KR20160026312A - 전극 조립체 및 전극 조립체 형성방법 - Google Patents

전극 조립체 및 전극 조립체 형성방법 Download PDF

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이선우
강태원
우상진
이현진
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Abstract

본 발명은 젤리-롤 형태의 전극 조립체가 케이스에 용이하게 수납되도록 하며, 다양한 외형의 케이스에 수납될 수 있도록 하는 전극 조립체 및 전극 조립체 형성방법을 제안한다.

Description

전극 조립체 및 전극 조립체 형성방법{Electrode assembly and Method of forming electrode assemly}
본 발명은 전극 조립체 및 전극 조립체 형성방법에 관한 것이다.
충전 및 방이 가능하면서 에너지 밀도와 출력 밀도가 높은 리튬 배터리는 휴대 단말기의 배터리에서 전기 자동차의 배터리까지 다양한 장치에서 동력원으로 이용되고 있다. 리튬 배터리는 수용하는 전해질의 종류에 따라 액상 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리와 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 배터리로 분류되며, 전극 조립체가 수용되는 외장재의 형상에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형으로 분류된다. 통상적으로, 각형 또는 원통형에 채용되는 전극 조립체는 양극판, 분리막, 음극판을 적층하고, 이를 권취한 젤리-롤 형태를 갖는다. 젤리-롤 형태의 전극 조립체는 금속 재질의 캔에 수납되고, 탑 캡(Top cap)과 클림핑하여 밀봉된다. 양극판과 음극판 및 분리막이 권취되어 젤리-롤(Jelly Roll)을 형성한 전극 조립체는 압착되어 캔에 삽입되는데, 양극 탭과 음극 탭은 각각 캔에 체결되는 탑 캡(Top cap)과 캔에 결선되어 양극과 음극을 이룬다.
상기한 전극 조립체를 압착하여 캔에 삽입할 때, 전극 조립체는 압착에 의해 구조적 변형 및 신뢰성 저하가 유발될 우려가 있다. 또한, 원통형 또는 각형 케이스 이외에도, 이차전지는 원추형이나 다각형에 대응하는 다양한 외형을 가질 필요가 있으나, 기존의 젤리-롤 형상의 전극 조립체는 원통형 이외의 케이스 구조에 적합하지 않다.
일본공개특허 2005-174790호
본 발명의 목적은 젤리-롤 형태를 갖는 전극 조립체가 케이스에 용이하게 수납되도록 하며, 전극 조립체가 다양한 외형의 케이스에 수납될 수 있도록 하는 전극 조립체 및 전극 조립체 형성방법을 제공함에 있다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 권취 시작선과 귄취 종단선의 길이가 서로 상이한 사다리꼴 형상을 가지며, 권취 시작선의 길이가 변경되는 길이 변위점에서 권취 종단선을 향해 경사진 사선을 갖는 전극판을 권심 부재에 권취하여 일 영역은 원통 구조를 이루고, 일 영역에서 연장되는 타 영역은 원추 구조를 이루는 전극 조립체에 의해 달성된다.
여기서, 권취 종단선은, 제1 길이를 가지며, 원통 구조의 길이방향에 대응할 수 있다.
여기서, 사선은, 권취 시작선에서 권취 종단선을 향해 제2 길이 진행 후 형성되며, 원추 구조의 종단 지름에 대응할 수 있다.
여기서, 전극판은, 양극판, 음극판 및 분리막 중 적어도 하나가 적층되어 형성될 수 있다.
여기서, 양극판과 음극판에는 각각 양극 탭과 음극 탭이 연결되고, 양극 탭과 음극 탭은 각각 일 영역과 타 영역으로 돌출될 수 있다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 권취 시작선과 귄취 종단선의 길이가 서로 상이하며, 권취 시작선의 길이가 변경되는 길이 변위점을 갖는 사다리꼴 형상의 전극판을 권취하여 권취 몸체를 형성하는 비정형 전극판 권취단계 및 권취 몸체에 양극 탭 및 음극 탭을 형성하는 탭 형성단계에 의해 달성된다.
