WO2015190848A1

WO2015190848A1 - 전기화학 소자 및 이의 제조방법

Info

Publication number: WO2015190848A1
Application number: PCT/KR2015/005890
Authority: WO
Inventors: 홍영진; 이영재; 이성근; 강순선; 김경호; 김권수; 조인환; 최경린; 박재석; 김병주
Original assignee: (주)오렌지파워
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2015-12-17
Also published as: US20160141736A1; EP3157088A1; CN105580183A; EP3157088A4

Abstract

본 발명은 제1 전극, 세퍼레이터, 제2 전극이 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성되며, 중앙에 중공부를 구비하는 전극조립체; 상기 전극조립체의 상면에 설치되어 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되며, 중앙에 상기 중공부에 대응하는 제1 관통홀을 구비하는 제1 탭플레이트; 그리고, 상기 전극조립체의 하면에 설치되어 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되며, 중앙에 상기 중공부에 대응하는 제2 관통홀을 구비하는 제2 탭플레이트를 포함하여 이루어지는 전기화학 소자 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

전기화학 소자 및 이의 제조방법

본 발명은 전기화학 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각효율 및 조립성이 향상된 새로운 구조의 전기화학 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다.

또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다.

특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조 비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키므로 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 특히, 전지셀 적층체 중간에 위치하는 전지셀의 냉각이 제대로 이루어지지 않을 경우, 전체 전지모듈의 수명 저하가 초래된다.

따라서 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매 유로를 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성하거나 별도의 냉각 시스템을 추가로 설치하는 방법이 사용되고 있지만 이러한 구조는 다수의 전지셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 열이 효율적으로 발산되어 내부 열축적을 최소화할 수 있고, 또한 조립성이 개선되어 생산성이 향상된 전기화학 소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 제1 전극, 세퍼레이터, 제2 전극이 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성되며, 중앙에 중공부를 구비하는 전극조립체; 상기 전극조립체의 상면에 설치되어 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되며, 중앙에 상기 중공부에 대응하는 제1 관통홀을 구비하는 제1 탭플레이트; 그리고, 상기 전극조립체의 하면에 설치되어 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되며, 중앙에 상기 중공부에 대응하는 제2 관통홀을 구비하는 제2 탭플레이트를 포함하여 이루어지는 전기화학 소자를 제공한다.

여기서, 상기 제1 탭플레이트의 하면에는 상기 제1 전극의 상단부에서 연장되는 제1 무지부가 용접에 의해 융착되는 제1 용접부가 돌출형성된다.

그리고, 상기 제1 탭플레이트의 상면에는 제1 홈부가 형성되며, 상기 제1 홈부는 상기 제1 용접부의 직상방에 형성된다.

또한, 상기 제1 용접부 및 제1 홈부는 상기 제1 관통홀을 중심으로 방사상으로 형성된다.

또한, 상기 제1 탭플레이트에는 전해액 주입을 위한 입구가 형성된다.

여기서, 상기 제2 탭플레이트의 상면에는 상기 제2 전극의 하단부에서 연장되는 제2 무지부가 용접에 의해 융착되는 제2 용접부가 돌출형성된다.

그리고, 상기 제2 탭플레이트의 하면에는 제2 홈부가 형성되고, 상기 제2 홈부는 상기 제2 용접부의 직하방에 형성된다.

또한, 상기 제2 용접부 및 제2 홈부는 상기 제2 관통홀을 중심으로 방사상으로 형성된다.

한편, 본 발명은 상기 전극조립체와 제1, 2 탭 플레이트를 수용하며, 중심부에서 외주면까지의 최단거리가 L인 외부 케이스; 상기 전극조립체의 중공부에 삽입되며, 중앙에 반지름이 r인 홀을 구비하는 내부 케이스를 더 포함하여 이루어지며; 상기 내부 케이스와 외부 케이스 사이의 임의의 지점에서 냉매가 순환하는 외부까지의 최단거리 D가 아래와 같은 관계식 1을 만족시킨다.

[관계식 1] D≤L/2

여기서, 상기 홀의 반지름 r은 최소 1mm 이상이며, 상기 홀은 상기 외부 케이스의 단면과 동심원 관계인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 홀의 반지름 r 과 상기 외부 케이스의 중심부에서 외주면까지의 최단거리가 L 과는 아래 관계식 2 를 만족시킨다.

[관계식 2] r ≤ L/2

한편, 상기 제1 전극의 상단부에서 연장되는 제1 무지부는 서로 마주보는 방향으로 절곡되어 상기 제1 탭 플레이트의 하면에 용접되며, 상기 제2 전극의 하단부에서 연장되는 제2 무지부는 서로 마주보는 방향으로 절곡되어 상기 제2 탭 플레이트의 상면에 전기적으로 연결된다.

