KR20110137709A - 이차전지용 금속박 및 이차전지 - Google Patents

이차전지용 금속박 및 이차전지 Download PDF

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히로시 후루키
히데야 마츠나가
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파인네쿠스 가부시키가이샤
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Abstract

개구부 형성시에 절단 부스러기가 적게 발생하고, 강도를 유지하면서 개구율을 크게 할 수 있는 이차전지용 금속박, 및 전극 부스러기의 발생에 의한 합선을 억제할 수 있는 이차전지를 제공한다.
이차전지용 금속박(1)은 금속제의 박판(2)과, 박판(2)의 제 1 메인면(2a)에 소성가공에 의해 형성된 복수의 제 1 철부(3A)와, 제 1 메인면(2a)과 반대측의 제 2 메인면(2b)에 소성가공에 의해 형성된 복수의 제 2 철부(3B)를 구비하고, 각 철부(3A, 3B)는 개구면(31a)이 메인면(2a, 2b)에 직교 또는 거의 직교하는 개구부(31)를 구비한다.

Description

이차전지용 금속박 및 이차전지{METAL FOIL FOR SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지용 금속박 및 이차전지에 관한 것이다.
근래, 휴대전화나 노트북 컴퓨터 등의 포터블 기기의 보급, 전기자동차나 하이브리드 자동차의 개발 및 실용화에 동반하여, 소형이면서 고용량인 이차전지에 대한 요구가 강해지고 있다. 그중에서도, 리튬 이온전지는 경량이면서 에너지 밀도가 높은 점으로부터 많은 분야에서 사용되고 있다.
기본적으로, 리튬 이온전지는 양극과, 음극과, 양극과 음극의 사이를 절연하는 세퍼레이터와, 양극과 음극 사이에서 이온의 이동을 가능토록 하는 전해액으로 구성되어 있다.
일반적으로, 양극은 띠 모양의 알루미늄박으로 구성되는 금속박의 앞뒤면에 코발트산리튬 등의 활물질을 도포한 것이 사용된다. 한편, 음극은 띠 모양의 동박으로 구성되는 금속박의 앞뒤면에 탄소재료 등의 활물질을 도포한 것이 사용된다.
알루미늄박이나 동박으로 구성되는 금속박의 앞뒤면에 활물질을 도포한 경우, 금속박과 활물질이 잘 일체화되지 않아, 활물질이 탈락하기 쉬운 단점이 있다. 이 때문에, 금속박에 관통공을 형성하고, 금속박의 앞뒤면에 도포되는 활물질을 관통공을 통해 일체화하는 것에 의해, 활물질의 탈락을 방지하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
이 금속박은, 원뿔모양의 철부가 형성된 한 쌍의 롤러 사이에 금속박을 통과시켜 가공하는 롤가공에 의해, 표면과 이면에 복수의 원뿔 모양의 관통공을 형성한 3차원 형상으로 되어 있다.
한편, 박판에 슬릿을 형성하고, 슬릿의 방향과 직교하는 방향으로 박판을 확장시켜 가공하는 라스가공에 의해 관통공을 형성하는 방법도 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
일본 공개 특허 2002-198055호 공보 일본 공개 특허 2002-216775호 공보
그러나, 롤가공에 의해 관통공을 형성하는 방법에서는, 절단 부스러기가 발생하기 때문에, 절단 부스러기의 회수 처리가 필요하게 된다. 또한, 라스가공에 의해 관통공을 형성하는 방법에서는, 확장율을 높이면 활물질의 도포시에 발생하는 장력에 대한 강도가 부족하게 되기 때문에, 개구율을 크게 할 수 없다.
따라서, 본 발명은, 개구부 형성시의 절단 부스러기가 적게 발생하고, 강도를 유지하면서 개구율을 크게 할 수 있는 이차전지용 금속박, 및 전극 부스러기의 발생에 의한 합선을 억제할 수 있는 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 따른 이차전지용 금속박은, 금속제의 박판과, 상기 박판의 일 메인면에 소성가공에 의해 형성되고, 개구면이 상기 일 메인면에 직교 또는 거의 직교하는 개구부를 갖는 복수의 철부를 구비한다.
상기 복수의 철부는, 상기 박판의 상기 일 메인면, 및 상기 일 메인면과 반대측의 메인면에 형성되어도 좋다.
