KR20230049027A - 전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지셀 - Google Patents

전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지셀 Download PDF

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KR20230049027A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 상기 양극 또는 음극으로부터 연장된 전극 탭은 다수의 전극 탭들이 가압됨으로써 일 지점으로 모인 탭 모음부를 포함하고, 상기 탭 모음부의 하면은 상기 전극 조립체의 적층 방향을 기준으로, 상기 전극 조립체의 일면에 대하여 제1 높이를 가지고, 상기 제1 높이는 상기 전극 조립체의 두께와 제1 거리의 차이 값이며, 상기 제1 거리는 상기 탭 모음부의 두께 및 상기 전극 조립체의 최외각에 위치한 하프셀(half-cell) 두께의 합과 대응된다.

Description

전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지셀 {ELECTRODE ASSEMBLY AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME, BATTERY CELL INCLUDING THE SAME}
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 10월 05일자 한국 특허 출원 제10-2021-0131841호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지셀에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 전극 탭의 단선이 방지된 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는 바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점이 있어 가장 많은 주목을 받고 있다.
이차 전지는 전지케이스의 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.
또, 이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극 들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체 등을 들 수 있다.
한편 파우치형 전지에 내장되는 스택형 전극 조립체를 제조함에 있어서, 전극 리드와 결합되는 전극 탭 부분은 탭 가이드에 의해 가압되어 모아진 후 프리-웰딩(pre welding)된다. 여기서, 탭 가이드는 전극 탭을 중앙에 밀집시켜 전극 탭이 대칭 형상을 가지도록 할 수도 있고, 일측에 밀집시켜 전극 탭이 비대칭 형상을 가지도록 할 수도 있다. 그러나 전극 탭이 비대칭 형상으로 형성되는 경우, 각 탭에 작용하는 장력이 상이하여 전극 탭의 단선이 빈번하게 발생하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전극 탭의 단선이 방지된 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 상기 양극 또는 음극으로부터 연장된 전극 탭은 다수의 전극 탭들이 가압됨으로써 일 지점으로 모인 탭 모음부를 포함하고, 상기 탭 모음부의 하면은 상기 전극 조립체의 적층 방향을 기준으로, 상기 전극 조립체의 일면에 대하여 제1 높이를 가지고, 상기 제1 높이는 상기 전극 조립체의 두께와 제1 거리의 차이 값이며, 상기 제1 거리는 상기 탭 모음부의 두께 및 상기 전극 조립체의 최외각에 위치한 하프셀(half-cell) 두께의 합과 대응된다.
상기 전극 탭은, 상기 최외각에 위치한 하프셀에 포함된 전극과 반대의 극성의 전극으로부터 연장된 것일 수 있다.
상기 전극 탭은 상기 양극 또는 음극 중 어느 하나의 전극으로부터 연장된 탭이고, 상기 최외각에 위치한 하프셀은 상기 양극 또는 음극 중 다른 하나의 전극을 포함할 수 있다.
상기 전극 탭은 양극과 연결되는 양극 탭일 수 있다.
상기 제1 거리는 상기 탭 모음부의 두께 및 상기 전극 조립체의 최외각에 위치한 하프셀(half-cell) 두께의 합과 1mm 이내의 차이를 가지는 값일 수 있다.
상기 제1 높이는 6.2mm 보다 크고, 8.2mm 보다 작을 수 있다.
상기 제1 높이는 6.3mm 이상이고, 8.1mm 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법은 탭 가이드를 포함하는 전극 조립체 제조 장치에 의해 수행되고, 탭 가이드의 센터링 위치가 제1 높이로 조정되는 단계, 상기 탭 가이드가 전극 조립체의 전극 탭을 가압함으로써 탭 모음부를 형성하는 단계, 및 상기 밀집된 전극 탭이 결합됨으로써 탭 결합부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 높이는 상기 전극 조립체의 두께와 제1 거리의 차이 값이며, 상기 제1 거리는 상기 탭 모음부의 두께 및 상기 전극 조립체의 최외각에 위치한 하프셀(half-cell) 두께의 합과 대응된다.
상기 전극 탭은, 상기 최외각에 위치한 하프셀에 포함된 전극과 반대의 극성의 전극으로부터 연장된 것일 수 있다.
상기 전극 탭은 양극 또는 음극 중 어느 하나의 전극으로부터 연장된 탭이고, 상기 최외각에 위치한 하프셀은 상기 양극 또는 음극 중 다른 하나의 전극을 포함할 수 있다.
