KR20240000241A - 파우치형 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

파우치형 이차전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자가 이동되는 경로를 단축시켜서 고출력을 구현할 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파우치형 이차전지는 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 음극활물질부가 형성되고, 상기 음극활물질부의 장변에서 연장되는 음극집전체부가 형성되는 음극을 포함하는 적어도 하나 이상의 음극조립체와; 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 양극활물질부가 형성되고, 상기 양극활물질부의 장변에서 연장되는 양극집전체부가 형성되는 양극을 포함하는 적어도 하나 이상의 양극조립체와; 상기 음극조립체와 양극조립체 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 분리막과; 상기 음극조립체, 양극조립체 및 분리막을 밀봉 상태로 수용하는 파우치 외장재를 포함한다.

Description

파우치형 이차전지 및 그 제조방법{POUCH TYPE SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 파우치형 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자가 이동되는 경로를 단축시켜서 고출력을 구현할 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
충전과 방전이 가능한 이차전지는 모바일기기의 에너지원 뿐 아니라 전기자동차, 하이브리드 자동차 등 다양한 산업분야의 에너지원으로 광범하게 이용되고 있다.
이차전지는 형태에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등으로 구분할 수 있다. 이 중 파우치형 이차전지는 중량당 에너지밀도가 높고 가격이 저렴하며 변형도 용이하기 때문에 다양한 분야에서 이용하고 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차전지를 보여주는 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 일반적인 파우치형 이차전지의 제조과정을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 일반적인 파우치형 이차전지는 음극(10)과 양극(20)이 분리막(30)을 사이에 두고 적층되어 전해질이 충전된 파우치 외장재(40)에 내장된 상태로 밀봉됨으로써 구현된다.
이때, 음극(10)은 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 음극활물질부(11)가 형성되고, 음극활물질부(11)의 단변에서 연장되는 음극집전체부(12)가 형성된다. 그리고, 음극집전체부(12)에는 음극탭(13)이 연결되고, 그 단부가 파우치 외장재의 외부로 노출된다.
또한, 양극(20)은 음극(10)과 마찬가지로 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 양극활물질부(21)가 형성되고, 양극활물질부(21)의 단변에서 연장되는 양극집전체부(22)가 형성된다. 그리고, 양극집전체부(22)에는 양극탭(23)이 연결되고, 그 단부가 파우치 외장재의 외부로 노출된다.
부연하자면, 도 2a에 도시된 바와 같이 일반적인 파우치형 이차전지는 음극활물질부(11)와 음극집전체부(12)가 형성된 음극판(10a)과 양극활물질부(21)와 양극집전체부(22)가 형성된 양극판(20a)이 분리막(30)을 사이에 두고 적층된다.
이때 음극활물질부(11)와 양극활물질부(21)가 중첩되면서 적층되고, 음극집전체부(12)와 양극집전체부(22)는 서로 다른 방향으로 돌출된 상태로 적층된다.
이 상태에서 도 2b에 도시된 바와 같이 음극집전체부(12)에 음극탭(13)을 접속시키고, 양극집전체부(22)에 양극탭(23)을 접속시킨다.
그런 다음, 분리막(30)을 사이에 두고 음극(10)과 양극(20)이 적층된 전극조립체를 파우치 외장재(40)에 내장시킨다.
이때 음극(10)의 음극활물질부(11)와 양극(20)의 양극활물질부(21)가 서로 중첩되면서 적층되고, 음극탭(13)과 양극탭(23)은 파우치 외장재(40)에서 서로 반대방향으로 돌출되어 노출된다.
그리고, 파우치 외장재(40)에는 전해질이 충전되고, 파우치 외장재(40)에서 외부로 노출되는 음극탭(13)과 양극탭(23)은 각각 음극접착필름(14)과 양극접착필름(24)에 의해 파우치 외장재(40)에 접착되면서 파우치 외장재(40)가 밀봉된다.
이렇게 제조된 파우치형 이차전지는 도 1에 도시된 바와 같이 이차전지가 방전되는 동안 전자는 음극(10)과 양극(20)의 장변방향을 따라 이동되는데, 음극집전체부(12)와 음극탭(13)이 접속되는 영역 및 양극집전체부(22)와 양극탭(23)이 접속되는 영역이 음극(10)과 양극(20)의 단변에 위치되고, 이에 따라 음극집전체부(12)와 음극탭(13)이 접속되는 면적 및 양극집전체부(22)와 양극탭(23)이 접속되는 면적이 상대적으로 작기때문에 해당 영역에서 저항이 증가하거나 해당 영역에서 단선이 발생하는 등 이차전지의 출력을 저하시키는 문제가 발생하였다.