여기서, 상기 외부 케이스에 가까이 위치하는 제1, 2 무지부는 상기 내부 케이스를 향하여 절곡되며, 상기 내부 케이스에 가까이 위치하는 제1, 2 무지부는 외부 케이스를 향하여 절곡된다.

그리고, 상기 제1 무지부 및 제2 무지부는 주름진 형태로 제1, 2 탭 플레이트에 각각 전기적으로 연결된다.

또한, 상기 제1, 2 탭플레이트의 단면적 R과, 상기 전극조립체의 단면적 r1은 아래와 같은 관계식 3을 만족시킨다.

[관계식 3] 0.2≤(R)/(r1)≤1.0

또한, 상기 제1, 2 탭플레이트에 각각 용접되는 상기 제1 무지부 사이의 거리 및 상기 제2 무지부 사이의 거리는 0 초과 0.5 mm 미만인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 제1 전극, 세퍼레이터, 제2 전극을 순차적으로 반복적층한 후 이를 권취하여 중앙에 중공부를 구비하는 전극조립체를 형성시키는 단계; 제1 탭 플레이트의 중앙에 형성되어 있는 제1 관통홀이 상기 전극조립체의 중공부와 연통되도록 상기 제1 탭 플레이트를 전극조립체의 상면에 위치시키는 단계; 상기 제1 탭 플레이트 하면에 돌출형성되어 있는 제1 용접부에 상기 제1 전극의 상단부에서 연장형성되는 제1 무지부를 용접시키는 단계; 제2 탭 플레이트의 중앙에 형성되어 있는 제2 관통홀이 전극조립체의 중공부와 연통되도록 제2 탭 플레이트를 전극조립체의 하면에 위치시키는 단계; 그리고, 상기 제2 탭 플레이트 상면에 돌출형성되어 있는 제2 용접부에 상기 제2 전극의 하단부에서 연장형성되는 제2 무지부를 용접시키는 단계를 포함하여 이루어지는 전기화화 소자 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 제1 무지부를 제1 용접부에 용접시키는 단계는, 상기 제1 용접부에 제1 전극의 상단부에서 연장되는 제1 무지부를 접촉시키는 단계; 그리고, 상기 제1 용접부의 직상방에 위치하도록 상기 제1 탭 플레이트의 상면에 형성되는 제1 홈부를 따라 용접을 실시하여 제1 용접부에 제1 무지부가 녹아 융착되도록 하는 단계를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 제2 무지부를 제2 용접부에 용접시키는 단계는, 상기 제2 용접부에 제2 전극의 하단부에서 연장되는 제2 무지부를 접촉시키는 단계; 그리고, 상기 제2 용접부의 직하방에 위치하도록 상기 제2 탭 플레이트의 하면에 형성되는 제2 홈부를 따라 용접을 실시하여 제2 용접부에 제2 무지부가 녹아 융착되도록 하는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 중공부로 냉매를 순환시킬 수 있도록 전극조립체의 중공부가 외부로 노출되도록 함으로써 고열이 발생하는 전기화학 소자의 중앙부를 신속하게 냉각시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 내부의 임의의 지점에서 냉매가 순환하는 외부까지의 거리가 일정거리 이내로 조절되도록 하여 중공부에서 발생하는 열이 좀더 효율적으로 방출될 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 제1, 2 무지부와 제1, 2 탭 플레이트의 접촉면적을 증가시켜 용접 불량을 개선하고, 또한 제1, 2 무지부가 주림진 상태로 제1, 2 탭 플레이트에 용접되도록 하여 전해액 주입성이 개선되도록 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학 소자의 구조를 나타내는 분해사시도이다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 전극조립체의 구조를 좀더 상세히 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 제1 탭 플레이트의 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 제1 탭 플레이트의 측면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 제2 탭 플레이트의 사시도이다.

도 7은 본 발명에 따른 제2 탭 플레이트의 측면도이다.

도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학 소자의 전체구조를 나타내는 사시도이다.

도 9는 도 8의 A-A'선에 따른 절단부 단면도이다.

도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 외부 케이스의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.

도 11은 도 10의 B-B'선에 따른 절단부 단면도이다.

도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 13은 도 12의 A 부위를 확대한 도면이다.

도 14는 도 12의 B 부위를 확대한 도면이다.

도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지화학 소자의 제조과정을 간략하게 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학 소자는 전극조립체(100)와, 제1 탭 플레이트(200)와, 제2 탭 플레이트(300)를 포함하여 이루어진다.

상기 전극조립체(100)는 제1 전극(110)과, 제2 전극(120)과, 상기 제1, 2 전극(110,120) 사이에 개재되는 세퍼레이터(130)가 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성되며, 중앙에는 중공부(140)를 구비한다.

