KR20110039992A - 무지부 전체가 절연보호되어 있는 젤리-롤형 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무지부의 절연보호를 통해 안전성이 향상된 리튬 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명은, 양극활물질, 양극집전체, 및 탭을 포함하고, 상기 양극집전체는 무지부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 것이며, 상기 무지부의 적어도 하나 이상에 상기 탭이 구비되는 양극; 음극활물질, 음극집전체, 및 탭을 포함하고, 상기 음극집전체는 무지부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 것이며, 상기 무지부의 적어도 하나 이상에 상기 탭이 구비되는 음극; 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 구비되는 분리막을 포함하는 젤리-롤형 이차전지에 있어서, 상기 양극은 탭이 구비되지 않은 무지부 말단의 실질적인 전체에 절연보호층이 구비되어 있는 것임을 특징으로 한다. 본 발명은 음극 탭이 구비된 무지부 상의 덴드라이트 형성을 억제하고, 내부 단락 발생률을 저하시키므로, 종국적으로 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

활물질, 집전체, 탭, 절연테이프, 무지부, 덴드라이트, 아일랜드, 젤리 롤, 이차 전지

Description

무지부 전체가 절연보호되어 있는 젤리-롤형 이차 전지{JELLY-ROLL TYPE SECONDARY BATTERY CHARACTERIZED BY THAT SUBSTANTIALLY TOTAL OF ACTIVE MATERIAL-NON-COATED PORTION IS INSULATED}

본 발명은 무지부의 절연보호를 통해 안전성이 향상된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

일반적으로 리튬 이온 이차 전지는 양극 도전 포일과 음극 도전 포일에 각각 활물질을 일정한 두께로 코팅하고, 상기 양 도전 포일 사이에는 분리막이 개재되도록 하여 대략 젤리 롤(jelly roll) 내지는 원통형태로 다수회 권취하여 제작한 전극조립체를 원통형 또는 각형 캔, 파우치 등에 수납하고 이를 밀봉 처리하여 제작된다. 물론, 상기 도전 포일에는 전지 외부로부터 충전 전원이 인가되거나 또는 전지 외부로 방전 전원이 인가될 수 있도록 도전용 탭이 용접되어 외부로 일정 길이 연장되어 있다. 즉, 양극 도전 포일에는 양극 도전 탭이, 음극 도전 포일에는 음극 도전탭이 용접되어 있다.

또한, 이러한 양극 도전 탭 및 음극 도전 탭의 표면에는 분리막의 파손을 방지하고, 각 도전 포일과의 직접적인 쇼트를 예방할 수 있도록 일정 두께의 절연 테이프가 부착되어 있다.

종래의 기술은 쇼트 방지를 목적으로 탭에 구비되는 절연 테이프를 가급적 최소한만 사용하였다. 이는 전지의 두께 및 활물질의 양을 고려한 것인데, 자세히 설명하면 아래와 같은 이유에서이다.

통상적으로 도전 포일은 대략 10㎛ 내외, 활물질은 대략 120㎛ 내외, 도전 탭은 대략 100㎛ 내외, 절연 테이프는 대략 40㎛ 의 두께를 가지는데, 상기 탭에 절연테이프가 구비되면 절연 테이프의 두께만큼 부피가 늘어나가게 된다. 즉, 늘어난 부피만큼 전지가 커질 수 있고, 같은 크기의 케이스라면 그만큼의 활물질을 적게 함유할 소지가 있는 것이다.

따라서, 종래의 전지제조 방법에 있어서, 상기 탭에 구비되는 절연테이프는 탭만을 겨우 감쌓을 수 있을 정도의 최소한으로만 구비되었다.

또한, 활물질 도포된 부분과 미도포된 부분(무지부) 사이에는 단차에 의한 활물질 탈리가 일어날 소지가 있어, 이 부분에 절연테이프가 구비된다. 절연테이프 역시 상기한 절연테이프의 경우와 같은 이유로 최소한만 사용되고, 무지부 전체를 덮지 아니하였다.

그런데, 종래의 제조방법은 아래와 같은 이유로 전지의 안전성을 해치게 될 우려가 있다.

