KR20120080519A - 이차전지 - Google Patents

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KR20120080519A
KR20120080519A KR20110108113A KR20110108113A KR20120080519A KR 20120080519 A KR20120080519 A KR 20120080519A KR 20110108113 A KR20110108113 A KR 20110108113A KR 20110108113 A KR20110108113 A KR 20110108113A KR 20120080519 A KR20120080519 A KR 20120080519A
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plate
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Abstract

본 발명은 제1 전극 물질로 코팅된 제1 코팅부와 제1 무지부를 구비하는 제1 극판과, 제2 전극 물질로 코팅된 제2 코팅부와 제2 무지부를 구비하는 제2 극판, 및 제1 극판 및 제2 극판 사이에 구비되는 세퍼레이터를 포함하며, 제1 무지부와 제1 코팅부 사이의 제1 길이가 제2 무지부와 제2 코팅부 사이의 제2 길이 보다 긴 전극 조립체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

이차전지{Secondary Battery}
본 발명은 이차전지에 관한 것으로 보다 상세하게는 이차전지의 구조에 관한 것이다.
최근 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 휴대용 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 따라서, 휴대용 전기/전자 장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 이러한 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 대표적인 이차전지에는 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 이차 전지 등이 있다. 특히, 리튬 이온 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 작동 전압이 약 3배나 높다. 또한, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 널리 사용되고 있다. 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다.
본 발명은 이차전지에 관한 것으로 보다 상세하게는 이차전지의 구조에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 활물질로 코팅된 제1 코팅부와 제1 무지부를 구비하는 제1 극판; 제2 활물질로 코팅된 제2 코팅부와 제2 무지부를 구비하는 제2 극판; 및 상기 제1 극판 및 상기 제2 극판 사이에 구비되는 세퍼레이터;를 포함하며, 제1 무지부와 제1 코팅부 간의 제1 길이가 제2 무지부와 제2 코팅부 간의 제2 길이 보다 길게 형성되는 전극 조립체를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 제1 극판은 양극판을 포함하고, 상기 제2 극판은 음극판을 포함하며, 상기 제1 길이는 상기 양극판에서의 길이를 포함하고, 상기 제2 길이는 상기 음극판에서의 길이를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 길이는, 상기 제1 극판에 의해 발생되는 열이 상기 제2 극판에서 발생하는 열과 실질적으로 동일하거나 상기 제2 극판에 의해 발생하는 열보다 작도록 상기 제2 길이보다 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 극판의 상기 코팅된 제1 활물질과 상기 무지부 간의 간격은 w1의 폭을 갖는 제1 경계간격을 포함하고, 상기 제2 극판의 상기 코팅된 제2 활물질과 상기 무지부 간의 간격은 w2의 폭을 갖는 제2 경계간격을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 경계간격 w1 의 길이는 하기의 식과 동일하거나 그보다 작을 수 있다.
<식>
Figure pat00001
여기서, w2는 제2 극판의 상기 코팅부와 상기 무지부 사이의 제2 경계간격의 길이를 포함하고, R1은 제1 극판의 상기 코팅부의 저항을, R2는 상기 제2 극판의 상기 코팅부의 저항을, d1은 상기 제1 극판의 두께를, d2는 상기 제2 극판의 두께를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 w2에 대한 상기 w1의 비율이 1:11.39 의 범위 내일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1극판의 상기 무지부와 상기 코팅부 사이의 제1 경계간격은 제1 길이 w1을 구비하고, 상기 제2 극판의 상기 무지부와 상기 코팅부 사이의 제2 경계 간격은 제2 길이 w2를 구비하며, 상기 제1,2 극판들의 코팅부들은 공동 길이를 갖는 선을 따라 서로 인접하게 위치하도록 정렬되고, 상기 w1과 상기 w2의 합은 상기 공동 길이와 같거나 그보다 작을 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 폭 w1을 갖는 상기 제1 경계간격에 의해 덮여지는 상기 공동 길이의 부분은, 상기 제1,2 경계간격들 간의 상대적 저항의 비율 및 상기 제1,2 경계간격들 간의 상대적 두께의 비율의 곱에 비례할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 극판의 상기 무지부의 폭은 상기 제1 경계간격의 폭 w1을 포함하고, 상기 제2 극판의 상기 무지부의 폭은 상기 제2 경계간격의 폭 w2을 포함하며, 상기 제1,2 극판들의 상기 무지부들은 상기 무지부들이 오버랩되지 않도록 상기 코팅부들과 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 극판의 상기 무지부의 폭 w1은 상기 공동 길이의 50% 내지 92%일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1,2 극판들의 무지부들은 각각 제1,2 전극 