KR20230161101A - 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈 - Google Patents

이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈 Download PDF

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KR20230161101A
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이혜진
제갈종필
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극, 제2 전극 및 분리막이 함께 권취된 젤리롤 형태의 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하는 전지 캔; 및 상기 전극 조립체와 함께 상기 전지 캔에 수납된 전해액;을 포함한다. 상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 형성된 제1 활물질층을 포함한다. 상기 제1 전극 집전체는, 상기 전극 조립체의 코어 방향의 단부에서 상기 제1 활물질층보다 연장되어 노출된 코어 노출부 및 상기 전극 조립체의 외주면 방향의 단부에서 상기 제1 활물질층보다 연장되어 노출된 외곽 노출부를 포함한다. 상기 외곽 노출부의 적어도 일부는, 상기 전극 조립체의 상기 외주면에서 노출되고, 상기 코어 노출부와 상기 외곽 노출부를 연결하는 연결 탭이 마련된다. 상기 전극 조립체의 상기 외주면에 실링 테이프가 부착되며, 상기 실링 테이프는 전해액에 녹는 물질로 이루어진다.

Description

이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈{SECONDARY BATTERY AND BATTERY MODULE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 젤리롤 전극 조립체를 포함하는 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.
근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이차 전지에는 예를 들어 니켈 카드뮴전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지 케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극, 분리막, 음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 젤리롤형, 스택형 및 스택/폴딩형으로 분류된다. 젤리롤형은 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 형태이고, 스택형은 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 형태이며, 스택/폴딩형은 젤리롤형과 스택형의 복합 구조이다. 그 중 젤리롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
도 1은 종래의 전극 조립체가 권취되기 전의 모습을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 전극 조립체가 권취된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전극 조립체(20a)는, 제1 전극(21), 제2 전극(22) 및 분리막(23)을 포함한다. 분리막(23)은 2개로 마련되어, 그 중 하나는 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이에 위치하고, 다른 하나는 제1 전극(21)이나 제2 전극(22)의 외측에 위치할 수 있다.
제1 전극(21)은, 제1 전극 집전체(21f) 및 제1 전극 집전체(21f)의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 형성된 제1 활물질층(21m)를 포함한다. 구체적으로, 제1 전극 집전체(21f)의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 제1 활물질층(21m)이 형성되고, 제1 전극 집전체(21f) 중 전극 활물질이 도포되지 않아 제1 전극 집전체(21f)가 노출되는 부분에 제1 전극 탭(21t1, 21t2)이 부착될 수 있다. 특히 저항감소를 위해, 도시된 것처럼 제1 전극 집전체(21f)가 노출되는 부분이 복수로 마련되어 복수의 제1 전극 탭(21t1, 21t2)이 각각에 부착될 수 있다. 제1 전극(21)은 음극일 수 있고, 복수의 제1 전극 탭(21t1, 21t2)은 음극 탭일 수 있다.
한편, 제2 전극(22)은 제2 전극 집전체(22f) 및 제2 전극 집전체(22f)의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 형성된 제2 활물질층(22m)을 포함한다. 구체적으로, 제2 전극 집전체(22f)의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 제2 활물질층(22m)이 형성되고, 제2 전극 집전체(22f) 중 전극 활물질이 도포되지 않아 제2 전극 집전체(22f)가 노출되는 부분에 제2 전극 탭(22t)이 부착될 수 있다.
도 2에 도시된 것처럼, 권취된 전극 조립체(20a)에 있어서, 제1 전극 탭(21t1, 21t2)과 제2 전극 탭(22t)은 서로 반대 방향으로 돌출될 수 있다.
이러한 전극 조립체(20a)의 경우, 일정 두께 이상의 제1 전극 탭(21t1, 21t2)과 제2 전극 탭(22t)을 부착하기 위해, 추가적으로 테이프가 부착될 수 있다. 다만 부착된 테이프로 인해, 권취된 전극 조립체(20a)의 외경이 증가되고, 이는 결국 전지 용량의 감소로 이어진다. 또한, 권취된 전극 조립체(20a)의 외주면은, 연장된 분리막(23)이 감싸고 있는데, 연장된 분리막(23)만큼 전지 용량이 감소된다.
