KR20170112394A - 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20170112394A
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박동혁
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 양극, 분리막, 음극 구조의 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 전극조립체를 구성하는 각각의 전극판에서 돌출된 전극탭 및 상기 전극 탭들이 적층되어 있는 일측 단부에는 전극 탭들을 전기적으로 연결하는 전극리드를 포함하고, 상기 전극탭은, 상기 전극리드와 압착되고, 상기 전극리드와 압착된 상기 전극탭과 상기 전극판 사이에 중첩부가 형성된 이차전지에 관한 것이다.

Description

이차전지 및 그 제조방법{Secondary Battery And Manufacture Method}
본 발명은 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리드탭 커팅 길이를 고려하여 설정된 위치에 초음파 용접을 하는 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급증하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 이루어졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등과 같은 이차전지에 대한 수요가 높다.
리튬이온 폴리머 전지(LiPB)는 양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 후 이들을 결합시키고 리튬 전해질을 함침시켜 전해질의 누액을 최대한 억제한 구조의 전지를 의미한다. 일반적으로는, 분리막의 양면에 접착층을 코팅한 후 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극을 열융착시켜 제조된다.
일반적으로 LiPB는 상기와 같은 전극 구조의 스택형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장하여 밀봉한 구조로 이루어져 있다.
이와 같은 이차전지를 사용하는 전자제품의 구동을 위하여 외부회로의 접속단자로서 리드탭이 사용된다. 이를 위하여, 리드탭은 이차전지의 전극에 연결되며, 이차전지의 케이스 외부로의 밀봉과 절연을 위해 전도성 부재에는 수지로 구성된 필름이 양면에 열융착된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 리드 탭 단선 불량율을 감소시키고, 일정한 품질을 확보한 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지에 있어서, 복수의 전극과 복수의 분리막이 교대로 적층된 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극조립체의 전극에서 돌출된 전극탭 및 후단부가 상기 전극탭의 선단에 전기적으로 연결되고, 선단부가 상기 파우치형 전지케이스 밖으로 인출되는 전극리드를 포함한다.
상기 전극탭은, 상기 전극으로부터 돌출된 후, 'V'자 형태로 절곡되고, 상기 전극리드의 후단부는 상기 전극탭의 후단부에 중첩되게 하부로 절곡되고, 상기 전극탭의 하단면으로부터 상기 전극리드의 상단면까지의 길이는 상기 전극조립체의 두께보다 작게 형성된다.
상기 전극탭의 선단부와 상기 전극리드의 후단부의 중첩된 길이는 1.2mm 일 수 있다.
상기 전극탭의 선단부와 상기 전극리드의 후단부의 중첩된 길이는 1.2mm에서 1.5mm일 수 있다.
상기 전극탭과 상기 전극리드의 중첩부를 초음파 용접하되, 상기 전극리드의 후단부로부터 0.2mm 더 초음파 용접을 진행할 수 있다.
상기 전극탭은 상기 전극으로부터 'V'자 형태로 절곡되면서 상기 전극조립체와 상기 전극리드 사이에 이격공간을 형성할 수 있다.
상기 전극리드의 이격공간은 1.0~2.7으로 형성된다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이차전지 및 그 제조방법에 따르면, 탭 단선 불량률 감소하고, 재연성 확보가 가능한 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 이차전지를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 측면도이다.
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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 이차전지 및 그 제조방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 이차전지를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 A를 나타내는 도면이며, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 측면도이다.
바람직한 차량의 이차전지 및 그 제조방법은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 변경될 수 있으며, 본 실시예에서는 이차전지인 경우이다.
도 1은 본 발명의 이차전지를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 A를 나타내는 도면이다.
본 발명의 이차전지에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 분리막의 양면에 코팅된 접착층에 의해 양극과 음극이 그것의 양면에 부착되어 있는 상태에서 리튬 전해질이 함침되어 있는 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지로서, 전극조립체 중의 분리막과 동일한 소재로서 불소계 고분자의 접착층이 코팅되어 있는 필름이 전극조립체의 전극단자 방향으로 그것이 외면을 감싼 상태로 부착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명의 리튬이온 폴리머 전지는 전극조립체 외면에 그것의 전극단자 방향으로 고분자 소재의 필름이 감싸면서 부착되어 있으므로, 고분자 소재 특유의 탄성에 의해 형태 유지성이 우수하고 전극조립체 상단의 상당 부분이 절연성 필름으로 감싸여 있어서, 전지의 낙하시에도 내부 단락의 위험성을 크게 줄일 수 있다.
