KR20090045388A

KR20090045388A - 이차전지 및 이차전지의 제조방법

Info

Publication number: KR20090045388A
Application number: KR1020097006179A
Authority: KR
Inventors: 기요미 고즈키; 다다시 이마이; 야스시 히라카와; 다카시 노노시타
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-05-07
Also published as: US7976979B2; US20090239139A1; EP2071649A1; US20100304199A1; US8142922B2; CN101517785A; CN101517785B; WO2008035495A1; KR101057954B1

Abstract

양극판(1) 및 음극판(2)의 단부가 다공질 절연층(3)에서 돌출된 상태에서, 양극판(1) 및 음극판(2)이 다공질 절연층(3)을 개재하여 배치된 전극군(4)과, 안쪽에 틈새부(12a)를 갖는 돌출부(12)가 형성된 집전판(10, 11)을 준비하고, 다공질 절연층(3)에서 돌출된 극판 단부(2a)를 집전판(10, 11) 주면에 접촉시키면서 돌출부(12)를 국소적으로 가열함으로써, 극판 단부(2a)와 집전판(10, 11)을 접합하는 것으로, 극판 단부(2a)는 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재에 의하여 집전판(10, 11)에 용접된다.

돌출부, 집전판, 탭리스 구조, 용접, 전극군

Description

이차전지 및 이차전지의 제조방법{SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING SECONDARY BATTERY}

본 발명은, 고출력화를 도모한 이차전지에 관한 것으로, 특히 저저항이며 대전류 방전에 적합한 집전 구조를 갖는 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

근래, 구동용 전원으로서 이용되는 이차전지는, 중요한 키디바이스의 하나로서 그 개발이 진행되고 있다. 그 중에서도, 니켈수소 축전지나 리튬이온 이차전지는, 경량, 소형이며 고 에너지 밀도인 점에서, 휴대전화를 비롯한 민생용 기기에서 전기자동차나 전동공구의 구동용 전원까지 폭 넓게 이용되고 있다. 최근에는 특히, 리튬이온 이차전지가 구동용 전원으로서 주목되어, 고용량화, 고출력화를 향한 개발이 활발해지고 있다.

구동용 전원으로서 이용되는 이차전지는 큰 출력전류가 요구된다. 때문에, 이차전지의 구조, 특히, 집전 구조의 개발이 추가된 이차전지가 제안되었다.

예를 들어, 전극 면적을 확대하기 위하여, 양극판과 음극판을 분리막을 개재하여 감고, 양극판 및 음극판을 집전 탭을 개재하여 집전판에 용접 등으로 접합시 킨 집전 구조가 채용되었다. 그러나, 이와 같은 집전 구조는, 집전 탭의 전기저항이 크고 집전 효율이 나쁘기 때문에, 커다란 출력전류가 요구되는 구동용 전원에 대응하기는 어려웠다.

한편, 양극판 및 음극판을, 전면에 걸쳐 집전판에 접합시킨 탭리스(tabless) 집전 구조는, 전기저항을 작게 할 수 있으므로 대전류 방전에 적합하나, 탭리스 집전을 실행하기 위해서는 양극판 및 음극판 단부를 확실하게 접전판에 접합시킬 필요가 있다.

도 16은, 특허문헌1(일본 특허공개 2006-172780호 공보)에 기재된 집전 구조를 나타낸 도로서, (a)는 집전판(40)의 단면도, (b)는 양극판(또는 음극판)(41)의 단부를 집전판(40)에 접합시킨 상태의 단면도이다.

도 16(a)에 나타낸 바와 같이, 집전판(40) 표면에, 양극판(또는 음극판)(41)의 단부에 대응하는 위치에 홈부(40a)가 형성되며, 이 홈부(40a)에 양극판(또는 음극판)(41)의 단부를 삽입하고, 집전판(40) 중 홈부(40a)를 이루는 부분을 용융시킴으로써, 도 16(b)에 나타낸 바와 같이, 양극판(또는 음극판)(41)의 단부가 집전판(40)에 접합된다.

이와 같은 방법으로 형성된 집전 구조는, 양극판(또는 음극판)(41)의 단부가 집전판(40)과의 접합부(42)에 있어서, 집전판(40)을 이루는 금속으로 매입된 상태에서 용접되므로, 양극판(또는 음극판)(41)의 단부를 확실하게 집전판(40)에 접합할 수 있다.

그러나, 상기 방법에서는 양극판(또는 음극판)(41)의 전극군 배열에 따라, 집전판(40)에 홈부(40a)를 형성해야 하며, 또, 양극판(또는 음극판)(41)의 단부를, 홈부(40a)에 삽입하기 위한 위치조정 기술을 필요로 한다. 그 결과, 제조공정이 복잡해지고, 제조원가가 높아진다는 문제가 있다.

특허문헌2(일본 특허공개 2000-294222호 공보)에는, 이와 같은 위치조정이 필요 없으며, 또 간단한 방법으로 양극판(또는 음극판)(41)의 단부를 집전판(40)에 접합하는 방법이 기재되어 있다.

도 17은, 특허문헌2에 기재된 이차전지의 집전 구조를 나타낸 단면도이다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 양극판(51)과 음극판(52)이 상하 방향으로 어긋한 상태에서, 분리막(53)을 개재하여 감기며, 분리막(53)에서 돌출된 양극판(51) 및 음극판(52)의 단부(51a, 52a)가 집전판(60, 61)에 용접으로 접합된다. 여기서, 양극판(51) 및 음극판(52)의 단부(51a, 52a)는, 감김 축심방향(도면의 상하방향)으로 프레스 가공됨으로써 평탄부가 형성되며, 이 평탄부가 집전판(60, 61)에 용접된다.

이와 같이 형성된 집전 구조는, 양극판(51) 및 음극판(52) 자신으로 형성된 평탄부를 집전판(60, 61)에 접촉시켜 용접하므로, 위치조정을 할 필요가 없으며, 간단한 방법으로 양극판(51) 및 음극판(52)의 단부를 집전판(60, 61)에 접합시킬 수 있다.

그러나, 상기 방법은, 이차전지의 대용량, 소형화를 도모하는 데 있어, 다음과 같은 과제가 있다. 즉, 양극판(51) 또는 음극판(52)을 구성하는 집전체가 박막화되면, 박막 자체에 기계적 강도를 얻을 수 없기 때문에, 양극판(51) 또는 음극판(52)을 눌러도 균일하게 구부러진 평탄부를 형성하기가 어려워진다. 특히, 리튬 이온 이차전지의 양극판(51) 또는 음극판(52)을 구성하는 집전체에는, 알루미늄이나 구리가 이용되므로, 집전체의 두께가 예를 들어, 20㎛ 정도 이하가 되면, 프레스 가공에 의해 평탄부를 형성하기는 매우 어려워진다. 또, 프레스 가공 시, 양극판(51), 음극판(52)의 단부(합제 미도포부)(51a, 52a)에 발생한 변형에 기인하여, 집전체의 합제 도포부(51b, 52b)로부터 합제가 박리되거나 파단되는 문제도 생긴다.

양극판 또는 음극판을 구성하는 집전체가 박막화되어도, 양극판 또는 음극판의 단부를 집전판에 접합하는것이 가능한 기술이 특허문헌3(일본 특허공개 2004-172038호 공보)에 기재되어 있다.

도 18은, 특허문헌3에 기재된 집전판(70)의 구성을 나타낸 사시도이다. 도 18에 나타낸 바와 같이, 평판 형상의 집전판(70) 표면에, 서로 반대방향으로 돌출된 제 1 볼록부(70a) 및 제 2 볼록부(70b)가 형성되며, 양극판(또는 음극판)(80)의 단부를 제 2 볼록부(70b)에 접촉시킨 상태에서 제 1 볼록부(70a)에 에너지를 조사함으로써, 제 1 볼록부(70a), 집전판(70) 본체부의 일부, 및 제 2 볼록부(70b)를 용융시켜, 양극판(또는 음극판)(80)의 단부를 집전판(70)에 접합하도록 한 것이다.

이와 같은 방법으로 형성된 집전 구조는, 양극판(또는 음극판)(80)의 단부를 집전판(70)의 제 2 볼록부(70b)에 접촉시키는 것만으로, 집전판(70) 자신이 용융되어 생성된 용융부재에 의하여 집전판(70)에 접합하는 것이 가능하므로, 양극판(또는 음극판)(80)을 구성하는 집전체가 박막화되어 기계적 강도가 약해져도, 집전체에 부하를 걸지 않고 양극판(또는 음극판)(80)의 단부를 집전판(70)에 접합시킬 수 있다.