탭을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 극판은 상기 무지부와 상기 코팅부 사이에 상기 코팅부의 폭과 동일한 길이 w3를 갖는 경계간격을 정의하고, 상기 제1 극판의 무지부는 실질적으로 완전히 상기 길이 w3를 따르는 상기 무지부들 중 어느 하나에 붙어 있는 제1 영역 및 상기 제1 영역에 붙어 있으며 상기 길이 w3보다 짧은 폭을 갖는 제2 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 활물질로 코팅된 제1 코팅부와 제1 무지부를 구비하는 제1 극판을 형성하는 단계; 제2 활물질로 코팅된 제2 코팅부와 제2 무지부를 구비하는 제2 극판을 형성하는 단계; 상기 제1극판의 상기 코팅부와 상기 무지부 간의 제1 경계간격의 길이 및 상기 제2 극판의 상기 코팅부와 상기 무지부 간의 제2 경계간격의 길이를 사이징하는 단계; 및 상기 제1,2 극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 두고 상기 제1 극판 및 상기 제2 극판을 조립하는 단계;를 포함하며, 상기 사이징하는 단계는, 상기 제1 경계간격을 통하는 전류의 흐름에 의해 발생되는 열이 상기 제1 경계간격의 길이의 증가에 의해 감소되도록, 상기 제1,2 극판에서 상기 경계간격들을 통하는 전류흐름에 의해 발생하는 열에 기초하여 사이징하는 이차전지용 전극 조립체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 활물질로 코팅된 제1 코팅부와 제1 무지부를 구비하는 제1 극판; 제2 활물질로 코팅된 제2 코팅부와 제2 무지부를 구비하는 제2 극판; 상기 제1 극판과 상기 제2 극판 사이에 개재되는 세퍼레이터; 및 상기 제1 극판과 상기 제2 극판 및 상기 세퍼레이터를 수용하는 케이스;를 포함하며, 상기 제1 무지부와 상기 제1 코팅부 사이의 제1 길이는 상기 제2 무지부와 상기 제2 코팅부 사이의 제2 길이보다 길게 형성되는 배터리 조립체를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 제1 극판은 양극판을 포함하고, 상기 제2 극판은 음극판을 포함하며, 상기 제1 길이는 상기 양극판 상에서의 길이를 포함하고, 상기 제2 길이는 상기 음극판 상에서의 길이를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 길이는, 상기 제1 극판에 의해 발생하는 열이 상기 제2 극판에 의해 발생되는 열과 실질적으로 동일하거나 상기 제2 극판에 의해 발생되는 열보다 작도록 상기 제2 길이보다 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 극판의 상기 무지부와 상기 코팅된 제1 활물질 간의 간격은 w1의 폭을 갖는 제1 경계간격을 포함하고, 상기 제2 극판의 상기 무지부와 상기 코팅된 제2 활물질 간의 간격은 w2의 폭을 갖는 제2 경계간격을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 경계간격 w1 의 길이는 하기의 식과 동일하거나 그보다 작을 수 있다.
<식>
Figure pat00002
여기서, w2는 제2 극판의 상기 코팅부와 상기 무지부 사이의 제2 경계간격의 길이를 포함하고, R1은 제1 극판의 상기 코팅부의 저항을, R2는 상기 제2 극판의 상기 코팅부의 저항을, d1은 상기 제1 극판의 두께를, d2는 상기 제2 극판의 두께를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 w2에 대한 상기 w1의 비율이 1:11.39 의 범위 내일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 극판의 상기 무지부와 상기 코팅부 간의 제1 경계간격은 제1 길이 w1을 갖고, 상기 제2 극판의 상기 무지부와 상기 코팅부 간의 제2 경계간격은 제2 길이 w2를 가지며, 상기 제1,2 극판의 코팅부들은 상기 제1 극판과 상기 제2 극판의 코팅부들은 공동 길이를 갖는 선을 따라 서로 인접하게 위치하도록 정렬되고, 상기 w1과 상기 w2의 합은 상기 공동 길이와 같거나 그보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지에 따르면, 열화를 방지할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 전지 셀의 분해 사시도이다.
도 2는 전극 조립체의 부분 분해 사시도이다.
도 3은 양극 극판의 방전말기에 온도의 분포를 나타낸 사진이다.
도 4a는 도 2에서 IVa부분을 확대한 개략적 사시도이다.
도 4b는 도 2에서 IVb부분을 확대한 개략적 사시도이다.
도 5는 도 2의 실시예의 변형예로 전극 조립체를 위에서 내려다본 평면도이다.
도 6은 도 2의 실시예의 양극 극판의 일 변형예이다.
이하에서는 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 이차전지의 구성에 관한 발명으로 이차전지는 다양한 타입으로 구성될 수 있다. 예를 들어 이차전지는 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지, 니켈-수소(Ni-MH)전지, 리튬(Li) 이차전지 등일 수 있다. 리튬 이차전지는 예를 들어, 액체전해질을 사용하는 리튬 금속전지, 리튬 이온 전지 및 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지일 수 있다. 리튬 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 유기 전해액이 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 폴리머 전지 또는 유기 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지일 수 있다. 이하, 전지 셀(1)의 구조를 리튬 이온 폴리머 전지를 위주로 설명하나 본 발명의 보호범위가 이에 제한되지 않으며 다양한 타입의 이차전지에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 전지 셀(1)의 구조를 설명한다. 도 1은 전지 셀(1)의 분해 사시도이다. 도 2는 전극 조립체(100)의 부분 분해 사시도이다. 전지 셀(1)는 전극 조립체(100), 케이스(200) 및 전해액(미도시)을 구비할 수 있다.
