치하는 일면에 결합되는 제1 전극탭과, 상기 권취된 음극판 중 상기 극판권취롤의 최외각에 위치한 일면에 결합되는 제2 전극탭과, 상기 극판권취롤의 최외각을 감싸도록 부착되어 상기 음극판에 대한 제2 전극탭의 결합 부분을 지지하는 실링테이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극조립체를 제공한다.

상기 실링테이프는, 상기 극판권취롤의 최외각에 위치하는 면 전체를 감싸는 것이거나, 상기 제2 전극탭 및 상기 양극판의 최외각에 권취된 단부를 포함하여 상기 극판권취롤의 최외각에 위치하는 면 일부를 감싸는 것일 수 있다.

상기 제2 전극탭은 상기 양극판에 초음파 용접을 통해 결합되며, 상기 양극판에 대한 상기 제2 전극탭의 초음파 용접 부분이 상기 실링테이프에 의해 감싸여 지지되는 것일 수 있다.

상기 실링테이프는 절연 소재로 이루어지는 것일 수 있다.

상기 실링테이프는 상기 극판권취롤에 극판권취롤의 상면 이상되는 높이로 부착되는 것일 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따라, 원통형의 캔과, 상기 캔의 내면으로부터 음극판, 세퍼레이터, 양극판의 순서가 되도록 권취되어 상기 캔의 내측에 수용되고 중앙의 양극판과 최외각의 음극판에 제1 전극탭과 제2 전극탭이 각각 결합되며 최외각의 음극판에 상기 제2 전극탭의 결합 부분을 지지하는 상태의 실링테이프 가 부착되는 전극 조립체와, 상기 캔의 개방 측을 밀폐하는 캡 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전극조립체의 일 실시예를 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 실시예에 따른 전극조립체의 단면도이다. 도 3은 본 발명에 따른 전극조립체의 다른 실시예를 보인 단면도이다. 그리고, 도 4는 도 1과 도 2의 실시예에 따른 전극조립체가 적용된 원통형 이차전지를 보인 단면도이다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체(100)는 극판권취롤(110), 제1 전극탭(120), 제2 전극탭(130), 실링테이프(140)를 포함하여 이루어진다.

극판권취롤(110)은 최외각을 기준으로 음극판(114), 세퍼레이터(116), 양극판(112)의 순서가 되도록 권취된다.

양극판(112)은 본 실시예의 도면에서는 단순한 판 형태로 도시하였지만, 이와 같은 양극판(112)의 구성에 대해 간략하게 설명하면, 양극판(112)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극집전체와, 이러한 양극집전체의 양면에 코팅된 양극활물질층을 포함하고 있다. 그리고, 이와 같은 양극판의 양단에는 양극활물질층이 형성되지 않은 영역, 즉 양극무지부가 형성된다.

음극판(114) 역시 본 실시예의 도면에서는 단순한 판 형태로 도시하였지만, 이와 같은 음극판(114)의 구성에 대해 간략하게 설명하면, 전도성 금속 박판, 예를 들면 구리(Cu)나 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극집전체와, 이러한 음극집전체의 양면에 코팅된 음극활물질층을 포함하고 있다. 이와 같은 음극판의 양단에는 음극활물질층이 형성되지 않은 영역, 즉 음극 무지부가 형성된다.

그리고, 이와 같은 양극판(112)과 음극판(114)의 사이에 세퍼레이터(116)가 개재된다.

그리고,이와 같은 극판권취롤(110)의 중앙에 위치하도록 제1 전극탭(120)이 양극판(112)의 일면에 부착되고, 또한 극판권취롤(110)의 최외각에 위치하도록 제2 전극탭(130)이 음극판(114)의 일면에 부착된다. 그리고, 이와 같은 제1 및 제2 전극탭(120)(130)은 음극판(114)과 양극판(112)에 각각 용접을 통해 결합된다. 여기서 용접 방식으로 통상 초음파 용접이 사용된다.

실링테이프(140)는 극판권취롤(110)의 최외각 면을 감싸며, 이와 같은 실링테이프(140)는 극판권취롤(110)의 풀림을 방지하는 기능, 그리고 극판권취롤(110)의 최외각에 위치한 제2 전극탭(130)을 음극판(114)에 보다 강한 물리적 강도로 결합하는 기능 등을 가진다. 다시 말해, 제2 전극탭(130)은 음극판(114)에 용접을 통해 1차적으로 결합되고, 이에 더해 실링테이프(140)의 접착력에 의해 2차적으로 결합된다.

