KR20210061114A - 전극 조립체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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정범영
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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법은 제1 전극 포일, 전극 절연층 및 제2 전극 포일이 순서대로 적층되어 형성된 전극 집전체의 적어도 일부에 전극 활물질을 도포하여 전극을 제조하는 단계; 상기 전극과 분리막을 적층하는 단계; 상기 전극 집전체에서 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부에 전극 리드를 연결하는 단계를 포함하되, 상기 전극 리드를 연결하는 단계는, 체결부가 상기 전극 집전체 및 상기 전극 리드를 함께 관통하여 연결시킨다.

Description

전극 조립체 및 그의 제조 방법{The Electrode Assembly And The Method For Thereof}
본 발명은 전극 조립체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 집전체가 전극 절연층을 포함하는 다층 구조로 형성되고, 무지부에 하나의 전극 리드만을 연결하여 내부에서 생성된 전기를 모두 충분히 외부로 공급할 수 있는 전극 조립체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
전극 조립체를 제조하기 위해, 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)을 제조하고, 이들을 적층한다. 구체적으로, 양극 활물질 슬러리를 양극 집전체에 도포하고, 음극 활물질 슬러리를 음극 집전체에 도포하여 양극(Cathode)과 음극(Anode)을 제조한다. 그리고 상기 제조된 양극 및 음극의 사이에 분리막(Separator)이 개재되어 적층되면 단위 셀(Unit Cell)들이 형성되고, 단위 셀들이 서로 적층됨으로써, 전극 조립체가 형성된다. 그리고 이러한 전극 조립체가 특정 케이스에 수용되고 전해액을 주입하면 이차 전지가 제조된다.
그런데, 종래에는 양극 및 음극의 전극이 단층 구조로 형성되어, 전극의 양면끼리 전기가 흐를 수 있었다. 따라서, 외부로부터의 충격으로 전극 조립체가 파손되면, 전극의 일면에서 단락이 발생하고 상기 전극의 타면에도 단락이 발생하였을 때 폭발 등의 위험이 발생할 수 있는 문제가 있었다.
일본공개공보 제2013-239266호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전극 집전체가 전극 절연층을 포함하는 다층 구조로 형성되고, 무지부에 하나의 전극 리드만을 연결하여 내부에서 생성된 전기를 모두 충분히 외부로 공급할 수 있는 전극 조립체 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법은 제1 전극 포일, 전극 절연층 및 제2 전극 포일이 순서대로 적층되어 형성된 전극 집전체의 적어도 일부에 전극 활물질을 도포하여 전극을 제조하는 단계; 상기 전극과 분리막을 적층하는 단계; 상기 전극 집전체에서 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부에 전극 리드를 연결하는 단계를 포함하되, 상기 전극 리드를 연결하는 단계는, 체결부가 상기 전극 집전체 및 상기 전극 리드를 함께 관통하여 연결시킨다.
또한, 상기 전극 리드를 연결하는 단계에 있어서, 상기 전극 집전체 및 상기 전극 리드를 리벳 결합으로 연결할 수 있다.
또한, 상기 전극 리드를 연결하는 단계에 있어서, 상기 전극 집전체 및 상기 전극 리드를 스크류 결합으로 연결할 수 있다.
또한, 상기 전극 리드를 연결하는 단계에 있어서, 상기 체결부는, 전도성 재질로 제조될 수 있다.
또한, 상기 전극 리드를 연결하는 단계에 있어서, 상기 체결부가 상기 전극 집전체의 상기 제1 전극 포일, 상기 전극 절연층 및 상기 제2 전극 포일을 모두 관통할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체는 전극 집전체의 적어도 일부에 전극 활물질이 도포된 전극; 상기 전극 사이에 적층되는 분리막; 상기 전극 집전체에서 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부에 연결되는 전극 리드; 및 상기 전극 집전체 및 상기 전극 리드를 함께 관통하여 연결시키는 체결부를 포함하되, 상기 전극 집전체는, 제1 전극 포일, 전극 절연층 및 제2 전극 포일이 순서대로 적층되어 형성된다.
또한, 상기 체결부는, 리벳일 수 있다.
또한, 상기 체결부는, 스크류일 수 있다.
또한, 상기 체결부는, 전도성 재질로 제조될 수 있다.
