KR20150081730A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20150081730A
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Abstract

본 발명은 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 무지부 및 제2 무지부를 포함하는 전극 조립체, 상기 제1 무지부와 상기 제2 무지부에 각각 접합된 제1 집전체 및 제2 집전체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 제1 집전체는 상기 제1 무지부와 중첩하여 접합된 제1 중첩부를 포함하고, 상기 제1 중첩부의 길이는 상기 제1 무지부의 길이의 30% 내지 70%이고, 상기 제1 중첩부의 폭은 상기 제1 무지부의 폭의 50% 내지 70%일 수 있다.

Description

이차 전지{Secondary battery}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고입출력 특성을 가지는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전을 반복하여 사용할 수 있는 전지로, 사용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 전지들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 전지 모듈의 형태로 사용되기도 한다.
이와 같은 이차 전지는 휴대폰, 노트북 컴퓨터와 같은 소형 전자 장치의 전원으로 사용되는 것을 넘어서, 최근에는 하이브리드 자동차와 같이 대형 운송 수단에 사용됨에 따라, 고출력, 고용량의 전지에 대한 수요가 급증하고 있다.
한편, ISG(Idle Stop & Go or Integrated Starter & Generator) 시스템은 차량 정차 시 자동으로 엔진 가동이 중단되고, 클러치, 액셀레이터 등을 밟아 주행을 시작하면 엔진이 재시동되는 원리를 이용한 하이브리드 자동차의 핵심기술로, 정차와 출발을 반복하는 도심 교통상황에서 차량의 불필요한 연료소비를 크게 줄일 수 있는 시스템이다. 이와 같은 공회전 제한장치인 ISG 시스템을 구동하기 위해서는, 잦은 엔진 시동시에도 고출력을 낼 수 있도록, 전원공급장치가 고입출력 특성을 가져야 한다.
본 발명의 목적은, 고입출력 특성을 가지는 이차 전지를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지는, 제1 무지부 및 제2 무지부를 포함하는 전극 조립체, 상기 제1 무지부와 상기 제2 무지부에 각각 접합된 제1 집전체 및 제2 집전체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 제1 집전체는 상기 제1 무지부와 중첩하여 접합된 제1 중첩부를 포함하고, 상기 제1 중첩부의 길이는 상기 제1 무지부의 길이의 30% 내지 70%이고, 상기 제1 중첩부의 폭은 상기 제1 무지부의 폭의 50% 내지 70%일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 집전체는 상기 제2 무지부와 중첩하여 접합된 제2 중첩부를 포함하고, 상기 제2 중첩부의 길이는 상기 제2 무지부의 길이의 30% 내지 70%이고, 상기 제2 중첩부의 폭은 상기 제2 무지부의 폭의 50% 내지 70%일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전극 조립체는 제1 전극판, 제2 전극판 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 제1 전극판은 제1 활물질이 도포된 제1 활물질부를 포함하며, 상기 제2 전극판은 제2 활물질이 도포된 제2 활물질부를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 활물질은 Li을 포함하는 환이금속산화물 또는 PO4계 금속화합물일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제2 활물질은 소프트 카본일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 무지부 및 상기 제2 무지부는 상기 전극 조립체의 양 단부에 각각 형성되고, 상기 제1 집전체는 상기 제1 중첩부로부터 상기 제2 무지부를 향하도록 절곡된 제1 연결부를 포함하고, 상기 제2 집전체는 상기 제2 중첩부로부터 상기 제1 무지부를 향하도록 절곡된 제2 연결부를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 캡 조립체는 상기 케이스를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하고, 상기 캡 플레이트에는 제1 외부 단자 및 제2 외부 단자가 형성되며, 상기 제1 연결부는 상기 제1 외부 단자와 전기적으로 접속하고, 상기 제2 연결부는 상기 제2 외부 단자와 전기적으로 접속될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 케이스의 내부에 상기 전극 조립체의 유동을 방지하는 유지부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이차 전지는, 순차적으로 적층된 제1 전극판, 세퍼레이터 및 제2 전극판이 권취되어 형성된 전극 조립체, 상기 전극 조립체의 양 단부에 각각 형성된 제1 무지부 및 제2 무지부, 상기 제1 무지부에 전기적으로 연결된 제1 집전체 및 상기 제2 무지부에 전기적으로 연결된 제2 집전체를 포함하고, 상기 제1 집전체는 상기 제1 무지부와 중첩되고, 용접에 의해 상기 제1 무지부와 접합된 제1 중첩부 및 상기 제1 