상기 제1 전극(110)은 도전성이 우수한 금속재질로 제작되며, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 일면 또는 양면에 박막의 제1 활물질층(111)이 형성된다.

여기서, 제1 전극(110)을 양극이라고 가정할 경우, 제1 전극(110)은 알루미늄 재질로 제작되고, 제1 활물질층(111)은 Ni, Co, Mn, Al, Cr, Fe, Mg, Sr, V, La, Ce 중 적어도 하나 이상의 금속과 O, F, S, P, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 비금속 원소를 포함하는 Li 화합물을 포함할 수 있다.

이러한 제1 전극(110)의 상단부에는 제1 활물질층(111)이 존재하지 않는 영역인 제1 무지부(112)가 연장형성된다. 제1 무지부(112)는 일부영역이 세퍼레이터(130)보다 상측에 위치되도록 형성되어 용접 등에 의해 이하 자세히 설명할 제1 탭 플레이트(200)에 전기적으로 연결된다.

상기 제2 전극(120)은 제1 전극(110)과 다른 극성을 가지는 도전성 금속재질로 제작되며, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 일면 또는 양면에 박막의 제2 활물질층(121)이 형성된다.

여기서, 제2 전극(120)을 음극이라고 가정할 경우, 제2 전극(120)은 구리 또는 니켈 재질로 재질로 제작되고, 제2 활물질층(121)은 리튬 이온을 삽입 및 탈리할 수 있는 저결정 탄소 또는 고결정성 탄소와 같은 탄소계 재료를 포함할 수 있다.

이러한 제2 전극(120)의 하단부에는 제2 활물질층(121)이 존재하지 않는 영역인 제2 무지부(122)가 연장형성된다. 제2 무지부(122)는 일부영역이 세퍼레이터(130)보다 하측에 위치되도록 형성되어 용접 등에 의해 이하 자세히 설명할 제2 탭 플레이트(300)에 전기적으로 연결된다.

상기 세퍼레이터(130)는 제1, 2 전극(110,120) 사이에 개재되어 양극과 음극의 접촉을 물리적으로 분리시킨다. 구체적으로, 세퍼레이터(130)는 제1, 2 활물질층(111,121)보다 크게 형성되어 제1, 2 전극(110,120)에 형성되어 있는 제1, 2 활물질층(111,121)이 직접 접촉하지 않도록 한다.

이러한 세퍼레이터(130)는 미세 다공막, 직포, 부직포, 진성 고체 고분자 전해질막, 겔고체 고분자 전해질막, 무기 세라믹 분말이 코팅된 미세 다공막 등으로 제작되어 수십 나노미터 크기의 기공을 통해 이온을 통과시킴으로써 전지의 기능이 수행되도록 하는 역할도 수행한다.

상기 제1 탭 플레이트(200)는 전극조립체(100)의 상면에 설치되며, 중앙에 전극조립체(100)의 중공부(140)와 연통되는 제1 관통홀(210)을 구비한다. 따라서 제1 탭 플레이트(200)가 설치된 후에도 중공부(140)는 제1 관통홀(210)을 통해 외부로 노출된다.

또한, 제1 탭 플레이트(200)의 하면에는 전극조립체(100)의 제1 전극(110)이 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 제1 탭 플레이트(200)의 하면에는 제1 전극(110)의 상단부에서 연장되는 제1 무지부(112)가 레이저 용접, 스팟 용접, 초음파 용접 등에 의해 융착된다.

도 4는 본 발명에 따른 제1 탭 플레이트의 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 제1 탭 플레이트의 측면도이다.

이를 위해 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 탭 플레이트(200)의 하면에는 제1 무지부(112)가 용접되는 제1 용접부(220)가 돌출형성되고, 상면에는 제1 홈부(230)가 형성된다.

여기서, 제1 홈부(230)는 제1 용접부(220)의 직상방에 형성됨이 바람직하다. 이 경우, 제1 탭 플레이트(200)를 전극조립체(100)의 상면에 위치시킨 상태에서 제1 홈부(230)를 따라 용접을 실시하면, 제1 용접부(220)에 접촉되어 있는 제1 무지부(122)가 자연히 열에 녹아 제1 용접부(220)에 융착되므로 용접작업시 제1 용접부(220)의 위치를 별도로 확인할 필요가 없어 용접작업을 보다 신속하게 진행할 수 있다.

이러한 제1 홈부(230)의 형태는 제1 용접부(220)의 형태에 따라 변형될 수 있다. 예를 들어 제1 용접부(220)가 도시된 바와 같이 제1 관통홀(210)을 중심으로 방사상으로 형성되면, 제1 홈부(230) 역시 제1 관통홀(210)를 중심으로 방사상으로 형성된다.