도 3은 다른 형태의 종래의 전극 조립체가 권취되기 전의 모습을 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 전극 조립체가 권취된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 다른 형태의 종래의 전극 조립체(20b)는, 제1 전극(21), 제2 전극(22) 및 분리막(23)을 포함한다. 분리막(23)은 2개로 마련되어, 그 중 하나는 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이에 위치하고, 다른 하나는 제1 전극(21)이나 제2 전극(22)의 외측에 위치할 수 있다.
제1 전극(21)은 제1 전극 집전체(21f) 및 제1 활물질층(21m)를 포함하고, 제2 전극(22)은 제2 전극 집전체(22f) 및 제2 활물질층(22m)을 포함한다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 1 및 도 2의 전극 조립체(20a)에서의 설명과 동일하므로 생략한다.
다만, 제1 전극 탭(21t)이 부착되는 부분 외에 제1 전극 집전체(21f)가 노출되는 부분이 추가로 마련되어 노출부(21e)가 형성될 수 있다. 이러한 노출부(21e)는 제1 전극(21)에서 가장 마지막에 권취되는 영역이고, 도 4에 도시된 것처럼 권취된 전극 조립체(20b)의 외주면에 위치할 수 있다. 전극 조립체(20b)의 외주면에 위치한 노출부(21e)는, 전지 캔(미도시)의 내벽과 접촉하여, 도 1 및 도 2에서의 제1 전극 탭(21t2)을 대신하여 탭으로 기능한다. 즉, 노출부(21e)은 도 1 및 도 2에서의 제1 전극 탭(21t2)을 대신해, 전기적 경로를 형성한다. 그러나, 노출부(21e)와 전지 캔의 내벽 사이의 접촉이 제대로 이루어지지 않을 경우, 저항이 증가하게 되는 문제가 있다.
종합하면, 종래 전극 조립체(20a, 20b)들이 갖는 용량 감소나 저항 증가의 문제점을 해결할 수 있는, 신규한 구조의 전극 조립체를 갖는 이차 전지에 대한 기술 개발이 필요한 상황이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 젤리롤 전극조립체의 외주면과 전지 캔 사이의 접촉을 향상시킴으로써, 저항을 낮출 수 있는 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈을 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 이차 전지는, 제1 전극, 제2 전극 및 분리막이 함께 권취된 젤리롤 형태의 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하는 전지 캔; 및 상기 전극 조립체와 함께 상기 전지 캔에 수납된 전해액;을 포함한다. 상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 형성된 제1 활물질층을 포함한다. 상기 제1 전극 집전체는, 상기 전극 조립체의 코어 방향의 단부에서 상기 제1 활물질층보다 연장되어 노출된 코어 노출부 및 상기 전극 조립체의 외주면 방향의 단부에서 상기 제1 활물질층보다 연장되어 노출된 외곽 노출부를 포함한다. 상기 외곽 노출부의 적어도 일부는, 상기 전극 조립체의 상기 외주면에서 노출되고, 상기 코어 노출부와 상기 외곽 노출부를 연결하는 연결 탭이 마련된다. 상기 전극 조립체의 상기 외주면에 실링 테이프가 부착되며, 상기 실링 테이프는 전해액에 녹는 물질로 이루어진다.
상기 연결 탭의 일 단부가 상기 코어 노출부에 부착될 수 있고, 상기 연결 탭이 구부러지면서 상기 연결 탭의 타 단부가 상기 외곽 노출부에 부착될 수 있다.
상기 외곽 노출부의 적어도 일부는 상기 전지 캔의 내벽에 접촉될 수 있다.
상기 제1 전극은, 일 단부가 상기 코어 노출부에 부착된 제1 전극 탭을 더 포함할 수 있고, 상기 제1 전극 탭의 타 단부는 상기 전지 캔에 부착될 수 있다.
상기 제1 전극 탭의 타 단부가 상기 전지 캔의 바닥부에 부착될 수 있다.
상기 실링 테이프는 복수로 구성되어, 상기 전극 조립체의 높이 방향으로의 상부 및 하부에 각각 부착될 수 있다.
상기 실링 테이프는, 상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 이어지도록 상기 전극 조립체의 상기 외주면에 부착될 수 있다.
상기 실링 테이프는, 상기 전극 조립체의 상기 외주면의 전체 넓이를 기준으로 10% 이상 60% 이하의 넓이를 덮도록 형성될 수 있다.
