WO2018080080A1 - 이차 전지 - Google Patents

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WO2018080080A1
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박승희
이제완
임재민
정의선
조경훈
조영광
허경이
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삼성에스디아이(주)
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Definitions

  • one end of the inner peripheral tab 114 is electrically connected to the negative electrode non-coated portion, the other end may protrude and extend to the outside.
  • an insulating member 114a is attached to the inner circumferential tab 114 to prevent the inner circumferential tab 114 from being shorted with the pouch packaging material 120.
  • the separators 113a and 113b are penetrated or torn, so that the negative electrode first and second positive portions 111d and the positive electrode second and second portions are separated.
  • 112e that is, the upper region of the negative electrode first non-coating portion 111d
  • the negative electrode third non-coating portion 111f and the positive electrode second non-coating portion 112e are electrically shorted.
  • the electrical energy of the electrode assembly 110 is quickly released, thereby improving the safety of the secondary battery 100.

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예는 이차 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 상대적으로 두꺼운 내주탭 및 상대적으로 얇은 외주탭을 갖는 전극 조립체를 제공함으로써, 낙하 충격에 강한 이차 전지를 제공하는데 있다. 이를 위해 본 발명은 권취 선단에 내주탭이 형성된 음극판; 상기 음극판을 덮는 세퍼레이터; 및 권취 종단에 외주탭이 형성된 양극판을 포함하는 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 개시한다.

Description

이차 전지
본 발명의 다양한 실시예는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 스마트폰, 피처폰, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량의 이차 전지는 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원 및 전력 저장용 전지 등으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 양극 및 음극으로 이루어지는 전극 조립체, 이를 수용하는 케이스, 전극 조립체에 연결되는 전극 단자 등을 포함한다. 케이스는 그 형상에 따라 원형, 각형 및 파우치형 등으로 구분할 수 있다. 이 중, 파우치형 이차 전지는 다양한 형상으로 변형이 용이하고 중량이 작은 파우치 외장재로 형성될 수 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예는 내주탭과 외주탭을 갖는 전극 조립체를 제공함으로써, 낙하 충격/충돌 시 전압 저하 현상이 없는, 안전성이 향상된 이차 전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 음극의 권취 선단에 음극 활물질층 반코팅부가 형성되고, 양극의 권취 종단에 양극 활물질층 반코팅부가 형성된 전극 조립체를 제공함으로써, 추가적인 음극 종단 무지부없이, 관통이나 충격/충돌 시 양극 종단 무지부와 음극 종단 무지부 상호간 전기적으로 쇼트(기재-기재 쇼트)되어 전기 에너지를 신속하게 방출할 수 있어, 안전성이 향상될 뿐만 아니라, 활물질층 코팅부 면적 증가에 의해 용량도 증가한 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지는 권취 선단에 내주탭이 형성된 음극판과, 상기 음극판 위에 형성된 세퍼레이터와, 상기 세퍼레이터 위에 형성되고, 권취 종단에 외주탭이 형성된 양극판을 포함하는 전극 조립체; 및, 내측에 상기 전극 조립체를 수용하되 외측으로 상기 내주탭 및 상기 외주탭이 연장되도록 하는 파우치 외장재를 포함할 수 있다.
상기 외주탭은 상기 양극판에 접속된 제1외주탭과, 상기 제1외주탭에 접속된 채 상기 파우치 외장재의 외측으로 연장된 제2외주탭을 포함할 수 있다.
상기 제2외주탭의 두께는 상기 제1외주탭의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 음극판은 음극 제1면과 상기 음극 제1면의 반대면인 음극 제2면을 갖는 음극 집전판과, 상기 음극 제1면에 코팅된 음극 제1활물질층과, 상기 음극 제2면에 코팅된 음극 제2활물질층을 포함할 수 있고, 상기 음극 제1면 중 권취 선단에 상기 음극 제1활물질층이 코팅되지 않은 음극 제1무지부가 형성되고, 상기 음극 제1무지부에 상기 내주탭이 용접될 수 있다.
상기 음극 제1면 중 권취 종단에 상기 음극 제1활물질층이 코팅되지 않은 음극 제2무지부가 형성될 수 있다.
상기 음극 제2면 중 권취 선단에 상기 음극 제2활물질층이 코팅되지 않은 음극 제3무지부가 형성될 수 있다.
상기 양극판은 양극 제1면과 상기 양극 제1면의 반대면인 양극 제2면을 갖는 양극 집전판과, 상기 양극 제1면에 코팅된 양극 제1활물질층과, 상기 양극 제2면에 코팅된 양극 제2활물질층을 포함할 수 있고, 상기 양극 제1면 중 권취 종단에 상기 양극 제1활물질층이 코팅되지 않은 양극 제1무지부가 형성되고, 상기 양극 제1무지부에 상기 외주탭이 용접될 수 있다.