상기 제1 거리는 상기 탭 모음부의 두께 및 상기 전극 조립체의 최외각에 위치한 하프셀(half-cell) 두께의 합과 1mm 이내의 차이를 가지는 값일 수 있다.
센터링 위치가 제1 높이로 조정되는 단계 이전에, 상기 제1 높이를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
센터링 위치가 제1 높이로 조정되는 단계 이전에, 상기 제1 거리를 산출하는 단계 및 산출된 제1 거리에 기초하여, 상기 제1 높이를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀은 상술한 전극 조립체를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 전지셀은 상술한 전극 조립체를 포함한다.
실시예들에 따르면, 본 발명의 전극 조립체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지셀은 전극 탭의 형상을 조절함으로써 각 탭에 작용하는 장력이 일정 수준 이상이 되지 않도록 할 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 전극 조립체의 탭 형상 제조 과정을 나타낸 단면도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 단면도이다.
도 3은 탭 형상에 따른 전극 조립체 및 전지셀의 단면을 나타낸 것이다.
이하에서는 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 이하에서 설명한 것 외에 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 발명의 범위는 여기에서 설명하는 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 확대하거나 축소하여 나타낸 것이므로, 본 발명의 내용이 도시된 바에 한정되지 않음은 자명하다. 이하의 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 각 층의 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 이하의 도면에서는 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명할 때, 이는 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이와 반대로 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 설명할 때에는 그 사이에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 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 아닐 수 있다. 한편, 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명하는 것과 마찬가지로, 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 설명하는 것 또한 상술한 내용을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 관하여 설명한다.
도 1은 전극 조립체의 탭 형상 제조 과정을 나타낸 단면도이다.
본 실시예의 전극 조립체(100)는 충방전이 가능한 발전소자일 수 있다. 전극 조립체(100)에 포함된 전극은 양극(110) 및 음극(120)을 포함할 수 있고, 각 전극 사이에 분리막(130)이 개재됨으로써 전극 조립체(100)는 양극(110)/분리막(130)/음극(120)이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 양극(110) 또는 음극(120)은 집전체 상에 양극 활물질 또는 음극 활물질이 도포된 것일 수 있고, 분리막(130)은 절연 재질로 이루어짐으로써, 양극(110)과 음극(120) 사이를 전기적으로 절연하기 위한 것일 수 있다.
또, 도 1에 도시된 전극 조립체(100)는 아래서부터 분리막(130)/양극(110)/분리막(130)/음극(120) 또는 분리막(130)/음극(120)/분리막(130)/양극(110)이 적층된 모노셀(mono-cell)이 단위셀로 제조되어 복수 개 적층되되, 분리막(130)/음극(120)/분리막(130) 또는 분리막(130)/양극(110)/분리막(130) 순서로 적층된 하프셀(half-cell)이 최외각에 적층된 것일 수 있다.
전극 조립체(100)의 일단 또는 전극 조립체(100)에 포함된 전극(110,120)의 일단에는 전극 탭들이 위치할 수 있다. 전극 탭은 각 전극(110,120)으로부터 일 방향 또는 양 방향으로 연장되는 부분일 수 있다. 전극 탭은 전극 활물질이 도포되지 않은 부분일 수 있다. 전극 탭 중 양극(110)과 연결된 전극 탭은 양극 탭(112)으로, 음극(120)과 연결된 전극 탭은 음극 탭으로 지칭될 수 있다. 이 때, 양극 탭(112)는 전극 조립체(100)의 일단에 위치하고, 음극 탭은 전극 조립체(100)의 타단에 위치할 수 있다.
전극 조립체(100)는 전극 리드와 연결될 수 있다. 전극 탭들은 탭 가이드 등에 의해 일 위치로 가압됨으로써 밀집될 수 있으며, 밀집된 전극 탭들은 프리-웰딩을 통해 결합될 수 있다. 밀집된 전극 탭들은 용접 등을 통해 전극 리드와 연결될 수 있다. 전극 탭들이 밀집되는 위치에 따라, 전극 탭은 대칭 형상 또는 비대칭 형상을 가질 수 있다.
이하에서는 양극 탭(112)의 형상을 형성하는 과정을 보다 구체적으로 설명한다. 이하에서는 양극(110)으로부터 연장되는 양극 탭(112)의 형상을 중심으로 설명하기로 하나, 해당 내용이 음극 탭에도 적용될 수 있음이 이러한 설명에 의해 배제되는 것은 아니다.
