KR20220073260A

KR20220073260A - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지

Info

Publication number: KR20220073260A
Application number: KR1020200161172A
Authority: KR
Inventors: 손길상; 김동연; 공진학
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-06-03
Also published as: US20230268619A1; EP4123821A4; CN115461925A; JP2023521499A; WO2022114487A1; EP4123821A1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 단위셀, 상기 양극판 및 상기 음극판 중 적어도 하나의 전극판으로부터 돌출된 전극 탭, 및 상기 전극 탭과 연결되는 전극 리드를 포함하고, 상기 전극 탭과 상기 전극 리드의 중첩부에 인접한 상기 전극 탭 부분에 타원 형상의 홀(Hole)이 형성된다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY INCLUDING THE SAME}

본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 강건한 전극 탭을 포함하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.

최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장 장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.

특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높다.

이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

파우치형 이차 전지에서는, 복수의 전극 탭을 하나로 모아주는 공정, 전극 탭 다발을 외부와 전기적으로 연결하기 위해 금속 리드와 용접하는 공정 등 제조 공정에서 외력 및 충/방전 중에 전극의 부피 변화에 따른 내력에 의해 전극 탭의 단선이 발생할 수 있다. 또한, 파우치형 이차 전지 케이스의 강도가 약해 외부 충격에 의한 안정성 문제에 노출될 수 있다.

일반적으로, 전극 탭은 각 단위 셀의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극 탭 및 음극 탭으로 이루어져 있다. 상기 양극 탭 및 상기 음극 탭은 양극판 및 음극판과 마찬가지로 매우 얇은 금속 박막으로 이루어져 있으므로, 파우치형 이차 전지에 충격이 가해질 경우 다른 구성품보다 먼저 단선될 확률이 높다.

따라서, 기존의 전극 탭에 비해서 제조 공정, 연결 과정 및 사용 중에 발생하는 내/외력에 의한 응력에 의해 발생하는 단선에 강건한 전극 탭 개발이 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 강건한 전극 탭을 포함하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.

그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.

상기 홀은 상기 전극 탭이 돌출되는 방향으로 장축을 가진 타원 형상일 수 있다.

상기 전극 탭은 상기 전극판 상에 전극 활물질이 도포된 제1 전극 탭 부분과, 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 제2 전극 탭 부분을 포함할 수 있다.

상기 제2 전극 탭 부분은 상기 전극 리드와 연결될 수 있다.

상기 제1 전극 탭 부분의 좌우측 가장자리는 곡선으로 형성될 수 있다.

상기 홀은 상기 제2 전극 탭 부분에 형성될 수 있다.

상기 홀은 상기 제2 전극 탭 부분에서 연장되어 상기 제1 전극 탭 부분 및 상기 제2 전극 탭 부분에 걸쳐서 형성될 수 있다.

상기 홀은 상기 전극 탭의 폭 방향으로 복수개 형성될 수 있다.

상기 홀의 폭 방향 길이(CW)와 길이 방향 길이(CH)의 비율이 0.2 내지 0.4333일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차 전지는 상기에서 설명한 전극 조립체를 포함한다.

실시예들에 따르면, 홀을 포함하는 전극 탭을 구현함으로써, 내/외력에 의한 초기 균열 저항성을 저하시키지 않으면서, 균열의 진행을 지연시켜 완전 단선에 도달하기 어렵게 하여 단선 발생을 개선할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체를 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 제1 방향으로의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 비교예와 실시예에 따른 탭 내 응력 최대값을 비교한 그래프이다.
도 5는 도 2의 실시예의 변형예를 나타내는 평면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.

도 1은 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체를 나타내는 평면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타내는 평면도이다. 도 3은 도 2의 제1 방향으로의 단면도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체는 전극판(10), 전극판(10)으로부터 돌출된 전극 탭(11), 및 전극 탭(11)과 연결되는 전극 리드(21)를 포함한다. 전극 탭(11)과 전극 리드(21)는 중첩부(15)에서 용접 등을 통해 연결될 수 있다. 전극 탭(11)과 전극 리드(21)는 전기적으로 연결되는데, 이들을 연결하기 위한 공정, 전극 리드(21)를 외부 프레임과 연결하거나 고정하는 과정 또는 파우치형 전지의 주기적인 충, 방전에 의해 전극 탭(11)이 단선되는 현상이 발생할 수 있다.

