KR20200041625A - 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 전극조립체의 전극판의 무지부에 노치가 형성됨으로써 전극탭이 마련되는 것으로서, 집전판이 그 전극탭에 긴밀하게 면접촉될 수 있는 이차전지를 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 제1 전극활물질이 도포되되 상단을 따라 제1 무지부가 형성된 제1 전극판, 제2 전극활물질이 도포되되 하단을 따라 제2 무지부가 형성된 제2 전극판 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터로 구성되어, 젤리롤 형태로 권취되는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 캔, 상기 캔을 밀봉하기 위한 캡조립체, 상기 제1 무지부에 접하여 상기 캡조립체에 전기적으로 연결되는 제1 집전판 및 상기 제2 무지부에 접하여 상기 캔에 전기적으로 연결되는 제2 집전판을 포함하며, 상기 제1 무지부 및 상기 제2 무지부 중 적어도 어느 하나는 그 무지부 중 권취축에 가장 가까운 시작점으로부터 미리 정해진 거리마다 특정한 각도(α)의 노치가 형성됨으로써 복수의 등변사다리꼴의 전극탭이 서로 이웃하여 배열된 구조로 이루어져 상기 권취축을 향해 절곡되는 이차전지를 개시한다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}

본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것이다.

이차전지는 충전과 방전을 반복적으로 수행할 수 있는데, 일반적으로 소용량의 이차전지는 휴대폰, 노트북, 캠코더 등과 같이 휴대하기 간편한 전자기기에 주로 이용되고, 대용량의 이차전지는 전기자동차 등에 이용될 수 있다.

이러한 이차전지는 통상적으로 전극조립체, 전극조립체와 전해액을 수용하는 캔 및 캔을 밀봉하는 캡조립체를 포함한다. 여기서 전극조립체는 양극판, 음극판 및 양극판과 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터로 구성되어, 이른바 젤리롤 형태로 권취된다. 흔히 양극판은 캡조립체에 전기적으로 연결되고, 음극판은 캔의 바닥에 전기적으로 연결되는데, 이를 위해 양극집전판과 음극집전판이 양극판과 음극판의 무지부에 각각 용접될 수 있다.

이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것일 뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.

본 발명의 실시예는 전극조립체의 전극판의 무지부에 노치가 형성됨으로써 전극탭이 마련되는 것으로서, 집전판이 그 전극탭에 긴밀하게 면접촉될 수 있는 이차전지를 제공한다.

또한 본 발명은 전극탭을 절곡하고 다지는 작업을 수행할 때, 전극판의 안정성을 보장할 수 있는 이차전지를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 제1 전극활물질이 도포되되 상단을 따라 제1 무지부가 형성된 제1 전극판, 제2 전극활물질이 도포되되 하단을 따라 제2 무지부가 형성된 제2 전극판 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터로 구성되어, 젤리롤 형태로 권취되는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 캔, 상기 캔을 밀봉하기 위한 캡조립체, 상기 제1 무지부에 접하여 상기 캡조립체에 전기적으로 연결되는 제1 집전판 및 상기 제2 무지부에 접하여 상기 캔에 전기적으로 연결되는 제2 집전판을 포함하며, 상기 제1 무지부 및 상기 제2 무지부 중 적어도 어느 하나는 그 무지부 중 권취축에 가까운 시작점으로부터 미리 정해진 거리마다 특정한 각도(α)의 V자형 노치가 형성됨으로써 복수의 등변사다리꼴의 전극탭이 서로 이웃하여 배열되는 구조로 이루어져 상기 권취축을 향해 절곡될 수 있다.

또한 상기 시작점으로부터 n번째 노치가 형성되는 지점의 거리(c_n)는 아래 수식을 만족하되,

여기서 r₀는 상기 권취축을 중심으로 상기 시작점의 반경이며, t는 360°만큼 권취될 때 반경의 증분일 수 있다.

또한 상기 시작점으로부터 n번째 전극탭의 밑변의 길이(l_n)는 아래 수식을 만족하되,

여기서 r₀는 상기 권취축을 중심으로 상기 시작점의 반경이며, t는 360°만큼 권취될 때 반경의 증분일 수 있다.

또한 상기 제1 전극활물질이 도포된 부분과 상기 제1 무지부 사이 및 상기 제2 전극활물질이 도포된 부분과 상기 제2 무지부 사이 중 적어도 어느 하나의 영역에 절연층이 마련될 수 있다.