또한, 이하의 설명에서 최상단, 최하단, 하면과 같이 해당 구성에서 특정 위치를 지칭하는 표현은 도면에 도시된 전극 조립체(100)의 단면에서, 위에 도시된 것 및 아래에 도시된 것을 기준으로 할 수 있음을 미리 밝혀 둔다.
다시 도 1을 참조하면, 전극 탭의 형상은 전극 조립체 제조 장치에 의해 형성될 수 있다. 전극 조립체 제조 장치는 전극 탭을 가압하는 탭 가이드(200) 및 프리-웰딩 장치(300)를 포함할 수 있다. 여기서, 탭 가이드(200)는 제1 가이드(210) 및 제2 가이드(220)를 포함하며, 전극 탭을 가압하여 탭의 형상을 형성하는 것일 수 있다.
양극(110)의 일단으로부터 연장된 양극 탭(112)은 제1 가이드(210) 및 제2 가이드(220) 사이에 삽입될 수 있다. 제1 가이드(210)와 제2 가이드(220)는 서로를 향해 가까워짐으로써 양극 탭(112)을 가압할 수 있다. 이를 통해 양극 탭(112)은 일 지점으로 밀집될 수 있고, 일 지점으로 모아지기 위해 각각의 양극 탭(112)은 절곡될 수 있다. 절곡된 양극 탭(112)은 전극 조립체(100)의 길이 방향과 각을 이룰 수 있다. 이처럼, 전극 탭에서 일 지점으로 밀집됨으로써 경사가 형성된 부분은 ‘탭 경사부(113)’로 지칭될 수 있으며, 전극 탭에서 가압된 일 지점은 ‘탭 모음부(114)’로 지칭될 수 있다.
탭 가이드(200)에 의해 가압된 양극 탭(112)은 프리-웰딩 장치(300)에 의해 용접될 수 있다. 프리-웰딩 장치(300)는 초음파 용접이 가능한 기기일 수 있다. 초음파 용접을 제공하는 프리-웰딩 장치(300)는 혼(horn, 310)) 및 앤빌(anvil, 320)을 포함할 수 있으며, 탭 모음부(114)로부터 연장되는 전극 탭들은 혼(310) 및 앤빌(320) 사이에 삽입되어 용접될 수 있다. 이처럼, 탭 모음부(114)로부터 연장되어 용접된 전극 탭들은 ‘탭 결합부(115)’로 지칭될 수 있다. 한편, 프리-웰딩 장치(300)는 탭 모음부(114)로부터 연장된 전극 탭의 양면에 열을 가열함으로써 탭 결합부(115)를 형성할 뿐 그 형상을 조절하기 위한 것은 아니므로, 탭 결합부(115)의 형상은 주로 탭 모음부(114)의 형상에 따라 결정될 수 있을 것이다.
전극 탭의 형상은 탭 가이드(200)가 전극 탭을 가압하는 일 지점의 위치에 따라서 결정될 수 있다. 탭 가이드(200)의 센터링 위치에 따라, 전극 조립체(100)의 적층 방향을 기준으로 한 탭 모음부(114)의 위치가 결정될 수 있고, 전극 탭의 전체적인 형상이 결정될 수 있다. 여기서, 적층 방향이란, 전극 조립체(100)에서 전극 및 분리막들이 적층되는 방향을 의미하는 것일 수 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 탭 모음부(114)를 형성할 때, 탭 가이드(200)의 센터링 위치는 전극 조립체(100)의 최외각 전극의 위치에 맞추어 설정될 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(100)의 적층 방향을 기준으로 한 탭 모음부(114)의 위치는, 전극 조립체(100)의 최외각 전극의 위치와 대응될 수 있다. 탭 모음부(114) 또는 탭 결합부(115)의 하면의 위치는 전극 조립체(100)의 최외각 전극의 위치와 대응될 수 있다.
전극 조립체(100)의 일면을 기준으로, 탭 모음부(114)의 하면의 위치를 ‘탭 모음부(114)의 높이(h, 도시되지 않음)’ 값으로 산출할 때, 탭 모음부(114)의 높이(h)는 전극 조립체(100)의 두께 값과 대응되는 초기 높이(h0) 값을 가질 수 있다. 초기 높이(h0)는 이하에서 ‘전극 조립체(100)의 두께’로 지칭될 수도 있다.