전극 조립체(100)는 양극 극판(110), 음극 극판(120), 및 양극 극판(110)과 음극 극판(120) 사이에 개재되는 세퍼레이터(130)를 포함할 수 있다. 전극 조립체(100)는 양극 극판(110), 세퍼레이터(130) 및 음극 극판(120)을 차례대로 쌓아 구성될 수 있다.
양극 극판(110)은 양극 기재(111), 양극 무지부탭(111a), 양극 활물질(112)을 포함할 수 있다. 양극 기재(111)는 예를 들어 알루미늄(Al)을 구비할 수 있다. 양극 무지부탭(111a)은 양극 기재(111)의 일부가 더 연장되어 형성될 수 있다. 양극 활물질(112)은 종래의 활물질 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어 양극 활물질(112)은 코발트산리튬(LiCoO2)일 수 있다. 활물질은 이에 제한되지 않으며 실리콘계 재료나 주석계 재료, 알루미늄계 재료, 게르마늄계 재료 등으로 구성할 수도 있다. 이때, 활물질의 재료는 종래 재료뿐만 아니라 리튬 티타늄 산화물(LTO, Lithium Titanium Oxide)을 구비할 수도 있다. 도 1을 참조하면, 양극 무지부탭(111a)은 케이스(200)의 외부 단자와 연결되는 양극 리드탭(115)과 연결될 수 있다.
음극 극판(120)은 음극 기재(121), 음극 무지부탭(121a), 음극 활물질(122)을 포함할 수 있다. 음극 기재(121)는 예를 들어 구리(Cu)를 구비할 수 있다. 음극 무지부탭(121a)은 음극 기재(121)의 일부가 더 연장되어 형성될 수 있다. 음극 활물질(122)은 종래의 활물질 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어 음극 활물질(122)은 흑연 등의 음극 활물질을 코팅할 수 있다. 도 1을 참조하면, 음극 무지부탭(121a)은 케이스(200)의 외부 단자와 연결되는 음극 리드탭(125)과 연결될 수 있다.
케이스(200)는 전극 조립체(100) 및 전해액(미도시)을 수용할 수 있다. 케이스(200)는 유연성을 가지는 파우치형(Pouched-case)일 수 있다.
도 3은 양극 극판(101)의 방전말기에 온도의 분포를 나타내는 사진이다. 도 3을 참조하면, 양극 활물질(112)에 대응하는 제1 양극 극판부(P1)와 제1 양극 극판부(P1)에서 더 연장된 제2 양극 극판부(P2) 상의 온도가 다르게 나타남을 알 수 있다. 여기서, 도면부호 P1 및 P2는 각각 도 2의 도면부호 111 및 111a에 대응될 수 있다. 제1 양극 극판부(P1)의 중앙부(M) 온도 분포를 살펴보면 도 3에 도시된 바와 같이 최소 38.4℃, 최대 41.3℃이며 평균 39.6℃이다. 중앙부(M) 내의 한 점에서 온도는 도 3에 도시된 바와 같이 40.0℃를 나타내고 있다. 이에 반하여 제1 양극 극판부(P1)와 제2 양극 극판부(P2)의 경계부(B) 지역은 온도가 45.1℃에 이름을 알 수 있다. 즉, 제1 양극 극판부(P1)와 제2 양극 극판부(P2)의 경계부(B)에 온도가 중앙부(M) 등의 다른 부분보다 높다는 것을 알 수 있다. 양극 활물질(112)과 양극 무지부탭(111a)의 경계에 대응하는 부분에서 온도가 상승함을 알 수 있다. 이와 같은 경계부(B)의 온도 상승은 음극 극판(120)과 비교하여 양극 극판(101, 110)에서 보다 활발히 일어난다. 그 이유는 일반적으로 양극 활물질(112)의 저항 값이 높아 양극 활물질(112)과 양극 기재(111)간의 경계부(B)에서 줄열(Joule's heat)이 발생하기 때문이다. 양극 활물질(112)과 양극 기재(111) 간에 발생하는 열은 C-rate의 전류값이 커질수록 더 크게 발생할 수 있다. 이와 같은 열은 충방전을 반복함에 따라 나타나는 열화현상을 심화시켜 전지의 수명을 단축시키거나 안전성을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 이와 같은 열화를 최소화하는 것이 필요하다.
도 4a, 도 4b 및 도 5를 참조하여 양극 활물질(112)과 양극 무지부탭(111a)간의 양극 경계간격(w1) 및 음극 활물질(122)과 음극 무지부탭(121a)간의 음극 경계간격(w2)에 대해 설명한다. 도 4a는 도 2에서 IVa부분을 확대한 개략적 사시도이다. 도 4b는 도 2에서 IVb부분을 확대한 개략적 사시도이다. 도 5는 도 2의 실시예의 변형예로 전극 조립체(100)를 위에서 내려다본 평면도이다.