또한, 전극조립체의 구성에 사용되는 분리막은 일반적으로 전극 활물질, 전해액 등에 대해 불활성인 올레핀계 고분자로 이루어져 있으므로, 본원발명의 전지에서는 전극조립체의 외면을 감싸기 위해 별도의 필름이 부가되었음에도 불구하고 전지의 성능에 악영향을 미치지 않는다.
본 발명에서의 전극조립체의 형태는 다양할 수 있으며, 예를 들어, 집전체 상에 활물질이 각각 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 분리막을 위치시키고 이를 감아 원통형 구조로 만든 후 두께 방향으로 압축한 젤리-롤형 전극조립체, 또는 양극/분리막/음극이 순차적으로 적층되어 있는 스택형 전극조립체 등의 판상형 전극조립체일 수 있다.
필름은, 앞서의 설명과 같이, 리튬이온 폴리머 전지용 분리막과 동일한 소재로 이루어져 있는 바, 예를 들어, 폴리에틸렌 기재, 폴리프로필렌 기재, 또는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 다층 기재의 표면에 불소계 고분자의 접착층이 코팅되어 있다. 그러나, 필름 기재 표면의 접착층은 반드시 기재 전면에 코팅되어야 하는 것은 아니고, 예를 들어, 필름이 전극조립체를 감싼 상태에서 상호 교차되는 부위에만 접착층이 코팅될 수도 있다.
상기 접착층의 불소계 고분자는 대표적으로 PVdF를 들 수 있으며, 이는 열융착 방식에 의해 활물질층 또는 상호간에 접착될 수 있다. 따라서, 전극조립체를 감싼 상태에서 필름의 교차부에 열과 압력을 가하면서 상호 접착이 일어난다.
본 발명의 이차전지에 대해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 양극, 분리막, 음극 구조의 전극조립체가 파우치형 전지케이스(5)에 내장되어 있는 이차전지(1)이다. 이차전지(1)는 음극 전류 집전체의 적어도 일면에 음극 활물질이 코팅된 음극판 및 음극 전극탭을 포함하는 음극, 양극 전류 집전체의 적어도 일면에 양극 활물질이 코팅된 양극판 및 양극 전극탭을 포함하는 양극, 및 상기 음극과 양극사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체이다.
한편, 적층형 전지는 양극과 음극을 순차적으로 적층하고 각 전극 사이에 분리막을 삽입하여 제조한다. 이 때 분리막이 최외곽에 오도록 하고, 적층된 전극의 집전체를 초음파로 용착(welding)하여 일체화시킨 후 각 전극에 서로 다른 리드를 연결한다.
이때, 모든 전극 사이에는 분리막(13)이 존재하여 다른 전극 간의 접촉을 억제하여 쇼트를 물리적으로 방지한다.
모든 전극 간에는 분리막이 전극 보다 큰 크기로 존재하고, 초음파 용착 후 V형태로 꺾을 때 전극 상단부의 남은 분리막 부분이 리드가 꺾이는 방향으로 따라서 접히게 되므로, 최외곽 전극에 맞닿아 있는 분리막을 제외한 모든 분리막은 방향성을 가지며 접히게 되어, 전극과 리드 사이에도 분리막이 존재하여 반대 전극과 리드 간의 접촉을 억제하여 쇼트를 물리적으로 방지한다.
그러나, 전지 제조 시 최외곽 전극의 상하면에 각각 위치한 2개의 분리막은 접히는 방향이 일정하지 않고, 따라서 최외곽 전극이 반대극 리드와 분리막에 의해 격리되어 있지 않는 경우가 발생한다.
따라서, 용착이 완성된 전지를 알루미늄 포장재에 삽입시킬 경우 공간 확보를 위하여 용착된 부위를 V-형태로 꺾어 넣게 될 때, 최외곽에 위치한 전극과 반대 전극의 리드 간에 쇼트가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 최외곽 전극과 물리적으로 맞닿을 수 있는 반대편 전극의 리드의 꺾인 부위를 절연물질로 도포 또는 테이핑하거나 최외각 전극과 반대 전극의 리드 사이에 절연 물질을 삽입함으로써, 외란에 의해 전극의 리드가 유동이 생길 경우에도 최외곽 전극과 쇼트 발생을 방지할 수 있다.
절연 물질은 플라스틱, 테이프 등 절연성이 확보되고 전해액에 안정한 물질을 적용할 수 있다. 절연물질의 재료는 폴리이미드, 테플론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐리덴클로라이드, 스티렌부타디엔러버, 베이클라이트, EPDM(Ethylene Propylene Terpolymers) 등의 물질 또는 상기 각 물질의 혼합물 또는 합성물일 수 있다.