상기 실링 테이프는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리 스티렌(PS), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리카보네이트(PC), 아크릴 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 및 이의 유도체들로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 전해액은 비수성 유기 용매를 포함할 수 있다.
상기 비수성 유기 용매는, 환형 카보네이트계 용매, 선형 카보네이트계 용매 또는 이들의 혼합용매를 포함할 수 있다.
상기 비수성 유기 용매는, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 및 에틸메틸 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 전지 캔은 일 측이 개방된 원통형 형태일 수 있고, 상기 전지 캔의 개방된 일 측에 캡 조립체가 결합될 수 있다.
상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 형성된 제2 활물질층을 포함할 수 있고, 상기 제2 전극 집전체가 노출된 부분에 제2 전극 탭의 일 단부가 부착될 수 있으며, 상기 제2 전극 탭의 타 단부가 상기 캡 조립체와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 상기 이차 전지를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 젤리롤 형태의 전극 조립체가 풀리지 않도록 잡아주는 실링 테이프를 전해액에 녹는 물질로 구성하여 전극 조립체의 외주면에 노출된 외곽 노출부와 전지 캔 간의 접촉 정도를 높일 수 있다. 또한, 전극 조립체의 외곽 노출부와 코어 노출부를 연결하는 연결 탭을 마련하여 2탭 구조를 모사할 수 있다. 상기와 같은 실링 테이프 및 연결 탭 구성들을 통해 본 실시예에 따른 이차 전지는 저항 감소의 효과를 갖는다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전극 조립체가 권취되기 전의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전극 조립체가 권취된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 3은 다른 형태의 종래의 전극 조립체가 권취되기 전의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 전극 조립체가 권취된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 이차 전지에 대한 분해 사시도이다.
도 7은 도 6의 이차 전지에 포함된 전극 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7의 전극 조립체가 권취되기 전의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 5의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 11은 도 10의 전극 조립체가 권취되기 전의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 12는, 도 10의 전극 조립체가 포함된 이차 전지에 대한 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 5의 이차 전지에 대한 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 젤리롤 형태의 전극 조립체(200a); 전극 조립체(200a)를 수납하는 전지 캔(300); 및 전극 조립체(200a)와 함께 전지 캔(300)에 수납된 전해액(도시하지 않음);을 포함한다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(200a)를 상부가 개방된 전지 캔(300)에 수납하고, 전지 캔(300) 내에 전해액을 주입한 후에, 전지 캔(300)의 개방된 상부에 캡 조립체(400)를 결합하여 제조될 수 있다.
전지 캔(300)은 전해액이 함침된 전극 조립체(200a)를 수납하는 구조물로써, 금속 소재를 포함할 수 있고, 원통 형태일 수 있다. 구체적으로, 전지 캔(300)은 일 측이 개방된 원통형 형태이며, 전지 캔(300)의 개방된 일측으로 전극 조립체(200a)와 전해액이 수납된 이후, 전지 캔(300)의 개방된 일 측에 캡 조립체(400)가 결합될 수 있다.
이하에서는 도 6 내지 도 8 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 전극 조립체(200a)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 7은 도 6의 이차 전지에 포함된 전극 조립체를 나타낸 사시도이다. 도 8은 도 7의 전극 조립체가 권취되기 전의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 6 내지 도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체(200a)는, 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)을 포함한다. 긴 시트 형상의 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)이 함께 권취되어 젤리롤 형태의 전극 조립체(200a)가 형성될 수 있다. 분리막(230)은 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 사이에 개재될 수 있다. 아울러, 도 8에 나타난 바와 같이, 젤리롤 형태로 권취되었을 때, 제1 전극(210)과 제2 전극(220)이 서로 접하는 것을 방지하기 위해 제2 전극(220) 아래에 분리막(230)이 추가 배치될 수 있다. 즉, 전극 조립체(200a)는 2개 또는 2개 이상의 분리막(230)을 포함할 수 있다.
제1 전극(210)은, 제1 전극 집전체(211) 및 제1 전극 집전체(211)의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 형성된 제1 활물질층(212)를 포함한다. 구체적으로, 제1 전극 집전체(211)의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 제1 활물질층(212)이 형성된다.