도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체는 전극판(100), 전극판(100)으로부터 제1 방향(d1)으로 돌출된 전극 탭(110), 및 전극 탭(110)과 연결되는 전극 리드(210)를 포함한다. 상기 전극 조립체는 양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 단위셀을 포함하고, 본 실시예에 따른 전극판(100)은 상기 양극판 및 상기 음극판 중 적어도 하나일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 전극 탭(110)의 일단부와 전극 리드(210)의 일단부가 중첩하여 중첩부(150)를 형성하고, 중첩부(150)에서 용접 등의 방법으로 전극 탭(110)과 전극 리드(210)가 연결되어 연결부를 형성할 수 있다. 본 실시예에 따른 중첩부(150)에 인접한 전극 탭(110) 부분에 타원 형상의 홀(500)이 형성되어 있다. 이때, 홀(500)은 전극 탭(110)이 돌출되는 방향인 제1 방향(d1)으로 장축을 가진 타원 형상인 것이 바람직하다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 홀(500)은 제1 방향(d1)과 동일한 높이 방향(CH)과, 제1 방향(d1)에 수직인 폭 방향(CW)을 갖고, 높이 방향(CH)의 길이가 폭 방향(CW) 길이보다 길다. 또한, 홀(500)은 제1 방향(d1)에 수직인 전극 탭(110)의 폭 방향으로 복수개 형성될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 전극 탭(110)은 전극판(100) 상에 전극 활물질(105)이 도포된 제1 전극 탭 부분(110a)과, 전극 활물질(105)이 도포되지 않은 제2 전극 탭 부분(110b)을 포함한다. 폭이 서로 다른 제1 부분(110a)과 제2 부분(110b)을 포함한다. 제2 부분(110b)은 제1 부분(110a)보다 폭이 좁으며, 제2 부분(110b)은 전극 리드(210)와 연결되는 부분일 수 있다. 제1 부분(110a)의 좌우측 가장자리는 제1 곡률(R)을 갖는 곡선으로 형성될 수 있다. 이때, 홀(500)은 제2 부분(110b)에 형성될 수 있다. 돌출부(130)는 전극판(100)과 전극 탭(110)을 구분하는 경계일 수 있다.

도 4는 본 발명의 비교예와 실시예에 따른 탭 내 응력 최대값을 비교한 그래프이다. 도 4의 그래프는, 일정한 길이만큼 당겼을 때 가해지는 전극 탭 내 응력값(각 케이스별 응력 최대값)을 기준으로 초기 균열 저항성을 나타낸다.

도 2 및 도 4를 참고하면, 홀(500)을 구비한 실시예에서, 길이 방향의 길이(CH)가 일정한 경우(CH=3), 폭 방향 길이(CW)와 응력 최대값과의 관계를 살펴보면, 폭 방향 길이(CW)가 1mm에 가까워질수록 응력 최대값은 최소가 된다. 폭 방향 길이(CW)가 1.5mm보다 증가하게 되면, 전극 탭 내 응력이 증가하는 경향을 보인다. 이하에서 설명하는 길이 방향 길이(CH)와 폭 방향 길이(CW)는 도 2에 도시한 바와 같이, 길이 방향의 반지름과 폭 방향의 반지름을 가리킬 수 있다.

이것은 타원 형상의 홀(500)이 폭 방향의 길이(CW)가 길이 방향의 길이(CH)보다 현저하게 작은 형상을 가지게 되면 홀(500)의 아래 및 위 끝단에 최대 응력 집중이 발생할 수 있다. 이에 반해, 폭 방향의 길이(CW)가 길이 방향의 길이(CH)와 비슷하거나 큰 홀 형상을 가지게 되면, 좌측 및 우측 끝단에 최대 응력 집중이 발생하므로, 전극 탭 내 응력 최대값이 증가하게 된다.

따라서, 본 실시예에 따르면, 폭 방향 길이(CW)와 길이 방향 길이(CH)의 비율이 0.2 내지 0.4333일 수 있고, 한 예로, 길이 방향 길이(CH)가 3mm일 때, 폭 방향 길이(CW)는 0.6mm 내지 1.3mm의 범위를 가질 수 있다. 폭 방향 길이(CW)가 1mm인 경우, 홀(500)에 응력이 집중되지 않으면서 전극 탭 내 응력이 최소가 된다.

