WO2019098669A1 - 플렉서블 전지용 금속탭 - Google Patents

플렉서블 전지용 금속탭 Download PDF

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김주성
하진홍
이길주
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Definitions

  • the present invention relates to a metal tap for a flexible battery capable of solving the mechanical problem of a battery which can occur in a flexible environment.
  • a secondary battery is a battery capable of charging and discharging unlike a primary battery which can not be charged, and is widely used in high-tech electronic devices such as a cellular phone, a notebook computer, and a camcorder.
  • high-tech electronic devices such as a cellular phone, a notebook computer, and a camcorder.
  • lithium secondary batteries have higher voltage and higher energy density per unit weight than nickel-cadmium batteries and nickel-hydrogen batteries, which are widely used as power sources for portable electronic equipment, and their demand is increasing.
  • the secondary battery is a battery using an electrochemical reaction generated between an electrolytic material and an electrode when the positive electrode and the negative electrode are connected to each other while an anode and a cathode are inserted into the electrolytic material.
  • a flexible laminated type electrode assembly formed by laminating a plurality of positive electrode plates and negative electrode plates with a separator interposed therebetween, in which a separation membrane is inserted between a positive electrode plate and a negative electrode plate and wound together in a helical shape
  • a cylindrical battery includes a cylindrical can accommodated in a cylindrical can, and an electrolyte is injected and sealed.
  • the prismatic type cell is formed by pressing a wound electrode assembly or a stacked electrode assembly to flatten and flatten it, .
  • the pouch-type battery is formed by wrapping a wound electrode assembly or a stacked electrode assembly together with an electrolyte in a pouch-type sheathing material.
  • the positive electrode tab and the negative electrode tab may be respectively drawn out from the positive electrode plate and the negative electrode plate to the outside of the electrode assembly and connected to the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery.
  • the electrode tabs are connected to the electrode leads through the plurality of positive electrode plates stacked in the vertical direction and the electrode tabs on the negative electrode plate.
  • the bonding force is somewhat lowered in the process of direct welding,
  • a metal foil layer, and an outer resin layer, and a buffer layer having less reactivity than the metal foil layer is formed on the surface where the inner resin layer and the metal foil layer are in contact with each other.
  • the oxidation reaction of the metal foil layer is prevented even when damage occurs such as micro cracks in the internal resin layer,
  • the metal foil is vulnerable to deformation such as wrinkling at the time of bending, thereby deteriorating the characteristics of the flexible battery.
  • a path through which electrons generated from the active material flows can be provided.
  • the electrode tab protruding from the electrode having a different polarity use.
  • copper is mainly used as an anode current collector. This is because, in the case of aluminum, the alloy reacts with lithium at the working potential of the cathode. On the other hand, in the case of copper, the working potential of the cathode is stable because it does not participate in the redox reaction.
  • a metal current collector having a low Young's modulus such as aluminum and a metal current collector having a relatively high Young's modulus such as copper are used together. When the elongation and thickness of each element are different, It is necessary to provide a technique for effectively solving the problem caused by the difference in Young's modulus between the electrode and the electrode lead.
  • Patent Document 1 KR 10-2013-0063709 A
  • a metal tab comprising a lithium secondary battery, wherein the lithium secondary battery includes a first electrode and a second electrode having different polarities with a separation membrane interposed therebetween, The metal tab is welded on the first electrode tab protruding from the first electrode, and the first electrode has a Young's modulus that is smaller than or equal to that of the second electrode.
  • the current collector material of the first electrode is aluminum
  • the current collector material of the second electrode is aluminum or stainless steel.
  • the current collector material of the first electrode is copper
  • the current collector material of the second electrode is stainless steel
  • the internal angle range of the maximum bending angle of the lithium secondary battery is 10 ° to 180 °.
  • the metal tab is made of a metal material having a Young's modulus equal to or higher than that of the current collector of the first electrode, and is 1 to 5 times the thickness of the current collector of the first electrode.
  • a lithium rechargeable battery including a metal tab
  • the lithium rechargeable battery includes a metal tab welded on the first electrode tab, And the Young's modulus of the current collector, the metal tab, and the first electrode lead of the first electrode is the order of collecting the first electrode lead? Metal tab? First electrode.
  • a second electrode lead which is coupled to the second electrode tab protruding from the second electrode and extended from the second electrode, has a Young's modulus smaller than or equal to that of the current collector of the second electrode, And bent in a direction opposite to that of the electrode assembly in a state of being bonded to the second electrode tab so as to face the electrode assembly and facing outwardly of the electrode assembly.
  • the second electrode lead is bonded onto the second electrode tab protruding from the second electrode, .
  • the current collector of the second electrode, the metal tab, the first electrode lead, and the second electrode lead satisfy the following relationship: current collector of the second electrode> first electrode lead> metal tab> collector of the first electrode> Order.
  • the first electrode lead When the current collector of the first electrode and the first electrode lead have the same Young's modulus, the first electrode lead has a bending structure.
  • the electrode assemblies constituting the lithium secondary battery are alternately stacked with first electrodes and second electrodes of different polarities alternately with a separator interposed therebetween, and a pair of outermost electrodes disposed on both sides of the electrode assembly are coated with a single electrode compound coating A first electrode having a surface is disposed.
  • At least one of the electrode tabs of the pair of outermost electrodes is joined to a metal tab.