이때, 제1 전극 집전체(211)는, 전극 조립체(200a)의 코어 방향의 단부에서 제1 활물질층(212)보다 연장되어 노출된 코어 노출부(211E1) 및 전극 조립체(200a)의 외주면 방향의 단부에서 제1 활물질층(212)보다 연장되어 노출된 외곽 노출부(211E2)를 포함한다.
여기서, 전극 조립체(200a)의 코어 방향의 단부는, 제1 전극 집전체(211)에서 가장 먼저 권취되는 부분으로, 권취된 전극 조립체(200a)의 코어에 위치하는 제1 전극 집전체(211)의 단부를 의미한다. 즉, 코어 노출부(211E1)는 권취된 전극 조립체(200a)의 코어에 위치한다.
전극 조립체(200a)의 외주면은 권취된 원기둥 형태의 전극 조립체(200a)에 대하여 곡면 형태인 바깥쪽 부분을 의미한다. 전극 조립체(200a)의 외주면 방향의 단부는, 제1 전극 집전체(211)에서 가장 나중에 권취되는 부분으로, 권취된 전극 조립체(200a)의 외주면에 위치하는 제1 전극 집전체(211)의 단부를 의미한다. 즉, 도 7에 도시된 것처럼, 외곽 노출부(211E2)의 적어도 일부는, 권취된 전극 조립체(200a)의 외주면에서 노출된다.
이 때, 본 실시예에 따른 전극 조립체(200a)에서, 코어 노출부(211E1)와 외곽 노출부(211E2)를 연결하는 연결 탭(214)이 마련될 수 있다. 도 8에는 연결 탭(214)이 코어 노출부(211E1)에 부착된 것으로 도시되어 있으나, 전극 조립체(200a)가 권취된 이후에 연결 탭(214)은 코어 노출부(211E1)뿐만 아니라 외곽 노출부(211E2)에도 부착된다.
다시 말해, 권취된 전극 조립체(200a)를 기준으로, 연결 탭(214)의 일 단부가 코어 노출부(211E1)에 부착되고, 연결 탭(214)이 구부러지면서 연결 탭(214)의 타 단부가 외곽 노출부(211E2)에 부착될 수 있다. 연결 탭(214)을 부착하는 것에는 일례로 용접 접합이 적용될 수 있다.
전극 조립체(200a)의 외주면에서 노출된 외곽 노출부(211E2)의 적어도 일부는, 전지 캔(300)의 내벽과 접촉할 수 있다. 외곽 노출부(211E2)와 전지 캔(300) 내벽 간 접촉에 의해 전자의 이동 경로를 확보할 수 있다. 즉, 외곽 노출부(211E2)가 전극 탭의 기능을 수행하고, 전지 캔(300)은 외부 회로와의 접속을 위한 전극 단자로 기능할 수 있다.
한편, 제2 전극(220)은 제2 전극 집전체(221) 및 제2 전극 집전체(221)의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 형성된 제2 활물질층(222)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 전극 집전체(221)의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 제2 활물질층(222)이 형성되고, 제2 전극 집전체(221) 중 전극 활물질이 도포되지 않아 제2 전극 집전체(221)가 노출되는 부분에 제2 전극 탭(223)의 일 단부가 부착될 수 있다. 여기서 제2 전극 탭(223)은 제2 전극(220)의 중앙부에 위치한 것으로 도시되어 있으나, 그 위치에 특별한 제한은 없고, 제2 전극(220)의 일 단부에 위치하는 것도 가능하다.
권취된 전극 조립체(200a)에 있어서, 제2 전극 탭(223)은 캡 조립체(400)를 향해 연장되고, 제2 전극 탭(223)의 타 단부가 캡 조립체(400)와 부착되어 연결될 수 있다. 이에 따라, 캡 조립체(400)가 외부 회로와의 접속에 의한 전극 단자로서 기능할 수 있다.
