KR20200127696A - 다수개의 홀이 형성된 리드탭과 전극탭의 결착 구조를 포함하는 전지 및 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법 - Google Patents

다수개의 홀이 형성된 리드탭과 전극탭의 결착 구조를 포함하는 전지 및 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법 Download PDF

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한승훈
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Abstract

다수개의 홀이 형성된 리드탭의 양쪽면에 각각 하나 이상의 전극탭이 위치하고, 상기 리드탭의 다수개의 홀을 통하여 통과된 전도성 접착제에 의하여 상기 리드탭과 양쪽면의 전극탭이 함께 결착된 구조를 포함하는 전지 및 상기 전지에 포함되는 전극탭 및 리드탭의 접합방법을 제공한다.

Description

다수개의 홀이 형성된 리드탭과 전극탭의 결착 구조를 포함하는 전지 및 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법{Battery including a bonding structure between a lead tab having plurality of holes and electrode tabs and method of joining electrode tabs and a lead tab of a battery}
본 발명은 다수개의 홀이 형성된 리드탭과 전극탭의 결착 구조를 포함하는 전지 및 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법에 관한 것이다.
기술의 발달에 따라 에너지 저장 장치의 사용은 휴대폰, 태블릿(tablet), 랩탑(laptop), 캠코더, 더 나아가서는 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV) 분야에 이르기까지 확대되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지의 경우, 실생활에 없어서는 안 될 만큼 사용 분야가 늘어나고 있으며, 기술개발 속도도 점차 빨라지는 추세이다. 최근에는 리튬 이차 전지의 용량 밀도를 향상시키기 위하여, 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.
이러한 리튬 이차 전지의 제조에 있어서는, 용도에 맞는 출력을 얻기 위하여 단위 전극 간에 탭을 묶어줄 수 있는 리드(lead, current collector) 용접 작업이 필요하다. 이와 관련하여, 종래 리튬 이차 전지의 경우에는, 탭 용접 시 음극탭(구리) 또는 양극탭(알루미늄)과 리드탭(구리, 니켈 등) 사이를 초음파 용접, 레이저 용접 또는 저항 용접에 의해 접합하는 방식을 채택하고 있으나, 이러한 종래의 접합 방식은 용접 시 소재들이 손상되며, 작업에 오랜 시간이 소요된다는 단점을 갖는다.
최근에는 에너지 밀도를 향상시키기 위해 전지에서 큰 비중을 차지하는 전극집전체의 무게를 저감하기 위한 시도로 carbon cloth, CNT paper 등을 이용한 standing free electrode의 사용이 다수 보고되고 있다. 그러나 standing free electrode의 경우 리드탭(lead tab) 접합이 쉽지 않아 실물 파우치 셀(pouch cell)의 구현이 매우 어려운 것으로 알려져 있다.
일반적으로 standing free electrode에 사용되는 carbon 소재와 금속으로 이루어진 리드탭 간의 이종 접합은 초음파 용접이 불가능하며, 다른 방법으로도 충분한 접착력을 확보하는 것이 어려운 것으로 알려져 있다. 특히, 슬러리 타입의 접착제를 사용하여 접착하는 경우, 전극 탭사이의 접착은 유지될 수 있으나 리드탭과 전극탭은 쉽게 탈리되는 것으로 알려져 있다.
그러므로, 상기와 같은 문제의 해결이 이 분야의 당면과제로 떠오르고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1629261호
본 발명자들은 상기와 같은 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 예의 노력한 바, 전도성 접착제를 사용하는 경우에도 전극탭과 리드탭 사이에 우수한 접착력을 얻을 수 있으며, 우수한 작업 공정성이 제공되는 방법을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 전극탭 사이 및 전극탭과 리드탭 사이에 우수한 접착부를 형성하며, 접합부의 전도성이 우수하여 전지의 구동특성도 향상시킬 수 있는 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 작업 공정이 간단하여 우수한 작업 공정성을 제공하며, 전극탭 사이 및 전극탭과 리드탭 사이에 우수한 접착부를 형성하며, 접합부의 전도성이 우수하여 전지의 구동특성도 향상시킬 수 있는 전극탭 및 리드탭의 접합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
다수개의 홀이 형성된 리드탭의 양쪽면에 각각 하나 이상의 전극탭이 위치하고, 상기 리드탭의 다수개의 홀을 통하여 통과된 전도성 접착제에 의하여 상기 리드탭과 양쪽면의 전극탭이 함께 결착된 구조를 포함하는 전지를 제공한다.