한편, 이러한 파우치형 이차전지는 작은 부피로 구현하기 위하여 분리막을 사이에 두고 음극과 양극을 적층하여 전극조립체를 준비하거나 다수의 음극과 양극이 다수의 분리막을 사이에 두고 순차적으로 적층하여 전극조립체를 준비한다. 그리고, 준비된 전극조립체를 롤 형태로 권취하여 파우치 외장재에 내장시킨다. 이러한 방식을 젤리-롤(Jelly-Roll) 타입의 이차전지라 통칭하며 같은 극성의 전극탭을 전기적으로 함께 연결함으로써 이차전지의 두 전극을 형성할 수도 있다.
젤리-롤 타입의 이차전지에서는 전술된 일반적인 이차전지의 문제점과 같이 음극집전체부와 음극탭이 접속되는 면적 및 양극집전체부와 양극탭이 접속되는 면적이 작기때문에 다수의 음극탭과 다수의 양극탭을 서로 전기적으로 연결하는 과정에서 구조적으로 음극탭과 양극탭의 변경이 발생되면서 음극탭과 양극탭이 서로 단선되는 문제가 더 빈번하게 발생하였다.
특히, 일반적인 파우치형 이차전지는 도 1에 도시된 바와 같이 전자가 음극과 양극의 장변방향을 따라 이동되기 때문에 상대적으로 전자의 이동 경로가 길어지면서 출력이 저하되는 문제도 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
공개특허공보 제10-2019-0064724호 (2019.06.11)
본 발명은 음극조립체와 양극조립체의 구조를 개선하여 음극집전체부와 음극리드탭이 접속되는 면적 및 양극집전체부와 양극리드탭이 접속되는 면적을 증가시키면서 전자의 이동 경로를 단축시켜서 출력을 향상시킬 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 파우치형 이차전지는 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 음극활물질부가 형성되고, 상기 음극활물질부의 장변에서 연장되는 음극집전체부가 형성되는 음극을 포함하는 적어도 하나 이상의 음극조립체와; 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 양극활물질부가 형성되고, 상기 양극활물질부의 장변에서 연장되는 양극집전체부가 형성되는 양극을 포함하는 적어도 하나 이상의 양극조립체와; 상기 음극조립체와 양극조립체 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 분리막과; 상기 음극조립체, 양극조립체 및 분리막을 밀봉 상태로 수용하는 파우치 외장재를 포함한다.
상기 음극과 양극은 상기 분리막을 사이에 두고 상기 음극활물질부와 양극활물질부가 중첩되도록 적층되고, 상기 음극집전체부와 양극집전체부는 중첩되어 적층된 상기 음극활물질부와 양극활물질부를 사이에 두고 서로 대향되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 음극조립체는 상기 음극집전체부에 장변방향을 따라 접속되어 일측 방향으로 노출되는 바(bar)타입의 음극리드탭을 더 포함하고, 상기 양극조립체는 상기 양극집전체부에 장변방향을 따라 접속되어 타측 방향으로 노출되는 바(bar)타입의 양극리드탭을 더 포함한다.
상기 음극리드탭의 일측 단부는 상기 파우치 외장재의 외부로 노출되고, 상기 양극리드탭의 타측 단부는 상기 파우치 외장재의 외부로 노출되되, 상기 음극리드탭과 양극리드탭은 서로 반대방향으로 노출되는 것을 특징으로 한다.
상기 음극리드탭의 일측 단부에는 상기 파우치 외장재의 가장가리에 접착되면서 밀봉되는 음극접착필름이 구비되고, 상기 양극리드탭의 타측 단부에는 상기 파우치 외장재의 가장가리에 접착되면서 밀봉되는 양극접착필름이 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 음극리드탭은 상기 음극집전체부가 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접히면서 그 양면이 각각 음극집전체부에 접속되고, 상기 양극리드탭은 상기 양극집전체부가 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접히면서 그 양면이 각각 양극집전체부에 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 음극리드탭은 접힌 음극집전체부의 사이에 배치된 상태에서 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접되면서 상기 음극집전체부와 접속되고, 상기 양극리드탭은 접힌 양극집전체부의 사이에 배치된 상태에서 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접되면서 상기 양극집전체부와 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 음극집전체부와 양극 집전체부의 용접 포인트에 형성되는 각각의 용접혼은 인접하는 용접혼과 서로 닿지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 음극조립체, 분리막 및 양극조립체는 젤리-롤 타입으로 구비되어 상기 파우치 외장재에 내장되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법은 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 음극집전체에 단변방향으로 양측 단부 중 어느 한쪽 영역을 제외한 영역에 음극활물질을 포함하는 음극재를 코팅하여 음극활물질부를 형성하고, 상기 음극재가 코팅되지 않은 음극집전체부가 형성되는 음극을 준비하는 음극 준비단계와; 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 양극집전체에 단변방향으로 양측 단부 중 어느 한쪽 영역을 제외한 영역에 양극활물질을 포함하는 양극재를 코팅하여 양극활물질부를 형성하고, 상기 양극재가 코팅되지 않은 양극집전체부가 형성되는 양극을 준비하는 양극 준비단계와; 전도성 금속소재로 바(bar)타입의 음극리드탭과 양극리드탭을 각각 준비하는 리드탭 준비단계와; 분리막을 사이에 두고 상기 음극과 양극을 적층하고, 상기 음극리드탭을 상기 음극에 접속시키고, 상기 양극리드탭을 상기 양극에 접속시키는 전극조립체 준비단계와; 준비된 전극조립체를 파우치 외장재에 내장시키는 패키징단계를 포함한다.
