KR20210022454A - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것으로, 젤리롤 타입의 전극 조립체에 있어서, 양극판에 형성된 양극무지부와 음극판에 형성된 음극무지부를 포함하되, 상기 음극무지부는 상기 음극판의 권취방향에 따른 선단과 후단 사이에 형성된 제1 음극무지부와, 상기 음극판의 후단에 형성된 제2 음극무지부를 포함하고, 상기 음극탭은 상기 제1 음극무지부에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 양극판과 음극판 및 이들 두 전극판 사이에 끼워진 세퍼레이터로 구성된 전극 조립체를 전해액과 함께 케이스에 수납하여 형성된다. 이러한 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 휴대폰, 노트북 등의 모바일 기기에 대한 기술개발과 생산 증가에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급증하고 있다. 최근에는 화석연료를 대체하기 위한 대체 에너지원으로 전기 자동차, 하이브리드 자동차의 용도로도 활발한 연구개발이 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
리튬 이차 전지의 출력을 높이기 위해서는 전지의 저항을 낮춰야 하는데, 제한된 부피에서는 전극의 수를 증가시키는 것이 효과적이다. 또한, 리튬 이차 전지의 고용량, 고출력화가 필요해짐에 따라 전극판의 길이가 점차 증대되고 있는데, 이는 내부 저항의 증가를 초래할 수 있다. 이 문제 역시 전극탭의 수를 늘임으로써 완화할 수 있지만, 전극탭의 수를 늘이는 것은 필요 자재량 및 작업 공수를 증대시킬 뿐만 아니라, 리튬 이차 전지의 내부 공간의 공간 활용도를 떨어뜨리기도 한다.
아울러 리튬 이차 전지는 일반적으로, 일정 전압 이상으로 과충전될 경우 리튬 이차 전지를 구성하는 양극 활물질과 전해액의 반응이 과도하게 진행되어 양극 활물질의 구조 붕괴, 전해액의 산화 반응 등이 수반되며, 음극 활물질에는 리튬이 석출되기도 한다. 이러한 상태가 지속되면 리튬 이차 전지가 발화하거나 폭발할 수도 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 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 이차 전지의 저항을 감소시키면서도 전극탭의 수를 최소화할 수 있는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 과충전시 리튬이 석출되는 것을 최소화할 수 있는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지는 양극 집전체와 상기 양극 집전체에 코팅된 양극 활물질을 포함하되, 상기 양극 집전체 중 상기 양극 활물질이 코팅되어 있지 않은 양극 무지부가 형성된 양극판; 음극 집전체와 상기 음극 집전체에 코팅된 음극 활물질을 포함하되, 상기 음극 집전체 중 상기 음극 활물질이 코팅되어 있지 않은 음극 무지부가 형성된 음극판; 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터; 상기 양극판의 양극집전체에 전기적으로 연결된 양극탭; 상기 음극판의 음극 집전체에 전기적으로 연결된 음극탭을 포함하고, 상기 양극판, 음극판 및 세퍼레이터는 순차로 적층된 상태로 권취되는 전극 조립체에 있어서, 상기 양극무지부는 상기 양극판의 권취방향에 따른 선단과 후단 사이에 배치되고, 상기 양극탭은 상기 양극무지부에서 상기 양극 집전체에 부착되며, 상기 음극무지부는 상기 음극판의 권취방향에 따른 선단과 후단 사이에 형성된 1차 음극무지부와, 상기 음극판의 후단에 형성된 2차 음극무지부를 포함하고, 상기 음극탭은 상기 1차 음극무지부에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면 상기 양극무지부는 상기 양극판의 권취방향을 따른 선단과 후단 사이에 서로 이격되어 형성된 1차 양극무지부와 2차 양극무지부를 포함하고, 상기 양극탭은 각각 상기 1차 양극무지부와 2차 양극무지부에 배치된 제1 양극탭 및 제2 양극탭을 포함할 수 있다. 이때 상기 제1 양극탭과 제2 양극탭은 권취된 상태에서 횡단면 반지름 방향으로 일직선 상에 배치될 수 있다. 또한 상기 1차 양극무지부는 상기 2차 양극무지부보다 상기 양극판의 선단에 더 가깝게 배치되고, 상기 1차 양극무지부는 상기 권취방향을 따라 상기 제1 양극탭의 폭보다 넓은 폭으로 연장되어 양극반코팅부를 형성하고, 상기 양극반코팅부는 권취된 상태에서 상기 제1 양극탭으로부터 한 턴 안쪽에 위치될 수 있다. 또는 상기 1차 양극무지부는 상기 2차 양극무지부보다 상기 양극판의 선단에 더 가깝게 배치되고, 상기 1차 양극무지부는 상기 권취방향을 따라 상기 제1 양극탭의 폭보다 넓은 폭으로 연장되어 양극반코팅부를 형성하고, 상기 양극반코팅부는 권취된 상태에서 상기 제1 양극탭으로부터 한 턴 바깥쪽에 위치될 수도 있다.
한편, 상기 양극판에는 상기 권취방향을 따라 상기 1차 양극무지부와 인접하게 이격된 위치에서 양극코팅층이 형성되지 않은 양극반코팅부를 포함할 수 있는데, 상기 양극반코팅부는 1차 양극무지부보다 선단측에 배치되어, 권취된 상태에서 상기 제1 양극탭으로부터 한 턴 안쪽에 위치되거나, 상기 양극반코팅부는 1차 양극무지부보다 후단측에 배치되어, 권취된 상태에서 상기 제1 양극탭으로부터 한 턴 바깥쪽에 위치될 수 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체 및 이를 포함한 이차 전지에 있어서, 상기 양극탭과 음극탭은 권취된 상태에서 횡단면 반지름 방향으로 일직선 상에 배치될 수 있으며, 횡단면 반지름의 1/5 내지 4/5이 되는 영역 내에 배치될 수 있다. 여기서 상기 양극탭과 음극탭은 권취된 상태에서 상기 전극 조립체의 길이방향을 따라 동일 선상에 배치될 수 있지만, 상기 양극탭의 하부와 상기 음극탭의 상부가 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지는 본 발명에 따른 전극 조립체; 내부 공간에 상기 전극 조립체와 전해액을 수용하는 케이스; 및 상기 케이스의 상부에 결합되어 상기 케이스를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하고, 상기 2차 음극무지부는 상기 케이스의 내면에 부착될 수 있다.
본 발명에 의한 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지는 음극판의 일단에 형성된 무지부가 음극탭의 역할을 하도록 함으로써 이차 전지의 저항을 늘이지 않으면서도 음극탭의 수를 줄일 수 있고, 따라서 전체적인 전극탭의 수를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지는 음극탭과 인접한 양극판 중에서, 양극탭이 형성되지 않은 양극판에 무지부를 형성하여, 과충전시 리튬이 석출되는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 1a, 도 1b, 도 1c, 및 도 1d는 본 발명의 일실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도, 분해 사시도, 종단면도 및 횡단면도이다.
도 2는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차전지의 전극 조립체가 권취되기 이전을 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전극 조립체가 권취된 후, 횡단면도를 일부 확대 도시한 확대 횡단면도이다.
도 4a 내지 도 4b는 도 3에 도시된 전극 조립체의 횡단면도에서 양극탭과 음극탭의 부착 위치를 추가 도시한 확대 횡단면도이다.