중첩부와 수직방향으로 절곡된 제1 연결부를 포함하고, 상기 제2 집전체는 상기 제2 무지부와 중첩되고, 용접에 의해 상기 제2 무지부와 접합된 제2 중첩부 및 상기 제2 중첩부와 수직방향으로 절곡된 제2 연결부를 포함하며, 상기 제1 중첩부의 길이는 상기 제1 무지부의 길이의 30% 내지 70%이고, 상기 제1 중첩부의 폭은 상기 제1 무지부의 폭의 50% 내지 70%일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 중첩부의 길이는 상기 제2 무지부의 길이의 30% 내지 70%이고, 상기 제2 중첩부의 폭은 상기 제2 무지부의 폭의 50% 내지 70%일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 전극판은 제1 활물질이 도포된 제1 활물질부와, 상기 제1 활물질부의 일 측에 구비되고 상기 제1 활물질이 도포되지 않은 제1 미도포 영역을 포함하고, 상기 제2 전극판은 제2 활물질이 도포된 제2 활물질부와, 상기 제2 활물질부의 일 측에 구비되고 상기 제2 활물질이 도포되지 않은 제2 미도포 영역을 포함하며, 상기 제1 미도포 영역과 상기 제2 미도포 영역은 상기 세퍼레이터를 기준으로 서로 반대 방향에서 상기 세퍼레이터와 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 무지부는 상기 제1 미도포 영역이 권취되어 형성되고, 상기 제2 무지부는 상기 제2 미도포 영역이 권취되어 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 활물질은 Li을 포함하는 환이금속산화물 또는 PO4계 금속화합물일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 활물질은 천연 흑연, 인조 흑연, 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소), 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 및 소성된 코크스로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스와 상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 캡 조립체는 상기 케이스를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하고, 상기 캡 플레이트에는 제1 외부 단자 및 제2 외부 단자가 형성되며, 상기 제1 연결부는 상기 제1 외부 단자와 전기적으로 접속하고, 상기 제2 연결부는 상기 제2 외부 단자와 전기적으로 접속될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 케이스의 내부에 상기 전극 조립체의 유동을 방지하는 유지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 이차전지가 고입출력 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 내용 이외에도, 도면을 참조하여 이하에서 설명할 내용으로부터도 도출될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 이차 전지의 전극 조립체를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1의 이차 전지의 전극 조립체와 집전체를 도시한 정면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시 예들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(120), 전극 조립체(120)를 수용하는 케이스(110), 케이스(110) 상단을 밀봉하는 캡 조립체(130)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(120)는 제1 전극판(도 3의 1210), 제2 전극판(도 3의 1220) 및 제1 전극판(도 3의 1210)과 제2 전극판(도 3의 1220) 사이에 개재된 세퍼레이터(도 3의 1230)를 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 전극판(도 3의 1210), 세퍼레이터(도 3의 1230) 및 제2 전극판(도 3의 1220)은 순차적으로 적층된 후, 상기 적층체를 젤리 롤(jelly-roll) 형태로 권취하여 형성할 수 있다.
전극 조립체(120)는 제1 무지부(121)와 2 무지부(122)를 포함한다. 제1 무지부(121)와 제2 무지부(122)는 전극 조립체(120)의 폭 방향을 따라 전극 조립체(120)의 양 단부에 각각 형성될 수 있다.
제1 무지부(121)는 제1 전극판(도 3의 1210)으로부터 형성되어 양의 극성을 가질 수 있으며, 제2 무지부(122)는 제2 전극판(도 3의 1220)으로부터 형성되어 음의 극성을 가질 수 있다. 다만 본 발명은 이에 한하지 않으며, 제1 무지부(121)가 음의 극성을 띄고, 제2 무지부(122)가 양의 극성을 띌 수도 있다.
제1 무지부(121)에는 제1 집전체(131)가 전기적으로 연결되고, 제2 무지부(122)에는 제2 집전체(132)가 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 무지부(121)에 대한 제1 집전체(131)의 결합과, 제2 무지부(122)에 대한 제2 집전체(132)의 결합은 초음파 용접에 의해 이루어질 수 있다.
제1 집전체(131)는 제1 무지부(121)와 중첩하여 접합되는 제1 중첩부(131a) 및 제1 중첩부(131a)와 수직방향으로 절곡된 제1 연결부(131b)를 포함할 수 있다. 제1 연결부(131b)는 제1 외부 단자(181)와 전기적으로 연결된다.