상기 전극조립체 준비단계는, 상기 분리막을 사이에 두고 상기 음극의 음극활물질부와 상기 양극의 양극활물질부가 중첩되도록 적층시키고, 상기 음극집전체부에 장변방향을 따라 음극리드탭을 배치하며, 상기 양극집전체부에 장변방향을 따라 양극리드탭을 배치하는 스택킹과정과; 상기 음극리드탭을 음극집전체부에 용접하고, 상기 양극리드탭을 양극집전체부에 용접하는 용접과정을 포함한다.
상기 스택킹과정에서, 상기 음극리드탭은 상기 음극집전체부에 장변방향을 따라 배치하되, 상기 음극리드탭의 일측 단부가 상기 음극집전체부로부터 돌출되어 노출시키고, 상기 양극리드탭은 상기 양극집전체부에 장변방향을 따라 배치하되, 상기 양극리드탭의 타측 단부가 상기 양극집전체부로부터 돌출되어 노출시키는 것을 특징으로 한다.
상기 용접과정은, 상기 음극집전체부를 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접어서 음극리드탭의 양면이 각각 음극집전체부에 접속시킨 다음, 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접하여 상기 음극집전체부에 상기 음극리드탭을 접속시키고, 상기 양극집전체부를 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접어서 양극리드탭의 양면이 각각 양극집전체부에 접속시킨 다음, 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접하여 상기 양극집전체부에 상기 양극리드탭을 접속시키는 것을 특징으로 한다.
상기 용접과정에서 상기 음극집전체부와 양극 집전체부의 용접 포인트에 형성되는 각각의 용접혼은 인접하는 용접혼과 서로 닿지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 패키징단계에서, 상기 음극리드탭의 일측 단부는 상기 파우치 외장재의 외부로 노출시키고, 상기 양극리드탭의 타측 단부는 상기 파우치 외장재의 외부로 노출시키되, 상기 음극리드탭과 양극리드탭은 서로 반대방향으로 노출시키는 것을 특징으로 한다.
상기 리드탭 준비단계에서, 상기 음극리드탭의 일측 방향 단부에는 음극접착필름을 구비하고, 상기 양극리드탭의 타측 단부에는 양극접착필름을 구비하며, 상기 패키징단계에서, 상기 음극리드탭과 파우치 외장재가 접착되는 지점은 상기 음극접착필름으로 밀봉시키고, 상기 양극리드탭과 파우치 외장재가 접착되는 지점은 상기 양극접착필름으로 밀봉시키는 것을 특징으로 한다.
상기 패키징단계에서, 상기 파우치 외장재에 전해질을 충전시키고, 준비된 전극조립체를 젤리-롤 타입으로 준비한 다음 상기 전극조립체를 상기 파우치 외장재에 내장시켜서 밀봉하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 음극조립체와 양극조립체를 구성함에 있어서, 각각 장변에 음극집전체부와 양극집전체부를 형성하고, 음극집전체부와 양극집전체부에 각각 음극리드탭과 양극리드탭을 접속시킴으로써, 음극집전체부와 음극리드탭이 접속되는 면적과 양극집전체부와 양극리드탭이 접속되는 면적을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 해당 영역에서 발생되는 저항을 저감시키는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 음극집전체부와 음극리드탭이 접속되는 면적과 양극집전체부와 양극리드탭이 접속되는 면적을 증가시킴에 따라 해당 영역에서 단선이 발생하는 문제를 감소시킬 수 있다.