도 5는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차전지의 전극 조립체가 권취되기 이전을 도시한 단면도의 다른 실시예이다.
도 6은 도 5에 도시된 전극 조립체가 권취된 후, 횡단면도를 일부 확대 도시한 확대 횡단면도이다.
도 7는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차전지의 전극 조립체가 권취되기 이전을 도시한 단면도의 다른 실시예이다.
도 8은 도 7에 도시된 전극 조립체가 권취된 후, 횡단면도를 일부 확대 도시한 확대 횡단면도이다.
도 9는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차전지의 전극 조립체가 권취되기 이전을 도시한 단면도의 다른 실시예이다.
도 10은 도 9에 도시된 전극 조립체가 권취된 후, 횡단면도를 일부 확대 도시한 확대 횡단면도이다.
도 11은 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차 전지의 전극 조립체를 권취되기 이전의 상태로 도시한 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 전극 조립체가 권취된 후, 횡단면도를 일부 확대 도시한 확대 횡단면도이다.
도 13은 도 11에 도시된 전극 조립체가 다른 방식으로 권취된 후, 횡단면도를 일부 확대 도시한 확대 횡단면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 전극 조립체를 권취되기 이전의 상태로 도시한 단면도이다.
도 15는 도 14에 도시된 전극 조립체가 권취된 후, 횡단면도를 일부 확대 도시한 확대 횡단면도이다.
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 포함한다. 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 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"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 이용된다. 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 요소는 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서 "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지(100)를 도시한 사시도, 분해사시도, 종단면도 및 횡단면도가 도시되어 있다. 여기서 종단면은 이차 전지(100)를 길이방향으로 절단한 단면이고, 횡단면은 이차 전지의 권취 방향으로 절단한 단면이다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지(100)는 케이스(110)과, 케이스(110) 내부에 수납된 전극 조립체(120) 및 케이스(110)의 상단 개구를 밀봉하는 캡 조립체(130)를 포함한다.
케이스(110)는 원형의 바닥부(111)와, 바닥부(111)로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 측부(112)를 포함한다. 여기서, 이차 전지(100)는 원통형 이차 전지로 도시하였으나, 각형 및 파우치형의 이차 전지에도 적용가능하며 본 발명에서 이차 전지의 형상을 원통형으로만 한정하는 것은 아니다. 이차 전지(100)의 제조 공정 중 케이스(110)의 상부는 개방되어 있을 수 있다. 따라서 이차 전지의 조립 공정 중 전극 조립체(120)가 전해액과 함께 케이스(110)에 삽입될 수 있다. 상기 케이스(110)는 스틸, 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 더불어, 케이스(110)에는 전극 조립체(120)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(130)를 중심으로 그 하부에 내부로 함몰된 비딩부(beading part)(113)가 형성되고, 그 상부에 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)가 형성될 수 있다.
전극 조립체(120)는 대략 원기둥 모양으로 권취된 상태에서 전해액과 함께 케이스(110)의 내부에 수용될 수 있다. 여기서, 상기 전해액은 상기 전극 조립체(120)를 구성하는 양극판과 음극판의 사이에서 리튬 이온이 이동될 수 있도록 주입되는 염을 함유한 유기 액체로서, LiPF6, LiBF4, LiClO4 등의 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액을 포함하여 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.
전극 조립체(120)는 음극 활물질이 코팅된 음극판(121)과, 양극 활물질이 코팅된 양극판(122) 및, 음극판(121)과 양극판(122) 사이에 끼워져 음극판(121)과 양극판(122) 사이의 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(123)를 포함하여 이루어진다. 또한, 음극판(121)에는 하방으로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(124)이, 양극판(122)에는 상방으로 일정 길이 돌출된 양극탭(125, 129)이 각각 부착될 수 있으나, 도시된 예와 달리 그 돌출된 방향이 서로 바뀔 수도 있다. 여기서 '부착'이란, 용접, 접착 등의 수단을 이용해 서로 전기적으로 연결되도록, 즉 쇼트되도록 하는 것으로 이해될 수 있다.
도 1d에 예시된 바와 같이, 전극 조립체(120)는 이상적으로는 단면 형상이 원형이며, 권취되는 과정에서 그 권취 중심부(c)를 포함하는 빈 공간이 형성될 수 있는데 이를 코어 영역이라 할 수 있다. 다만, 도시된 예와 달리 코어 영역의 단면 형상이 항상 원형이어야만 하는 것은 아니다.
추가적으로 도 2를 참조하면, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차전지의 전극 조립체가 권취 되기 이전을 도시한 분해 사시도가 도시되어 있다. 또한 도 3을 참조하면, 도 2에 도시된 전극 조립체를 갖는 이차전지의 횡단면도의 일부를 확대 도시한 확대 횡단면도가 도시되어 있다. 이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 이차전지와 전극 조립체의 구성을 구체적으로 설명하고자 한다.
우선 전극 조립체(120)의 상기 음극판(121)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)로 이루어진 판형의 금속 포일인 음극집전판(121a)의 양면에 전이금속 산화물로 이루어진 활물질인 음극코팅층(121b)이 코팅되어 있다. 상기 음극판(121)은 음극집전판(121a)의 일면에 음극탭(124)이 부착되어 있다. 상기 음극탭(124)은 음극집전판(121a)에 일부가 용접되어 부착될 수 있으며, 전극 조립체(120)의 길이방향에서 하부로 일정길이 돌출된다.
또한 음극집전판(121a)은 음극탭(124)이 부착된 일면의 권취 방향(x)측과, 권취 방향(x) 반대측인 양측에, 음극코팅층(121b)이 형성되지 않은 제1 음극무지부(121c)가 구비된다. 즉 음극탭(124)은 음극코팅층(121b)과 이격되도록 음극판(121)의 음극집전판(121a) 일면에 부착된다. 또한 음극집전판(121a)은 음극탭(124)이 부착된 일면의 반대면인 타면에도, 상기 음극탭(124)과 대응되는 영역과, 제1 음극무지부(121c)가 구비된 영역과 대응되는 영역에 음극코팅층(121b)이 형성되지 않은 제2 음극 무지부(121d)가 더 구비된다.
상기 음극탭(124)은 권취된 전극 조립체(120)의 횡단면에서, 권취 중심부(c)로부터 최외곽(o) 사이의 길이인 횡단면 반지름(r)의 1/5 내지 4/5 사이 중 어느 하나의 위치에 위치될 수 있다. 바람직하게, 음극탭(124)은 횡단면 반지름(r)의 대략 중심에 위치할 수 있다. 상기 음극탭(124)은 구리 또는 니켈 재질로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.
우선 상기 양극판(122)은 알루미늄(Al)으로 이루어진 판형의 금속 포일인 양극집전판(122a)의 양면에 전이금속 산화물로 이루어진 활물질인 양극코팅층(122b)이 코팅되어 있다. 상기 양극판(122)는 양극집전판(122a)의 일면에 양극탭(125)이 부착되어 있다. 상기 양극탭(125)은 양극집전판(122a)에 일부가 용접되어 부착될 수 있으며, 전극 조립체(120)의 길이방향에서 상부로 일정길이 돌출된다.