이와 마찬가지로, 제2 집전체(132)는 제2 무지부(122)와 중첩하여 접합되는 제2 중첩부(132a) 및 제2 외부 단자(182)와 전기적으로 연결되는 제2 연결부(132b)를 포함할 수 있다.
한편, 제1 중첩부(131a)는 제1 무지부(121) 대비 특정한 길이와 폭으로 형성될 수 있고, 제2 중첩부(132a) 역시 제2 무지부(122) 대비 특정한 길이와 폭으로 형성될 수 있다.
일 예로, 제1 중첩부(131a)의 길이는 제1 무지부(121)의 길이의 30% 내지 70%로 형성될 수 있고, 제1 중첩부(131a)의 폭은 제1 무지부(121)의 폭의 50% 내지 70%로 형성될 수 있다. 또한, 제2 중첩부(132a)의 길이는 제2 무지부(122)의 길이의 30% 내지 70%로 형성될 수 있고, 제2 중첩부(131a)의 폭은 제2 무지부(122)의 폭의 50% 내지 70%로 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1 중첩부(131a)와 제2 중첩부(132a)가 각각 제1 무지부(121) 및 제2 무지부(122) 대비 특정 비율의 길이와 폭을 가지도록 형성되면, 이차 전지(100)의 저항이 감소하여, 이차 전지(100)의 고입출력 특성이 향상될 수 있다. 이와 관련하여서는 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
케이스(110)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속재로 형성될 수 있다. 케이스(110)는 전극 조립체(120)를 수용할 수 있도록 개구가 형성된 대략 육면체 형상으로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
케이스(110)의 내부에는 전극 조립체(120)와 함께 전해질이 수용되며, 케이스(110)의 개구는 캡 조립체(130)에 의해 밀봉될 수 있다. 케이스(110) 내부에는 전극 조립체(120)의 유동을 방지하기 위해, 케이스(110)의 내측면과 대응되는 위치에 유지부(140)(retainer)가 구비될 수 있다.
캡 조립체(130)는 케이스(110) 상단을 폐쇄하기 위한 캡 플레이트(112)를 포함할 수 있다. 캡 플레이트(112)는 케이스(110)와 마찬가지로 도전성 금속재로 형성될 수 있으며, 캡 플레이트(112)와 케이스(110)의 맞닿는 부분은 레이저 용접으로 기밀성 결합을 형성할 수 있다.
캡 플레이트(112)에는 케이스(110) 내부 압력이 일정 압력을 초과하면 가스의 배출 경로를 제공하도록 파단 가능하게 설계된 안전 벤트(113)가 형성될 수 있다.
캡 플레이트(112)에는 케이스(110) 내로 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(미도시)가 형성되어 있으며, 전해액 주입이 완료된 이후에 실링 마개(미도시)에 의해 전해액 주입구(미도시)가 폐쇄될 수 있다.
한편, 전극 조립체(120)와 접합된 제1 집전체(131)와 제2 집전체(132)는 각각 캡 플레이트(112)에 형성된 제1 외부 단자(181) 및 제2 외부 단자(182)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 집전체(131) 및 제2 집전체(132)는 리벳 단자(150) 및 도전성 플레이트(170)를 통해 제1 외부 단자(181)와 연결될 수 있다.
예를 들어, 제1 집전체(131)의 제1 연결부(131b)는 전극 조립체(120)의 제2 무지부(122)를 향하도록 절곡되고, 절곡된 제1 연결부(131b)는 리벳 단자(150)의 하부와 연결된다. 리벳 단자(150)의 상부는 캡 플레이트(112)를 관통하여 도전성 플레이트(170)에 형성된 홀에 결합될 수 있다.
리벳 단자(150)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 도전성 금속재로 형성되므로, 제1 집전체(131), 리벳 단자(150), 도전성 플레이트(170), 및 도전성 플레이트(170)의 일 측에 형성된 제1 외부 단자(181)는 전류 패스를 형성할 수 있다.
용접을 통해 전극 조립체(120)와 전기적으로 연결된 제2 집전체(132)는 제1 집전체(131)와 마찬가지로 리벳 단자(150) 및 도전성 플레이트(170)를 통해 제2 외부 단자(182)와 전기적으로 연결될 수 있다.
