KR20240038510A - 전극조립체 - Google Patents

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KR20240038510A
KR20240038510A KR1020220117482A KR20220117482A KR20240038510A KR 20240038510 A KR20240038510 A KR 20240038510A KR 1020220117482 A KR1020220117482 A KR 1020220117482A KR 20220117482 A KR20220117482 A KR 20220117482A KR 20240038510 A KR20240038510 A KR 20240038510A
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김병습
김형권
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은, 음극, 분리막, 양극이 적층된 상태로 권취된 구조를 가지며, 가운데 중심홀이 형성된 전극조립체에 있어서, 미리 정해진 위치에 음극탭이 접합된 상태에서 권취된 음극; 및 상기 중심홀에 더 가깝게 배치된 내측끝단과 상기 내측끝단의 반대쪽 끝단으로써 상기 중심홀에 더 멀게 배치된 외측끝단을 갖는 양극;을 포함하고, 상기 음극, 분리막, 양극은 음극의 내측끝단이 양극의 내측끝단 보다 중심홀에 더 가깝게 위치하도록 권취되며, 상기 양극의 내측끝단에서부터 중심홀의 중심점으로 가상의 선을 이었을 때, 상기 가상의 선이 음극탭을 지나는 것을 특징으로 한다.

Description

전극조립체{ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 권취형 구조를 갖는 전극조립체에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 양극 팽창에 의해 음극 및 분리막이 파손되어 단락이 발생하는 문제 및 중심홀에서 내주면에 노출된 분리막의 풀림을 해소하기 위해 제공된 전극조립체에 관한 것이다.
전기 에너지를 저장하는 전지는 일반적으로 일차 전지와 이차 전지로 구분될 수 있다. 일차 전지는 일회용 소모성 전지인 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 충전식 전지이다.
즉, 전류에 의해 소재에 대한 환원 반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화 반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행가능하다.
여러 종류의 이차전지 중, 리튬 이차 전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)이 적층된 전극조립체가 케이스에 장착되어 제조되며, 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로부터 음극으로 삽입(Intercalation) 및 탈리(Deintercalation)되는 과정이 반복되면서, 리튬 이차 전지의 충방전이 진행된다.
상기 전극조립체는 일반적으로 미리 정해진 크기로 절단된 음극, 분리막, 양극이 미리 정해진 순서로 적층된 단위셀들이 복수 개 적층되어 또는 개별 양극/분리막/음극이 반복적층되어 하나의 전극 조립체가 된다. 그리고 이러한 전극조립체는 원통형 캔 또는 각형 파우치 등과 같은 케이스에 수용된다.
한편, 상기 전극조립체를 제조하는 방식으로써, 상기 음극과 양극 사이에 분리막을 적층한 후 감아서 제조하는 권취형, 요구되는 폭과 길이를 갖도록 재단하여 음극과 양극을 절단한 후, 상기 음극, 분리막, 양극이 반복되도록 적층하여 제조하는 적층형 및 폴딩분리막 위에 단위셀들을 나란히 올려놓은 후 일측부터 폴딩하여 제조하는 스택앤폴딩형 등이 공지된 바 있다.
이 중, 권취형(젤리롤형) 전극조립체는 권심에 첫번째 분리막을 고정시키고 상기 권심이 회전하는 동안 음극과 두번째 분리막 및 양극을 순차적으로 투입하여 제조된다(경우에 따라서 분리막, 음극, 양극의 투입순서는 달라질 수 있다).
따라서, 종래의 전극조립체에서 분리막들은 생략하고 음극과 양극이 권취된 모습이 도시된 도 1a 에 나타난 바와 같이, 양극(20)의 내측끝단(20a)이 있는 부분에서 음극(10)은 양극(20)의 두께에 의해 꺾이는 부분인 꺾임부(P)가 형성된다.