상기 양극탭(125)은 권취된 전극 조립체(120)의 횡단면에서, 권취 중심부(c)로부터 최외곽(o)사이의 길이인 횡단면 반지름(r)의 1/5 내지 4/5 사이 중 어느 하나의 위치에 위치될 수 있다. 바람직하게, 양극탭(125)은 횡단면 반지름(r)의 대략 중심에 위치할 수 있다. 또한 양극탭(125)은 권취된 전극 조립체(120)에서 음극탭(124)과 세퍼레이터(123)를 중심으로 서로 마주보는 면에 위치할 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 상기 양극탭(125) 및 음극탭(124)은 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 권취된 양극판(122) 및 음극판(121)의 동일면에 위치할 수도 있으며, 양극판(122) 및 음극판(121)의 서로 반대면에 위치할 수도 있다. 여기서 동일면은 권취된 전극 조립체(120)에서 동일하게 최외측(o)을 향하는 면이거나, 동일하게 권취 중심부(c)를 향하는 면일 수 있다. 또한 반대면은 권취된 전극 조립체(120)에서 양극탭(125)이 최외측(o)을 향하는 면에 형성될 경우, 음극탭(124)이 권취 중심부(c)를 향하는 면에 형성된 것을 의미하거나 그 반대를 의미한다. 즉, 본 발명에서 포일 형태의 양극판(122)과 음극판(121)의 양면에서 양극탭(125)과 음극탭(124)이 부착되는 면을 한정하는 것은 아니다.
이와 같이 양극탭(125)과 음극탭(124)이 모두 권취된 전극 조립체(120)의 횡단면에서, 권취 중심부(c)로부터 최외곽(o)사이의 길이인 횡단면 반지름(r)의 1/5 내지 4/5 사이에 위치될 수 있으므로, 양극탭(125)과 음극탭(124)이 권취된 전극 조립체(120)에서 길이방향으로 동일 선상에 정렬되도록 위치할 수도 있다. 이때 양극탭(125)과 음극탭(124)은 그 동일 선상에서 서로 중첩되지 않도록 위치한다. 즉 양극탭(125)의 하부와 음극탭(124)의 상부는 서로 중첩되지 않도록 전극 조립체(120)의 길이방향 동일 선상에 위치할 수 있다. 이는 양극판(122) 및 음극판(121)에 비해서 두께가 두꺼운 양극탭(125)과 음극탭(124)이 전극 조립체(120)의 길이방향으로 서로 중첩될 경우 발생될 수 있는 전극 조립체(120)의 권취 진원률 저하를 방지하기 위함이다. 상기 전극 조립체(120)에서 양극탭(125)이 세퍼레이터(123)를 기준으로 음극탭(124)보다 외측에 위치할 수 있다. 상기 양극탭(125)은 알루미늄 재질로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.
또한 양극판(122)은 양극탭(125)이 부착된 양극집전판(122a)의 일면에서 권취 방향(x)측과, 권취 방향(x) 반대측인, 양측에 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 제1 양극무지부(122c)가 구비된다. 즉 양극탭(125)은 양극코팅층(122b)과 이격되도록 양극판(122)의 양극집전판(122a) 일면에 부착된다. 또한 양극판(122)은 양극탭(125)이 부착된 일면의 반대면인 타면에도, 상기 양극탭(125)과 대응되는 영역과, 제1 양극무지부(122c)가 구비된 영역과 대응되는 영역에 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 제2 양극무지부(122d)가 더 구비된다.
또한 양극판(122)은 제2 양극무지부(122d)가 권취방향(x)의 반대쪽으로 더 연장되어 형성된다. 즉, 양극판(122)은 양극집전판(122a)의 타면에서, 양극탭(125)이 부착된 영역으로부터 권취방향(x)의 반대쪽으로 일정 길이 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 제2 양극무지부(122d)가 더 구비될 수 있다. 바람직하게 제2 양극무지부(122d)는 권취된 양극판(122)에서 양극탭(125)이 부착된 부분에서 한 턴(turn) 권취 중심부(c) 방향으로 연장된다. 이와 같은 제2 양극무지부(122d)로 인해서, 양극판(122)은 양극탭(125)으로부터, 권취방향(x)의 반대쪽으로 한 턴 연장된 양극반코팅부(122e)를 구비한다. 여기서 양극반코팅부(122e)는 양극집전판(122a)의 하나의 면에만 양극코팅층(122b)이 형성된 것을 의미한다. 도 2 및 도 3에서는 양극반코팅부(122e)가 양극탭이 부착된 일면에 양극코팅층이 형성되고, 반대면인 타면에 무지부가 형성된 것으로 도시하였으나 그 반대도 가능하다.
이때, 권취된 전극 조립체(120)는 음극탭(124)이 부착된 부분의 음극판(121)과 가장 인접한 내측 및 외측의 양극판(122)에서 양극탭(125)이 부착되지 않은 양극판(122)의 영역에는 양극반코팅부(122e)가 구비된다. 여기서 내측은 음극판(121)을 중심으로 권취중심부(c)방향에 가장 인접한 양극판 영역을 의미하고, 외측은 음극판(121)을 중심으로 최외측(o)방향에 가장 인접한 양극판 영역을 의미한다. 이와 같이 양극판(122)은 음극탭(124)과 대응되는 위치에 양극반코팅부(122e)를 형성하여, 과충전시 리튬이 석출되는 것을 방지할 수 있다.
전극 조립체(120)의 음극탭(124)은 케이스(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있다. 따라서 케이스(110)는 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 반대로 제1 및 제2 양극탭(125, 129)이 케이스(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이러한 경우 케이스(110)는 양극으로 동작할 수 있다.
더불어, 케이스(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(126a) 및 그 외측에 제2홀(126b)이 형성된 제1 절연판(126)이 전극 조립체(120)와 바닥부(111)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제1 절연판(126)은 전극 조립체(120)가 케이스(110) 중 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 할 수 있다. 특히, 제1 절연판(126)은 전극 조립체(120) 중 양극판(122)이 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 할 수 있다. 여기서, 제1 홀(126a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 상부로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2 홀(126b)은 음극탭(124)이 관통하여 바닥부(111)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다. 추가적으로, 전극 조립체(120)는 대략 중심에 속이 빈 원형 파이프 형태의 센터핀(미도시)이 더 구비되어, 이차 전지 이상시 생성된 다량의 가스가 센터핀의 내부 통로를 통해 용이하게 배출될 수 있다.
또한, 케이스(110)에 결합되며, 중앙에 제1 홀(127a) 및 그 외측에 다수의 제2 홀(127b)이 형성된 제2 절연판(127)이 전극 조립체(120)와 캡 조립체(130)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제2 절연판(127)은 전극 조립체(120)가 캡 조립체(130)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 할 수 있다. 특히, 제2 절연판(127)은 전극 조립체(120) 중 음극판(121)이 캡 조립체(130)에 전기적으로 접촉하지 않도록 하는 역할을 할 수 있다. 여기서, 제1홀(127a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 캡 조립체(130)로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(127b)은 양극탭(125)이 관통하여 캡 조립체(130)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다. 또한 나머지 제2홀(127b)은 전해액 주입 공정에서, 전해액이 상기 전극 조립체(120)로 신속히 흘러 들어가도록 하는 역할을 할 수 있다. 상기 전해액은 충방전시 전지 내부의 양극판 및 음극판에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온의 이동 매체 역할을 할 수 있다.