또한, 상기 체결부는, 상기 전극 집전체의 상기 제1 전극 포일, 상기 전극 절연층 및 상기 제2 전극 포일을 모두 관통할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
전극 집전체가 전극 절연층을 포함하는 다층 구조로 형성되고, 전도성의 체결부가 전극 집전체의 무지부 및 전극 리드를 함께 관통하여 연결시킴으로써, 하나의 전극 리드만으로 전극 조립체의 내부에서 생성된 전기를 모두 충분히 외부로 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 단면 확대도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 집전체의 측면을 나타낸 개략도이다.
도 3은 양극 포일 및 음극 포일의 무지부에 복수의 전극 리드가 각각 연결된 모습을 각각 측면에서 나타낸 개략도이다.
도 4는 무지부에 복수의 전극 리드가 연결된 모습을 상면에서 나타낸 개략도이다.
도 5는 무지부에 복수의 전극 리드가 연결된 모습을 하면에서 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 포일 및 음극 포일의 무지부에 전극 리드가 각각 연결된 모습을 각각 측면에서 나타낸 개략도이다.
도 7은 무지부에 전극 리드가 연결된 모습을 상면에서 나타낸 개략도이다.
도 8은 무지부에 전극 리드가 연결된 모습을 하면에서 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극 포일 및 음극 포일의 무지부에 전극 리드가 각각 연결된 모습을 각각 측면에서 나타낸 개략도이다.
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.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지(1)의 단면 확대도이다.
원통형 이차 전지(1)를 제조하기 위해서는, 먼저 전극 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 양극 집전체(101) 및 음극 집전체(102)에 도포하여 양극과 음극 등의 전극을 제조하고, 이를 분리막(Separator)의 양 측에 적층함으로써 소정 형상의 전극 조립체(11)를 형성한다. 그리고 전지 캔(12)의 상부에 외측에서 내측으로 압력을 인가하여 전지 캔(12)을 연신시킴으로써 비딩부(14)를 형성한다. 그리고 전극 조립체(11)를 전지 캔(12)에 삽입하고 전해액을 주입한다. 다음에, 상기 비딩부(14)의 상부에 크림핑 가스켓(136)을 안착시킨 후, 캡 조립체(13)로 전지 캔(12)의 상단 개방부를 밀폐한다. 이러한 원통형 이차 전지(1)는, 일정한 출력을 안정적으로 제공하는 휴대폰, 노트북, 전기 자동차 등의 전원으로 사용될 수 있다.
원통형 이차 전지(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 젤리-롤 형태의 전극 조립체(11), 전극 조립체(11)를 내부에 수용하는 원통형 전지 캔(12), 전지 캔(12)의 상부에 결합되어 전지 캔(12)의 상단 개방부를 밀폐하는 캡 조립체(13), 캡 조립체(13)를 장착하기 위해 전지 캔(12)의 상부에 외측에서 내측으로 함몰된 비딩부(14) 및 전지를 밀봉하기 위한 크림핑부(15)를 포함한다.
전극 조립체(11)는 전극 및 분리막이 적층되어 형성된다. 구체적으로, 전극 조립체(11)는 양극 및 음극 등 두 종류의 전극과, 상기 전극들을 상호 절연시키기 위해 전극들 사이에 개재되는 분리막을 포함한다. 이러한 전극 조립체(11)는 스택형, 젤리 롤(Jelly Roll)형, 스택 앤 폴딩형 등이 있다. 두 종류의 전극, 즉 양극과 음극은 각각 전극 절연층(1013, 1023)을 포함하는 다층 구조의 전극 집전체(101, 102)에 활물질 슬러리가 도포된 구조이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 집전체(101, 102)는 두 개의 전극 포일 사이에 전극 절연층(1013, 1023)이 적층된 다층 구조로 형성된다. 전극 집전체(101, 102)에 대한 자세한 설명은 후술한다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조 도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 용매는 후속 공정에서 제거된다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(11)는 젤리 롤형인 것으로 설명하나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 권리범위를 제한하기 위함이 아니다.
젤리 롤형 전극 조립체(11)를 제조하기 위해, 길이가 긴 양극과 음극의 전극 한 쌍과 분리막 하나를 적층하고, 일측으로부터 타측으로 권취한다. 전극 조립체(11)의 전극은 전극 집전체(101, 102)에 전극 활물질이 도포된 부분과 전극 활물질이 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부(111, 112)로 구성된다. 그리고 전극이 권취되는 방향으로 시작단과 끝단에 무지부(111, 112, 도 3에 도시됨)가 존재할 수 있다. 무지부(111, 112)에는 각각의 전극에 대응되는 한 쌍의 전극 리드(113)가 연결된다. 양극 무지부(111)에 일단이 연결되는 양극 리드(1131)는 전극 조립체(11)의 상단에서 인출되어 캡 조립체(13)에 타단이 전기적으로 연결되고, 음극 무지부(112)에 일단이 연결되는 음극 리드(1132)는 전극 조립체(11)의 하단에서 인출되어 전지 캔(12)의 바닥부에 타단이 연결된다. 다만 이에 제한되지 않고, 양극 리드(1131)와 음극 리드(1132)는 모두 캡 조립체(13)를 향하는 방향으로 인출되는 등 다양한 방향으로 인출될 수도 있다.