상기 철부는, 복수의 개구부를 구비하는 구성이어도 좋다.
상기 철부는, 상기 개구부 형성시의 상기 소성가공에 의해 슬릿이 형성되어도 좋다.
본 발명의 실시형태에 따른 이차전지용 금속박은, 금속제의 박판과, 상기 박판에 형성된 절개선의 한쪽 영역이 소성변형에 따라 팽출되는 것에 의해 형성된 개구부를 갖는 복수의 철부를 구비한다.
본 발명의 실시형태에 따른 이차전지는, 상기의 어느 한 이차전지용 금속박을 양극 또는 음극의 전극 베이스체로서 사용한다.
본 발명의 이차전지용 금속박에 의하면, 개구부 형성시의 절단 부스러기가 적게 발생하고, 강도를 유지하면서 개구율을 크게 할 수 있다.
본 발명의 이차전지에 의하면, 전극 부스러기의 발생에 의한 합선을 억제할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 이차전지용 금속박을 나타내는 것으로서, (a)는 메인부분의 사시도, (b)는 메인부분의 평면도.
도 1b의 (c)는 도 1a의 (a)에 나타내는 A-A선 단면도, 도 1b의 (d)는 도 1a의 (a)에 나타내는 B-B선 단면도, 도 1b의 (e)는 도 1b의 (c)의 변형예를 나타내는 단면도.
도 2a는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 이차전지용 금속박을 나타내는 것으로서, (a)는 메인부분의 사시도, (b)는 메인부분의 평면도.
도 2b의 (c)는 도 2a의 (a)에 나타내는 C-C선 단면도, 도 2b의 (d)는 도 2a의 (a)에 나타내는 D-D선 단면도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 이차전지용 금속박의 메인부분의 사시도.
도 4a는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 이차전지용 금속박을 나타내는 것으로서, (a)는 메인부분의 사시도, (b)는 메인부분의 평면도.
도 4b의 (c)는 도 4a의 (a)에 나타내는 E-E선 단면도, 도 4b의 (d)는 도 4a의 (a)에 나타내는 F-F선 단면도.
도 5는 철부의 변형예를 나타내는 것으로서, (a)∼(e)는 평면도, (f), (g)는 사시도.
도 6은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 리튬 이온전지의 일부를 잘라낸 사시도.
[제 1 실시형태] 도 1a는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 이차전지용 금속박을 나타내는 것으로서, (a)는 메인부분의 사시도이고, (b)는 메인부분의 평면도이다. 도 1b의 (c)는 도 1a의 (a)에 나타내는 A-A선 단면도이고, 도 1b의 (d)는 도 1a의 (a)에 나타내는 B-B선 단면도이고, 도 1b의 (e)는 도 1b의 (c)의 변형예를 나타내는 단면도이다.
이차전지용 금속박(1)은, 금속제의 박판(2)과, 박판(2)의 제 1 메인면(2a) 및 제 1 메인면(2a)과 반대측의 제 2 메인면(2b)에 각각 일체로 형성된 복수의 제 1 및 제 2 철부(3A, 3B)를 구비한다. 또, 철부는 한쪽의 메인면에만 형성되어 있어도 좋다.
박판(2)은, 예를 들면 알루미늄, 구리, 니켈, 이들의 합금, 니켈도금강판 등의 금속으로 형성된다. 또한, 박판(2)의 두께는, 예를 들면 20∼100㎛이다. 박판(2)의 평면 형상은 이차전지에 대응하여 띠 모양 또는 사각형 형상을 갖는다.
박판(2)에는 직선형태의 절개선(30)이 형성되고, 소성가공에 의해 철부(3A, 3B)가 형성된다. 절개선(30)의 길이는, 예를 들면 0.2∼0.3㎜이다. 또, 절개선(30)은 직선형태에 한정되지 않는다.
