WO2022186491A1 - 원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법 - Google Patents

원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법 Download PDF

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WO2022186491A1
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uncoated region
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electrode uncoated
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정현기
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삼성에스디아이(주)
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Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a cylindrical secondary battery having a reduced resistance structure and a method of manufacturing the secondary battery.
  • a cylindrical secondary battery includes a cylindrical electrode assembly, a cylindrical can accommodating the electrode assembly and an electrolyte, and a cap coupled to the upper opening of the can to seal the can and flow current generated from the electrode assembly to an external device. Includes assembly.
  • a secondary battery includes various internal resistance elements, such as a base resistance of an electrode assembly or a component resistance.
  • various research and development are being conducted, such as adding a tab or changing the material of the cap assembly.
  • a cylindrical secondary battery includes a cylindrical can having an open end; A first electrode plate having a first electrode uncoated region, a separator, and a second electrode plate having a second electrode uncoated region disposed in a direction opposite to the first electrode uncoated region are stacked, wound in a cylindrical shape, and accommodated in the can. electrode assembly; and a cap assembly closing the open end of the can while the electrode assembly is accommodated in the can, wherein at least one of the first electrode uncoated region and the second electrode uncoated region has an end bent to form a bending portion It is characterized by formation.
  • a bending direction of the first electrode uncoated region and the second electrode uncoated region is an outer direction with respect to a winding axis of the electrode assembly.
  • the electrode assembly is characterized in that it is wound after the bending portion is formed.
  • It may further include a first electrode current collector plate electrically connecting the first electrode uncoated region and the can, and a second electrode current collector plate electrically connecting the second electrode uncoated region and the cap assembly.
  • the present invention is a cylindrical can with one open end; an electrode assembly having a first electrode plate having a first electrode uncoated region, a separator, and a second electrode plate having a second electrode uncoated region disposed in a direction opposite to the first electrode uncoated region and accommodated in the can; and a cap assembly for closing an open end of the can while the electrode assembly is accommodated in the can, wherein at least one of the first electrode uncoated region and the second electrode uncoated region forming a bending part by bending an end of the ; and winding the electrode assembly after the bending part is formed.
  • a bending direction of the first electrode uncoated region and the second electrode uncoated region is an outer direction with respect to a winding axis of the electrode assembly.
  • the first electrode uncoated region, the first electrode current collector plate, and the second electrode uncoated region, and the second electrode current collector plate are welded, respectively, to the first electrode uncoated region, the can and the second electrode uncoated region.
  • the method may further include electrically connecting the unit and the cap assembly.
  • the thickness and amount of the base material that can be welded increases, and the space between the base materials is reduced, thereby increasing the heat capacity of the welded portion, which is advantageous for the welding process.
  • the thickness and amount of the base material that can be welded increases, and the space between the base materials is reduced, thereby increasing the heat capacity of the welded portion, which is advantageous for the welding process.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating an electrode assembly and a current collecting structure according to FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a plan view schematically illustrating a state before winding of the electrode assembly according to the present invention.
  • 4A and 4B are plan views illustrating a state before and after bending of a second electrode plate according to an embodiment of the present invention.
  • 4C to 4E are longitudinal cross-sectional views sequentially illustrating a bending process of a second electrode plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a longitudinal cross-sectional view schematically partially illustrating a state after winding of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a state of a second electrode plate before the current collector plate is coupled according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers and/or parts, these members, parts, regions, layers, and/or parts are limited by these terms, so that It is self-evident that These terms are used only to distinguish one member, component, region, layer or portion from another region, layer or portion. Accordingly, a first member, component, region, layer, or portion discussed below may refer to a second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.
  • Space-related terms such as “beneath”, “below”, “lower”, “above”, and “upper” refer to an element or feature shown in the drawings and It may be used to facilitate understanding of other elements or features. These space-related terms are for easy understanding of the present invention according to various process conditions or usage conditions of the present invention, and are not intended to limit the present invention. For example, if an element or feature in a figure is turned over, an element or feature described as “below” or “below” becomes “above” or “above”. Accordingly, “lower” is a concept encompassing “upper” or "below”.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating an electrode assembly and a current collecting structure according to FIG. 1 .
  • 3 is a plan view schematically illustrating a state before winding of the electrode assembly according to the present invention.
  • the cylindrical secondary battery 10 includes a cylindrical can 110 , an electrode assembly 130 inserted into the can 110 , and one end of the can 110 . It may include a cap assembly 150 and a first electrode collector plate 170 and a second electrode collector plate 190 electrically connecting the electrode assembly 130 to the cap assembly 150 .