양극 극판(110)과 음극 극판(120)을 비교하면, 음극 극판(120)의 음극 활물질(122)은 흑연 등의 저항이 낮은 물질이 사용되므로 구리 등을 구비하는 음극 무지부탭(121a)과 저항차가 크지 않은데 반하여, 저항값이 높은 양극 활물질(112)과 양극 무지부탭(111a)간에는 저항차가 크게 발생할 수 있다.
여기서, 양극 경계간격(w1)을 양극 활물질(112)과 양극 무지부탭(111a)간의 간격 폭으로, 음극 경계간격(w2)을 음극 활물질(122)과 음극 무지부탭(121a)간의 간격 폭으로 정의한다. 충방전을 통해 전류가 양극 무지부탭(111a) 및 음극 무지부탭(121a)등을 통과하며 줄열이 양극 활물질(112)과 양극 무지부탭(111a)간 및 음극 활물질(122)과 음극 무지부탭(121a)간에 집중적으로 발생할 수 있다. 이때, 줄열은 양극 경계간격(w1) 및 음극 경계간격(w2)의 영향을 받는다. 따라서, 저항이 높아 열이 더 발생하는 양극 경계간격(w1)을 음극 경계간격(w2) 보다 더 넓게 형성할 수 있다. 여기서, 도 5는 도 2의 실시예에서 양극 경계간격(w1)이 음극 경계간격(w2)보다 크게 형성된 전극 조립체(100)를 위에서 내려다본 평면도이다. 이하 수식을 참조하여 더 상세히 설명한다.
전지 셀(1)의 전체 용량을 양극 극판(110) 및 음극 극판(120)의 총 개수로 나눈 단위 극판당 용량을 C라고 할 때, 양극/음극 극판(110, 120)의 단위면적당 전류 밀도는 C를 단위 면적으로 나눠 구할 수 있다. 예를 들어, 도 4a에서 양극 극판(110)의 용량을 C라 할 때, 양극 활물질(112)과 양극 무지부탭(111a)의 경계부에서 단위면적당 전류 밀도(mA/㎟)는 C/w1d1로 구할 수 있다. 여기서, 마찬가지로 도 4b에서 음극 극판(110)의 용량을 C라 할 때, 음극 활물질(122)과 음극 무지부탭(121a)의 경계부에서 단위면적당 전류 밀도(mA/㎟)는 C/w2d2로 구할 수 있다. 여기서, d1은 양극 극판(110)의 두께를 의미하며, d2는 음극 극판(120)의 두께를 의미한다.
이때, 단위 면적당 발생하는 열량(Q)은 다음 수식을 통해 계산할 수 있다. [수학식 1]
Q = I2Rt (J)
여기서, I는 단위 면적당 전류(mA/㎟), R은 저항(Ω) 및 t는 시간(sec)을 의미한다. 양극 극판(110)에서 단위 면적당 열량(Q1)은
Figure pat00003
이다. 여기서,
Figure pat00004
은 양극 활물질(112)과 양극 기재(111)간의 저항 값이다. 음극 극판(120)에서 단위 면적당 열량(Q2)은
Figure pat00005
이다. 여기서,
Figure pat00006
는 음극 활물질(122)과 음극 기재(121)간의 저항값이다.
일반적으로 양극 활물질(112)과 양극 기재(111)간의 저항 값인
Figure pat00007
이 음극 활물질(122)과 음극 기재(121)간의 저항 값인
Figure pat00008
의 값보다 크다. 따라서, 양극/음극 활물질(112, 122)과 무지부탭(111a, 121a)의 경계부에 있어서, 양극 극판(110)의 단위 면적당 열량(Q1)이 음극 극판(120)의 단위 면적당 열량(Q2)보다 크게 나타나 양극 극판(110)상에 열화로 인한 손상이 발생할 수 있다.
여기서, 일반적으로 양극 극판(110)의 두께(d1)와 음극 극판(120)의 두께(d2)는 큰 차이가 없고,
Figure pat00009
과
Figure pat00010
의 값은 설계변경이 용이하지 않으므로 양극 경계간격(w1)과 음극 경계간격(w2)을 조절함으로써 양극 극판(110)의 경계부가 음극 극판(120)의 경계부와 동일하거나 음극 극판(120)의 경계부보다 열발생이 많지 않도록 조절할 수 있다.
하기 수학식 2 및 수학식 3을 참조하여 양극 극판(110)의 단위 면적당 열량(Q1)이 음극 극판(120)의 단위 면적당 열량(Q2)과 같아지는 지점의 양극 경계간격(w1) 및 음극 경계간격(w2)을 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00011
[수학식 3]
Figure pat00012
즉, 수학식 2에 의해, 양극 극판(110)의 단위 면적당 열량(Q1)과 음극 극판(120)의 단위 면적당 열량(Q2)이 같아지는 점을 찾게 되면, 수학식 3과 같이 양극 경계간격(w1)을 음극 경계간격(w2) 및 상수들의 값으로 표현할 수 있다.
따라서, 수학식 3을 만족시키는 양극 경계간격(w1) 및 음극 경계간격(w2)을 가지게 될 때, 어느 한 극판에 치우치지 않고 양극 극판(110) 및 음극 극판(120)의 경계부에 열이 고르게 발생하도록 할 수 있다.