전극 조립체(11)의 상단 및 하단에는 각각 전극 조립체(11)를 절연하는 절연판(16)이 배치된다. 상단에 배치되는 상부 절연판(16)은 전극 조립체(11)와 캡 조립체(13) 사이에 배치되어 전극 조립체(11)를 절연하고, 하단에 배치되는 하부 절연판(미도시)은 전극 조립체(11)와 전지 캔(12)의 바닥부 사이에 배치되어 전극 조립체(11)를 절연한다.
전지 캔(12)은 전극 조립체(11)를 내부에 수납하는, 강성의 재질로 제조된 캔이다. 전지 캔(12)은 원통형으로 형성될 수 있으나, 전극 조립체(11)의 형태에 따라 각형 등 다양한 형태로 형성되어, 전극 조립체(11)를 용이하게 내부에 수납할 수 있다.
이러한 전지 캔(12)은 알루미늄, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가질 수 있다. 전지 캔(12)의 중앙에는 젤리 롤 형태로 권취된 전극 조립체(11)가 권출되는 것을 방지하고 이차 전지(1) 내부의 가스의 이동 통로의 역할을 수행하는 센터핀(미도시)이 삽입될 수도 있다.
캡 조립체(13)는 전지 캔(12)의 상단에 형성된 개방부에 결합되어 전지 캔(12)의 개방부를 밀폐시킨다. 이러한 캡 조립체(13)는, 전지 캔(12)의 형태에 따라 원형 또는 각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 만약 전지 캔(12)이 원통형으로 형성된다면, 캡 조립체(13)도 이에 대응되는 형상인 원반 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
캡 조립체(13)는 전지 캔(12)의 개방부를 밀폐하고 양극 단자를 형성하는 탑 캡(131), 전지 내부의 온도 상승시 저항이 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(132), 비정상 전류로 인하여 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하고 내부의 기체를 배기하는 안전 벤트(133), 특정 부분을 제외하고 안전 벤트(133)를 CID 필터(135)로부터 전기적으로 분리시키는 CID 가스켓(134), 양극에 연결된 양극 리드(1131)가 접속되고 전지 내의 고압 발생 시 전류를 차단하는 CID 필터(135)가 순차적으로 적층된 구조를 가진다.
그리고 캡 조립체(13)는 크림핑 가스켓(136)에 장착된 상태로 전지 캔(12)의 비딩부(14)에 설치된다. 따라서, 정상적인 작동 조건에서 전극 조립체(11)의 양극은 양극 리드(1131), CID 필터(135), 안전 벤트(133) 및 PTC 소자(132)를 경유하여 탑 캡(131)에 연결되어 통전을 이룬다.
탑 캡(131)은 캡 조립체(13)의 최상부에, 상부 방향으로 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성한다. 따라서, 상기 탑 캡(131)은 부하 또는 충전 장치와 같은 외부 장치에 전기적으로 접속될 수 있다. 탑 캡(131)에는 이차 전지(1)의 내부에서 발생한 기체가 배출되는 기체 구멍(1311)이 형성될 수 있다. 따라서, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전극 조립체(11)쪽으로부터 기체가 발생하여 내압이 증가하면, 전류차단부재의 CID 필터(135) 및 안전 벤트(133)가 파열되고, 내부의 기체는 상기 파열된 부분 및 기체 구멍(1311)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 충방전이 더 이상 진행되지 않고 이차 전지(1)의 안전성을 확보할 수 있다. 이러한 탑 캡(131)은 스테인리스 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속 재질로 제조될 수 있다.
탑 캡(131)에서 PTC 소자(132)와 접촉하는 부위의 두께는, 외부로부터 인가되는 압력으로부터 캡 조립체(13)의 여러 구성 요소들을 보호할 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 0.3 내지 0.5mm일 수 있다. 탑 캡(131) 부위의 두께가 너무 얇으면 기계적 강성을 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 크기 및 중량 증가에 의해 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있다.
