WO2018117407A1 - 장변 부위에 결합된 전극 리드를 포함하는 전극조립체 - Google Patents

장변 부위에 결합된 전극 리드를 포함하는 전극조립체 Download PDF

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김현민
임성윤
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly comprising an electrode lead coupled to a long side portion.
  • lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries is high.
  • secondary batteries are classified according to the structure of an electrode assembly having a structure in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode are formed.
  • Jelly-roll type electrode assembly having a structure wound in a state where a separator is interposed, a stack type electrode assembly in which a plurality of anodes and cathodes cut in units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator therebetween
  • an electrode assembly having an advanced structure which is a mixed form of the jelly-roll type and the stack type has a predetermined unit.
  • Stacked / foldable electrode having a structure in which positive and negative electrodes are sequentially wound in a state in which unit cells stacked on a separator film are stacked with a separator interposed therebetween Developed body lip.
  • the secondary battery is a cylindrical battery and a rectangular battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can according to the shape of the battery case, and a pouch type battery in which the electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet. Are classified.
  • a pouch-type battery having a stacked or stacked / folding electrode assembly in a pouch-type battery case of an aluminum laminate sheet has attracted much attention due to its low manufacturing cost, small weight, and easy shape deformation. And its usage is gradually increasing.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing the structure of a conventional pouch-type battery cell.
  • the pouch-type battery cell 100 includes an electrode assembly 130, electrode tabs 131 and 132 extending from the electrode assembly 130, and electrodes welded to the electrode tabs 131 and 132. And a battery case 120 accommodating the leads 140 and 141 and the electrode assembly 130.
  • the electrode assembly 130 is a power generator in which a positive electrode and a negative electrode are sequentially stacked in a state where a separator is interposed therebetween, and has a stacked or stacked / folding structure.
  • the electrode tabs 131 and 132 are the electrode assembly 130.
  • the electrode leads 140 and 141 are electrically connected to the plurality of electrode tabs 131 and 132 extending from each of the electrode plates, for example, by welding. A portion of the electrode leads 140 and 141 may be exposed to the outside of the 120.
  • an insulating film 150 may be attached to upper and lower portions of the electrode leads 140 and 141 to increase the sealing degree with the battery case 120 and to secure an electrical insulation state. It is.
  • the battery case 120 includes a case body 122 including a concave shape receiving part 123 in which the electrode assembly 130 may be seated, and a cover 121 integrally connected to the body 122.
  • the battery case 120 is formed of a resin outer layer / shielding material by combining both side portions 124 and the upper end portion 125, which are contact portions, with the electrode assembly 130 stored in the accommodating portion 123. It consists of an aluminum laminate structure of a metal layer / heat-melt resin sealant layer, by applying heat and pressure to both side portions 124 and the upper end portion 125 of the lid 121 and the main body 122 which are in contact with each other, thereby mutually fusion bonding the resin layer.
  • Both sides 124 are in direct contact with the same resin layers of the upper and lower battery cases 120, thereby allowing uniform sealing by melting.
  • the upper end 125 has electrode leads ( 140, 141 are protruding, so electrodes.
  • the insulating film 150 is interposed between the electrode leads 140 and 141 to increase the sealing property. Heat fusion.
  • a pouch-type battery cell having such a structure is electrically connected to an external device through a connection portion between electrode tabs and electrode leads.
  • the electrode assembly portion relatively spaced from the electrode tabs may have a problem in that the mobility of electrons and ions is deteriorated, so that they may not be sufficiently utilized during operation of the battery cell.
  • the problem is that the outer periphery of the planar electrode tabs of the electrode assembly does not protrude relatively long, the one part of the electrode assembly is farther away from the electrode tab structure, the worse it can be, such an electrode assembly
  • the non-uniform utilization of may accelerate the deterioration of the local electrode, thereby reducing the life of the battery cell, causing local deterioration, and may act as a factor of lowering the safety of the electrode assembly.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application form two or more electrode tabs in a relatively long length side as described later, and in order to couple one electrode lead to each of the electrode tabs.
  • the electrode assembly having the long length. It is possible to prevent the problem of deterioration of life characteristics due to uneven deterioration of the solution, and to solve the problem of deterioration of safety due to local deterioration, so that the electrode assembly can exhibit more excellent life characteristics and safety despite having a long length. It confirmed that it existed and came to complete this invention.
  • the positive electrode tab and the negative electrode tab the length protruding from the long side is continuously or discontinuously reduced from the electrode tab coupled adjacent to the other surface of the positive electrode lead and the negative electrode lead to the electrode tab coupled to the spaced position It may be a structure.
  • the electrode tab coupled to the other side of the positive electrode lead and the negative electrode lead from among the positive electrode tabs and the negative electrode tab,
  • the structure may be more spaced apart from the site.