  • the can 110 includes a circular bottom part 110 and a side part 130 extending upwardly from the bottom part 110 , and has a cylindrical shape (hereinafter, referred to as an opening) with an open top of the side part 130 .
  • the electrode assembly 300 is inserted into the can 100 together with the electrolyte through the opening of the can 100 .
  • the electrode assembly 130 is electrically connected to the can 110 and the cap assembly 150 by the first electrode plate 132 and the second electrode plate 134 .
  • the can 100 may be formed of steel, a steel alloy, nickel-plated steel, nickel-plated steel alloy, aluminum, an aluminum alloy, or an equivalent thereof, but the material thereof is not limited herein.
  • the cap assembly 150 is inserted into the opening to close the opening.
  • the electrode assembly 130 includes a first electrode plate 132 , a second electrode plate 134 , and a separator 136 .
  • the first electrode plate 132 may be a negative electrode plate in which negative active material layers 132c (eg, graphite, carbon, etc.) are formed on both surfaces.
  • a first electrode uncoated region 132a to which the negative electrode active material layer 132C is not applied may be formed on a portion of the first electrode plate 132 .
  • the second electrode plate 134 may be a positive electrode plate in which a positive active material layer 134c, for example, a transition metal oxide (LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, etc.) is formed on both surfaces.
  • a second electrode uncoated region 134a to which the positive electrode active material layer 134c is not applied may be formed on a portion of the second electrode plate 134 .
  • the separator 136 may be interposed between the first electrode plate 132 and the second electrode plate 134 to prevent a short circuit and enable only movement of lithium ions.
  • the first electrode plate 132 may be copper (Cu) or nickel (Ni) foil
  • the second electrode plate 134 may be aluminum (Al) foil
  • the separator 136 may be polyethylene (PE) or polypropylene (PP).
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • the first electrode plate 132 , the second electrode plate 134 , and the separator 136 may be wound in a substantially cylindrical shape to be accommodated in the can 100 .
  • the first electrode plate 132 and the second electrode plate 134 may be disposed so that the first electrode uncoated region 132a and the second electrode uncoated region 134a to which an active material is not applied for winding are opposite to each other. have.
  • the first electrode plate 132 as the negative electrode plate may be disposed such that the first electrode uncoated region 132a faces downward with reference to FIG. 1 .
  • the second electrode plate 134 which is a positive electrode plate, may be disposed to face upward with reference to FIG. 1 .
  • a separator 136 may be disposed between the first electrode plate 132 and the second electrode plate 134 to insulate the first electrode plate 132 and the second electrode plate 134 .
  • a process of folding the second electrode uncoated region 134a in an outer direction away from the winding axis (direction toward the can) before winding the electrode assembly 130 may be added (this will be described later) .
  • the electrode assembly 130 is wound, and then the first electrode uncoated region 132a and the second electrode uncoated region 134a are covered with a first electrode collector plate 170 to be described later. and the second electrode current collecting plate 190 may be connected to each other. Accordingly, the can 110 and the cap assembly 150 are electrically connected to the electrode assembly 130 .
  • the current collecting plate includes a first electrode current collecting plate 170 that electrically connects the first electrode plate 132 with the bottom surface of the can 110 , and a second electrode plate 134 with a cap.
  • a second electrode collector plate 190 electrically connected to the assembly 150 may be included.
  • the first electrode current collector plate 170 may be referred to as a negative electrode current collector plate
  • the second electrode current collector plate 190 may be referred to as a positive electrode current collector plate.
  • the first electrode current collecting plate 170 has a substantially circular plate shape, and electrically connects the first electrode plate 132 to the bottom surface 111 of the can 110 . To this end, a plurality of substrate current collectors 172 and a can connection portion 174 may be formed on the first electrode current collector plate 170 . The first electrode current collecting plate 170 may be electrically connected to the first electrode uncoated region 132a and the can 110 .
  • the substrate current collector 172 is formed to have a predetermined length in a radial direction of the electrode assembly 130 (radial direction of the first electrode current collector).
  • the base current collector 172 is formed to protrude in the radial direction in the remaining area except for a partial area of the central portion of the first electrode current collector 170 .
  • the protruding direction of the substrate current collector 172 is in the direction of the cap assembly 150 , that is, the direction away from the bottom surface 112 of the can 110 .
  • four substrate current collectors 172 may protrude at intervals of 90 degrees along the radial direction of the electrode assembly 130 .
  • the radial length of the base material collector 172 may be a length obtained by subtracting the radius of the can connection portion 174 from the radius of the first electrode collector plate 170 .