PTC 소자(Positive Temperature Coefficient element, 132)는 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 증가하여 전류를 차단한다. 즉, PTC 소자(132)는, 정상적인 상태에서는 탑 캡(131)과 안전 벤트(133)를 전기적으로 연결시킨다. 그러나 비정상 상태, 예를 들어 온도가 비정상적으로 상승 할 때에는, PTC 소자(132)는 탑 캡(131)과 안전 벤트(133) 간의 전기적 연결을 차단시킨다. 이러한 PTC 소자(132)의 두께 역시 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면 0.2 내지 0.4mm일 수 있다. PTC 소자(132)의 두께가 0.4mm 보다 두꺼우면 내부 저항이 상승하고, 전지의 크기를 증가시켜 동일 규격 대비 전지 용량을 감소시킬 수 있다. 반대로, PTC 소자(132)의 두께가 0.2mm 보다 얇으면, 고온에서 전류 차단 효과를 발휘하기 어렵고 약한 외부 충격에 의해서도 파괴될 수 있다. 따라서, PTC 소자(132)의 두께는 이러한 점들을 복합적으로 고려하여 상기 두께 범위 내에서 적절히 결정될 수 있다.
안전 벤트(133)는 비정상 전류로 인하여 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하며, 금속 재질일 수 있다. 안전 벤트(133)는 주변부의 외측이 크림핑 가스켓(136)에 삽입되고, 중심부는 하면이 CID 필터(135)와 연결되어, 전지의 내압이 증가하면 CID 필터(135)가 파열되면서 안전 벤트(133)의 형상이 역전된다. 안전 벤트(133)의 두께는 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 전지 내부의 소정의 고압 발생시 파열되면서 가스 등을 배출할 수 있다면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 0.2 내지 0.6 mm일 수 있다.
전류차단부재(CID, Current Interrupt Device)는 안전 벤트(133)와 전극 조립체(11) 사이에 위치하여, 전극 조립체(11)와 안전 벤트(133)를 전기적으로 접속시킨다. 이러한 전류차단부재는 안전 벤트(133)와 접촉하여 전류를 전달하는 CID 필터(135) 및 일부 영역을 제외하고 상기 CID 필터(135)와 안전 벤트(133) 사이를 공간적으로 분리하여 절연시키는 CID 가스켓(134)을 포함한다.
CID 필터(135)는 상부의 적어도 일부분이 안전 벤트(133)의 중앙에 돌출된 중심부의 하면에 연결되고, 하부의 적어도 일부분이 전극 조립체(11)의 전극 리드(113), 특히 양극 리드(1131)와 연결된다. 따라서, 정상적인 상태에서는 전극 조립체(11)로부터 생성된 양극 전류가 양극 리드(1131)를 거쳐 CID 필터(135)를 경유하여 안전 벤트(133)로 흐름으로써 이차 전지(1)의 방전이 이루어질 수 있다. 그러나, 이차 전지(1)의 내부에서 발생한 기체로 인하여, 전지의 내압이 증가하여 안전 벤트(133)의 형상이 역전되면, 안전 벤트(133)와 CID 필터(135) 사이의 연결이 탈착되거나, CID 필터(135)가 파열된다. 그럼으로써, 안전 벤트(133)와 전극 조립체(11) 사이의 전기적 접속이 차단되어, 안전성을 확보할 수 있다.
이와 같은 캡 조립체(13)를 포함하는 이차 전지(1)는, 전동드릴 등과 같은 파워툴의 동력원으로 사용되는 경우에는 순간적으로 높은 출력을 제공할 수 있고 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격에 대해서도 안정적일 수 있다.
전지 캔(12)의 상부에는 외측에서 내측으로 절곡된 비딩부(14)가 형성된다. 비딩부(14)는 상기 탑 캡(131), PTC 소자(132), 안전 벤트(133) 및 전류차단부재가 적층된 캡 조립체(13)를 전지 캔(12)의 상단에 위치시키고, 전극 조립체(11)의 상하 방향의 이동을 방지한다.
상기 기술한 바와 같이, 캡 조립체(13)는 크림핑 가스켓(136)에 장착된 상태로 전지 캔(12)의 비딩부(14)에 설치된다. 크림핑 가스켓(136)은 안전 벤트(133)의 주변부(1331)의 최외각 부분을 포위하여 절연시킨다. 그럼으로써, 안전 벤트(133)에 흐르는 양극 전류와, 전지 캔(12)에 흐르는 음극 전류가 접촉하여 쇼트가 발생하는 것을 방지한다.