홀이 구비되지 않은 비교예의 응력 수준과 비교를 하면, 폭 방향 길이(CW)가 일정 범위인 형상일 때, 전극 탭 내 응력이 낮으며, 길이 방향이 장축이 아닌 홀을 구비한 전극 탭은 응력이 높아, 홀을 구비하는 것이 도리어 전극 탭 내 응력을 증가시켜, 전극 탭의 강도가 일정한 경우에 초기 균열이 쉽게 생성될 수 있다.

하기 표 1은 홀의 개수 및 홀의 형상에 따른 전극 탭이 파단되는 시점까지의 변형되는 길이를 나타낸다.

Type	Number of Hole	CH, mm	CW, mm	파단시점까지의 변위(Displacement to failure, mm)
A	0	-	-	1.51
B	1	3	1	1.83
C	1	3	3	0.97
D	2	3	1	2.20
E	2	3	3	1.09

표 1을 참고하면, 홀(500)의 높이 방향(CH)의 길이가 폭 방향(CW) 길이보다 긴 경우에만, 홀(500)을 구비함에 따른 응력 증가가 없어 초기 균열 저항성에 영향이 없으며, 홀(500)의 폭 방향(CW)이 높이 방향(CH)보다 긴 경우에는 홀 생성에 따른 홀로의 응력 집중에 의해 균열 저항성이 감소하여 도리어 균일이 쉽게 생성되어 단선 위험성이 증가할 수 있다. 또한, 균열이 일정 부분 진행된 경우에, 비교예에서는 균열 진행에 따른 균열부 주변 형상에 변화가 없으나, 실시예에서는 특정 홀에 의해 새로운 균열 발생이 요구되어 균열 생성에 필요한 에너지가 높아 완전 단선까지 변형되어야 하는 수준이 커질 수 있다. 더 나아가, 본 실시예에 따른 특정 홀이 아니라, 폭 방향 길이가 긴 홀의 경우에는 응력이 쉽게 집중되기 때문에 균열 추가 생성에 필요한 에너지 수준이 낮아 상대적으로 완전 단선되기까지 변형되어야 하는 수준이 낮을 수 있다.

도 5는 도 2의 실시예의 변형예를 나타내는 평면도이다.

도 5를 참고하면, 도 2에서 설명한 실시예와 대체로 동일하고 다만, 본 실시예에 따른 홀(600)은 제2 전극 탭 부분(110b)뿐만 아니라 제1 전극 탭 부분(110a)까지 연장되어 형성될 수 있다. 이상에서 설명한 차이를 제외하고 도 2에서 설명한 내용은 본 실시예에 모두 적용될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체는 파우치형 이차 전지를 형성하는데 사용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 전극판
110: 전극 탭
150: 중첩부
210: 전극 리드
105: 전극 활물질
120: 경계부
150: 연결부
500, 600: 홀

Claims

양극판, 분리막 및 음극판을 포함하는 단위셀,
상기 양극판 및 상기 음극판 중 적어도 하나의 전극판으로부터 돌출된 전극 탭, 및
상기 전극 탭과 연결되는 전극 리드를 포함하고,
상기 전극 탭과 상기 전극 리드의 중첩부에 인접한 상기 전극 탭 부분에 타원 형상의 홀(Hole)이 형성되는 전극 조립체.
제1항에서,
상기 홀은 상기 전극 탭이 돌출되는 방향으로 장축을 가진 타원 형상인 전극 조립체.
제1항에서,
상기 전극 탭은 상기 전극판 상에 전극 활물질이 도포된 제1 전극 탭 부분과, 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 제2 전극 탭 부분을 포함하는 전극 조립체.
제3항에서,
상기 제2 전극 탭 부분은 상기 전극 리드와 연결되는 전극 조립체.
제3항에서,
상기 제1 전극 탭 부분의 좌우측 가장자리는 곡선으로 형성되는 전극 조립체.
제3항에서,
상기 홀은 상기 제2 전극 탭 부분에 형성되는 전극 조립체.
제6항에서,
상기 홀은 상기 제2 전극 탭 부분에서 연장되어 상기 제1 전극 탭 부분 및 상기 제2 전극 탭 부분에 걸쳐서 형성되는 전극 조립체.
제1항에서,
상기 홀은 상기 전극 탭의 폭 방향으로 복수개 형성되는 전극 조립체.
제1항에서,
상기 홀의 폭 방향 길이(CW)와 길이 방향 길이(CH)의 비율이 0.2 내지 0.4333인 전극 조립체.
제1항에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지.