  • the positive electrode tab and the negative electrode tab, the distance from the electrode tab coupled to the other side of the positive electrode lead and the negative electrode lead to the electrode tab coupled to the spaced position, the distance from the long side to the coupling site can be reduced Accordingly, the length of the electrode assembly may be continuously or discontinuously decreased from the electrode tab coupled to the other side of the positive electrode lead and the negative electrode lead to the electrode tab coupled to the spaced apart position. Deformation of the electrode tabs generated between the long side portion and one surface of the electrode lead may be minimized, thereby eliminating or minimizing a problem that may occur due to damage of the electrode tabs, and the long side of the electrode assembly and the electrode. Between the one surface of the lead, it is possible to minimize the space generated due to the overlapping electrode tabs, The size of the electrode assembly can be minimized.
  • an insulating material may be added to one surface of each of the positive electrode lead and the negative electrode lead which are located in the inner side facing the long side of the electrode assembly.
  • the insulating material may be an insulating tape or an insulating coating layer, but the insulating material is not limited thereto. If the insulating material is capable of exhibiting a stable bonding force with respect to one surface of the positive electrode lead and the negative electrode lead, and exhibiting sufficient insulating property, The material or structure thereof is not particularly limited.
  • the positive electrode lead and the negative electrode lead may have a structure in which one end portion extends and protrudes in the same short side direction, or each extends and protrudes in different short side directions.
  • the positive electrode lead and the negative electrode lead are extended to and protrude in the short side direction of the electrode assembly while being coupled to the positive electrode tabs and the negative electrode tabs protruding on the long side portion, respectively, to form a positive electrode terminal and a negative electrode terminal, in this case,
  • the positive electrode lead and the negative electrode lead respectively extend and protrude in the same short side direction or different short side directions, so that both the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are formed on the same short side, or one positive electrode terminal in the opposite short side direction, respectively.
  • one cathode terminal may be formed.
  • the positive electrode lead and the negative electrode lead are both extended and protruded in the positive electrode short side direction according to the desired use and structure of the electrode assembly, thereby forming two positive electrode terminals and two negative electrode terminals, or two positive electrode terminals and one positive electrode lead.
  • it can also be made of a structure that forms two negative terminals, one positive terminal and two negative terminals.
  • the electrode assembly may have a structure in which a separator interposed between the anode, the cathode, and the anode and the cathode is stacked.
  • the electrode assembly may be formed of a structure in which at least two unit cells are laminated in a structure in which a cathode, a cathode, and a separator interposed between the anode and the cathode are stacked.
  • the electrode assembly is a structure in which the electrode tabs may protrude on portions of the long side spaced apart stones or more, and may be formed in a stacked structure or a lamination & stack structure to more easily protrude the electrode tabs. Can be formed.
  • the structure of the electrode assembly is not limited thereto.
  • the stack may be formed of a winding type structure wound in one direction with a separator sheet interposed between the positive electrode sheet and the negative electrode sheet, or in a state in which a plurality of unit cells are positioned on one separator sheet.
  • it may be made of a folding structure.
  • the present invention provides a battery cell in which the electrode assembly is accommodated in a battery case
  • the battery case may be a pouch type case including a rectangular case made of a metal can or a metal layer and a resin layer.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing the structure of a conventional pouch-type battery cell
  • FIG. 2 is a schematic view showing the structure of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing a vertical cross-sectional structure of the negative electrode lead of FIG. 2;
  • FIG. 4 is an enlarged schematic view showing the structure of a portion “A” of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the structure of an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing the structure of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 200 has a rectangular structure including two long sides 201 and 203 and two short sides 202 and 204 in plan view.
  • the positive electrode tabs 211, 212 protrude from two mutually spaced portions of the first long side 201, and the negative electrode tabs 221, 222 of two mutually spaced portions of the second long side 203. Protrude from the field;
  • the positive electrode tabs 211 and 212 and the negative electrode tabs 221 and 222 protrude from portions facing each other on the first long side 201 and the second long side 203, respectively.
  • the positive lead 231 and the negative lead 232 are positioned at the first long side 201 and the second long side 203, respectively, and the positive electrode tabs 211 and 212 and the negative electrode tabs 221 and 222 are positive lead. 231 and negative lead 232, respectively.
  • the lengths of the long sides 201 and 203 are about 270% of the length of the short sides 202 and 204.
  • one end portions 231 a and 232 a extend and protrude in the direction of the first short side 202, respectively.
  • the electrode assembly 200 concentrates on the electrode tabs 211, 212, 221, and 222 as compared to the conventional electrode assembly in which the positive electrode tab and the negative electrode tab are formed on the first short side 202 or the second short side 204. It is possible to disperse the movement of the electrons, thereby effectively preventing the increase in resistance that may occur due to the concentration of the movement of the electrons, and the problem of lowering of output and lowering of safety.
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing a vertical cross-sectional structure of the negative lead of FIG. 2.
  • one surface 232b is vertically bent to face the second long side 203 of the electrode assembly 200.
  • the negative electrode tabs 222a and 222b are respectively coupled to the other surface 232c of the negative electrode lead 232 positioned to face the second long side 203 of the electrode assembly 200.