하지만, 이차전지가 충방전되는 동안 발열과 냉각이 반복됨에 따라 전극조립체에 권취된 음극(10) 및 양극(20)은 수축과 팽창이 이뤄진다. 이에 따라, 종래의 전극조립체에서 양극(20)의 내측끝단(20a)이 위치한 부분의 확대된 모습이 도시된 도 1b 에 더 명확하게 나타난 바 같이, 양극의 내측끝단(20a)은 팽창이 이뤄지는 동안 분리막(30)과 음극(10)의 꺾임부(P)를 가압하게 된다.
이러한 양극(20)의 팽창에 의해 음극(10)은 국부적으로 스트레스가 집중되어 손상이 발생할 수 있었으며, 그 사이에 놓인 분리막(30) 또한 파손되어 양극(20)과 음극(10)의 단락이 발생할 가능성이 있었다.
또한, 양극(20) 팽창에 따라 분리막(30)의 풀림이 발생하는 모습들이 순차적으로 도시된 도 1c 에 나타난 바와 같이, 중심홀(H)의 가장 내측에 위치하는(중심홀의 내주면을 형성하는) 영역에서 분리막(30)이 풀려 음극(10)과 분리될 가능성도 있었다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해소할 수 있도록 양극이 팽창하여 그 내측끝단이 이동하더라도 음극 및 분리막의 손상을 방지 또는 최소화하며, 중심홀에 노출된 분리막의 풀림을 방지할 수 있는 전극조립체를 제공하는 것에 주목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 음극, 분리막, 양극이 적층된 상태로 권취된 구조를 가지며, 가운데 중심홀이 형성된 전극조립체에 있어서, 미리 정해진 위치에 음극탭이 접합된 상태에서 권취된 음극; 및 상기 중심홀에 더 가깝게 배치된 내측끝단과 상기 내측끝단의 반대쪽 끝단으로써 상기 중심홀에 더 멀게 배치된 외측끝단을 갖는 양극;을 포함하고, 상기 음극, 분리막, 양극은 음극의 내측끝단이 양극의 내측끝단 보다 중심홀에 더 가깝게 위치하도록 권취되며, 상기 양극의 내측끝단에서부터 중심홀의 중심점으로 가상의 선을 이었을 때, 상기 가상의 선이 음극탭을 지난다.
상기 음극탭은, 상기 양극의 내측끝단 보다 중심홀에 더 가깝게 배치되는 이너음극탭;을 포함하고, 상기 양극의 내측끝단에서부터 중심홀의 중심으로 가상의 선을 이었을 때, 상기 가상의 선은 이너음극탭을 지나간다.
상기 양극의 내측끝단과 음극탭 사이에는 한층의 음극만 놓이도록 권취된다.
상기 음극탭에는 양극의 내측끝단을 향하는 면에서 표면이 파인 모양을 갖도록 파임홈이 형성된다. 상기 파임홈은 소정의 곡률을 갖는 호형으로 형성된다.
더 상세하게는, 상기 파임홈은 중간부분이 상대적으로 더 작은 곡률을 갖고(더 큰 곡률반경을 갖고) 중간부분의 양측은 상대적으로 더 큰 곡률을 갖는다(더 작은 곡률반경을 갖는다).
상기 양극의 내측끝단이 위치하는 음극의 해당영역에는 내측으로 돌출되는 꺾임부가 형성되고, 상기 파임홈이 꺾임부와 마주하도록 음극탭이 접합된다.
상기 음극탭에서 파임홈이 형성된 표면은, 평평한 제1평면부와 평평한 제2평면부 사이에 파임홈이 위치하도록 형성된다.
상기 음극탭은, 상기 양극의 외측끝단 보다 중심홀로부터 더 멀게 배치되는 아우터음극탭;을 더 포함한다.
위와 같은 구성을 갖는 전극조립체는 캔과 같은 케이스에 내장되어 이차전지로 제공된다.