이하, 양극 경계간격(w1) 및 음극 경계간격(w2)에 따른 양극 극판(110)의 단위 면적당 열량(Q1)및 음극 극판(120)의 단위 면적당 열량(Q2)을 살펴본다. 양극 기재(111)는 알루미늄(Al)을 구비할 수 있으며, 알루미늄의 저항은 약 0.3Ω일 수 있다. 양극 활물질(112)의 표면 저항은 약 620Ω일 수 있다. 이때, 양극 기재(111)와 양극 활물질(112) 간의 저항은 약 300Ω일 수 있다. 양극 기재(111)의 두께는 20 ㎛일 수 있다.
또한, 음극 기재(121)는 구리(Cu)를 구비할 수 있으며, 구리의 저항은 약 0.3Ω일 수 있다. 음극 활물질(122)의 표면 저항은 약 2.8Ω일 수 있다. 음극 기재(121)와 음극 활물질(122) 간의 저항은 약 1.3Ω일 수 있다. 음극 기재(121)의 두께는 15 ㎛일 수 있다. 여기서, 각 상수값을 수학식 3에 대입하면 하기 수학식 4를 통해 다음의 값을 얻을 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00013
즉, 양극 경계간격(w1)대비 음극 경계간격(w2)의 값(w2/w1)이 8.8%일 때 양극 극판(110)의 단위 면적당 열량(Q1)및 음극 극판(120)의 단위 면적당 열량(Q2)이 같아질 수 있다. 도 5를 참조하면, 양극 경계간격(w1)과 음극 경계간격(w2)의 합이 양극/음극 극판(110, 120)의 폭(A)보다 크지 않도록 설계할 수 있다. 그렇지 않을 경우, 양극 무지부탭(111a)과 음극 무지부탭(121a)이 서로 겹쳐지는 부분이 접지되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 양극 무지부탭(111a)과 음극 무지부탭(121a)이 최대로 확대되는 경우, 즉, 양극 경계간격(w1)과 음극 경계간격(w2)의 합이 양극/음극 극판(110, 120)의 폭(A)인 경우, 양극 경계간격(w1)은 양극/음극 극판(110, 120)의 폭(A)에 대하여 최대 92%(11.39/12.39)까지 확장될 수 있다.
만약 양극 무지부탭(111a)과 음극 무지부탭(121a)의 합이 양극/음극 극판(110, 120)의 전체 폭(A)과 같아지도록 구성할 경우, 양극 경계간격(w1)은 적어도 음극 경계간격(w2)보다 같거나 커야하므로 양극/음극 전극(110, 120)의 전체폭(A)에 대하여 50% 내지 92%일 수 있다.
또한, 이와 같이 양극 경계간격(w1)이 보다 확장되어 형성될 경우, 양극 리드탭(115)과 양극 무지부탭(111a)의 연결면적이 더 넓어져 양극 무지부탭(111a)과 양극 리드탭(115)간의 저항이 낮아진다는 효과도 있다. 즉, 양극 무지부탭(111a)과 양극 리드탭(115)은 전기적으로 연결되며, 상호간의 접촉면에 저항이 발생하는데, 양극 무지부탭(111a)과 양극 리드탭(115)간의 접촉 면적을 확대되므로 상호간 저항이 낮아지는 효과가 있다. 이에 따라, 양극 무지부탭(111a)과 양극 리드탭(115)간의 저항에 의해 발생하는 발열이 낮아질 수 있다.
이제, 양극 극판(110)의 단위 면적당 열량(Q1) 및 음극 극판(120)의 단위 면적당 열량(Q2)을 구해본다. 전극 조립체(100)는 42쌍의 양극/음극 극판(110, 120)을 구비할 수 있다. 좀더 자세히는, 전극 조립체(100)는 음극 극판(110)과 대응하는 양극 극판(120)이 한 쌍을 이루어 총 42쌍을 구비하며, 최외각 양극에 대응하는 음극 극판(110)을 하나 더 구비할 수도 있다. 즉, 총 43 개의 음극 극판(110)과 42개의 양극 극판(120)이 서로 엇갈려 배치될 수도 있다. 여기서, 음극 극판(110)의 개수 또는 양극 극판(120)의 개수는 일 예에 불과하며 음극/양극 극판(110, 120)의 개수가 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 하나의 양극/음극 극판(110, 120)의 면적은 약 540㎠일 수 있다. 이때, 전지 셀(1)의 전류 밀도는 1.25 mA/㎠ 일 수 있다. 이때, 단위 셀의 활물질의 단위 중량당 전류용량(mA/㎎)을 통해 한 개의 전지 셀(1)의 용량을 구하면 약 56.98A일 수 있다. 따라서, 전지 셀(1)의 용량을 42로 나눈 장당 양극/음극 극판(110, 120)의 용량은 1357mA일 수 있다.
하기 표 1은 양극 경계간격(w1)에 따른 발열량을 도시한 표이다. 도 2 및 도 4a를 참조하면, 양극 극판(110)의 전체 폭은 약 245mm이며, 양극 경계간격(w1)은 90mm일 때를 기준으로 증가시키며 양극 극판(110)의 단위 면적당 열량(Q1)를 구하였다.