  • the negative electrode tabs 222a and 222b extend from the negative electrode tab 222a adjacent to the other surface 232c of the negative electrode lead 232 to the negative electrode tab 222b coupled to the spaced apart position. The length protruding from the gradually decreases.
  • deformation of the negative electrode tabs 222a and 222b occurring between the second long side 203 portion of the electrode assembly 200 and the one surface 232b of the negative electrode lead 232 may be minimized, and thus, the negative electrode tabs may be minimized. Problems that may occur due to damage of the (222a, 222b) can be eliminated or minimized, and overlapping positions between the second long side 203 of the electrode assembly 200 and one surface 232b of the negative electrode lead 232 The space generated by the negative electrode tabs 222a and 222b may be minimized, thereby minimizing the size of the electrode assembly 200.
  • the width T1 of the negative electrode lead 232 is about 85% of the thickness T2 of the electrode assembly 200.
  • the negative lead 232 is in close contact with the second long side 203 of the electrode assembly 200 while providing sufficient space for the negative electrode tabs 222a and 222b to be coupled.
  • the phenomenon in which the electrode assembly 200 protrudes in the vertical direction may be prevented, thereby forming a more uniform outer surface.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an enlarged structure of a portion “A” of FIG. 3.
  • an insulating tape 240 is attached to one surface 232b of the negative electrode lead 232 positioned inwardly facing the second long side 203 of the electrode assembly 200.
  • the insulation between the second long side 203 of the electrode assembly 200 and the negative electrode lead 232 is improved, so that one surface 232b of the negative electrode lead 232 is formed of the second long side 203 of the electrode assembly 200.
  • internal short circuits that can occur by contacting the anodes with different polarities can be effectively prevented.
  • the insulating tape 240 may be made of a double-sided insulating tape to improve the adhesion to the second long side 203 of the electrode assembly 200.
  • FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the structure of an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • the positive electrode tabs 511, 512, and 513 protrude from three spaced apart portions of the first long side 501, and the negative electrode tabs 521, 522, and 523. ) Protrudes from three spaced apart portions of the second long side 503.
  • the positive electrode tabs 511, 512, and 513 and the negative electrode tabs 521, 522, and 523 protrude from opposite portions of the first long side 501 and the second long side 503, respectively.
  • the positive lead 531 and the negative lead 532 may include the positive electrode tabs 511, 512, 513 and the negative electrode tabs 521, at the first long side 501 and the second long side 503 of the electrode assembly 500. 522 and 523, respectively, and one end 531a and the other end 532a extend and protrude in the direction of the first short side 502 and the second short side 504, respectively.
  • the separator By stacking the separator between the positive electrode and the negative electrode, the planar rectangular structure is formed, the length of the long side is 130% of the length of the short side, and the positive electrode tab and the negative electrode tab each have one side of each other. Electrode assemblies formed one by one on a spaced apart site were prepared.
  • the separator By stacking the separator between the positive electrode and the negative electrode, it has a planar rectangular structure, the length of the long side is 270% of the length of the short side, and the positive electrode tab and the negative electrode tab are respectively the centers of the long sides.
  • One electrode assembly formed at each site was prepared.
  • the separator By stacking the separator between the positive electrode and the negative electrode, it has a planar rectangular structure, the length of the long side is 270% of the length of the short side, and the positive and negative tabs respectively have An electrode assembly having three structures, one anode lead connected to the cathode tabs at the same time, and one cathode lead coupled to the cathode tabs were manufactured.
  • An electrode assembly having the same capacity and size as in Example 1 was prepared except that the positive electrode tab and the negative electrode tab were each formed at one mutually spaced portion of one short side.
  • Example 1 The electrode assembly prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was impregnated with a pouch type battery case together with an electrolyte solution and then sealed, thereby manufacturing a pouch type battery cell.
  • Example 1 Capacity (Ah, 0.33C) 45 95 95 95 95 95 95 Resistance R dis (mOhm, SOC50, 10s) 2.654 1.088 0.9 0.78 Total anode area (m 2 ) 0.740 2.665 2.665 2.665 Discharge Area Specific Resistance (mOhm X m 2 , SOC50, 10s) 1.964 2.899 2.399 2.079
  • Example 1 in which the electrode tabs are formed in the long side portion is compared with Comparative Example 1 in which the electrode tabs are formed in the short side portion.
  • the capacitance and the total anode area are the same, but the resistance and the discharge area specific resistance are smaller.
  • the distance from the electrode tab to each part of the electrode assembly is shorter than that of Comparative Example 1. Therefore, it means that the resistance is reduced, thereby indicating that the output reduction of the battery cell including the electrode assembly can be prevented.
  • Example 2 in which three electrode tabs were formed at both long side portions, the length of the long side showed a discharge area ratio resistance similar to that of the reference example, which was 130% of the length of the short side.