여기서, 비정형 전극판 권취단계는, 길이 변위점까지 원통 구조를 형성하는 원통 구조 권취단계 및 길이 변위점부터 권취 종단선까지는 원추 구조를 형성하는 원추구조 형성단계로 이루어질 수 있다.
여기서, 전극판은, 길이 변위점에서 귄취 종단선까지 경사진 사선을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 원추형 케이스에 수납할 수 있는 젤리-롤 형태의 전극 조립체를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전극 조립체는 충전 용량의 손실을 최소화하면서도 원통형 케이스에 전극 조립체를 수납하기 용이할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 젤리-롤(Jelly Roll) 형태를 갖는 전극 조립체의 방향별 외형을 나타낸다.
도 2는 전극 조립체에서 전극판의 배열 구조를 설명하기 위한 참조도면을 도시한다.
도 3은 권취 부재에 권취되는 전극판의 구조에 대한 참조도면을 도시한다.
도 4과 도 5는 권심 부재에 전극판을 권취하여 전극 조립체를 형성하는 일 예에 대한 참조도면을 도시한다.
도 6은 전극판의 적층 구조에 대한 참조도면을 도시한다.
도 7은 실시예에 따른 전극 조립체가 캔에 수납되는 일 예를 도시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 실시예에 따른 젤리-롤(Jelly Roll) 형태를 갖는 전극 조립체의 방향별 외형을 나타내고, 도 2는 전극 조립체에서 전극판의 배열 구조를 설명하기 위한 참조도면을 도시하고, 도 3은 권취 부재에 권취되는 전극판의 구조에 대한 참조도면을 도시하고, 조를 설명하기 위한 참조도면을 도시하고, 도 4과 도 5는 권심 부재에 전극판을 권취하여 전극 조립체를 형성하는 일 예에 대한 참조도면을 도시하고, 도 6은 전극판의 적층 구조에 대한 참조도면을 도시하며, 도 7은 실시예에 따른 전극 조립체가 캔에 수납되는 일 예를 도시한다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 양극판(101), 음극판(103) 및 분리막(102)으로 구성되는 전극판(110)이 권취되어 젤리-롤 형태를 구성하며, 젤리-롤 형태의 전극 조립체(100)의 일 영역은 원통 구조를 가지나, 원통 구조와 이어지는 종단 영역은 원추 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
통상, 권심 부재(10)를 중심으로 전극판(110)을 권취 시, 권취된 전극판(110)은 균일한 원통 구조의 전극 조립체를 형성하는 것이 일반적이다. 균일한 원통 구조의 전극 조립체는, 전극 조립체를 수납하는 캔의 외형도 동일하게 원통형일 것을 요구하는 것은 물론, 캔에 수납되는 전극 조립체(110)의 지름이 캔의 삽입구 지름 대비 더 작을 것이 요구된다. 따라서, 종래의 전극 조립체는 양극판(101), 분리막(102) 및 음극판(103)이 중첩된 전극판(110)을 권취 후, 압착하여 캔에 수납하였다. 이와 대비되는 본 실시예에서는 권심 부재(10)를 이용하여 전극판(110)을 권취 시, 전극판(110)이 사다리꼴 형상을 가지도록 하여 권심 부재(10)를 중심으로 전극판(110)을 권취한 전극 조립체(100)가 원통형과 원추형이 연결된 형태를 갖도록 한다. 도 2에서, 권심 부재(10)를 중심으로 전극판(110)이 권취되어 형성하는 전극 조립체(100)는 원통형 영역(A1)의 지름(R1)과 원추형 영역(A2)의 지름(R2)이 서로 상이하게 설정된다.
