KR20150049261A - 이차 전지 및 이차 전지의 제조방법 - Google Patents

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KR20150049261A
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Abstract

본 발명은 제1방향에서 연장된 제1축을 중심으로 권취된 양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 포함하고, 상기 제1방향에 수직한 제2방향의 두께와 상기 제1방향 및 제2방향에 수직한 제3방향의 길이를 갖고, 상기 길이는 상기 두께 보다 크게 형성된 상태에서 상기 제1축에 평행한 제2축에 대하여 만곡면(curvature)을 가지는 전극조립체; 상기 만곡면과 대응되는 만곡면을 가지며, 서로 다른 강성도(stiffness)를 갖는 본체 및 커버를 포함하는 전지 케이스; 및 상기 양극판 및 상기 음극판에 각각 연결되고, 상기 제1 방향에서 수직한 방향에서 상기 전극조립체로부터 돌출된 제1 전극탭 및 제2 전극탭;을 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.

Description

이차 전지 및 이차 전지의 제조방법{Secondary Battery and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 이차 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이차전지는 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 단위 전지들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 모듈의 형태로 사용되기도 한다.
한편, 최근에는 이차 전지가 사용되는 전자 기기들의 종류가 다양화되고 있으며, 전자 기기들의 디자인이 전자 기기들의 구매를 결정하는 중요한 요소가 되고 있다. 예를 들어, 이차 전지를 전원 공급원으로 사용하는 다양한 입는 컴퓨터(wearable computer) 기술과 그 응용 사례들이 개발 및 발표되고 있고, 또한, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등과 같은 전자 기기는 인체공학적인 설계를 위해 소정의 곡면을 갖는 디자인으로 설계되고 있다.
이러한 전자 기기들을 동작시키기 위한 이차 전지는 전자 기기들의 형상에 따라, 구부리는 등의 변형을 통해 형상을 다양하게 변화시킬 필요가 있다. 전자 기기의 형상과 대응하여 형상이 변형된 이차 전지의 경우, 그 형상이 그대로 유지될 것이 요구된다.
본 발명은 곡면의 형태를 갖는 이차 전지 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1방향에서 연장된 제1축을 중심으로 권취된 양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 포함하고, 상기 제1방향에 수직한 제2방향의 두께와 상기 제1방향 및 제2방향에 수직한 제3방향의 길이를 갖고, 상기 길이는 상기 두께 보다 크게 형성된 상태에서 상기 제1축에 대하여 만곡면(curvature)을 가지는 전극조립체; 상기 만곡면과 대응되는 만곡면을 가지며, 서로 다른 강성도(stiffness)를 갖는 본체 및 커버를 포함하는 전지 케이스; 및 상기 양극판 및 상기 음극판에 각각 연결되고, 상기 제1 방향에서 수직한 방향에서 상기 전극조립체로부터 돌출된 제1 전극탭 및 제2 전극탭;을 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 본체 및 상기 커버는, 서로 다른 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 본체 및 상기 커버는, 서로 다른 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 본체의 하부가 볼록하고 상기 커버의 상부가 오목한 형상을 갖는 경우, 상기 본체의 강성도가 상기 커버의 강성도 보다 더 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 본체의 두께는 상기 커버의 두께보다 더 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 본체는 스테인리스 스틸로 형성되며, 상기 커버는 알루미늄을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 본체의 하부가 오목하고 상기 커버의 상부가 볼록한 형상을 갖는 경우, 상기 커버의 강성도가 상기 본체의 강성도 보다 더 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 커버의 두께는 상기 본체의 두께보다 더 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 커버는 스테인리스 스틸로 형성되며, 상기 본체는 알루미늄을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전지 케이스는, 금속 호일; 및 상기 금속 호일의 양면에 적층된 절연성 필름;을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전지 케이스는 밀봉부를 포함한 파우치이고, 상기 제1 및 제2 전극탭은 상기 밀봉부를 통하여 연장될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 서로 다른 강성도(stiffness)를 갖는 본체 및 상기 본체와 결합되는 커버를 포함하며, 상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 동일한 방향으로 만곡면(curvature)을 갖는 전지 케이스; 상기 전지 케이스의 상기 만곡면에 대응되는 만곡면을 가지면서 상기 전지 케이스에 수납되며, 양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 포함하는 전극조립체; 및 상기 전극조립체로부터 돌출된 제1 전극탭 및 제2 전극탭;을 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 