제 1 철부(3A)는 제 1 메인면(2a)에 형성되고, 제 2 철부(3B)는 제 2 메인면(2b)에 형성된다. 또, 제 1 철부(3A)는 제 2 메인면(2b)에서 볼 때는 요부(3A')이고, 제 2 철부(3B)는 제 1 메인면(2a)에서 볼 때는 요부(3B')이다. 또한, 철부(3A, 3B)는 도 1b의 (c), (d)에 나타내는 바와 같이, 개구면(31a)이 메인면(2a, 2b)에 직교하는 개구부(31)를 갖는다. 철부(3A, 3B)의 높이는, 예를 들면 0.05∼0.2㎜이다. 한 철부가 갖는 개구부는, 1개에 한정되지 않고, 2개 또는 3개 이상이어도 좋다. 또한, 개구면(31a)은 도 1b의 (e)에 나타내는 바와 같이, 메인면(2a)에 거의 직교(예를 들면 경사각 θ이 ±15°이내)해도 좋다.
철부(3A) 및 철부(3B)는 제 1 철부(3A)로 이루어지는 라인과 제 2 철부(3B)로 이루어지는 라인이 교대로 배치되어, 전체적으로 하운드투스 체크 패턴(houndstooth check pattern)으로 배열된다. 철부(3A)의 개구부(31)는 X라인 방향의 X1 방향을 향해 개구되고, 철부(3B)의 개구부(31)는 X라인 방향의 X2 방향을 향해 개구된다.
(철부의 형성방법) 철부(3A, 3B)는 박판(2)에 형성된 절개선(30)의 한쪽 영역이 소성변형에 따라 팽출되는 것에 의해 형성된다. 구체적으로, 철부(3A, 3B)는 표면에 철부가 형성된 금속제의 롤과, 표면이 고무 등의 탄성부재로 형성된 롤 사이에 박판(2)을 통과시켜 가공하는 롤가공에 의해 형성할 수 있다.
또한, 철부(3A, 3B)는 표면에 철부 및 요부가 형성된 금속제의 하측 플레이트와, 하면에 하측 플레이트의 철부 및 요부에 대응한 위치에 요부 및 철부가 형성된 금속제의 상측 플레이트 사이에 박판(2)을 삽입하고, 상측 플레이트를 하측 플레이트측으로 가압하여 가공하는 프레스가공에 의해서도 형성할 수 있다.
또, 박판(2)의 마주하는 변두리의 근방에, 박판(2)을 반송하기 위한, 즉 철부(3A, 3B)가 형성되지 않은 폭 수 ㎜정도의 캐치 영역이 형성되어 있어도 좋다.
(본 실시형태의 효과) 본 실시형태에 의하면, 다음과 같은 효과를 발휘한다. (a) 롤가공이나 프레스가공에 의해 관통공을 형성하는 경우에 비해, 개구부(31) 형성시의 절단 부스러기가 전혀 발생하지 않거나, 발생해도 극소량으로 억제할 수 있다. 이 때문에, 절단 부스러기의 회수 처리가 거의 불필요하게 되고, 이차전지용 금속박의 생산성이 향상된다. (b) 이차전지용 금속박의 양면에 활물질을 도포하였을 때, 활물질이 개구부(31)로부터 철부(3A, 3B)의 내측으로 진입하여, 두 메인면(2a, 2b)에 도포된 활물질이 개구부(31)를 통해 일체화되기 때문에, 활물질의 밀착성을 향상시킬 수 있다. (c) 철부(3A, 3B)의 높이를 조정하는 것으로, 비교적 쉬운 조정에 의해 개구율을 변경할 수 있다. (d) 박판(2)의 체적 및 표면적을 줄이지 않고 개구부(31)를 형성할 수 있으므로, 라스가공에 비해 강도를 유지하면서 개구율을 크게 할 수 있다.
[제 2 실시형태] 도 2a는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 이차전지용 금속박을 나타내는 것으로서, (a)는 메인부분의 사시도이고, (b)는 메인부분의 평면도이다. 도 2b의 (c)는 도 2a의 (a)에 나타내는 C-C선 단면도이고, 도 2b의 (d)는 도 2a의 (a)에 나타내는 D-D선 단면도이다.
본 실시형태는, 제 2 메인면(2b)에 형성한 제 2 철부(3B)의 개구부(31)를 제 1 메인면(2a)에 형성한 제 1 철부(3A)의 개구부(31)와 동일 방향으로 하고, 그 외는 제 1 실시형태와 동일하게 구성되어 있다. 제 2 실시형태는, 제 1 실시형태와 동일한 방법으로 제조할 수 있고, 제 1 실시형태와 동일한 효과를 발휘한다.