전술한 바와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명은, 양극의 내측끝단의 팽창을 음극을 대신하여 음극탭이 수용함으로써, 음극 및 분리막의 손상을 방지할 수 있다.
상기 음극탭에는 양극의 내측끝단을 향하는 면에서 표면이 파인 모양을 갖도록 파임홈이 형성되어, 양극의 팽창량을 더 효율적으로 흡수할 수 있다.
도 1a 는 종래의 전극조립체에서 분리막들은 생략하고 음극과 양극이 권취된 모습이 도시된 도면.
도 1b 는 종래의 전극조립체에서 양극의 내측끝단이 위치한 부분의 확대된 모습이 도시된 도면.
도 1c 는 종래의 전극조립체에서 양극 팽창에 따라 분리막의 풀림이 발생하는 모습들이 순차적으로 도시된 도면.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따라 음극탭이 위치하는 모습이 도시된 도면.
도 3 은 본 발명의 실시예에서 제공되는 음극탭의 모습이 도시된 도면.
도 4 는 양극 내측끝단의 팽창 전 모습(위) 및 팽창 후 모습(아래)이 각각 도시된 도면.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따라 양극의 내측끝단에서부터 중심홀의 중심점으로 가상의 선을 이었을 때, 상기 가상의 선이 이너음극탭을 지나는 모습이 도시된 도면.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 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, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 양극(20)이 팽창하여 그 내측끝단(20a)이 이동하더라도 음극(10) 및 분리막(30)의 손상을 방지 또는 최소화하며, 중심홀(H)에 노출된 영역에서 분리막(30)의 풀림을 방지할 수 있는 전극조립체에 관한 것으로써, 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명한다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따라 음극탭이 위치하는 모습이 도시된 도면이며, 도 3 은 본 발명의 실시예에서 제공되는 음극탭의 모습이 도시된 도면이고, 도 4 는 양극 내측끝단의 팽창 전 모습(위) 및 팽창 후 모습(아래)이 각각 도시된 도면이다. 그리고, 도 5 는 본 발명의 실시예에 따라 양극의 내측끝단에서부터 중심홀의 중심점으로 가상의 선을 이었을 때, 상기 가상의 선이 이너음극탭을 지나는 모습이 도시된 도면이다.
본 발명에서 제공하는 실시예에 따른 전극조립체는 종래의 구조와 같이, 음극(10), 분리막(30), 양극(20)이 적층된 상태로 권취된 구조를 갖는다. 즉, 권취형 전극조립체로써, 권심(미도시)에 첫번째 분리막을 고정시키고 상기 권심이 회전하는 동안 음극과 두번째 분리막 및 양극을 순차적으로 투입하여 제조된다(경우에 따라서 분리막, 음극, 양극의 투입순서는 달라질 수 있다).
따라서, 이 실시예에서 제공되는 전극조립체는 중심홀(H)의 내주면에는 첫번째 분리막이 위치하고, 상기 첫번째 분리막, 음극, 두번째 분리막, 양극이 적층된 상태로 권취된 구조를 갖는다.
그리고, 상기 음극(10)은 미리 정해진 위치에 음극탭(40)이 접합된 상태에서 권취되고, 상기 양극(20)도 양극탭(미도시)이 접합된 상태로 권취되되 중심홀(H)에 더 가깝게 배치된 내측끝단(20a)과 상기 내측끝단(20a)의 반대쪽 끝단으로써 상기 중심홀(H)에 더 멀게 배치된 외측끝단(20b)을 갖는다.
이에 따라, 도 2, 5 에 도시된 바와 같이(참고로, 도 2, 5 에는 선이 많이져 도면이 복잡해지는 것을 피하기 위해 분리막들은 생략하고 음극과 양극만 도시되었다), 양극(20)의 내측끝단(20a)이 있는 부분에서 음극(10)은 양극(20)의 두께에 의해 꺾이는 부분인 꺾임부(P)가 형성된다.