  • the lithium secondary battery is coated on the current collectors of the first and second electrodes and the electrode tabs are arranged in a state that the mixture layers are uncoated on the current collectors of the first and second electrodes, And the lithium secondary battery is sealed with a pouch including an electrode lead portion welded onto the electrode tab to protrude outside the lithium secondary battery and move electrons.
  • a metal tab is used which is connected to a thicker electrode lead on an electrode having elongation and bendability lower than a certain level of the electrode. This effectively solves the separation problem between the electrode and the lead due to the difference in thickness and elongation.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a structure in which a metal tab is coupled to an electrode tab according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is a perspective view of the metal tab coupled to the electrode tab according to Fig. 1;
  • FIG 3 is a perspective view showing a structure in which a metal tab according to another embodiment of the present invention is coupled onto an electrode tab.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a structure in which electrode leads having a bending structure are coupled to metal tabs according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a structure in which a collector of an outermost electrode among electrodes constituting an electrode assembly is arranged to have a relatively small Young's modulus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing a result of bending evaluation of a battery when a metal tap according to an embodiment of the present invention is applied and a battery not applied.
  • FIG. 7 is a graph showing the material and Young's modulus of a metal tab, an electrode, and an electrode lead according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a method of performing a stress test on a current collector and an electrode lead of a metal tab and an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • Figs. 9 and 10 are diagrams showing stresses and displacements of the metal tabs, the current collectors of the electrodes and the electrode leads, which are the materials constituting the battery, and measuring the stress and displacement of the current collectors, the electrode leads, As shown in FIG.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements.
  • FIG. 1 is a perspective view of a metal tab coupled to an electrode tab according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. Fig. 2 is a perspective view of the metal tab coupled to the electrode tab according to Fig. 1;
  • a metal tap 100 according to an embodiment of the present invention includes a first electrode 200 and a second electrode 300 having different polarities with a separator 400 interposed therebetween,
  • the current collector of the first electrode 200 of the two types of electrodes has a Young's modulus that is equal to or smaller than that of the current collector of the second electrode 300.
  • the current collector of the first electrode 200 has a Young's modulus smaller than that of the current collector of the second electrode 300, copper is used as the current collector of the first electrode 200, Or by applying stainless steel to the surface.
  • the current collector of the first electrode 200 has a smaller Young's modulus than that of the current collector of the second electrode 300, aluminum may be used as the current collector of the first electrode 200, It may be to apply stainless steel to the collector as a whole.
  • the metal tab 100 according to the present invention is bonded onto the first electrode tab 210 protruded from the first electrode 200 for electrical connection.
  • the metal tab 100 is not used in the current collector of the second electrode 300 having a Young's modulus larger than that of the first electrode 200 because the stress The problem of electrode lead-electrode separation by the electrode is mainly caused in the first electrode 200.
  • the Young's modulus of the metal tab 100 is equal to or greater than that of the first electrode 200, but is preferably less than or equal to the metal lead 500.
  • the thickness of the metal tab 100 is 1 to 5 times the thickness of the current collector of the first electrode 200.
  • the metal tab 100 of the thickness is bonded to the current collector of the first electrode 200, the stress generated due to the bending of the electrode lead 500 having a high Young's modulus can be effectively absorbed to be.
  • the thickness of the metal tab 100 is less than 1 time, the fused portion of the electrode lead 500 and the first electrode tab 210 is easily cut when the metal tab 100 is bent, If the thickness of the metal tab 100 is more than 5 times, if the binding force of the metal tab 100 is lowered on the electrode tab 210 of the first electrode 200 or if the ultrasonic wave is increased for binding, And the anvil is pressed, the workability is poor and the quality is not constant because the difficulty of welding is increased. Also, there is an adverse effect that the electrode tab 210, which is an uncoated portion below the tab-lead fused portion to which the electrode leads 500 and the electrode tabs of the first electrode 200 are welded at the time of bending, is easily cut off.
  • the lithium secondary battery is a flexible lithium secondary battery having a bending characteristic
  • the internal angle range of the maximum bending angle of the lithium secondary battery is 10 ° to 180 °. That is, according to the present invention, when a stress problem occurs in a lithium secondary battery having a flexible characteristic, particularly when a thick electrode lead (for example, nickel) is bent together with a current collector of a thin first electrode 200
  • the metal tab 100 is used between the first electrode tab 210 and the electrode lead 500 in order to solve the problem of tearing or separating the electrode tabs.
  • FIG 3 is a perspective view showing a structure in which a metal tab according to another embodiment of the present invention is coupled onto an electrode tab.
  • the metal tab 100 according to the present invention is used in a lithium secondary battery including a first electrode 200 and a second electrode 300 having different polarities with a separation film 400 sandwiched therebetween
  • the Young's modulus of the collector of the first electrode 200 is smaller than or equal to the Young's modulus of the collector of the second electrode 300.
  • the second electrode lead 600 is bent in a direction opposite to the first electrode tab 310 in a state where the second electrode lead 600 is bonded to the second electrode tab 310 protruded for electrical connection from the second electrode 300 toward the electrode assembly, And has an outwardly directed bending structure.