볼록한 형상의 만곡면(curvature)을 갖는 경우, 상기 본체의 강성도가 상기 커버의 강성도 보다 더 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 본체의 두께는 상기 커버의 두께보다 더 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 오목한 형상의 만곡면(curvature)을 갖는 경우, 상기 커버의 강성도가 상기 본체의 강성도 보다 더 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 커버의 두께는 상기 본체의 두께보다 더 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 서로 다른 강성도(stiffness)를 갖는 본체 및 커버를 포함하는 전지 케이스를 형성하는 단계; 양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 포함하는 전극조립체를 상기 전지 케이스에 수납하는 단계; 및 상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 동일한 방향으로 만곡면(curvature)을 가지며, 상기 만곡면에 대응되는 만곡면을 갖는 상기 전극조립체를 형성하는 단계;를 포함하는 이차 전지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 볼록한 형상의 만곡면(curvature)을 갖는 경우, 상기 본체의 강성도가 상기 커버의 강성도 보다 더 클 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 오목한 형상의 만곡면(curvature)을 갖는 경우, 상기 커버의 강성도가 상기 본체의 강성도 보다 더 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 본체 및 상기 커버의 두께는 서로 상이할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 서로 다른 강성도를 갖는 전지 케이스를 이용하여 형성되므로, 곡면의 형상을 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 이차 전지의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스를 포함하는 이차전지를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 케이스를 포함하는 이차전지를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 형성하는 방법을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(110)를 포함하는 이차 전지(10a)를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(10a)는 전극 조립체(200) 및 전지 케이스(110)를 포함한다.
상기 전극 조립체(200)는 전해액(300)과 함께 상기 전지 케이스(110)에 수납된다. 상기 전극 조립체(200)의 제1 전극탭(240)과 제2 전극탭(미도시)은 파우치 타입의 전지 케이스(110)의 밀봉부를 통하여 상기 전지 케이스(110) 외측으로 노출된다.
상기 전해액(300)으로는 유기 용매에 리튬염(LiPF6, LiBF-4 등) 및 다양한 첨가제를 용해시킨 것이 사용될 수 있다. 충분한 양의 리튬염을 용해시킬 수 있고, 낮은 점도를 갖는 것이라면 전해액(300)으로 사용 가능하다. 특히, 상기 전해액(300)은 이차 전지의 충방전 과정에서 양극판(210) 및 음극판(220)의 표면에서 불활성일 것이 요구된다. 예컨대, 상기 전해액(300)의 재료로는 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC) 및 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC)의 어느 하나 이상으로 구성될 수 있다.
또한, 전해액(300)으로서, 고체전해액인 폴리머 겔을 함께 사용할 수 있다. 폴리머 겔을 이용한 전해액(300)은 비점이 높아 연소에 대하여 안정하고, 전해액의 누액을 방지할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 폴리머 겔의 재료로는, 예컨대 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 및 폴리비닐디플루오라이드(polyvinyldifluoride, PVDF) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 폴리머 겔은 폴리머의 전구체(prepolymer)의 겔화 반응에 의하여 형성될 수 있다. 상기 폴리머의 전구체는 프리폴리머를 의미하는 것으로 보다 구체적으로 상기 폴리머 겔은 폴리머의 전구체를 전지 케이스(110)에 수납시킨 후, 상기 폴리머 전구체가 수납된 전지 케이스(110)를 가열하여 형성될 수 있다.
본 발명에서 전해액으로 상기와 같은 폴리머 겔을 사용할 경우에는 전극 조립체(200)와 전해액(300)을 수납한 전지 케이스(110)를 먼저 전극조립체(100)의 권취방향에 평행한 방향으로 만곡 변형시킨 후에 열경화공정을 거치는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 전지 케이스(110)는 유연성을 가지는 파우치형 케이스(Pouched-case)로서, 본체(111) 및 상기 본체(111)와 결합되는 커버(112)로 구성된다. 상기 본체(111) 및 상기 커버(112)는 적어도 일면이 일체로 접합되어 있다. 상기 전지 케이스(110)는 금속 호일(111a, 112a)과, 상기 금속 호일(111a, 112a)의 양면에 절연성 필름(111b, 112b)이 적층되지만, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 본체(111) 및 상기 커버(112)는 서로 상이한 강성도(stiffness)를 갖도록 형성될 수 있다. 서로 상이한 강성도를 갖도록, 서로 상이한 재료를 이용하거나, 또는 동일한 재료를 이용하더라도 두께를 달리하여 상기 본체(111) 및 상기 커버(112)를 형성할 수 있다.