그리고, 이차전지가 충전 또는 방전되는 동안 음극조립체와 양극조립체의 단변방향을 따라 이동되기 때문에 상대적으로 전자의 이동 경로가 짧아지면서 이차전지의 출력을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차전지를 보여주는 도면이고,
도 2a 및 도 2b는 일반적인 파우치형 이차전지의 제조과정을 보여주는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지를 보여주는 도면이고,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조과정을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지를 보여주는 도면이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조과정을 보여주는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지는 크게 적어도 하나 이상의 음극조립체(100), 적어도 하나 이상의 양극조립체(200), 적어도 하나 이상의 분리막(300) 및 파우치 외장재(400)로 구성된다.
음극조립체(100)는 음극(110)과 음극리드탭(120)으로 구성된다.
이때 음극(110)은 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 음극활물질부(111)가 형성되고, 음극활물질부(111)의 장변에서 연장되는 음극집전체부(112)가 형성된다.
부연하자면, 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 음극집전체에 단변방향으로 양측 단부 중 어느 한쪽 영역을 제외한 영역에 음극활물질을 포함하는 음극재를 코팅하여 음극활물질부(111)를 형성한다. 그래서, 음극(110)에는 음극재가 코팅된 음극활물질부(111)와 음극재가 코팅되지 않아 음극집전체가 그대로 노출된 음극집전체부(112)가 형성된다.
여기서, 음극재는 음극활물질과 함께 도전재 및 바인더가 혼합되어 형성되는 것이 바람직하다. 이때 음극활물질, 도전재 및 바인더는 통상의 이차전지에 사용되는 음극활물질, 도전재 및 바인더 재료가 적용될 수 있다.
그리고, 음극리드탭(120)은 음극집전체부(112)에 접속되어 전자가 이동되는 경로를 형성하는 수단으로서, 전도성 금속소재를 이용하여 바(bar)타입으로 제작된다. 예를 들어 음극리드탭(120)은 구리(Cu)를 사용하여 제작되고, 그 길이는 음극집전체부(112)의 장변의 길이와 같거나 더 길게 형성되는 것이 바람직하다. 그래서 음극리드탭(120)과 음극집전체부(112)가 접속되는 면적을 최대한 넓게 형성하는 것이 바람직하다.
음극리드탭(120)은 음극집전체부(112)에 장변방향을 따라 접속되어 일측 방향으로 돌출되어 노출되도록 접속된다.
이때, 음극리드탭(120)의 일측 단부는 파우치 외장재(400)의 외부로 노출되도록 충분히 길게 형성되는 것이 바람직하다.
그래서, 음극리드탭(120)의 일측 단부에는 파우치 외장재(400)의 가장가리에 접착되면서 밀봉시키기 위하여 음극접착필름(121)이 더 구비된다.
한편, 음극집전체부(112)는 단변방향을 기준으로 그 폭이 음극리드탭(120)의 폭보다 2배 이상 크게 형성하는 것이 바람직하다.
그래서, 음극리드탭(120)을 음극집전체부(112)에 접속시킬 때, 음극리드탭(120)을 음극집전체부(112)에 배치한 상태에서 음극집전체부(112)가 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접히면서 음극리드탭(120)의 양면이 각각 음극집전체부(112)에 접속되도록 한다.
그리고, 음극리드탭(120)은 접힌 음극집전체부(112)의 사이에 배치된 상태에서 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접되면서 음극집전체부(112)와 접속된다.
이때 점용접에 의해 용접 포인트에 형성되는 각각의 용접혼(600)은 인접하는 용접혼(600)과 서로 닿지 않도록 형성하는 것이 바람직하다. 그래서, 음극(110) 내에서 일부 미용접 구간이 발생되더라도 충분히 넓은 면적에서 점용접이 이루어지면서 용접성을 향상시킬 수 있다. 또한, 충분히 넓은 영역에서 용접이 이루어지면서 저항을 감소시키고 발열을 감소시킬 수 있다. 이러한 효과를 발현하기 위하여 점용접에 의해 용접 포인트에 형성되는 용접혼(600)들의 총 면적은 음극리드탭(120)과 음극집전체부(112)가 접촉되는 영역의 80% 이상을 차지하는 것이 바람직하다.
한편, 양극조립체(200)는 음극조립체(100)와 마찬가지로 양극(210)과 양극리드탭(220)으로 구성된다.
이때 양극(210)은 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 양극활물질부(211)가 형성되고, 양극활물질부(211)의 장변에서 연장되는 양극집전체부(212)가 형성된다.