또한 상기 절연층은 길이방향을 따라 균일한 폭으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예는 전극조립체의 전극판의 무지부에 노치가 형성됨으로써 전극탭이 마련되되, 무지부의 시작점으로부터 미리 정해진 거리마다 특정한 각도의 V자형 노치가 형성됨으로써, 전극탭이 권취축을 향해 절곡될 때, 전극조립체의 상면에 실질적으로 대응되는 면적을 가지면서 평평하게 이루어질 수 있어, 집전판이 그 전극탭에 긴밀하게 면접촉될 수 있는 이차전지를 제공한다. 따라서 전체적으로 용접 강도와 저항이 고르게 형성될 수 있다.

또한 본 발명은 전극판 중 전극활물질이 도포된 부분과 무지부 사이의 영역에 절연층이 형성되어 전극탭 아래에서 이를 지지함으로써, 전극탭(무지부)을 절곡한 후 다지는 작업을 수행할 때, 전극판이 부적절하게 변형되는 현상을 가급적 방지할 수 있으며, 나아가 단락을 더 방지할 수 있는 이차전지를 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체의 제1 전극판의 정면도로서, 권취하지 않은 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 2의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체의 제1 전극판의 평면도로서, 권취하여 전극탭을 절곡한 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 4에서 중심각이 φ인 부채꼴을 이등변삼각형으로 근사한 모양을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함할 수 있다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.

"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)의 단면도이다.

도 1을 참조하면 이차전지(100)는 전극조립체(110), 캔(120), 캡조립체(130), 제1 집전판(141) 및 제2 집전판(142)을 포함한다.

전극조립체(110)는 제1 전극판(111), 제2 전극판(112) 및 세퍼레이터(113)로 구성되어, 이른바 젤리롤(Jelly-Roll) 형태로 권취된다.

여기서 제1 전극판(111)은 양극판일 수 있다. 이 경우 제1 전극판(111)은 예컨대 알루미늄 포일로 이루어져, 제1 전극활물질(111a)이 도포될 수 있다. 이때 제1 전극활물질(111a)은 예컨대 전이금속산화물로 이루어져, 제1 전극판(111)의 일단을 제외한 나머지 영역에 걸쳐 도포될 수 있다. 이를테면 제1 전극판(111)의 상단을 제외한 나머지 영역에 걸쳐 도포될 수 있다. 다시 말해 제1 전극활물질(111a)이 도포되지 않은 부분, 즉 제1 무지부(111b)가 제1 전극판(111)의 상단을 따라 형성될 수 있다.

또한 제2 전극판(112)은 음극판일 수 있다. 이 경우 제2 전극판(112)은 예컨대 구리나 니켈 포일로 이루어져, 제2 전극활물질이 도포될 수 있다. 이때 제2 전극활물질은 예컨대 흑연이나 탄소로 이루어져, 제2 전극판(112)의 타단을 제외한 나머지 영역에 걸쳐 도포될 수 있다. 이를테면 제2 전극판(112)의 하단을 제외한 나머지 영역에 걸쳐 도포될 수 있다. 다시 말해 제2 전극활물질이 도포되지 않은 부분, 즉 제2 무지부가 제2 전극판(112)의 하단을 따라 형성될 수 있다.

물론 경우에 따라 제1 전극판(111)이 음극판이고, 제2 전극판(112)이 양극판일 수도 있을 것이다.

이러한 제1 전극판(111)의 제1 무지부(111b) 및 제2 전극판(112)의 제2 무지부 중 적어도 어느 하나(본 실시예의 경우 제1 무지부(111b)와 제2 무지부 모두)는 해당 전극판의 길이방향을 따라 미리 정해진 위치마다 특정한 각도의 V자형 노치가 형성됨으로써 전극탭이 마련된다. 따라서 제1 무지부(111b)와 제2 무지부는 복수의 등변사다리꼴의 전극탭이 서로 나란하게 이웃하여 연속적으로 배열되는 구조로 각각 이루어지게 되는데, 이에 대해 구체적인 설명은 후술한다.

세퍼레이터(113)는 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있으며, 제1 전극판(111)과 제2 전극판(112) 사이에 개재되어, 제1 전극판(111)과 제2 전극판(112) 간의 단락을 방지하는 한편, 리튬 이온 등의 이동을 허용하는 역할을 한다.

캔(120)은 흔히 상면이 개방된 원통형으로 형성되어, 전극조립체(110)와 전해액 등을 수용한다.

캡조립체(130)는 캔(120)의 상단에 결합되어, 캔(120)을 밀봉하는 역할을 한다.

또한 캡조립체(130)는 캡플레이트(131), 안전벤트(132), 전극리드(133) 및 가스켓(134)을 포함한다.

캡플레이트(131)는 상방으로 돌출된 단자부를 구비하며, 그 단자부 주변으로 가스를 배출하기 위한 홀이 형성될 수 있다.

안전벤트(132)는 이차전지의 과충전이나 그밖에 이상으로 인해 내부에 가스가 발생하여 특정한 압력을 초과할 경우 저절로 파단됨으로써, 그 가스를 방출하여 이차전지의 폭발을 방지할 수 있다.