또한, 이와 같은 실링테이프(140)는 극판권취롤(110)의 최외각 전체를 감싸는 형태로 이루어질 수 있고, 여기서 실링테이프(140)는 절연 소재로 이루어져, 음극판(114)이나 그에 부착되는 제2 전극탭(130)이 전지의 내부에서 양극과 단락되는 현상을 방지할 수 있도록 함이 바람직하다. 이에 더하여, 실링테이프(140)는 극판권취롤(110)의 상면 이상되는 높이로 형성되어, 상기와 같이 음극판(114)이나 제2 전극탭(130)이 전지 내부에서 양극과 접촉하여 단락되는 현상을 더욱 잘 방지할 수 있도록 함이 바람직하다.

그리고, 실링테이프(240)는 도 3에 도시된 바와 같이, 극판권취롤(110)의 최외각 중 음극판(114)의 단부 및 제2 전극탭(130)을 가릴 수 있는 상태로 일부 구간만을 감싸도록 이루어질 수 있다. 이와 같이 구성하면, 상기 실링테이프(240)로 극판권취롤(110)의 최외각 전체를 감싸는 것과 비교하여, 실링의 기능의 약해질 수 있지만, 실링테이프(240)에 소요되는 재료의 량을 현저히 줄일 수 있다.

도 4는 도 1과 도 2의 실시예에 따른 전극조립체가 적용된 원통형 이차전지를 보인 단면도로서, 도시된 바와 같이, 원통형 이차전지(1)는 상기 구성의 전극조립체(100), 상기 전극조립체(100)의 수용을 위해 일측이 개방된 원통형 캔(200), 상기 원통형 캔(200)의 개방된 일측을 밀봉하는 캡 조립체(300)를 포함하여 이루어진다.

전극조립체(1)의 구성에 대해서는 도 1과 도 2의 실시예에서 상세히 설명한바, 구체적인 설명은 생략한다.

원통형 캔(200)은 전극조립체(100)가 수용될 수 있도록 소정 공간을 갖는 형태이다. 이와 같은 원통형 캔(200)의 구성을 구분해서 설명하면, 원통형 캔(200)은 일정 직경을 갖는 원통면이 형성되어 있고, 상기 원통면의 하부에는 그 원통면의 하부 공간을 막은 하면이 형성되어 있으며, 상기 원통면의 상부는 전극 조립 체(100)를 삽입하기 위하여 개구(開口)되어 있다. 한편, 원통형 캔(200)의 하면 중앙에 전극조립체(100)의 제2 전극탭(130)이 결합됨으로써, 원통형 캔(200) 자체는 음극판(114)과 동일한 전극, 다시 말해 음극 단자의 역할을 수행하게 된다. 또한, 원통형 캔(200)은 일반적으로 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성된다. 더불어 원통형 캔(200) 상부에서 캡 조립체(300)를 압박하도록 한쪽으로 휘어진 크림핑(crimping)부(330)가 형성되고, 하부에서 상부 방향으로 캡 조립체(400)를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(beading)부(340)가 더 형성되어 있다.

상기 캡 조립체(300)는 제1 전극탭(120)이 용접된 동시에, 과충전 또는 이상 발열시 형태가 반전되는 도전성 안전 벤트(310)와, 상기 도전성 안전 벤트(310) 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어, 상기 안전 벤트(310)의 반전시 회로가 끊어지는 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit board, 320)과, 상기 인쇄 회로 기판(320) 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 소정 온도 이상에서 회로가 끊어지는 양성 온도 소자(PTC 소자: 330)와, 상기 양성 온도 소자(330)의 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 실제의 전류를 외부로 인가하는 도전성 전극 캡(340)과, 상기 안전 벤트(310), 인쇄 회로 기판(320), 양성 온도 소자(330) 및 전극 캡(340)의 측부 둘레를 감싸는 형태를 하며 상기 원통형 캔(200)으로부터 상기 나열한 것들을 절연시키는 절연가스켓(350)으로 이루어진다. 이때, 전극 캡(340)은 전극조립체(100)의 제1 전극탭(120)이 접합되어 양극 단자의 역할을 수행한다.

그리고, 캡 조립체(300)에 의해 밀봉되는 원통형 캔(200)의 내측에 전해액이 채워지는 것으로서, 상기 전해액은 충ㆍ방전시 전지 내부의 양극 및 음극에서 전기 화학적 반응에 의하여 생성되는 리튬 이온(Li Ion)의 이동 매체 역할을 하며, 이는 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 상기 전해액 물질의 종류를 한정하는 것은 아니다.