상기 이차 전지(10a)는 상기 전극 조립체(200)를 상기 본체(111)의 수납부(111a)에 배치시킨 후, 상기 본체(111)와 상기 커버(112)를 밀착시킨 상태에서 융착부(113)를 열융착하여 제작된다.
이를 보다 상세히 살펴보면 본 발명에서 상기 파우치는 접철가능한 일체형으로 형성될 수 있다. 이때 상기 파우치는 제1측면, 제2측면 및 상기 제1측면과 제2측면을 연결하는 제3측면에서 융착부(113)를 통하여 밀봉되고, 상기 제1측면과 제2측면 사이에서 상기 제3측면과 대향하는 제4측면을 형성하는 커버(112)를 포함하고, 상기 제1 전극탭(240) 및 제2 전극탭(미도시)은 제3측면상에서 밀봉부인 융착부(113)를 통하여 통하여 연장될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 전극 조립체(200)의 하부가 볼록하고, 상부가 오목한 형상을 갖도록 이차 전지(10a)가 형성된 경우, 상기 커버(112)는 상기 본체(111) 보다 더 큰 강성도(stiffness)를 갖는 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 강성도는 재료가 변형에 저항하는 정도를 나타내는 척도로서, k = F/δ (여기에서, k는 강성도를 의미하며 단위는 [N/m] 이고, F는 외부에서 재료에 가해지는 힘을 의미하며 단위는 [N] 이고, δ는 외부에서 가해지는 힘에 따른 변위를 의미하고 단위는 [m] 이다.)이며, 강성도가 큰 재료일수록 처음 모습 그대로의 형상을 그대로 유지할 수 있다.
또한, 강성도 k = AE/L (여기에서, A는 단면적을 의미하며, E는 영률(young's modulus를 의미하며, L은 재료의 길이를 의미한다.)로 나타낼 수 있으며, 강성도 k는 재료의 영률과 단면적의 곱에 비례하는 것을 알 수 있다.
하기 표 1은 금속과 절연성 필름 예를 들어, 폴리머로 이루어진 파우치의 두께 및 금속의 종류에 따른 영률을 나타낸다.
전체 두께(um) 금속 두께(um) 금속 종류 영률(Gpa)
88 35 Al 6.48
51 15 SUS 42.33
113 51 SUS 33.91
표 1을 참조하면, 알루미늄(Al) 파우치와 비교하여 SUS(steel use stainless) 파우치의 영률이 더 큰 값을 가짐을 알 수 있으며, 따라서 알루미늄 파우치를 사용하는 경우보다 SUS 파우치를 사용하는 경우, 더 큰 값의 강성도를 가짐을 알 수 있다. 또한, 강성도는 전술한 바와 같이, 영률과 단면적의 곱에 비례하는데, SUS의 영률이 더 큰 두께에서 더 작은 영률 값을 가지나, 두께 증가에 따른 단면적의 증가로 인하여 더 큰 강성도 값을 갖는다. 따라서, 동일한 재료로 파우치를 형성하더라도 단면적 예를 들어, 두께를 증가시킴으로서 강성도를 높일 수 있다.
상기 전극 조립체(200)는 만곡된 형태를 갖도록 가공되었으나, 상기 전극 조립체(200)는 극판(210, 220)의 스웰링(swelling)으로 인하여 만곡된 형상이 평평한 형상으로 변형되는 힘이 발생한다. 따라서, 이차 전지(10a)의 본래 형상이 그대로 유지되지 않는 경우가 있다.
