KR20210038029A - 이차전지 - Google Patents

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KR20210038029A
KR20210038029A KR1020190120630A KR20190120630A KR20210038029A KR 20210038029 A KR20210038029 A KR 20210038029A KR 1020190120630 A KR1020190120630 A KR 1020190120630A KR 20190120630 A KR20190120630 A KR 20190120630A KR 20210038029 A KR20210038029 A KR 20210038029A
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negative electrode
electrode
current collector
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KR1020190120630A
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김진남
조창훈
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 용량을 늘리고 품질을 개선할 수 있는 이차전지를 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 양극무지부를 갖는 양극판, 음극무지부를 갖는 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하고, 상기 양극무지부와 상기 음극무지부가 서로 반대 측으로 노출되는 전극조립체, 상면이 개방되어, 상기 전극조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스의 상면을 밀봉하는 캡플레이트, 상기 양극무지부에 대해 수직으로 배치되어 접합되는 양극집전판, 상기 음극무지부에 대해 수직으로 배치되어 접합되는 음극집전판, 상기 캡플레이트상에 설치되어, 상기 양극집전판에 전기적으로 연결되는 양극단자 및 상기 캡플레이트상에 설치되어, 상기 음극집전판에 전기적으로 연결되는 음극단자를 포함하는 이차전지를 개시한다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}
본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전을 반복적으로 수행할 수 있는 전지로서, 소용량의 이차전지는 휴대폰, 캠코더 또는 노트북(Laptop) 등과 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 주로 사용되고, 대용량의 이차전지는 전기스쿠터, 하이브리드자동차 또는 전기자동차 등의 모터 구동용 또는 에너지 저장용으로 널리 사용된다.
또한 이차전지는 외형에 따라 원통형, 각형 및 파우치형 등으로 구분될 수 있다. 이들 중 각형은 전극조립체, 직육면체로 형성되어 전극조립체와 전해액 등을 수용하는 케이스, 케이스를 밀봉하는 캡플레이트 및 캡플레이트상에 설치되는 전극단자 등으로 구성된다.
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 용량을 늘리고 품질을 개선할 수 있는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 양극무지부를 갖는 양극판, 음극무지부를 갖는 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하고, 상기 양극무지부와 상기 음극무지부가 서로 반대 측으로 노출되는 전극조립체, 상면이 개방되어, 상기 전극조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스의 상면을 밀봉하는 캡플레이트, 상기 양극무지부에 대해 수직으로 배치되어 접합되는 양극집전판, 상기 음극무지부에 대해 수직으로 배치되어 접합되는 음극집전판, 상기 캡플레이트상에 설치되어, 상기 양극집전판에 전기적으로 연결되는 양극단자 및 상기 캡플레이트상에 설치되어, 상기 음극집전판에 전기적으로 연결되는 음극단자를 포함할 수 있다.
또한 상기 전극조립체는 상기 양극판, 상기 세퍼레이터, 상기 음극판 및 상기 세퍼레이터가 차례로 적층되는 형태로 구성될 수 있다.
또한 상기 양극집전판과 상기 음극집전판 중 적어도 하나는 상기 전극조립체의 단면에 대응되는 면적으로 형성될 수 있다.
또한 상기 전극조립체는 권취축을 중심으로 젤리롤의 형태로 권취되되, 상기 양극무지부는 상기 권취축의 일단 측으로 노출되고 상기 음극무지부는 상기 권취축의 타단 측으로 노출되도록 권취되며, 상기 케이스는 상기 권취축이 상기 상면에 수평으로 배향되도록 상기 전극조립체를 수용할 수 있다.
또한 상기 전극조립체는 상기 권취축에 수직인 단면이 상하 방향으로 길쭉한 형태로 형성되고, 복수 개로 마련되어 상기 상하 방향을 가로지르는 방향으로 서로 이웃하게 적층될 수 있다.