캡 조립체(130)는 다수의 관통홀(131d)이 형성된 캡 업(cap-up)(131), 캡 업(131)의 하부에 설치된 안전 플레이트(133), 안전 플레이트(133)의 하부에 설치된 연결링(135), 연결링(135)에 결합되고 제1 및 제2 관통홀(136a, 136b)이 형성된 캡 다운(cap-down)(136), 캡 다운(136)의 하부에 고정되어 양극탭(125)과 전기적으로 접속된 서브 플레이트(137), 그리고 캡 업(131) 및 안전 플레이트(133), 연결링(135) 및 캡 다운(136)을 케이스(110)의 측부(111)로부터 절연시키는 절연 가스켓(138)을 포함할 수 있다.
여기서, 절연 가스켓(138)은 실질적으로 케이스(110)의 측부(111)에 형성된 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 사이에 압착된 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 캡 업(131)에 형성된 관통홀(131d)과, 상기 캡 다운(136)에 형성된 관통홀(136b)은 케이스(110)의 내부에서 이상 내압 발생시 내부 가스를 외부로 배출하는 역할을 할 수 있다. 물론, 이러한 내압에 의해 우선 안전 플레이트(133)가 상부 방향으로 반전되면서 서브 플레이트(137)와 전기적으로 분리되고, 이후 안전 플레이트(133)가 찢어지면서 내부의 가스가 외부로 방출될 수 있다.
도 5를 참조하면, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차전지의 전극 조립체가 권취 되기 이전을 도시한 단면도의 다른 실시예가 도시되어 있다. 또한 도 6을 참조하면 도 5에 도시된 전극 조립체가 권취된 후, 횡단면도를 일부 확대 도시한 확대 횡단면도가 도시되어 있다.
이와 같이 도 5 및 도 6에 도시된 이차전지의 케이스(110), 전극 조립체(120)의 음극판(121), 전극 조립체(120)의 세퍼레이터(123) 및 캡 조립체(130)의 구성은 도 1a, 도 1b 및 도 1d에 도시된 이차전지(100)와 동일할 수 있다. 따라서, 이하에서는 도 1a, 도 1b, 도 1d, 도 5 및 도 6을 참조하여, 이차전지의 전극 조립체(220)의 양극판(122)의 구성을 위주로 설명하고자 한다.
상기 양극판(122)은 알루미늄(Al)으로 이루어진 판형의 금속 포일인 양극집전판(122a)의 양면에 전이금속 산화물로 이루어진 활물질인 양극코팅층(122b)이 코팅되어 있다. 상기 양극판(122)은 양극집전판(122a)의 일면에 양극탭(125)이 부착되어 있다. 상기 양극탭(125)은 양극집전판(122a)에 일부가 용접되어 부착될 수 있으며, 전극 조립체(220)의 길이방향에서 상부로 일정 길이 돌출된다.
상기 양극탭(125)은 권취된 전극 조립체(220)의 횡단면 반지름(r)의 대략 중심에 위치할 수 있다. 또한 양극탭(125)은 권취된 전극 조립체(220)에서 음극탭(124)과 세퍼레이터(123)를 중심으로 서로 마주보도록 동일한 위치에 위치할 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 상기 양극탭(125)과 음극탭(124)은 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 권취된 양극판(122) 및 음극판(121)의 동일면에 위치할 수도 있으며, 양극판(122) 및 음극판(121)의 서로 반대면에 위치할 수도 있다. 즉, 본 발명에서 포일 형태의 양극판(122)과 음극판(121)의 양면에서 각각 양극탭(125)과 음극탭(124)이 부착되는 면을 한정하는 것은 아니다.
또한 양극탭(125)과 음극탭(124)은 권취된 전극 조립체(220)에서 길이방향으로 동일 선상에 정렬되도록 위치할 수 있다. 또한 양극탭(125)과 음극탭(124)은 권취된 전극 조립체(220)에서 길이방향으로 서로 중첩되지 않도록 위치한다. 이는 양극판(122) 및 음극판(121)에 비해서 두께가 두꺼운 양극탭(125)과 음극탭(124)이 전극 조립체(220)의 길이방향으로 서로 중첩될 경우 발생될 수 있는 전극 조립체(220)의 권취 진원률 저하를 방지하기 위함이다. 상기 전극 조립체(220)에서 양극탭(125)이 세퍼레이터(123)를 기준으로 음극탭(124)보다 외측에 위치하는 양극판(122) 영역에 위치할 수 있다. 상기 양극탭(125)은 알루미늄 재질로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.
또한 양극판(122)은 양극탭(125)이 부착된 양극집전판(122a)의 일면에서 권취 방향(x)측과, 권취 방향(x) 반대측인, 양측에 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 제1 양극무지부(122c)가 구비된다. 즉 양극탭(125)은 양극코팅층(122b)과 이격되도록 양극판(122)의 양극집전판(122a) 일면에 부착된다. 또한 양극판(122)은 양극탭(125)이 부착된 일면의 반대면인 타면에도, 상기 양극탭(125)과 대응되는 영역과, 제1 양극무지부(122c)가 구비된 영역과 대응되는 영역에 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 제2 양극무지부(122d)가 더 구비된다.
또한 양극판(122)은 권취된 전극 조립체(220)에서, 음극탭(124)이 부착된 부분의 음극판(121)과 가장 인접한 내측 및 외측의 양극판(122)에서 양극탭(125)이 부착되지 않은 양극판(122)에는 양극반코팅부(222e)가 구비된다. 여기서 양극반코팅부(222e)는 양극집전판(122a)의 하나의 면에만 양극코팅층(122b)이 형성되고 반대면은 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 무지부로 이루어진 것을 의미한다. 상기 양극반코팅부(222e)는 권취된 전극 조립체(220)에서, 음극탭(124)이 부착된 부분의 음극판(121)과 가장 인접한 내측의 양극판(122) 영역에 구비된다.
여기서 내측은 음극판(121)을 중심으로 권취중심부(c)방향에 위치하는 양극판의 영역을 의미하고, 외측은 음극판(121)을 중심으로 최외측(o)방향에 위치하는 양극판의 영역을 의미한다. 또한 양극반코팅부(222e)는 제1 음극무지부(121c) 및 제2 음극무지부(121d) 보다 길이방향과 수직한 폭이 더 넓게 형성될 수 있다. 이는 전극 조립체(220)가 권취될 때, 양극탭(125), 음극탭(124) 및 양극반코팅부(222e)의 정렬이 어긋나는 것을 방지하기 위함이다.
또한 양극반코팅부(222e)는 도 5 및 도 6에서 양극탭(125)이 부착된 일면에 양극코팅부(122b)가 형성되고, 반대면인 타면에 무지부가 형성된 것으로 도시하였으나 그 반대도 가능하다. 이와 같이 양극판(122)은 음극탭(124) 대응되는 위치에 양극반코팅부(222e)를 형성하여, 이차전지 과충전시 리튬이 석출되는 것을 방지할 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차전지의 전극 조립체가 권취 되기 이전을 도시한 단면도의 다른 실시예가 도시되어 있다. 또한 도 8을 참조하면, 도 7에 도시된 전극 조립체가 권취된 후, 횡단면도를 일부 확대 도시한 확대 횡단면도가 도시되어 있다.