최외곽 전극과 물리적으로 맞닿을 수 있는 반대 전극의 리드의 꺾인 부위는 절연물질로 코팅하거나 절연 테이프로 감을 수 있다. 또 최외각 전극과 반대 전극의 리드 사이에 절연 물질로 된 테이프 및 아치형, 사각형 등의 형상을 가지는 구조체를 삽입시킬 수 있다.
본 발명이 사용될 수 있는 전지의 비제한적인 예로는 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지가 있다.
복수의 전극과 복수의 분리막이 교대로 적층된 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지(1)로서, 전극조립체의 전극에서 돌출된 전극탭(25) 및 후단부가 전극탭(25)의 선단에 전기적으로 연결되고, 선단부가 파우치형 전지케이스 밖으로 인출되는 전극리드(30)를 포함한다.
전극조립체(10)를 구성하는 각각의 분리막(20)에서 돌출된 전극탭 및 전극탭(25)들이 적층되어 있는 일측 단부에는 전극탭(25)들을 전기적으로 연결하는 전극리드를 포함한다. 즉, 전극조립체(10)는, 파우치형의 전지케이스(5) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(10)가 그것의 양극 및 음극의 전극탭(25)들과 전기적으로 연결되는 전극리드(30)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어진다.
전극탭(25)은 전극으로부터 돌출된 후, 'V'자 형태로 절곡되고, 전극리드(30)의 후단부는 전극탭(25)의 후단부에 중첩되게 하부로 절곡되고, 전극탭(25)의 하단면으로부터 전극리드(30)의 상단면까지의 길이는 전극조립체의 두께보다 작게 형성된다. 전극탭(25)은 상기 전극으로부터 'V'자 형태로 절곡되면서 전극조립체와 전극리드(30) 사이에 이격공간에 형성된다.
전극탭(25)은 분리막(20)으로부터 돌출(A)되어, 전극리드(30)가 오버랩되어 압착된다. 전극탭(25)은 전극리드(30)와 압착된 분리막(20)과의 사이에 중첩부(40)가 형성된다. 전극탭(25)에는 전극리드(30)가 오버랩된다. 전극탭(25)은 단부로부터 전극리드(30)가 오버랩(B)되고, 전극리드(30)의 단부가 분리막(20)을 향한다. 이때, 전극리드(30)의 단부와 분리막(20)과의 사이에 소정의 간격을 두고 배치된다.
중첩부(40)는 상기 전극탭과 상기 전극리드의 중첩부를 초음파 용접하되, 상기 전극리드의 후단부로부터 0.2mm 더 초음파 용접을 진행한다. 적층되는 분리막(20)의 두께에 따라 전극리드(30) 또는 분리막(20)을 향해 조절될 수 있다. 전극탭(25)의 선단부와 전극리드(30)의 후단부의 중첩된 길이는 1.2mm이다. 그러나, 1.2mm에만 한정되는 것은 아니고, 전극탭(25)의 선단부와 전극리드(30)의 후단부의 중첩된 길이는 1.2mm에서 1.5mm이다.
여기서, 중첩부(40)의 위치는 가변적이나, 본 발명과 같이 0.5mm 피치 혼(pitch horn)의 경우 최소 1.2mm를 확보가 필요하고, 여기에 0.2mm를 더한 값으로 결정되는 것이 바람직하다. 즉, 전극탭(25)을 전극리드(30)가 1.2mm 오버랩(B)되고, 여기에 0.2mm 더한 값(P)에 중첩부(40)가 형성되는 것이 바람직할 것이다. 상기 전극리드의 이격공간은 1.0~2.7으로 형성된다. 이때, 중첩부(40)는 분리막(20)과 소정간격(C) 이격된다. [표 1]참조.
분리막 두께 A(=P+C) B C P(=B+0.2)
2.5 ~ 2.9 2.5 1.3 1.0 1.5
3.0~3.4 2.9 1.5 1.2 1.7
3.5~3.9 3.4 1.5 1.7 1.7
4.0~4.4 3.9 1.5 2.2 1.7
4.0 이상 4.4 1.5 2.7 1.7
이에 의하면, 분리막(20)의 단부와 전극탭(25)의 단부 사이의 값이 분리막(20)의 두께보다 작을 수 있다.
전극리드(30)는 전극탭(25)의 일부를 덮도록 오버랩되어 압착된다. 전극리드(30) 및 전극탭(25)은 분리막(20)의 두께에 따라 오버랩되는 길이가 커질 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 이차전지의 바람직한 일실시예에 의해 작용을 설명한다.
도 1은 본 발명의 이차전지를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 A를 나타내는 도면이며, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 측면도이다.