그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 상기 전지 케이스(110)의 본체(111) 및 커버(112)는 서로 다른 재료를 갖도록 형성되며, 상기 재료는 서로 다른 강성도를 가지므로, 상기 이차 전지(10a)의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 알루미늄을 이용하여 상기 커버(112)를 형성하고, SUS를 이용하여 상기 본체(111)를 형성할 수 있다. 상기 SUS는 상기 알루미늄 보다 더 큰 강성도를 가지므로, 상기 커버(112)가 평평한 형상으로 펴짐에 따라 곡률 반경이 증가하는 것을 억제할 수 있다.
하기 표 2는 상기 이차 전지(10a)가 가로(x방향; 만곡된 방향) 약 1.5cm, 세로(z 방향; 만곡된 방향의 수직 방향) 약 3cm, 두께(y 방향)가 약 4T(mm) 및 곡률 반경이 약 25.7mm이고, 상기 커버(112) 및 상기 본체(111)가 알루미늄으로 형성(전체 두께는 88um, 알루미늄 두께는 35um)된 경우, 충방전 횟수(cycle)에 따른 만곡면(112R)의 곡률 반경의 변화를 나타낸다.
cycle 1 10 50 150 300
곡률반경(mm) 25.7 27,5 29,0 30,4 32.7
증가율(%) 0.0 7.1 12.9 18.6 27.2
표 2를 참조하면, 동일한 재질로 상기 전지 케이스(110)를 형성하는 경우, 상기 이차 전지(10a)의 곡률 반경이 점점 커지는 것을 알 수 있다. 상기 곡률 반경의 증가는 기설정된 만곡면(112R)을 갖는 상기 이차 전지(10a)의 형태가 점점 평평한 형상으로 펴지도록 변형되는 것을 의미한다.
상기 충방전 횟수(cycle)에 따른 곡률 반경의 변형을 막기 위하여, 상기 전지 케
이스(110)의 두께를 높이는 것을 고려할 수 있으나, 제품의 소형화 및 경량화 측면에서 이차 전지(10a)의 두께를 높이는 데에는 한계가 있다.
따라서, 상기 커버(112) 및 상기 본체(111)의 강성도가 서로 다른 값을 갖도록 전지 케이스(110)를 제작하는 방법이 고려될 수 있다.
예를 들어, 알루미늄으로 형성(전체 두께는 88um, 알루미늄 두께는 35um)된 전지 케이스(110)의 경우, 상기 전지 케이스(110)는 약 36.6 N/cm의 강성도 값을 가진다. 이 경우, 상기 전지 케이스(110)의 충방전 횟수에 따라서 상기 커버(112)의 곡률 반경이 약 10% 이내의 변형이 이루어지도록 하기 위해서는, 상기 전지 케이스(110)는 상기 강성도(약 36.6 N/cm) 보다 더 큰 약 99.6 N/cm의 강성도 값을 가져야만 한다.
이를 위하여, 상기 전지 케이스(110)가 약 99.6 N/cm의 강성도를 갖도록 상기 전지 케이스(110) 전체의 두께를 높일 수도 있으나, 전술한 제품의 소형화 및 경량화 측면에서 상기 전지 케이스(110)의 두께를 전체적으로 높이지 않고, 선택적으로 상기 본체(111)와 상기 커버(112)의 강성도가 서로 다른 값을 갖도록 전지 케이스(110)를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 커버(112)의 재료는 변경하지 않고, 상기 알루미늄 보다 더 큰 강성도를 갖는 SUS를 이용하여 상기 본체(111)를 형성할 수 있다. 상기 본체(111)는 두께가 51um(SUS 두께는 15um)인 경우 강성도 값이 약 91.2 N/cm이며, 두께가 113um(SUS 두께는 51um)인 경우 강성도 값은 약 177 N/cm을 갖는다. 상기 본체(111)에서 SUS 에 비하여 폴리머가 강성도에 미치는 영향이 미비하고, 상기 본체(111)의 강성도 값이 상기 SUS의 두께에 따라 선형적으로 증가한다고 가정하는 경우, 상기 본체(111)가 약 18.52um 이상의 두께를 갖는 SUS로 형성되는 경우, 상기 곡률 반경의 변형을 10 % 이내로 유지할 수 있다. 따라서, 상기 본체(111)를 상기 커버(112)와 서로 다른 재질을 갖도록 형성하여 이차 전지(10a)의 곡률 반경을 특정 범위 이내로 제어할 수 있다.