양극 경계간격 비율(%) 130% 120% 110% 100% 90% 80%
양극 경계간격w1(㎜) 117 108 99 90 81 72
양극 기재 경계부 단면적(㎟) 2.34 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4
단위면적당 전류밀도(mA/㎟) 579.8 628.1 685.2 753.7 837.4 942.1
양극 극판의 단위 면적당 열량 Q1 (J)
101
118
141
170
210
266
기준 대비 증감폭 59% 69% 83% 100% 123% 156%
표 1에서 양극 기재 경계부 단면적은 양극 경계간격(w1)에 양극 기재(111)의 두께(d1)를 곱한 값이다. 단위 면적당 전류밀도는 장당 양극 극판(110)의 용량인 1357mA를 양극 기재 경계부 단면적으로 나눈 값이다. 양극 극판(110)의 단위 면적당 열량(Q1)은 수학식 1에 의해 구한 뒤 단위 환산을 위해 106을 곱한 값이다.
음극 경계간격 비율(%) 100% 90% 80% 70% 60%
음극 경계간격w2(㎜) 90 81 72 63 54
음극 기재 경계부 단면적(㎟) 1.35 1.215 1.08 0.945 0.81
단위면적당 전류밀도(mA/㎟) 1004.938 1116.598 1256.481 1435.979 1675.309
음극 극판의 단위 면적당 열량 Q2 (J) 1.312871 1.620829 2.052369 2.680646 3.648657
기준 대비 증감폭 100% 123% 156% 204% 278%
음극 경계간격 비율(%) 50% 40% 30% 20% 10% 8.8%
음극 경계간격w2(㎜) 45 36 27 18 9 7.92
음극 기재 경계부 단면적(㎟) 0.675 0.54 0.405 0.27 0.135 0.1188
단위면적당 전류밀도(mA/㎟) 2010.37 2512.963 3350.62 5025.926 10051.85 11422.56
음극 극판의 단위 면적당 열량 Q2 (J) 5.254066 8.209478 14.5946 32.83791 131.3516 169.53
기준 대비 증감폭 400% 625% 1112% 2501% 10005% 12913%
표 2 및 표 3의 값은 표 1의 방법과 유사하게 구할 수 있다. 여기서, 양극/음극 경계간격 비율(%)은 양극 경계간격(w1) 및 음극 경계간격(w2)이 각각 90mm일 때를 기준으로 하여 간격의 증감 정도를 나타낸 값이다. 기준대비 증감폭은 양극 경계간격(w1) 및 음극 경계간격(w2)이 각각 90mm일 때를 기준으로 하여 열량의 증감폭을 나타낸 것이다. 이때, 양극 경계간격(w1) 및 음극 경계간격(w2)의 폭은 양극 극판(110)의 단위 면적당 열량(Q1) 및 음극 극판(120)의 단위 면적당 열량(Q2)의 합을 고려하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 음극 경계간격w2(㎜)이 9mm일 경우, 음극 극판의 단위 면적당 열량 Q2 (J)은 약 131J이며, 양극 극판의 단위 면적당 열량 Q1(J)이 유사한 값을 가지기 위해서는 폭이 99mm 내지 108mm 사이에게 결정할 수 있다.
표 1을 참조하면, 양극 경계 간격 비율이 100%일 때 양극 극판의 단위 면적당 열량(Q1)이 약 170J이고, 표 2 및 표 3을 참조하면, 음극 경계 간격 비율이 8.8%일 때 음극 극판의 단위 면적당 열량(Q2)이 약 169.53J이다. 이와 같이, 양극 극판(110)의 단위 면적당 열량(Q1) 및 음극 극판(120)의 단위 면적당 열량(Q2)이 비슷할 경우, 열량의 불균형으로 인한 열화 손상을 줄일 수 있다. 열량의 불균형으로 국부적으로 온도가 높게 올라가면 전지의 수명에 손실이 발생할 수 있다. 예를 들어, 전지에 배치되는 SEI(Solid Electrolyte Interface)층은 전해액의 충방전이 안정적으로 일어나도록 하는 보호층으로, 열에 약해 약 60℃ 내지 80℃에서 손상될 수 있다. 따라서, 열량의 균형이 유지면 SEI층 등의 국부적 손실을 방지할 수 있어 전지 수명의 안정성이 확보되는 효과가 있다.
여기서, 양극 극판(110)의 단위 면적당 열량(Q1) 및 음극 극판(120)의 단위 면적당 열량(Q2)의 조합이 다양함은 물론이다. 이를 일반화 시키면 다음 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
Figure pat00014
이때, 함수
Figure pat00015
를 최소화시키는 양극 경계간격(w1) 및 음극 경계간격(w2)을 각각 구할 수 있다. 이때, 또 다른 설계조건이 생길 경우 연립방정식으로 양극 경계간격(w1) 및 음극 경계간격(w2)을 구할 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 도 5에서 양극 경계간격(w1) 및 음극 경계간격(w2)의 합이 양극/음극 극판(110, 120)의 폭(A)과 같도록 설계할 경우, 수학식 6이 성립한다.