  • the second electrode lead 600 is bonded onto the second electrode tab 310 when the current collector of the first electrode 200 is smaller in Young's modulus than the current collector of the second electrode 300,
  • the Young's modulus of the current collector of the first electrode 200, the current collector of the second electrode 300, the metal tab 100, the first electrode lead 500, and the second electrode lead 600 is> The first electrode lead 500, the metal tab 100, the first electrode 200, and the second electrode lead 600.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a structure in which electrode leads having a bending structure are coupled to metal tabs according to another embodiment of the present invention.
  • the first electrode lead 500 may have a bending structure.
  • FIG. 5 is a view showing a structure in which the outermost electrodes among the electrodes constituting the electrode assembly are arranged to have a current collector having a relatively low Young's modulus according to another embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly has a structure in which the first electrode 200 and the second electrode 300 having different polarities are alternately stacked with the separator 400 interposed therebetween.
  • the pair of outermost electrodes constituting the electrode assembly may be arranged with the first electrode 200 having a relatively smaller Young's modulus current collector.
  • the pair of outermost electrodes may be coated with an electrode mixture only on a single surface.
  • At least one of the outermost electrodes of the pair of outermost electrodes, on which the electrode tabs are formed, are joined with metal tabs on the electrode tabs.
  • the lithium secondary battery is coated on the current collectors of the first and second electrodes 200 and 300, and the positive and negative electrodes of the positive and negative electrodes 200 and 300,
  • the lithium secondary battery is sealed with a pouch including an electrode lead portion which is welded onto the electrode tab and protrudes outside of the lithium secondary battery to move electrons.
  • the Young's modulus applied to the present invention is as follows.
  • the Young's modulus When the Young's modulus is large, it has a stiff feel, has a high resistance to deformation, has a high rigidity and low flexibility.
  • the Young's modulus When the Young's modulus is small, it has a feeling of churning, has a small resistance to deformation, is weak as much, and has high flexibility. Therefore, when the battery is bent by an external force, the outermost electrode is less likely to be cut off.
  • the thickness is too thin, it may easily break, so an appropriate thickness should be applied. Also, when electrodes having completely different materials are stacked alternately and external force is applied, the electrode having a relatively low Young's modulus is selectively cut off first, and the flexibility is secured by finding an appropriate value considering the thickness.
  • the outermost electrode does not contribute to the capacity development of the battery but occupies only the thickness and lowers the energy density, it is preferable to coat the electrode mixture in a cross section.
  • FIG. 6 is a graph showing a result of bending evaluation of a battery when a metal tap according to an embodiment of the present invention is applied and a battery not applied.
  • the conventional battery without the metal tab 100 could not exceed 30 times and the electrode and the lead were damaged.
  • the electrochemical drive is normally performed at a rate of 5000 times or more.
  • the terminal portion is easily cut off due to an external impact or force, and the capacity is rapidly decreased, so that the battery is often unable to function as a battery.
  • the characteristics of the materials constituting the battery including the metal tab 100, the electrodes 200 and 300, and the electrode leads 500 and 600 and the like can be grasped and the structure can be improved so that the lithium secondary battery can be repetitively It is possible to improve the durability of the electrode plate portion of the electrode terminal portion, which is a weak portion that is most likely to be broken or cut due to bending and twisting, which are applied forces.
  • the present invention is characterized in that small metal tabs 100 are bonded (spot welding, ultrasonic welding, laser welding, and conductive adhesive) on the electrode tabs based on the first electrode 200 and the second electrode 300 having polarities different from each other Or the like) in the terminal portion.
  • FIG. 7 is a graph showing the material and Young's modulus of a metal tab, an electrode, and an electrode lead according to an embodiment of the present invention.
  • the first electrode 200 when used as a cathode and the second electrode 300 is used as an anode, aluminum, copper, stainless steel, nickel, copper, You can classify components in a way that sets the Young's modulus.
  • the Young's modulus is a coefficient indicating how an object having elasticity changes its relative length to external stress. This is not related to the shape of the object, but only to the material that makes up the object.
  • FIG. 8 shows a method of performing a stress test on a current collector and an electrode lead of a metal tab and an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • 9 and 10 are graphs showing the results of measurement of the stress and displacement of each of the metal tabs, the current collector and the electrode leads constituting the battery and the electrode tabs, The graph shows the breakage and severance at the tap-lead joint.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the current density of the first electrode 200 and the current density of the second electrode 300 when the current collector of the first electrode 200 is copper and the current collector of the second electrode 300 is stainless steel,
  • the first electrode lead 500, and the second electrode lead 600 are broken and cut off immediately before the current collector and the metal tab 100, the first electrode lead 500, and the second electrode lead 600, respectively, are smaller than the collector total Young's modulus.
  • Copper, which is the current collector of the first electrode 200 continues to grow in the vicinity of 30 kgf / mm < 2 > and is cut at a displacement of about 1.5 mm.
  • Stainless steel, which is a current collector of the second electrode 300 has a property to resist pulling force from the outside rather than stretching when a force is applied unlike copper.
  • FIG. 10 shows a stress and displacement relationship when the current collector of the first electrode, the current collector of the second electrode, and the first electrode lead and the second electrode lead are made of aluminum, according to another embodiment.

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Abstract

금속 탭으로서, 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 리튬이차전지에서 상기 제 1 전극으로부터 돌출되어 연장된 제 1 전극탭 상에만 용착된 금속탭이며, 상기 제 1 전극의 집전체는 제 2 전극의 집전체 보다 작거나 같은 영률(Young's modulus)을 갖는 것을 특징으로 하는 금속탭이 제공된다.