또한, 위에서는 서로 다른 재료를 이용하여 상기 전지 케이스(110)를 제조하는 것을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않으며, 전술한 바와 같이 강성도는 단면적과 비례하므로, 동일한 재료를 이용하더라도 상기 본체(110)와 상기 커버(112)의 두께를 달리하여 상기 본체와 상기 커버(112)의 강성도 값의 차이를 만듬으로써 상기 전기 케이스(110)를 제조할 수 있다. 즉, 상기 본체(111)가 더 큰 강성도를 갖도록 하기 위하여, 상기 본체(111)의 두께를 상기 커버(112)의 두께보다 더 크게 형성할 수 있다.
상부가 오목하고 하부가 볼록하도록 성형된 전극 조립체(200)는 평평한 형상을 갖도록, 상기 전극 조립체(200)의 양쪽 끝단에서 하측 방향으로 힘이 발생한다. 그러나, 상기 본체(111)는 상기 커버(112) 보다 강성도가 더 큰 재료로 형성되므로, 상기 전극 조립체(200)의 하측 방향으로 발생하는 힘에 의하여 상기 전극 조립체(200)가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 케이스(110)를 포함하는 이차 전지(10b)를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2에서 도 1의 이차 전지(10a)와 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 사용하며, 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(10b)는 전극 조립체(200) 및 전지 케이스(110)를 포함한다.
상기 전극 조립체(200)는 하부가 오목한 형상을 가지며, 상부가 볼록한 형상을 가지며, 상기 전극 조립체(200)가 실장되는 전지 케이스(110) 또한 상기 전극 조립체(200)와 대응되도록 동일한 형상을 갖는다.
만곡을 갖도록 형성된 상기 전극 조립체(200)는 평평한 형상을 갖도록, 양 쪽 끝단에서 상측 방향으로 힘이 발생한다.
그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 상기 전지 케이스(110)는 상기 커버(112)의 강성도가 상기 본체(111)의 강성도 보다 더 큰 값을 갖도록 형성되므로, 상기 이차 전지(10b)가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 상기 본체(111)는 알루미늄을 이용하여 형성될 수 있으며, 상기 커버(112)는 상기 알루미늄 보다 더 큰 강성도를 갖는 스테인리스 스틸을 이용하여 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않으며, 상기 본체(111) 및 상기 커버(112)가 동일한 재료를 이용하여 형성되더라도, 각각의 두께를 달리하여 서로 다른 강성도를 갖도록 할 수 있음은 물론이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 형성하는 방법을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 3을 참조하면, 전극 조립체(200)는 양극판(210), 음극판(220) 및 세퍼레이터(230)를 포함한다.
상기 양극판(210)과 상기 음극판(220)에는 각각 제1 전극탭(240) 및 제 2 전극탭(250)이 부착되어 외부와 직접적으로 전기적 연결을 이루거나, 또는 별도의 전극 리드(미도시)를 통하여 외부와 전기적으로 연결된다.
상기 양극판(210)은 양극 집전체의 일면 또는 양면 상에 양극 활물질이 도포되어 있는 양극 활물질층(211)과 양극 활물질이 도포되어 있지 않은 제1 무지부(212)를 포함한다.
일반적으로 양극 집전체는 높은 도전성을 가진 물질로, 화학적 변화를 유발하지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 양극 집전체는 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등이 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 상기 양극 활물질층(211)은 리튬을 포함하는 층상 화합물인 양극 활물질과 전도성을 향상시키는 도전재 및 물질들의 결합력을 향상시키는 바인더를 용매와 함께 혼합하여 슬러리 형태로 만든 후, 슬러리를 양극 집전체에 도포함으로써 형성된다.
상기 음극판(220)은 음극 집전체의 일면 또는 양면 상에 음극 활물질이 도포되어 있는 음극 활물질층(221)과 음극 활물질이 도포되어 있지 않은 제2 무지부(222)를 포함한다.
일반적으로 음극 집전체는 전도성 금속판으로, 예컨대 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈 등으로 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 상기 음극 활물질층(221)은 음극 활물질 및 상기 음극 활물질의 결합력을 향상시키는 바인더를 용매와 혼합하여 슬러리 형태로 만든 후, 상기 슬러리를 음극 집전체에 도포하여 형성된다.