부연하자면, 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 양극집전체에 단변방향으로 양측 단부 중 어느 한쪽 영역을 제외한 영역에 양극활물질을 포함하는 양극재를 코팅하여 양극활물질부(211)를 형성한다. 그래서, 양극(210)에는 양극재가 코팅된 양극활물질부(211)와 양극재가 코팅되지 않아 양극집전체가 그대로 노출된 양극집전체부(212)가 형성된다.
여기서, 양극재는 양극활물질과 함께 도전재 및 바인더가 혼합되어 형성되는 것이 바람직하다. 이때 양극활물질, 도전재 및 바인더는 통상의 이차전지에 사용되는 양극활물질, 도전재 및 바인더 재료가 적용될 수 있다.
그리고, 양극리드탭(220)은 양극집전체부(212)에 접속되어 전자가 이동되는 경로를 형성하는 수단으로서, 전도성 금속소재를 이용하여 바(bar)타입으로 제작된다. 예를 들어 양극리드탭(220)은 알루미늄(Al)을 사용하여 제작되고, 그 길이는 양극집전체부(212)의 장변의 길이와 같거나 더 길게 형성되는 것이 바람직하다. 그래서 양극리드탭(220)과 양극집전체부(212)가 접속되는 면적을 최대한 넓게 형성하는 것이 바람직하다.
양극리드탭(220)은 양극집전체부(212)에 장변방향을 따라 접속되어 타측 방향으로 돌출되어 노출되도록 접속된다.
이때 양극리드탭(220)의 타측 단부는 파우치 외장재(400)의 외부로 노출되도록 충분히 길게 형성되는 것이 바람직하다.
그래서, 양극리드탭(220)의 타측 단부에는 파우치 외장재(400)의 가장가리에 접착되면서 밀봉시키기 위하여 양극접착필름(221)이 더 구비된다.
다만, 양극리드탭(220)은 음극리드탭(120)이 노출된 방향과 반대방향으로 노출되어 음극리드탭(120)과 양극리드탭(220)은 서로 반대방향으로 노출되는 것이 바람직하다.
한편, 양극집전체부(212)는 단변방향을 기준으로 그 폭이 양극리드탭(220)의 폭보다 2배 이상 크게 형성하는 것이 바람직하다.
그래서, 양극리드탭(220)을 양극집전체부(212)에 접속시킬 때, 양극리드탭(220)을 양극집전체부(212)에 배치한 상태에서 양극집전체부(212)가 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접히면서 양극리드탭(220)의 양면이 각각 양극집전체부(212)에 접속되도록 한다.
그리고, 양극리드탭(220)은 접힌 양극집전체부(212)의 사이에 배치된 상태에서 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접되면서 양극집전체부(212)와 접속된다.
이때 점용접에 의해 용접 포인트에 형성되는 각각의 용접혼(600)은 음극(110)에 형성되는 용접혼(600)과 마찬가지로 인접하는 용접혼(600)과 서로 닿지 않도록 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 음극(110)에 형성되는 용접혼(600)과 마찬가지 이유로 양극(210)에서 점용접에 의해 용접 포인트에 형성되는 용접혼(600)들의 총 면적은 양극리드탭(220)과 양극집전체부(212)가 접촉되는 영역의 80% 이상을 차지하는 것이 바람직하다.
한편, 분리막(300)은 음극조립체(100)와 양극조립체(200)를 상호간에 절연시키면서 이온이 통과되도록 하는 수단으로서, 통상의 이차전지에 사용되는 분리막 재료가 적용될 수 있다.
그리고, 파우치 외장재(400)는 음극조립체(100), 양극조립체(200) 및 분리막(300)을 밀봉 상태로 수용하여 패키징하는 수단으로서, 그 내부에는 전해질이 충진된다. 이때 파우치 외장재(400)는 통상의 파우치형 이차전지에 사용되는 파우치 외장재 재료가 적용될 수 있다.
한편, 음극(110)과 양극(210)은 분리막(300)을 사이에 두고 적층되는데, 이때 음극활물질부(111)와 양극활물질부(211)가 중첩되도록 적층된다. 그리고, 음극집전체부(112)와 양극집전체부(212)는 중첩되어 적층된 음극활물질부(111)와 양극활물질부(211)를 사이에 두고 서로 대향되도록 배치된다.
그래서, 음극집전체부(112)와 양극집전체부(212)는 음극(110)과 양극(210)의 단변 방향을 기준으로 중첩된 음극활물질부(111)와 양극활물질부(211)를 사이에 두고 양측 단부에 배치된다.