또한 상기 양극집전판과 상기 음극집전판 중 적어도 하나는 복수의 전극조립체의 전체 단면에 대응되는 면적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예는 전극무지부가 전극집전판에 선접촉되기 때문에, 전극무지부가 전극집전판에 면접촉되는 경우에 비해 전극무지부의 면적을 줄일 수 있어, 전지 용량을 그만큼 늘릴 수 있다. 또한 이로써 제작 공정을 보다 단순화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 분해도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 분해도이다.
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" 및/또는 "포함하는"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", "아래", "낮은", "상부", "위"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 일 실시예에 따른 이차전지(100)의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)의 분해도이다.
도 1과 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 전극조립체(110), 케이스(120), 캡플레이트(130), 양극집전판(140), 음극집전판(150), 양극단자(160) 및 음극단자(170)를 포함한다.
전극조립체(110)는 양극판(111), 음극판(112) 및 양극판(111)과 음극판(112) 사이에 개재되는 세퍼레이터(113)를 포함한다.
양극판(111)은 예컨대 알루미늄 포일로 이루어진 양극집전체에, 예컨대 전이금속산화물로 이루어진 양극활물질이 도포된 양극코팅부 및 양극집전체의 일변을 따라 양극활물질이 도포되지 않은 양극무지부(111A)를 갖는다.
또한 음극판(112)은 예컨대 구리 또는 니켈 포일로 이루어진 음극집전체에, 예컨대 탄소 또는 흑연으로 이루어진 음극활물질이 도포된 음극코팅부 및 음극집전체의 일변을 따라 음극활물질이 도포되지 않은 음극무지부(112A)를 갖는다.
세퍼레이터(113)는 절연체로서 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 이에 세퍼레이터(113)는 양극판(111)과 음극판(112) 사이에 개재되어 양극판(111)과 음극판(112) 간의 단락을 방지하는 한편, 예컨대 리튬 이온의 이동을 허용하는 역할을 한다.
이러한 전극조립체(110)는 양극판(111), 음극판(112) 및 세퍼레이터(113)가 임의의 권취축을 중심으로 이른바 젤리롤(Jelly Roll)의 형태로 함께 권취되는데, 양극무지부(111A)는 권취축의 일단 측으로 노출되고 음극무지부(112A)는 권취축의 타단 측으로 노출되도록 권취된다. 도 2에서는 권취축이 X 축의 방향으로 배향되어, 양극무지부(111A)가 -X 측으로 노출되고 음극무지부(112A)가 +X 측으로 노출되는 것으로 예시되어 있다.
또한 전극조립체(110)는 권취축에 수직인 단면, 즉 Y-Z 평면에 해당하는 단면이 Z 축의 방향으로 길쭉한 원형, 타원형 또는 직사각형 등으로 형성될 수 있다.
나아가 전극조립체(110)는 복수 개로 마련되어 Y 축의 방향을 따라 서로 이웃하게 적층될 수 있다.
케이스(120)는 대체적으로 직육면체로 형성되어 내부 공간을 가지며, 상면이 개방될 수 있다. 이에 케이스(120)는 전극조립체(110)와 전해액 등을 수용하는 역할을 한다.
여기서 전해액은 예컨대 에틸렌카보네이트(Ethylene Carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(Dimethyl Carbonate, DMC), 에틸메틸카보네이트(Ethyl Methyl Carbonate, EMC) 등과 같은 유기 용매 및 LiPF6, LibF4 등과 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다.
캡플레이트(130)는 케이스(120)의 상단에 결합되어 케이스(120)의 상면을 밀봉하는 역할을 한다. 이를 위해 케이스(120)와 캡플레이트(130)가 예컨대 알류미늄으로 이루어져 함께 용접될 수 있다.
또한 캡플레이트(130)는 전해액주입구와 벤트홀이 형성된다.
전해액주입구는 케이스(120)에 캡플레이트(130)를 결합한 후 케이스(120)의 내부로 전해액을 주입하기 위한 부분이다. 이러한 전해액주입구는 전해액을 주입한 후 마개(131)에 의해 밀폐된다.