크림핑 가스켓(136)은 안전 벤트(133)의 주변부(1331)를 용이하게 포위하기 위해, 양단이 개방된 원통형의 형태를 가지며, 전지 캔(12)의 내부를 향하는 일측 단은 도 2에 도시된 바와 같이, 중심축을 향해 대략 수직으로 1차 절곡된 후, 다시 전지 캔(12)의 내부를 향해 대략 수직으로 2차 절곡되어 비딩부(14)에 안착된다. 그리고 크림핑 가스켓(136)의 타측 단은, 최초에는 중심축과 평행한 방향으로 연장되어 있다. 그러나, 추후에 캡 조립체(13)를 결합하고 전지 캔(12)의 상단 외벽을 가압하여 크림핑 공정이 진행되면, 크림핑부(15)의 형상을 따라 함께 대략 수직으로 절곡되어 중심축을 향한다. 따라서, 크림핑 가스켓(136)의 내주면은 캡 조립체(13), 외주면은 전지 캔(12)의 내주면에 밀착된다. 여기서 크림핑 공정이란, 크림핑부(15)를 벤딩하여, 크림핑부(15) 및 크림핑 가스켓(136)이 캡 조립체(13)의 외면을 밀봉시키는 것이다. 크림핑 가스켓(136)은 절연성, 내충격성, 탄력성 및 내구성을 가진 소재, 예를 들어 폴리올레핀(Polyolefine) 또는 폴리프로필렌(PP) 등의 폴리머로 제조되는 것이 바람직하다.
전극 조립체(11)의 무지부(111, 112)에 전극 리드(113)가 연결되면, 전극 조립체(11)를 전지 캔(12)에 삽입하고 양극 리드(1131)는 캡 조립체(13)의 CID 필터(135)에 연결하며, 음극 리드(1132)는 전지 캔(12)의 바닥부에 연결한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입한다. 다음에, 상기 비딩부(14)의 상부에 크림핑 가스켓(136)을 안착시킨 후, 캡 조립체(13)로 전지 캔(12)의 상단 개방부를 밀폐한다. 전해액은 이차 전지(1)의 충, 방전 시 전극의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것으로, 리튬염과 고순도 유기 용매(2)류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머를 포함할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해 원통형 이차 전지(1)가 제조될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 집전체(101, 102)의 측면을 나타낸 개략도이다.
상기 기술한 바와 같이, 양극과 음극 등의 전극은, 전극 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 양극 집전체(101) 및 음극 집전체(102) 등의 전극 집전체(101, 102)에 각각 도포하여 제조한다.
종래에는 양극 집전체(101) 및 음극 집전체(102)가 각각 단층 구조로 형성되었다. 따라서, 외부로부터의 충격으로 전극 조립체(11)가 파손되면, 단락으로 인한 폭발 등의 위험이 발생할 수 있는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이 전극 집전체(101, 102)는 제1 및 제2 전극 포일 사이에 전극 절연층(1013, 1023)이 적층된 다층 구조로 형성된다. 구체적으로, 양극 집전체(101)는 제1 양극 포일(1011), 양극 절연층(1013) 및 제2 양극 포일(1012)이 순서대로 적층되어 형성된다. 그리고 음극 집전체(102)는 제1 음극 포일(1021), 음극 절연층(1023) 및 제2 음극 포일(1022)이 순서대로 적층되어 형성된다.
제1 및 제2 양극 포일(1011, 1012)은 화학적 변화를 유발하지 않고 높은 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것일 수 있으며, 특히 알루미늄인 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다. 그리고 제1 및 제2 양극 포일(1011, 1012)은 양극 활물질의 접착력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철을 형성할 수도 있다.
제1 및 제2 음극 포일(1021, 1022)은 화학적 변화를 유발하지 않고 도전성을 가지는 재료로 제조된다. 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등을 표면 처리한 것, 또는 알루미늄-카드뮴 합금일 수 있으며, 특히 구리 또는 니켈을 도금한 구리인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다. 그리고 제1 및 제2 음극 포일(1021, 1022)은 음극 활물질의 결합력을 높이기 위해 표면에 미세한 요철을 형성할 수도 있다.
양극 절연층(1013)은 제1 양극 포일(1011)과 제2 양극 포일(1012)의 사이에 적층되어, 제1 양극 포일(1011)과 제2 양극 포일(1012) 사이를 절연시킨다. 그리고, 음극 절연층(1023)은 제1 음극 포일(1021)과 제2 음극 포일(1022)의 사이에 적층되어, 제1 음극 포일(1021)과 제2 음극 포일(1022) 사이를 절연시킨다. 그럼으로써, 외부로부터의 충격으로 전극 조립체(11)가 파손되더라도, 하나의 전극에서 일면과 타면을 전기적으로 단절시킴으로써, 단락으로 인한 폭발 등의 위험을 미리 방지하여 안전성을 확보할 수 있다. 이러한 양극 절연층(1013) 및 음극 절연층(1023)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 특히, 주로 내마모성 및 내열성을 가지는 나일론(Nylon) 수지 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리머가 사용된다.