Description

플렉서블 전지용 금속탭
본 발명은 플렉서블 환경에서 발생할 수 있는 전지의 기계적 문제를 해결할 수 있는 플렉서블 전지용 금속탭에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 상기 휴대형 전자기기의 경량화와 고기능화 및 사물인터넷(Internet of things, IoT)이 발전함에 따라 그 구동 전원으로 사용되는 이차전지에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있어서 그 수요가 증가하고 있는 추세이다.
이차 전지는 전해물질에 양극과 음극을 삽입한 상태에서, 상기한 양극과 음극을 연결했을 때 전해물질과 전극 사이에서 발생되는 전기화학적 반응을 이용한 전지로서, 기존의 일차전지와는 달리 전기전자제품에서 소모된 에너지를 충전기에 의해 재충전하여 반복 사용할 수 있는 충전과 방전이 가능한 전지이므로 무선 전기전자제품의 대중화와 더불어 확산되고 있는 추세이다.
통상적으로, 양극판과 음극판과 사이에 분리막을 삽입하고 이들을 함께 나선형으로 권취시킨 젤리롤 형태의 권취형 전극 조립체, 또는 분리막을 사이에 두고 다수의 양극판과 음극판을 적층하여 형성된 플렉서블 적층형 전극 조립체를 리튬 이차 전지에 많이 사용하고 있다. 예를 들어, 원통형 전지는 권취형 전극 조립체를 원통형 캔에 수납하고 전해질을 주입한 후 밀봉하는 것이고, 각형 전지는 권취형 전극 조립체나 적층형 전극 조립체를 압박하여 납작하고 평평하게 만든 다음 각형 캔에 수납하는 것이다. 또한, 파우치형 전지는 권취형 전극 조립체나 적층형 전극 조립체를 전해질과 함께 파우치형 외장재로 포장한 것이다. 이러한 전극 조립체에서, 양극판과 음극판으로부터 각각 양극탭과 음극탭이 전극 조립체의 외부로 인출되어 이차 전지의 양극과 음극에 연결될 수 있다.
한편, 상하 방향으로 적층된 다수의 양극판과 음극판 상의 전극 탭을 통해 전극 리드에 연결하게 되는데, 종래의 전극 탭과 전극 리드 간의 결합구조는 직접 용착을 하는 과정에서 결합력이 다소 떨어지게 됨으로써, 구부리는 것과 같은 전지의 변형 사용 동작을 통해서 상기 전극 탭과 전극 리드 간에 결합에 문제가 발생하게 된다. 한국 공개특허공보 제10-2013-0063709호를 참조하여 파우치형 전지를 예를 들어 설명하면, 두 전극과 분리막, 전해질을 파우치에 넣고 실링하여 사용하는 파우치형 이차전지에 있어서, 파우치가 내부 수지 층, 금속박 층, 외부 수지 층으로 이루어지고, 내부 수지 층과 금속박 층이 맞닿는 면에 금속박 층 보다 반응성이 작은 버퍼 층이 형성되어 있다고 개시되어 있다. 이 경우, 금속박 층 보다 반응성이 작은 버퍼 층을 추가로 형성함으로써, 내부 수지 층에 마이크로 크랙(micro crack)이 발생하는 등 손상이 가는 경우에도 금속박 층의 산화 반응을 막음으로써, 전지의 외측 부식을 방지할 수 있는 장점이 있지만, 근본적으로 금속박은 벤딩시 구겨짐과 같은 변형에 취약하여 플렉서블 전지의 특성을 저하시키는 문제점이 있다.
종래 기술에서 일반적인 전지 어셈블리의 굽힘 동작 시에는 굽힘 안쪽은 압축응력이 인가되고, 그 반대쪽에는 인장응력이 전지에 인가됨에 따라, 전지의 전극 조립체를 감싸는 외장재도 늘어나거나 좁혀지면서 국부적인 기계적 파손이 발생한다. 따라서, 플렉서블 특성에 적합한 새로운 플렉서블 전지 어셈블리가 필요한 상황이다.
더 나아가, 일반적인 리튬이차전지의 집전체의 경우 활물질에서 발생되는 전자를 외부로 흐를 수 있는 경로는 제공하는데 이때 상이한 극성을 갖는 전극으로부터 돌출되어 연장된 전극탭은 서로 다른 특성을 갖는 각각의 금속을 사용한다. 예를 들어 음극 집전체로는 구리가 주로 사용된다. 그 이유는 알루미늄의 경우 음극의 작동전위에서 리튬과 반응하여 합금을 생성하기 때문이다. 반면, 구리의 경우에는 음극의 작동전위에서 산화환원반응에 참여하지 않아 안정적이다. 이때, 알루미늄과 같이 영률(Young's modulus)이 낮은 금속 집전체와, 구리 등과 같이 상대적으로 영률이 높은 금속집전체를 함께 사용하는데, 각 요소의 연신율, 두께 등이 상이한 경우 전지의 굽힘 시, 응력을 효과적으로 최소화하는 기술이 필요한데, 특히 전극과 전극 리드 사이의 영률 차이에 따른 문제를 효과적으로 해결하는 기술이 필요하다.