[발명의 개시]

[발명이 해결하고자 하는 과제]

특허문헌3에 기재된 방법은, 이차전지의 대용량, 소형화를 도모하기 위하여 양극판 또는 음극판을 구성하는 집전체가 박막화된 경우에도, 확실히 양극판 또는 음극판의 단부를 집전판에 결합시킬 수 있으나, 이 방법을 양산 공정에 적용할 경우 다음과 같은 문제가 있다.

즉, 특허문헌3에 기재된 방법에서는, 용융시켜야 할 제 1 볼록부(70a)와 집전판(70) 본체부의 일부 및 제 2 볼록부(70b)의 체적이 평판형상의 집전판(70) 본체부 체적에 비해 크기 때문에, 예를 들어 제 2 볼록부(70b)까지 용융시키는 과잉 에너지가 조사되면, 제 1 볼록부(70a) 및 제 2 볼록부(70b)에 인접하는 열용량이 작은 집전판(70)까지 용융시켜 버려, 집전판(70) 본체부의 일부까지 녹아 떨어져 버린다. 또, 제 1 볼록부(70a)밖에 용융되지 않는 과소 에너지가 조사되면, 제 2 볼록부(70b)까지 용융되지 못해 용접이 불완전해진다. 또한, 양극판(또는 음극판)(80)이 접촉하지 않는 집전판(70) 부위에서는, 집전판(70)이 용융되어 생성된 용융부재가 흘러들 곳이 없기 때문에, 용융부재 자체의 무게에 의해 집전판(70) 본체부로부터 분리되어 낙하돼 버릴 우려가 있다.

이와 같이, 집전판(70)에 조사해야 할 에너지의 제어가 복잡해지므로, 양산공정에 적용할 경우, 안정되게 양극판(또는 음극판)(80) 단부를 집전판(70)에 결합하기가 어려워진다. 또, 용융부재가 낙하하면, 양극판(또는 음극판)(80)의 합제 도포부 등에 손상을 주어 신뢰성을 저하시키는 요인이 되기도 한다.

본 발명은, 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 주된 목적은 안정된 양극판(또는 음극판)과 집전판과의 접합부를 구비하여, 대전류 방전에 적합한 집전 구조를 갖는 이차전지를 제공하는 것이다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

본원 발명자들은, 특허문헌3에 기재된 방법에 있어서 집전판(제 1 볼록부)에 조사해야 할 에너지의 제어가 복잡해지는 요인이, 용융시켜야 할 부분의 집전판 체적이, 용융되지 않는 집전판의 본체부 체적에 비해 큰 것에 있음에 착안하여, 본 발명의 이차전지 집전판에 있어서, 그 주면 일부에 안쪽 틈새부를 갖는 돌출부를 형성한 구성을 채용하였다. 즉, 본 발명의 이차전지 집전 구조는, 당해 돌출부가 형성된 집전판에, 양극판(또는 음극판)의 단부를 접촉시킨 상태에서, 돌출부를 국소적으로 가열하여 양극판(또는 음극판)의 단부와 집전판을 용접으로 접합시킨 구성을 이룬다.

당해 돌출부는, 그 안쪽에 틈새부를 가지므로, 용융시켜야 할 부분의 집전판 체적은, 용융되지 않는 집전판 본체부의 체적과 그다지 차가 없다. 때문에, 집전판(돌출부)에 조사해야 할 에너지의 크기를 용이하게 결정할 수 있다.

또, 돌출부가 용융하여 생성된 용융부재는, 틈새부를 통해 양극판(또는 음극판) 단부로 신속하게 유도되므로, 양극판(또는 음극판) 단부의 접합부를 균일하고 확실하게 용접할 수 있다. 또한, 양극판(또는 음극판)이 접촉하지 않는 집전판 부위에서도, 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재는 틈새부 내에서 계면장력에 의해 유지되므로 집전판으로부터의 낙하를 방지할 수 있다.

본 발명에 관한 이차전지의 제조방법은, 양극판 및 음극판이 다공질 절연층을 개재하여 배치된 전극군을 구비한 이차전지의 제조방법으로서, 적어도 한쪽 극성의 극판 단부가, 다공질 절연층으로부터 돌출된 상태에서, 양극판 및 음극판이 다공질 절연층을 개재하여 배치된 전극군을 준비하는 공정(a)과, 한 주면에, 안쪽에 틈새부를 갖는 돌출부가 형성된 집전판을 준비하는 공정(b)과, 다공질 절연층으로부터 돌출된 극판 단부를, 집전판의 다른 주면에 접촉시키는 공정(c)과, 돌출부를 국소적으로 가열함으로써, 극판 단부와 집전판을 접합하는 공정(d)을 가지며, 공정(d)에서 극판 단부는, 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재에 의하여 집전판에 용접되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 공정(d)에서 극판 단부는, 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재가, 틈새부를 통해 극판 단부로 유도됨으로써, 집전판에 용접되는 것이 바람직하다.

이와 같은 방법으로써, 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재를, 틈새부를 통해 극판 단부로 신속하게 유도할 수 있으므로, 극판 단부의 접합부를 균일하고 또 확실하게 용접할 수 있다. 또, 극판이 접촉하지 않는 집전판의 부위에서도, 집전판이 용융되어 생성된 용융부재는, 틈새부 내에서 계면장력에 의해 유지되므로 집전판으로부터의 낙하를 방지할 수 있다. 이로써, 안정된 극판 단부와 집전판의 접합부를 구비하며, 대전류 방전에 적합한 집전 구조를 갖는 이차전지를 실현할 수 있다.

바람직한 실시형태에 있어서, 상기 돌출부는, 집전판의 한 주면 상에서 방사형으로 형성된다. 여기서, 전극군은, 양극판 및 음극판이 다공질 절연층을 개재하여 감긴 구성을 이루는 것이 바람직하다.

또, 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 돌출부는, 집전판의 한 주면 상을, 양극판 및 음극판의 적층방향으로 평행하게 형성된다. 여기서, 전극군은, 양극판 및 음극판이, 다공질 절연층을 개재하여 적층된 구성을 이루는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성에 의하여, 다공질 절연층에서 돌출된 극판 단부가, 돌출부가 집전판의 한 주면 상으로 이어지는 방향과 거의 직교인 상태에서, 집전판의 다른 주면에 접촉하므로, 극판 단부를 집전판에 확실하게 용접할 수 있다.

또, 상기 돌출부는, 평판으로 이루어지는 집전판을 프레스 가공함으로써, 틈새부를 형성한 상태에서 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 이로써, 안쪽에 틈새부를 갖는 돌출부를 용이하게 형성할 수 있다.

또한, 상기 돌출부는, 이 돌출부 높이가 집전판 두께보다 크게 형성되는 것이 바람직하다. 이로써, 충분한 양의 용융부재를 극판 단부의 접합부에 공급할 수 있다.

또, 상기 돌출부 내측에 형성된 틈새부 폭은 집전판 두께 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 이로써, 극판이 접촉하지 않는 집전판 부위에서도, 집전판이 용융되어 생성된 용융부재를 충분히 큰 계면장력으로 틈새부 내에 유지시킬 수 있다.

또한, 상기 돌출부 내측에 형성된 상기 틈새부는 개구단에서 넓어지거나, 혹은 개구단에서 좁아지는 것이 바람직하다. 이로써, 개구단의 넓고 좁음에 따라 극판과 집전판의 접합부 폭 및 깊이를 제어할 수 있다.

상기 공정(c)에 있어서, 전극군의 모든 극판 단부는 집전체의 한 주면에 접촉되는 것이 바람직하다. 이로써, 용접 시에 극판 단부에서 스파크가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또, 상기 공정(d)에 있어서, 적어도 둘 이상의 극판 단부는 집전판의 다른 주면에 형성된 하나의 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재에 의하여 집전판에 용접되는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 다른 이차전지의 제조방법은, 양극판 및 음극판이 다공질 절연층을 개재하여 배치된 전극군을 구비한 이차전지의 제조방법으로서, 적어도 한쪽 극성의 극판 단부가, 다공질 절연층으로부터 돌출된 상태에서, 양극판 및 음극판이 다공질 절연층을 개재하여 배치된 전극군을 준비하는 공정(a)과, 복수의 관통공이 형성된 집전판을 준비하는 공정(b)과, 다공질 절연층으로부터 돌출된 극판 단부를, 집전판의 다른 주면에 접촉시키는 공정(c)과, 관통공에 용융금속을 유입함으로써, 극판 단부와 집전판을 접합하는 공정(d)을 가지며, 공정(d)에서 극판 단부는, 관통공을 통해 극판 단부로 유도된 용융금속에 의하여 집전판에 용접되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 관통공의 크기는 집전판 두께 이하인 것이 바람직하다.