세퍼레이터(230)는 상기 양극판(210) 및 상기 음극판(220) 사이에 개재된다. 상기 세퍼레이터(230)는 이온 투과도 및 기계적 강도가 높은 절연성의 얇은 박막이며, 이온의 통로가 되는 동시에 상기 양극판(210)과 상기 음극판(220)이 직접 접촉하는 것을 방지한다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터(230)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리불화비닐리덴 등을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 및 제2 전극탭(240, 250)는 각각 양극판(210) 및 음극판(220)의 제1 및 제2 무지부(212, 222)에 초음파 용접, 저항 용접 및 레이저 용접 중 어느 하나의 이상의 방식에 의하여 부착되거나, 또는 상기 양극판(210) 및 음극판(220)과 일체로 형성되는 것과 가능하다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 전극탭(240, 250)는 니켈 또는 알루미늄 등으로 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다.
도 5는 도 4에 따라 권취한 전극 조립체의 사시도이고, 도 6은 도 5에 전극 조립체의 측면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 전극 조립체(200)는 제1방향(x)에서 연장된 제1축(260)을 중심으로 권취된 양극판(210), 세퍼레이터(230) 및 음극판(220)을 포함하고, 상기 제1방향(x)에 수직한 제2방향(y)의 두께와 상기 제1방향(x) 및 제2방향(y)에 수직한 제3방향(y)의 길이를 갖고, 상기 길이는 상기 두께 보다 크게 형성된다.
도 5에서, 상기 양극판(210) 및 상기 음극판(220)에 부착되어 있는 제1 및 제2 전극탭(240, 250)은 권취된 전극 조립체(200)의 최외각을 통하여 외부로 노출되며 권취되는 방향에 평행하게 연장되어 있다. 또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 전극 조립체(200)는 그 단면이 타원형의 형태를 가질 수 있다.
도 7을 참조하면, 본체(111) 및 커버(112)가 서로 다른 강성도를 갖도록 형성된 전지 케이스(110)에 상기 권취된 전극 조립체(200)를 수납한다. 상기 전극 조립체(200)의 제1 전극탭(240)과 제2 전극탭(250)은 상기 전지 케이스(110) 외측으로 노출된다.
상기 전극 조립체(200)는 상부가 오목하고 하부가 볼록한 형상을 갖도록 제조되므로, 상기 전극 조립체(200)의 변형을 방지하기 위하여, 상기 커버(112)는 상기 본체(111) 보다 더 큰 강성도를 갖는 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(112)는 스테인리스 스틸을 이용하여 형성하고, 상기 본체(111)는 알루미늄을 이용하여 형성될 수 있다. 또는, 상기 커버(112)는 상기 본체(111)와 동일한 재료를 이용하되, 상기 본체(111) 보다 더 큰 강성도를 갖도록, 상기 본체(111) 보다 더 두께를 재료를 이용하여 형성될 수 있다.
상기 제1 전극탭(240)과 제2 전극탭(250)은 전극판과 전해질 사이에 화학반응을 통하여 생성된 전자를 이동하여 전기적으로 외부와 연결하는 기능을 수행한다. 제1 전극탭과 제2 전극탭(140, 150)은 전극판의 권취방향과 평행하게 연장된다.
도 8을 참조하면, 상기 파우치형 전지 케이스(110)의 내부에 전극 조립체(200) 및 전해액(미도시)을 함께 수납시킨 후, 열 융착 등의 방식을 이용하여, 상기 전지 케이스(110)를 밀봉시킨다.
구체적으로, 상기 전지 케이스(110)의 융착부(113)와 상기 융착부(113)와 접하는 커버(112)를 별도의 압착 지그를 이용하여 압착하면서, 일정한 온도 이상으로 가열한다. 이때, 상기 융착부(113)를 통하여 제1 및 제2 전극탭(240, 250)이 노출된다. 또한, 도시한 바와 같이, 상기 제1 및 제2 전극탭(240, 250)는 서로 이격하여 존재한다.