(특허문헌 1) KR 10-2013-0063709 A
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 플렉서블 환경에서 발생할 수 있는 전지의 기계적 문제를 해결할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 리튬이차전지를 구성하는 금속탭으로서, 상기 리튬이차전지는 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 금속탭은 상기 제 1 전극으로부터 돌출되어 연장된 제 1 전극탭 상에 용착되며, 상기 제 1 전극은 제 2 전극보다 작거나 같은 영률(Young's modulus)을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 전극의 집전체 재질이 알루미늄인 경우에, 상기 제 2 전극의 집전체 재질은 알루미늄 또는 스테인레스 스틸이다.
상기 제 1 전극의 집전체 재질이 구리인 경우에, 상기 제 2 전극의 집전체 재질은 스테인레스 스틸이다.
상기 리튬이차전지의 최대 구부러짐 각도의 내각 범위는 10° 내지 180°이다.
상기 금속탭은 상기 제 1 전극의 집전체 재질과 동일하거나 더 높은 영률을 갖는 금속 재질이며, 상기 제 1 전극의 집전체의 1배 내지 5배 두께인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따른 금속탭을 포함하는 리튬이차전지로서, 상기 리튬이차전지는, 상기 제 1 전극탭 상에 용착된 금속탭 상에 제 1 전극 리드가 접합되며, 상기 제 1 전극의 집전체, 금속탭 및 제 1 전극 리드의 영률은 제 1 전극 리드 ≥ 금속탭 ≥ 제 1 전극의 집전체 순서이다.
상기 제 1 전극의 집전체가 제 2 전극의 집전체 보다 영률이 작거나 같을 경우, 상기 제 2 전극으로부터 돌출되어 연장된 제 2 전극탭 상에 결합된 제 2 전극 리드는 상기 리튬이차전지를 이루는 전극 조립체를 향하도록 상기 제 2 전극탭 상에 접합된 상태에서 180° 반대 방향으로 굽혀져 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 향한 굽힘 구조를 갖는다.
상기 제 1 전극의 집전체가 제 2 전극의 집전체 보다 영률이 작을 경우, 상기 제 2 전극으로부터 돌출되어 연장된 제 2 전극탭 상에 제 2 전극 리드가 접합되며, 상기 제 1 전극의 집전체, 제 2 전극의 집전체, 금속탭, 제 1 전극 리드 및 제 2 전극 리드의 영률은 제 2 전극의 집전체 > 제 1 전극 리드 ≥ 금속탭 ≥ 제 1 전극의 집전체 > 제 2 전극 리드 의 순서이다.
상기 제 1 전극의 집전체 및 제 1 전극 리드의 영률이 동일할 경우, 상기 제 1 전극 리드는 굽힘 구조이다.
상기 리튬이차전지를 이루는 전극 조립체는 분리막을 사이에 두고 서로 다른 극성의 제 1 전극과 제 2 전극이 교대로 적층되고, 상기 전극 조립체의 양측에 배치되는 한 쌍의 최외곽 전극은 단일 전극합제 코팅면을 갖는 제 1 전극이 배치된다.
상기 한 쌍의 최외곽 전극의 전극탭 중 적어도 하나의 전극탭에는 금속탭이 접합된다.
상기 리튬이차전지는 상기 제1, 2 전극의 집전체 상에 각각 코팅되는 서로 상이한 극성의 합제층 및 상기 제1, 2 전극의 집전체 상에서 합제층이 미코팅된 상태로 각각 배치되는 전극탭을 포함하고, 상기 리튬이차전지는 상기 전극탭 상에 용착되어 리튬이차전지의 외부로 돌출되어 전자를 이동시키는 전극리드 부를 포함하는 파우치로 밀봉된다.
본 발명에 따르면, 전극 중 일정 수준 이하의 연신율 및 굽힘성을 갖는 전극 상에 보다 두꺼운 두께의 전극 리드와 연결되는 금속탭을 사용한다. 이를 통하여 두께 및 연신율 차이에 따른 전극과 리드간 분리 문제를 효과적으로 해결한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속탭이 전극탭 상에 결합되는 구조를 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1에 따라 금속탭이 전극탭 상에 결합된 모습의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속탭이 전극탭 상에 결합되는 구조를 보이는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 금속탭 상에 굽힘 구조를 갖는 전극 리드가 결합된 구조를 보이는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 전극 조립체를 구성하는 전극들 중 최외곽 전극의 집전체를 상대적으로 작은 영률을 갖도록 배치한 구조를 보이는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속탭을 적용하였을 때와 적용하지 않은 배터리의 굽힘 평가 결과를 보이는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속탭, 전극 및 전극 리드의 재질 및 영률을 보이는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속탭 및 전극의 집전체, 전극 리드에 대한 응력 시험을 진행하는 방식을 보인다.
도 9 및 도 10는 전지를 구성하는 재료인 금속탭, 전극의 집전체 및 전극 리드 각각의 응력 및 변위를 측정하여 그에 따른 전극의 집전체, 전극 리드, 탭-리드 접합부에서의 파손 및 절단 정도를 파악하는 그래프를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플렉서블 전지에 대하여 설명하기로 한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한, 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.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속탭이 전극탭 상에 결합된 모습의 사시도이다. 도 2는 도 1에 따라 금속탭이 전극탭 상에 결합된 모습의 사시도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 금속탭(100)은, 분리막(400)을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극(200) 및 제 2 전극(300)을 포함하는 리튬이차전지에서 사용되는데, 두 종류의 전극 중 제 1 전극(200)의 집전체는 제 2 전극(300)의 집전체와 같거나 더 작은 영률(Young's modulus)을 가진다.