일례로, 제1 전극(210)은 음극이고, 제2 전극(220)은 양극일 수 있다. 즉, 제1 전극 집전체(211)는 음극 집전체일 수 있고, 외곽 노출부(211E2)는 음극 탭을 대신할 수 있다. 제2 전극 집전체(221)와 제2 전극 탭(223)은 각각 양극 집전체와 양극 탭일 수 있다. 제1 전극 집전체(211)는, 음극 집전체로써, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄 또는 니켈 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 그 위에 음극 활물질이 도포되어 제1 활물질층(212)이 형성될 수 있다. 제2 전극 집전체(221)는, 양극 집전체로써, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈 또는 티탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 그 위에 양극 활물질이 도포되어 제2 활물질층(222)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 전지 캔(300)은 이차 전지(100)의 음극 단자로 기능하고 캡 조립체(400)는 이차 전지(100)의 양극 단자로 기능할 수 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 실링 테이프(610, 620)에 대해 자세히 설명한다.
도 6 내지 도 8을 참고하면, 실링 테이프(610, 620)가 전극 조립체(200a)의 외주면에 부착되고, 전해액에 녹는 물질로 이루어진다.
외곽 노출부(211E2)의 엣지(211ED)가 권취된 전극 조립체(200a)의 외주면에 위치하고, 실링 테이프(610, 620)가 엣지(211ED) 부분을 감싸면서 전극 조립체(200a)의 외주면을 따라 부착될 수 있다.
이러한 실링 테이프(610, 620)는 복수로 구성되어, 전극 조립체(200a)의 높이 방향(d1)으로의 상부 및 하부에 부착될 수 있다. 전극 조립체(200a)의 전체 높이를 기준으로 상단으로부터 5% 이상, 30% 이하의 길이의 상부에 한 실링 테이프(610)가 부착될 수 있고, 전극 조립체(200a)의 전체 높이를 기준으로 하단으로부터 5% 이상, 30% 이하의 길이의 하부에 다른 실링 테이프(620)가 부착될 수 있다. 각 실링 테이프(610, 620)는, 상세하게는 5%이상 및 20% 이하, 더욱 상세하게는 10% 이상 및 20% 이하의 길이로 형성될 수 있다.
또한, 도 7에서 보는 바와 같이, 실링 테이프(610, 620)는 전극 조립체(200a)의 원주 방향을 따라 이어지도록 전극 조립체(200a)의 외주면에 부착될 수 있다.
더욱 구체적으로, 이러한 측면에서 실링 테이프(610, 620)는 전극 조립체(200a)의 외주면 전체 넓이를 기준으로 10% 이상, 60% 이하의 넓이를 덮도록 형성될 수 있다. 상세하게는 10% 이상 40% 이하, 더욱 상세하게는 20% 이상 30% 이하를 덮도록 형성되어 있을 수 있다.
이러한 실링 테이프(610, 620)는 전극 조립체(200a)가 원통형의 전지 캔(300)에 삽입될 때 외경을 조절하여 원통형 캔의 삽입을 용이하게 하는 역할을 수행한다. 그러나, 이러한 실링 테이프(610, 620)는 외곽 노출부(211E2)의 일부를 덮고 있기 때문에 외곽 노출부(211E2)과 전지 캔(300)의 내벽 사이의 접촉 면적을 낮추게 된다.
따라서, 전극 조립체(200a)의 고정력과 외곽 노출부(211E2)의 노출 정도를 고려하여 그 위치와 형성 면적이 상기와 같이 결정될 수 있다.
또한, 전극 조립체(200a)의 상부 및 하부 모두를 견고하게 고정하기 위해, 실링 테이프(610, 620)는 상부 및 하부에 각각 형성될 수 있고, 상, 하부에서 전극 조립체(200a)의 전체 높이를 기준으로 상단 및 하단에서 일정 길이로, 전체 외주면을 덮도록 형성되는 것이 가장 바람직하다.
다만, 앞서 언급한 대로, 실링 테이프(610, 620)는 전극 조립체(200a)의 외곽 노출부(211E2)를 덮고 있어, 전지 캔(300)과의 접촉 면적을 저하시킨다. 또한 실링 테이프(610, 620)의 전극 조립체(200a)의 외경 억제 효과로 SOC(State of Charge)에 따른 전지 캔(300)과의 접촉 면적이 달라지기 때문에 저항 변화의 문제가 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 실링 테이프(610, 620)는 전해액에 녹는 물질로 구성할 수 있다. 본 실시예에 따른 실링 테이프(610, 620)는 전극 조립체(200a)가 전지 캔(300)에 삽입된 후, 전해액이 주입되면 녹게 된다. 이에 따라 전극 조립체(200a)가 풀어지면서 외곽 노출부(211E2)와 전지 캔(300)의 접촉 면적이 증가하게 된다.