한편, 도면에서는 하나의 음극조립체(100), 분리막(300) 및 양극조립체(200)로 구성되는 파우치형 이차전지를 제시하였지만, 음극조립체(100), 분리막(300) 및 양극조립체(200)를 다수개 마련하여 음극조립체(100)와 양극조립체(200)가 분리막을 사이에 두고 순차적으로 적층될 수 있다. 또한, 이렇게 적층된 음극조립체(100), 분리막(300) 및 양극조립체(200)를 통상의 젤리-롤(Jelly-Roll) 타입의 이차전지와 같이 롤 형태로 권취하여 파우치 외장재(400)에 내장시킬 수 있다.
이렇게 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지는 도 3에 도시된 바와 같이 이차전지가 방전되는 동안 전자는 음극조립체(100)과 양극조립체(200)의 단변방향을 따라 이동되기 때문에 상대적으로 전자의 이동 경로가 짧아지면서 이차전지의 출력을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
상기와 같은 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조과정에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법은 음극 준비단계, 양극 준비단계, 리드탭 준비단계, 전극조립체 준비단계, 패키징단계로 이루어진다.
음극 준비단계, 양극 준비단계 및 리드탭 준비단계는 도 4a에 도시된 바와 같이 각각 음극(110), 양극(210), 음극리드탭(120) 및 양극리드탭(220)을 준비하는 단계이다.
음극(110)은 통상의 음극과 마찬가지로 음극집전체에 음극재를 일부 코팅하여 준비한다. 다만, 본 실시예에서는 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 음극집전체에 단변방향으로 양측 단부 중 어느 한쪽 영역을 제외한 영역에 음극활물질을 포함하는 음극재를 코팅하여 음극활물질부(111)를 형성하고, 음극재가 코팅되지 않은 음극집전체부(112)가 형성되는 음극(110)을 준비한다.(음극 준비단계)
양극(210)도 통상의 음극(110)과 마찬가지로 양극집전체에 양극재를 일부 코팅하여 준비한다. 다만, 본 실시예에서는 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 양극집전체에 단변방향으로 양측 단부 중 어느 한쪽 영역을 제외한 영역에 양극활물질을 포함하는 양극재를 코팅하여 양극활물질부(211)를 형성하고, 양극재가 코팅되지 않은 양극집전체부(212)가 형성되는 양극(210)을 준비한다.(양극 준비단계)
그리고, 전도성 금속소재로 바(bar)타입의 음극리드탭(120)과 양극리드탭(220)을 각각 준비한다. 이때 음극리드탭(120)은 구리(Cu)를 사용하여 준비하고, 양극리드탭(220)은 알루미늄(Al)을 사용하여 준비한다.(리드탭 준비단계)
이때 음극리드탭(120)과 양극리드탭(220)은 각각 파우치 외장재(400)와의 접착을 위하여 음극리드탭(120)의 일측 방향 단부에는 음극접착필름(121)을 구비하고, 양극리드탭(220)의 타측 단부에는 양극접착필름(221)을 구비한다.
이렇게 음극(110), 양극(210), 음극리드탭(120) 및 양극리드탭(220)이 각각 준비되면, 분리막(300)을 사이에 두고 음극(110)과 양극(210)을 적층하고, 음극리드탭(120)을 음극(110)에 접속시키고, 양극리드탭(220)을 양극(210)에 접속시킨다.(전극조립체 준비단계)
전극조립체 준비단계는 구체적으로 스택킹과정과 용접과정으로 구분될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이 스택킹과정에서는 분리막(300)을 사이에 두고 음극(110)의 음극활물질부(111)와 양극(210)의 양극활물질부(211)가 중첩되도록 적층시킨다. 그리고, 음극집전체부(112)에 장변방향을 따라 음극리드탭(120)을 배치하며, 양극집전체부(212)에 장변방향을 따라 양극리드탭(220)을 배치한다.
이때, 음극리드탭(120)은 음극집전체부(112)에 장변방향을 따라 배치하는데, 음극리드탭(120)의 일측 단부가 음극집전체부(112)로부터 돌출되어 노출되도록 한다.
그리고, 양극리드탭(220)은 양극집전체부(212)에 장변방향을 따라 배치하는데, 양극리드탭(220)의 타측 단부가 양극집전체부(212)로부터 돌출되어 노출되도록 한다.
한편, 용접과정은 음극리드탭(120)과 양극리드탭(220)을 각각 음극집전체부(112)와 양극집전체부(212)에 점용접하여 접속시키는 과정이다.
부연하자면, 도 4b에 도시된 바와 같이 음극집전체부(112)를 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접어서 음극리드탭(120)의 양면이 각각 음극집전체부(112)에 접속시킨다. 그리고, 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접하여 음극집전체부(112)에 음극리드탭(120)을 접속시킨다.