그러나, 도 1과 같은 종래의 센터링 위치는, 탭 모음부(114)의 하면의 위치가 전극 조립체(100)의 최상단에 위치한 최외각 전극의 위치와 대응되도록 하므로, 탭 모음부(114) 및/또는 탭 결합부(115)의 상면은 전극 조립체(100)의 최상단 보다 높게 위치하게 될 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(100)에서 탭 모음부(114) 및/또는 탭 결합부(115)는 전극 조립체(100)의 최상단 위로 들리게 될 수 있다.
또한, 전극 조립체(100)는 전지셀 파우치에 내장되어 파우치 셀로 제조될 수 있는데, 이처럼 탭 모음부(114) 또는 탭 결합부(115)가 전극 조립체(100)의 최상단 보다 상측에 있게 되면, 전극 조립체(100)가 전지셀의 케이스 내에 밀봉되는 과정에서 일부 전극 탭이 당겨짐으로써 단선이 더욱 쉽게 발생할 수 있다. 또, 도 1과 같이 센터링 위치가 설정되면, 전극 탭들이 가압되고 용접되는 과정에서도 전극 탭들과 탭 가이드(200) 및 프리-웰딩 장치(300)가 간섭될 수 있는 문제가 있다.
따라서, 본 실시예에서는 전극 탭의 형상을 종래의 것으로부터 변경함으로써, 상술한 문제들이 최소화된 전극 조립체(100) 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다. 본 실시예의 전극 조립체(100) 및 이의 제조 방법은 탭 가이드(200)의 센터링 위치를 변경함으로써 전극 탭의 형상, 즉 탭 모음부(114)의 위치를 변경하고, 전극 탭에 마진을 형성함으로써 전극 탭의 단선을 방지할 수 있다.
이하에서는 본 실시예의 전극 조립체(100)에 관하여 도 2를 통해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 전극 조립체(100)에서 탭 모음부(114)가 형성될 때, 탭 가이드(200)의 센터링 위치는 최외각 전극으로부터 소정의 거리만큼 떨어진 위치로 맞추어 설정될 수 있다. 센터링 위치가 조정됨으로써 탭 모음부(114)의 하면의 위치는 전극 조립체(100)의 최상단 보다 하측에 위치할 수 있고, 상술한 전극 탭의 들림 현상이 방지될 수 있다. 전극 조립체(100)의 일면을 기준으로, 탭 모음부(114)의 하면의 위치를 ‘탭 모음부(114)의 높이(h)’ 값으로 산출할 때, 탭 모음부(114)의 높이(h)는 전극 조립체(100)의 두께인 초기 높이(h0) 값 보다 작은 제1 높이(h1) 값을 가질 수 있다.
여기서, 소정의 거리는 제1 거리로 지칭될 수 있다. 도 2에서 탭 모음부(114)의 하면의 높이 값인 제1 높이(h1)는 전극 조립체(100)의 두께와 대응되는 초기 높이(h0)에서 제1 거리를 뺀 값과 대응될 수 있다.
이 때, 제1 거리는 전극 조립체(100)의 최외각에 위치한 하프셀 및 전극 탭들의 두께를 고려하려 산출될 수 있다.
구체적으로, 탭 모음부(114)가 위로 들리지 않기 위해서는 센터링 위치가 탭 모음부(114)의 두께만큼 아래로 조정되어야 할 수 있다. 탭 모음부(114)의 두께는 양극 탭(112)들의 두께와 대응될 수 있으며, 제2 두께(t2)로 지칭될 수 있다. 즉, 센터링 위치는 제2 두께(t2)만큼, 또는 그보다 다소 크거나 작은 값만큼 아래로 조정되어야 할 수 있다.
또한 도 2와 같이 전극 조립체(100)의 최외각에 음극 하프셀이 위치한 경우, 탭 모음부(114)가 위로 들리지 않기 위해서는 센터링 위치가 하프셀의 두께만큼 아래로 조정되어야 할 수 있다. 하프셀의 두께는 제1 두께(t1)로 지칭될 수 있다. 즉, 센터링 위치는 제1 두께(t1)만큼, 또는 그보다 다소 크거나 작은 값만큼 아래로 조정되어야 할 수 있다.
따라서, 제1 거리는 제1 두께(t1) 및 제2 두께(t2)의 합과 대응될 수 있다. 여기서 ‘대응된다’는 것은, 제1 거리와 제1 두께(t1) 및 제2 두께(t2)의 합이 동일한 것뿐만 아니라, 제1 거리와 제1 두께(t1) 및 제2 두께(t2)의 합이 소정의 범위 내로 차이나는 것까지도 모두 포함하는 것을 의미할 수 있다. 제1 높이(h1)는 전극 조립체(100)의 두께(h0)에서 제1 두께(t1) 및 제2 두께(t2)를 뺀 값과 대응될 수 있다.