이와 같은 구성으로 함으로써, 관통공으로 유입된 용융금속을 관통공을 통해 극판 단부로 신속하게 유도할 수 있으므로, 극판 단부의 접합부를 균일하고 확실하게 용접할 수 있다. 또, 극판이 접촉하지 않는 집전판 부위에서도, 관통공으로 유입된 용융금속은 관통공 내에서 계면장력에 의해 유지되므로, 집전판으로부터의 낙하를 방지할 수 있다. 이로써, 안정된 극판 단부와 집전판의 접합부를 구비하며, 대전류 방전에 적합한 집전 구조를 갖는 이차전지를 실현할 수 있다.

여기서, 상기 용융금속은 용접봉을 가열함으로써, 이 용접봉이 용융되어 생성된 용융부재에 의하여 공급되는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 이차전지는, 양극판 및 음극판이 다공질 절연층을 개재하여 배치된 전극군을 구비하며, 적어도 한쪽 극성의 극판 단부가 다공질 절연층으로부터 돌출되며, 이 돌출된 극판의 단부가 집전판의 한 주면에 접촉된 상태에서, 이 집전판에 접합되고, 극판 단부는, 집전판의 다른 주면에 형성된 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재가, 돌출부 안쪽에 형성된 틈새부를 통해 극판 단부로 유도되어 집전판에 용접되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성에 의해, 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재가, 틈새부를 통해 극판 단부로 신속하게 유도되므로, 균일하고 확실하게 용접된 극판 단부의 접합부를 얻을 수 있다. 또, 극판이 접촉하지 않는 집전판 부위에서도, 집전판이 용융되어 생성된 용융부재는 집전판에서 낙하하는 일없이 틈새부 내에서 유지된다. 이로써, 안정된 극판과 집전판의 접합부를 구비하며, 대전류 방전에 적합한 집전 구조를 갖는 이차전지를 실현할 수 있다.

여기서, 상기 전극군은, 양극판 및 음극판이 다공질 절연층을 개재하여 감긴 구성을 이루며, 극판 단부의 접합부는 집전판의 한 주면 내에서 방사형 부위에 형성되는 것이 바람직하다. 혹은, 상기 전극군은, 양극판 및 음극판이 다공질 절연층을 개재하여 적층된 구성을 이루며, 극판 단부의 접합부는, 집전판의 한 주면에서 양극판 및 음극판의 적층방향과 평행인 부위에 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성에 의하여, 다공질 절연층에서 돌출된 극판 단부가, 돌출부가 집전판의 한 주면 상으로 이어지는 방향과 거의 직교인 상태에서 집전판의 다른 주면에 접촉하므로, 확실하게 용접된 극판 단부의 접합부를 얻을 수 있다.

또, 상기 극판 단부의 접합부가 형성된 부위에서 집전판의 다른 주면은 오목부로 된 것이 바람직하다. 이로써, 용접된 극판 단부의 접합부 상태를 시각으로 확인할 수 있다.

[발명의 효과]

본 발명의 이차전지에 의하면, 안쪽에 틈새부를 갖는 돌출부가 형성된 집전판에, 양극판(또는 음극판)의 단부를 접촉시킨 상태에서, 돌출부를 용융시키고 당해 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재를 틈새부를 통해 양극판(또는 음극판)의 단부로 신속하게 유도함으로써, 양극판(또는 음극판)의 단부를 집전판에 균일하고 확실하게 용접할 수 있다. 또, 양극판(또는 음극판)이 접촉하지 않는 집전판의 부위에서도, 집전판이 용융되어 생성된 용융부재는 틈새부 내에서 계면장력에 의해 유지되므로, 집전판에서의 낙하를 방지할 수 있다. 이로써, 안정된 양극판(또는 음극판)과 집전판의 접합부를 구비하며, 대전류 방전에 적합한 집전 구조를 갖는 이차전지를 실현할 수 있다.

도 1은, 본 발명 제 1 실시형태에서 이차전지의 집전 구조를 나타낸 도이며, (a)는 극판 단부를 집전판에 접촉시킨 상태를 나타내고, (b)는 극판 단부를 집전판에 접합시킨 상태를 나타낸다.

도 2(a), (b)는, 제 1 실시형태의 양극판 및 음극판의 전개도이다.

도 3(a)는, 제 1 실시형태의 전극군 구성을 나타낸 사시도이고, (b)는 집전판의 구성을 나타낸 평면도, (c)는 (b)의 IIIc-IIIc를 따른 돌출부의 단면도이다.

도 4는, 제 1 실시형태의 이차전지 구성을 나타낸 단면도이다.

도 5(a)∼(c)는, 제 1 실시형태의 돌출부 형상 및 접합부 형상을 나타낸 도이다.

도 6(a)는, 제 1 실시형태의 전극군 구성을 나타낸 사시도이고, (b)는 집전판의 구성을 나타낸 평면도, (c)는 (b)의 VIc-VIc를 따른 돌출부의 단면도이다.

도 7은, 제 1 실시형태의 집전 구조를 나타낸 도이며, (a)는 극판 단부를 집전판에 접촉시킨 상태를 나타내고, (b)는 극판 단부를 집전판에 접합시킨 상태를 나타낸다.

도 8은, 제 1 실시형태의 극판 단부를 집전판에 접합시킨 상태를 나타낸 도이다.

도 9(a), (b)는, 제 1 실시형태의 변형예에서 집전판의 구성을 나타낸 평면도이다.

도 10(a), (b)는, 제 1 실시형태의 변형예에서 집전판의 구성을 나타낸 평면 도이다.

도 11(a)∼(c)는, 제 1 실시형태의 변형예에서 돌출부 형상을 나타낸 단면도이다.

도 12(a), (b)는, 제 1 실시형태의 변형예에서의 양극판 및 음극판 전개도이다.

도 13은, 제 1 실시형태의 변형예에서의 이차전지 구성을 나타낸 단면도이다.

도 14(a)∼(d)는, 본 발명 제 2 실시형태의 집전판 구성을 나타낸 단면도이다.

도 15(a)∼(c)는, 제 2 실시형태의 관통공 배열을 나타낸 평면도이다.

도 16은, 종래의 이차전지 집전 구조를 나타낸 도이며, (a)는 집전판 구성을 나타낸 도, (b)는 극판 단부를 집전판에 접합시킨 상태를 나타낸 도이다.

도 17은, 종래의 이차전지의 집전 구조를 나타낸 평면도이다.

도 18은, 종래 이차전지의 집전판 구성을 나타낸 사시도이다.

[부호의 설명]

1 : 양극판 1a : 양극판 단부(양극 합제 미도포부)

1b : 양극 합제 도포부 2 : 음극판

2a : 음극판 단부(음극 합제 미도포부)

2b : 음극 합제 도포부 3 : 다공질 절연층

4 : 전극군 9 : 접합부

10 : 양극집전판 11 : 음극집전판

12 : 돌출부 12a : 틈새부

13 : 전지용기 15 : 양극 리드

16 : 봉쇄판 17 : 가스켓

20 : 관통공

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 이하의 도면에서는, 설명의 간략화를 위하여, 실질적으로 동일한 기능을 갖는 구성요소를 동일 참조부호로 나타낸다. 또, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되지 않는다.

(제 1 실시형태)

도 1은, 본 발명의 제 1 실시형태에서 이차전지의 집전 구조를 모식적으로 나타낸 도이며, (a)는 양극판 단부(1a)를 양극집전판(10)에 접촉시킨 상태를 나타낸 사시도이고, (b)는 양극판 단부(1a)를 양극집전판(10)에 접합시킨 상태를 나타낸 단면도이다. 여기서, 본 발명은 음극판의 단부(2a) 및 음극집전판(11)에 대해서도 적용할 수 있는 점에서, 이하의 설명에서는 음양의 극성을 구별하지 않고, 단순히 극판 및 집전판이라 칭한다. 물론, 본 발명은 한쪽 극성에 대해서만 적용하는 것도 당연히 포함된다.

도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 집전판(10)은 한 주면(10a)(도면 중 상면)의 일부에, 안쪽에 틈새부(12a)를 갖는 돌출부(12)가 형성된다. 그리고, 후술하는 다 공질 절연층에서 돌출된 극판 단부(1a)가 집전판(10)의 다른 주면(10b)에 접촉된다. 여기서, 돌출부(12)가 이어지는 방향(화살표 X방향)은 극판 단부(1a)가 이어지는 방향(화살표 Y방향)과 거의 직교한다.