상기 양극 제1면 중 권취 선단에 상기 양극 제1활물질층이 코팅되지 않은 양극 제2무지부가 형성될 수 있다.
상기 양극 제2면 중 권취 종단에 상기 양극 제2활물질층이 코팅되지 않은 양극 제3무지부가 형성될 수 있다.
상기 음극판은 음극 제1면과 상기 음극 제1면의 반대면인 음극 제2면을 갖는 음극 집전판과, 상기 음극 제1면에 코팅된 음극 제1활물질층과, 상기 음극 제2면에 코팅된 음극 제2활물질층을 포함할 수 있고, 상기 음극 제1면 중 권취 선단에 상기 음극 제1활물질층이 코팅되지 않은 음극 제1무지부가 형성되고, 상기 음극 제1무지부에 상기 내주탭이 용접될 수 있으며, 상기 음극 제2면 중 권취 선단에 상기 음극 제2활물질층이 코팅되지 않은 음극 제3무지부가 형성될 수 있고, 상기 양극판은 양극 제1면과 상기 양극 제1면의 반대면인 양극 제2면을 갖는 양극 집전판과, 상기 양극 제1면에 코팅된 양극 제1활물질층과, 상기 양극 제2면에 코팅된 양극 제2활물질층을 포함할 수 있고, 상기 양극 제1면 중 권취 선단에 상기 양극 제1활물질층이 코팅되지 않은 양극 제2무지부가 형성될 수 있으며, 상기 권취 선단의 음극 제1무지부 및 음극 제3무지부는 상기 권취 선단의 절곡된 양극 제2무지부 사이에 끼워질 수 있다.
상기 음극 제1면 중 권취 종단에 상기 음극 제1활물질층이 코팅되지 않은 음극 제2무지부가 형성될 수 있고, 상기 양극 제1면 중 권취 종단에 상기 양극 제1활물질층이 코팅되지 않은 양극 제1무지부가 형성될 수 있으며, 상기 양극 제1무지부에 상기 외주탭이 용접될 수 있고, 상기 양극 제2면 중 권취 종단에 상기 양극 제2활물질층이 코팅되지 않은 양극 제3무지부가 형성될 수 있으며, 상기 양극 제3무지부 및 양극 제1무지부가 이루는 영역의 내측에 상기 음극 제2무지부가 위치될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 내주탭과 외주탭을 갖는 전극 조립체를 제공함으로써, 낙하 충격/충돌 시 전압 저하 현상이 없는, 안전성이 향상된 이차 전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 음극의 권취 선단에 음극 활물질층 반코팅부가 형성되고, 양극의 권취 종단에 양극 활물질층 반코팅부가 형성된 전극 조립체를 제공함으로써, 추가적인 음극 종단 무지부없이, 관통이나 충격/충돌 시 양극 종단 무지부와 음극 종단 무지부 상호간 전기적으로 쇼트(기재-기재 쇼트)되어 전기 에너지를 신속하게 방출할 수 있어, 안전성이 향상될 뿐만 아니라, 활물질층 코팅부 면적 증가에 의해 용량도 증가한 이차 전지를 제공한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 분해 사시도, 평면도 및 부분 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지 중에서 전극 조립체의 권취 전 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지 중에서 전극 조립체의 권취 후 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지 중에서 전극 조립체의 전기적 쇼트 영역을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "세퍼레이터"란 용어는 세퍼레이터와 친화성이 작은 액체 전해질을 사용하는 액체 전해질 전지에서 일반적으로 통용되는 세퍼레이터를 포함한다. 나아가, 본 명세서에서 사용되는 "세퍼레이터"는, 전해질이 세퍼레이터에 강하게 속박되어 전해질과 세퍼레이터가 동일한 것으로 인식되는 진성 고체 폴리머 전해질, 겔 고체 폴리머 전해질, 및/또는 고체 무기계 전해질을 포함하는 개념이다. 따라서, 상기 세퍼레이터는 본 명세서에서 정의하는 바에 따라 그 의미가 정의되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "외주탭"은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 제1외주탭과 제2외주탭을 포함하는 개념이다. 그러한, 제1,2외주탭이 단순히 외주탭으로 지칭될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도, 평면도 및 부분 사시도가 도시되어 있다.
도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110) 및 파우치 외장재(120)를 포함한다.
전극 조립체(110)는 음극판(111), 양극판(112) 및 음극판(111)과 양극판(112) 사이에 개재되는 세퍼레이터(113)를 포함할 수 있다. 이러한 전극 조립체(110)는 음극판(111)과 세퍼레이터(113) 및 양극판(112)의 적층제를 젤리롤 형태로 권취하여 형성될 수 있다.