특히, 파우치형 전지 셀의 경우, 파우치의 일면은 편평하고, 타면은 전극 조립체(100)를 수용하는 경우(일명, 1 컵 셀; one cup cell)의 경우, 상술한 전극 탭의 들림 현상이 방지될 수 있다. 이 때, 전극 조립체(100)의 최외각에 위치한 하프셀에 포함된 전극(120)(음극)과 반대의 극성의 전극(110)(양극)으로부터 연장된 전극 탭(112)의 들림 현상을 방지하고 탭 모음부(114)를 편평하게 유지할 수 있도록 한다.
예를 들어, 1 컵 셀인 파우치 전지셀의 경우, 최외곽의 스택 셀의 상부가 하프 셀이고, 하프 셀에는 양극 탭이 없다. 본 발명과 같이 구현하는 경우, 전극 조립체(100)의 최외각에 위치한 하프셀에 포함된 음극(120)과 반대의 극성의 양극(110)으로부터 연장된 전극 탭(112)의 들림 현상을 방지하고 탭 모음부(114)를 편평하게 유지할 수 있도록 한다.
이하에서는, 최적화된 센터링 위치 및 탭 모음부(114)의 위치를 선정하기 위한 실험 및 그 결과에 관하여 설명한다. 아래에서 설명되는 실험은, 최적화된 센터링 위치를 설정하기 위한 것으로, 적절한 제1 거리를 결정하기 위한 실험이다.
이하의 실험에 사용되는 전극 조립체(100)의 두께(h0)는 7.6mm 내지 7.7mm이고, 최외각에 위치한 하프셀의 두께(t1)는 0.24mm이며, 양극 탭(112)들의 두께(t2)는 0.21mm이다.
도 3은 탭 형상에 따른 전극 조립체 및 전지셀의 단면을 나타낸 것이다.
도 3의 표는 탭 모음부(114)의 높이(h)에 따른 탭 형상의 효과를 비교하기 위한 것으로, 높이(h) 값이 5.2mm, 6.2mm, 7.2mm 및 8.2mm 인 4가지 경우에 관하여 표시하였다.
이 때, 제1 두께(t1)과 제2 두께(t2)의 합은 0.45mm이므로, 전극 조립체(100)의 두께(h0)에서, 제1 두께(t1)과 제2 두께(t2)의 합을 뺀 값은 7.15mm 내지 7.25mm 일 수 있다. 따라서, 5.2mm는 [(h0)-{(t1)+(t2)+2}]mm, 6.2mm는 [(h0)-{(t1)+(t2)+1}]mm, 7.2mm는 [(h0)-{(t1)+(t2)}]mm, 및 8.2mm는 [(h0)-{(t1)+(t2)-1}]mm 로 표현될 수 있다. 즉, 도 3의 표는 제1 거리가 제1 두께(t1)과 제2 두께(t2)의 합과 -1, 0, +1, +2 만큼 차이가 나는 각각의 경우에 관하여 설명한 것이다.
또한, 도 3에서 아래에 도시된 그래프는 전극 탭의 형상을 3D 카메라를 이용해 측정한 결과이며, 가로축은 측정 거리, 세로축은 깊이 값이다. 여기서 세로축의 값이 큰 것, 즉, 깊이 값이 크다는 것은 탭의 형상이 굴곡됨으로써 전극 탭에 마진이 더 많이 형성되었음을 의미할 수 있다.
실험 결과를 참고할 때, 탭 모음부(114)의 높이(h) 값이 5.2mm 또는 6.2mm 인 경우에는 셀 케이스에 전극 조립체(100)가 삽입될 시, 하부에 위치한 전극 탭들이 당겨지는 현상이 관찰되었다. 이러한 점을 고려할 때, 탭 모음부(114)의 높이(h) 값이 6.2mm 이하인 경우에는 전지셀의 일부 전극 탭에 장력이 과도하게 작용하여, 전극 탭의 단선이 발생할 우려가 크다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 탭 모음부(114)의 높이(h) 값이 8.2mm 인 경우에는, 상대적으로 높은 위치에서 프리-웰딩 공정이 수행되므로, 탭 모음부(114) 또는 탭 결합부(115)가 최외각 전극 위로 들리는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 탭 모음부(114)의 높이(h) 값이 8.2mm 이상인 경우에는, 종래의 전극 조립체(100) 들과 마찬가지로, 셀 케이스에 전극 조립체(100)가 삽입된 후 상부에 위치한 전극 탭들에 장력이 과도하게 작용할 수 있고, 이에 따라 전극 탭의 단선이 발생할 수 있다.