이 상태에서, 돌출부(12)를 국소적으로 가열함으로써 돌출부(12)를 용융시키면, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재가, 틈새부(12a)를 통해 극판 단부(1a)로 유도되어, 극판 단부(1a)와 집전판(10)은 접합부(9)에서 용융부재에 의해 용접된다. 여기서, 돌출부(12)는, 어떤 폭을 가진 영역에서 용융되므로, 극판 단부(1a)는 그 양면에서 용융부재에 의해 용접된다. 또, 돌출부(12)가 용융되는 영역이, 인접하는 극판이 접촉하는 부위까지 미치면, 2 이상의 극판 단부(1a)를 집전판(10)에 동시에 용접할 수도 있다. 이 경우, 극판 단부(1a)가 접촉하지 않는 집전판(10)의 부위에도 돌출부(12)가 용융되어 용융부재가 생성되는데, 여기서 생성된 용융부재는, 틈새부(12a) 내에서 계면장력에 의하여 유지되므로 집전판(10)에서 낙하되는 일은 없다.

또, 용융된 돌출부(12)는, 용융부재로서 극판 단부의 접합부(9)에 공급되므로, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이 극판 단부(1a)의 접합부(9)가 형성된 부위의 집전판(10) 표면은 오목부가 된다. 이로써, 용접된 극판 단부의 접합부(9) 상태를 시각으로 확인할 수 있다.

그리고, 극판을 구성하는 집전체의 두께가 얇을 경우에는, 극판 단부(1a)가 집전판(10)에 접촉할 때의 극판 단부(1a) 변형을 방지하기 위하여, 극판 단부(1a)를 집전판(10)에 대하여 거의 수직으로 접촉시키는 것이 바람직하다. 또, 이와 같 이 하면, 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재를 극판 단부(1a) 양면에 균일하게 유도할 수 있어, 보다 안정된 접합부(9)를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 이차전지의 구체적인 제조방법에 대하여 도 2∼도 4를 참조하면서 설명한다.

우선, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 양극집전체의 폭 방향으로 양극 합제가 띠 형상으로 도포된 도포부(1b)와 미도포부(1a)를 갖는 양극판(1)과, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 음극집전체의 폭 방향으로 음극 합제가 띠 형상으로 도포된 도포부(2b)와 미도포부(2a)를 갖는 음극판(2)을 준비한다.

다음으로, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 양극판(1)의 단부(미도포부(1a))와 음극판(2)의 단부(미도포부(2a))를, 서로 반대방향으로 다공질 절연층(도시 생략)으로부터 돌출된 상태에서, 양극판(1) 및 음극판(2)을 다공질 절연층을 개재하여 소용돌이형으로 감아 전극군(4)을 형성한다.

여기서, 다공질 절연층은, 예를 들어 차단 기능을 갖는 수지로 이루어진 미다공질막, 또는 이와 같은 미다공질막과 차단 기능을 갖지 않는 절연성 입자를 포함하는 내열성 다공질막의 적층막으로 이루어진다.

또, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 원반형의 양극집전판(10) 및 음극집전판(11)을 준비하고, 그 표면에 방사형으로 돌출부(12)를 형성한다. 도 3(c)는, 도 3(b)의 IIIc-IIIc를 따른 돌출부(12)의 단면도이며, 돌출부(12) 안쪽에는 틈새부(12a)가 형성된다. 여기서, 돌출부(12)는 예를 들어, 평판으로 된 집전판(10, 11)을, 틈새부를 형성한 상태에서 프레스 가공함으로써 집전판(10, 11)과 일체로 형성할 수 있다. 그리고, 집전판(10, 11) 형성에는 프레스가공 외에, 절삭가공이나 단조가공 등을 적용할 수도 있다.

또한, 양극판(1) 및 음극판(2)은 소용돌이형으로 감기므로, 극판 단부(1a, 2a)는, 집전판(10, 11)의 면 위에 방사형으로 형성된 돌출부(12)와 어느 부위에서도 거의 직교한다.

다음으로, 도 3(a)에 나타낸 전극군(4)을 도 3(b)에 나타낸 집전판(10, 11)에 대하여 도 1(a)에 나타낸 바와 같은 상태로 접촉시켜 돌출부(12)를 국소적으로 가열함으로써, 극판 단부(1a, 2a)와 집전판(10, 11)을 각각 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재에 의해 용접한다. 여기서, 극판 단부(1a, 2a)는 집전판(10, 11) 면 위에 형성된 돌출부(12)와 어느 부위에서도 거의 직교하므로, 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 확실하게 용접할 수 있다.

또, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이, 전극군(4)의 모든 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11) 면에 접촉하도록 하는 것이 바람직하다. 만일, 극판 단부(1a, 2a)의 일부가 집전판(10, 11)의 면에서 벗어나면, 용접 시 이 벗어난 부분에 스파크가 발생하는 경우가 있어 안정된 용접을 하지 못할 우려가 있기 때문이다.

도 4는, 상기 방법으로 형성된 집전 구조를, 전지용기(13)에 수용시켜 완성된 이차전지의 구조를 나타낸 단면도이다. 음극집전판(11)은 전지용기(13)의 저부에, 양극집전판(10)은 양극리드(15)를 개재하여 봉쇄판(16)에 각각 접속된다. 또, 전지용기(13)에는 비수전해질 물질(도시 생략)이 주입되어, 가스켓(17)을 개재하여 봉쇄판(16)으로 밀봉된다.

이상의 제조방법으로 제조된 이차전지는, 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재가, 틈새부(12a)를 통해 극판 단부(1a, 2a)로 신속하게 유도되므로, 균일하고 확실하게 용접된 극판 단부(1a, 2a)의 접합부를 얻을 수 있다. 또, 극판 단부(1a, 2a)가 접촉하지 않는 집전판(10, 11) 부위에서도, 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재는 집전판(10, 11)에서 낙하하는 일없이 틈새부(12a) 내에서 유지된다. 이로써, 안정된 극판 단부(1a, 2a)와 집전판(10, 11)의 접합부를 구비하여, 신뢰성이 우수하고 또, 대전류 방전에 적합한 집전 구조를 갖는 이차전지를 실현할 수 있다.

그런데, 본원 발명자들이 돌출부(12)의 형상을 검토한 바, 돌출부(12) 안쪽에 형성하는 틈새부(12a)의 형상을 바꿈으로써 극판 단부(1a, 2a)의 접합부(9) 형상을 제어할 수 있음을 발견하였다.

도 5(a)∼(c)는, 돌출부(12) 안쪽에 형성되는 틈새부(12a)의 형상과, 극판 단부(1a, 2a)의 접합부(9) 형상의 관계를 모식적으로 나타낸 도이다. 도 5(a)∼(c)에서 좌측의 도는, 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 접촉시킨 상태를 나타내며, 우측의 도는 돌출부(12)를 용융시켜 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 용접한 상태를 나타낸다.

도 5(a)에 나타낸 돌출부(12)에서의 틈새부(12a)는 폭(W)이 거의 일정한 형상을 이루며, 이 경우, 극판 단부(1a, 2a)의 접합부(9)는 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재가 극판 단부(1a, 2a)의 표면으로 퍼진 형상이다.

이에 반해, 도 5(b)에 나타낸 돌출부(12)에서의 틈새부(12a)는 그 개구단이 폭(W)보다 넓어진 형상을 이루며, 이 경우, 극판 단부(1a, 2a)의 접합부(9)는 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재가 극판 단부(1a, 2a)의 표면으로 넓고 얇게 퍼진 형상이다.

또, 도 5(c)에 나타낸 돌출부(12)에서의 틈새부(12a)는 그 개구단이 폭(W)보다 좁아진 형상을 이루며, 이 경우, 극판 단부(1a, 2a)의 접합부(9)는 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재가 극판 단부(1a, 2a)의 표면으로 좁고 깊게 퍼진 형상이다.

이와 같이, 돌출부(12) 안쪽에 형성하는 틈새부(12a)의 형상을 바꿈으로써, 극판 단부(1a, 2a)의 접합부(9) 형상을 제어할 수 있으므로, 예를 들어, 복수의 극판 단부(1a, 2a)를 동시에 용접하고자 할 경우에는, 도 5(b)에 나타낸 바와 같은 형상으로 틈새부(12a)를 형성하고, 또, 접합부(9) 면적을 크게 하여 접합을 강화시키고자 할 경우에는, 도 5(c)에 나타낸 바와 같은 형상으로 틈새부(12a)를 형성하면 된다.

또한, 충분한 용접부재를 접합부(9)에 공급하기 위해, 돌출부(12)의 높이(H)는 집전판(10, 11) 두께(T)보다 크게 형성되는 것이 바람직하다. 집전판(10, 11) 본체부의 두께를 바꾸지 않고 돌출부(12)의 높이(H)가 높아져도, 돌출부(12) 자신의 두께는 변하지 않으므로, 돌출부(12)에 조사해야 할 에너지 양은 일정하면 되며, 더욱이 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재는 지속적으로 틈새부(12a)를 통해 극판 단부(1a, 2a)로 신속하게 유도되므로, 극판 단부(1a, 2a)의 접합부를 균일하고 확실하게 용접할 수 있다.