제 1 전극(200)의 집전체가 제 2 전극(300)의 집전체 보다 더 작은 영률을 갖는 경우는 제 1 전극(200)의 집전체로 구리를 채용하고 제 2 전극(300)의 집전체로 스테인리스 스틸을 적용하는 것일 수 있다.
또한, 제 1 전극(200)의 집전체가 제 2 전극(300)의 집전체 보다 더 작은 영률을 갖는 경우는 제 1 전극(200)의 집전체로 알루미늄을 채용하고 제 2 전극(300)의 집전체로 스테인리스 스틸을 적용하는 것일 수 있다.
한편, 제 1 전극(200)의 집전체가 제 2 전극(300)의 집전체과 같은 영률을 갖는 경우는 제 1 전극(200)의 집전체로 알루미늄을 채용하고 제 2 전극(300)의 집전체로 알루미늄을 적용하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 금속탭(100)은 상기 제 1 전극(200)에서부터 전기적 연결을 위하여 돌출된 제 1 전극탭(210) 상에 접합된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 금속탭(100)은 제 1 전극(200)의 집전체 보다 큰 영률의 제 2 전극(300)의 집전체에서는 사용되지 않는데, 그 이유는 휜 상태에서 발생하는 응력에 의한 전극 리드-전극 간 분리문제는 제 1 전극(200)에서 주로 발생하기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 금속탭(100)의 영률은 제 1 전극(200)의 집전체와 크거나 같지만, 금속 리드(500)보다는 작거나 같은 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서는 굽힘 시 발생하는 응력의 정도를 두께로 제어하는데, 도 1에서 상기 금속탭(100)의 두께는 상기 제 1 전극(200) 집전체 두께의 1배 내지 5배이다.
그 이유는 제 1 전극(200)의 집전체 상에 상기 두께의 금속탭(100)이 결합될 때, 높은 영률을 갖는 전극 리드(500)의 휨에 따라 발생하는 응력을 효과적으로 흡수할 수 있기 때문이다. 금속탭(100)의 두께가 1배 미만에서는 상기 금속탭(100)을 결합한 효과 없이 전극 리드(500)와 제 1 전극탭(210)의 용착부가 굽힘 시 쉽게 절단되며, 금속탭(100)의 두께가 5배를 초과할 경우, 제 1 전극(200)의 전극탭(210) 상에 금속탭(100) 용착 시 결착력이 떨어지거나, 결착을 위해 초음파를 높이면 금속탭(100) 부분이 녹아서 혼과 엔빌에 눌러붙는 등 용착 난이도가 높아져 작업성이 떨어지며 품질이 일정하지 않다. 또한 굽힘 시 전극 리드(500)와 제 1 전극(200)의 전극탭이 용착되는 탭-리드 용착부 아래의 무지부인 전극탭(210)이 쉽게 절단되는 역효과가 일어난다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 리튬이차전지는 휘어지는 특성을 갖는 플렉서블 리튬이차전지이며, 상기 리튬이차전지의 최대 구부러짐 각도의 내각 범위는 10° 내지 180°이다. 즉, 본 발명은 플렉서블 특성의 리튬이차전지에서 발생하는 응력문제, 특히 두꺼운 두께의 전극 리드(예를 들어 니켈)도 함께 휘는 경우 얇은 두께의 제 1 전극(200)의 집전체(예를 들어 구리)이 찢어지거나 분리되는 문제를 해결하기 위하여, 금속탭(100)을 제 1 전극탭(210)과 전극 리드(500) 사이에 사용하였다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속탭이 전극탭 상에 결합되는 구조를 보이는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 금속탭(100)은, 분리막(400)을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 제 1 전극(200) 및 제 2 전극(300)을 포함하는 리튬이차전지에서 사용되는데, 상기 제 1 전극(200)의 집전체가 제 2 전극(300)의 집전체 보다 영률이 작거나 같게 된다.
제 2 전극 리드(600)는 전극 조립체를 향하도록 제 2 전극(300)으로부터 전기적 연결을 위하여 돌출된 제 2 전극탭(310) 상에 접합된 상태에서 180° 반대 방향으로 굽혀져 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 향한 굽힘 구조를 갖는다.
상기 제 1 전극(200)의 집전체가 제 2 전극(300)의 집전체보다 영률이 작을 경우에, 상기 제 2 전극탭(310) 상에 제 2 전극 리드(600)가 접합되며, 상기 제 1 전극(200)의 집전체, 제 2 전극(300)의 집전체, 금속탭(100), 제 1 전극 리드(500) 및 제 2 전극 리드(600)의 영률은 제 2 전극(300) > 제 1 전극 리드(500) ≥ 금속탭(100) ≥ 제 1 전극(200) > 제 2 전극 리드(600)이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 금속탭 상에 굽힘 구조를 갖는 전극 리드가 결합된 구조를 보이는 사시도이다.