전극 호일(집전체)에 전극 활물질을 도포하는 과정은 통상적으로 활물질이 일정한 크기와 모양의 노즐을 통해 토출됨과 동시에, 상기 노즐이 도포를 원하는 부위를 따라 이동하면서 일정한 두께로 전극 활물질을 도포하는 방식을 취한다. 이 경우 활물질은 원하는 부위에만 도포되지는 것이 바람직하겠으나, 실공정상으로는 그렇지 않다. 실공정상에서는 노즐에서 토출된 활물질은 마이크로 스케일로 도포를 원하지 않는 부위에도 미세하게 날아가 증착하는 일이 일어난다. 이렇게 원하지 않는 부위에 마이크로 스케일로 활물질이 도포되는 현상은 거의 모든 활물질 도포공정에서 일어나는 것으로 알려져있다. 이렇게 증착된 활물질의 미소단위를 아일랜드(island)라 부른다(이러한 아일랜드는 최근 전지의 안전성 향상을 위한 연구과정에 새롭게 알려진 것으로 종래의 기술은 이러한 것에 대해 인식조차 못하고 있는 실정이다).

이렇듯 원치않는 무지부에 형성된 아일랜드는 전지의 안전성에 큰 악영향을 미친다. 특히, 양극에 형성된 아일랜드가 분리막을 사이에 두고 음극탭이 구비한 무지부와 대면되게 되면, 충·방전 과정에서 양극에 형성된 아일랜드로 인해 음극에서 덴드라이트(dendrite)가 자라날 수 있게 된다. 이렇게 형성된 덴드라이트는 종국적으로는 분리막으로 파괴할 수도 있고, 단락을 유발시킬 수도 있으므로, 전지의 안전성을 크게 해치게 되는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자, 양극 탭이 구비되지 않은 무지부 전체를 절연테이프로 절연시켜 안정성이 높은 전지를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,

양극활물질, 양극집전체, 및 탭을 포함하고, 상기 양극집전체는 무지부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 것이며, 상기 무지부의 적어도 하나 이상에 상기 탭이 구비되는 양극;

음극활물질, 음극집전체, 및 탭을 포함하고, 상기 음극집전체는 무지부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 것이며, 상기 무지부의 적어도 하나 이상에 상기 탭이 구비되는 음극; 및

상기 양극 및 상기 음극 사이에 구비되는 분리막을 포함하는 젤리-롤형 이차전지에 있어서,

상기 양극은 탭이 구비되지 않은 무지부 말단의 실질적인 전체에 절연보호층이 구비되어 있는 것임을 특징으로 하는 젤리-롤형 이차전지를 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 절연보호층은 절연테이프로 형성되는 것임을 특징으로 하는 젤리-롤형 이차전지를 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 절연테이프는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 또는 폴리이미드(PI) 소재의 고분자인 것임을 특징으로 하는 젤리-롤형 이차전지를 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 양극집전체는 알루미늄호일인 것임을 특징으로 하는 젤리-롤형 이차전지를 제공한다.

본 발명은 음극 탭이 구비된 무지부 상의 덴드라이트 형성을 억제하고, 내부 단락 발생률을 저하시키므로, 종국적으로 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은,

양극활물질, 양극집전체, 및 탭을 포함하고, 상기 양극집전체는 무지부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 것이며, 상기 무지부의 적어도 하나 이상에 상기 탭이 구비되는 양극;

음극활물질, 음극집전체, 및 탭을 포함하고, 상기 음극집전체는 무지부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 것이며, 상기 무지부의 적어도 하나 이상에 상기 탭이 구비되는 음극; 및

상기 양극 및 상기 음극 사이에 구비되는 분리막을 포함하는 젤리-롤형 이차전지에 있어서,

상기 양극은 탭이 구비되지 않은 무지부 말단의 실질적인 전체에 절연보호층 이 구비되어 있는 것임을 특징으로 한다.

도 1 에는 본 발명의 양극이 종래로부터 구별되는 기술적 특징에 대해 도시하였다.

본 발명에 있어서, 상기 절연보호층은 상기 양극에 있을지 모르는 아일랜드 덮어 전기적으로 절연시키는 역할을 한다.

상기 절연보호층은 절연성이 있는 다양한 물질로 제한없이 제조될 수 있지만, 공정상 편의를 고려하면 절연테이프로 형성하는 것이 바람직하다.

통상적으로 활물질과 집전체 무지부 간의 단차로 인한 활물질의 탈리가 일어나기 쉬운데, 이러한 현상을 막기 위해 활물질과 무지부의 단차 부분에 테이프를 붙인다(상기 테이프를 절연테이프 또는 라미네이션테이프 등으로 부른다).

종래에는 활물질과 무지부 단차 부분에 짧게 절연테이프가 최소한으로 붙착되었고, 절연테이프가 붙착되지 않은 양극 무지부 말단(탭이 구비되지 않은 무지부 말단임)을 그대로 방치하였다. 그런데, 이러한 무지부 말단은 아일랜드가 형성되어 있을 수 있고, 이러한 아일랜드는 음극 무지부상에 덴드라이트를 형성시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 양극은 탭이 구비되지 않은 무지부 말단의 실질적인 전체에 절연보호층이 구비하여, 혹시 형성되었을지 모를 아일랜드를 전기적으로 절연하여 충·방전 과정에서 활성화되지 못하게끔 하는 것이다.