또, 돌출부(12) 안쪽에 형성된 틈새부(12a)의 폭(W)은, 집전판(10, 11) 두께(T) 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 구체적으로는 0.5mm 이하, 보다 바람직하게는 0.2mm 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 극판(1, 2)이 접촉하지 않는 집전판(10, 11) 부위에서도, 집전판(10, 11)이 용융되어 생성된 용융부재가 틈새부(12a) 내에서 계면장력에 의하여 유지되므로, 집전판(10, 11)에서 낙하하는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 여기서, 틈새부(12a)의 바람직한 폭(W)은, 집전판(10, 11)의 재질이나 돌출부(12)를 용융시키는 가열조건 등에 따라 적절히 결정할 수 있다.

그런데, 도 3(a)에 나타낸 전극군(4)은, 양극판(1) 및 음극판(2)을 다공질 절연층을 개재하여 소용돌이형으로 감긴 구성이나, 도 6(a)에 나타낸 바와 같이, 양극판(1) 및 음극판(2)을 다공질 절연층(도시 생략)을 개재하여 적층된 구성이라도 된다. 이 경우, 전극군(4)은, 양극판(1)의 단부(1a)와 음극판(2)의 단부(2a)를 예를 들어, 서로 반대방향으로 다공질 절연층으로부터 돌출된 상태에서, 양극판(1) 및 음극판(2)을 다공질 절연층을 개재하여 적층시켜 형성된다.

이와 같은 구성의 전극군(4)에 대해서는, 도 6(b)에 나타낸 바와 같이 집전판(10, 11)은 사각형의 것이 사용된다. 그리고 집전판(10, 11) 표면에 형성되는 돌출부(12)는, 양극판(1) 및 음극판(2)의 적층방향(화살표(D) 방향)으로 평행하게 형성된다. 여기서, 돌출부(12)는 도 6(c)에 나타낸 바와 같이, 돌출부(12) 안쪽에 틈새부(12a)가 형성된다.

여기서, 양극판(1) 및 음극판(2)의 적층방향과 돌출부(12)는 서로 평행으로 형성되므로, 양극판(1)의 단부(1a) 및 음극판(2)의 단부(2a)는, 집전판(10, 11)의 면 위에 형성된 돌출부(12)와는 어느 부위에서도 거의 직교한다.

도 6(a)에 나타낸 전극군(4)을 도 6(b)에 나타낸 집전판(10, 11)에 접촉시키고 돌출부(12)를 국소적으로 가열함으로써, 극판 단부(1a, 2a)와 집전판(10, 11)을, 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재에 의해 균일하고 확실하게 용접할 수 있다.

또, 도 1(a)에 나타낸 바와 같이 극판 단부(1a, 2a)는, 집전판(10, 11)의 면 위에 형성된 돌출부(12)와 직교하는 것이 바람직하나, 예를 들어 도 7(a)에 나타낸 바와 같이, 극판 단부(1a, 2a)가 집전판(10, 11)의 면 위에 형성된 돌출부(12)와 평행이 되어도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

이 경우, 돌출부(12)의 틈새부(12a)는, 도 5(b)에 나타낸 바와 같은, 개구단이 폭(W)보다 넓어진 형상으로 해두는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재는 집전판(10, 11) 하면으로 광범위하게 퍼지므로, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 돌출부(12)에서 떨어져 위치하는 극판 단부(1a, 2a)의 접합부(9)까지 용융부재가 공급되어, 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 용접할 수 있다.

또, 도 8에 나타낸 바와 같이, 전극군의 극판 사이가 비교적 밀접한 경우, 적어도 2 이상의 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11) 면 위에 형성된 하나의 돌출부(12) 근방에 접촉시킴으로써, 용융되어 생성된 용융부재에 의해 복수의 극판 단부(1a, 2a)를 일괄시켜 집전판(10, 11)에 용접할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 이차전지는, 안정된 극판 단부와 집전판의 접합부를 구비하여, 신뢰성이 우수하고 또 대전류 방전에 적합한 집전 구조를 갖는데, 특히, 양극판 또는 음극판의 집전체에 막 두께 50㎛ 이하, 보다 바람직하게는 20㎛ 이하의 알루미늄박 또는 구리박 등이 이용되는 고출력의 리튬이온 이차전지에는 특히 효과적이다.

(제 1 실시형태의 변형예)

제 1 실시형태에 있어서, 집전판(10, 11)의 면 위에 형성되는 돌출부(12) 형상의 바람직한 예를 도 3(c)에 나타내었으나, 이에 한정되지 않고 여러 가지 형상을 갖는 돌출부(12)를 본 발명에 적용할 수 있다.

도 9(a), (b)는, 집전판(10, 11)의 면 위에 형성된 돌출부(12)의 형상을 나타낸 도이며, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 양극판(1) 및 음극판(2)이 다공질 절연층을 개재하여 소용돌이형으로 감겨 형성된 전극군에 적용할 수 있다.

도 9(a)는, 집전판(10, 11)의 면 위에 복수 열이고 평행하게 형성된 돌출부(12) 형상의 변형예를 나타낸 도이다. 이와 같은 형상의 돌출부(12)는, 평판으로 이루어지는 집전판(10, 11)을, 틈새부를 형성한 상태에서 프레스 가공함으로써 용이하게 형성할 수 있다.

여기서, 양극판(1) 및 음극판(2)은 소용돌이형으로 감기므로, 양극판(1)의 단부(1a) 및 음극판(2)의 단부(2a)는, 집전판(10, 11)과 접촉하는 부위에서 돌출부(12)와 여러 각도를 갖고 교차하나, 돌출부(12)가 배열되는 간격을 적당히 설정함으로써 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 확실하게 용접할 수 있다.

도 9(b)는, 집전판(10, 11)의 면 위에 복수 개, 독립 형성된 돌출부(12) 형상의 변형예를 나타낸 도이다. 이 경우, 독립된 돌출부(12)에 스폿 방식으로 에너지를 조사하면 되며, 용접 시의 온도 상승을 억제할 수 있다.

도 10(a), (b)는, 양극판(1) 및 음극판(2)을 다공질 절연층을 개재하여 감은 것을 압축시켜 편평한 형상으로 변형시킨 전극군에 적합하게 적용할 수 있는 돌출부(12)의 예를 나타낸 도이다.

도 10(a)에 나타낸 돌출부(12)는, 사각형 집전판(10, 11)의 긴 변, 짧은 변에 대하여 수직 방향으로 형성된 것이다. 이와 같이 형성된 돌출부(12)는, 양극판(1)의 단부(1a) 및 음극판(2)의 단부(2a)와 집전판(10, 11)이 접촉하는 부위에서 거의 수직으로 교차하므로, 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 균일하고 확실하게 용접할 수 있다.

도 10(b)에 나타낸 돌출부(12)는, 집전판(10, 11)의 면 위에 복수 개 독립적으로 형성된 것이다. 이 경우, 독립된 돌출부(12)에 스폿 방식으로 에너지를 조사하면 되며, 용접 시의 온도 상승을 억제할 수 있다.

다음으로, 제 1 실시형태에서 돌출부(12) 안쪽에 형성되는 틈새부(12a) 형상의 적합한 예를 도 5 (a)∼(c)에 나타냈으나, 이에 한정되지 않고 여러 형상의 틈새부(12a)를 갖는 돌출부(12)를 본 발명에 적용할 수 있다.

도 11 (a)∼(c)는, 돌출부(12) 안쪽에 형성되는 틈새부(12a) 형상의 변형예를 나타낸 도이다.

도 11 (a)에 나타낸 틈새부(12a)는 개구단에서 넓어지며, 이 경우, 돌출 부(12)가 용융되어 생성된 용융부재가 극판 단부(1a, 2a) 표면으로 광범위하게 유도되므로, 복수의 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 한번에 용접하는데 적합하다.

또, 도 11 (b)에 나타낸 틈새부(12a)는 개구단에서 좁아지며, 이 경우, 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재가 극판 단부(1a, 2a) 표면으로 좁고 깊게 유도되므로, 보다 견고하게 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 용접하는데 적합하다.

또한, 도 11 (c)에 나타낸 틈새부(12a)는 개구단에서 돌기(또는 조각)(12b)를 가지므로, 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재가 집전판(10, 11)에서 이탈하는 일없이 극판 단부(1a, 2a) 표면으로 유도되므로, 신뢰성 높은 접합을 얻을 수 있다.