마찬가지로 양극집전체부(212)를 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접어서 양극리드탭(220)의 양면이 각각 양극집전체부(212)에 접속시킨다. 그리고, 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접하여 양극집전체부(212)에 양극리드탭(220)을 접속시킨다.
이때 용접과정에서 음극집전체부(112)와 양극집전체부(212)의 용접 포인트에 형성되는 각각의 용접혼(600)은 인접하는 용접혼(600)과 서로 닿지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이렇게 음극조립체(100), 분리막(300) 및 양극조립체(200)가 순차적으로 적층된 전극조립체(500)를 준비한다.
다음으로, 패키징단계는 준비된 전극조립체(500)를 파우치 외장재(400)에 내장시키는 단계이다.
패키징단계는 도 4c에 도시된 바와 같이 파우치 외장재(400)의 일부분, 예를 들어 전극조립체(500)의 단변방향을 기준으로 가상의 중심선에 대하여 어느 한쪽에 준비된 전극조립체(500)를 배치한다. 이때 음극리드탭(120)의 일측 단부를 파우치 외장재(400)의 외부로 노출시키고, 양극리드탭(220)의 타측 단부를 파우치 외장재(400)의 외부로 노출되도록 배치한다. 특히, 음극리드탭(120)과 양극리드탭(220)은 서로 반대방향으로 노출되는 것이 바람직하다.
그리고, 파우치 외장재(400)를 가상의 중심선을 기준으로 폴딩하여 파우치 외장재(400)의 가장자리를 밀봉한다.
이때 음극리드탭(120)과 파우치 외장재(400)가 접착되는 지점은 음극접착필름(121)으로 밀봉시키고, 양극리드탭(220)과 파우치 외장재(400)가 접착되는 지점은 양극접착필름(221)으로 밀봉시킨다.
그리고, 파우치 외장재(400)에 전해질을 충전시킨다.
이때, 준비된 전극조립체(500)는 젤리-롤 타입으로 준비한 다음 파우치 외장재에 내장시켜서 밀봉할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 음극 11: 음극활물질부
12: 음극집전체부 13: 음극탭
14: 음극접착필름 20: 양극
21: 양극활물질부 22: 양극집전체부
23: 양극탭 24: 양극접착필름
30: 분리막 40: 파우치 외장재
100: 음극조립체 110: 음극
111: 음극활물질부 112: 음극집전체부
120: 음극리드탭 121: 음극접착필름
200: 양극조립체 210: 양극
211: 양극활물질부 212: 양극활물질부
220: 양극리드탭 221: 양극접착필름
300: 분리막 400: 파우치 외장재
500: 전극조립체 600: 용접혼

Claims (17)

  1. 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 음극활물질부가 형성되고, 상기 음극활물질부의 장변에서 연장되는 음극집전체부가 형성되는 음극을 포함하는 적어도 하나 이상의 음극조립체와;
    서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 양극활물질부가 형성되고, 상기 양극활물질부의 장변에서 연장되는 양극집전체부가 형성되는 양극을 포함하는 적어도 하나 이상의 양극조립체와;
    상기 음극조립체와 양극조립체 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 분리막과;
    상기 음극조립체, 양극조립체 및 분리막을 밀봉 상태로 수용하는 파우치 외장재를 포함하는 파우치형 이차전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극과 양극은 상기 분리막을 사이에 두고 상기 음극활물질부와 양극활물질부가 중첩되도록 적층되고,
    상기 음극집전체부와 양극집전체부는 중첩되어 적층된 상기 음극활물질부와 양극활물질부를 사이에 두고 서로 대향되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극조립체는 상기 음극집전체부에 장변방향을 따라 접속되어 일측 방향으로 노출되는 바(bar)타입의 음극리드탭을 더 포함하고,
    상기 양극조립체는 상기 양극집전체부에 장변방향을 따라 접속되어 타측 방향으로 노출되는 바(bar)타입의 양극리드탭을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 음극리드탭의 일측 단부는 상기 파우치 외장재의 외부로 노출되고,
    상기 양극리드탭의 타측 단부는 상기 파우치 외장재의 외부로 노출되되, 상기 음극리드탭과 양극리드탭은 서로 반대방향으로 노출되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 음극리드탭의 일측 단부에는 상기 파우치 외장재의 가장가리에 접착되면서 밀봉되는 음극접착필름이 구비되고,
    상기 양극리드탭의 타측 단부에는 상기 파우치 외장재의 가장가리에 접착되면서 밀봉되는 양극접착필름이 구비되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 음극리드탭은 상기 음극집전체부가 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접히면서 그 양면이 각각 음극집전체부에 접속되고,
    상기 양극리드탭은 상기 양극집전체부가 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접히면서 그 양면이 각각 양극집전체부에 접속되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 음극리드탭은 접힌 음극집전체부의 사이에 배치된 상태에서 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접되면서 상기 음극집전체부와 접속되고,