또한, 본 발명은
전지의 전극탭 간의 접합 및 전극탭과 리드탭 간의 접합방법에 있어서,
(a) 상기 전극탭 간의 접합은 각각의 전극탭에 전도성 접착제를 도포하는 단계 및 상기 전도성 접착제가 도포된 전극탭들을 접합하는 단계를 포함하여 수행되고,
(b) 상기 전극탭과 리드탭 간의 접합은 다수개의 홀이 형성된 리드탭을 전극탭들 사이에 위치시키는 단계 및 상기 전극탭들 및 리드탭을 함께 압착하는 단계를 포함하여 수행되는 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법을 제공한다.
본 발명은 전지는 다수개의 홀이 형성된 리드탭 및 전도성 접착제를 사용함으로써 전극탭 사이 및 전극탭과 리드탭 사이에 우수한 접착부를 형성하며, 접합부의 전도성이 우수하여 전지의 구동특성도 향상시키는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 전극탭 및 리드탭의 접합방법은 작업 공정이 간단하여 우수한 작업 공정성을 제공하며, 전극탭 사이 및 전극탭과 리드탭 사이에 우수한 접착부를 형성하며, 접합부의의 전도성이 우수하여 전지의 구동특성도 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 전극탭 및 리드탭의 접합방법을 모식적으로 나타낸 도면이며,
도 2는 본 발명의 전극탭 및 리드탭의 접합방법에 사용되는 다수개의 홀이 형성된 리드탭의 형상을 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명의 전극탭 및 리드탭의 접합방법에서 압착에 의해 형성된 전도성 접착제와 리드탭의 결합형태를 모식적으로 나타낸 도면이며,
도 4는 본 발명의 전극탭 및 리드탭의 접합방법에 의해 전지를 제조하는 과정을 촬영하여 나타낸 사진이며,
도 5는 비교예 1에서 제조된 리튬 이차 전지의 접합구조의 성능을 테스트한 결과를 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지기능 및 구성에 대한 구체적 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.
아래 설명과 도면은 당업자가 설명되는 장치와 방법을 용이하게 실시할 수 있도록 특정 실시예를 예시한다. 다른 실시예는 구조적, 논리적으로 다른 변형을 포함할 수 있다. 개별 구성 요소와 기능은 명확히 요구되지 않는 한, 일반적으로 선택될 수 있으며, 과정의 순서는 변할 수 있다. 몇몇 실시예의 부분과 특징은 다른 실시예에 포함되거나 다른 실시예로 대체될 수 있다.
도 1 내지 3에 예시된 바와 같이, 본 발명은 다수개의 홀이 형성된 리드탭(32)의 양쪽면에 각각 하나 이상의 전극탭(12)이 위치하고, 상기 리드탭(32)의 다수개의 홀을 통하여 통과된 전도성 접착제(22)에 의하여 상기 리드탭(32)과 양쪽면의 전극탭(12)이 함께 결착된 구조를 포함하는 전지에 관한 것이다.