다음으로, 제 1 실시형태에서, 극판 단부(1a, 2a)는 도 2(a), (b)에 나타낸 바와 같이, 합제가 도포되지 않은 미도포부(1a, 2a)로 구성했으나, 양극판(1)(또는 음극판(2))을 구성하는 집전체의 막 두께가 얇을 경우, 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 접촉시켰을 때, 혹은 극판 단부(1a, 2a)의 접합부(9)를 용접했을 때, 극판 단부(1a, 2a)가 구부러질 우려가 있다.

도 12(a), (b)는, 양극판(1)의 단부(1a) 및 음극판(2)의 단부(2a) 일부에, 보강층(30)을 형성한 양극판(1) 및 음극판(2)의 구성을 나타낸 도이다. 즉, 도 12(a), (b)에 나타낸 바와 같이, 합제가 도포되지 않은 미도포부(1a, 2a) 중, 집전판(10, 11)과 용접되는 부위에 보강층(30)을 형성한 구성이다. 여기서, 보강 층(30)은, 합제 도포부(1b, 2b)의 두께와 같은 정도 또는 그보다 얇은 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이로써, 전극군의 감김 수를 감소시키는 일없이 극판 단부(1a, 2a)가 구부러지는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 보강층(30)은 예를 들어, 알루미나 등의 무기산화물 필러, 결착제, 및 적당량의 N-메틸-2-피롤리돈(이하, NMP로 기술함)을 혼련시켜 조제한 슬러리를 미도포부(1a, 2a)에 도포한 후, 건조시켜 형성할 수 있다.

도 13은, 도 12(a), (b)에 나타낸 양극판(1) 및 음극판(2)을 다공질 절연층(3)을 개재하여 소용돌이형으로 감아 전극군(4)을 형성한 후, 전극군(4)을 집전판(10, 11)에 용접하여 형성한 집전 구조를 전지용기(13)에 수용하여 완성시킨 이차전지의 구조를 나타낸 단면도이다.

(제 2 실시형태)

제 1 실시형태에서는, 안쪽에 틈새부(12a)를 갖는 돌출부(12)를 용융시키고, 이 돌출부(12)가 용융되어 생성된 용융부재를, 틈새부(12a)를 통해 극판 단부(1a, 2a)로 유도함으로써 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 용접한 것이나, 본 실시형태에서는 이러한 용융부재를 외부로부터 공급하도록 한 것이다.

도 14(a)는, 본 실시형태의 집전판(10, 11) 구성을 모식적으로 나타낸 단면도이며, 집전판(10, 11)에는 복수의 관통공(20)(도면에는 1개만 도시)이 형성된다. 그리고, 예를 들어 도 3(a) 또는 도 6(a)에 나타낸 바와 같은, 다공질 절연층에서 돌출된 극판 단부(1a, 2a)를 복수의 관통공(20)이 형성된 집전판(10, 11)에 접촉시킨 상태에서, 관통공(20)으로 용융금속을 유입함으로써 극판 단부(1a, 2a)는 용접 에 의해 집전판(10, 11)에 접합된다.

이와 같이 본 실시형태에서는, 관통공(20)에 유입된 용융금속을, 관통공(20)을 통해 극판 단부(1a, 2a)로 신속하게 유도할 수 있으므로, 극판 단부(1a, 2a)의 접합부를 균일하고 확실하게 용접할 수 있다. 또, 극판 단부(1a, 2a)가 접촉하지 않는 집전판(10, 11)의 부위에서도, 관통공(20)으로 유입된 용융금속은 관통공(20) 내에서 계면장력에 의해 유지되므로, 집전판(10, 11)으로부터의 낙하를 방지할 수 있다. 이로써, 안정된 극판 단부(1a, 2a)와 집전판(10, 11)의 접합부를 구비하며, 대전류 방전에 적합한 집전 구조를 갖는 이차전지를 실현할 수 있다.

여기서, 용융금속은 예를 들어, 용접봉을 가열함으로써 용접봉이 용융되어 생성된 용융부재에 의하여 공급할 수 있다.

또, 관통공(20)의 구멍 크기(W)는, 집전판(10, 11)의 두께 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 구체적으로는 0.5mm 이하, 보다 바람직하게는 0.2mm 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 극판 단부(1a, 2a)가 접촉하지 않는 집전판(10, 11)의 부위에서도, 관통공(20)으로 유입된 용융금속이 관통공(20) 내에서 계면장력에 의해 유지되므로, 집전판(10, 11)으로부터 낙하하는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

그런데, 제 1 실시형태에서 설명한 바와 마찬가지로, 집전판(10, 11)에 형성된 관통공(20)의 형상을 바꿈으로써, 극판 단부(1a, 2a)의 접합부(9) 형상을 제어할 수 있다.

예를 들어, 도 14(b)에 나타낸 바와 같이, 관통공(20) 개구단을 구멍 크 기(W)보다 넓어진 형상으로 한 경우에는, 관통공(20)으로 유입된 용융금속이 극판 단부(1a, 2a)의 표면으로 광범위하게 유도되므로, 복수의 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 한번에 용접하는데 적합하다.

또, 도 14(c)에 나타낸 바와 같이, 관통공(20) 개구단을 구멍 크기(W)보다 좁아진 형상으로 한 경우에는, 관통공(20)으로 유입된 용융금속이 극판 단부(1a, 2a)의 표면으로 좁고 깊게 유도되므로, 극판 단부(1a, 2a)를 집전판(10, 11)에 보다 견고하게 용접하는데 적합하다.

또한, 도 14(d)에 나타낸 바와 같이, 관통공(20) 개구단에 돌기(또는 조각)를 형성한 형상으로 한 경우에는, 관통공(20)으로 유입된 용융금속이 집전판(10, 11)에서 이탈하는 일없이 극판 단부(1a, 2a)의 표면으로 유도되므로, 신뢰성 높은 접합을 얻을 수 있다.

도 15(a)∼(c)는, 집전판(10, 11)에 형성된 관통공(20) 배열의 일례를 나타낸 도이며, 이들 집전판(10, 11)은 양극판(1) 및 음극판(2)이 소용돌이형으로 감겨 형성된 전극군에 적용할 수 있다.

도 15(a)는, 관통공(20)이 집전판(10, 11)의 면 위에 방사형으로 배치된 예, 도 15(b)는, 관통공(20)이 집전판(10, 11)의 면 위에 평행으로 배치된 예, 15(c)는, 관통공(20)이 집전판(10, 11)의 면 위에 복수 개소 배치된 예를 각각 나타낸다.

본 실시형태에서, 이들 관통공(20)은 예를 들어, 프레스 펀칭가공으로 형성할 수 있으므로, 제 1 실시형태에서의 돌출부(12)를 형성하는 것보다 용이하게 형 성할 수 있다.

이하, 본 발명을 리튬이온 이차전지에 적용한 실시예를 설명한다.

(실시예1)

(1)양극판의 제작

양극 활성물질로서 코발트산리튬 분말을 85중량%, 도전제로서 탄소분말을 10중량%, 결착제로서 폴리플루오로화비닐리덴(PVDF)을 5중량%, 각각 혼합하여 양극합제를 제조하였다.

다음으로, 양극합제를 두께 15㎛, 폭 56mm 알루미늄박의 양극집전체 양면에 도포하고, 양극합제를 건조시킨 후, 양극합제 도포부를 압연시켜 두께 150㎛의 양극판을 제작하였다. 이때의 양극합제 도포부의 폭은 50mm, 양극합제 미도포부의 폭은 6mm이다.

(2)음극판의 제작

음극 활성물질로서 인조흑연 분말을 95중량%, 결착제로서 PVDF를 5중량%, 각각 혼합하여 음극합제를 제조하였다.

다음으로, 음극합제를 두께 10㎛, 폭 57mm 구리박의 음극집전체 양면에 도포하고, 음극합제를 건조시킨 후, 음극합제 도포부를 압연시켜 두께 160㎛의 음극판을 제작하였다. 이때의 음극합제 도포부의 폭은 52mm, 음극합제 미도포부의 폭은 5mm이다.

(3)전극군의 제작

상기와 같이 제작한 양극판 및 음극판을, 양극합제 도포부와 음극합제 도포 부를 피복하도록, 폭 53mm, 두께 25㎛의 폴리프로필렌수지제 미다공필름으로 된 다공질 절연층을 개재하여 소용돌이형으로 감아 전극군을 제작하였다.