따라서, 상기 설명했던 실링 테이프(610, 620)에 가려진 부분의 접촉 면적 감소, 및 SOC 상태 변화에 따른 저항 변화 등의 문제를 효과적으로 해소할 수 있다.
이러한 실링 테이프(610, 620)는 구체적으로, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리 스티렌(PS), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리카보네이트(PC), 아크릴 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 및 이의 유도체들로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있고, 상세하게는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 또는 폴리 스티렌(PS)을 포함할 수 있다.
상기와 같은 물질로 이루어지는 경우, 전해액의 주입에 따라, 실링 테이프(610, 620)가 녹아 전극 조립체(200a)를 풀어지게 할 수 있다.
이때 상기 전해액은 비수성 유기 용매일 수 있다. 상기 비수성 유기 용매는, 상세하게, 환형 카보네이트계 용매, 선형 카보네이트계 용매 또는 이들의 혼합용매를 포함할 수 있다. 상기 비수성 유기 용매는, 더욱 상세하게, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 및 에틸메틸 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
이하에서는 도 9 등을 참고하여, 연결 탭(214)과 실링 테이프(610, 620)를 포함한 본 발명의 이차 전지가 갖는 장점에 대해 설명하도록 한다.
도 9는 도 5의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 5, 도 7 및 도 9를 함께 참고하면, 전극 조립체(200a)를 감싸는 실링 테이프(610, 620)는, 전극 조립체(200a)가 전지 캔(300)에 수납된 이후 전해액을 만나 녹게 된다. 도 9에서는 실링 테이프(620)가 녹은 것을 가정하여 따로 도시하지 않았다. 이 때, 연결 탭(214)의 일 부분이 외곽 노출부(211E2)와 연결된 것이라면, 연결 탭(214)과 실링 테이프(620) 간의 위치 관계에 특별한 제한은 없다. 다시 말해, 도 7에 도시된 것처럼 실링 테이프(620) 안쪽에 연결 탭(214)이 위치하는 형태가 가능하고, 다른 경우로써 연결 탭(214)이 실링 테이프(620)의 바깥쪽에 위치한 채 연결 탭(214)의 단부만 외곽 노출부(211E2)에 연결된 형태도 가능하다. 상기 형태는, 실링 테이프(620)를 전극 조립체(200a)의 외주면에 감싸는 공정과 연결 탭(214)과 외곽 노출부(211E2)를 연결하는 공정 간의 순서에 따라 결정될 수 있다.
실링 테이프(610, 620)가 녹아 전극 조립체(200a)가 풀어지면서 외곽 노출부(211E2)와 전지 캔(300)의 접촉 면적이 증가하게 된다. 전지 캔(300)의 내벽과 전극 조립체(200a)의 외주면 사이의 간격은 2mm 이하일 수 있고, 상세하게는 1mm 이하일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 그 간격이 너무 큰 경우에는 실링 테이프(610, 620)가 전해액에 의해 녹는다고 하더라도 전극 조립체(200a)가 풀리는 정도에 의해 충분히 전지 캔(300)과의 접촉이 이루어지지 않을 수 있어, 기존의 문제를 효과적으로 해결할 수 없다.
한편, 실링 테이프(610, 620)가 녹는다고 하더라도, 외곽 노출부(211E2)와 전지 캔(300) 사이의 접촉이 원활하게 이루어지지 않아, 저항이 증가하는 문제가 있을 수 있다. 그러나 본 실시예에 따른 이차 전지(100)의 경우, 코어 노출부(211E1)와 외곽 노출부(211E2)를 연결하는 연결 탭(214)을 마련하여, 외곽 노출부(211E2)를 통한 연결 방식의 저항 증가 문제를 해결하고자 하였다. 즉, 코어 노출부(211E1)를 외곽 노출부(211E2)와 연결함으로써, 추가적인 전자 이동 경로 확보하여 저항 증가의 문제를 해결할 수 있다. 도 9에는 권취된 전극 조립체(200a)에서 연결 탭(214)이 코어 노출부(211E1) 및 외곽 노출부(211E2) 각각과 연결된 모습이 도시되어 있다. 연결 탭(214)의 일 단부가 코어 노출부(211E1)에 부착되고, 연결 탭(214)이 구부러지면서 연결 탭(214)의 타 단부가 외곽 노출부(211E2)에 부착될 수 있다.