  • the substrate current collector 172 may be formed to protrude in a rectangular or circular cross-section.
  • the first electrode uncoated region 132a may be welded to an upper surface of the protruding surfaces of the substrate current collector 172 .
  • the upper surface of the base material current collector 172 is defined as the welding surface 172a.
  • a can connection part 174 may be formed in a central portion of the first electrode current collecting plate 170 .
  • the can connection part 174 may be formed to protrude toward the bottom part 112 of the can 110 from the plate surface of the central portion of the first electrode current collecting plate 170 .
  • the can connection part 174 may protrude in a cylindrical shape, a tetrahedral shape, or the like.
  • the can connection part 174 may be electrically and physically connected to the bottom part 112 of the can 110 by welding.
  • the second electrode current collecting plate 190 is symmetrically installed to face the first electrode current collecting plate 170 with the electrode assembly 130 interposed therebetween.
  • the second electrode current collecting plate 190 has a substantially disk shape, and electrically connects the second electrode plate 134 to the cap assembly 150 .
  • a plurality of substrate current collectors 192 to be electrically connected to the second electrode uncoated region 134a may be formed on the second electrode current collecting plate 190 .
  • a current collecting tab 194 for electrically connecting to the cap assembly 150 may be formed on the second electrode current collecting plate 190 .
  • the second electrode current collecting plate 190 may be electrically connected to the second electrode uncoated region 134a.
  • the second electrode current collecting plate 190 may be electrically connected to the cap assembly 150 by the current collecting tab 194 .
  • the substrate current collector 192 is formed to have a predetermined length along the radial direction of the electrode assembly 130 (the radial direction of the second electrode current collector).
  • the base current collector 192 is formed to protrude in a radial direction in the remaining area except for a partial area of the central portion of the second electrode current collector 190 .
  • a circular hollow 190a may be formed in a central portion of the second electrode current collector 190 .
  • the protruding direction of the substrate current collector 192 is in a direction opposite to the cap assembly 150 , that is, toward the bottom surface 112 of the can 110 .
  • four substrate current collectors 192 may be formed to protrude at intervals of 90 degrees along the radial direction of the electrode assembly 130 .
  • the radial length of the base current collector 192 may be a length obtained by subtracting the radius of the hollow 190a from the radius of the second electrode current collecting plate 190 .
  • the substrate current collector 192 may be formed to protrude in a rectangular or circular cross-section.
  • the second electrode uncoated region 134a may be welded to the lower surface of the protruding surfaces of the base material current collector 192 .
  • the lower surface of the base material current collector 192 is defined as the welding surface (192a).
  • the above-described current collecting tab 194 may be formed at any position between the substrate current collecting units 192 .
  • the current collecting tab 194 may protrude from one side of the second electrode current collecting plate 190 in an outward direction (a direction toward the can). That is, the current collecting tab 194 may have a shape in which a portion of the plate surface of the second electrode current collecting plate 190 is extended. The current collecting tab 194 may have a predetermined size, and may have a thickness equal to or thinner than that of the second electrode current collecting plate 190 . The current collecting tab 194 may be bent toward the cap assembly 150 while the second electrode current collecting plate 190 is welded to the second electrode uncoated region 134a to be welded to the cap assembly 150 . . Accordingly, the second electrode current collecting plate 190 and the cap assembly 150 may be electrically connected, and the second electrode plate 134 may be electrically connected with the cap assembly 150 .
  • the aforementioned second electrode plate 134 may include a bending portion 134b formed by folding or bending a portion of the second electrode uncoated region 134a.
  • 4A and 4B are plan views illustrating a state before and after bending of a second electrode plate according to an embodiment of the present invention.
  • 4C to 4E are longitudinal cross-sectional views sequentially illustrating a bending process of a second electrode plate according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a longitudinal cross-sectional view schematically partially illustrating a state after winding of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • 6 is a longitudinal cross-sectional view showing the state of the second electrode plate before the current collector plate is coupled according to an embodiment of the present invention (for convenience, the first electrode plate is not shown in FIGS. 4A to 4E ).
  • the second electrode plate 134 is in a state in which the second electrode uncoated region 134a is not bent before bending.
  • the bending portion 134b may be formed by bending or folding the second electrode uncoated portion 134a as shown in FIGS. 4B, 4D, and 4E.
  • the bending part 134b may be made by inserting a separate jig or guide between the base roll and the roll during the manufacturing process.
  • the direction in which the second electrode uncoated region 134a is folded is an outer direction that is a direction away from the winding axis with respect to the winding axis when the electrode assembly 130 is wound.