  • an electrode tab is formed at a long side portion, more specifically, at two or more spaced apart portions of the long side portion, thereby reaching each portion of the electrode assembly.
  • the discharge area specific resistance decreases, so that the output characteristics of the battery can be improved.
  • Example 1 compared to Comparative Example 1, it is possible to uniformly use all parts of the electrode assembly, it can be confirmed that the capacity retention rate is more than 87.2% even after 500 cycles.
  • Example 1 since the utilization of the electrode assembly portion spaced from the short side portion where the electrode tab is located is reduced, partial deterioration is accelerated, and the capacity retention rate is 73.5%, which is considerably lower than that of the example.
  • the electrode tab is formed in the long side portion, thereby enabling uniform utilization of all the portions of the electrode assembly, thereby improving battery life characteristics. It can be easily seen that.
  • the electrode assembly according to the present invention is formed to form two or more electrode tabs on a long side of a relatively long length, and is configured such that one electrode lead is coupled to the electrode tabs, so as to be spaced apart from the electrode tabs.
  • the electrode assembly in which the usability of the electrode assembly is degraded, it is possible to uniformly use all parts of the electrode assembly, and accordingly, life characteristics due to uneven deterioration of the electrode assembly having a long length can be achieved.
  • the problem of deterioration can be prevented, and by solving the problem of deterioration of safety due to local deterioration, there is an effect of exerting excellent life characteristics and safety even though the electrode assembly has a long length.

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Abstract

본 발명은, 평면상으로 2개의 장변과 2개의 단변을 포함하는 사각형 구조로 이루어져 있고; 상기 2개의 장변 중에서, 제 1 장변의 상호 이격된 둘 이상의 부위들에 돌출된 양극 탭, 및 제 2 장변의 상호 이격된 둘 이상의 부위들에 돌출된 음극 탭을 각각 포함하고 있으며; 상기 양극 탭과 음극 탭은 제 1 장변 부위 및 제 2 장변 부위에 위치한 하나의 양극 리드 및 음극 리드에 각각 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.

Description

장변 부위에 결합된 전극 리드를 포함하는 전극조립체
본 발명은 장변 부위에 결합된 전극 리드를 포함하는 전극조립체에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 종래의 파우치형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 전지셀(100)은, 전극조립체(130), 전극조립체(130)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(131, 132), 전극 탭들(131, 132)에 용접되어 있는 전극리드들(140, 141), 및 전극조립체(130)를 수용하는 전지케이스(120)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(130)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다.전극 탭들(131, 132)은 전극조립체(130)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극 리드들(140, 141)은 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(131, 132)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(120)의 외부로 일부가 노출되어 있다.또한, 전극 리드들(140, 141)의 상하면 일부에는 전지케이스(120)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(150)이 부착되어 있다.
전지케이스(120)는 전극조립체(130)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(123)를 포함하는 케이스 본체(122)와 그러한 본체(122)에 일체로 연결되어 있는 덮개(121)로 이루어져 있고, 수납부(123)에 전극조립체(130)을 수납한 상태로 접촉부위인 양측부(124)와 상단부(125)를 결합시킴으로써 전지를 완성한다.전지케이스(120)는 수지 외층/차단성의 금속층/열용융성 수지 실란트층의 알루미늄 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 덮개(121)와 본체(122)의 양측부(124) 및 상단부(125) 부위에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 결합시킨 밀봉 잉여부를 형성한다.양측부(124)는 상하 전지케이스(120)의 동일한 수지층들이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다.반면에, 상단부(125)에는 전극 리드들(140, 141)이 돌출되어 있으므로 전극 리드들(140, 141)의 두께 및 전지케이스(120) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극 리드들(140, 141)과의 사이에 절연필름(150)을 개재한 상태에서 열융착시킨다.
일반적으로, 이러한 구조의 파우치형 전지셀은 전극 탭들과 전극 리드들의 연결 부위를 통해 외부 디바이스와의 전기적 연결이 이루어진다.
그러나, 이러한 구조로 인해 상기 전극 탭들로부터 상대적으로 이격된 전극조립체 부위는 전자 및 이온의 이동성이 저하됨에 따라, 상대적으로 전지셀의 운용간 충분히 활용되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 이러한 문제점은 전극조립체의 평면상 전극 탭들이 돌출되지 않은 외주변이 상대적으로 긴 구조로서, 상기 전극조립체의 일 부위가 전극 탭으로부터 멀리 이격된 구조일수록, 보다 악화해질 수 있으며, 이러한 전극조립체의 불균일한 활용은 국부적인 전극의 퇴화를 보다 가속화시킴으로써, 전지셀의 수명을 감소시키고, 국부적인 열화를 발생시켜, 전극조립체의 안전성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 상대적으로 긴 길이의 장변에서, 둘 이상의 전극 탭들을 형성하고, 상기 전극 탭들에 하나의 전극 리드가 각각 결합되도록 구성됨으로써, 상기 전극 탭들로부터 이격된 전극조립체 부위에 대한 활용성이 저하되는 종래의 전극조립체와 달리, 전극조립체의 모든 부위에 대한 균일한 활용이 가능하며, 이에 따라, 상기 긴 길이를 갖는 전극조립체의 불균일한 퇴화에 따른 수명 특성 저하의 문제점을 예방할 수 있고, 국부적인 열화에 따른 안전성 저하의 문제점을 해결함으로써, 상기 전극조립체가 긴 길이를 가짐에도 불구하고, 보다 우수한 수명 특성 및 안전성을 발휘할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
탭에는 소정의 장력이 발생함으로써, 상기 양극 탭과 음극 탭이 양극 리드와 음극 리드의 내측에 위치하는 일면에 결합되는 경우에 비해, 보다 안정적인 결합 구조를 형성할 수 있다.