한편, 도 4를 참조하면 제 1 전극(200)의 집전체 및 제 1 전극 리드(500)의 영률이 동일할 경우에, 상기 제 1 전극 리드(500)는 굽힘 구조 또한 가능하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 전극 조립체를 구성하는 전극들 중 최외곽 전극을 상대적으로 낮은 영률의 집전체를 갖도록 배치한 구조를 보이는 도면이다.
전극 조립체는 분리막(400)을 사이에 두고 서로 다른 극성의 제 1 전극(200)과 제 2 전극(300)이 교대로 적층된 구조를 갖는다.
상기 구조 상에서, 전극 조립체를 이루는 한 쌍의 최외곽 전극은 상대적으로 더 작은 영률의 집전체를 갖는 제 1 전극(200)이 배치될 수 있다. 상기 한 쌍의 최외곽 전극은 단일면 상에만 전극 합제가 도포된 것일 수 있다.
한편, 전극탭이 각각 형성된 한 쌍의 최외곽 전극 중 적어도 어느 하나의 최외곽 전극은 전극탭 상에 금속탭이 접합된다.
또한, 상기 리튬이차전지는 상기 제1, 2 전극(200, 300)의 집전체 상에 각각 코팅되는 서로 상이한 극성의 합제층 및 상기 제1, 2 전극(200, 300)의 집전체 상에서 합제층이 미코팅된 상태로 각각 배치되는 전극탭을 포함하고, 상기 리튬이차전지는 상기 전극탭 상에 용착되어 리튬이차전지의 외부로 돌출되어 전자를 이동시키는 전극리드 부를 포함하는 파우치로 밀봉된다.
본 발명에 적용된 영률에 대한 설명을 하면 다음과 같다.
영률이 큰 경우에는 빳빳한 느낌이 들며 변형에 대한 저항력이 크고 그만큼 견고함을 가지는 동시에 유연성이 낮다.
영률이 작은 경우에는, 흐물흐물한 느낌이 들며 변형에 대한 저항력이 작고 그만큼 연약함을 가지는 동시에 유연성이 높다. 따라서, 외부의 힘에 의해 전지가 굽혀질 때 최외곽 전극의 절단되는 현상이 덜 발생하게 된다.
반면에, 두께가 너무 얇을 경우에는 쉽게 끊어질 수 있으므로 적절한 두께를 적용해야 한다. 또한, 재질이 전혀 다른 전극이 교대로 적층되어 외부에서 힘을 가했을 때, 상대적으로 영률이 낮은 전극이 선택적으로 먼저 끊어지게 되며 이를 두께 등을 고려하여 적절한 값을 찾아 유연성을 확보하게 된다.
또한, 예시적으로 구리(Cu)와 스테인레스 스틸(SUS)을 적용했을 때, 스테인레스 스틸은 구리에 비해 단가가 높아 상대적으로 많은 수의 전극이 들어가는 구리를 최외곽 전극에 적용하여 제조 단가를 낮추는 것이 효율적이다.
또한, 최외곽 전극은 전지의 용량 발현에는 기여하지 않고 두께만 차지하여 에너지 밀도를 낮추므로 단면으로 전극 합제를 코팅하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속탭을 적용하였을 때와 적용하지 않은 배터리의 굽힘 평가 결과를 보이는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 충방전과 굽힘 평가를 동시에 진행한 결과, 금속탭(100)을 적용하지 않은 기존의 배터리는 30회를 넘기지 못하고 전극과 리드가 파손되었으며, 금속탭(100)을 적용한 배터리의 경우에는 5000회 이상에서도 정상적으로 전기화학구동을 보여주고 있다.
기존의 리튬이차전지의 경우에는 외부의 충격이나 힘에 의해 단자 부분이 쉽게 절단되어 용량이 급격히 감소하면서 전지로서의 기능을 하지 못하는 경우가 많았다.
하지만, 금속탭(100), 전극(200, 300), 전극 리드(500, 600) 등을 포함하여 전지를 구성하는 재료의 재질의 특성을 파악하고 구조를 개선하여 리튬이차전지가 외부에서 반복적으로 가해지는 힘인 굽힘 및 비틀림 등에 의해 파손 및 절단이 일어나기 가장 쉬운 취약한 부분인 전극 단자 부분의 극판 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 서로 상이한 극성을 갖는 제 1 전극(200)과 제 2 전극(300)을 바탕으로 하여 작은 금속탭(100)을 전극탭 상에 접합(스팟 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 및 도전성 접착제에 의한 결합 등)하는 간단한 공정을 통해 단자 부분의 유연성에 있어 큰 효과를 가져오게 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속탭, 전극 및 전극 리드의 재질 및 영률을 보이는 그래프이다.
도 7에 보이는 바와 같이, 제 1 전극(200)을 음극으로 하고, 제 2 전극(300)을 양극으로 하여 실시예를 작성하는 경우에 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸, 니켈 및 구리 등을 재질로 하여 영률을 설정하는 방식으로 구성요소를 분류할 수 있다.
한편, 영률은 탄성을 가진 어떤 물체가 외부의 힘(stress)에 대해 상대적인 길이가 어떻게 변화하는 지를 나타내는 계수이다. 이는 물체의 모양과는 관계가 없으며 오직 물체를 구성하는 재질과만 관계가 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 금속탭 및 전극의 집전체, 전극 리드에 대한 응력 시험을 진행하는 방식을 보인다. 도 8을 참조하면, 금속탭(100)을 적용한 전지에 대한 응력 시험을 진행하는 방식을 보면, 전지의 양 끝단에 힘을 가해 잡아당길 경우에 전지 재료의 단면적은 점점 감소하다가 절단이 된다. 이때, 전지 재료에는 외부에서 잡아당기는 힘에 저항하려는 내력이 발생하게 되고, 이 저항력을 단면적 값으로 나눈 것을 응력(stress)으로 정의한다.