도 3은 양극 포일(1011, 1012) 및 음극 포일(1021, 1022)의 무지부(111, 112)에 복수의 전극 리드(113)가 각각 연결된 모습을 각각 측면에서 나타낸 개략도이고, 도 4는 무지부(111, 112)에 복수의 전극 리드(113)가 연결된 모습을 상면에서 나타낸 개략도이며, 도 5는 무지부(111, 112)에 복수의 전극 리드(113)가 연결된 모습을 하면에서 나타낸 개략도이다.
상기 기술한 바와 같이, 양극 리드(1131)는 양극 무지부(111)에 일단이 연결되고 전극 조립체(11)의 상단에서 인출되어 캡 조립체(13)에 타단이 전기적으로 연결된다. 그리고 음극 리드(1132)는 음극 무지부(112)에 일단이 연결되고 전극 조립체(11)의 하단에서 인출되어 전지 캔(12)의 바닥부에 타단이 연결된다.
양극 리드(1131) 및 음극 리드(1132)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(1131)는 양극 집전체(101)의 양극 포일(1011, 1012)과 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(1132)는 음극 집전체(102)의 음극 포일(1021, 1022)과 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다.
한편, 전극 집전체(101, 102)가 단층 구조로 형성된다면, 하나의 전극 리드(113)가 무지부(111, 112)의 일면에만 연결되더라도, 전극 조립체(11) 내부에서 생성된 전기를 모두 충분히 이차 전지(1)의 외부로 공급할 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 전극 집전체(101, 102)가 제1 및 제2 전극 포일 사이에 전극 절연층(1013, 1023)이 적층된 다층 구조로 형성되므로, 하나의 전극 리드(113)가 하나의 전극 포일에만 연결된다면, 다른 전극 포일은 전극 리드(113)와 연결되지 않으므로 전극 조립체(11) 내부에서 생성된 전기가 모두 외부로 공급되지 않는다. 따라서, 복수의 전극 리드(113)가 각각의 전극 포일에 모두 연결되어야 한다.
이러한 복수의 전극 리드(113)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 양극 포일(1011), 제2 양극 포일(1012)에 각각 연결되는 두 개의 양극 리드(1131) 및 제1 음극 포일(1021), 제2 음극 포일(1022)에 각각 연결되는 두 개의 음극 리드(1132)를 포함한다.
구체적으로, 두 개의 양극 리드(1131)는 제1 양극 포일(1011)의 양극 무지부(111)와, 제2 양극 포일(1012)의 양극 무지부(111)에 각각 연결된다. 그리고, 두 개의 음극 리드(1132)는 제1 음극 포일(1021)의 음극 무지부(112)와, 제2 음극 포일(1022)의 음극 무지부(112)에 각각 연결된다. 그럼으로써, 복수의 전극 리드(113)를 통해 전극 조립체(11) 내부에서 생성된 전기를 모두 이차 전지(1)의 외부로 공급할 수 있다. 양극 리드(1131)와 음극 리드(1132)는 각각 양극 무지부(111)와 음극 무지부(112)에 초음파 용접, 스팟(Spot) 용접 등으로 연결될 수 있다. 그리고 양극 리드(1131) 및 음극 리드(1132)의 길이 방향을 따라 용접이 반복적으로 수행되어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 일렬로 나열된 복수의 용접부(2)를 형성할 수 있다.