원통형 영역(A1)의 지름(R1)이 원추형 영역(A2) 대비 더 크게 설정됨에 따라, 실시예에 따른 전극 조립체(100)가 캔(70)에 수납될 때, 캔(70)의 지름과 전극 조립체(100)의 지름이 유사하거나 동일하다 하더라도 원추형 영역(A2)의 작은 지름(R2)을 이용하여 캔(70) 내부로 전극 조립체(100)를 수납하기에 용이한 이점이 있다. 이처럼 원통형 영역(A1)과 원추형 영역(A2)이 연속되게 이어지면서 하나의 전극 조립체(100)를 형성하기 위해서, 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 전극판(110)의 권취 시작선(L1)과 권취 종단선(L2)을 차별 후, 권심 부재(10)에 권취함으로써 목적하는 전극 조립체(100)를 구현하고 있다. 도 3을 참조하면, 권취되는 전극판(110)은 귄취 시작선(L1)과 권취 종단선(L2)의 길이가 상이하되, 권취 시작선(L1)의 길이가 권취 종단선(L2) 대비 길게 형성된다.
권취 시작선(L1)의 길이(d1)는 변위점(PO)까지 동일하게 유지되며, 이후, 변위점(PO)에서 권취 종단선(L2)을 향해 사선(L0)을 형성한다. 사선(L0)이 귄취 종단선(L2)을 추종함에 따라, 사선(L0)의 최종 길이는 권취 종단선(L2)의 길이(d2)에 대응한다. 사선(L0)이 권취 시작선(L1)과 이루는 각도(θ1)에 따라 권취 몸체(100)에 권취되는 전극판(110)의 간격이 결정된다. 이는 도 2를 함께 참조하여 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 도 2의 (a)는 각도(θ1)가 작을 때, 예컨대, 15도 내지 30도의 각도를 가질 때, 권취 몸체(100)에 형성되는 권취 라인(LS1, LS2)를 나타낸다. 권취 라인(LS1, LS2)의 간격은 d3를 가지며, 도 2의 (b)나 도 2의 (c) 대비 권취 라인(LS1, LS2) 사이의 간격(d3)이 작게 형성된다. 도 2의 (b)는 각도(θ1)가 도 2의 (a) 대비 상대적으로 큰 예를 도시한 것으로서 각도(θ1)가 50도 일 때, 권취 몸체(100)에 형성되는 권취 라인을 나타낸다. 각도(θ1)가 증가할수록 권취 몸체(100)에서 형성되는 권취 라인(LS1, LS2) 사이의 간격(d3)은 증가하는 경향을 가지며, 권취 라인(LS1, LS2) 사이의 간격(d3)이 증가할수록 원통형 구조에서 원추형 구조로 전환되는 변위점(P0)이 경사면(LS)과 이루는 각도(θ2)는 증가하는 경향을 갖는다. 이는 권취 몸체(100)의 원추형 구조가 원통형 구조에 가까워짐을 의미한다.
또한, 각도(θ1)가 증가할수록 권취 몸체(100)의 종단의 권취 종단라인(L2)의 길이(d2)는 감소한다. 이러한 특징을 이용하면 전극판(110)에서 설정하는 변위점(P0) 위치와, 변위점(P0)이 권취 시작선(L1)과 이루는 각도에 따라 권취 몸체(100)의 외형을 결정할 수 있다. 이는 도 3을 참조하여 상술하도록 한다.
도 3을 참조하면, 전극판(110)이 권취 부재(10)를 중심으로 권취될 때, 전극판(110)의 변위점(P0)에서 권취 시작선(L1)과 이루는 각도에 따라 세 개의 선분(L3, L4 및 L5)이 예시된다. 세 개의 선분(L3, L4 및 L5) 중 선분(L5)이 권취 시작선(L1)과 이루는 각도가 제일 작고, 선분(L3)이 권취 시작선(L1)과 이루는 각도가 제일 크며, 선분(L3, L4 및 L5) 중 선분(L3)는 권취 종단선(L2)의 길이를 "0"으로 형성하고 있다.