또한, 본 실시예의 경우, 음극 탭을 활용하는 방식이 아니다 보니, 음극 탭의 제거로 비용 절감이 가능하고, 음극 탭을 전지 캔(300)에 연결하지 않아도 되기에 용접 공정이 불필요해 제조 공정이 단순해질 수 있다.
이하에서는, 도 10 내지 도 12를 참고하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차 전지에 대해 설명하도록 한다. 다만, 설명의 반복을 피하기 위해 앞서 설명한 도 5 내지 도 9의 실시예와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 사시도이다. 도 11은 도 10의 전극 조립체가 권취되기 전의 모습을 나타낸 사시도이다. 도 12는, 도 10의 전극 조립체가 포함된 이차 전지에 대한 단면을 나타낸 부분 단면도이다. 특히 도 12는, 도 9에서와 같이, 이차 전지의 하단 부분을 높이 방향을 따라 자른 단면을 나타난 단면도이다.
도 10 내지 도 12를 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차 전지도 젤리롤 형태의 전극 조립체(200b), 전해액, 전지 캔(300) 및 캡 조립체를 포함하고, 전극 조립체(200b)는 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)을 포함한다.
제1 전극(210)은 제1 전극 집전체(211)와 제1 활물질층(212)을 포함하고, 제1 전극 집전체(211)는 코어 노출부(211E1)와 외곽 노출부(211E2)를 포함한다. 또한, 코어 노출부(211E1)와 외곽 노출부(211E2)를 연결하는 연결 탭(214)이 마련될 수 있다.
다만, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극 조립체(200b)의 경우, 코어 노출부(211E1)에 제1 전극 탭(213)이 부착될 수 있다. 즉, 전극 조립체(200b)의 다른 구성들은 앞서 설명한 전극 조립체(200a)와 유사하나, 코어 노출부(211E1)에 제1 전극 탭(213)이 더 부착된 점에서는 앞서 설명한 전극 조립체(200a)와 차이가 있다.
구체적으로, 도 12에 도시된 것처럼, 제1 전극(210)은, 일 단부가 코어 노출부(211E1)에 부착된 제1 전극 탭(213)을 더 포함하고, 제1 전극 탭(213)의 타 단부는 전지 캔(300)에 부착될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 전극 탭(213)의 타 단부가 전지 캔(300)의 바닥부(310)에 부착될 수 있다.
연결 탭(214)이 코어 노출부(211E1)와 외곽 노출부(211E2)를 연결하는 것과 별개로, 제1 전극 탭(213)이 코어 노출부(211E1)를 전지 캔(300)의 바닥부(310)에 연결할 수 있다. 본 실시예에 따른 전극 조립체(200b)는, 연결 탭(214) 뿐만 아니라 전지 캔(300)과 코어 노출부(211E1)를 연결하는 제1 전극 탭(213)을 추가적으로 마련함으로써, 저항 감소의 효과를 더욱 높이고자 하였다. 즉, 외곽 노출부(211E2)를 통한 연결 방식의 저항 증가 문제를 제1 전극 탭(213)을 통해 더 보완하고자 하였다.
한편, 다시 도 6을 참고하면, 캡 조립체(400)는 탑 캡(410)과 안전 벤트(420)를 포함할 수 있다. 탑 캡(410)은 안전 벤트(420) 상에 위치하며, 안전 벤트(420)와 상호 밀착된 구조를 형성하여 전기적으로 연결될 수 있다. 탑 캡(410)은 중앙이 상향 돌출되고, 제2 전극 탭(223)을 통해 전극 조립체(200a)의 제2 전극(220)과 간접적으로 연결되어, 외부 회로와의 접속에 의한 전극 단자로서의 기능을 수행할 수 있다.