이와 같이 도 7 및 도 8에 도시된 이차전지의 케이스(110), 전극 조립체(120)의 음극판(121), 전극 조립체(120)의 세퍼레이터(123) 및 캡 조립체(130)의 구성은 도 1a, 도 1b 및 도 1d에 도시된 이차전지(100)와 동일할 수 있다. 따라서, 이하에서는 도 1a, 도 1b, 도 1d, 도 7 및 도 8을 참조하여, 이차전지의 전극 조립체(320)의 양극판(122)의 구성을 위주로 설명하고자 한다.
상기 양극판(122)은 알루미늄(Al)으로 이루어진 판형의 금속 포일인 양극집전판(122a)의 양면에 전이금속 산화물로 이루어진 활물질인 양극코팅층(122b)이 코팅되어 있다. 상기 양극판(122)는 양극집전판(122a)의 일면에 양극탭(125)이 부착되어 있다. 상기 양극탭(125)은 양극집전판(122a)에 일부가 용접되어 부착될 수 있으며, 전극 조립체(320)의 길이방향에서 상부로 일정길이 돌출된다.
상기 양극탭(125)은 권취된 전극 조립체(220)의 횡단면 반지름(r)의 대략 중심에 위치할 수 있다. 또한 양극탭(125)은 권취된 전극 조립체(320)에서 음극탭(124)과 세퍼레이터(123)를 중심으로 서로 마주보도록 동일한 위치에 위치할 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 상기 양극탭(125)과 음극탭(124)은 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 권취된 양극판(122) 및 음극판(121)의 동일면에 위치할 수도 있으며, 양극판(122) 및 음극판(121)의 서로 반대면에 위치할 수도 있다. 즉, 본 발명에서 포일 형태의 양극판(122)과 음극판(121)의 양면에서 각각 양극탭(125)과 음극탭(124)이 부착되는 면을 한정하는 것은 아니다.
또한 양극탭(125)과 음극탭(124)은 권취된 전극 조립체(320)에서 길이방향으로 동일 선상에 정렬되도록 위치할 수 있다. 또한 양극탭(125)과 음극탭(124)은 권취된 전극 조립체(320)에서 길이방향으로 서로 중첩되지 않도록 위치한다. 이는 양극판(122) 및 음극판(121)에 비해서 두께가 두꺼운 양극탭(125)과 음극탭(124)이 전극 조립체(320)의 길이방향으로 서로 중첩될 경우 발생될 수 있는 전극 조립체(320)의 권취 진원률 저하를 방지하기 위함이다. 상기 전극 조립체(320)에서 양극탭(125)이 세퍼레이터(123)를 기준으로 음극탭(124)이 부착된 부분의 음극판(121)보다 내측에 위치할 수 있다. 상기 양극탭(125)은 알루미늄 재질로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.
또한 양극판(122)은 양극탭(125)이 부착된 양극집전판(122a)의 일면에서 권취 방향(x)측과, 권취 방향(x) 반대측인, 양측에 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 제1 양극무지부(122c)가 구비된다. 즉 양극탭(125)은 양극코팅층(122b)과 이격되도록 양극판(122)의 양극집전판(122a) 일면에 부착된다. 또한 양극판(122)은 양극탭(125)이 부착된 일면의 반대면인 타면에도, 상기 양극탭(125)과 대응되는 영역과, 제1 양극무지부(122c)가 구비된 영역과 대응되는 영역에 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 제2 양극무지부(122d)가 더 구비된다.
또한 양극판(122)은 제2 양극무지부(122d)가 권취방향(x) 쪽으로 더 연장되어 형성된다. 즉, 양극판(122)은 양극집전판(122a)의 타면에서, 양극탭(125)이 부착된 영역으로부터 권취방향(x)쪽으로 일정 길이 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 제2 양극무지부(122d)가 더 구비될 수 있다. 바람직하게 제2 양극무지부(122d)는 권취된 양극판(122)에서 양극탭(125)이 부착된 부분에서 한 턴(turn) 최외측(o) 방향으로 연장된다. 이와 같은 제2 양극무지부(122d)로 인해서, 양극판(122)은 양극탭(125)으로부터, 권취방향(x)쪽으로 한 턴 연장된 양극반코팅부(322e)를 구비한다. 여기서 양극반코팅부(322e)는 양극집전판(122a)의 하나의 면에만 양극코팅층(122b)이 형성된 것을 의미한다. 도 7 및 도 8에서는 양극반코팅부(322e)가 양극탭(125)이 부착된 일면에 양극코팅부(122b)가 형성되고, 반대면인 타면에 무지부가 형성된 것으로 도시하였으나 그 반대도 가능하다.
이때, 권취된 전극 조립체(320)는 음극탭(124)이 부착된 부분의 음극판(121)과 가장 인접한 내측 및 외측의 양극판(122)에서 양극탭(125)이 부착되지 않은 양극판(122)에는 양극반코팅부(322e)가 구비된다. 여기서 내측은 음극판(121)을 중심으로 권취중심부(c)방향에 위치하는 양극판을 의미하고, 외측은 음극판(121)을 중심으로 최외측(o)방향에 위치하는 양극판을 의미한다. 이와 같이 양극판(122)은 음극탭(124) 대응되는 위치에 양극반코팅부(322e)를 형성하여, 과충전시 리튬이 석출되는 것을 방지할 수 있다.
도 9를 참조하면, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차전지의 전극 조립체가 권취 되기 이전을 도시한 단면도의 다른 실시예가 도시되어 있다. 또한 도 10을 참조하면 도 9에 도시된 전극 조립체가 권취된 후, 횡단면도를 일부 확대 도시한 확대 횡단면도가 도시되어 있다.
이와 같이 도 9 및 도 10에 도시된 이차전지의 케이스(110),전극 조립체(120)의 음극판(121), 전극 조립체(120)의 세퍼레이터(123) 및 캡 조립체(130)의 구성은 도 1a, 도 1b 및 도 1d에 도시된 이차전지(100)와 동일할 수 있다. 따라서, 이하에서는 도 1a, 도 1b, 도 1d, 도 9 및 도 10을 참조하여, 이차전지의 전극 조립체(420)의 양극판(122)의 구성을 위주로 설명하고자 한다.
상기 양극판(122)은 알루미늄(Al)으로 이루어진 판형의 금속 포일인 양극집전판(122a)의 양면에 전이금속 산화물로 이루어진 활물질인 양극코팅층(122b)이 코팅되어 있다. 상기 양극판(122)은 양극집전판(122a)의 일면에 양극탭(125)이 부착되어 있다. 상기 양극탭(125)은 양극집전판(122a)에 일부가 용접되어 부착될 수 있으며, 전극 조립체(420)의 길이방향에서 상부로 일정길이 돌출된다.
상기 양극탭(125)은 권취된 전극 조립체(420)의 횡단면 반지름(r)의 대략 중심에 위치할 수 있다. 또한 양극탭(125)은 권취된 전극 조립체(420)에서 음극탭(124)과 세퍼레이터(123)를 중심으로 서로 마주보도록 동일한 위치에 위치할 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 상기 양극탭(125)과 음극탭(124)은 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 권취된 양극판(122) 및 음극판(121)의 동일면에 위치할 수도 있으며, 양극판(122) 및 음극판(121)의 서로 반대면에 위치할 수도 있다. 즉, 본 발명에서 포일 형태의 양극판(122)과 음극판(121)의 양면에서 각각 양극탭(125)과 음극탭(124)이 부착되는 면을 한정하는 것은 아니다.