선분(L3)이 권취 종단선(L2)의 길이를 "0"을 이루는 경우, 전극판(110)의 형태는 도 3에 도시된 삼각형일 수 있으며, 권취 몸체(100)의 형상은 원통형 영역을 갖지 않는 원추형 영역(A2)만으로 형성될 수 있다.
선분(L4)이 권취 종단선(L2)의 길이를 "ds1"으로 설정하는 경우와 선분(L5)이 권취 종단선(L2)의 길이를 "ds2"로 설정하는 경우, 전극판(110)의 형태는 도 4에 도시된 형태의 사다리꼴 일 수 있으며, 권취 몸체(100)의 형상은 "원통형 영역 + 원추형 영역(A2)"이 연결된 형태를 이룰 수 있다.
이러한 원통형 영역(A1)과 원추형 영역(A2)의 조합은 아래의 각 호에 따른 효과를 유발할 수 있다.
1) 원추형 영역(A2) 대비 상대적으로 전극판(110)의 면적이 큰 원통형 영역에 의해 순수한 원추형 영역(A2)만으로 구성되는 전극판 대비 축전 캐패시터가 증가할 수 있다.
2) 원추형 영역(A2)의 지름이 원통형 영역의 지름 보다 작게 형성되므로 원통형 캔이나 원추형 캔에 수납하기가 용이하다.
3) 원추형 영역(A2)의 지름이 작게 형성되므로, 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 별도의 압착 공정을 거치지 않고 원통형 캔에 수납할 수도 있다. 이는 전극 조립체(100)에 가하는 압착 공정을 생략하여 전극 조립체(100)에 스트레스를 가하거나 손상되지 않도록 하는 추가적인 효과를 기대할 수 있다.
도 4와 도 5는 전극판(110)의 형태 및 전극판(110)의 형태별 전극 조립체(100)의 구조의 관계를 설명한다.
먼저, 도 4를 참조하면, 전극판(110)이 사다리꼴 형상을 가지며, 권취 시작선(L1)에서 권취 종단선(L2) 까지의 길이(d)에 따라 권취 몸체(10)의 지름(h)이 결정되고, 권취 시작선(L1)의 길이는 권취 몸체(100)의 길이방향 길이(e)에 대응하며, 사선(P0)이 권취 시작선(L1)과 이루는 각도(θ1)의 증감에 따라 원추형 영역(A2)에서 전극 조립체(100)가 이루는 경사면(LS)의 각도(θ2)가 결정될 수 있다.
전극판(110)이 권취 시작선(L1)과 귄취 종단선(L2)의 길이가 서로 상이한 사다리꼴 형상을 가지며, 권취 시작선(L1)의 길이가 변경되는 변위점(P0)에서 권취 시작선(L1) 까지의 길이만큼이 원통형 영역(A1)을 형성하고, 변위점(P0)에서 권취 종단선(L2) 까지의 길이만큼이 원추형 영역(A2)를 형성한다. 이에 따라, 전극판(110)의 형태를 사다리꼴로 형성하되, 변위점(P0)의 위치가 어디에 설정되는가에 따라 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 원통형 영역(A1) 또는 원추형 영역(A2)의 크기가 결정될 수 있다. 만일, 실시예에 따른 전극 조립체(100)가 보다 많은 축전 용량이 요구된다면, 변위점(P0)과 권취 시작선(L1) 사이의 길이(c)를 증가시킬 수 있고, 축전 용량 보다는 캔의 외형에 따라 원추형 영역(A2)의 길이 증가가 요구될 경우에는 변위점(P0)과 권취 종단선(L2) 사이의 길이를 증가시킬 수 있다. 변위점(P0)의 위치는 권취 시작선(L1)과 권취 종단선(L2) 사이에서 설정될 수 있으며, 변위점(P0)의 위치 설정은 권취 몸체(100)에서 원통형 영역(A1)과 원추형 영역(A2)을 구획하는 기준점이 된다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 전극판(110)은 삼각 형상을 가지며, 권취 시작선(L1)에서 권취 종단점(P3) 방향으로 전극판(110)이 권취될 수 있다. 전극판(110)은 권취 시작선(L1) 부터 권취 종단점(P3)까지 연결되는 사선(LS3)에 의해 삼각의 형상을 가지므로 도시된 전극판(110)을 권심 부재(10)에 권취하였을 때, 권취 몸체는 원통형 영역(A1)을 형성하지 않으며, 원추형 영역(A2) 만을 형성한다.