전극리드(133)는 후술할 제1 집전판(141)을 통해 전극조립체(110)의 제1 전극판(111)과 캡플레이트(131)가 서로 전기적으로 연결되도록 한다.

가스켓(134)은 캡플레이트(131)와 안전벤트(132) 등을 감싸, 이들을 캔(120)으로부터 절연한다.

제1 집전판(141)은 제1 전극판(111)의 제1 무지부(111b)에 용접되어, 캡조립체(130)의 전극리드(133)에 전기적으로 연결된다.

또한 제2 집전판(142)은 제2 전극판(112)의 제2 무지부에 용접되어, 캔(120)의 바닥에 전기적으로 연결된다.

따라서 앞서 언급한 바와 같이 제1 전극판(111)이 양극판이고, 제2 전극판(112)이 음극판이라면, 캡플레이트(131)는 양극을 갖게 되고, 캔(120)은 음극을 갖게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)의 전극조립체(110)의 제1 전극판(111)의 정면도로서, 권취하지 않은 모습을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 3은 도 2의 A 부분에 대한 확대도이다.

또한 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)의 전극조립체(110)의 제1 전극판(111)의 평면도로서, 권취하여 전극탭을 절곡한 모습을 개략적으로 나타낸 것이다. 참고로 여기서 전극탭은 빗금으로 표시하였다.

먼저 도 2와 3을 참조하면 앞서 언급한 바와 같이, 제1 무지부(111b)는 제1 전극판(111)의 길이방향을 따라 미리 정해진 위치마다 특정한 각도(α[rad])의 V자형 노치가 형성됨으로써, 복수의 등변사다리꼴의 전극탭이 서로 나란하게 이웃하여 연속적으로 배열되는 구조를 갖는다.

보다 구체적으로 도 4를 함께 참조하면, 제1 전극판(111)이 θ[rad]만큼 권취될 때 그 권취축을 중심으로 제1 전극판(111)상의 임의의 한 지점의 반경(r)은 아래 수학식 1을 만족한다.

단 여기서 r₀는 권취축을 중심으로, 제1 전극판(111) 중 권취축에 가장 가까운 지점(이하 "시작점"이라 한다)의 반경이다.

또한 t는 제1 전극판(111)이 360°만큼 권취될 때 상기 반경의 증분으로서, 이는 제1 전극판(111), 제2 전극판(112) 및 세퍼레이터(113)의 두께에 의해 결정되는 상수일 수 있다.

위 수학식 1을 아래 수학식 2와 같이 θ에 대해 적분하면, 제1 전극판(111)이 θ만큼 권취될 때 시작점과 제1 전극판(111)상의 임의의 한 지점 사이의 호의 길이(L)를 구할 수 있다.

만약 제1 전극판(111)이 일정한 각도(φ[rad])로 권취될 때마다 노치가 형성되도록 한다면, 제1 무지부(111b)는 시작점으로부터 아래 수학식 3에 의해 정해진 거리(c_n)마다 노치가 형성된다.

단 여기서 n은 자연수로서, 예를 들어 시작점으로부터 첫 번째 노치가 형성되는 거리는 c₁이고, 두 번째 노치가 형성되는 거리는 c₂임을 의미한다.

이때 도 4에서 권취축을 중심으로 그 중심각이 φ[rad]인 부채꼴을 도 5에 도시된 바와 같이 꼭지각이 φ[rad]인 이등변삼각형으로 근사한다면, 각각의 등변사다리꼴의 전극탭의 밑변의 길이(l_n)는 아래 수학식 4를 만족하게 된다.

단 여기서 n은 자연수로서, 예를 들어 시작점으로부터 첫 번째 전극탭의 밑변의 길이는 l₁이고, 두 번째 전극탭의 밑변의 길이는 l₂임을 의미한다.

한편 도 5를 참조하면 이등변삼각형에서 φ + 2β = π인데, 도 3을 참조하면 α + 2β = π이므로, 결국 φ = α임을 알 수 있다.

결과적으로 수학식 4를 정리하면, 각각의 등변사다리꼴의 전극탭의 밑변의 길이(l_n)는 아래 수학식 5와 같다.

또한 각각의 등변사다리꼴의 전극탭의 높이는 t에 실질적으로 상응하거나 그보다 약간 더 클 수 있다.

이에 의하면 제1 무지부(111b)가 권취축을 향해 절곡될 때, 전극조립체(110)의 상면을 빈틈없이 덮을 수 있다.