도 9 및 도 10은 도 8의 응력 시험 방식으로 측정한 결과로, 전지를 구성하는 재료인 금속탭, 전극의 집전체 및 전극 리드 각각의 응력 및 변위를 측정하여 그에 따른 전극탭, 전극 리드, 탭-리드 접합부에서의 파손 및 절단 정도를 파악하는 그래프를 보인다.
도 9는 일 실시예로 제 1 전극(200)의 집전체가 구리, 제 2 전극(300)의 집전체가 스테인레스 스틸로 제 1 전극(200)의 집전체 영률이 제 2 전극(300)의 집전체 영률보다 작은 때, 각각의 전극의 집전체와 금속탭(100), 제 1 전극리드(500), 제 2 전극리드(600)의 파손 및 절단 되기 직전까지의 응력과 변위 그래프이다. 제 1 전극(200)의 집전체인 구리는 30kgf/mm2 부근에서 계속해서 늘어나다가 변위 1.5mm 부근에서 절단된다. 제 2 전극(300)의 집전체인 스테인레스 스틸은 구리와는 다르게 힘을 가했을 때, 늘어나기보다는 외부에서 잡아당기는 힘에 저항하려는 성질이 크다.
도 10은 또 다른 실시예로 제 1 전극의 집전체와 제 2 전극의 집전체, 제 1 전극리드와 제 2 전극리드 동일한 알루미늄이었을 때의 응력과 변위 관계를 보여주고 있다.
이에 따라 금속탭(100)을 이용한 보강과 굽힘 구조의 탭, 전극 집전체 간 영률과 두께를 적절하게 적용시켜 외부의 힘에 의해 쉽게 파손되는 취약부위를 개선하여 전지의 유연성을 확보할 수 있다.

Claims (12)

  1. 리튬이차전지를 구성하는 금속탭으로서,
    상기 리튬이차전지는 제 1 전극, 제 2 전극 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하는 분리막을 포함하고, 상기 금속탭은 상기 제 1 전극과 연결된 제 1 전극탭 상에 형성되며,
    상기 제 1 전극의 집전체는 제 2 전극의 집전체 보다 작거나 같은 영률(Young's modulus)을 갖는 것을 특징으로 하는 금속탭.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극의 집전체가 알루미늄인 경우에,
    상기 제 2 전극의 집전체는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 금속탭.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극의 집전체가 구리인 경우에,
    상기 제 2 전극의 집전체는 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 금속탭.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 리튬이차전지의 구부러짐 각도의 내각 범위는 10° 내지 180°인 것을 특징으로 하는 금속탭.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속탭은 상기 제 1 전극의 집전체가 가지는 영률 이상의 영률을 가지는 금속이며, 상기 제 1 전극 집전체의 1배 이상의 두께인 것을 특징으로 하는 금속탭.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 리튬이차전지는,
    상기 금속탭 상에 제 1 전극 리드가 접합되며,
    상기 제 1 전극의 집전체, 금속탭 및 제 1 전극 리드 간의 영률 관계는 제 1 전극 리드 ≥ 금속탭 ≥ 제 1 전극의 집전체인 것을 특징으로 하는 금속탭.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 전극과 연결된 제 2 전극탭 상에 접합된 제 2 전극 리드는 굽힘 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 금속탭.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 전극으로부터 돌출되어 연장된 제 2 전극탭 상에 제 2 전극 리드가 접합되며,
    상기 제 1 전극의 집전체, 제 2 전극의 집전체, 금속탭, 제 1 전극 리드 및 제 2 전극 리드 간의 영률 관계는 제 2 전극의 집전체 ≥ 제 1 전극 리드 ≥ 금속탭 ≥ 제 1 전극의 집전체 ≥ 제 2 전극 리드인 것을 특징으로 하는 금속탭.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극의 집전체 및 제 1 전극 리드의 영률이 동일할 경우,
    상기 제 1 전극 리드는 굽힘 구조인 것을 특징으로 하는 금속탭.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 리튬이차전지를 이루는 전극 조립체는 분리막을 사이에 두고 제 1 전극과 제 2 전극이 교대로 적층되고,
    상기 전극 조립체의 양측에 배치되는 한 쌍의 최외곽 전극은 전극합제가 코팅된 제 1 전극이 배치되는 것을 특징으로 하는 금속탭.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 한 쌍의 최외곽 전극의 전극탭 중 적어도 하나의 전극탭에는 금속탭이 형성되는 것을 특징으로 하는 금속탭.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 리튬이차전지는 상기 제1, 2 전극의 집전체 상에 각각 코팅되는 합제층 및 상기 제1, 2 전극의 집전체 상에서 합제층이 미코팅된 상태로 각각 배치되는 전극탭을 포함하고, 상기 리튬이차전지는 상기 전극탭 상에 형성되어 리튬이차전지의 외부로 돌출되는 전극리드 부를 포함하는 파우치로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 금속탭.
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