그러나, 탭 모음부(114)의 높이(h) 값이 7.2mm인 경우에는, 전극 탭의 깊이가 전체적으로 큰 값을 가지는 것이 그래프로 확인되었으며, 전지셀의 단면 사진에서도 특정 탭에 과도한 장력이 발생하는 것이 확인되지 않았다. 따라서 다른 경우와 비교하여, 탭 모음부(114)의 높이(h) 값이 7.2mm인 경우에는 전극 탭에 적절한 마진이 형성되고, 전극 탭의 단선이 최소화될 수 있음을 확인할 수 있다.
위의 결과들을 참고할 때, 전극 조립체(100)의 일면을 기준으로 한 탭 모음부(114)의 하면의 높이(h) 값은 6.2mm 보다는 크고, 8.2mm 보다 작은 것이 바람직할 수 있다. 탭 모음부(114)의 하면의 높이(h) 값은 6.3mm 이상이고, 8.1mm 이하일 수 있고, 또는, 6.7mm 이상이고, 7.7mm 이하일 수 있으며, 바람직하게는, 7.15mm 내지 7.25mm 일 수 있다.
따라서, 탭 모음부(114)의 적절한 높이(h), 즉, 제1 높이(h1) 값은 전극 조립체(100)의 두께(h0) 값에서 제1 거리를 뺀 값일 수 있으며, 여기서 제1 거리는 하프셀의 두께(t1) 및 양극 탭(112)들의 두께(t2)의 합과 1mm 내의 차이를 가지는 값일 수 있다. 제1 거리는 {(t1)+(t2)-1}mm 이상이고, {(t1)+(t2)+1}mm 이하일 수 있다. 제1 높이는 [h0-{(t1)+(t2)+1}](mm) 보다 크고, [h0-{(t1)+(t2)-1}](mm) 보다 작을 수 있다. 제1 높이는 [h0-{(t1)+(t2)+0.9}](mm) 이상이고, [h0-{(t1)+(t2)-0.9}] (mm) 이하일 수 있다. 또는 제1 높이는 [h0-{(t1)+(t2)+0.5}](mm) 이상이고, [h0-{(t1)+(t2)-0.5}](mm) 이하일 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체 제조 방법에 관하여 설명한다. 이하에서 괄호 내에 표시되는 S1000 등의 숫자들은, 도면에 표시된 것은 아니나 각 단계를 구분하기 편리하도록 표시한 것임을 미리 밝혀 둔다.
이하에서 설명되는 전극 조립체 제조 방법은, 상술한 탭 가이드(200) 및 전프리-웰딩 장치(300)를 포함하는 전극 조립체 제조 장치에 의해 수행될 수 있다. 본 실시예에서 설명되는 전극 조립체 제조 장치는 제어부를 포함할 수 있으며, 제어부를 통해 전극 조립체 제조 장치의 동작이 제어될 수 있다. 또, 전극 조립체 제조 장치는 제어부 외에 측정부, 입력부 및/또는 통신부를 더 포함할 수 있으며, 측정부를 통해 전극 조립체(100)의 두께 등을 측정하고, 입력부를 통해 사용자로부터 정보를 입력 받으며, 통신부를 통해 외부 기기로부터 정보를 수신할 수 있다. 또, 전극 조립체 제조 장치에 측정되거나, 입력되거나 수신된 정보는 제어부에 의해 처리될 수 있다.
본 실시예의 전극 조립체 제조 방법(S1000)은,
탭 가이드(200)의 센터링 위치를 제1 높이(h1)로 조정하는 단계(S1100),
탭 모음부(114)를 형성하는 단계(S1200), 및
탭 결합부(115)를 형성하는 단계(S1300)를 포함할 수 있다.
(S1100)단계에서, 탭 가이드(200)의 센터링 위치는 제1 높이(h1)에 기초하여 조정될 수 있다.