도 7은 실시예에 따른 전극 조립체(100)를 캔에 수납하여 이차전지를 형성하는 과정에 대한 참조도면을 도시한다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 변위점(P0)에 의해 그 길이가 설정되는 원통형 영역(A1)과 원추형 영역(A2)으로 구획되고, 원추형 영역(A2)이 캔(70)에 수납된다. 캔(70)에 전극 조립체(100)가 수납될 때, 원추형 영역(A2)이 캔(70)의 넓은 입구를 통해 진입하므로 원통형 영역(A1)의 지름(h)이 캔(70)의 입구 지름(d6)과 거의 동일(h = d6 * K, 여기서 K = 0.9 ∼ 1)하더라도 캔(70)의 입구에 진입할 수 있다. 원추형 영역(A2)에 의한 삽입특성은 전극 조립체(100)에 대해 압착 공정을 가하여 전극 조립체(100)의 지름(d6)을 감소시키지 않고도 전극 조립체(100)를 캔(70)에 삽입 및 수납할 수 있음을 나타낸다.
기존의 원통형 전극 조립체(100)는 원통형 영역만을 구비하므로 캔(70)의 지름(d6)과 유사 또는 동일한 경우 캔(70)의 입구로 진입하기 곤란하였다. 반면, 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 그렇지 아니하다. 상기한 전극 조립체(100)는 양극판(101)과 음극판(103)에 각각 금속 재질의 탭(111a, 111b)을 내어, 각각 탑 캡과 캔에 연결하여 이차전지를 구성할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 권심 부재 ds1, ds2 : 권취 종단선의 길이
L1 : 권취 시작선 L2 : 권취 종단선
110 : 전극판

Claims (8)

  1. 권취 시작선과 귄취 종단선의 길이가 서로 상이한 사다리꼴 형상을 가지며, 상기 권취 시작선의 길이가 변경되는 길이 변위점에서 상기 권취 종단선을 향해 경사진 사선을 갖는 전극판을 권심 부재에 권취하여 일 영역은 원통 구조를 이루고, 상기 일 영역에서 연장되는 타 영역은 원추 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 권취 종단선은,
    제1 길이를 가지며, 상기 원통 구조의 길이방향에 대응하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사선은,
    상기 권취 시작선에서 상기 권취 종단선을 향해 제2 길이 진행 후 형성되며, 상기 원추 구조의 종단 지름에 대응하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극판은,
    양극판, 음극판 및 분리막 중 적어도 하나가 적층 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양극판과 상기 음극판에는 각각 양극 탭과 음극 탭이 연결되고, 상기 양극 탭과 상기 음극 탭은 각각 상기 일 영역과 상기 타 영역으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 권취 시작선과 귄취 종단선의 길이가 서로 상이하며, 상기 권취 시작선의 길이가 변경되는 길이 변위점을 갖는 사다리꼴 형상의 전극판을 권취하여 권취 몸체를 형성하는 전극판 권취단계; 및
    상기 권취 몸체에 양극 탭 및 음극 탭을 형성하는 탭 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 권취방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전극판 권취단계는,
    상기 길이 변위점까지 원통 구조를 형성하는 원통 구조 권취단계; 및
    상기 길이 변위점부터 상기 권취 종단선까지는 원추 구조를 형성하는 원추구조 형성단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 권취방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전극판은,
    상기 길이 변위점에서 상기 귄취 종단선까지 경사진 사선을 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체 권취방법.
KR1020140114557A 2014-08-29 2014-08-29 전극 조립체 및 전극 조립체 형성방법 KR20160026312A (ko)

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