벤트홀은 케이스(120)의 내부에 가스가 발생할 경우 그 가스를 배출하여 폭발을 방지하기 위한 부분이다. 이러한 벤트홀은 평상시 벤트부재(132)에 의해 밀폐되어 있다가 케이스(120)의 내압이 특정한 수준에 이르게 되면 벤트부재(132)가 저절로 절개됨으로써 개방된다. 나아가 벤트부재(132)는 노치(132A)가 형성될 수 있다. 이에 의하면 벤트부재(132)가 노치(132A)를 중심으로 보다 확실하게 절개될 수 있다.
양극집전판(140)은 예컨대 알루미늄 판으로 이루어질 수 있으며, 양극무지부(111A)에 대해 수직으로 배치되어 접합된다. 다시 말해 양극무지부(111A)가 양극집전판(140)에 선접촉된다. 이에 의하면 양극무지부(111A)가 양극집전판(140)에 면접촉되는 경우에 비해 양극무지부(111A)의 면적을 줄일 수 있어, 전지 용량을 더 늘릴 수 있다.
또한 양극집전판(140)은 복수의 전극조립체(110)의 양극무지부(111A)의 전체 단면에 상응하는 면적으로 형성되어, 복수의 전극조립체(110)의 양극무지부(111A)에 걸쳐 접할 수 있다. 이에 의하면 양극무지부(111A)와 양극집전판(140) 사이의 저항을 최소화할 수 있다.
특히 양극집전판(140)은 레이저에 의해 양극무지부(111A)에 접합될 수 있다. 이 경우 레이저는 Y 축의 방향을 따라 조사될 수 있다. 다시 말해 레이저 접합선이 Y 축의 방향을 따라 형성될 수 있다. 단 레이저는 양극집전판(140) 또는 양극무지부(111A)가 완전히 용융되지 않을 정도의 강도로 조사될 수 있다. 레이저가 만약 양극집전판(140)이 완전히 용융될 정도의 강도로 조사된다면, 이로 인한 이물질(스패터 등)이 전극조립체(110) 측으로 유입되어 단락 또는 그밖에 손상을 야기할 수 있으나, 이처럼 양극집전판(140)이 완전히 용융되지 않을 정도의 강도로 조사된다면, 전술한 문제점을 해결할 수 있다.
나아가 이러한 과정에서 전극조립체(110)가 젤리롤의 형태로 권취되어 있기 때문에, 그 곡률에 의해 양극무지부(111A)의 기립도를 높일 수 있다. 따라서 양극집전판(140)을 양극무지부(111A) 위에 놓고 압박할 때 양극무지부(111A)가 부적절하게 변형되는 것을 가급적 방지할 수 있다.
더욱이 전극조립체(110)가 복수 개로 마련되어 있기 때문에, 전극조립체가 하나로 마련되는 경우에 비해 동일한 체적에서 각 전극조립체(110)가 상대적으로 더 좁고 길쭉한 형태로 구비된다. 다시 말해 그 상단부와 하단부에서 곡률을 더 크게 만들어 양극무지부(111A)의 기립도를 더욱 높이고, 접합 품질을 더욱더 개선할 수 있다.
음극집전판(150)은 예컨대 구리 또는 니켈 판으로 이루어질 수 있으며, 음극무지부(112A)에 대해 수직으로 배치되어 음극무지부(112A)에 접합된다.
음극집전판(150) 역시 복수의 전극조립체(110)의 음극무지부(112A)의 전체 면적에 대응되는 면적으로 형성되어, 복수의 전극조립체(110)의 음극무지부(112A)에 걸쳐 접할 수 있다.
마찬가지로 음극집전판(150)은 레이저에 의해 음극무지부(112A)에 접합될 수 있는데, 이 경우 레이저는 Y 축의 방향을 따라 조사될 수 있으며, 음극집전판(150) 또는 음극무지부(112A)가 완전히 용융되지 않을 정도의 강도로 조사될 수 있다.
이에 의한 효과는 앞서 양극집전판(140)에 대해 설명한 바와 실질적으로 동일하므로, 이에 대해 반복적인 설명은 생략한다.
양극단자(160)는 캡플레이트(130)상에 설치되어 양극집전판(140)에 전기적으로 연결된다.
또한 음극단자(170)는 캡플레이트(130)상에 설치되어 음극집전판(150)에 전기적으로 절연된다.