    상기 양극리드탭은 접힌 양극집전체부의 사이에 배치된 상태에서 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접되면서 상기 양극집전체부와 접속되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 음극집전체부와 양극 집전체부의 용접 포인트에 형성되는 각각의 용접혼은 인접하는 용접혼과 서로 닿지 않는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극조립체, 분리막 및 양극조립체는 젤리-롤 타입으로 구비되어 상기 파우치 외장재에 내장되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  10. 서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 음극집전체에 단변방향으로 양측 단부 중 어느 한쪽 영역을 제외한 영역에 음극활물질을 포함하는 음극재를 코팅하여 음극활물질부를 형성하고, 상기 음극재가 코팅되지 않은 음극집전체부가 형성되는 음극을 준비하는 음극 준비단계와;
    서로 대향되는 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 갖는 사각형상의 양극집전체에 단변방향으로 양측 단부 중 어느 한쪽 영역을 제외한 영역에 양극활물질을 포함하는 양극재를 코팅하여 양극활물질부를 형성하고, 상기 양극재가 코팅되지 않은 양극집전체부가 형성되는 양극을 준비하는 양극 준비단계와;
    전도성 금속소재로 바(bar)타입의 음극리드탭과 양극리드탭을 각각 준비하는 리드탭 준비단계와;
    분리막을 사이에 두고 상기 음극과 양극을 적층하고, 상기 음극리드탭을 상기 음극에 접속시키고, 상기 양극리드탭을 상기 양극에 접속시키는 전극조립체 준비단계와;
    준비된 전극조립체를 파우치 외장재에 내장시키는 패키징단계를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전극조립체 준비단계는,
    상기 분리막을 사이에 두고 상기 음극의 음극활물질부와 상기 양극의 양극활물질부가 중첩되도록 적층시키고, 상기 음극집전체부에 장변방향을 따라 음극리드탭을 배치하며, 상기 양극집전체부에 장변방향을 따라 양극리드탭을 배치하는 스택킹과정과;
    상기 음극리드탭을 음극집전체부에 용접하고, 상기 양극리드탭을 양극집전체부에 용접하는 용접과정을 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 스택킹과정에서,
    상기 음극리드탭은 상기 음극집전체부에 장변방향을 따라 배치하되, 상기 음극리드탭의 일측 단부가 상기 음극집전체부로부터 돌출되어 노출시키고,
    상기 양극리드탭은 상기 양극집전체부에 장변방향을 따라 배치하되, 상기 양극리드탭의 타측 단부가 상기 양극집전체부로부터 돌출되어 노출시키는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 용접과정은,
    상기 음극집전체부를 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접어서 음극리드탭의 양면이 각각 음극집전체부에 접속시킨 다음, 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접하여 상기 음극집전체부에 상기 음극리드탭을 접속시키고,
    상기 양극집전체부를 장변방향을 따라 형성되는 가상의 중심선을 기준으로 단변방향으로 접어서 양극리드탭의 양면이 각각 양극집전체부에 접속시킨 다음, 장변방향을 따라 소정 간격 이격된 용접 포인트에서 점용접하여 상기 양극집전체부에 상기 양극리드탭을 접속시키는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 용접과정에서 상기 음극집전체부와 양극 집전체부의 용접 포인트에 형성되는 각각의 용접혼은 인접하는 용접혼과 서로 닿지 않는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 패키징단계에서,
    상기 음극리드탭의 일측 단부는 상기 파우치 외장재의 외부로 노출시키고, 상기 양극리드탭의 타측 단부는 상기 파우치 외장재의 외부로 노출시키되, 상기 음극리드탭과 양극리드탭은 서로 반대방향으로 노출시키는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 리드탭 준비단계에서,
    상기 음극리드탭의 일측 방향 단부에는 음극접착필름을 구비하고, 상기 양극리드탭의 타측 단부에는 양극접착필름을 구비하며,
    상기 패키징단계에서,
    상기 음극리드탭과 파우치 외장재가 접착되는 지점은 상기 음극접착필름으로 밀봉시키고, 상기 양극리드탭과 파우치 외장재가 접착되는 지점은 상기 양극접착필름으로 밀봉시키는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 패키징단계에서,
    상기 파우치 외장재에 전해질을 충전시키고, 준비된 전극조립체를 젤리-롤 타입으로 준비한 다음 상기 전극조립체를 상기 파우치 외장재에 내장시켜서 밀봉하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
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