여기서, 제1 높이(h1)는 전극 조립체(100)의 두께와 대응되는 초기 높이(h0)에서 제1 거리를 뺀 값일 수 있다. 제1 거리는 하프셀의 두께와 대응되는 제1 두께(t1) 및 양극 탭(112)들의 두께와 대응되는 제2 두께(t2)의 합과 대응되는 값일 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 거리는 {(t1)+(t2)-1}mm 이상이고, {(t1)+(t2)+1}mm 이하일 수 있다.
한편, 실시예에 따라, 제1 높이(h1) 및/또는 제1 거리는 탭 가이드(200) 및/또는 프리-웰딩 장치(300)를 포함하는 전극 조립체 제조 장치에 포함된 제어부에 의해 산출된 값이거나, 사용자로부터 입력되거나 또는 외부 기기로부터 수신된 값일 수 있다.
또한, 전극 조립체(100)의 두께(h0), 제1 두께(t1) 및/또는 제2 두께(t2)는 상술한 전극 조립체 제조 장치에 포함된 측정부에 의해 측정되거나, 사용자로부터 입력되거나 또는 외부 기기로부터 수신된 값일 수 있다
따라서, 본 실시예의 전극 조립체 제조 방법(S1000)은, 탭 가이드(200)의 센터링 위치를 제1 높이(h1)로 조정하는 단계(S1100) 이전에, 제1 높이(h1)를 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 높이(h1)를 획득하는 단계는 제1 높이(h1)를 입력부를 통해 입력받거나 또는 통신부를 통해 외부 기기로부터 수신하는 단계로 구체화될 수 있다. 또는, 제1 높이(h1)를 획득하는 단계는 제1 높이(h1)를 산출하는 단계로 구체화될 수 있다. 이 때, 상기 제1 높이(h1)를 산출하는 단계는 제어부에 의해 수행될 수 있다.
여기서, 제1 높이(h1)를 산출하는 단계는, 제1 거리를 획득하는 단계, 및 제1 거리에 기초하여 제1 높이를 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 제1 거리를 획득하는 단계는, 제1 거리를 입력부를 통해 사용자로부터 입력받거나 또는 통신부를 통해 외부 기기로부터 수신하는 단계로 구체화될 수 있다. 또는, 제1 거리를 획득하는 단계는, 제1 거리를 산출하는 단계로 구체화될 수 있다. 이 때, 제1 거리를 산출하는 단계는 제어부에 의해 수행될 수 있다.
여기서, 제1 거리를 산출하는 단계는, 전극 조립체(100)의 두께(h0), 제1 두께(t1) 및/또는 제2 두께(t2)를 획득하는 단계, 및 획득된 값에 기초하여 제1 거리를 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때, ‘전극 조립체(100)의 두께(h0), 제1 두께(t1) 및/또는 제2 두께(t2)를 획득하는 단계’는 해당 값을 측정부를 통해 측정하거나, 입력부를 통해 사용자로부터 입력받거나 또는 통신부를 통해 외부 기기로부터 수신하는 단계로 구체화될 수 있다.
(S1200)단계에서, 탭 가이드(200)는 전극 조립체의 전극 탭을 가압함으로써 탭 모음부(114)를 형성할 수 있다.
(S1200)단계는, 양극 탭(112)을 제1 가이드(210) 및 제2 가이드(220) 사이에 삽입하는 단계, 제1 가이드(210) 및 제2 가이드(220)가 서로를 향해 이동하는 단계, 양극 탭(112)이 가압되는 단계 및 양극 탭(112)에 탭 모음부(114)가 형성되는 단계를 포함할 수 있다.
(S1300)단계에서, 밀집된 전극 탭은 결합됨으로써 탭 결합부(115)를 형성할 수 있다. 탭 결합부(115)는 용접을 통해 접합될 수 있다. 프리-웰딩 장치(300)는 용접을 통해 밀집된 전극 탭을 가열함으로써 탭 결합부(115)를 형성할 수 있다.
(S1300)단계는, 프리-웰딩 장치(300)가 밀집된 양극 탭(112)을 가열하는 단계 및 양극 탭(112)에 탭 결합부(115)가 형성되는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 실시예의 전극 조립체(100)는 전해액과 함께 셀 케이스 내에 수납되어 전지셀로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀은 다수개의 전극 및 다수개의 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체(100), 다수개의 전극으로부터 연장되는 전극 탭과 연결된 전극 리드 및 전극 리드의 일단이 돌출된 상태로 전극 조립체를 밀봉하는 셀 케이스를 포함할 수 있다.