또한, 상기 제1 탭 플레이트(200)에는 전기화학 소자 내부에 전해액을 주입하기 위한 입구(Inlet)(240)가 형성될 수 있다. 입구(240)는 필요에 따라 다수개가 형성될 수 있다.

상기 제2 탭 플레이트(300)는 전극조립체(100)의 하면에 설치되며, 중앙에 전극조립체(100)의 중공부(140)와 연통되는 제2 관통홀(310)을 구비한다. 따라서 제2 탭 플레이트(300)가 설치되면, 중공부(140)는 제1, 2 관통홀(210,310)을 통해 외부로 노출된다.

또한, 제2 탭 플레이트(300)의 상면에는 전극조립체(100)의 제2 전극(120)이 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 제2 탭 플레이트(300)의 상면에는 제2 전극(120)의 하단부에서 연장되는 제2 무지부(122)가 레이저 용접, 스팟 용접, 초음파 용접 등에 의해 융착된다.

도 6은 본 발명에 따른 제2 탭 플레이트의 사시도이며, 도 7은 본 발명에 따른 제2 탭 플레이트의 측면도이다.

이를 위해 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 탭 플레이트(300)의 상면에는 제2 무지부(122)가 용접되는 제2 용접부(320)가 돌출형성되고, 하면에는 제2 홈부(330)가 형성된다.

여기서, 제2 홈부(330)는 제2 용접부(320)의 직하방에 형성됨이 바람직하다. 이 경우, 제2 탭 플레이트(300)를 전극조립체(100)의 하면에 위치시킨 상태에서 제2 홈부(330)를 따라 용접을 실시하면, 제2 용접부(320)에 접촉되어 있는 제2 무지부(122)가 자연히 열에 녹아 제2 용접부(320)에 융착되므로 용접작업시 제2 용접부(320)의 위치를 별도로 확인할 필요가 없어 용접작업을 보다 신속하게 진행할 수 있다.

이러한 제2 홈부(330)의 형태 역시 제2 용접부(320)의 형태에 따라 변형될 수 있다. 예를 들어 제2 용접부(320)가 제2 관통홀(310)를 중심으로 방사상으로 형성되면, 제2 홈부(330) 역시 제2 관통홀(310)를 중심으로 방사상으로 형성된다.

미설명 부호 250, 350은 상기 제1, 2 탭 플레이트(200,300)의 일측에 전기적으로 연결되는 제1, 2 전극 탭이다. 제1, 2 전극 탭(250,350)은 외부와의 전기적 연결을 위해 설치된다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지화학 소자 제조방법에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제1 전극(110), 세퍼레이터(130), 제2 전극(120)을 순차적으로 반복적층시킨 후 이를 젤리-롤 형태로 권취하여 중앙에 중공부(140)를 구비하는 전극조립체(100)를 형성한다.

다음으로, 제1 탭 플레이트(200)의 중앙에 형성되어 있는 제1 관통홀(210)이 전극조립체(100)의 중공부(140)와 연통되도록 제1 탭 플레이트(200)를 전극조립체(100)의 상면에 위치시킨다.

이때, 제1 탭 플레이트(200)의 하면에 형성된 제1 용접부(220)에 제1 전극(110)의 상단부에서 연장되는 제1 무지부(112)가 접촉되도록 한다.

다음으로, 제1 탭 플레이트(200)의 상면에 형성되어 있는 제1 홈부(230)를 따라 용접을 실시하여 제1 용접부(220)에 제1 무지부(112)가 녹아 융착되도록 한다.

다음으로, 제2 탭 플레이트(300)의 중앙에 형성되어 있는 제2 관통홀(310)이 전극조립체(100)의 중공부(140)와 연통되도록 제2 탭 플레이트(300)를 전극조립체(100)의 하면에 위치시킨다.

이때, 제2 탭 플레이트(300)의 상면에 형성된 제2 용접부(320)에 제2 전극(120)의 하단부에서 연장되는 제2 무지부(122)가 접촉되도록 한다.

다음으로, 제2 탭 플레이트(300)의 하면에 형성되어 있는 제2 홈부(330)를 따라 용접을 실시하여 제2 용접부(320)에 제2 무지부(122)가 녹아 융착되도록 한다.

도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학 소자의 전체구조를 나타내는 사시도이며, 도 9는 도 8의 A-A'선에 따른 절단부 단면도이다.

한편, 상술한 바와 같이 제작되는 전극조립체(100)와, 제1, 2 탭 플레이트(200,300) 조립체는 도 8 및 9에 도시된 바와 같이, 외부 케이스(400)에 수용되며, 이때 전극조립체(100)의 중공부(140)에는 내부 케이스(500)가 삽입된다.