[수학식 6]
w1 + w2 = A
이때, 수학식 5 및 수학식 6을 연립하여 양극 경계간격(w1) 및 음극 경계간격(w2)의 최대 최소범위를 구할 수 있음은 물론이다.
도 6을 참조하여, 도 2의 실시예 중 양극 기판(120)의 변형예를 설명한다. 도 2, 도 4a, 도 4b, 도 5를 참조하면, 양극 활물질(112)이 양극 기재(111)를 덮고 양극 기재(111)의 전체폭(A) 보다 좁은 폭(w1)을 가진 양극 무지부탭(111a)이 양극 기재(111)로부터 연장되었다. 그러나, 양극 극판(110)에서 단위 면적당 열량(Q1)은
Figure pat00016
이므로 양극 경계간격(w1)이 증가할수록 열량(Q1)의 값이 감소한다. 따라서, 도 6의 실시예와 같이 양극 극판(1110)에서 양극 경계간격(w3)을 증가시키기 위해 양극 경계간격(w3)과 양극 기재(1111)의 폭과 같도록 구성할 수 있다. 이 경우, 양극 무지부탭(1111a, 1111b)은 양극 기재(1111)에서 같은 폭으로 연장된 제1 양극 무지부탭(1111b) 및 제1 양극 무지부탭(1111b)에서 더 좁은 폭으로 연장된 제2 양극 무지부탭(1111a)을 구비할 수 있다. 이때, 음극 무지부탭(121a)의 경우 도 2의 실시예와 같이 구성할 수 있음은 물론이다. 즉, 전극 조립체(100)는 도 6의 실시예에 따른 양극 극판(1110)과 도 2의 실시예에 도시된 음극 극판(120)및 그 사이에 게재된 세퍼레이터(130)를 구비할 수 있다.
따라서, 도 6의 제2 양극 무지부탭(1111b)과 도 2의 음극 무지부탭(121a)의 폭이 동일 또는 유사하게 구성하면서, 도 6의 양극 경계간격(w3)이 도 4b의 음극 경계간격(w2)보다 크도록 구성할 수 있음은 물론이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 전지 셀 100: 전극 조립체
110: 양극 극판 111: 양극 기재
111a: 양극 무지부탭 112: 양극 활물질
120: 음극 극판 121: 음극 기재
121a: 음극 무지부탭 122: 음극 활물질
130: 세퍼레이터 200: 케이스

Claims (20)

  1. 제1 활물질로 코팅된 제1 코팅부와 제1 무지부를 구비하는 제1 극판;
    제2 활물질로 코팅된 제2 코팅부와 제2 무지부를 구비하는 제2 극판; 및
    상기 제1 극판 및 상기 제2 극판 사이에 구비되는 세퍼레이터;를 포함하며,
    제1 무지부와 제1 코팅부 간의 제1 길이가 제2 무지부와 제2 코팅부 간의 제2 길이 보다 길게 형성되는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 극판은 양극판을 포함하고, 상기 제2 극판은 음극판을 포함하며,
    상기 제1 길이는 상기 양극판에서의 길이를 포함하고, 상기 제2 길이는 상기 음극판에서의 길이를 포함하는 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 길이는, 상기 제1 극판에 의해 발생되는 열이 상기 제2 극판에서 발생하는 열과 실질적으로 동일하거나 상기 제2 극판에 의해 발생하는 열보다 작도록 상기 제2 길이보다 길게 형성되는 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 극판의 상기 코팅된 제1 활물질과 상기 무지부 간의 간격은 w1의 폭을 갖는 제1 경계간격을 포함하고, 상기 제2 극판의 상기 코팅된 제2 활물질과 상기 무지부 간의 간격은 w2의 폭을 갖는 제2 경계간격을 포함하는 전극 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 경계간격 w1 의 길이는 하기의 식과 동일하거나 그보다 작은 전극 조립체.