또한 양극탭(125)과 음극탭(124)은 권취된 전극 조립체(420)에서 길이방향으로 동일 선상에 정렬되도록 위치할 수 있다. 또한 양극탭(125)과 음극탭(124)은 권취된 전극 조립체(420)에서 길이방향으로 서로 중첩되지 않도록 위치한다. 이는 양극판(122) 및 음극판(121)에 비해서 두께가 두꺼운 양극탭(125)과 음극탭(124)이 전극 조립체(420)의 길이방향으로 서로 중첩될 경우 발생될 수 있는 전극 조립체(420)의 권취 진원률 저하를 방지하기 위함이다. 상기 전극 조립체(420)에서 양극탭(125)이 세퍼레이터(123)를 기준으로 음극탭(124)이 부착된 부분의 음극판(121)보다 내측에 위치할 수 있다. 상기 양극탭(125)은 알루미늄 재질로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.
또한 양극판(122)은 양극탭(125)이 부착된 양극집전판(122a)의 일면에서 권취 방향(x)측과, 권취 방향(x) 반대측인, 양측에 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 제1 양극무지부(122c)가 구비된다. 즉 양극탭(125)은 양극코팅층(122b)과 이격되도록 양극판(122)의 양극집전판(122a) 일면에 부착된다. 또한 양극판(122)은 양극탭(125)이 부착된 일면의 반대면인 타면에도, 상기 양극탭(125)과 대응되는 영역과, 제1 양극무지부(122c)가 구비된 영역과 대응되는 영역에 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 제2 양극무지부(122d)가 더 구비된다.
또한 양극판(122)은 권취된 전극 조립체(420)에서, 음극탭(124)이 부착된 부분의 음극판(121)과 가장 인접한 내측 및 외측의 양극판(122)에서 양극탭(125)이 부착되지 않은 양극판(122)에는 양극반코팅부(422e)가 구비된다. 여기서 양극반코팅부(422e)는 양극집전판(122a)의 하나의 면에만 양극코팅층(122b)이 형성되고 반대면은 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 무지부로 이루어진 것을 의미한다. 상기 양극반코팅부(422e)는 권취된 전극 조립체(420)에서, 음극탭(124)이 부착된 부분의 음극판(121)과 가장 인접한 외측의 양극판(122)에 구비된다.
여기서 내측은 음극판(121)을 중심으로 권취중심부(c)방향에 위치하는 양극판을 의미하고, 외측은 음극판(121)을 중심으로 최외측(o)방향에 위치하는 양극판을 의미한다. 또한 양극반코팅부(422e)는 제1 음극무지부(121c) 및 제2 음극무지부(121d) 보다 길이방향과 수직한 폭이 더 넓게 형성될 수 있다. 이는 전극 조립체(420)가 권취될 때, 양극탭(125), 음극탭(124) 및 양극반코팅부(422e)의 정렬이 어긋나는 것을 방지하기 위함이다.
또한 양극반코팅부(422e)는 도 9 및 도 10에서 양극탭(125)이 부착된 일면에 양극코팅부(122b)가 형성되고, 반대면인 타면에 무지부가 형성된 것으로 도시하였으나 그 반대도 가능하다. 이와 같이 양극판(122)은 음극탭(124)과 대응되는 위치에 양극반코팅부(422e)를 형성하여, 이차전지 과충전시 리튬이 석출되는 것을 방지할 수 있다. 도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차 전지의 전극 조립체(120)를 권취되기 이전의 상태로 도시한 단면도가 도시되어 있다. 도 11에는 음극판(121), 양극판(122), 세퍼레이터(123), 음극탭(124), 양극탭(125, 129) 등이 도시되어 있으나, 설명의 편의를 위해 이들은 실제 스케일대로 도시된 것이 아니므로, 예컨대 음극탭(124)이나 양극탭(125, 129)의 두께가 도시된 것에 비해 더 두껍고 더 폭넓을 수 있거나, 양극무지부(122c, 122d)가 도시된 것보다 더 길게 형성될 수 있다는 점에 주의하여야 한다. 아울러 도 12를 참조하면, 도 11에 도시된 전극 조립체가 권취된 상태에서의 횡단면도의 일부를 확대 도시한 확대 횡단면도가 도시되어 있다. 이하에서는 도 11 및 도 12를 참조하여, 본 발명의 이차 전지와 전극 조립체의 구성을 보다 상세히 설명한다.
전극 조립체(120) 중 음극판(121)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)로 이루어진 판형의 금속 포일인 음극 집전체(121a)의 양면에 전이금속 산화물로 이루어진 활물질인 음극 코팅층(121b)이 코팅되어 있다. 음극 집전체(121a)의 일면에 음극탭(124)이 부착되어 있다. 상기 음극탭(124)은 음극 집전체(121a)에 일부가 용접되어 부착될 수 있으며, 전극 조립체(120)의 길이방향에 대해, 예컨대 하방으로 일정 길이 돌출될 수 있다(도 1c 참조). 그러나 음극탭(124)이 반드시 전극 조립체(120)의 길이방향에 대해 하방으로 돌출되어야 하는 것은 아니며, 필요에 따라 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.
음극판(121)은 예컨대 도 2의 도면방향을 기준으로 좌측부터 우측으로(도 2의 x방향으로) 권취될 수 있다. 이하에서는 이 x방향을 권취 방향으로 지칭하며, 편의상 도 2의 도면방향을 기준으로 음극판(121)의 좌측 끝단을 선단, 우측 끝단을 후단이라 한다. 권취 완료된 상태에서 음극판(121)의 선단은 코어 영역에 접하게 된다(도 1d 참조).
또한 음극판(121)에는 음극 집전체(121a)에 음극 코팅층(121b)이 형성되지 않은 채로 음극 집전체(121a)가 노출된 1차 제1 음극무지부(121c) 및 1차 제2 음극무지부(121d), 즉 1차 음극무지부(121c, 121d)가 형성된다. 음극탭(124)은 1차 음극무지부(121c, 121d)에서 음극 집전체(121a)에 부착될 수 있는데, 도 11에서는 특히 1차 제1 음극무지부(121c)에 부착된 것으로 예시되어 있다. 1차 제1 음극무지부(121c)의 권취 방향을 따른 폭은 음극탭(124)의 같은 방향으로의 폭보다 넓어서, 음극탭(124)이 부착된 후에도 음극 집전체(121a)의 일부가 노출될 수 있다. 1차 음극무지부(121c, 121d)는 특히 도 11에서 음극 집전체(121a)의 아래쪽 면과 윗쪽 면 각각에 형성되어 있으나, 음극 집전체(121a)의 두 면 중 음극탭(124)이 부착될 면에 1차 제1 음극무지부(121c)만이 형성될 수도 있다.
음극탭(124)은 권취된 전극 조립체(120)의 횡단면에서, 권취 중심부(c)로부터 최외측(o) 사이의 길이인 횡단면 반지름(r)의 1/5 내지 4/5 사이 중 어느 하나의 위치에 위치될 수 있다(도 1d 참조). 바람직하게, 음극탭(124)은 횡단면 반지름(r)의 대략 중심에 위치할 수 있다. 음극탭(124)은 구리 또는 니켈 재질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니어서 다른 재질로 이루어질 수도 있다.