한편, 상기 양극 탭과 음극 탭은, 양극 리드와 음극 리드의 타면에 인접하여 결합된 전극 탭으로부터, 이격된 위치에 결합된 전극 탭으로 갈수록, 장변으로부터 돌출된 길이가 연속적 또는 비연속적으로 감소하는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 양극 리드와 음극 리드의 타면에 양극 탭과 음극 탭이 결합되는 경우에, 상기 양극 탭들과 음극 탭들 중에서, 양극 리드와 음극 리드의 타면에 인접하여 결합된 전극 탭일수록, 상기 결합 부위로부터 보다 이격된 구조일 수 있다.
따라서, 상기 양극 탭과 음극 탭은, 양극 리드와 음극 리드의 타면에 인접하여 결합된 전극 탭으로부터, 이격된 위치에 결합된 전극 탭으로 갈수록, 장변으로부터 상기 결합 부위까지의 거리가 감소할 수 있으며, 이에 따라, 상기 양극 리드와 음극 리드의 타면에 인접하여 결합된 전극 탭으로부터, 이격된 위치에 결합된 전극 탭으로 갈수록, 장변으로부터 돌출된 길이가 연속적 또는 비연속적으로 감소함으로써, 상기 전극조립체의 장변 부위와 전극 리드의 일면 사이에서 발생하는 전극 탭들의 변형을 최소화할 수 있고, 이에 따라, 상기 전극 탭들의 손상으로 인해 발생할 수 있는 문제점을 없애거나 최소화할 수 있고, 상기 전극조립체의 장변과 전극 리드의 일면 사이에서, 중첩되어 위치하는 전극 탭들로 인해 발생하는 공간을 최소화할 수 있어, 상기 전극조립체의 크기를 최소화할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체의 장변에 대면하여 내측에 위치하는 양극 리드와 음극 리드의 일면에는 각각 절연성 물질이 부가되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 양극 리드와 음극 리드의 절연성이 향상됨으로써, 양극 리드와 음극 리드의 일면이 전극조립체의 장변 부위에서, 상호 극성이 상이한 음극 및 양극과 각각 접촉함으로써 발생할 수 있는 내부 단락을 효과적으로 예방할 수 있다.
이때, 상기 절연성 물질은 절연 테이프 또는 절연성 코팅층일 수 있으나, 상기 절연성 물질이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 양극 리드와 음극 리드의 일면에 대한 안정적인 결합력을 발휘하는 동시에, 충분한 절연성을 발휘할 수 있는 것이라면, 그 소재 내지 구조가 크게 제한되는 것은 아니다.
또한, 양극 리드와 음극 리드는, 일측 단부가 동일한 단변 방향으로 연장 및 돌출되거나, 또는 서로 다른 단변 방향으로 각각 연장 및 돌출된 구조일 수 있다.
즉, 상기 양극 리드와 음극 리드는, 장변 부위에 돌출된 양극 탭들과 음극 탭들에 각각 결합된 상태에서, 전극조립체의 단변 방향으로 연장 및 돌출됨으로써, 각각 양극 단자와 음극 단자를 형성하며, 이러한 경우에, 상기 양극 리드와 음극 리드는, 서로 동일한 단변 방향 또는 서로 다른 단변 방향으로 각각 연장 및 돌출됨으로써, 동일한 단변에 양극 단자와 음극 단자가 모두 형성되거나, 서로 대향하는 단변 방향에 각각 하나의 양극 단자와 하나의 음극 단자가 형성되는 구조로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 양극 리드와 음극 리드는, 전극조립체의 소망하는 용도 및 구조에 따라, 모두 양극 단변 방향으로 연장 및 돌출됨으로써, 2개의 양극 단자와 2개의 음극 단자를 형성하거나, 2개의 양극 단자와 1개의 음극 단자, 1개의 양극 단자와 2개의 음극 단자를 형성하는 구조로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
한편, 상기 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막이 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막이 적층된 구조로 이루어진 둘 이상의 단위셀이 라미네이션 된 구조로 이루어질 수도 있다.