본 발명에서 사용하는 리드탭(32)에는 다수개의 홀이 형성되어 있으므로, 다수개의 홀이 앵커 역할을 수행함으로써 리드탭(32)이 전극탭(12)과 더 강한 접착부를 형성하게 한다. 즉, 전도성 접착제가 다수개의 홀을 통하여 리드탭(32)의 양쪽에 위치하는 전극탭(12)들 간을 견고하게 결착(또는 가교)시키므로 전극탭(12)과 리드탭(32) 간의 결착력은 홀이 형성되어 있지 않은 경우와 비교하여 현저하게 향상된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 리드탭(32)의 양쪽면에 위치하는 하나 이상의 전극탭(12)이 2개 이상의 전극탭을 포함하는 경우, 상기 전극탭들 간의 접착은 전도성 접착제(22)를 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 리드탭(32)과 양쪽면의 전극탭(12)의 결착은 압착방법에 의해 수행된 것일 수 있다. 상기와 같은 압착에 의해 전도성 접착제가 리드탭(32)의 다수개의 홀을 채우면서, 통과하여 양쪽의 전극탭(12)을 접착시키므로, 리드탭(32)과 전극탭(12)들 간의 결착력을 크게 향상시킨다. 또한, 전극탭(12)의 일부는 리드탭(32)의 다수개의 홀에 침투하여 앵커를 형성하는 효과를 형성할 수도 있으며, 이러한 앵커는 리드탭(32)과 전극탭(12)들 간의 결착력을 현저하게 향상시키는 효과를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 리드탭(32)과 양쪽면의 전극탭(12)의 결착은 양쪽면에 위치하는 전극탭(12)에 전도성 접착제를 도포한 상태에서 상기 리드탭과 양쪽면의 전극탭을 압착하는 방법으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 리드탭(32)은 전도성 접착제가 도포된 것을 사용할 수 있다. 이 경우, 전도성 접착제가 리드탭에 더 균일하게 도포될 수 있으며, 다수개의 홀에도 더 충분히 채워질 수 있어서 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전극탭(12)은 집전체에 형성된 전극탭이거나, 스탠딩 프리 전극에 형성된 전극탭 등 일 수 있으며, 상기 스탠딩 프리 전극은 카본 직물, 카본 페이퍼 등일 수 있다.
본 발명의 전지에 있어서, 상기 리드탭(32)과 양쪽면의 전극탭(12)의 결착구조를 제외한 다른 구성들로는 이 분야에 공지되어 있는 기술들이 제한 없이 채용될 수 있다. 또한, 하기 전극탭 및 리드탭의 접합방법에 기술된 내용은 본 발명에 모두 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전지는 리튬 이차 전지일 수 있다.
또한, 본 발명은, 도 1에 예시된 바와 같이, 전지의 전극탭(12) 간의 접합 및 전극탭(12)과 리드탭(32) 간의 접합방법에 있어서,
(a) 상기 전극탭(12) 간의 접합은 각각의 전극탭에 전도성 접착제(22)를 도포하는 단계 및 상기 전도성 접착제가 도포된 전극탭들을 접합하는 단계를 포함하여 수행되고,
(b) 상기 전극탭(12)과 리드탭(32) 간의 접합은 다수개의 홀이 형성된 리드탭을 전극탭들 사이에 위치시키는 단계 및 상기 전극탭들 및 리드탭을 함께 압착하는 단계를 포함하여 수행되는 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법에 관한 것이다.
상기 전극탭(12)의 접합에 있어서, 전극탭의 내부에 많은 기공이 형성되어 있으므로, 슬러리 형태와 같은 전도성 접착제를 침지나 스프레이 등의 방법으로 전극탭(12)에 도포하여 접합을 실시하는 경우, 기공 내부로 접착제가 침투되어 접착성 및 기계적 결합강도가 향상되며, 전도성 양면 접착 테이프 등 다른 방법을 사용하는 경우와 비교하여 두께의 증가도 완화시킬 수 있어서 바람직하다.
한편, 전극탭(12)과 리드탭(32)의 접합의 경우, 본 발명에서 사용하는 리드탭(32)에는 다수개의 홀이 형성되어 있으므로, 다수개의 홀이 앵커 역할을 수행함으로써 전극탭(12)과 더 강한 접착을 형성한다. 특히, 전도성 접착제가 다수개의 홀을 통하여 리드탭(32)의 양쪽에 위치하는 전극탭(12)들 간을 견고하게 결착(또는 가교)시키므로 전극탭(12)과 리드탭(32) 간의 접착력은 홀이 형성되어 있지 않은 경우와 비교하여 현저하게 향상된다.
상기와 같은 효과를 확실하게 하기 위하여, 전극탭(12)과 리드탭(32)의 접합 전에 다수개의 홀이 형성된 리드탭에 전도성 접착제를 도포하는 단계를 추가로 수행할 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 (a) 전극탭 간의 접합 및 (b) 전극탭과 리드탭 간의 접합에 있어서, 전도성 접착제의 도포는 예를 들어, 전극탭을 전도성 접착제에 침지시키거나 전도성 접착제를 전극탭에 스프레이 하는 방법에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 접합방법에서 (a) 전극탭 간의 접합을 먼저 수행한 후, (b) 접합된 전극탭들과 리드탭 간의 접합을 수행하는 방식으로 접합을 진행할 수 있다.