특히, 본 발명에 있어서, 상기 양극 무지부에 형성되는 절연보호층은 다양한 방법으로 형성될 수 있지만, 아래와 같은 방법들로 형성될 수 있다.

우선 양극집전체에 양극활물질 도포 후 절연테이프를 활물질·집전체 단차부분에 붙인다. 이 때에, 절연테이프는 활물질의 일부분과 무지부의 일부분에 걸쳐서 접착되는데, 절연테이프가 붙착되지 않은 부분을 절단하여 절연보호층이 구비되지 않은 무지부를 절단·제거하면, 무지부 말단의 실질적 전체에 절연보호층을 형성할 수 있다.

또한, 상기 절연테이프를 무지부 말단 끝까지 연장하여 무지부를 모두 덮게끔 붙착하는 방법으로도 절연보호층을 형상할 수 있다. 다만, 이 방법은 절연테이프가 첫번째 방법에 비해 많이 소요되므로 비용측면에서 바람직하지 않을 수도 있다.

상기 절연테이프는, 두께에 있어서, 얇은 것이 바람직하다. 활물질 도포 부위와 무지부간의 단차가 형성된 부분은 집전체가 압력을 받는 경우에 집전체의 손상을 가져올 수 있는 부분이 될 수 있다. 즉, 원통형 전지를 제조하기 위해 전극과 분리막을 권취하는 경우, 무지부와 활물질 도포 부위간의 집전체에는 특히 다른 곳보다 많은 압력을 받을 수 있게 되고, 이 부분에 전기적 단선이 일어날 우려가 있는 것이다. 절연테이프의 두께는 20 ~ 60 ㎛인 것이 적당하다. 20 ㎛ 미만에서는 절연테이프의 두께가 너무 얇아 절연효과가 미흡할 우려가 있을 수 있고, 60 ㎛ 초과에서는 절연테이프의 두께가 너무 두꺼워 바람직하지 않다.

상기 절연테이프는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 또는 폴리이미드(PI) 소재의 고분자인 것인 것이 통상적으로 사용된다.

무지부의 ‘실질적인 전체’(substantially total)를 덮는다는 의미는 양극에 형성된 아일랜드에 의해서 음극에서 덴드라이트가 자라나지 않을 정도로 충분한 정도의 절연상태를 만들 정도로 무지부를 절연피복하는 것을 말한다. 또한, 상기 무지부는 활물질이 도포되지 아니한 집전체의 영역으로, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 자명한 용어이다.

상기 양극집전체는 특별한 제한없이 종래에 리튬이차전지 양극제조 사용되는 집전체를 사용할 수 있다. 통상적으로 알루미늄 호일을 사용하여 제작한다.

탭이 구비되지 않은 양극 집전체 무지부 말단 실질적 전체를 절연피복한다는 본 발명의 특징을 제외하고, 젤리-롤형 이차전지의 나머지 구성요소 및 제조방법은 종래의 것을 제한없이 사용할 수 있다. 이러한 종래의 방법은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 자명하므로 본 명세서 상에서의 설명은 생략한다.

도 1에서 본 발명이 해결하고자 하는 과제 및 본 발명의 기술적 특징을 모식적으로 나타낸 도면.

Claims (4)

1. 양극활물질, 양극집전체, 및 탭을 포함하고, 상기 양극집전체는 무지부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 것이며, 상기 무지부의 적어도 하나 이상에 상기 탭이 구비되는 양극;

   음극활물질, 음극집전체, 및 탭을 포함하고, 상기 음극집전체는 무지부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 것이며, 상기 무지부의 적어도 하나 이상에 상기 탭이 구비되는 음극; 및

   상기 양극 및 상기 음극 사이에 구비되는 분리막을 포함하는 젤리-롤형 이차전지에 있어서,

   상기 양극은 탭이 구비되지 않은 무지부 말단의 실질적인 전체에 절연보호층이 구비되어 있는 것임을 특징으로 하는 젤리-롤형 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연보호층은 절연테이프로 형성되는 것임을 특징으로 하는 젤리-롤형 이차전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 절연테이프는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 또는 폴리이미드(PI) 소재의 고분자인 것임을 특징으로 하는 젤리- 롤형 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 양극집전체는 알루미늄 호일인 것임을 특징으로 하는 젤리-롤형 이차전지.

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