  • the second electrode uncoated region 134a may be bent or folded in a direction opposite to the inner direction of the electrode assembly 130 (the direction in which the active material layer is located) as shown in FIG. 5 .
  • the reason is to prevent the bent end of the second electrode uncoated region 134a from digging into the electrode assembly 130 (to prevent damage to the inside of the electrode assembly).
  • the second electrode uncoated region 134a may be bent in a streamlined shape as shown in FIG. 4D to form a bending portion 134b.
  • the second electrode uncoated region 134a may be completely folded to form a bending portion 134b as shown in FIG. 4E .
  • the electrode assembly 130 After forming the bending portion 134b as described above, the electrode assembly 130 is wound. After winding, the electrode assembly 130 is pressed in the arrow direction by the second electrode current collector plate 190 as shown in FIG. 6 in a state in which the bending part 134b is formed in the second electrode uncoated region 134a as shown in FIG. After that, welding is performed with the second electrode current collector plate 190 .
  • the direction in which the bending portion 134b is pressed by the second electrode current collector 190 and laid down is a direction in which the folded end of the bending portion 134b faces the cap assembly 150 as described above. Therefore, when the second electrode current collector plate 190 is welded, the end of the bending part 134b does not go toward the inside of the electrode assembly 130 . Accordingly, it is possible to prevent damage to the inside of the electrode assembly 130 due to the bending portion 134b.
  • FIG. 5 shows the first electrode plate 132 and the second electrode plate 134 exaggeratedly, so that the gap between the second electrode uncoated regions 134a is widely expressed.
  • An interval between the two electrode uncoated regions 134a may be maintained enough to partially overlap the adjacent second electrode uncoated regions 134a.
  • the distance between the uncoated regions may vary.
  • an effect of increasing the thickness of the second electrode uncoated region 134a occurs by forming the bending portion 134b. Accordingly, the thickness and amount of the base material that can be welded during welding with the second electrode current collector plate 190 increases, and the space between the base materials is reduced, thereby increasing the heat capacity of the welded portion, which is advantageous for the welding process.
  • the bending portion 134b is formed only on the second electrode uncoated portion 134a
  • the bending portion may also be formed on the first electrode uncoated portion 132a.
  • the bending part formed on the first electrode uncoated part 132a may also bring about the same effect as described above.

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Abstract

본 발명의 실시예는 원통형 이차전지에 관한 것으로, 일단이 개방된 원통형의 캔; 제1 전극 무지부를 구비한 제1 전극판, 세퍼레이터, 상기 제1 전극 무지부와 대향되는 방향으로 배치되는 제2 전극 무지부를 구비한 제2 전극판이 적층되어 원통형으로 권취되며, 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체가 상기 캔에 수용된 상태에서 상기 캔의 개방된 일단을 폐쇄하는 캡 어셈블리를 포함하고, 상기 제1 전극 무지부와 상기 제2 전극 무지부 중 적어도 어느 하나는 단부가 벤딩되어 벤딩부가 형성된 것이 특징이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 집전판의 용접 시 용접 가능한 기재의 두께 및 기재량이 증가하고, 기재간 간격이 감소됨으로써 용접부 열용량이 증가해 용접 공정에 유리한 장점이 있다. 또한, 벤딩부가 없는 구조에 비해 용접을 위한 기재 다짐 후 기재 사이에 빈 공간이 적으므로, 용접열 침투에 의한 전극판 또는 세퍼레이터의 파손을 방지할 수 있어 안정성 리스크가 개선되는 효과가 있다.

Description

원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법
본 발명의 실시예는 저항 감소 구조를 갖는 원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 원통형 이차전지는 원통 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체와 전해액을 수용하는 원통형태의 캔과, 캔의 상단 개구부에 결합되어 캔을 밀봉하고 전극 조립체에서 발생되는 전류를 외부장치로 흐르게 하는 캡 어셈블리를 포함한다.
일반적으로 이차전지에는 전극 조립체의 기재 저항이나 부품 저항 등 여러 내부 저항 요소가 존재한다. 이러한 저항 요소를 감소하기 위해 탭을 추가하거나 캡 어셈블리의 재질 변경 등 여러 연구 개발이 이루어지고 있다.