음극판(111)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리 또는 니켈 호일이나 메쉬로 이루어진 음극 집전판의 양면에 코팅된 음극 활물질층을 포함한다. 여기서 음극 활물질층은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 탄소 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체, 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이트 또는 금속 산화물 등이 사용될 수 있다. 음극 집전판에 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 무지부에는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 대략 평평한 내주탭(114)이 고정(예를 들면, 용접)될 수 있다. 즉, 내주탭(114)의 일단은 음극 무지부에 전기적으로 연결되며, 타단은 외부로 돌출 및 연장될 수 있다. 또한, 내주탭(114)에는 절연 부재(114a)가 부착되어, 내주탭(114)이 파우치 외장재(120)와 쇼트되는 것을 방지할 수 있다.
양극판(112)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄 호일(foil) 또는 메쉬로 이루어진 양극 집전판의 양면에 코팅된 양극 활물질층을 포함한다. 여기서 양극 활물질층은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 칼코게나이트(chalcogenide) 화합물이 사용될 수 있으며, 일례로, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용될 수 있다. 양극 집전판에 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 무지부에는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 내주탭(114)에 비해 상대적으로 얇고 넓은 제1외주탭(115)이 고정(예를 들면, 용접)될 수 있다. 또한, 상대적으로 얇은 제1외주탭(115)에는 상대적으로 두꺼운 제2외주탭(115b)이 용접될 수 있다. 즉, 제2외주탭(115b)의 일단은 제1외주탭(115)에 전기적으로 연결되고, 타단은 외부로 돌출 및 연장될 수 있다. 또한, 제2외주탭(115b)에는 절연 부재(115a)가 부착되어, 제2외주탭(115)이 파우치 외장재(120)와 쇼트되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 내주탭(114)의 두께는 제2외주탭(115b)의 두께가 동일 또는 유사할 수 있다. 더불어, 제1외주탭(115)과 제2외주탭(111b)이 용접 영역은 대략 직각 방향으로 절곡됨으로써, 내주탭(114)과 제2외주탭(115b)은 동일 또는 유사한 평면을 이룰 수 있다.
세퍼레이터(113)는 음극판(111)과 양극판(112) 사이에 개재되어 음극판(111)과 양극판(112)의 전기적 쇼트를 방지한다. 실질적으로 세퍼레이터(113)는 한쌍이 구비되며, 이러한 한쌍의 세퍼레이터(113) 사이에 음극판(111)이 협지된다. 또한, 세퍼레이터(113)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 다공성 공중합체로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 세퍼레이터(113)는 음극판(111)과 양극판(112) 간의 전기적 쇼트를 방지하기 위해 음극판(111) 및 양극판(112) 보다 폭을 넓게 형성할 수 있다. 더불어, 세퍼레이터는, 한정하는 것은 아니지만, 고체 전해질(예를 들면, Perovskite계, NASICON계, LISICON계, Sulfide계, Garnet계 또는 Glass계와 같은 무기계 세라믹 기반 전해질 또는 고분자 기반 전해질)을 포함하는 개념으로써, 이 경우 액체 전해질이 생략될 수 있다.
파우치 외장재(120)는 전극 조립체(110)를 수용하며, 전극 조립체(110)의 외주연을 실링하여 형성된다. 파우치 외장재(120)는 실질적으로 제1외장부(121)와 제1외장부(121)에 일단이 연결되고 전극 조립체(110)를 수용할 수 있도록 일정 깊이의 리세스(123)를 갖는 제2외장부(122)를 포함한다.
더불어, 전극 조립체(110)의 외주연에 상응하는 제1,2외장부(121,122)의 둘레(124)가 상호간 열융착됨으로써, 대략 파우치 또는 포켓 타입의 외장재(120)의 내측에 전극 조립체(110)가 수용된다.
즉, 파우치 외장재(120)는 일체로 형성된 사각 판상의 파우치 외장재을 한 변의 길이 방향을 기준으로 중간을 절곡하여, 제1외장부(121)와 제2외장부(122)를 이루도록 형성된다. 제2외장부(122)에는 프레스(press) 또는 드로잉(drawing) 가공 등을 통해 전극 조립체(110)가 수용될 수 있는 일정 깊이의 리세스(123)가 형성되고, 리세스(123)의 외주연에 제1외장부(121)와의 실링을 위한 실링부(124)가 형성된다. 실링부(124)는 제1외장부(121)와 제2외장부(122)가 일체로 접하여 있는 한 변과 나머지 세변을 따라서 모두 형성될 수 있다.