리벳 단자(150)와 캡 플레이트(112) 사이에는 전해질의 누액을 방지하기 위한 실링 개스킷(163)(seal gasket)이 구비될 수 있다. 또한, 캡 플레이트(112)의 상부면과 하부면에는 상부 절연체(161)와 하부 절연체(162)가 각각 배치되어, 제1 집전체(131) 및 도전성 플레이트(170)가 캡 플레이트(112)와 전기적으로 연결되는 것을 차단할 수 있다.
본 실시예에서는 실링 개스킷(163)이 하부 절연체(162)와 별도의 부재로 형성된 상태로 도시되었으나, 하부 절연체(162)와 일체로 형성될 수 있음은 물론이다. 또한, 제1 외부 단자(181) 및 제2 외부 단자(182)가 볼트의 형상인 경우를 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예컨대, 제1 외부 단자(181) 및 제2 외부 단자(182)는 리벳 형상으로 제작될 수 있다.
도 3은 도 1의 전극 조립체(120)를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 전극 조립체(120)의 제1 무지부(121)를 발췌하여 나타낸 사시도이다.
도 3을 참조하면, 전극 조립체(120)는 제1 전극판(1210)과 제2 전극판(1220) 사이에 세퍼레이터(1230)가 개재된 상태에서 권취될 수 있다.
제1 전극판(1210)은 제1 활물질이 도포된 제1 활물질부(1211), 및 제1 활물질부(1211)의 일 측에 구비되며 제1 활물질이 도포되지 않은 제1 미도포 영역(1212)을 포함할 수 있다. 제1 활물질은 양극 활물질일 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 판의 적어도 어느 한 면에 양극 활물질을 도포하여 제1 활물질부(1211)를 형성하고, 알루미늄 판의 일부 영역은 양극 활물질을 도포하지 않은 상태로 제1 미도포 영역(1212)을 형성할 수 있다.
제1 활물질은 Li을 포함하여 가역성이 우수한 환이금속산화물 또는 PO4계 금속화합물일 수 있다.
예를 들어, Li을 포함하는 환이금속산화물은 LiaCo1-bM?O2-dX? (0.5≤a≤1.5, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5)의 화학식으로 표시될 수 있다. 여기서, M”는 Mg, Al, Co, Ni, K, Na, Ca, Si, Fe, Cu, Zn, Ti, Sn, V, Ge, Ga, B, P, Se, Bi, As, Zr, Mn, Cr, Ge, Sr, V, Sc, Y, 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고, X’는 F, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, Li을 포함하는 PO4계 금속화합물은 LixMyM?PO4-wXw (0.5≤x≤1.5, 0< y≤1, 0≤z≤1, 0≤w≤0.2)의 화학식으로 표시될 수 있다. 여기서, M은 Fe, Mn, Ni 및 Co로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고, M’는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Mo, W, Zn, Al 및 Si로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며, X는 S 및 F로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
이와 같은 재질의 제1 활물질은 고유 밀도 및 압력 밀도가 높아 부피당 용량이 우수하므로, 이차 전지(도 1의 100)의 용량이 증가할 수 있다.
제2 전극판(1220)은 제2 활물질이 도포된 제2 활물질부(1221), 및 제2 활물질부(1221)의 일측에 구비되며 제2 활물질이 도포되지 않은 제2 미도포 영역(1222)을 포함할 수 있다. 제2 활물질은 음극 활물질일 수 있다. 예를 들어, 구리 판의 적어도 어느 한 면에 음극 활물질을 도포함으로써 제2 활물질부(1221)를 형성하고, 구리 판의 일부 영역은 그대로 남겨두어 제2 미도포 영역(1222)을 형성할 수 있다.
제2 활물질은, 천연 흑연, 인조 흑연, 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소), 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 및 소성된 코크스로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 제2 활물질은 예를 들어, 1500℃ 이하에서 열처리된 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소)일 수 있다.
이러한 제2 활물질은 표면적이 넓기 때문에 이차 전지(도 1의 100)의 고율 특성이 보다 향상될 수 있다.
세퍼레이터(1230)는 제1 전극판(1210)과 제2 전극판(1220) 간의 전기적 접촉을 방지하는 다공성 막으로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등으로 형성될 수 있다.
이와 같은, 제1 전극판(1210), 세퍼레이터(1230) 및 제2 전극판(1220)을 순차적으로 적층한 후, 이를 권취 하여 젤리롤 형태로 형성한 다음, 프레스 가압하면 평평한 면과 곡면을 갖는 타원기둥의 형상의 전극 조립체(120)를 형성할 수 있다.