음극판(121)의 후단에는 2차 음극무지부(128)가 형성된다. 2차 음극무지부(128)는 아래에서 다시 설명되는 바와 같이 케이스(110)의 내측면에 직접 부착될 수 있으며 따라서 전극으로서 기능할 수 있다. 따라서 음극판(121)은 하나의 음극탭(124)과 2차 음극무지부(128)를 가지고 2개의 음극탭이 있는 것과 같이 기능할 수 있으며, 이로써 전체적인 전극탭의 수를 최소화할 수 있다. 2차 음극무지부(128)는 음극 집전체(121a)의 양면 모두에서 음극 코팅층(121b)이 형성되지 않은 것으로 예시되어 있는데, 필요에 따라 음극 집전체(121a)의 바깥쪽 면, 권취된 상태에서 최외측(o)을 향하는 면에서만 음극 코팅층이 형성되지 않은 것에 의해 형성될 수도 있다.
양극판(122)은 알루미늄(Al)으로 이루어진 판형의 금속 포일인 양극 집전체(122a)의 양면에 전이금속 산화물로 이루어진 활물질인 양극 코팅층(122b)이 코팅되어 있다. 양극 집전체(122a)의 일면에 양극탭(125, 129)이 부착되어 있다. 양극탭(125, 129)은 양극 집전체(122a)에 용접되어 부착될 수 있으며, 전극 조립체(120)의 길이방향을 기준으로 상방으로 일정 길이 돌출될 수 있다(도 1c 참조). 그러나 앞서 설명한 음극탭(124)의 경우와 마찬가지로, 양극탭(125, 129) 역시 돌출되는 방향은 필요에 따라 달라질 수 있어서, 예컨대 음극탭(124)이 상방으로, 양극탭(125, 129)이 하방으로 돌출되거나, 음극탭(124)과 양극탭(125, 129)이 같은 방향으로 돌출될 수도 있다.
양극탭(125, 129)은 제1 양극탭(125)과 제2 양극탭(129)으로 구별하여 예시하고 있는데, 제2 양극탭(129)은 제1 양극탭(125)과는 위치에서만 차이가 있으며, 달리 설명하지 않는 한 제1 양극탭(125)에 대한 설명이 제2 양극탭(129)에도 동일하게 적용될 수 있다.
제1 양극탭(125)은 권취된 전극 조립체(120)의 횡단면에서, 권취 중심부(c)로부터 최외측(o)사이의 길이인 횡단면 반지름(r)의 1/5 내지 4/5 사이 중 어느 하나의 위치에 위치될 수 있다. 바람직하게, 제1 양극탭(125)은 횡단면 반지름(r)의 대략 중심에 위치할 수 있다. 이는 물론 제2 양극탭(129)에도 동일하게 적용될 수 있다. 제1 양극탭(125)의 위치에 대한 이런 고려는 음극탭(124)의 경우에 대해 설명한 바와 같은 이유에서이다. 또한 양극탭(125)은 권취된 전극 조립체(120)의 각 음극 집전체(121a) 및 양극 집전체(122a)에서 세퍼레이터(123)를 중심으로 음극탭(124)과 서로 마주보는 각 면에 위치할 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 즉, 양극탭(125) 및 음극탭(124)은 각각 음극 집전체(121a)와 양극 집전체(122a)의 다른 면에 위치될 수도 있다. 즉, 본 발명에서 포일 형태의 음극 집전체(121a)과 양극 집전체(122a)의 양면 중 양극탭(125)과 음극탭(124)이 부착되는 면을 한정하는 것은 아니다.
아울러, 도 12에서는 권취된 상태에서 제1 양극탭(125)이 세퍼레이터(123)를 기준으로 음극탭(124)보다 중심부(c)에 더 가까이 배치된 예를 도시하고 있으나, 제1 양극탭(125)이 음극탭(124)보다 최외측(o)에 더 가깝게 위치하도록 권취될 수도 있는데, 그 예가 도 13에 도시되어 있다.
양극판(122)에는 제1 양극탭(125)이 부착된 양극 집전체(122a)에서 양극 코팅층(122b)이 형성되지 않은 1차 제1 양극무지부(122c) 및 1차 제2 양극무지부(122d), 즉 1차 양극무지부(122c, 122d)가 형성된다. 즉 제1 양극탭(125)은 1차 제1 양극무지부(122c)에서 양극 집전체(122a)에 부착되는데, 1차 제1 양극무지부(122c)의 권취 방향으로의 폭은 제1 양극탭(125)의 같은 방향으로의 폭보다 넓어서, 제1 양극탭(125)이 부착된 후에도 양극 집전체(122a)의 일부가 노출될 수 있다. 1차 양극무지부(122c, 122d)는 특히 도 11에서 양극 집전체(122a)의 아래쪽 면과 윗쪽 면 각각에 형성되어 있으나, 양극 집전체(122a)의 두 면 중 양극탭(125)이 부착될 면에 1차 제1 양극무지부(122c)만 형성될 수도 있다.
한편 1차 제2 양극무지부(122d)는 권취 방향(x)을 따라 후단을 향해 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 도 11에 예시된 바와 같이 양극 집전체(122a)의 아래쪽 면에 형성된 1차 제2 양극무지부(122d)가 제1 양극탭(125)이 부착된 영역으로부터 권취 방향(x)으로 일정 길이 연장됨으로써 양극코팅층(122b)이 형성되지 않은 양극반코팅부(122e)를 형성할 수 있다. 바람직하게는, 이 양극반코팅부(122e)는 권취된 상태에서 제1 양극탭(125)이 부착된 부분에서 보다 한 턴(turn) 앞에서 제1 양극탭(125)에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 바꾸어 말해, 권취된 상태에서 양극반코팅부(122e)는 제1 양극탭(125)과 반경(r) 방향으로 동일 직선 상에 위치될 수 있다. 이와 같이 양극 집전체(122a)의 아래쪽 면의 1차 제2 양극무지부(122d)를 대신하여, 위쪽 면의 1차 제1 양극무지부(122c)가 권취 방향(x)으로 연장되어 양극반코팅부를 형성할 수도 있으며, 양쪽 면 모두에서 권취 방향(x)으로 연장되어 양쪽 면 모두에 양극반코팅부가 형성될 수도 있다. 특히 전자의 경우 권취된 상태에서 제1 양극탭(125)이 부착된 부분보다 한 턴 뒤에서 제1 양극탭(125)에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 한편, 1차 양극무지부(122c, 122d)가 연장된 방향은 도 11의 예시와 같이 권취 방향(x)을 기준으로 제1 양극탭(125)로부터 후단을 향해 연장되는 것이 아니라, 반대로 선단을 향해 연장될 수도 있다. 이 경우에도 권취된 상태에서는 1차 양극무지부(122c, 122d)에 의한 양극반코팅부가 제1 양극탭(125)과 반경(r) 방향으로 동일 직선 상에 위치되는 것이 바람직하다.
제2 양극탭(129)은 제1 양극탭(125)으로부터 권취 방향(x)을 따라 이격되어 배치되어 있다. 제2 양극탭(129)의 부착을 위해 2차 양극무지부가 형성될 수 있는데, 2차 양극무지부는 본질적으로 1차 양극무지부(122c, 122d)와 동일할 수 있다. 즉, 제2 양극탭(129) 주변에도 양극반코팅부가 형성될 수 있다.
도 11에 도시된 예에서, 권취된 상태에서 제1 양극탭(125)과 1차 제2 양극무지부(122d)에 의한 양극반코팅부(122e)가 반경(r) 방향으로 동일 직선 상에 배치되면, 과충전시 리튬이 석출되는 것을 억제하는 데에 도움을 줄 수 있다.