내부 케이스(500)의 중앙에는 반지름 r인 홀이 형성되어 있어 내부 케이스(500)가 중공부(140)에 삽입된다고 하더라도 중공부(140)는 외부로 노출된 상태를 유지한다. 따라서 외부 케이스(400)의 외주면뿐만 아니라 내부 케이스(500)의 홀로 냉매를 순환시켜 전기화학 소자의 외면뿐만 아니라 고열이 발생하는 전기화학 소자의 중앙부를 신속하게 냉각시키는 것이 가능하다.

한편, 외부 케이스(400)의 중앙부에서 외주면까지의 최단거리를 L, 내부 케이스(500)의 중앙에 형성되는 홀의 반지름을 r, 내부 케이스(500)와 외부 케이스(400) 사이의 임의의 지점 P에서 냉매가 순환하는 외부까지의 최단거리를 D라고 할 때, D는 아래와 같은 관계식 1을 만족시킨다.

[관계식 1] D≤L/2

여기서, D는 임의의 지점 P에서 외부까지의 최단거리이므로 P가 중심부에서 어느 정도 떨어진 위치에 있는지에 따라 D는 P의 위치에서 외부 케이스(400)의 외주면까지의 거리 또는 내부 케이스(500)의 내주면까지의 거리를 나타낸다.

즉, 도 9와 같이 임의의 지점 P1이 중심부에서 L/2 이상 떨어진 위치에 있을 때에는 P1에서 외부까지의 최단거리 D는 자연히 외부 케이스(400)의 외주면까지의 거리 D1이 되고, 임의의 지점 P2가 중심부에서 L/2 이하 떨어진 위치에 있을 때에는 P2에서 외부까지의 최단거리 D는 자연히 내부 케이스(500)의 내주면까지의 거리 D2가 된다.

한편, 내부 케이스(500)의 단면은 외부 케이스(400)의 단면과 동심원 관계인 것이 바람직하다. 동심원 관계가 아닐 경우 전기화학 소자의 단면 형상이 전체적으로 비대칭이 되어 충방전 과정에서 축적되는 열이 발산되지 않을 수 있다.

또한, 상기 홀의 반지름 r 과 중심부에서 외부 케이스(400)의 외주면까지의 최단거리 L 과는 아래 관계식 2를 만족하고, 홀의 반지름 r 은 1 mm 이상임이 바람직하다.

[관계식 2] r ≤ L/2

상기 홀의 반지름 r 이 1 mm 미만일 경우 홀을 통한 내부 발열 효과 및 유로 형성 효과가 미비하게 되고, 상기 홀의 반지름 r 이 L/2 보다 클 경우 홀의 면적비율이 커짐에 따라 전극조립체(100)가 수용되는 공간이 감소하게 되어 전지 용량을 증가시키지 못하게 된다.

한편, 외부 케이스(400)의 단면형상은 원형뿐만 아니라, 사각형, 삼각형 및 다각형으로 이루어진 그룹에서 자유롭게 선택될 수 있다.

도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 외부 케이스의 다른 실시예를 나타내는 사시도이며, 도 11은 도 10의 B-B'선에 따른 절단부 단면도이다.

예를 들어, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 외부 케이스(400)는 사각 단면을 가지도록 형성될 수 있다. 이 경우에도, 외부 케이스(400)의 중앙부에서 외주면까지의 최단거리를 L, 내부 케이스(500)의 중앙에 형성되는 중공의 반지름을 r, 내부 케이스(500)와 외부 케이스(400) 사이의 임의의 지점 P에서 냉매가 순환하는 외부까지의 최단거리를 D라고 할 때, D는 동일하게 아래와 같은 관계식 1을 만족시킨다.

[관계식 1] D≤L/2

즉, 임의의 지점 P3가 중심부에서 L/2 이상 떨어진 위치에 있을 때에는 P3에서 외부까지의 최단거리 D는 외부 케이스(400)의 외주면까지의 거리 D3가 되고, 임의의 지점 P4가 중심부에서 L/2 이하 떨어진 위치에 있을 때에는 P2에서 외부까지의 최단거리 D는 내부 케이스(500)의 내주면까지의 거리 D4가 된다.

또한, 외부 케이스(400)가 사각 단면을 가지는 경우에도 상기 홀의 반지름 r 과 중심부에서 외부 케이스(400)의 외주면까지의 최단거리 L 과는 상기 관계식 2를 만족하고, 홀의 반지름 r 은 1 mm 이상으로 형성된다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학 소자는 도 12에 도시된 바와 같이, 전극조립체(100)와, 제1, 2 탭 플레이트(200,300)와, 외부 케이스(400)와, 내부 케이스(500)를 포함하여 이루어진다.