이때, 제1 전극판(1210)의 제1 미도포 영역(1212)과 제2 전극판(1220)의 제2 미도포 영역(1222)은 세퍼레이터(1230)를 기준으로 서로 반대 방향에서 세퍼레이터(1230)와 중첩되지 않도록 배치된다. 따라서, 제1 전극판(1210)의 제1 미도포 영역(1212)은 권취되어 전극 조립체(120)의 제1 무지부(121)를 형성하고, 제2 전극판(1220)의 제2 미도포 영역(1222)은 권취되어 전극 조립체(120)의 제2 무지부(122)를 형성하게 된다.
도 4를 참조하면, 제1 무지부(121)에는 제1 집전체(131)가 접합되며, 제2 무지부(122)에는 제2 집전체(132)가 접합된다.
제1 집전체(131)와 제2 집전체(132)는 제1 활물질부(1211)와 제2 활물질부(1221)에서 발생된 전자가 외부로 흐를 수 있는 경로를 형성하고, 전극 조립체(120)에서 발생된 열을 외부로 방열할 수 있으며, 전극 조립체(120)의 형상을 유지할 수 있도록 지지체의 역할을 할 수 있다.
제1 집전체(131) 및 제2 집전체(132)는 도전성 금속재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 집전체(131)는 알루미늄, 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있으며, 제2 집전체(132)는 구리, 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.
한편, 제1 무지부(121)와 중첩하는 제1 중첩부(131a)의 길이(L2)는 제1 무지부(121)의 길이(L1)의 30% 내지 70%로 형성될 수 있다.
제1 중첩부(131a)의 길이(L2)가 제1 무지부(121)의 길이(L1)의 30%보다 작은 경우는, 전자가 빠져나갈 수 있는 제1 중첩부(131a)의 면적이 감소하여 접촉 저항이 증가함으로써 이차 전지(도 1의 100) 전체적인 저항이 증가할 수 있다. 또한, 제1 집전체(131)의 접합 면적이 감소하므로, 제1 집전체(131)와 제1 무지부(121) 간의 접합력이 저하될 수 있다.
반면에, 제1 중첩부(131a)의 길이(L2)가 제1 무지부(121)의 길이(L1)의 70%보다 큰 경우는, 제1 집전체(131) 자체의 내부저항이 증가하여 전류 특성이 감소할 수 있다. 또한, 제1 중첩부(131a)의 길이가 제1 무지부(121)의 길이(L1)와 유사할 정도로 길어지게 되면 제1 중첩부(131a)와 케이스(도 2의 110) 간의 단락이 발생할 수 있다.
따라서, 제1 집전체(131)와 제1 무지부(121) 간의 접촉 저항 및 제1 집전체(131) 자체의 저항을 최소화하여 이차 전지(도 1의 100)가 고율 특성을 가지도록 하고, 이차 전지(도 1의 100)의 안정성을 확보하기 위해, 제1 중첩부(131a)의 길이(L2)는 제1 무지부(121)의 길이(L1)의 30% 내지 70%로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 제1 중첩부(131a)의 폭(W2)은 제1 무지부(121)의 폭(W11)의 50% 내지 70%로 형성될 수 있다.
제1 중첩부(131a)의 폭(W2)이 제1 무지부(121)의 폭(W11)의 50%보다 작은 경우는, 전류가 흐를 수 있는 면적이 감소하여 제1 중첩부(131a)와 제1 무지부(121) 간의 접촉 저항이 증가할 수 있다.
반면에, 제1 중첩부(131a)의 폭(W2)이 제1 무지부(121)의 폭(W11)의 70%보다 큰 경우는, 제1 중첩부(131a)와 제1 활물질부(도 3의 1211) 또는 제2 활물질부(도 3의 1221) 간의 단락이 발생할 수 있고, 제1 중첩부(131a)와 제1 무지부(121)의 용접 시 세퍼레이터(도 3의 1230)가 녹을 수 있다.