또한, 제2외장부(122)는 제1외장부(121)로부터 멀어지는 네개의 연장 영역과, 이러한 네개의 연장 영역에 연결되는 동시에 리세스(123)의 바닥이 되는 평평 영역을 포함한다. 물론, 이러한 제2외장부(122)에도 상술한 리세스(123)와 대응되는 일정 깊이의 리세스가 형성될 수 있음은 당연하다. 여기서, 네개의 연장 영역 중 상대적으로 긴 영역을 장변 연장 영역으로, 상대적으로 짧은 영역을 단변 연장 영역으로 정의할 수 있다.
전극 조립체(110)의 내주탭(114)과 제2외주탭(115b)은 제1외장부(121)와 제2외장부(122)가 융착된 영역을 통하여 외부로 인출된다. 이때, 내주탭(114) 및 제2외주탭(115b)에 형성된 절연 부재(114a,115b)가 실링부(124)에 함께 실링된다. 즉, 절연 부재(114a,115b)는 내주탭(114) 및 제2외주탭(115b)과 실링부(124)가 접촉하는 부분에 형성되어 내주탭(114) 및 제2외주탭(115b)이 파우치 외장재(120)와 전기적으로 쇼트되는 것을 방지한다.
파우치 외장재(120)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 제1절연층(120a), 금속층(120b) 및 제2절연층(120c)을 갖는 다층 구조로 형성될 수 있다. 물론, 이밖에도 다양한 접착층이나 기능층이 더 추가될 수 있으나, 본 발명의 요지를 흐리지 않도록, 이에 대한 설명은 생략한다.
제1절연층(120a)은 파우치 외장재(120)의 내측면으로, 절연성 및 열접착성을 가지는 물질로 형성된다. 또한, 제1절연층(120a)은 금속층(120b)의 일면에 형성되며, 전극 조립체(110)와 대향하는 파우치 외장재(120)의 내측면을 이룬다. 제1절연층(120a)은, 한정하는 것은 아니지만, 전해액 등과 반응하지 않는 캐스티드 폴리프로핀렌(Casted Polypropylene:CPP) 또는 그 등가물로 형성될 수 있다. 제2외장부(122)의 리세스(123)에 전극 조립체(110)를 수용하고 제1외장부(121)로 덮으면, 파우치 외장재(120)의 제1절연층(120a)이 서로 접촉하게 된다. 따라서, 실링부(124)를 열융착시키면, 제1절연층(120a)이 서로 접착되어 파우치 외장재(120)가 밀봉된다.
금속층(120b)은 제1절연층(120a)과 제2절연층(120c) 사이에 개재되어 있으며, 외부로부터 수분과 산소가 유입되는 것을 막고, 만약 파우치 외장재(120)의 내부에 전해액이 채워진다면, 이의 외부 유출을 방지하는 역할을 한다. 또한, 금속층(120b)은 파우치 외장재(120)의 기계적 강도를 유지하는 역할을 한다. 일반적으로 금속층(120b)은, 한정하는 것은 아니지만, 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금으로 형성될 수 있다.
제2절연층(120c)은 파우치 외장재(120)의 외측면으로, 외부 전자기기와의 기계적, 화학적 충격을 완화하는 역할을 한다. 또한, 제2절연층(120c)은 금속층(120b)의 타면에 형성되며, 파우치 외장재(120)의 외측면을 이룬다. 제2절연층(120c)은, 한정하는 것은 아니지만, 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리부틸렌 나프탈레이트(PBN) 또는 그 등가물로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지(100)의 파우치 외장재(120)중 제2외장부(122)는 제1외장부(121)로부터 멀어지는 방향으로 연장된 다수의 연장 영역(125,126,127)과, 다수의 연장 영역(125,126,127)에 연결되고 제1외장부(121)와 대략 평행한 평평 영역(128)을 포함할 수 있다.
여기서, 다수의 연장 영역(125,126,127)과 하나의 평평 영역(128)이 실질적으로 전극 조립체(110)를 수용하는 리세스(123)를 정의할 수 있다. 더욱이, 다수의 연장 영역 중 2개의 연장 영역은 상대적으로 긴 장변 연장 영역(125)으로 정의될 수 있고, 나머지 2개의 연장 영역은 상대적으로 짧은 단변 연장 영역(126)으로 정의될 수 있으며, 또한 장변 연장 영역(125)과 단변 연장 영역(126) 사이의 코너는 코너 연장 영역(127)으로 정의될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지(100) 중에서 전극 조립체(110)의 권취 전 상태가 도시되어 있다. 도 2a 및 도 2b에서, 수직 방향으로 도시된 다수의 점선은 전극 조립체(110)의 권취 공정 중 전극 조립체(110)가 접히는 영역, 권취 영역 또는 권취 턴수(winding turn number)를 의미한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100) 중 전극 조립체(110)는 권취 선단에 내주탭(114)이 형성된 음극판(111)과, 음극판(111)을 덮는 한쌍의 세퍼레이터(113a,113b)와, 권취 종단에 제1외주탭(115)이 형성된 양극판(112)을 포함한다. 실질적으로, 제1외주탭(115)에는 제2외주탭(115b)이 더 접속될 수 있다.