(4)집전판의 제작

두께 0.5mm, 가로세로 50mm의 알루미늄판을 프레스 가공하여, 높이 1mm, 틈새부 0.2mm의 돌출부를 알루미늄판의 면 위에 평행으로 형성하였다. 이 알루미늄판을 프레스로 펀칭하여, 중앙부에 직경 7mm의 구멍을 가진, 직경 24mm의 원판형 양극집전체를 제작하였다. 마찬가지 방법으로 두께 0.3mm의 구리판으로 이루어지는 음극집전판을 제작하였다.

(5)집전 구조의 제작

상기와 같이 제작한 전극군을 양극집전판 및 음극집전판에 접촉시켜, TIG(Tungsten Inert Gas)용접으로 전극군을 양극집전판 및 음극집전판에 용접하여 집전 구조를 제작하였다. 이때, TIG용접 조건은, 양극집전판 및 음극집전판 모두 전류 120A, 시간 50ms이다.

(6)리튬이온 이차전지의 제작

상기와 같이 제작한 전극구조를, 한쪽만 개구시킨 원통형 전지용기에 삽입하고, 음극집전판을 전지용기에 저항용접한 후, 절연판을 사이에 배치하여, 양극집전판과 봉쇄판을 알루미늄제 양극리드를 개재하고 전지용기에 레이저 용접하였다.

다음으로, 비수용매로서 에틸렌카보네이트와 에틸메틸카보네이트를 체적비 1:1로 혼합하고, 이를 6불화인산리튬(LiPF6) 용질에 용해시켜 비수전해질 용액을 제조하였다.

다음에, 전지용기를 가열하여 건조시킨 후, 전지용기에 비수전해질 용액을 주입한 후, 가스켓을 개재하고 봉쇄판을 전지용기에 코킹처리로 밀봉하여, 직경 26mm, 높이 65mm의 크기로 설계용량 2600mAh의 원통형 리튬이온 이차전지(샘플1)를 제작하였다.

(실시예2)

본 실시예는 집전판에 관통공을 형성한 것이다.

(1)집전판의 제작

두께 0.5mm, 가로세로 50mm의 알루미늄판을 프레스로 펀칭 가공하여, 직경 0.2mm의 관통공을 알루미늄판의 면 위에 방사형으로 형성하였다. 이 알루미늄판을 프레스로 펀칭하여, 중앙부에 직경 7mm의 구멍을 가진, 직경 24mm의 원판형 양극집전판을 제작하였다. 마찬가지 방법으로 두께 0.3mm의 구리판으로 이루어지는 음극집전판을 제작하였다.

(2)집전 구조의 제작

실시예1과 마찬가지 방법으로 제작한 전극군을, 상기에서 제작한 양극집전판 및 음극집전판에 접촉시켜, TIG용접으로 구리제 용접봉을 용융시켜 용융금속을 관통공에 유입하고, 전극군을 양극집전판 및 음극집전판에 용접하여 집전 구조를 제작하였다. 이때, TIG용접 조건은, 양극집전판에 대하여 전류 120A, 시간 30ms, 음극집전판에 대하여 전류 120A, 시간 50ms이다.

(6)리튬이온 이차전지의 제작

이상의 방법으로 작성한 집전 구조를 이용하여, 실시예1과 마찬가지 방법으 로 리튬이온 이차전지(샘플2)를 제작하였다.

(실시예3)

본 실시예는, 실시예1에서 제작한 양극판 및 음극판의 각 단부에 보강층을 형성한 것이다.

(1)양극판, 음극판의 제작

우선, 무기산화물 필러인 알루미나와, 폴리아크릴로니트릴 변성고무 결착제를 N-메틸피롤리돈(NMP)에 혼련시켜 보강층용 슬러리를 제조하였다.

다음으로, 양극합제 도포부에 접하는 양극합제 미도포부 일부에, 제조한 슬러리를 폭 4mm, 두께 62.5㎛로 도포한 후, 슬러리를 건조시켜 보강층을 형성하였다. 이때의 보강층 두께는, 양극합제 도포부의 두께와 거의 같았다. 마찬가지 방법으로 음극판에도 폭 4mm, 두께 75㎛의 보강층을 형성하였다.

(2)리튬이온 이차전지의 제작

이상의 방법으로 작성한 양극판 및 음극판을 이용하여, 실시예1과 마찬가지 방법으로 리튬이온 이차전지(샘플3)를 제작하였다.

(비교예1)

실시예1과 마찬가지의 양극판, 음극판을 이용하여 전극군을 제작한 후, 양극판단부 및 음극판 단부를 각각 감김 축심방향으로 눌러 평탄면을 형성하였다. 그리고, 양극판 단부의 평탄면을, 알루미늄으로 된 양극집전판(두께 0.5mm, 직경 24mm)에 접촉시키고, 레이저 용접으로 양극판 단부의 평탄면을 양극집전판에 용접하였다. 마찬가지로, 음극판 단부의 평탄면을, 구리로 된 음극집전판(두께 0.3mm, 직경 24mm)에 접촉시키고, 레이저 용접으로 음극판 단부의 평탄면을 음극집전판에 용접하였다. 이때 레이저용접의 조건은, 양극집전판에 대하여 전류 125A, 시간 1.2초, 음극집전판에 대하여 전류 95A, 시간 1.4초이다.

이상의 방법으로 제작된 집전 구조를 이용하여 실시예1과 마찬가지 방법으로 리튬이온 이차전지(샘플4)를 제작하였다.

(비교예2)

두께 1.5mm의 알루미늄판을 프레스 펀칭하여, 중앙부에 직경 7mm의 구멍이 형성된, 직경 24mm의 원판형으로 가공한 후, 알루미늄판 표면의 일부를 절삭하여 돌출 높이 1mm의 돌출부가 평행으로 형성된 양극집전판을 제작하였다. 마찬가지 방법으로 돌출부가 형성된 구리판(두께 1.3mm)으로 이루어지는 음극집전판을 제작하였다.

이상의 방법으로 제작된 양극집전판 및 음극집전판을 이용하여 실시예1과 마찬가지의 방법으로 리튬이온 이차전지(샘플5)를 제작하였다.

다음으로, 이상과 같이 하여 제작된 샘플1∼5의 리튬이온 이차전지를 각 50개 준비하고 다음과 같은 평가를 실시하였다.

(극판 단부와 집전판 접합부의 외관 검사)

샘플1∼3 모두, 접합부의 구멍, 집전체(극판)의 파손은 관찰되지 않았다. 한편, 샘플4에서는, 몇 개의 접합부 구멍이 관찰되었다. 또, 용융된 금속이 극판 단부 위로 유도되지 않은 것도 있었다. 또한, 샘플5에서는, 접합부의 구멍이나 집전체(극판)의 파손이 다수 관찰되었다. 그리고 샘플5에서는, 돌출부를 용융시킬 때, 용융된 금속이 극판 단부 위로 유도되지 않거나, 혹은 집전판 본체부 모두 용융시켜 떨어져버리는 등, 접합부의 불균일이 컸다.

(극판 단부의 굴곡상태 관찰)

샘플1, 2에서는, 합제부에 변형이 생길 정도의 굴곡은 거의 관찰되지 않고, 용접 시 집전판을 접촉시켰을 때 약간의 구부러짐이 생겼을 뿐이었다. 또, 샘플3은, 보강층이 있음으로써 굴곡은 전무했다. 또한, 샘플1∼3 모두, 합제의 박리나 손상은 전혀 관찰되지 않았다. 한편, 샘플4에서는, 극판 단부를 눌러 평탄면을 성형한 단계에서 합제부의 파손이 다수 관찰되었다. 샘플5에서는, 접합부의 구멍이나 집전체의 파손이 있는 것에서도 굴곡은 관찰되지 않았으나, 합제부의 파손이나 집전판과 접합되지 않은 극판 단부가 다수 관찰되었다.

(인장강도의 측정)

극판단부와 집전판의 인장강도를, JIS Z2241에 기초하여 각 샘플에서 5개씩 추출하여 측정하였다. 구체적으로는, 인장시험기의 한쪽에 전극군을 유지시키고, 다른 쪽에 집전판을 유지시킨 상태에서, 일정 속도로 축방향으로 당겨 접합부가 떨어졌을 때의 하중을 인장강도로 하였다.

그 결과, 샘플1∼3 모두, 인장강도가 50N 이상이었다. 한편, 샘플4에서는 1/5개가, 샘플5에서는 3/5개가 10N 이하의 인장강도에서 접합부가 떨어졌다.

(전지의 내부저항 측정)

각 샘플을, 1250mA의 정전류로 4.2V까지 충전시킨 후, 1250mA의 정전류로 3.0V까지 방전하는 충방전을 3주기 반복한 후, 1kHz의 교류로 이차전지의 내부저항 을 측정하여 접속상태를 평가하였다.