도 14를 참조하면, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차 전지의 전극 조립체를 권취되기 이전의 상태로 도시한 단면도의 다른 실시예가 도시되어 있다. 또한 도 15를 참조하면 도 14에 도시된 전극 조립체가 권취된 후, 횡단면도를 일부 확대 도시한 확대 횡단면도가 도시되어 있다.
이와 같이 도 14 및 도 15에 도시된 이차 전지의 케이스(110), 전극 조립체(120)의 음극판(121), 전극 조립체(120)의 세퍼레이터(123) 및 캡 조립체(130)의 구성은 도 1a 내지 도 1d에 도시된 이차 전지(100)와 동일할 수 있다. 따라서, 이하에서는 도 1a 내지 도 1d, 도 14 및 도 15를 참조하여, 이차 전지의 전극 조립체(120)의 양극판(122)의 구성을 위주로 앞선 실시예와 다른 부분을 설명한다.
양극판(122)에는 양극반코팅부(222e)가 1차 제2 양극무지부(122d)와는 이격되어 형성될 수 있다. 양극반코팅부(222e)는 1차 양극무지부와 2차 양극무지부 사이에 배치되지만 1차 양극무지부에 보다 인접하게 배치될 수 있다. 보다 바람직하게는, 양극반코팅부(222e)는 권취된 상태에서 1차 양극무지부(122c, 122d)보다 한 턴 뒤에서 제1 양극탭(125)에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 이와 같은 상태에서 양극반코팅부(222e)는 앞서 도 11을 참조로 예시된 실시예에서 권취 방향(x)을 따라 연장되어 양극반코팅부(122e)를 형성하는 1차 제2 양극무지부(122d)의 중간에 양극 코팅층(122b)을 단속적으로 형성한 결과에 상당할 수 있다. 이는 양극판(122) 전체에서 양극 코팅층(122b)이 형성된 구간의 길이를 늘이는 효과를 가질 수 있으며 전극 조립체의 두께, 권취된 전극 조립체의 반경 방향 크기 등에 따라 제1 양극탭(125)과 양극반코팅부(222e)가 반경 방향으로 동일한 직선 상에 위치되도록 하기 위해 설계자가 선택할 수 있는 다양성을 제시할 수 있다. 도 14 및 도 15에서 양극반코팅부(222e)는 양극 집전체(122a)의 도면방향을 기준으로 한 아래쪽 면에만 형성된 것으로 예시되어 있으나, 이를 대체하여 그 반대편 면에 형성될 수도 있으며, 양쪽 면 모두에 형성될 수도 있다. 도시하지 않은 다른 실시예에서, 양극반코팅부(222e)는 1차 양극무지부(122c, 122d)보다 선단측에 배치될 수 있으며, 이 경우 권취된 상태에서 양극반코팅부(222e)는 1차 양극무지부(122c, 122d)보다 한 턴 앞에서 제1 양극탭(125)에 대응하게 배치될 수 있다. 앞서 도 12 및 도 13을 참조로 설명한 바와 같이, 도 15에서는 권취된 상태에서 제1 양극탭(125)이 세퍼레이터(123)를 기준으로 음극탭(124)보다 중심부(c)에 더 가까이 배치된 예를 도시하고 있으나, 제1 양극탭(125)이 음극탭(124)보다 최외측(o)에 더 가깝게 위치하도록 권취될 수도 있다.
110; 케이스 120,220; 전극 조립체
130; 캡 조립체 100; 이차 전지

Claims (11)

  1. 양극 집전체와 상기 양극 집전체에 코팅된 양극 활물질을 포함하되, 상기 양극 집전체 중 상기 양극 활물질이 코팅되어 있지 않은 양극무지부가 형성된 양극판;
    음극 집전체와 상기 음극 집전체에 코팅된 음극 코팅층을 포함하되, 상기 음극 집전체 중 상기 음극 활물질이 코팅되어 있지 않은 음극무지부가 형성된 음극판;
    상기 양극판과 상기 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터;
    상기 양극판의 양극집전체에 전기적으로 연결된 양극탭;
    상기 음극판의 음극집전체에 전기적으로 연결된 음극탭을 포함하고,
    상기 양극판, 음극판 및 세퍼레이터는 순차로 적층된 상태로 권취되는 전극 조립체에 있어서,
    상기 양극무지부는 상기 양극판의 권취방향에 따른 선단과 후단 사이에 배치되고,
    상기 양극탭은 상기 양극무지부에서 상기 양극집전체에 부착되며,
    상기 음극무지부는 상기 음극판의 권취방향에 따른 선단과 후단 사이에 형성된 1차 음극무지부와, 상기 음극판의 후단에 형성된 2차 음극무지부를 포함하고,
    상기 음극탭은 상기 1차 음극무지부에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극무지부는 상기 양극판의 권취방향을 따른 선단과 후단 사이에 서로 이격되어 형성된 1차 양극무지부와 2차 양극무지부를 포함하고,
    상기 양극탭은 각각 상기 1차 양극무지부와 2차 양극무지부에 배치된 제1 양극탭 및 제2 양극탭을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 1차 양극무지부는 상기 2차 양극무지부보다 상기 양극판의 선단에 더 가깝게 배치되고,
    상기 1차 양극무지부는 상기 권취방향을 따라 상기 제1 양극탭의 폭보다 넓은 폭으로 연장되어 양극반코팅부를 형성하고, 상기 양극반코팅부는 권취된 상태에서 상기 제1 양극탭으로부터 한 턴 안쪽에 위치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 1차 양극무지부는 상기 2차 양극무지부보다 상기 양극판의 선단에 더 가깝게 배치되고,
    상기 1차 양극무지부는 상기 권취방향을 따라 상기 제1 양극탭의 폭보다 넓은 폭으로 연장되어 양극반코팅부를 형성하고, 상기 양극반코팅부는 권취된 상태에서 상기 제1 양극탭으로부터 한 턴 바깥쪽에 위치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 양극판에는 상기 권취방향을 따라 상기 1차 양극무지부와 인접하게 이격된 위치에서 양극코팅층이 형성되지 않은 양극반코팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 양극반코팅부는 1차 양극무지부보다 선단측에 배치되어, 권취된 상태에서 상기 제1 양극탭으로부터 한 턴 안쪽에 위치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제5항에 있어서, 상기 양극반코팅부는 1차 양극무지부보다 후단측에 배치되어, 권취된 상태에서 상기 제1 양극탭으로부터 한 턴 바깥쪽에 위치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1 양극탭과 제2 양극탭은 권취된 상태에서 횡단면 반지름 방향으로 일직선 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 양극탭과 음극탭은 권취된 상태에서 횡단면 반지름의 1/5 내지 4/5이 되는 영역 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 양극탭과 음극탭은 권취된 상태에서 상기 전극 조립체의 길이방향을 따라 동일 선상에 배치되되, 상기 양극탭의 하부와 상기 음극탭의 상부가 서로 중첩되지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제1항의 전극 조립체;
    내부 공간에 상기 전극 조립체와 전해액을 수용하는 케이스; 및
    상기 케이스의 상부에 결합되어 상기 케이스를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하고,
    상기 2차 음극무지부는 상기 케이스의 내면에 부착되는 이차전지.
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