그러나, 이러한 방법은 복수의 전극 리드(113)가 필요하고, 이러한 복수의 전극 리드(113)를 제1 및 제2 전극 포일에 각각 별도로 용접하여야 하므로, 제조 비용 및 시간이 과도하게 소모되는 문제가 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 포일(1011, 1012) 및 음극 포일(1021, 1022)의 무지부(111, 112)에 전극 리드(113)가 각각 연결된 모습을 각각 측면에서 나타낸 개략도이고, 도 7은 무지부(111, 112)에 전극 리드(113)가 연결된 모습을 상면에서 나타낸 개략도이며, 도 8은 무지부(111, 112)에 전극 리드(113)가 연결된 모습을 하면에서 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 집전체(101, 102)가 전극 절연층(1013, 1023)을 포함하는 다층 구조로 형성되고, 전도성의 체결부(114)가 전극 집전체(101, 102)의 무지부(111, 112) 및 전극 리드(113)를 함께 관통하여 연결시킴으로써, 하나의 전극 리드(113)만으로 전극 조립체(11)의 내부에서 생성된 전기를 모두 충분히 외부로 공급할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(11) 제조 방법은 제1 전극 포일(1011, 1021), 전극 절연층(1013, 1023) 및 제2 전극 포일(1012, 1022)이 순서대로 적층되어 형성된 전극 집전체(101, 102)의 적어도 일부에 전극 활물질을 도포하여 전극을 제조하는 단계; 상기 전극과 분리막을 적층하는 단계; 상기 전극 집전체(101, 102)에서 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(111, 112)에 전극 리드(113)를 연결하는 단계를 포함하되, 상기 전극 리드(113)를 연결하는 단계는, 체결부(114)가 상기 전극 집전체(101, 102) 및 상기 전극 리드(113)를 함께 관통하여 연결시킨다.
그리고 이러한 방법으로 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(11)는 전극 집전체(101, 102)의 적어도 일부에 전극 활물질이 도포된 전극; 상기 전극 사이에 적층되는 분리막; 상기 전극 집전체(101, 102)에서 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(111, 112)에 연결되는 전극 리드(113); 및 상기 전극 집전체(101, 102) 및 상기 전극 리드(113)를 함께 관통하여 연결시키는 체결부(114)를 포함하되, 상기 전극 집전체(101, 102)는, 제1 전극 포일(1011, 1021), 전극 절연층(1013, 1023) 및 제2 전극 포일(1012, 1022)이 순서대로 적층되어 형성된다.
하나의 전극 리드(113)를 전극 집전체(101, 102)의 제1 전극 포일(1011, 1021)에 접촉시킨다. 그리고 체결부(114)가 전극 집전체(101, 102) 및 전극 리드(113)를 함께 관통하여 연결시킨다. 구체적으로 도 6에 도시된 바와 같이, 먼저 하나의 양극 리드(1131)를 양극 집전체(101)의 무지부(111, 112)에서, 제1 양극 포일(1011)에 접촉시키고, 하나의 음극 리드(1132)를 음극 집전체(102)의 무지부(111, 112)에서, 제1 음극 포일(1021)에 접촉시킨다. 그리고 하나의 체결부(114)는 양극 집전체(101) 및 양극 리드(1131)를 함께 관통하여 연결시키고, 다른 하나의 체결부(114)는 음극 집전체(102) 및 음극 리드(1132)를 함께 관통하여 연결시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 체결부(114)는 리벳이다. 따라서, 전극 집전체(101, 102) 및 전극 리드(113)는 리벳을 이용한 리벳 결합으로 연결될 수 있다. 이 때, 전극 집전체(101, 102) 및 전극 리드(113)에 별도로 타공 작업을 수행한 후에 리벳을 결합할 수도 있으나, 리벳건을 이용하여 별도의 타공 작업을 수행할 필요 없이 리벳을 관통하여 연결시키는 것이 바람직하다. 전극 집전체(101, 102) 및 전극 리드(113)에 리벳 결합이 수행되면, 리벳 양 단의 헤드가 관통된 홀의 크기보다 더 크게 형성되어, 상기 리벳이 외부로 이탈하지 않도록 고정시킬 수 있다.
그리고 양극 리드(1131) 및 음극 리드(1132)의 길이 방향을 따라 리벳 결합이 반복적으로 수행되어, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 체결부(114)가 일렬로 나열되어 형성될 수 있다. 그럼으로써, 전극 집전체(101, 102) 및 전극 리드(113)가 더욱 견고하게 연결될 수 있다.