또한, 상기 (b) 접합된 전극탭들과 리드탭 간의 접합은 리드탭을 중심에 두고, 접합된 전극탭들을 리드탭의 양쪽에 위치시킨 상태로 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 도 1에 예시된 바와 같이, 상기 (a)의 전극탭 간의 접합과 상기 (b)의 전극탭과 리드탭 간의 압착은 전도성 접착제가 도포된 전극탭들 및 리드탭을 적층하고, 이들을 한번에 압착하는 공정에 의해 수행될 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 압착은 Hot Press 같은 장비를 이용하여 가열압착에 의해 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 접합방법에 있어서, 상기 전극탭(12)과 리드탭(32) 간의 접합에 의해 리드탭을 사이에 두고 접착된 전극탭과 전극탭은 리드탭의 다수개의 홀을 채운 전도성 접착제에 의해 서로 연결된 가교구조를 형성할 수 있다. 상기 가교구조는 리드탭(32)과 리드탭의 양쪽에 접착된 전극탭(12)들을 한꺼번에 연결시키는 구조로서 전극탭들(12)과 리드탭(32) 간의 뛰어난 접착력에 매우 큰 기여를 한다.
본 발명의 접합방법에서 사용되는 전도성 접착제로는 이 분야에 공지된 것이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 접착제는 바인더 폴리머와 전도성 입자를 포함하는 것일 수 있다.
상기 바인더 폴리머로는 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 우레탄계 수지 등을 들 수 있으며, 상기 전도성 입자로는 금, 은, 카본 등을 들 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다.
상기 전도성 입자들은 수 마이크로에서 수십 마이크로의 직경을 가지는 비드(bead) 형태가 바람직하게 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 나노 사이즈의 전도성 입자들도 사용되는 전극탭 및 리드탭의 형태 및 경제성 등을 고려하여 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전극탭(12)은 집전체에 형성된 전극탭이거나, 스탠딩 프리 전극에 형성된 전극탭(12)일 수 있다. 상기 스탠딩 프리 전극으로는 카본 직물, 카본 페이퍼 등을 들 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니며, 이 분야에 공지된 형태의 전극이 제한없이 사용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 전극탭(12)들은 연성을 가지지 않더라도, 전도성 접착제에 의해 리드탭에 형성된 다수개의 홀에 앵커 또는 가교구조가 형성되므로, 바람직한 접착구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 리드탭(32)은 이 분야에 공지된 소재로 제조된 것이 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 리드탭의 형태는 다수개의 홀이 형성되어 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 리드탭으로는 도 2에 도시된 바와 같은 매시타입의 금속 플레이트가 사용될 수 있다.
상기 리드탭에 형성되는 홀의 개수, 사이즈 등은 사용되는 전극탭과 리드탭 소재의 특성, 요구되는 접착력 등을 고려하여 바람직한 개수 및 사이즈로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 홀은 리드탭의 전체면적을 기준으로 홀의 면적이 20~80%가 되도록 형성될 수 있으며, 바람직하게는 30~70%, 더욱 바람직하게는 50~70%가 되도록 형성될 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1: 리튬 이차 전지의 제조
CNT 페이퍼를 사용하여 여러 장의 양극을 제조하고, 음극으로 리튬 메탈 전극, 분리막으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 분리막을 사용하고, 상기 전극 및 분리막을 배치하여 셀을 스택하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 탄소 도전볼이 함유되어 있는 슬러리 형태의 전도성 접착제를 상기 셀의 각각의 전극탭 부분에 도포한 후, 다수개의 홀이 형성된 알루미늄 리드탭을 전극탭들 사이에 배치한 후, 전극탭 및 리드탭을 Hot Press를 사용하여 100~200℃로 가열하면서 압착하였다. 압착 후에 전해액을 충전하여 파우치 셀을 제조하였다.