다음으로, 만곡 형상의 이차 전지(10a)를 형성하기 위하여, 만곡 변형을 실시한다. 이를 보다 상세히 살펴보면, 상기 전극 조립체(200)의 권취축(도 5의 160)을 중심으로 상기 권취축에 수직한 단면이 중심부에 대하여 양측 단부가 동일한 방향으로 완만하게 함께 휘도록 한다. 즉, 상기 전극 조립체(200)의 양측 단부는 중심부에 대하여 수평면을 기준으로 양자 모두 하향으로 휘어져 있을 수 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 상기 전극 조립체(200)가 수납된 이차 전지(10a)를 만곡시킴으로써, 상기 전지 케이스(110) 및 상기 전지 케이스(110)의 내부에 존재하는 전극 조립체(200)도 동일하게 만곡된다. 상기 전극 조립체(200)의 만곡 방향은 상기 전극 조립체(200)의 권취 방향에 평행한 방향이 된다. 도면에 도시한 바와 같이, 상기 전극 조립체(200)에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극탭(240, 250)에 대하여 수직한 면의 폭은 좁으나, 상대적으로 상기 전극탭(240, 250)에 대하여 수평한 면의 폭은 넓다. 즉, 상기 전극 조립체(200)가 만곡되는 부분은 상대적으로 더 넓은 폭을 기준으로 만곡시킨다. 이에 의하여, 상기 전극 조립체(200)에 가해지는 힘이 분산되어, 상기 전극 조립체(200)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이때 사용되는 전해액은 상술한 바와 같은 통상의 액체 전해액을 사용하거나 또는 상기 액체 전해액뿐만 아니라 고체 전해액도 사용할 수 있다. 단, 고체 전해액을 사용하는 경우, 상기 이차 전지(10a)를 만곡시킨 후에 열경화공정을 거치는 것이 바람직하다.
즉, 상기 이차 전지(10a)에 고체 전해액으로서 폴리머 겔을 전해액으로 사용할 경우에는 전술한 바와 같이 상기 폴리머 전구체(prepolymer)를 전극 조립체(200)와 함께 전지 케이스(110)에 수납시킨 후 열경화시킨다. 이와 같은 열경화 공정에 의하여, 상기 폴리머 전구체는 폴리머 겔(polymer gel)이 된다. 단, 상기 열경화 공정은 상기 전극 조립체(200)를 만곡시킨 후 행하는 것이 바람직하다. 이는 폴리머 겔은 고분자가 가교된 형이므로 이차 전지(10a)는 폴리머 겔에 의하여 강도가 증가한다. 따라서, 상기 이차 전지(10a)는 외부 충격에 의하여 쉽게 변형되지 않으므로 안정적으로 사용할 수 있다.
반면, 상기 이차 전지(10a)를 만곡시키기 전에 상기 폴리머 전구체를 열경화시킨 경우 문제가 생길 수 있다. 구체적으로, 열경화된 폴리머 겔은 유동성이 감소된다. 따라서, 폴리머 겔은 전극 조립체(200)의 표면과 그 주변부를 경직시킬 수 있다. 즉, 상기 폴리머 겔을 열경화시킨 후에 전극 조립체(200)를 만곡시키는 경우에는, 상기 전극 조립체(200)를 구성하는 제1 및 제2 극판의 활물질층이 박피되는 등의 문제가 생길 수 있다. 반면, 본 발명의 실시예에 의하면 폴리머 전구체는 전극 조립체(200)가 만곡된 형태로 형성될 때, 즉 열결화상태 이전에는 용액이다. 따라서, 전극 조립체(200)가 만곡되고 전해질이 폴리머 전구체인 상태에서는 이와 같은 문제를 예방할 수 있다.
이와 같이 이차 전지(10a)를 만곡시키는 방법은, 상기 이차 전지(10a)를 가압 및 열처리하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 가압 및 열처리 온도는 상기 이차 전지(10a)의 내부에 수납된 전극 조립체(200)와, 전해액의 열화를 최소화할 수 있는 조건이 바람직하다. 또한, 별도의 가열 공정 없이 상온에서 가압하여 수행하는 것이 특히 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지(10a)는 소정의 곡면이 형성되어 있고, 그 내부에 수납된 전극 조립체(200)도 상기 이차 전지(10a)와 동일한 형상으로 휘어져 있다.