전극조립체(100)는 제1, 2 전극(110,120)과, 세퍼레이터(130)가 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성되며, 제1, 2 탭 플레이트(200,300)는 전극조립체(100)의 상하면에 설치되어 제1, 2 무지부(112,122)와 각각 전기적으로 연결된다.

상기 외부 케이스(400)는 전극조립체(100)와 제1, 2 탭 플레이트(200,300)를 내부에 수용하며, 상기 내부 케이스(500)는 전극조립체(100)의 중공부(140)에 삽입된다.

이러한 전극조립체(100)와, 제1, 2 탭 플레이트(200,300)와, 외부 케이스(400)와, 내부 케이스(500)의 구조는 제1 실시예와 동일하므로 이하 자세한 설명은 생략한다.

다만, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학 소자는 제1 탭 플레이트(200)의 하면에 제1 전극(110)의 제1 무지부(112)가 서로 마주보는 방향으로 절곡된 상태로 연결되고, 제2 탭 플레이트(300)의 상면에 제2 전극(110)의 제2 무지부(112)가 서로 마주보는 방향으로 절곡된 상태로 연결됨을 특징으로 한다.

도 13은 도 12의 A 부위를 확대한 도면이고, 도 14는 도 12의 B 부위를 확대한 도면이다.

구체적으로, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 외부 케이스(400)에 가까이 위치하는 제1, 2 무지부(112,122)는 내부 케이스(500)를 향하여 일정각도로 절곡되어 제1, 2 탭플레이트(200,300)의 하면에 연결되고(도 13의 A1 및 도 14의 B1 참조), 내부 케이스(500)에 가까이 위치하는 제1, 2 무지부(112,122)는 외부 케이스(400)를 향하여 일정각도로 절곡되어 제1, 2 탭플레이트(200,300)의 하면에 연결된다.(도 13의 A2 및 도 14의 B2 참조)

이와 같이 제1 무지부(112) 및 제2 무지부(122)가 각각 서로 마주보는 방향으로 일정각도 절곡되어 제1, 2 탭 플레이트(200,300)의 하면에 연결되면, 제1, 2 무지부(112,122)가 제1, 2 탭플레이트(200,300)에 접촉하는 면적이 증가하므로 용접시 제1, 2 무지부(112,122)를 제1, 2 탭 플레이트(200,300)에 효과적으로 융착시킬 수 있다.

또한, 내부 케이스(500)에 가까이 위치하는 제1, 2 무지부(112,122)는 외부 케이스(400)를 향하여 절곡되고, 외부 케이스(400)에 가까이 위치하는 제1, 2 무지부(112,122)는 내부 케이스(500)를 향하여 절곡될 경우, 외부 케이스(400)에 전극조립체(100)를 수납하고, 전극조립체(100)의 중공부(140)에 내부 케이스(500)를 삽입하는 작업시 제1, 2 무지부(112,122)가 외부 케이스(400) 및 내부 케이스(500)에 접촉하는 것을 방지할 수 있다.

하지만, 제1, 2 무지부(112,122)의 절곡각도가 일정이상으로 커지면 제1, 2 무지부(112,122)와 제1, 2 탭플레이트(200,300)의 접촉면적이 증가되어 상술한 바와 같이 용접 및 수납작업의 편의성은 증가하지만, 제1 탭 플레이트(200)의 입구(240)로 주입되는 전해액과 제1, 2 무지부(112,122) 사이에 간섭이 발생하여 전해액 주입성이 나빠진다.

제1, 2 무지부(112,122)의 절곡각도는 전극조립체(100)의 단면적(r1)보다 제1, 2 탭 플레이트(200,300)의 단면적(R)이 작아질 수도록 증가하며, 실험에 의하면 제1, 2 탭플레이트의 단면적(R)과, 전극조립체(100)의 단면적(r1)의 비가 0.2보다 작아질 경우 제1, 2 무지부(112,122)의 절곡각도가 필요이상으로 증가하여 전해액 주입성이 나빠짐이 확인되었다.

따라서 제1, 2 무지부(112,122)의 절곡각도가 일정이하로 유지될 수 있도록 제1, 2 탭플레이트의 단면적(R)과, 전극조립체(100)의 단면적(r1)의 비가 아래와 같은 관계식 3을 만족시키도록 함이 바람직하다.

[관계식 3] 0.2≤(R)/(r1)≤1.0

또한, 제1 전극(110)의 제1 무지부(112) 사이의 거리 및 제2 전극(120)의 제2 무지부(122) 사이의 간격은 일정이하로 조절됨이 바람직하다.