여기서, 권취 선단은 전극 조립체(110)의 권취 공정 중 권취가 시작되는 영역을 의미하고, 권취 종단은 전극 조립체(110)의 권취 공정 중 권취가 종단되는 영역을 의미한다. 따라서, 권취 선단의 내주탭(114)은 권취된 전극 조립체(110)에서 대체로 내주(또는 내부 중심)에 위치되고, 권취 종단의 제1외주탭(115)은 권취된 전극 조립체(110)에서 대체로 외주(또는 외부 표면)에 위치된다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100) 중 전극 조립체(110)에서 권취 선단의 내주탭(114)과 권취 종단의 제1외주탭(115)은 상호간 이격 거리가 상대적으로 멀어지게 된다. 즉, 내주탭(114)과 제1외주탭(115)은 수평 방향 및/또는 수직 방향으로 상호간 가장 먼 이격 거리를 갖게 된다.
따라서, 이차 전지(100)의 낙하 충격/충돌 시, 내주탭(114)과 제1외주탭(115)의 이격 거리가 상호간 멀게 설계됨으로써, 내주탭(114)과 제1외주탭(115) 사이에 미세 누설 전류가 발생하지 않아, 이차 전지(100)의 전압이 순간적으로 저하되지 않게 된다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100)는 낙하 충격/충돌 시에도 출력 안전성이 확보된다.
한편, 내주탭(114)의 두께는 제1외주탭(115)의 두께보다 상대적으로 두꺼울 수 있다. 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 내주탭(114)의 두께는 대략 50 ㎛ 내지 150 ㎛이고, 제1외주탭(115)의 두께는 대략 20 ㎛ 내지 40 ㎛일 수 있다. 여기서, 상대적으로 폭이 작은 내주탭(114)은 예를 들면 일반 스트립 터미널로 지칭될 수도 있고, 상대적으로 폭이 넓은 외주탭(115)은 예를 들면 기재탭으로 지칭될 수도 있다. 물론, 제1외주탭(115)에 접속된 제2외주탭(115b)의 두께 및 폭은 내주탭(114)의 두께 및 폭과 동일 유사할 수 있다.
또한, 내주탭(114)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금, 니켈/구리/니켈의 클래드 금속, 니켈로 도금된 구리 등으로 형성될 수 있다. 또한, 제1,2외주탭(115,115b)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 알루미늄, 알루미늄 합금 등으로 형성될 수 있다.
이와 같이 하여, 내주탭(114)의 두께가 제1외주탭(115)의 두께보다 상대적으로 두꺼우므로, 전극 조립체(110)와 파우치 외장재(120) 사이의 결합 강도가 향상되고, 따라서 낙하 충격 시 전극 조립체(110)가 파우치 외장재(120)의 내부에서 유동하지 않아, 이차 전지(100)의 안전성이 더욱 향상된다. 물론, 이차 전지(100)의 안전성 향상을 위해, 경우에 따라, 내주탭(114) 뿐만 아니라 제2외주탭(115) 역시 상대적으로 두께가 두꺼운 스트립 터미널로 구현될 수 있다.
계속해서, 전극 조립체(110) 중 음극판(111), 양극판(112) 및 이들의 상호 유기적 결합 관계에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.
음극판(111)은 음극 집전판(111a), 음극 제1활물질층(111g), 음극 제2활물질층(111h) 및 상술한 내주탭(114)을 포함한다. 음극 집전판(111a)은 대략 평평한 음극 제1면(111b)과, 음극 제1면(111b)의 반대면인 대략 평평한 음극 제2면(111c)을 포함한다. 또한, 음극 제1활물질층(111g)은 음극 집전판(111a)의 음극 제1면(111b)에 코팅되고, 음극 제2활물질층(111h)은 음극 집전판(111a)의 음극 제2면(111c)에 코팅된다.
여기서, 음극 제1면(111b) 중 권취 선단에 음극 제1활물질층(111g)이 코팅되지 않은 음극 제1무지부(111d)(일측 단부로부터 대략 1턴에 대응함)가 구비되고, 음극 제1면(111b) 중 권취 종단에 음극 제1활물질층(111g)이 코팅되지 않은 음극 제2무지부(111e)(타측 단부로부터 대략 2턴에 대응함)가 구비되며, 또한, 음극 제2면(111c) 중 권취 선단에 음극 제2활물질층(111h)이 코팅되지 않은 음극 제3무지부(111f)(일측 단부로부터 대략 1턴에 대응함)가 구비된다. 더불어, 음극 제2면(111c) 중 권취 종단에는 음극 무지부가 구비되지 않는다.