또한, 상기 전지 케이스(110)의 본체(111) 및 커버(112)는 서로 다른 강성도를 갖는 물질로 형성되므로, 상기 이차 전지(10a)의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 양호한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예들는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 제한하기 위함이 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 발명의 권리 범위는 이하의 특허 청구 범위에 의하여 정해지는 것으로, 본 명세서의 기재에 구속되지 않으며, 특허 청구 범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
10a, 10b: 이차 전지 10b: 이차 전지
110: 케이스 111: 본체
111a: 수납부 112: 커버
113: 융착부 160: 권취축
200: 전극 조립체 210: 양극판
211: 양극 활물질층 212: 제1 무지부
220: 음극판 221: 음극 활물질층
222: 제2 무지부 111a, 112a: 금속 호일
111b, 112b: 양면에 절연성 필름 230: 세퍼레이터
240: 제1 전극탭 250: 전극탭

Claims (20)

  1. 제1방향에서 연장된 제1축을 중심으로 권취된 양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 포함하고, 상기 제1방향에 수직한 제2방향의 두께와 상기 제1방향 및 제2방향에 수직한 제3방향의 길이를 갖고, 상기 길이는 상기 두께 보다 크게 형성된 상태에서 상기 제1축에 대하여 만곡면(curvature)을 가지는 전극조립체;
    상기 만곡면과 대응되는 만곡면을 가지며, 서로 다른 강성도(stiffness)를 갖는 본체 및 커버를 포함하는 전지 케이스; 및
    상기 양극판 및 상기 음극판에 각각 연결되고, 상기 제1 방향에서 수직한 방향에서 상기 전극조립체로부터 돌출된 제1 전극탭 및 제2 전극탭;
    을 포함하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 본체 및 상기 커버는,
    서로 다른 물질을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 본체 및 상기 커버는,
    서로 다른 두께를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 본체의 하부가 볼록하고 상기 커버의 상부가 오목한 형상을 갖는 경우,
    상기 본체의 강성도가 상기 커버의 강성도 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 본체의 두께는 상기 커버의 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 본체는 스테인리스 스틸로 형성되며, 상기 커버는 알루미늄을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 본체의 하부가 오목하고 상기 커버의 상부가 볼록한 형상을 갖는 경우,
    상기 커버의 강성도가 상기 본체의 강성도 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 커버의 두께는 상기 본체의 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 커버는 스테인리스 스틸로 형성되며, 상기 본체는 알루미늄을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전지 케이스는,
    금속 호일; 및
    상기 금속 호일의 양면에 적층된 절연성 필름;
    을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전지 케이스는 밀봉부를 포함한 파우치이고, 상기 제1 및 제2 전극탭은 상기 밀봉부를 통하여 연장되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  12. 서로 다른 강성도(stiffness)를 갖는 본체 및 상기 본체와 결합되는 커버를 포함하며, 상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 동일한 방향으로 만곡면(curvature)을 갖는 전지 케이스;
    상기 전지 케이스의 상기 만곡면에 대응되는 만곡면을 가지면서 상기 전지 케이스에 수납되며, 양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 포함하는 전극조립체; 및
    상기 전극조립체로부터 돌출된 제1 전극탭 및 제2 전극탭;
    을 포함하는 이차 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 볼록한 형상의 만곡면(curvature)을 갖는 경우, 상기 본체의 강성도가 상기 커버의 강성도 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 본체의 두께는 상기 커버의 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 오목한 형상의 만곡면(curvature)을 갖는 경우, 상기 커버의 강성도가 상기 본체의 강성도 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 커버의 두께는 상기 본체의 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  17. 서로 다른 강성도(stiffness)를 갖는 본체 및 커버를 포함하는 전지 케이스를 형성하는 단계;
    양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 포함하는 전극조립체를 상기 전지 케이스에 수납하는 단계; 및
    상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 동일한 방향으로 만곡면(curvature)을 가지며, 상기 만곡면에 대응되는 만곡면을 갖는 상기 전극조립체를 형성하는 단계;
    를 포함하는 이차 전지 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 볼록한 형상의 만곡면(curvature)을 갖는 경우, 상기 본체의 강성도가 상기 커버의 강성도 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 본체의 하부 및 상부 커버의 하부가 오목한 형상의 만곡면(curvature)을 갖는 경우, 상기 커버의 강성도가 상기 본체의 강성도 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 본체 및 상기 커버의 두께는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조방법.
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