동일한 두께의 전극조립체(100)를 형성시킨다고 가정할 때, 제1 무지부(112) 사이의 간격 및 제2 무지부(122) 사이의 간격을 증가시키면 즉, 제1, 2 전극(110,120) 또는 세퍼레이터(130)의 두께를 증가시키면 보다 적은 개수의 제1, 2 전극(110,120)을 적층시켜 전극조립체(100)를 형성시킬 수 있다. 이 경우, 제1, 2 탭 플레이트(200,300)에 접촉하는 제1, 2 무지부(112,122)의 개수가 줄어 전해액 주입성은 개선되지만, 전극조립체(100)를 구성하는 제1, 2 전극(110,120)의 권취횟수도 함께 감소해 전지용량도 감소한다.

따라서, 제1 전극(110)의 제1 무지부(112) 사이의 거리 및 제2 전극(120)의 제2 무지부(122) 사이의 간격은 0 초과 0.5 mm 미만이 되도록 조절됨이 바람직하다.

한편, 상기 제1, 2 무지부(112,122)는 주름진 상태로 제1, 2 탭플레이트(200,300)에 용접됨이 바람직하다. 제1, 2 무지부(112,122)가 주름진 상태로 용접될 경우, 자연히 제1, 2 무지부(112,122)와 제1, 2 탭플레이트(200)의 접촉 면적이 늘어날 뿐만 아니라 전해액 주입성도 개선될 수 있다.

이러한 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지화학 소자의 제조과정을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 15(a)에 도시된 바와 같이, 젤리-롤 형태로 권취되어 중앙에 중공부(140)를 구비하는 전극조립체(100)를 외부 케이스(400)에 수용시킴과 동시에 전극조립체(100)의 중공부(140)에 내부 케이스(500)를 삽입시킨다.

다음으로, 도 15(b)에 도시된 바와 같이, 전극조립체(100)의 상하면에 탭핑 압력을 가하여 제1, 2 무지부(112,122)에 주름을 형성시킨다. 여기서, 제1, 2 무지부(112,122)에 주름을 형성하기 위한 방법은 다양한 실시예가 가능하며 당업자가 자유롭게 적용할 수 있다.

다음으로, 도 15(c)에 도시된 바와 같이, 주름이 형성된 제1, 2 무지부(112,122)를 지그(600)를 이용하여 상측에서 눌러주어 제1, 2 무지부(112,122)가 절곡되며 경사지도록 한다.

이때, 지그(600)에 의해 가해지는 압력을 적절히 조절하여 상술한 바와 같이 중공부(140)에 가까이 위치하는 제1, 2 무지부(112,122)는 외부 케이스(400)를 향해 절곡되도록 하고, 외부 케이스(400)에 가까이 위치하는 제1, 2 무지부(112,122)는 중공부(140)를 향해 절곡되도록 한다.

다음으로, 상기 지그(600)를 제거한 후 제1, 2 탭플레이트(200,300)를 전극조립체(100)의 상면 및 하면에 각각 위치시킨 후 용접작업을 수행하여 제1, 2 무지부(112,122)가 제1, 2 탭 플레이트(200,300)에 융착되도록 한다.

물론, 제1, 2 탭 플레이트(200,300)에 이미 설명한 제1, 2 용접부(220,320) 및 제1, 2 홈부(230,330)가 형성되어 있을 경우, 제1, 2 홈부(230,330)를 따라 용접을 실시하여 제1, 2 용접부(220,320)에 제1, 2 무지부(112,122)가 녹아 융착되도록 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

제1 전극, 세퍼레이터, 제2 전극이 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성되며, 중앙에 중공부를 구비하는 전극조립체;

상기 전극조립체의 상면에 설치되어 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되며, 중앙에 상기 중공부에 대응하는 제1 관통홀을 구비하는 제1 탭플레이트; 그리고,

상기 전극조립체의 하면에 설치되어 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되며, 중앙에 상기 중공부에 대응하는 제2 관통홀을 구비하는 제2 탭플레이트를 포함하여 이루어지는 전기화학 소자.
제1 항에 있어서,

상기 제1 탭플레이트의 하면에는 상기 제1 전극의 상단부에서 연장되는 제1 무지부가 용접에 의해 융착되는 제1 용접부가 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제2 항에 있어서,

상기 제1 탭플레이트의 상면에는 제1 홈부가 형성되며,

상기 제1 홈부는 상기 제1 용접부의 직상방에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제3 항에 있어서,

상기 제1 용접부 및 제1 홈부는 상기 제1 관통홀을 중심으로 방사상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제1 항에 있어서,

상기 제1 탭플레이트에는 전해액 주입을 위한 입구가 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
제1 항에 있어서,

상기 제2 탭플레이트의 상면에는 상기 제2 전극의 하단부에서 연장되는 제2 무지부가 용접에 의해 융착되는 제2 용접부가 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제5 항에 있어서,

상기 제2 탭플레이트의 하면에는 제2 홈부가 형성되고,

상기 제2 홈부는 상기 제2 용접부의 직하방에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제7 항에 있어서,