여기서, 음극판(111) 중 음극 제1무지부(111d)에 내주탭(114)이, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 초음파 용접, 레이저 용접 또는 저항 용접 방식에 의해 고정될 수 있다.
한편, 한쌍의 세퍼레이터(113a,113b)는 상술한 음극판(111)의 음극 제1무지부(111d), 음극 제2무지부(111e), 음극 제3무지부(111f), 음극 제1활물질층(111g) 및 음극 제2활물질층(111h)을 덮으며, 한쌍의 세퍼레이터(113a,113b)가 갖는 길이는 음극판(111)의 길이와 대략 같거나 더 길다.
양극판(112)은 양극 집전판(112a), 양극 제1활물질층(112g), 양극 제2활물질층(112h) 및 상술한 제1외주탭(115)을 포함한다. 양극 집전판(112a)은 대략 평평한 양극 제1면(112b)과, 양극 제1면(112b)의 반대면인 대략 평평한 양극 제2면(112c)을 포함한다. 또한, 양극 제1활물질층(112g)은 양극 집전판(112a)의 양극 제1면(112b)에 코팅되고, 양극 제2활물질층(112h)은 양극 집전판(112a)의 양극 제2면(112c)에 코팅된다.
여기서, 양극 제1면(112b) 중 권취 종단에 양극 제1활물질층(112g)이 코팅되지 않은 양극 제1무지부(112d)(일측 단부로부터 대략 2턴에 대응함)가 구비되고, 양극 제1면(112b) 중 권취 선단에 양극 제1활물질층(112g)이 코팅되지 않은 양극 제2무지부(112e)(타측 단부로부터 대략 2턴에 대응함)가 구비되며, 또한, 양극 제2면(112c) 중 권취 종단에 양극 제2활물질층(112h)이 코팅되지 않은 양극 제3무지부(112f)(일측 단부로부터 대략 2턴에 대응함)가 구비된다. 더불어, 양극 제2면(112c) 중 권취 선단에는 양극 무지부가 구비되지 않는다.
여기서, 양극판(112) 중 양극 제1무지부(112d)에 제1외주탭(115)이, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 초음파 용접, 레이저 용접 또는 저항 용접 방식에 의해 고정될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지(100) 중에서 전극 조립체(110)의 권취 후 상태가 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지(100) 중에서 전극 조립체(110)의 전기적 쇼트 영역이 도시되어 있다. 여기서, 전기적 쇼트라 함은 못이 이차 전지(100)를 관통하거나, 이차 전지(100)가 낙하, 충돌 및/또는 충격 시에 세퍼레이터(113a,113b)가 찢어지면서 음극 무지부와 양극 무지부가 직접 전기적으로 접속되는 상태를 의미한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 권취된 전극 조립체(110)에서, 권취 선단의 음극 제1무지부(111d) 및 이의 반대면인 음극 제3무지부(111f)(즉, 권취 선단의 음극 무지부)는 권취 선단의 절곡된 양극 제2무지부(112e)의 사이에 끼워진 형태를 한다. 즉, 1턴의 음극 제1무지부(111d) 및 음극 제3무지부(111f)가 이루는 영역이 1,2턴의 절곡된 양극 제2무지부(112e)에 끼워진 형태를 한다. 다르게 설명하면, 권취 선단의 음극 제1무지부(111d) 및 음극 제3무지부(111f)의 영역이 대략 "⊃" 형태의 양극 제2무지부(112e)의 영역에 끼워진 형태를 한다.
물론, 음극 제1무지부(111d)와 양극 제2무지부(112e)(즉, 음극 제1무지부(111d)의 상부 영역) 사이에 세퍼레이터(113a)가 개재되고, 음극 제3무지부(111f)와 양극 제2무지부(112e)(즉, 음극 제3무지부(111f)의 하부 영역) 사이에 세퍼레이터(113b)가 개재된다.
더불어, 음극 제1무지부(111d)에 내주탭(114)이 용접되어 고정된다. 따라서, 내주탭(114) 역시 양극 제2무지부(112e)(즉, 내주탭(114)의 상부 영역)를 향하게 된다.