[제 3 실시형태] 도 3은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 이차전지용 금속박의 메인부분의 사시도이다. 본 실시형태는, 철부를 X라인 방향 및 Y라인 방향으로 격자 모양(매트릭스 모양)으로 배열하고, 그 이외는 제 1 실시형태와 동일하게 구성되어 있다.
박판(2)의 제 1 메인면(2a)에 복수의 제 1 철부(3A)를 하운드투스 체크 패턴으로 형성하고, 제 2 메인면(2b)에 제 1 철부(3A)의 사이에 위치하도록 복수의 철부(3B)를 하운드투스 체크 패턴으로 형성하는 것에 의해, 철부(3A, 3B)가 X라인 방향 및 Y라인 방향으로 격자 모양(매트릭스 모양)으로 배열되어 있다. 철부(3A)의 개구부(31)는 X라인 방향의 X1 방향을 향해 개구되고, 철부(3B)의 개구부(31)는 X라인 방향의 X2 방향을 향해 개구된다.
제 3 실시형태는 제 1 실시형태와 동일한 방법으로 제조할 수 있고, 개구율을 제 1 및 제 2 실시형태보다 크게 할 수 있다.
[제 4 실시형태] 도 4a는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 이차전지용 금속박을 나타내는 것으로서, (a)는 메인부분의 사시도이고, (b)는 메인부분의 평면도이다. 도 4b의 (c)는 도 4a의 (a)에 나타내는 E-E선 단면도이고, 도 4b의 (d)는 도 4a의 (a)에 나타내는 F-F선 단면도이다.
본 실시형태는, 제 1 실시형태에 대해 철부의 형상을 변환하고, 그 이외는 제 1 실시형태와 동일하게 구성되어 있다.
제 1 철부(4A)는 제 1 메인면(2a)에 형성되고, 제 2 철부(4B)는 제 2 메인면(2b)에 형성되어 있다. 철부(4A, 4B)는 마주하는 위치에 한 쌍의 개구부(41)를 구비한다. 개구부(41)의 개구면(41a)은 제 1 실시형태와 마찬가지로, 메인면(2a, 2b)에 직교 또는 거의 직교한다.
제 4 실시형태는, 제 1 실시형태와 동일한 방법으로 제조할 수 있고, 제 1 실시형태와 동일한 효과를 발휘한다.
(철부의 변형예) 도 5는 철부의 변형예를 나타내는 것으로서, (a)∼(e)는 평면도이고, (f), (g)는 사시도이다.
도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 철부(5A)를 형성하기 위한 절개선(30A)은 외측으로 팽출된 원호 모양이어도 좋고, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 철부(5B)를 형성하기 위한 절개선(30B)은 내측으로 팽출된 원호 모양이어도 좋다. 또한, 도 5(c)에 나타내는 바와 같이, 철부(5C)를 형성하기 위한 절개선(30C)은 "ㄷ" 자 모양 또는 "U" 자 모양이어도 좋다. 또한, 도 5(d)에 나타내는 바와 같이, 철부(5D)를 형성하기 위한 절개선(30D)은 중앙에 내측으로 돌출되는 돌출부(33)를 갖는 것이어도 좋고, 도 5(e)에 나타내는 바와 같이, 철부(5E)를 형성하기 위한 절개선(30E)은 중앙에 외측으로 돌출되는 돌출부(34)를 갖는 것이어도 좋다.
도 5(f)에 나타내는 바와 같이, 철부(5F)에 소성가공에 의한 균열(또는 슬릿)(32)이 형성되어 있어도 좋다. 이 철부(5F)에 의하면, 절단 부스러기가 전혀 발생하지 않거나, 발생해도 극소량으로 억제할 수 있다. 또한, 도 5(g)에 나타내는 바와 같이, 한 철부(5E)에 대해 3개의 절개선(30)을 형성하고, 3개의 개구부(31)를 형성해도 좋다.
[제 5 실시형태] 도 6은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 리튬 이온전지의 일부를 잘라낸 사시도이다.
리튬 이온전지(10)는 저부(11a)를 갖는 원형 전지 케이스(11)와, 전지 케이스(11)에 수납되고 양극(12)과 음극(13)을 세퍼레이터(14)를 개재하여 소용돌이 모양으로 권취된 전극군(15)과, 전지 케이스(11) 내에 주입된 전해액과, 전지 케이스(11)의 개방구를 가스킷(16)을 개재하여 폐쇄하는 고무 밸브(18)를 갖는 캡(17)을 구비한다.