전극조립체가 제조될 때, 위에 설명한 바와 같이 권심에는 양극(20) 보다 음극(10)이 먼저 투입되므로, 음극(10)의 내측끝단(10a)이 양극(20)의 내측끝단(20a) 보다 중심홀(H)에 더 가깝게 위치된다.
그리고, 상기 양극(20)의 내측끝단(20a)에서부터 중심홀(H)의 중심점으로 가상의 선(X)을 이었을 때, 상기 음극탭(40)은(더 상세하게는 음극탭들 중 이너음극탭은) 상기 가상의 선(X)을 지나도록 배치된다.
이때, 도 5 에 나타난 바와 같이, 상기 음극탭(40)은, 상기 양극(20)의 내측끝단(20a) 보다 중심홀(H)에 더 가깝게 배치되는 이너음극탭(40a) 및 상기 양극(20)의 외측끝단(20b) 보다 중심홀(H)로부터 더 멀게 배치되는 아우터음극탭(40b)을 포함하여 구성되며, 상기 이너음극탭(40a)이 상기 가상의 선(X)를 지나도록 구성된다.
상기 양극(20)의 내측끝단(20a)과 이너음극탭(40a) 사이에는 한층의 음극(10)만 놓인다. 참고로, 도 2, 5 에는 표시되지 않았으나, 양극(20)과 음극(10) 사이에 분리막(30)이 위치하는 것은 자명한 사항이므로, 양극의 내측끝단(20a)과 음극탭(40) 사이에는 한층의 음극과 한층의 분리막만 놓인다.
아울러, 본 발명에서 제공되는 음극탭(40)은(이너음극탭과 아우터음극탭 중 이너음극탭은) 파임홈(41)이 형성된 구조를 다른 실시예로써 제공한다.
즉, 상기 음극탭(40)에는 양극(20)의 내측끝단(20a)을 향하는 면에서 표면이 파인 모양을 갖도록 파임홈(41)이 형성된다.
도 3 에 더 명확히 나타난 바와 같이, 상기 음극탭(40)에 형성된 파임홈(41)은 소정의 곡률을 갖는 호형으로 형성된다.
더 상세하게는, 상기 파임홈(41)은 중간부분(i)이 상대적으로 더 작은 곡률을 갖고(상대적으로 평평하도록 더 큰 곡률반경을 갖고), 중간부분(i)의 양측(ii, iii)은 상대적으로 더 큰 곡률을 갖는다(상대적으로 더 휘어진 모양을 갖도록 더 작은 곡률반경을 갖는다).
그리고, 상기 음극탭(40)에서 파임홈(41)이 형성된 표면은, 평평한 제1평면부(43)와 평평한 제2평면부(44) 사이에 파임홈이 위치하도록 형성된다. 상기 제1평면부(43)와 제2평면부(44)가 형성됨에 따라 음극탭(40)은 음극(10)에 용접될 때 용접면적을 더 증대시킬 수 있다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 상기 양극(20)의 내측끝단(20a)이 위치하는 음극(10)의 해당영역에는 내측으로 돌출되는 꺾임부가 형성되고, 상기 파임홈(41)이 꺾임부와 마주하도록 음극탭(40)이 접합된다.
충방전 등에 의해 양극(20)이 팽창하면 양극(20)의 내측끝단(20a)은 활주하게된다. 이때, 활주하는 길이(θ)에 따라, 꺾임부의 위치가 이동하며 변형량도 증가하게 된다. 이러한 꺾임부의 거동은 음극탭(40)에 형성된 파임홈(41) 내에서 이뤄지므로, 양극(20) 내측끝단(20a)에 의한 음극(10)의 변형을 음극탭(40) 내에서 모두 수용할 수 있다. 이때, 음극(10)의 팽창에 의해 음극탭(40)의 위치도 함께 약간 이동될 수 있으나, 꺾임부에서 벗어날 정도로 이동되지는 않는다.