또 한편, 상술한 전지셀은, 일 방향으로 적층되어 전지셀 적층체를 형성할 수 있으며, 전지 모듈로 모듈화 되어 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS) 및/또는 냉각 장치 등과 함께 전지 팩을 형성할 수 있다. 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 예를 들어, 전지 팩이 적용되는 디바이스는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단일 수 있다. 그러나, 상술한 디바이스가 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 예시 외에 다양한 디바이스에 본 실시예에 따른 전지 팩이 사용될 수 있고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전극 조립체
110: 양극
112: 양극 탭
120: 음극
130: 분리막
200: 탭 가이드
300: 프리-웰딩 장치

Claims (15)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고,
    상기 양극 또는 음극으로부터 연장된 전극 탭은 다수의 전극 탭들이 가압됨으로써 일 지점으로 모인 탭 모음부를 포함하고,
    상기 탭 모음부의 하면은 상기 전극 조립체의 적층 방향을 기준으로, 상기 전극 조립체의 일면에 대하여 제1 높이를 가지고,
    상기 제1 높이는 상기 전극 조립체의 두께와 제1 거리의 차이 값이며,
    상기 제1 거리는 상기 탭 모음부의 두께 및 상기 전극 조립체의 최외각에 위치한 하프셀(half-cell) 두께의 합과 대응되는 전극 조립체.
  2. 제1항에서,
    상기 전극 탭은, 상기 최외각에 위치한 하프셀에 포함된 전극과 반대의 극성의 전극으로부터 연장된 것인 전극 조립체.
  3. 제1항에서,
    상기 전극 탭은 상기 양극 또는 음극 중 어느 하나의 전극으로부터 연장된 탭이고,
    상기 최외각에 위치한 하프셀은 상기 양극 또는 음극 중 다른 하나의 전극을 포함하는 전극 조립체.
  4. 제1항에서,
    상기 전극 탭은 양극과 연결되는 양극 탭인 전극 조립체.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 거리는 상기 탭 모음부의 두께 및 상기 전극 조립체의 최외각에 위치한 하프셀(half-cell) 두께의 합과 1mm 이내의 차이를 가지는 값인 전극 조립체.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 높이는 6.2mm 보다 크고, 8.2mm 보다 작은 전극 조립체.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 높이는 6.3mm 이상이고, 8.1mm 이하인 전극 조립체.
  8. 탭 가이드를 포함하는 전극 조립체 제조 장치에 의해 수행되는 전극 조립체 제조 방법에 있어서,
    탭 가이드의 센터링 위치가 제1 높이로 조정되는 단계,
    상기 탭 가이드가 전극 조립체의 전극 탭을 가압함으로써 탭 모음부를 형성하는 단계, 및
    상기 밀집된 전극 탭이 결합됨으로써 탭 결합부를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 높이는 상기 전극 조립체의 두께와 제1 거리의 차이 값이며,
    상기 제1 거리는 상기 탭 모음부의 두께 및 상기 전극 조립체의 최외각에 위치한 하프셀(half-cell) 두께의 합과 대응되는 전극 조립체 제조 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 전극 탭은, 상기 최외각에 위치한 하프셀에 포함된 전극과 반대의 극성의 전극으로부터 연장된 것인 전극 조립체 제조 방법.
  10. 제8항에서,
    상기 전극 탭은 양극 또는 음극 중 어느 하나의 전극으로부터 연장된 탭이고,
    상기 최외각에 위치한 하프셀은 상기 양극 또는 음극 중 다른 하나의 전극을 포함하는 전극 조립체 제조 방법.
  11. 제8항에서,
    상기 제1 거리는 상기 탭 모음부의 두께 및 상기 전극 조립체의 최외각에 위치한 하프셀(half-cell) 두께의 합과 1mm 이내의 차이를 가지는 값인 전극 조립체 제조 방법.
  12. 제8항에서,
    센터링 위치가 제1 높이로 조정되는 단계 이전에,
    상기 제1 높이를 산출하는 단계를 더 포함하는 전극 조립체 제조 방법.
  13. 제8항에서,
    센터링 위치가 제1 높이로 조정되는 단계 이전에,
    상기 제1 거리를 산출하는 단계, 및
    산출된 제1 거리에 기초하여, 상기 제1 높이를 산출하는 단계를 더 포함하는 전극 조립체 제조 방법.
  14. 제1항에 따른 전극 조립체를 포함하는 전지셀.
  15. 제1항에 따른 전극 조립체를 포함하는 파우치형 전지셀.
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