그 결과, 샘플1과 샘플3의 평균 내부저항값은 6mΩ, 차이는 10% 정도였다. 또, 샘플2에서 평균 내부저항값은 5.8mΩ, 차이는 5% 정도였다.

한편, 샘플4의 평균 내부저항값은 11mΩ, 차이는 20% 정도였다. 또, 샘플5의 평균 내부저항값은 12.3mΩ, 차이는 30% 이상이었다.

여기서, 각 샘플의 내부저항 측정값(R)으로부터 평균출력전류(I)를 계산해 보면, 전지를 4.2V까지 충전시킨 후 1.5V까지 방전한 경우, R(저항)×I(전류)=Δ2.7V(전압)이므로,

샘플1 및 3 6.0/1000×I=2.7......I=450A

샘플2 5.8/1000×I=2.7......I=465A

샘플4 12.3/1000×I=2.7......I=219A

샘플5 11/1000×I=2.7......I=245A가 되어, 샘플1∼3은 대전류 방전을 가능하게 할 수 있는 저항값임을 알 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시형태로 설명해왔으나, 이러한 기술은 한정사항이 아니며, 물론 여러 가지 개변이 가능하다. 예를 들어, 상기 실시형태에서 극판 단부의 접합부가 형성된 부위에서의 집전판 표면은 오목부가 됐으나, 돌출부의 일부가 용접되지 않고 집전판 표면이 볼록부로 되어도 된다. 또, 돌출부를 TIG용접으로 용접시켰으나, 예를 들어, 레이저나 전자빔 등을 조사하여 돌출부를 용융시켜도 된다.

또, 본 발명이 적용되는 이차전지는, 그 종류에 특별한 제한은 없으며, 리튬 이온 이차전지 외에 니켈수소 축전지 등에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명과 같은 집전 구조를 갖는 전기화학소자(예를 들어 컨덴서 등)에 적용해도 마찬가지 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은, 안정된 양극판(또는 음극판)과 집전판의 접합부를 구비하며, 대전류 방전에 적합한 집전 구조를 갖는 이차전지에 유용하며, 예를 들어 고출력을 필요로 하는 전동공구나 전기자동차 등의 구동용 전지, 대용량 백업용 전원, 축전용 전원전지 등에 적용할 수 있다. 또한, 같은 집전 구조(컨덴서소자)를 갖는 컨덴서에도 적용할 수 있다.

Claims

양극판 및 음극판이 다공질 절연층을 개재하여 배치된 전극군을 구비한 이차전지의 제조방법에 있어서,

적어도 한쪽 극성의 상기 극판 단부가, 상기 다공질 절연층으로부터 돌출된 상태에서, 상기 양극판 및 상기 음극판이 상기 다공질 절연층을 개재하여 배치된 전극군을 준비하는 공정(a)과,

한 주면에, 안쪽에 틈새부를 갖는 돌출부가 형성된 집전판을 준비하는 공정(b)과,

상기 다공질 절연층으로부터 돌출된 상기 극판 단부를 상기 집전판의 다른 주면에 접촉시키는 공정(c)과,

상기 돌출부를 국소적으로 가열함으로써, 상기 극판 단부와 상기 집전판을 접합하는 공정(d)을 가지며,

상기 공정(d)에서 상기 극판 단부는, 상기 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재에 의하여 상기 집전판에 용접되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 공정(d)에서 상기 극판 단부는, 상기 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재가, 상기 틈새부를 통해 상기 극판 단부로 유도됨으로써, 상기 집전판에 용접되는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 돌출부는, 상기 집전판의 한 주면 상에서 방사형으로 형성되는 이차전지의 제조방법.
청구항 3에 있어서,

상기 전극군은, 상기 양극판 및 상기 음극판이, 상기 다공질 절연층을 개재하여 감긴 구성을 이루는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 돌출부는, 상기 집전판의 한 주면 상에, 상기 양극판 및 상기 음극판의 적층방향으로 평행하게 형성되는 이차전지의 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 전극군은, 상기 양극판 및 상기 음극판이, 상기 다공질 절연층을 개재하여 적층된 구성을 이루는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 돌출부는, 평판으로 이루어지는 상기 집전판을 프레스 가공함으로써, 상기 틈새부를 형성한 상태에서 일체로 형성되는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 돌출부는, 이 돌출부 높이가 상기 집전판 두께보다 크게 형성되는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 돌출부 안쪽에 형성된 상기 틈새부 폭은 상기 집전판 두께 이하로 형성되는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 돌출부 안쪽에 형성된 상기 틈새부는 개구단에서 넓어지는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 돌출부 내측에 형성된 상기 틈새부는 개구단에서 좁아지는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 양극판 및 상기 음극판은, 양극집전체 또는 음극집전체 상에, 양극활물질 또는 음극활물질을 각각 도포한 것으로 이루어지며,

상기 양극집전체 또는 상기 음극집전체의 두께는 20㎛ 이하인 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 다공질 절연층에서 돌출된 상기 극판의 단부는, 상기 집전판의 다른 주면에 수직으로 접촉하는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 공정(d)에 있어서, 상기 극판의 단부는 상기 집전판에 용접되는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 공정(d)에 있어서, 상기 돌출부의 국소적 가열은, 이 돌출부에 에너지를 조사함으로써 실행되는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 공정(c)에 있어서, 상기 전극군의 모든 극판 단부는 상기 집전체의 한 주면에 접촉되는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 공정(d)에 있어서, 적어도 둘 이상의 상기 극판 단부는 상기 집전판의 다른 주면에 형성된 하나의 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재에 의하여 상기 집전판에 용접되는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 다공질 절연층은, 차단(shutdown)기능을 갖는 미세다공질막과, 차단기능을 갖지 않는 절연성 입자를 포함하는 내열성 다공질막으로 구성되는 이차전지의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 이차전지는 리튬이온 이차전지인 이차전지의 제조방법.
양극판 및 음극판이 다공질 절연층을 개재하여 배치된 전극군을 구비한 이차전지의 제조방법에 있어서,

적어도 한쪽 극성의 상기 극판 단부가, 상기 다공질 절연층으로부터 돌출된 상태에서, 상기 양극판 및 상기 음극판이 상기 다공질 절연층을 개재하여 배치된 전극군을 준비하는 공정(a)과,

복수의 관통공이 형성된 집전판을 준비하는 공정(b)과,

상기 다공질 절연층으로부터 돌출된 상기 극판 단부를 상기 집전판의 다른 주면에 접촉시키는 공정(c)과,

상기 관통공에 용융금속을 유입함으로써, 상기 극판 단부와 상기 집전판을 접합하는 공정(d)을 가지며,

상기 공정(d)에서 상기 극판 단부는, 상기 관통공을 통해 상기 극판 단부로 유도된 상기 용융금속에 의하여 상기 집전판에 용접되는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
청구항 20에 있어서,

상기 관통공의 크기는 상기 집전판 두께 이하인 이차전지의 제조방법.
청구항 20에 있어서,

상기 공정(d)에 있어서, 상기 용융금속은 용접봉을 가열함으로써, 이 용접봉이 용융되어 생성된 용융부재에 의하여 공급되는 이차전지의 제조방법.
양극판 및 음극판이 다공질 절연층을 개재하여 배치된 전극군을 구비한 이차전지에 있어서,

적어도 한쪽 극성의 상기 극판 단부가, 상기 다공질 절연층으로부터 돌출되며, 이 돌출된 극판의 단부가, 집전판의 한 주면에 접촉된 상태에서, 이 집전판에 접합되고,

상기 극판 단부는, 상기 집전판의 다른 주면에 형성된 돌출부가 용융되어 생성된 용융부재가, 상기 돌출부 안쪽에 형성된 틈새부를 통해 상기 극판 단부로 유 도되어 상기 집전판에 용접되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
청구항 23에 있어서,

상기 전극군은, 상기 양극판 및 상기 음극판이 상기 다공질 절연층을 개재하여 감긴 구성을 이루며,

상기 극판 단부의 접합부는, 상기 집전판의 한 주면 내에서 방사형 부위에 형성되는 이차전지.
청구항 23에 있어서,

상기 전극군은, 상기 양극판 및 상기 음극판이 상기 다공질 절연층을 개재하여 적층된 구성을 이루며,

상기 극판 단부의 접합부는, 상기 집전판의 한 주면에서 상기 양극판 및 상기 음극판의 적층방향과 평행인 부위에 형성되는 이차전지.
청구항 23에 있어서,

상기 극판 단부의 접합부가 형성된 부위의 상기 집전판의 다른 주면은 오목부로 된 이차전지.
청구항 1 또는 20에 기재된 이차전지의 제조방법으로 제조된 이차전지.