본 발명의 이차전지에 대해 도 1 내지 도 3b를 참조하여 설명하면, 복수의 전극과 복수의 분리막을 교대로 적층하여 전극조립체를 제조한다. 즉, 전극조립체(10)를 구성하는 양극, 분리막, 음극을 복수개 구비하여, 양극, 분리막, 음극을 순차적으로 복수회 적층한다. 적층된 분리막(20)에서 돌출된 전극탭(25)을 압착한다.
복수의 전극에 구비된 전극탭(25)들을 모아서 결합한 후, 'V'자 형태로 절곡한다. 전극조립체(10)의 두께에 따라 전극탭(25)을 커팅하는 중첩부(40)의 길이를 조절한다.
여기서, 전극탭(25)의 중첩부(40) 길이를 조절하고, 전극탭(25)의 길이는 복수의 분리막(20)의 두께보다 작게 구비된다. 즉, 전극탭(25)의 하단면으로부터 상기 전극리드의 상단면까지의 길이는 전극조립체의 두께보다 작게 절단된다. 상기 전극탭의 선단부와 상기 전극리드의 후단부의 중첩된 길이는 1.2mm를 가진다.
전극탭(25)의 중첩부(40) 길이를 조절하는 단계 후에, 메인 웰딩을 위한 탭 및 리드 중첩거리를 산정한다.
다음, 전극탭(25)과 중첩부(40)간의 거리를 산정한다. 여기서, 중첩부(40)는 전극탭(25)의 단부로부터 고정된 값을 가질 수 있다. 전극탭(25)은 상기 전극으로부터 'V'자 형태로 절곡되면서 상기 전극조립체와 상기 전극리드 사이에 이격공간을 형성한다.
이에 따른 본 발명의 이차전지는 탭 단선 불량률 감소하고, 재연성 확보가 가능한 효과가 있다.
실시예에 따른 이차전지는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
<주요 도면부호의 상세한 설명>
1: 이차전지 5: 전지케이스
10: 전극조립체 20: 분리막
25: 전극탭 30: 전극리드

Claims (9)

  1. 복수의 전극과 복수의 분리막이 교대로 적층된 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서,
    상기 전극조립체의 전극에서 돌출된 전극탭 및
    후단부가 상기 전극탭의 선단에 전기적으로 연결되고, 선단부가 상기 파우치형 전지케이스 밖으로 인출되는 전극리드를 포함하고,
    상기 전극탭은,
    상기 전극으로부터 돌출된 후, 'V'자 형태로 절곡되고,
    상기 전극리드의 후단부는 상기 전극탭의 후단부에 중첩되게 하부로 절곡되고, 상기 전극탭의 하단면으로부터 상기 전극리드의 상단면까지의 길이는 상기 전극조립체의 두께보다 작게 형성된 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭의 선단부와 상기 전극리드의 후단부의 중첩된 길이는 1.2mm 인 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭의 선단부와 상기 전극리드의 후단부의 중첩된 길이는 1.2mm에서 1.5mm인 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭과 상기 전극리드의 중첩부를 초음파 용접하되, 상기 전극리드의 후단부로부터 0.2mm 더 초음파 용접을 진행하는 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭은 상기 전극으로부터 'V'자 형태로 절곡되면서 상기 전극조립체와 상기 전극리드 사이에 이격공간을 형성하는 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극리드의 이격공간은 1.0~2.7으로 형성된 이차전지.
  7. (a) 복수의 전극과 복수의 분리막을 교대로 적층하여 전극조립체를 제조하는 단계;
    (b) 복수의 전극에 구비된 전극탭들을 모아서 결합한 후, 'V'자 형태로 절곡하는 단계;
    (c) 상기 전극탭들의 선단이 일치하도록 상기 전극탭의 선단부를 절단하는 단계;
    (d) 상기 전극탭의 선단에 전극리드를 결합하는 단계;
    (e) 상기 전극리드의 선단이 외부에 노출된 상태로 상기 전극조립체를 파우치형 전지케이스에 수용하는 단계를 포함하고,
    상기 (C) 단계에서 전극탭의 하단면으로부터 상기 전극리드의 상단면까지의 길이는 상기 전극조립체의 두께보다 작게 절단된 이차전지 제조방법.
  8. 제7항에 이어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 전극탭의 선단부와 상기 전극리드의 후단부의 중첩된 길이는 1.2mm를 가지는 이차전지 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 전극탭은 상기 전극으로부터 'V'자 형태로 절곡되면서 상기 전극조립체와 상기 전극리드 사이에 이격공간을 형성하는 이차전지 제조방법.
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