체결부(114)가 전극 집전체(101, 102)와 전극 리드(113)를 연결시키면, 전극 집전체(101, 102)의 제1 전극 포일(1011, 1021), 전극 절연층(1013, 1023) 및 제2 전극 포일(1012, 1022)을 모두 관통한다. 그리고, 체결부(114)는 전도성 재질로 제조되어, 전기가 통전될 수 있다. 따라서, 제1 전극 포일(1011, 1021)에서 생성된 전기는 직접 연결된 전극 리드(113)를 통해 외부로 공급되고, 제2 전극 포일(1012, 1022)에서 생성된 전기는 전도성의 체결부(114)를 통해 전극 리드(113)로 전달된 후 외부로 공급될 수 있다. 따라서, 하나의 전극 리드(113)만으로 전극 조립체(11)의 내부에서 생성된 전기를 모두 충분히 외부로 공급할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극 포일(1011, 1012) 및 음극 포일(1021, 1022)의 무지부(111, 112)에 전극 리드(113)가 각각 연결된 모습을 각각 측면에서 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 체결부(114)는 리벳이나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 체결부(114a)는 스크류이다. 따라서, 전극 집전체(101, 102) 및 전극 리드(113)는 스크류를 이용한 스크류 결합으로 연결될 수 있다. 이 때, 전극 집전체(101, 102) 및 전극 리드(113)에 별도로 타공 작업을 수행한 후에 스크류를 결합할 수도 있다. 만약 나사산을 형성하는 타공 작업을 수행한다면, 관통된 홀에 볼트만을 삽입함으로써 연결될 수 있다. 그러나 만약 나사산을 형성하지 않는 타공 작업을 수행한다면, 관통된 홀의 일측으로부터 볼트를 삽입한 후, 타측으로 돌출된 볼트의 끝에 너트를 체결할 수도 있다. 이러한 경우에 스크류는 끝이 첨예하지 않을 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고, 스크류를 직접 회전시켜, 전극 집전체(101, 102) 및 전극 리드(113)에 나사산을 형성하는 타공 작업을 수행하면서 곧바로 삽입될 수도 있다. 이러한 경우에 스크류는 끝이 첨예하여야 한다. 전극 집전체(101, 102) 및 전극 리드(113)에 스크류 결합이 수행되면, 관통된 홀에 형성된 나사산과 스크류 자체의 나사산이 결합되므로, 스크류가 외부로 이탈하지 않도록 고정될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 이차 전지 2: 용접부
11: 전극 조립체 12: 전지 캔
13: 캡 조립체 14: 비딩부
15: 크림핑부 16: 절연판
101: 양극 집전체 102: 음극 집전체
111: 양극 무지부 112: 음극 무지부
113: 전극 리드 114: 체결부
131: 탑 캡 132: PTC 소자
133: 안전 벤트 134: CID 가스켓
135: CID 필터 136: 크림핑 가스켓
1011: 제1 양극 포일 1012: 제2 양극 포일
1013: 양극 절연층 1021: 제1 음극 포일
1022: 제2 음극 포일 1023: 음극 절연층
1131: 양극 리드 1132: 음극 리드
1311: 기체 구멍

Claims (10)

  1. 제1 전극 포일, 전극 절연층 및 제2 전극 포일이 순서대로 적층되어 형성된 전극 집전체의 적어도 일부에 전극 활물질을 도포하여 전극을 제조하는 단계;
    상기 전극과 분리막을 적층하는 단계;
    상기 전극 집전체에서 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부에 전극 리드를 연결하는 단계를 포함하되,
    상기 전극 리드를 연결하는 단계는,
    체결부가 상기 전극 집전체 및 상기 전극 리드를 함께 관통하여 연결시키는 전극 조립체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 리드를 연결하는 단계에 있어서,
    상기 전극 집전체 및 상기 전극 리드를 리벳 결합으로 연결하는 전극 조립체 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 리드를 연결하는 단계에 있어서,
    상기 전극 집전체 및 상기 전극 리드를 스크류 결합으로 연결하는 전극 조립체 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극 리드를 연결하는 단계에 있어서,
    상기 체결부는,
    전도성 재질로 제조되는 전극 조립체 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극 리드를 연결하는 단계에 있어서,
    상기 체결부가 상기 전극 집전체의 상기 제1 전극 포일, 상기 전극 절연층 및 상기 제2 전극 포일을 모두 관통하는 전극 조립체 제조 방법.
  6. 전극 집전체의 적어도 일부에 전극 활물질이 도포된 전극;
    상기 전극 사이에 적층되는 분리막;
    상기 전극 집전체에서 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부에 연결되는 전극 리드; 및
    상기 전극 집전체 및 상기 전극 리드를 함께 관통하여 연결시키는 체결부를 포함하되,
    상기 전극 집전체는,
    제1 전극 포일, 전극 절연층 및 제2 전극 포일이 순서대로 적층되어 형성되는 전극 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 체결부는,
    리벳인 전극 조립체.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 체결부는,
    스크류인 전극 조립체.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 체결부는,
    전도성 재질로 제조되는 전극 조립체.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 체결부는,
    상기 전극 집전체의 상기 제1 전극 포일, 상기 전극 절연층 및 상기 제2 전극 포일을 모두 관통하는 전극 조립체.
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