    <식>
    Figure pat00017

    여기서, w2는 제2 극판의 상기 코팅부와 상기 무지부 사이의 제2 경계간격의 길이를 포함하고, R1은 제1 극판의 상기 코팅부의 저항을, R2는 상기 제2 극판의 상기 코팅부의 저항을, d1은 상기 제1 극판의 두께를, d2는 상기 제2 극판의 두께를 포함한다.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 w2에 대한 상기 w1의 비율이 1:11.39 의 범위 내인 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1극판의 상기 무지부와 상기 코팅부 사이의 제1 경계간격은 제1 길이 w1을 구비하고, 상기 제2 극판의 상기 무지부와 상기 코팅부 사이의 제2 경계 간격은 제2 길이 w2를 구비하며, 상기 제1,2 극판들의 코팅부들은 공동 길이를 갖는 선을 따라 서로 인접하게 위치하도록 정렬되고, 상기 w1과 상기 w2의 합은 상기 공동 길이와 같거나 그보다 작은 전극 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    폭 w1을 갖는 상기 제1 경계간격에 의해 덮여지는 상기 공동 길이의 부분은, 상기 제1,2 경계간격들 간의 상대적 저항의 비율 및 상기 제1,2 경계간격들 간의 상대적 두께의 비율의 곱에 비례하는 전극 조립체.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 극판의 상기 무지부의 폭은 상기 제1 경계간격의 폭 w1을 포함하고, 상기 제2 극판의 상기 무지부의 폭은 상기 제2 경계간격의 폭 w2을 포함하며, 상기 제1,2 극판들의 상기 무지부들은 상기 무지부들이 오버랩되지 않도록 상기 코팅부들과 연결되어 있는 전극 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 극판의 상기 무지부의 폭 w1은 상기 공동 길이의 50% 내지 92%인 전극 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2 극판들의 무지부들은 각각 제1,2 전극 탭을 포함하는 전극 조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 극판은 상기 무지부와 상기 코팅부 사이에 상기 코팅부의 폭과 동일한 길이 w3를 갖는 경계간격을 정의하고, 상기 제1 극판의 무지부는 실질적으로 완전히 상기 길이 w3를 따르는 상기 무지부들 중 어느 하나에 붙어 있는 제1 영역 및 상기 제1 영역에 붙어 있으며 상기 길이 w3보다 짧은 폭을 갖는 제2 영역을 포함하는 전극 조립체.
  13. 제1 활물질로 코팅된 제1 코팅부와 제1 무지부를 구비하는 제1 극판을 형성하는 단계;
    제2 활물질로 코팅된 제2 코팅부와 제2 무지부를 구비하는 제2 극판을 형성하는 단계;
    상기 제1극판의 상기 코팅부와 상기 무지부 간의 제1 경계간격의 길이 및 상기 제2 극판의 상기 코팅부와 상기 무지부 간의 제2 경계간격의 길이를 사이징하는 단계; 및
    상기 제1,2 극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 두고 상기 제1 극판 및 상기 제2 극판을 조립하는 단계;를 포함하며,
    상기 사이징하는 단계는, 상기 제1 경계간격을 통하는 전류의 흐름에 의해 발생되는 열이 상기 제1 경계간격의 길이의 증가에 의해 감소되도록, 상기 제1,2 극판에서 상기 경계간격들을 통하는 전류흐름에 의해 발생하는 열에 기초하여 사이징하는 이차전지용 전극 조립체의 제조 방법.
  14. 제1 활물질로 코팅된 제1 코팅부와 제1 무지부를 구비하는 제1 극판;
    제2 활물질로 코팅된 제2 코팅부와 제2 무지부를 구비하는 제2 극판;
    상기 제1 극판과 상기 제2 극판 사이에 개재되는 세퍼레이터; 및
    상기 제1 극판과 상기 제2 극판 및 상기 세퍼레이터를 수용하는 케이스;를 포함하며,
    상기 제1 무지부와 상기 제1 코팅부 사이의 제1 길이는 상기 제2 무지부와 상기 제2 코팅부 사이의 제2 길이보다 길게 형성되는 배터리 조립체.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 극판은 양극판을 포함하고, 상기 제2 극판은 음극판을 포함하며, 상기 제1 길이는 상기 양극판 상에서의 길이를 포함하고, 상기 제2 길이는 상기 음극판 상에서의 길이를 포함하는 배터리 조립체.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 길이는, 상기 제1 극판에 의해 발생하는 열이 상기 제2 극판에 의해 발생되는 열과 실질적으로 동일하거나 상기 제2 극판에 의해 발생되는 열보다 작도록 상기 제2 길이보다 길게 형성되는 배터리 조립체.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제1 극판의 상기 무지부와 상기 코팅된 제1 활물질 간의 간격은 w1의 폭을 갖는 제1 경계간격을 포함하고, 상기 제2 극판의 상기 무지부와 상기 코팅된 제2 활물질 간의 간격은 w2의 폭을 갖는 제2 경계간격을 포함하는 배터리 조립체.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 경계간격 w1 의 길이는 하기의 식과 동일하거나 그보다 작은 배터리 조립체.<식>
    Figure pat00018

    여기서, w2는 제2 극판의 상기 코팅부와 상기 무지부 사이의 제2 경계간격의 길이를 포함하고, R1은 제1 극판의 상기 코팅부의 저항을, R2는 상기 제2 극판의 상기 코팅부의 저항을, d1은 상기 제1 극판의 두께를, d2는 상기 제2 극판의 두께를 포함한다.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 w2에 대한 상기 w1의 비율이 1:11.39 의 범위 내인 배터리 조립체.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 제1 극판의 상기 무지부와 상기 코팅부 간의 제1 경계간격은 제1 길이 w1을 갖고, 상기 제2 극판의 상기 무지부와 상기 코팅부 간의 제2 경계간격은 제2 길이 w2를 가지며, 상기 제1,2 극판의 코팅부들은 상기 제1 극판과 상기 제2 극판의 코팅부들은 공동 길이를 갖는 선을 따라 서로 인접하게 위치하도록 정렬되고, 상기 w1과 상기 w2의 합은 상기 공동 길이와 같거나 그보다 작은 배터리 조립체.
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