이와 같이 하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100)의 관통이나 충격/충돌 시, 세퍼레이터(113a,113b)가 관통되거나 찢어지면서 음극 제1무지부(111d)와 양극 제2무지부(112e)(즉, 음극 제1무지부(111d)의 상부 영역)가 전기적으로 쇼트되거나, 또는 음극 제3무지부(111f)와 양극 제2무지부(112e)(즉, 음극 제3무지부(111f)의 하부 영역)가 전기적으로 상호간 쇼트됨으로써, 전극 조립체(110)의 전기 에너지를 신속하게 방출하게 되고, 이에 따라 이차 전지(100)의 안전성이 향상되도록 한다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 권취된 전극 조립체(110)에서, 권취 종단의 양극 제1무지부(112d) 및 이의 반대면인 양극 제3무지부(112f)가 이루는 영역(권취 종단의 양극 무지부)의 내측에 권취 종단의 음극 제2무지부(111e)가 위치된다. 즉, 일측 단부로부터 1,2턴의 양극 제3무지부(112f)가 일측 단부로부터 1,2턴의 음극 제2무지부(111e)를 바라보는 형태를 한다. 다르게 설명하면, 권취 종단의 제1,2턴의 양극 제3무지부(112f)가 대략 원형 형태로 형성되고, 그 내측에 권취 종단의 제1,2턴의 음극 제2무지부(111e)가 대략 "⊃" 형태로 위치된다.
물론, 음극 제2무지부(111e)는 세퍼레이터(113a,113b)로 감싸여진다. 더불어, 양극 제1무지부(112d)에 제1외주탭(115)이 용접되어 고정된다. 따라서, 제1외주탭(115)은 직접 파우치 외장재(120)를 향하게 된다.
이와 같이 하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100)의 관통이나 충돌/충격 시, 세퍼레이터(113a,113b)가 관통되거나 찢어지면서 양극 제3무지부(112f)와 음극 제2무지부(111e)가 전기적으로 쇼트됨으로써, 전극 조립체(110)의 전기 에너지를 신속하게 방출하게 되고, 이에 따라 이차 전지(100)의 안전성이 향상된다. 이러한 구조 및 작용은 전극 조립체(110)의 전체 외측 둘레를 따라 동일하게 적용될 수 있다.
일반적으로, 이차 전지의 관통이나 충돌/충격 시, 양극 활물질층과 음극 활물질층이 직접 쇼트될 경우, 전기 저항이 가장 크므로, 열이 가장 많이 발생하고, 이 때문에 가장 위험한 상태가 된다. 다음으로 활물질과 무지부가 쇼트되는 경우이다. 그러나, 이차 전지의 관통이나 충돌/충격 시, 본 발명의 실시예에서와 같이 양극 무지부와 음극 무지부가 직접 쇼트될 경우, 전기 저항이 가장 작기 때문에 전기 에너지를 가장 신속하게 방출하면서도 열 발생량은 가장 작아 상대적으로 덜 위험한 상태가 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에서, 상술한 바와 같이 이차 전지의 관통이나 충돌/충격 시 적어도 3 포인트(도 4 참조)에서 양극 무지부와 음극 무지부가 직접 쇼트되어 전기 에너지를 방출함으로써, 이차 전지의 안전성이 더욱 향상된다. 실질적으로, 전기적 쇼트는 전극 조립체의 중심과, 전극 조립체의 전체 외측 둘레 중 임의의 영역에서 발생될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 음극판(111)의 음극 제2면(111c) 중 권취 종단에 무지부가 형성되지 않고 음극 제2활물질층(111h)이 코팅되고, 또한 양극판(112)의 양극 제2면(112c) 중 권취 선단에 무지부가 형성되지 않고 양극 제2활물질층(112h)이 코팅됨으로써, 상대적으로 무지부의 면적이 감소하는 대신 활물질층의 코팅 영역의 증가로 인해 이차 전지(100)의 용량이 증가하게 된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체(110)는 고용량 이차 전지(100)에 적합하다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 양극판(112)의 양극 제1면(112b) 중 권취 선단(예를 들면, 일측 단부로부터 1,2턴에 대응하는 영역)에 양극 제1활물질층(112g)이 코팅되지 않고 양극 제2무지부(112e)가 구비됨으로써, 고밀도 양극 활물질층에서의 문제인 권취 선단의 크랙이나 핀홀 현상이 발생하지 않게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 음극판(111)의 음극 제1,2면(111b,111c) 중 권취 선단의 2턴부터 음극 활물질층의 단면 코팅 구조가 아닌 양면 코팅 구조를 하게 됨으로써, 음극판(111)의 권취 선단에서의 문제인 컬(curl) 문제가 해소되고, 이에 따라 전극 조립체(110)의 권취를 위한 권취축 삽입 불량 문제도 해소된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
-부호의 설명-
100; 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지
110; 전극 조립체 111; 음극판