다시 말해, 상기 전극조립체는 장변의 상호 이격된 돌 이상의 부위들에 전극 탭들이 돌출될 수 있는 구조로서, 스택형 구조 또는 라미네이션&스택형 구조로 이루어짐으로써, 상기 전극 탭들의 돌출 구조를 보다 용이하게 형성할 수 있다.
그러나, 상기 전극 탭들이 장변에서 상호 이격된 둘 이상의 부위들에 돌출되어, 하나의 전극 리드에 각각 결합될 수 있는 구조로 이루어질 수 있다면, 상기 전극조립체의 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 보다 상세하게는, 양극 시트와 음극 시트 사이에 분리막 시트가 개재된 상태에서 일 방향으로 권취된 권취형 구조로 이루어지거나, 복수의 단위셀들이 하나의 분리막 시트 상에 위치한 상태에서, 일 방향으로 권취된 스택&폴딩 구조로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
또한, 본 발명은 상기 전극조립체가 전지케이스에 수납되어 있는 전지셀을 제공하는 바, 상기 전지케이스는 금속 캔으로 이루어진 각형 케이스 또는 금속층과 수지층을 포함하는 파우치형 케이스 일 수 있다.
상기 구성 내지 구조를 제외한 전극조립체의 나머지 구조는 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래의 파우치형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 2의 음극 리드의 수직 단면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 도 3의 "A" 부분의 구조를 확대하여 나타낸 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(200)는 평면상으로 2개의 장변들(201, 203)과 2개의 단변들(202, 204)을 포함하는 사각형 구조로 이루어져 있다.
양극 탭들(211, 212)은 제 1 장변(201)의 상호 이격된 두 군데의 부위들에서 돌출되어 있고, 음극 탭들(221, 222)은 제 2 장변(203)의 상호 이격된 두 군데의 부위들에서 돌출되어 있다.
양극 탭들(211, 212)과 음극 탭들(221, 222)은 제 1 장변(201)과 제 2 장변(203)에서, 서로 대향하는 부위들에 각각 돌출되어 있다.
제 1 장변(201) 부위 및 제 2 장변(203) 부위에는 양극 리드(231)와 음극 리드(232)가 각각 위치해 있으며, 양극 탭들(211, 212)과 음극 탭들(221, 222)은 양극 리드(231)와 음극 리드(232)에 각각 결합되어 있다.
장변들(201, 203)의 길이는 단변들(202, 204)의 길이에 대해 약 270%의 크기로 이루어져 있다.
양극 리드(231)와 음극 리드(232)는, 각각 일측 단부들(231a, 232a)이 제 1 단변(202) 방향으로 연장 및 돌출되어 있다.
따라서, 전극조립체(200)는 제 1 단변(202) 또는 제 2 단변(204)에 양극 탭 및 음극 탭이 형성되는 종래의 전극조립체에 비해, 전극 탭들(211, 212, 221, 222)에 집중되는 전자의 이동을 분산시킬 수 있으며, 이에 따라, 상기 전자의 이동이 집중됨으로써 발생할 수 있는 저항 증가 및 이로 인한 출력 저하의 문제점과 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있다.
도 3에는 도 2의 음극 리드의 수직 단면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 음극 리드(232)는 음극 탭들(222a, 222b)에 결합된 상태에서, 일면(232b)이 전극조립체(200)의 제 2 장변(203)에 대면하도록 수직 절곡된다.
음극 탭들(222a, 222b)은 전극조립체(200)의 제 2 장변(203)에 대향하여 외측에 위치하는 음극 리드(232)의 타면(232c)에 각각 결합되어 있다.
음극 탭들(222a, 222b)은 음극 리드(232)의 타면(232c)에 인접하여 결합된 음극 탭(222a)으로부터, 이격된 위치에 결합된 음극 탭(222b)으로 갈수록, 제 2 장변(203)으로부터 돌출된 길이가 점차 감소한다.
따라서, 전극조립체(200)의 제 2 장변(203) 부위와 음극 리드(232)의 일면(232b) 사이에서 발생하는 음극 탭들(222a, 222b)의 변형을 최소화할 수 있고, 이에 따라, 음극 탭들(222a, 222b)의 손상으로 인해 발생할 수 있는 문제점을 없애거나 최소화할 수 있고, 전극조립체(200)의 제 2 장변(203)과 음극 리드(232)의 일면(232b) 사이에서, 중첩되어 위치하는 음극 탭들(222a, 222b)로 인해 발생하는 공간을 최소화할 수 있어, 전극조립체(200)의 크기를 최소화할 수 있다.
음극 리드(232)의 폭(T1)은 전극조립체(200)의 두께(T2)에 대해, 약 85%의 크기로 이루어져 있다.
따라서, 음극 리드(232)에서, 음극 탭들(222a, 222b)이 결합될 수 있는 충분한 공간을 제공하는 동시에, 음극 리드(232)가 전극조립체(200)의 제 2 장변(203)에 밀착된 상태에서, 전극조립체(200)의 상하면 방향으로 돌출되는 현상을 방지해, 보다 균일한 외면을 형성할 수 있다.