한편, 전지 캔(300)과 캡 조립체(400) 사이에 전기적 절연 및 밀봉을 위한 가스켓(500)이 위치할 수 있다. 구체적으로, 전지 캔(300)과 캡 조립체(400) 사이에 가스켓(500)을 위치시키고, 전지 캔(300)의 단부를 구부림으로써 크림핑 결합을 실시할 수 있다. 이를 통해 캡 조립체(400)의 장착 및 이차 전지(100)의 밀봉이 이루어질 수 있다. 또한, 가스켓(500)은 전기적 절연인 소재를 포함하여, 전극 단자로서 기능하는 전지 캔(300)과 캡 조립체(400) 간의 전기적 연결을 차단한다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 이차 전지가 다수 모여 전지 모듈을 형성할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 이차 전지, 상기 전지 모듈 또는 상기 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
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: 이차 전지
200a, 200b: 전극 조립체
211E1: 코어 노출부
211E2: 외곽 노출부
214: 연결 탭
300: 전지 캔
400: 캡 조립체
610, 620: 실링 테이프

Claims (15)

  1. 제1 전극, 제2 전극 및 분리막이 함께 권취된 젤리롤 형태의 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수납하는 전지 캔; 및
    상기 전극 조립체와 함께 상기 전지 캔에 수납된 전해액;을 포함하고,
    상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 형성된 제1 활물질층을 포함하며,
    상기 제1 전극 집전체는, 상기 전극 조립체의 코어 방향의 단부에서 상기 제1 활물질층보다 연장되어 노출된 코어 노출부 및 상기 전극 조립체의 외주면 방향의 단부에서 상기 제1 활물질층보다 연장되어 노출된 외곽 노출부를 포함하고,
    상기 외곽 노출부의 적어도 일부는, 상기 전극 조립체의 상기 외주면에서 노출되며,
    상기 코어 노출부와 상기 외곽 노출부를 연결하는 연결 탭이 마련되고,
    상기 전극 조립체의 상기 외주면에 실링 테이프가 부착되며,
    상기 실링 테이프는 전해액에 녹는 물질로 이루어져 있는 이차 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 연결 탭의 일 단부가 상기 코어 노출부에 부착되고, 상기 연결 탭이 구부러지면서 상기 연결 탭의 타 단부가 상기 외곽 노출부에 부착되는 이차 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 외곽 노출부의 적어도 일부는 상기 전지 캔의 내벽에 접촉되는 이차 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 전극은, 일 단부가 상기 코어 노출부에 부착된 제1 전극 탭을 더 포함하고,
    상기 제1 전극 탭의 타 단부는 상기 전지 캔에 부착되는 이차 전지.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 전극 탭의 타 단부가 상기 전지 캔의 바닥부에 부착되는 이차 전지.
  6. 제1항에서,
    상기 실링 테이프는 복수로 구성되어, 상기 전극 조립체의 높이 방향으로의 상부 및 하부에 각각 부착되는 이차 전지.
  7. 제1항에서,
    상기 실링 테이프는, 상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 이어지도록 상기 전극 조립체의 상기 외주면에 부착되는 이차 전지.
  8. 제1항에서,
    상기 실링 테이프는, 상기 전극 조립체의 상기 외주면의 전체 넓이를 기준으로 10% 이상 60% 이하의 넓이를 덮도록 형성되는 이차 전지.
  9. 제1항에서,
    상기 실링 테이프는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리 스티렌(PS), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리카보네이트(PC), 아크릴 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 및 이의 유도체들로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 이차 전지.
  10. 제1항에서,
    상기 전해액은 비수성 유기 용매를 포함하는 이차 전지.
  11. 제10항에서,
    상기 비수성 유기 용매는, 환형 카보네이트계 용매, 선형 카보네이트계 용매 또는 이들의 혼합용매를 포함하는 이차 전지.
  12. 제10항에서,
    상기 비수성 유기 용매는, 에틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 및 에틸메틸 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 이차 전지.
  13. 제1항에서,
    상기 전지 캔은 일 측이 개방된 원통형 형태이며,
    상기 전지 캔의 개방된 일 측에 캡 조립체가 결합되는 이차 전지.
  14. 제13항에서,
    상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포되어 형성된 제2 활물질층을 포함하며,
    상기 제2 전극 집전체가 노출된 부분에 제2 전극 탭의 일 단부가 부착되고,
    상기 제2 전극 탭의 타 단부가 상기 캡 조립체와 연결되는 이차 전지.
  15. 제1항에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈.
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