만약 양극단자(160)가 캡플레이트(130)에 접촉되어 있다면, 음극단자(170)는 단락을 방지하기 위해 절연부재(180)에 의해 캡플레이트(130)로부터 이격될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지(200)의 분해도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지(200)는 앞서 도 1과 2를 참조하여 설명한 이차전지(100)와 비교할 때, 전극조립체(200)가 이른바 스택(Stack) 타입으로 구성되는 차이점이 있다. 그밖에 다른 내용은 실질적으로 동일하며, 혹 상이한 부분이 있더라도 통상의 기술자라면 위 차이점에 대응하여 당연히 함께 변경할 것으로 예상되는 정도에 불과하므로, 이에 대해 중복되는 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면 전극조립체(200)는 양극판(211), 세퍼레이터(213), 음극판(212), 세퍼레이터(213) 그리고 다시 양극판(211)이 차례로 적층되는데, 양극무지부(211A)와 음극무지부(212A)가 서로 반대 측으로 노출되도록 적층된다. 도 3에서는 양극무지부(211A)가 -X 측으로 노출되고 음극무지부(212A)가 +X 측으로 노출되는 것으로 예시되어 있다.
양극집전판(240)은 전극조립체(200)의 단면, 즉 Y-Z 평면에 해당하는 단면에 상응하는 면적으로 형성되어, 양극무지부(211A)에 수직으로 배치되어 레이저에 의해 접합된다.
음극집전판(250) 역시 전극조립체(200)의 상기 단면에 상응하는 면적으로 형성되어, 음극무지부(212A)에 수직으로 배치되어 레이저에 의해 접합된다.
이때 양극집전판(240) 및 음극집전판(250)은 예컨대 1 mm 이상의 두께로 형성될 수 있다.
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, 200: 이차전지
110, 210: 전극조립체
111, 211: 양극판 111A, 211A: 양극무지부
112, 212: 음극판 112A, 212A: 음극무지부
113, 213: 세퍼레이터
120: 케이스
130: 캡플레이트
131: 마개
132: 벤트부재 132A: 노치
140, 240: 양극집전판
150, 250: 음극집전판
160: 양극단자
170: 음극단자
180: 절연부재

Claims (6)

  1. 양극무지부를 갖는 양극판, 음극무지부를 갖는 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하고, 상기 양극무지부와 상기 음극무지부가 서로 반대 측으로 노출되는 전극조립체,
    상면이 개방되어, 상기 전극조립체를 수용하는 케이스,
    상기 케이스의 상면을 밀봉하는 캡플레이트,
    상기 양극무지부에 대해 수직으로 배치되어 접합되는 양극집전판,
    상기 음극무지부에 대해 수직으로 배치되어 접합되는 음극집전판,
    상기 캡플레이트상에 설치되어, 상기 양극집전판에 전기적으로 연결되는 양극단자 및
    상기 캡플레이트상에 설치되어, 상기 음극집전판에 전기적으로 연결되는 음극단자를 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 상기 양극판, 상기 세퍼레이터, 상기 음극판 및 상기 세퍼레이터가 차례로 적층되는 형태로 구성되는 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양극집전판과 상기 음극집전판 중 적어도 하나는 상기 전극조립체의 단면에 대응되는 면적으로 형성되는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 권취축을 중심으로 젤리롤의 형태로 권취되되, 상기 양극무지부는 상기 권취축의 일단 측으로 노출되고 상기 음극무지부는 상기 권취축의 타단 측으로 노출되도록 권취되며,
    상기 케이스는 상기 권취축이 상기 상면에 수평으로 배향되도록 상기 전극조립체를 수용하는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전극조립체는 상기 권취축에 수직인 단면이 상하 방향으로 길쭉한 형태로 형성되고, 복수 개로 마련되어 상기 상하 방향을 가로지르는 방향으로 서로 이웃하게 적층되는 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 양극집전판과 상기 음극집전판 중 적어도 하나는 복수의 전극조립체의 전체 단면에 대응되는 면적으로 형성되는 이차전지.
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