도 4에는 도 3의 "A" 부분의 구조를 확대하여 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 도 3과 함께 참조하면, 전극조립체(200)의 제 2 장변(203)에 대면하여 내측에 위치하는 음극 리드(232)의 일면(232b)에는 절연 테이프(240)가 부착되어 있다.
따라서, 전극조립체(200)의 제 2 장변(203)과 음극 리드(232) 사이의 절연성이 향상됨으로써, 음극 리드(232)의 일면(232b)이 전극조립체(200)의 제 2 장변(203) 부위에서, 극성이 상이한 양극과 접촉함으로써 발생할 수 있는 내부 단락을 효과적으로 예방할 수 있다.
여기서, 절연 테이프(240)는 전극조립체(200)의 제 2 장변(203)에 대한 밀착력을 향상시키도록, 양면 절연 테이프로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 전극조립체(500)는 양극 탭들(511, 512, 513)이 제 1 장변(501)의 상호 이격된 3 군데의 부위들에서 돌출되어 있고, 음극 탭들(521, 522, 523)은 제 2 장변(503)의 상호 이격된 3 군데의 부위들에서 돌출되어 있다.
양극 탭들(511, 512, 513)과 음극 탭들(521, 522, 523)은 제 1 장변(501)과 제 2 장변(503)에서, 서로 대향하는 부위들에 각각 돌출되어 있다.
양극 리드(531)와 음극 리드(532)는, 전극조립체(500)의 제 1 장변(501)과 제 2 장변(503) 부위에서, 양극 탭들(511, 512, 513)과 음극 탭들(521, 522, 523)에 각각 결합되어 있으며, 일측 단부(531a) 및 타측 단부(532a)가 각각 제 1 단변(502) 및 제 2 단변(504) 방향으로 연장 및 돌출되어 있다.
상기 구조를 제외한 나머지 구조는 도 2의 전극조립체와 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
전극조립체 제조
<참조예>
양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층함으로써, 평면상 사각형 구조로 이루어져 있고, 장변의 길이가 단변의 길이에 대해 130%의 크기로 이루어져 있으며, 양극 탭과 음극 탭이 각각 일측 단변의 상호 이격된 부위에 하나씩 형성된 전극조립체를 제조하였다.
<실시예 1>
양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층함으로써, 평면상 사각형 구조로 이루어져 있고, 장변의 길이가 단변의 길이에 대해 270%의 크기로 이루어져 있으며, 양극 탭과 음극 탭이 각각 양측 장변들의 중앙 부위에 각각 하나씩 형성된 전극조립체를 제조하였다.
<실시예 2>
양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층함으로써, 평면상 사각형 구조로 이루어져 있고, 장변의 길이가 단변의 길이에 대해 270%의 크기로 이루어져 있으며, 양극 탭과 음극 탭이 각각 양측 장변들에 3개씩 형성되어 있고, 하나의 양극 리드가 상기 양극 탭들에 동시에 결합되고, 하나의 음극 리드가 상기 음극 탭들에 동시에 결합되어 있는 구조의 전극조립체를 제조하였다.
<비교예 1>
양극 탭과 음극 탭이 각각 일측 단변의 상호 이격된 부위에 하나씩 형성된 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 용량 및 크기를 갖는 전극조립체를 제조하였다.
전지셀 제조
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 전극조립체를 전해액과 함께 파우치형 전지케이스에 함침시킨 후 밀봉함으로써, 파우치형 전지셀을 제조하였다.
<실험예 1>
저항 분석
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전지셀의 용량, 저항, 양극 총면적 및 방전면적비저항을 각각 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
참조예 비교예 1 실시예 1 실시예 2
용량 (Ah, 0.33C) 45 95 95 95
저항 Rdis (mOhm, SOC50, 10s) 2.654 1.088 0.9 0.78
양극 총면적(m2) 0.740 2.665 2.665 2.665
방전면적비저항(mOhm X m2, SOC50, 10s) 1.964 2.899 2.399 2.079
표 1에서 보이는 바와 같이, 장변의 길이가 단변의 길이에 대해 270%의 크기로 이루어진 경우, 전극 탭들이 장변 부위에 형성된 실시예 1은, 전극 탭들이 단변 부위에 형성되어 있는 비교예 1에 비해, 용량 및 양극 총면적은 동일한 반면에, 저항 및 방전면적비저항이 보다 작은 것을 확인할 수 있다.이는, 실시예 1의 경우, 전극 탭으로부터 전극조립체의 각 부위에 이르는 거리가 비교예 1에 비해 짧아짐에 따라, 저항이 감소한다는 점을 의미하고, 이에 따라 상기 전극조립체를 포함하는 전지셀의 출력 저하를 방지할 수 있음을 나타낸다.
또한, 양측 장변 부위에 각각 3개의 전극 탭들이 형성된 실시예 2의 경우, 장변의 길이가 단변의 길이에 대해 130%의 크기로 이루어진 참조예와 유사한 방전면적비 저항을 나타냄을 확인할 수 있다.