양극(12)은, 상기 제 1∼제 4 실시형태에 따른 금속박(1)을 필요한 사이즈로 가공하여 띠 모양의 전극 베이스체로 하고, 이 전극 베이스체의 양면에 활물질을 도포한 것이고, 전극 베이스체의 상방의 단부가 양극 집전판(19)을 개재하여 캡(17)에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 양극 집전판(19)을 사용하지 않고 전극 베이스체의 상방의 단부가 캡(17)에 직접 접하는 구조이어도 좋다.
음극(13)은, 상기 제 1∼제 4 실시형태에 따른 금속박(1)을 필요한 사이즈로 가공하여 띠 모양의 전극 베이스체로 하고, 이 전극 베이스체의 양면에 활물질을 도포한 것이고, 전극 베이스체의 하방의 단부가 음극 집전판(20)을 개재하여 전지 케이스(11)의 저부(11a)에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 음극 집전판(20)을 사용하지 않고 전극 베이스체의 하방의 단부가 전지 케이스(11)의 저부(11a)에 직접 접하는 구조이어도 좋다.
활물질은, 양극용으로서 예를 들면 코발트산리튬이 사용되고, 음극용으로서 예를 들면 탄소재료가 사용되며, 이들에 도전조제나 결착제 등을 적절히 첨가한 것이 사용된다.
세퍼레이터(14)는, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등으로 구성되는 다공성 필름을 사용할 수 있다.
전해액은, 예를 들면 리튬염을 유기용매에 용해한 것이 사용된다.
본 실시형태에 따른 리튬 이온전지에 의하면, 전극 베이스체로부터의 전극 부스러기의 탈락을 줄일 수 있고, 이에 의해 전극 사이의 합선을 억제할 수 있다.
또, 본 발명은 상기 각 실시형태에 한정되지 않고, 그 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 제 5 실시형태에서는 리튬 이온전지에 대해 설명했지만, 본 발명은 니켈/수소축전지(Ni/MH 전지) 등의 기타 이차전지나 각형 이차전지에도 적용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명을 각형 이차전지에 적용하는 경우에는, 제 1∼제 4 실시형태에 따른 금속박(1)을 가공하여 사각형의 전극 베이스체로 하고, 이 전극 베이스체의 양면에 활물질을 도포하여 양극과 음극을 형성하고, 양극과 음극을 세퍼레이터를 개재하여 적층하여 전극군을 형성하고, 이 전극군을 사각형 전지 케이스 내에 수납하여 제조된다.
1 이차전지용 금속박
2 박판
2a 제 1 메인면
2b 제 2 메인면
3A, 4A 제 1 철부
3A' 3B' 4A' 4B' 요부(凹部)
3B, 4B 제 2 철부
5A∼5G 철부(凸部)
10 리튬 이온전지
11 전지 케이스
11a 저부(底部)
12 양극
13 음극
14 세퍼레이터
15 전극군
16 가스켓(gasket)
17 캡
18 고무 밸브
19 양극 집전판
20 음극 집전판
30, 30A∼30E 절개선
31 개구부
31a 개구면
32 균열(슬릿)
33, 34 돌출부
41 개구부
41a 개구면

Claims (6)

  1. 금속제의 박판과,
    상기 박판의 일 메인면에 소성가공에 의해 형성되고, 개구면이 상기 일 메인면에 직교 또는 거의 직교하는 개구부를 갖는 복수의 철부를 구비하는 이차전지용 금속박.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 철부는, 상기 박판의 상기 일 메인면, 및 상기 일 메인면과 반대측의 메인면에 형성되는 이차전지용 금속박.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 철부는 복수의 개구부를 구비하는 이차전지용 금속박.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 철부는, 상기 개구부 형성시의 상기 소성가공에 의해 슬릿이 형성되는 이차전지용 금속박.
  5. 금속제의 박판과,
    상기 박판에 형성된 절개선의 한쪽 영역이 소성변형에 따라 팽출되는 것에 의해 형성된 개구부를 갖는 복수의 철부를 구비하는 이차전지용 금속박.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중의 어느 한 항에 기재의 이차전지용 금속박을 양극 또는 음극의 전극 베이스체로서 사용한 이차전지.
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