따라서, 이차 전지(도 1의 100)의 저항을 최소화하여 이차 전지(도 1의 100)가 고율 특성을 가지고, 이차 전지(도 1의 100)의 안정성을 확보하기 위해, 제1 중첩부(131a)의 폭(W2)은 제1 무지부(121)의 폭(W11) 대비 50% 내지 70%로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 제2 무지부(122)와 중첩하는 제2 중첩부(131a)의 길이(L3)는 제2 무지부(122)의 길이(L1)의 30% 내지 70%로 형성될 수 있다. 제2 무지부(122)는 제1 무지부(121)와 동일한 길이(L1)로 형성될 수 있는바, 제2 중첩부(131a)의 길이(L3)는 제1 중첩부(131a)의 길이(L2)와 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 제2 중첩부(131a)의 폭(W3)은, 이차 전지(도 1의 100)의 저항을 최소화하기 위해, 제2 무지부(122)의 폭(W12)의 50% 내지 70%로 형성될 수 있다. 일 예로, 제2 무지부(122)의 폭(W12)은 제1 무지부(121)의 폭(W11)과 동일하게 형성될 수 있다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 아래 실시예는 본 발명을 예시로써 상세하게 설명하기 위한 것이며, 어떠한 경우라도 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니다.
1. 전극 조립체의 제조
평균 입경 5㎛의 LiCoO2분말(Umicore사 제조) 85중량부 및 평균 입경 7.5㎛의 활성탄 분말(Kuraray 사 제조) 5중량부가 혼합된 혼합 분말 90중량부, 도전재로서 카본 블랙 4중량부, 및 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드 6중량부를 N-메틸피롤리돈 용매 중에 분산시켜 양극 활물질 조성물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 활물질 조성물 슬러리를 닥터 블레이드((doctor blade) (갭: 170mm))를 사용하여 알루미늄 전극판 상에 약 145㎛ 의 두께로 도포하고, 진공 중 100℃의 조건에서 5.5시간 열처리하고 건조하였다. 이후, 상기 양극 활물질 조성물 슬러리가 도포된 알루미늄 전극판을 롤 프레스로 압연하여 양극 활물질층이 형성된 양극판을 제조하였다. 상기 양극판을 가로 457mm 및 세로 70.0mm인 띠형상으로 커팅하였다.
소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소)(GS 칼텍스사 제조) 92중량부, 도전재로서 카본 블랙 5중량부 증점제로서 카르복시메틸셀룰오로스 1중량부, 및 바인더로서 스티렌-부타디엔 러버 2중량부를 수(水)용매 중에 분산시킨 후 혼합하여 음극 활물질 조성물 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 조성물 슬러리를 닥터 블레이드(갭: 160mm)를 사용하여 구리 전극판 상에 약 140㎛ 두께로 도포하고 145℃의 진공오븐에서 6.5시간 열처리하고 건조하였다. 이후, 상기 음극 활물질 조성물 슬러리가 도포된 구리 전극판을 롤 프레스로 압연하여 음극 활물질층이 형성된 음극판을 제조하였다. 상기 음극판을 가로 448mm 및 세로 70.0mm인 띠형상으로 커팅하였다.
상기 양극판과 음극판 사이에 폴리에틸렌 세퍼레이터를 개재하고, 권취하여 전극 조립체(도 2의 120)를 제조하였다.
2. 이차 전지의 제조
상기 1에서 제조한 전극 조립체의 제1 무지부 및 제2 무지부에 각각 제1 집전체 및 제2 집전체를 초음파 용접하여 부착한 후, 전극 조립체를 알루미늄으로 형성된 케이스에 내장한 다음, 1.13M LiPF6가 EC(에틸렌 카보네이트)+DMC(디메틸렌 카보네이트)+DEC(디에틸렌 카보네이트)(3:5:2 부피비)에 녹아있는 전해액을 주입하고 밀봉하여 이차 전지(도 1의 100)를 제조하였다.
3. 실시예 1 내지 4
하기 실시예들에서, 제1 무지부(121)와 제2 무지부(122)는 동일한 형상 즉, 동일한 길이와 폭을 가지도록 형성되고, 제1 중첩부(131a) 및 제2 중첩부(132a) 역시 서로 동일한 길이와 폭을 가지도록 제작되었다. 이하, 제1 중첩부(131a) 및 제2 중첩부(132a)를 통칭하여 '중첩부'라 하고, 제1 무지부(121) 및 제2 무지부(122)를 통칭하여 '무지부'라고 한다.
3-1. 실시예 1
무지부의 길이의 30% 및 무지부의 폭의 70%의 크기를 가지는 중첩부를 구비한 집전체를 제작하여, 상기 2와 같이 이차 전지를 제조하였다.