111a; 음극 집전판 111b; 음극 제1면
111c; 음극 제2면 111d; 음극 제1무지부
111e; 음극 제2무지부 111f; 음극 제3무지부
111g; 음극 제1활물질층 111h; 음극 제2활물질층
112; 양극판 112a; 양극 집전판
112b; 양극 제1면 112c; 양극 제2면
112d; 양극 제1무지부 112e; 양극 제2무지부
112f; 양극 제3무지부 112g; 양극 제1활물질층
112h; 양극 제2활물질층 113, 113a,113b; 세퍼레이터
114; 내주탭 115; 제1외주탭
120; 파우치 외장재

Claims (11)

  1. 권취 선단에 내주탭이 형성된 음극판과, 상기 음극판 위에 형성된 세퍼레이터와, 상기 세퍼레이터 위에 형성되고, 권취 종단에 외주탭이 형성된 양극판을 포함하는 전극 조립체; 및,
    내측에 상기 전극 조립체를 수용하되 외측으로 상기 내주탭 및 상기 외주탭이 연장되도록 하는 파우치 외장재를 포함하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외주탭은 상기 양극판에 접속된 제1외주탭과, 상기 제1외주탭에 접속된 채 상기 파우치 외장재의 외측으로 연장된 제2외주탭을 포함하는 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2외주탭의 두께는 상기 제1외주탭의 두께보다 두꺼운 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극판은 음극 제1면과 상기 음극 제1면의 반대면인 음극 제2면을 갖는 음극 집전판과, 상기 음극 제1면에 코팅된 음극 제1활물질층과, 상기 음극 제2면에 코팅된 음극 제2활물질층을 포함하고,
    상기 음극 제1면 중 권취 선단에 상기 음극 제1활물질층이 코팅되지 않은 음극 제1무지부가 형성되고, 상기 음극 제1무지부에 상기 내주탭이 용접된 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 음극 제1면 중 권취 종단에 상기 음극 제1활물질층이 코팅되지 않은 음극 제2무지부가 형성된 이차 전지.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 음극 제2면 중 권취 선단에 상기 음극 제2활물질층이 코팅되지 않은 음극 제3무지부가 형성된 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극판은 양극 제1면과 상기 양극 제1면의 반대면인 양극 제2면을 갖는 양극 집전판과, 상기 양극 제1면에 코팅된 양극 제1활물질층과, 상기 양극 제2면에 코팅된 양극 제2활물질층을 포함하고,
    상기 양극 제1면 중 권취 종단에 상기 양극 제1활물질층이 코팅되지 않은 양극 제1무지부가 형성되고, 상기 양극 제1무지부에 상기 외주탭이 용접된 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 양극 제1면 중 권취 선단에 상기 양극 제1활물질층이 코팅되지 않은 양극 제2무지부가 형성된 이차 전지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 양극 제2면 중 권취 종단에 상기 양극 제2활물질층이 코팅되지 않은 양극 제3무지부가 형성된 이차 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극판은 음극 제1면과 상기 음극 제1면의 반대면인 음극 제2면을 갖는 음극 집전판과, 상기 음극 제1면에 코팅된 음극 제1활물질층과, 상기 음극 제2면에 코팅된 음극 제2활물질층을 포함하고, 상기 음극 제1면 중 권취 선단에 상기 음극 제1활물질층이 코팅되지 않은 음극 제1무지부가 형성되고, 상기 음극 제1무지부에 상기 내주탭이 용접되며, 상기 음극 제2면 중 권취 선단에 상기 음극 제2활물질층이 코팅되지 않은 음극 제3무지부가 형성되고,
    상기 양극판은 양극 제1면과 상기 양극 제1면의 반대면인 양극 제2면을 갖는 양극 집전판과, 상기 양극 제1면에 코팅된 양극 제1활물질층과, 상기 양극 제2면에 코팅된 양극 제2활물질층을 포함하고, 상기 양극 제1면 중 권취 선단에 상기 양극 제1활물질층이 코팅되지 않은 양극 제2무지부가 형성되며,
    상기 권취 선단의 음극 제1무지부 및 음극 제3무지부는 상기 권취 선단의 절곡된 양극 제2무지부 사이에 끼워진 이차 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 음극 제1면 중 권취 종단에 상기 음극 제1활물질층이 코팅되지 않은 음극 제2무지부가 형성되고, 상기 양극 제1면 중 권취 종단에 상기 양극 제1활물질층이 코팅되지 않은 양극 제1무지부가 형성되며, 상기 양극 제1무지부에 상기 외주탭이 용접되고, 상기 양극 제2면 중 권취 종단에 상기 양극 제2활물질층이 코팅되지 않은 양극 제3무지부가 형성되며,
    상기 양극 제3무지부 및 양극 제1무지부가 이루는 영역의 내측에 상기 음극 제2무지부가 위치된 이차 전지.
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