상기에서 제조된 전지의 전극탭 간, 전극탭-리드탭 간 접착 상태를 촬영하여 도 4에 도시하였다. 도 4의 (1)은 다수개의 홀을 형성한 알루미늄 리드탭을 촬영한 사진이며, 도 4의 (2)는 리드탭을 접착하기 전의 전극탭을 촬영한 사진이고, 도 4의 (3)은 제조 완료된 셀을 모습을 촬영한 사진이다.
상기 실시예 1의 전지의 경우, 접착부의 안정성(접착력)이 우수하여 반복적으로 충방전을 실시하여도 전극 탭과 리드 탭의 분리가 발생하지 않는 것으로 확인되었다.
비교예 1: 리튬 이차 전지의 제조
실시예 1에서 다수개의 다공성 홀이 형성된 리드탭을 대신하여, 홀이 형성되지 않은 통상의 리드탭을 사용하여 전극탭과 리드탭을 접합시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치 셀을 제조하였다.
상기 비교예 1의 전지의 경우, 도 5에 도시한 바와 같이, 접착부의 안정성(접착력)이 부족하여 충방전 과정 중 전극 탭과 리드 탭이 분리되는 문제가 발생하였다.
10: 전극 12: 전극탭
22: 전극에 도포된 전도성 접착제
30: 리드(Lead) 32: 리드탭

Claims (15)

  1. 다수개의 홀이 형성된 리드탭의 양쪽면에 각각 하나 이상의 전극탭이 위치하고, 상기 리드탭의 다수개의 홀을 통하여 통과된 전도성 접착제에 의하여 상기 리드탭과 양쪽면의 전극탭이 함께 결착된 구조를 포함하는 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리드탭의 양쪽면에 위치하는 하나 이상의 전극탭이 2개 이상의 전극탭을 포함하는 경우, 상기 전극탭들 간의 접착은 전도성 접착제를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리드탭과 양쪽면의 전극탭의 결착은 압착방법에 의해 수행된 것을 특징으로 하는 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리드탭과 양쪽면의 전극탭의 결착은 양쪽면에 위치하는 전극탭에 전도성 접착제를 도포한 상태에서 상기 리드탭과 양쪽면의 전극탭을 압착하는 방법으로 수행된 것을 특징으로 하는 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 리드탭은 전도성 접착제가 도포된 것임을 특징으로 하는 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭은 집전체에 형성된 전극탭이거나, 스탠딩 프리 전극에 형성된 전극탭인 것을 특징으로 하는 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스탠딩 프리 전극은 카본 직물 또는 카본 페이퍼인 것을 특징으로 하는 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전지는 리튬 이차 전지인 것을 특징으로 하는 전지.
  9. 전지의 전극탭 간의 접합 및 전극탭과 리드탭 간의 접합방법에 있어서,
    (a) 상기 전극탭 간의 접합은 각각의 전극탭에 전도성 접착제를 도포하는 단계 및 상기 전도성 접착제가 도포된 전극탭들을 접합하는 단계를 포함하여 수행되고,
    (b) 상기 전극탭과 리드탭 간의 접합은 다수개의 홀이 형성된 리드탭을 전극탭들 사이에 위치시키는 단계 및 상기 전극탭들 및 리드탭을 함께 압착하는 단계를 포함하여 수행되는 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (b) 전극탭과 리드탭 간의 접합에서, 다수개의 홀이 형성된 리드탭은 전도성 접착제가 도포된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 전도성 접착제의 도포는 전극탭 또는 리드탭을 전도성 접착제에 침지시키거나 전도성 접착제를 전극탭 또는 리드탭에 스프레이 하는 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법.
  12. 제9항에 있어서,
    (a) 전극탭 간의 접합을 먼저 수행한 후, (b) 접합된 전극탭들과 리드탭 간의 접합을 수행하는 것을 특징으로 하는 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 (a)의 전극탭 간의 접합과 상기 (b)의 전극탭과 리드탭 간의 압착은 전도성 접착제가 도포된 전극탭들 및 리드탭을 적층하고, 이들을 한번에 압착하는 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 전도성 접착제는 바인더 폴리머와 전도성 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 압착은 가열압착에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지의 전극탭 및 리드탭의 접합방법.
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