특히 제1 무지부(111b)가 권취축을 향해 절곡되었을 때, 복수의 전극탭들이 서로 무작위로 중첩되는 것이 아니라, 전극조립체(110)의 상면에 실질적으로 대응되는 면적을 갖게 된다. 따라서 그 편평도를 개선할 수 있어, 제1 집전판(141)이 제1 무지부(111b)에 보다 긴밀하게 면접촉됨으로써, 전체적으로 용접 강도와 저항이 고르게 형성되어 용접 품질이 향상될 수 있다.

아울러 제1 전극판(111)은 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전극활물질(111a)이 도포된 부분과 제1 무지부(111b) 사이에서, 제1 전극판(111)의 길이방향을 따라 실질적으로 균일한 폭의 절연층(111c)이 마련된다.

이러한 절연층(111c)은 제1 무지부(111b)가 절곡되는 부위 아래에서 이를 지지하는 역할을 한다. 따라서 제1 무지부(111b)(즉 전극탭)를 절곡한 후 다지는 작업을 수행할 때, 제1 전극판(111)의 상부가 부적절하게 변형되는 현상을 가급적 방지할 수 있으며, 나아가 설령 변형되더라도 제1 전극판(111)의 상부에서 제1 전극판(111)과 제2 전극판(112) 간의 단락을 방지할 수 있다.

제2 무지부 역시 마찬가지로 형성될 수 있다.

즉 제2 무지부도 제2 전극판(112)의 길이방향을 따라 미리 정해진 위치마다 특정한 각도(α[rad])의 V자형 노치가 형성됨으로써, 복수의 등변사다리꼴의 전극탭이 서로 나란하게 이웃하여 연속적으로 배열되는 구조를 갖는다.

이때 제2 무지부 중 권취축에 가장 가까운 시작점으로부터 n번째 노치가 형성되는 지점의 거리(c_n)는 아래 수학식 6을 만족하고,

시작점으로부터 n번째 전극탭의 밑변의 길이(l_n)는 아래 수학식 7을 만족한다.

또한 제2 전극활물질이 도포된 부분과 제2 무지부 사이에서, 제2 전극판(112)의 길이방향을 따라 실질적으로 균일한 폭의 절연층이 마련된다.

이에 대해 더 이상 반복적인 설명은 생략한다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이차전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

100: 이차전지
110: 전극조립체
111: 제1 전극판
111a: 제1 전극활물질
111b: 제1 무지부
111c: 절연층
112: 제2 전극판
113: 세퍼레이터
120: 캔
130: 캡조립체
131: 캡플레이트
132: 안전벤트
133: 전극리드
134: 가스켓
141: 제1 집전판
142: 제2 집전판
c_n: 시작점으로부터 n번째 노치가 형성되는 지점의 거리
l_n: 시작점으로부터 n번째 전극탭의 밑변의 길이

Claims (5)

1. 제1 전극활물질이 도포되되 상단을 따라 제1 무지부가 형성된 제1 전극판, 제2 전극활물질이 도포되되 하단을 따라 제2 무지부가 형성된 제2 전극판 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터로 구성되어, 젤리롤 형태로 권취되는 전극조립체,
   상기 전극조립체를 수용하는 캔,
   상기 캔을 밀봉하기 위한 캡조립체,
   상기 제1 무지부에 접하여 상기 캡조립체에 전기적으로 연결되는 제1 집전판 및
   상기 제2 무지부에 접하여 상기 캔에 전기적으로 연결되는 제2 집전판을 포함하며,
   상기 제1 무지부 및 상기 제2 무지부 중 적어도 어느 하나는 그 무지부 중 권취축에 가까운 시작점으로부터 미리 정해진 거리마다 특정한 각도(α)의 V자형 노치가 형성됨으로써 복수의 등변사다리꼴의 전극탭이 서로 이웃하여 배열되는 구조로 이루어져 상기 권취축을 향해 절곡되는 이차전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 시작점으로부터 n번째 노치가 형성되는 지점의 거리(c_n)는 아래 수식을 만족하되,
   

   

   
   여기서 r₀는 상기 권취축을 중심으로 상기 시작점의 반경이며, t는 360°만큼 권취될 때 반경의 증분인 이차전지.
3. 제1항에 있어서,
   상기 시작점으로부터 n번째 전극탭의 밑변의 길이(l_n)는 아래 수식을 만족하되,
   

   

   
   여기서 r₀는 상기 권취축을 중심으로 상기 시작점의 반경이며, t는 360°만큼 권취될 때 반경의 증분인 이차전지.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전극활물질이 도포된 부분과 상기 제1 무지부 사이 및 상기 제2 전극활물질이 도포된 부분과 상기 제2 무지부 사이 중 적어도 어느 하나의 영역에 절연층이 마련되는 이차전지.
5. 제4항에 있어서,
   상기 절연층은 길이방향을 따라 균일한 폭으로 형성되는 이차전지.

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