제조된 이차 전지의 전압이 4.2V가 될 때까지 0.3A의 전류로 이차 전지를 충전 시킨 후, 다시 이차 전지의 전압이 2.0V가 될 때까지 0.3A전류로 방전시켰다. 이 때의 용량을 이차 전지의 초기용량으로 정했다. 이어서, 0.3A의 전류로 이차 전지의 전압이 4.2V가 될 때까지 이차 전지를 재 충전시킨 후, 15A의 전류로 이차 전지의 전압이 2.0V가 될 때까지 방전시키고, 이 때의 이차 전지의 용량 및 저항을 측정하였다.
3-2. 실시예 2
중첩부의 길이를 무지부의 길이의 50%, 중첩부의 폭을 무지부의 폭의 70%로 제작한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지의 용량 및 저항을 측정하였다.
3-3. 실시예 3
중첩부의 길이를 무지부의 길이의 70%, 중첩부의 폭을 무지부의 폭의 70%로 제작한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지의 용량 및 저항을 측정하였다.
3-4. 실시예 4
중첩부의 길이를 무지부의 길이의 50%, 중첩부의 폭을 무지부의 폭의 50%로 제작한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지의 용량 및 저항을 측정하였다.
4. 비교예 1 내지 4
4-1. 비교예 1
중첩부의 길이를 무지부의 길이의 10%, 중첩부의 폭을 무지부의 폭의 70%로 제작한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지의 용량 및 저항을 측정하였다.
4-2. 비교예 2
중첩부의 길이를 무지부의 길이의 90%, 중첩부의 폭을 무지부의 폭의 70%로 제작한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지의 용량 및 저항을 측정하였다.
4-3. 비교예 3
중첩부의 길이를 무지부의 길이의 50%, 중첩부의 폭을 무지부의 폭의 30%로 제작한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지의 용량 및 저항을 측정하였다.
4-4. 비교예 4
중첩부의 길이를 무지부의 길이의 50%, 중첩부의 폭을 무지부의 폭의 90%로 제작한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지의 용량 및 저항을 측정하였다.
하기의 표 1은 상기 실시예들 및 비교예들에서 측정한 이차 전지의 용량 및 저항의 결과와 함께, 이차 전지의 안정성을 함께 나타내고 있다.
Figure pat00001
상기 표 1로부터, 실시예 1 내지 4의 이차 전지(도 1의 100)는 비교예 1 내지 3의 이차 전지에 비해 방전 특성이 향상된 것을 알 수 있다. 한편, 상기 표 1에서, 안정성 항목의 '○'는 안정성에 문제가 없음을 의미하고, '△'는 안정성에 문제가 있을 소지가 있음을 의미하며, '×'는 안정성이 취약한 것을 의미한다.
비교예 4의 경우는 우수한 방전 특성을 가지지만, 무지부에 중첩부를 용접에 의해 접합시, 세퍼레이터(도 3의 1230)의 단부가 용융되는 결과를 나타낸 바, 안정성이 취약한 결과를 나타내고 있다. 또한, 비교예 1의 경우는, 중첩부의 접합력이 취약한 특성을 가지고, 비교예 2의 경우는 중첩부가 케이스(도 2의 110)와 접할 위험이 증가한다.
상술한 본 발명에 따른 이차 전지는 저항을 최소화하여, 고입출력 특성을 가질 수 있다. 이와 같은 이차 전지는 ISG 시스템 하에서 엔진 시동용 전원공급장치로 적합하게 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 이차 전지
110: 케이스 112: 캡 플레이트
113: 안전 벤트 120: 전극 조립체
121: 제1 무지부 122: 제2 무지부
130: 캡 조립체 131: 제1 집전체
131a: 제1 중첩부 131b: 제1 연결부
132: 제2 집전체 132a: 제2 중첩부
132b: 제2 연결부 140: 유지부
150: 리벳 단자 181: 제1 외부 단자
182: 제2 외부 단자 1210: 제1 전극판
1220: 제2 전극판 1230: 세퍼레이터

Claims (17)

  1. 제1 무지부 및 제2 무지부를 포함하는 전극 조립체;
    상기 제1 무지부와 상기 제2 무지부에 각각 접합된 제1 집전체 및 제2 집전체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
    상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체;를 포함하고,
    상기 제1 집전체는 상기 제1 무지부와 중첩하여 접합된 제1 중첩부를 포함하고,
    상기 제1 중첩부의 길이는 상기 제1 무지부의 길이의 30% 내지 70%이고, 상기 제1 중첩부의 폭은 상기 제1 무지부의 폭의 50% 내지 70%인 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 집전체는 상기 제2 무지부와 중첩하여 접합된 제2 중첩부를 포함하고,
    상기 제2 중첩부의 길이는 상기 제2 무지부의 길이의 30% 내지 70%이고, 상기 제2 중첩부의 폭은 상기 제2 무지부의 폭의 50% 내지 70%인 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 제1 전극판, 제2 전극판 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 제1 전극판은 제1 활물질이 도포된 제1 활물질부를 포함하며, 상기 제2 전극판은 제2 활물질이 도포된 제2 활물질부를 포함하는 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 활물질은 Li을 포함하는 환이금속산화물 또는 PO4계 금속화합물인 이차 전지.