상기 제2 용접부 및 제2 홈부는 상기 제2 관통홀을 중심으로 방사상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제1 항에 있어서,

상기 전극조립체와 제1, 2 탭 플레이트를 수용하며, 중심부에서 외주면까지의 최단거리가 L인 외부 케이스;

상기 전극조립체의 중공부에 삽입되며, 중앙에 반지름이 r인 홀을 구비하는 내부 케이스를 더 포함하여 이루어지며;

상기 내부 케이스와 외부 케이스 사이의 임의의 지점에서 냉매가 순환하는 외부까지의 최단거리 D가 아래와 같은 관계식 1을 만족시키는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.

[관계식 1] D≤L/2
제9 항에 있어서,

상기 홀의 반지름 r은 최소 1mm 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제9 항에 있어서,

상기 홀은 상기 외부 케이스의 단면과 동심원 관계인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제9 항에 있어서,

상기 홀의 반지름 r 과 상기 외부 케이스의 중심부에서 외주면까지의 최단거리가 L 과는 아래 관계식 2 를 만족시키는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.

[관계식 2] r ≤ L/2
제1 항에 있어서,

상기 제1 전극의 상단부에서 연장되는 제1 무지부는 서로 마주보는 방향으로 절곡되어 상기 제1 탭 플레이트의 하면에 용접되며,

상기 제2 전극의 하단부에서 연장되는 제2 무지부는 서로 마주보는 방향으로 절곡되어 상기 제2 탭 플레이트의 상면에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제13 항에 있어서,

상기 전극조립체와 제1, 2 탭 플레이트를 수용하는 외부 케이스;

상기 전극조립체의 중공부에 삽입되는 내부 케이스를 더 포함하여 이루어지며;

상기 외부 케이스에 가까이 위치하는 제1, 2 무지부는 상기 내부 케이스를 향하여 절곡되며, 상기 내부 케이스에 가까이 위치하는 제1, 2 무지부는 외부 케이스를 향하여 절곡되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제13 항에 있어서,

상기 제1 무지부 및 제2 무지부는 주름진 형태로 제1, 2 탭 플레이트에 각각 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제1 항에 있어서,

상기 제1, 2 탭플레이트의 단면적 R과, 상기 전극조립체의 단면적 r1은 아래와 같은 관계식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.

[관계식 3] 0.2≤(R)/(r1)≤1.0
제13 항에 있어서,

상기 제1, 2 탭플레이트에 각각 용접되는 상기 제1 무지부 사이의 거리 및 상기 제2 무지부 사이의 거리는 0 초과 0.5 mm 미만인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
제1 전극, 세퍼레이터, 제2 전극을 순차적으로 반복적층한 후 이를 권취하여 중앙에 중공부를 구비하는 전극조립체를 형성시키는 단계;

제1 탭 플레이트의 중앙에 형성되어 있는 제1 관통홀이 상기 전극조립체의 중공부와 연통되도록 상기 제1 탭 플레이트를 전극조립체의 상면에 위치시키는 단계;

상기 제1 탭 플레이트 하면에 돌출형성되어 있는 제1 용접부에 상기 제1 전극의 상단부에서 연장형성되는 제1 무지부를 용접시키는 단계;

제2 탭 플레이트의 중앙에 형성되어 있는 제2 관통홀이 전극조립체의 중공부와 연통되도록 제2 탭 플레이트를 전극조립체의 하면에 위치시키는 단계; 그리고,

상기 제2 탭 플레이트 상면에 돌출형성되어 있는 제2 용접부에 상기 제2 전극의 하단부에서 연장형성되는 제2 무지부를 용접시키는 단계를 포함하여 이루어지는 전기화화 소자 제조방법.
제18 항에 있어서,

상기 제1 무지부를 제1 용접부에 용접시키는 단계는,

상기 제1 용접부에 제1 전극의 상단부에서 연장되는 제1 무지부를 접촉시키는 단계; 그리고,

상기 제1 용접부의 직상방에 위치하도록 상기 제1 탭 플레이트의 상면에 형성되는 제1 홈부를 따라 용접을 실시하여 제1 용접부에 제1 무지부가 녹아 융착되도록 하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자 제조방법.
제18 항에 있어서,

상기 제2 무지부를 제2 용접부에 용접시키는 단계는,

상기 제2 용접부에 제2 전극의 하단부에서 연장되는 제2 무지부를 접촉시키는 단계; 그리고,

상기 제2 용접부의 직하방에 위치하도록 상기 제2 탭 플레이트의 하면에 형성되는 제2 홈부를 따라 용접을 실시하여 제2 용접부에 제2 무지부가 녹아 융착되도록 하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자 제조방법.