또한, 상기 권취형 전극조립체(100)의 중앙 공간에 권심부재가 삽입되는 것으로서, 이와 같은 권심부재는 권취형인 전극조립체(100)가 이완되어 풀리는 것을 방지하며, 외압에 의한 권취형 전극조립체(100)의 변형을 방지하는 역할도 수행한다.

그리고, 도 4에 도시되고 있는 캡 조립체의 구성은 본 발명의 하나의 실시예에 해당하는 것으로서, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 물론이다. 예를 들면, 캡 조립체는 전동 공구용 원통형 이차전지에 적용되는 PTC 소자가 없는 형태 등 다양한 형태로 변형 실시될 수 있다.

상기한 구성에 의해서, 전극조립체는 최외각에 음극판과 음극탭인 제2 전극탭을 결합한 상태에서 원통형 캔에 수용되는 것이므로, 이차전지의 음극을 형성하는 원통형 캔과 전극조립체의 최외각이 접촉하더라도 전기적인 단락은 발생하지 않는다. 이에 따라, 원통형 캔과 전극조립체의 전기적인 단락을 방지하기 위해 전극조립체의 최외각에 설치했던 세퍼레이터를 생략할 수 있으므로, 전극조립체의 제작에 들어가는 재료의 량 및 비용을 줄일 수 있다.

또한, 이와 같이 세퍼레이터가 생략됨에 따라, 실링테이프가 전극조립체의 최외각 권취면에 직접 부착되면서 음극의 제2전극탭을 지지하게 되고, 이와 같은 실링테이프의 지지 작용에 의해 제2 전극탭의 음극판에 대한 물리적인 결합력이 크게 향상될 수 있다. 이러한 결과, 이차전지에 진동이 가해지는 현상이 발생하더라도, 전극조립체의 최외각에 제1 전극탭이 견고하게 고정된 상태를 유지하면서 전극 조립체와 외부 회로 간의 도전 통로의 기능이 정상적으로 유지될 수 있다.

상기한 실시예들을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체와 그를 이용한 원통형 이차전지에 의해서, 원통형 이차전지에 사용되는 전극조립체가 최외각 전극탭의 극판에 대한 물리적인 결합력을 크게 향상할 수 있어, 최외각 전극탭의 극판에 대한 결합 상태가 불안정해지면서 발생하는 전지의 내부단락이나 전극탭의 불안정한 리드 상태 등을 방지할 수 있다. 다시 말해, 원통형 이차전지의 구조적인 안전성이 크게 향상되는 효과가 있다.

또한, 원통형 이차전지에 사용되는 전극조립체가 최외각의 세퍼레이터를 필요로 하지 않음에 따라, 전극조립체의 제작에 소요되는 재료의 량 및 비용을 절감할 수 있고, 이는 이차전지의 생산비용을 절감하는 효과로 나타나게 된다.

Claims (7)

1. 최외각으로부터 중심 방향으로 음극판, 세퍼레이터, 양극판의 순서로써 권취되는 극판권취롤;

   상기 권취된 양극판 중 상기 극판권취롤의 중앙에 위치하는 일면에 결합되는 제1 전극탭;

   상기 권취된 음극판 중 상기 극판권취롤의 최외각에 위치한 일면에 결합되는 제2 전극탭;

   상기 극판권취롤의 최외각을 감싸도록 부착되어 상기 음극판에 대한 제2 전극탭의 결합 부분을 지지하는 실링테이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극조립체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 실링테이프는, 상기 극판권취롤의 최외각에 위치하는 면 전체를 감싸는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극조립체.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 실링테이프는, 상기 제2 전극탭 및 상기 양극판의 최외각에 권취된 단부를 포함하여 상기 극판권취롤의 최외각에 위치하는 면 일부를 감싸는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극조립체.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 전극탭은 상기 음극판에 초음파 용접을 통해 결합되며, 상기 음극판에 대한 상기 제2 전극탭의 초음파 용접 부분이 상기 실링테이프에 의해 감싸여 지지되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극 조립체.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 실링테이프는 절연 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극조립체.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 실링테이프는 상기 극판권취롤에 극판권취롤의 상면 이상되는 높이로 부착되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 전극조립체.
7. 원통형의 캔;

   상기 캔의 내면으로부터 음극판, 세퍼레이터, 양극판의 순서가 되도록 권취되어 상기 캔의 내측에 수용되고, 중앙의 양극판과 최외각의 음극판에 제1 전극탭과 제2 전극탭이 각각 결합되며, 최외각의 음극판에 상기 제2 전극탭의 결합 부분을 지지하는 상태의 실링테이프가 부착되는 전극 조립체;

   상기 캔의 개방 측을 밀폐하는 캡 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 원 통형 이차전지.

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