따라서, 본 발명의 구조에서는 양극(20) 팽창에 따른 음극(10)의 변형이 음극탭(40)의 파임홈(41) 내에서 수용된다. 그러므로, 꺾임부의 변형량은 (파임홈의 크기 내에서) 그 크기가 제한되며, 이러한 변형이 주변 영역으로 확대되는 현상, 변형량이 증대되어 음극(10) 및 분리막(30)이 파손되는 현상 그리고, 중심홀(H)의 내주면을 형성하는 분리막(30)이 풀리는 현상은 방지되거나, 최소한으로 억제될 수 있다.
위와 같은 구성을 갖는 전극조립체는 캔과 같은 케이스에 내장되어 이차전지로 제공될 수 있다.
전술한 바와 같은 기술적 특징을 갖는 본 발명은, 양극의 내측끝단(20a)의 팽창을 음극(10)을 대신하여 음극탭(40)이 수용함으로써, 음극(10) 및 분리막(30)의 손상을 방지할 수 있다.
상기 음극탭에는 양극의 내측끝단을 향하는 면에서 표면이 파인 모양을 갖도록 파임홈이 형성되어, 양극의 팽창량을 더 효율적으로 흡수할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
10 : 음극
10a: 음극의 내측끝단
20 : 양극
20a: 양극의 내측끝단
30 : 분리막
40 : 음극탭 (40a: 이너음극탭, 40b: 아우터음극탭)
H : 중심홀
X : 양극의 내측끝단에서부터 중심홀의 중심점을 연결하는 가상의 선

Claims (10)

  1. 음극, 분리막, 양극이 적층된 상태로 권취된 구조를 가지며, 가운데 중심홀이 형성된 전극조립체에 있어서,
    미리 정해진 위치에 음극탭이 접합된 상태에서 권취된 음극; 및
    상기 중심홀에 더 가깝게 배치된 내측끝단과 상기 내측끝단의 반대쪽 끝단으로써 상기 중심홀에 더 멀게 배치된 외측끝단을 갖는 양극;을 포함하고,
    상기 음극, 분리막, 양극은 음극의 내측끝단이 양극의 내측끝단 보다 중심홀에 더 가깝게 위치하도록 권취되며,
    상기 양극의 내측끝단에서부터 중심홀의 중심점으로 가상의 선을 이었을 때, 상기 가상의 선이 음극탭을 지나는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극탭은,
    상기 양극의 내측끝단 보다 중심홀에 더 가깝게 배치되는 이너음극탭;을 포함하고,
    상기 양극의 내측끝단에서부터 중심홀의 중심으로 가상의 선을 이었을 때, 상기 가상의 선은 이너음극탭을 지나가는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극의 내측끝단과 음극탭 사이에는 한층의 음극만 놓이도록 권취된 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극탭에는 양극의 내측끝단을 향하는 면에서 표면이 파인 모양을 갖도록 파임홈이 형성된 전극조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 파임홈은 소정의 곡률을 갖는 호형으로 형성된 전극조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 파임홈은 중간부분이 상대적으로 더 작은 곡률을 갖고 중간부분의 양측은 상대적으로 더 큰 곡률을 갖는 전극조립체.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 양극의 내측끝단이 위치하는 음극의 해당영역에는 내측으로 돌출되는 꺾임부가 형성되고, 상기 파임홈이 꺾임부와 마주하도록 음극탭이 접합된 전극조립체.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 음극탭에서 파임홈이 형성된 표면은,
    평평한 제1평면부와 평평한 제2평면부 사이에 파임홈이 위치하도록 형성된 전극조립체.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 음극탭은, 상기 양극의 외측끝단 보다 중심홀로부터 더 멀게 배치되는 아우터음극탭;을 더 포함하는 전극조립체.
  10. 제 1 항의 전극조립체를 포함하는 이차전지.
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