  5. 제3항에 있어서,
    제2 활물질은 소프트 카본인 이차 전지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 무지부 및 상기 제2 무지부는 상기 전극 조립체의 양 단부에 각각 형성되고,
    상기 제1 집전체는 상기 제1 중첩부로부터 상기 제2 무지부를 향하도록 절곡된 제1 연결부를 포함하고,
    상기 제2 집전체는 상기 제2 중첩부로부터 상기 제1 무지부를 향하도록 절곡된 제2 연결부를 포함하는 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 상기 케이스를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하고,
    상기 캡 플레이트에는 제1 외부 단자 및 제2 외부 단자가 형성되며,
    상기 제1 연결부는 상기 제1 외부 단자와 전기적으로 접속하고, 상기 제2 연결부는 상기 제2 외부 단자와 전기적으로 접속된 이차 전지.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 케이스의 내부에 상기 전극 조립체의 유동을 방지하는 유지부를 더 포함하는 이차 전지.
  9. 순차적으로 적층된 제1 전극판, 세퍼레이터 및 제2 전극판이 권취되어 형성된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체의 양 단부에 각각 형성된 제1 무지부 및 제2 무지부;
    상기 제1 무지부에 전기적으로 연결된 제1 집전체; 및
    상기 제2 무지부에 전기적으로 연결된 제2 집전체;를 포함하고,
    상기 제1 집전체는 상기 제1 무지부와 중첩되고, 용접에 의해 상기 제1 무지부와 접합된 제1 중첩부 및 상기 제1 중첩부와 수직방향으로 절곡된 제1 연결부를 포함하고,
    상기 제2 집전체는 상기 제2 무지부와 중첩되고, 용접에 의해 상기 제2 무지부와 접합된 제2 중첩부 및 상기 제2 중첩부와 수직방향으로 절곡된 제2 연결부를 포함하며,
    상기 제1 중첩부의 길이는 상기 제1 무지부의 길이의 30% 내지 70%이고, 상기 제1 중첩부의 폭은 상기 제1 무지부의 폭의 50% 내지 70%인 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 중첩부의 길이는 상기 제2 무지부의 길이의 30% 내지 70%이고, 상기 제2 중첩부의 폭은 상기 제2 무지부의 폭의 50% 내지 70%인 이차 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전극판은 제1 활물질이 도포된 제1 활물질부와, 상기 제1 활물질부의 일 측에 구비되고 상기 제1 활물질이 도포되지 않은 제1 미도포 영역을 포함하고,
    상기 제2 전극판은 제2 활물질이 도포된 제2 활물질부와, 상기 제2 활물질부의 일 측에 구비되고 상기 제2 활물질이 도포되지 않은 제2 미도포 영역을 포함하며,
    상기 제1 미도포 영역과 상기 제2 미도포 영역은 상기 세퍼레이터를 기준으로 서로 반대 방향에서 상기 세퍼레이터와 중첩되지 않도록 배치된 이차 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 무지부는 상기 제1 미도포 영역이 권취되어 형성되고, 상기 제2 무지부는 상기 제2 미도포 영역이 권취되어 형성된 이차 전지.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 활물질은 Li을 포함하는 환이금속산화물 또는 PO4계 금속화합물인 이차 전지.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 활물질은 천연 흑연, 인조 흑연, 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소), 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 및 소성된 코크스로부터 선택된 하나 이상인 이차 전지.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스와 상기 케이스를 밀봉하는 캡 조립체를 더 포함하는 이차 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 상기 케이스를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하고,
    상기 캡 플레이트에는 제1 외부 단자 및 제2 외부 단자가 형성되며,
    상기 제1 연결부는 상기 제1 외부 단자와 전기적으로 접속하고, 상기 제2 연결부는 상기 제2 외부 단자와 전기적으로 접속된 이차 전지.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 케이스의 내부에 상기 전극 조립체의 유동을 방지하는 유지부를 더 포함하는 이차 전지.
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