따라서, 장변의 길이가 단변의 길이에 대해 200% 이상인 전극조립체에서, 전극 탭이 장변 부위, 보다 상세하게는, 장변 부위의 상호 이격된 둘 이상의 부위들에 형성됨으로써, 전극조립체의 각 부위에 이르는 거리가 상대적으로 짧아짐으로써, 방전면적비저항이 감소해, 전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있음을 용이하게 알 수 있다.
<실험예 2>
용량 유지율 분석
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전지셀을 섭씨 25도의 상온에서 상한 전압 4.25V의 CC/CV 모드로 500 사이클 동안 충전 및 방전한 후, 용량 유지율을 측정하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
1 사이클 잔여용량(%) 500 사이클 잔여용량(%)
실시예 1 99.9 87.2
비교예 1 99.9 73.5
표 2에서 보이는 바와 같이, 실시예 1의 경우, 비교예 1에 비해, 전극조립체의 모든 부위에 대한 균일한 활용이 가능해, 500 사이클 이후에도 용량 유지율이 87.2% 이상임을 확인할 수 있다.반면에, 비교예 1의 경우에는 전극 탭이 위치한 단변 부위로부터 이격된 전극조립체 부위에 대한 활용이 감소함으로써, 부분적인 퇴화가 가속화되어, 용량 유지율이 73.5%로 실시예에 비해 상당히 낮음을 확인할 수 있다.
따라서, 장변의 길이가 단변의 길이에 대해 200% 이상인 전극조립체에서, 전극 탭이 장변 부위에 형성됨으로써, 전극조립체의 모든 부위에 대한 균일한 활용이 가능해짐으로써, 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있음을 용이하게 알 수 있다.
이상 본 발명의 실시예 및 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는, 상대적으로 긴 길이의 장변에서, 둘 이상의 전극 탭들을 형성하고, 상기 전극 탭들에 하나의 전극 리드가 각각 결합되도록 구성됨으로써, 상기 전극 탭들로부터 이격된 전극조립체 부위에 대한 활용성이 저하되는 종래의 전극조립체와 달리, 전극조립체의 모든 부위에 대한 균일한 활용이 가능하며, 이에 따라, 상기 긴 길이를 갖는 전극조립체의 불균일한 퇴화에 따른 수명 특성 저하의 문제점을 예방할 수 있고, 국부적인 열화에 따른 안전성 저하의 문제점을 해결함으로써, 상기 전극조립체가 긴 길이를 가짐에도 불구하고, 보다 우수한 수명 특성 및 안전성을 발휘할 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 평면상으로 2개의 장변과 2개의 단변을 포함하는 사각형 구조로 이루어져 있고;
    상기 2개의 장변 중에서, 제 1 장변의 상호 이격된 둘 이상의 부위들에 돌출된 양극 탭, 및 제 2 장변의 상호 이격된 둘 이상의 부위들에 돌출된 음극 탭을 각각 포함하고 있으며;
    상기 양극 탭과 음극 탭은 제 1 장변 부위 및 제 2 장변 부위에 위치한 하나의 양극 리드 및 음극 리드에 각각 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 장변의 길이는 단변의 길이에 대해 200% 이상의 크기인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 탭과 음극 탭은, 제 1 장변과 제 2 장변에서, 서로 동일한 간격으로 이격된 3곳 이상의 부위들에 각각 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 탭과 음극 탭은, 제 1 장변과 제 2 장변에서, 서로 대향하는 부위들에 각각 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 리드와 음극 리드는, 각각 양극 탭과 음극 탭에 결합된 상태에서, 일면이 전극조립체의 장변에 대면하도록 수직 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 양극 탭과 음극 탭의 돌출 방향에 대응되는 양극 리드와 음극 리드의 폭은 전극조립체의 두께에 대해 50% 내지 100%의 크기인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 양극 탭과 음극 탭은 전극조립체의 장변에 대향하여 외측에 위치하는 양극 리드와 음극 리드의 타면에 각각 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 양극 탭과 음극 탭은, 양극 리드와 음극 리드의 타면에 인접하여 결합된 전극 탭으로부터, 이격된 위치에 결합된 전극 탭으로 갈수록, 장변으로부터 돌출된 길이가 연속적 또는 비연속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 전극조립체의 장변에 대면하여 내측에 위치하는 양극 리드와 음극 리드의 일면에는 각각 절연성 물질이 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 절연성 물질은 절연 테이프 또는 절연성 코팅층인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 양극 리드와 음극 리드는, 일측 단부가 동일한 단변 방향으로 연장 및 돌출되거나, 또는 서로 다른 단변 방향으로 각각 연장 및 돌출된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막이 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막이 적층된 구조로 이루어진 둘 이상의 단위셀이 라미네이션 된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제 1 항에 따른 전극조립체가 전지케이스에 수납되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속 캔으로 이루어진 각형 케이스 또는 금속층과 수지층을 포함하는 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
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