특히 원통형 이차전지의 경우, 고용량으로 갈수록 용접 가능한 기재(무지부)의 양이 감소하고, 기재간 간격이 증가함에 따라 용접부 열용량이 감소되는 문제가 발생한다. 또한, 기재 다짐 후 용접 시 빈 공간이 발생하여 용접열이 침투해 집전판 용접 후 전극판 또는 세퍼레이터가 용접열에 의해 녹는 문제가 발생하기도 한다. 따라서 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
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 목적은 저항 감소 구조를 갖는 원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차전지는 일단이 개방된 원통형의 캔; 제1 전극 무지부를 구비한 제1 전극판, 세퍼레이터, 상기 제1 전극 무지부와 대향되는 방향으로 배치되는 제2 전극 무지부를 구비한 제2 전극판이 적층되어 원통형으로 권취되며, 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체가 상기 캔에 수용된 상태에서 상기 캔의 개방된 일단을 폐쇄하는 캡 어셈블리를 포함하고, 상기 제1 전극 무지부와 상기 제2 전극 무지부 중 적어도 어느 하나는 단부가 벤딩되어 벤딩부가 형성된 것이 특징이다.
상기 제1 전극 무지부와 상기 제2 전극 무지부의 벤딩 방향은 상기 전극 조립체의 권취축을 중심으로 외곽 방향인 것이 특징이다.
상기 전극 조립체는 상기 벤딩부가 형성된 후 권취되는 것이 특징이다.
상기 제1 전극 무지부와 상기 캔을 전기적으로 연결하는 제1 전극 집전판과, 상기 제2 전극 무지부와 상기 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제2 전극 집전판을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 일단이 개방된 원통형의 캔; 제1 전극 무지부를 구비한 제1 전극판, 세퍼레이터, 상기 제1 전극 무지부와 대향되는 방향으로 배치되는 제2 전극 무지부를 구비한 제2 전극판을 가지며 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체가 상기 캔에 수용된 상태에서 상기 캔의 개방된 일단을 폐쇄하는 캡 어셈블리를 포함하는 이차전지의 제조방법에 있어서, 상기 제1 전극 무지부와 상기 제2 전극 무지부 중 적어도 어느 하나의 단부를 벤딩하여 벤딩부를 형성하는 단계; 및 상기 벤딩부가 형성된 후 상기 전극 조립체를 권취하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 제1 전극 무지부와 상기 제2 전극 무지부의 벤딩 방향은 상기 전극 조립체의 권취축을 중심으로 외곽 방향인 것이 특징이다.
상기 벤딩부가 형성된 후, 상기 제1 전극 무지부와 제1 전극 집전판 및 상기 제2 전극 무지부와 제2 전극 집전판을 각각 용접해 상기 제1 전극 무지부와 상기 캔 및 상기 제2 전극 무지부와 상기 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 집전판의 용접 시 용접 가능한 기재의 두께 및 기재량이 증가하고, 기재간 간격이 감소됨으로써 용접부 열용량이 증가해 용접 공정에 유리한 장점이 있다. 또한, 벤딩부가 없는 구조에 비해 용접을 위한 기재 다짐 후 기재 사이에 빈 공간이 적으므로, 용접열 침투에 의한 전극판 또는 세퍼레이터의 파손을 방지할 수 있어 안정성 리스크가 개선되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 전극 조립체 및 집전 구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전극 조립체의 권취 전 상태를 간략하게 도시한 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 전극판의 벤딩 전후 상태를 도시한 평면도이다.
도 4c 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 전극판의 벤딩 과정을 차례로 도시한 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 권취 후 상태를 일부분 간략하게 도시한 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집전판의 결합 전 제2 전극판의 상태를 도시한 종단면도이다.
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.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 원통형 이차전지에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1에 따른 전극 조립체 및 집전 구조를 도시한 사시도이다. 도 3은 본 발명에 따른 전극 조립체의 권취 전 상태를 간략하게 도시한 평면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 원통형 이차전지(10)는 원통형의 캔(110)과, 캔(110) 내부에 삽입되는 전극 조립체(130)와, 캔(110)의 일단에 결합되는 캡 어셈블리(150)와, 전극 조립체(130)를 캡 어셈블리(150)와 전기적으로 연결하는 제1 전극 집전판(170) 및 제2 전극 집전판(190)을 포함할 수 있다.
캔(110)은 원형의 바닥부(110)와, 바닥부(110)로부터 상부 방향으로 연장된 측부(130)를 포함하며, 측부(130)의 상단이 개방된 원통 형태(이하 개구부)이다. 이차전지(1000)의 제조 공정에서 캔(100)의 개구부를 통해 전극 조립체(300)가 전해액과 함께 캔(100) 내부로 삽입된다. 전극 조립체(130)는 제1 전극판(132) 및 제2 전극판(134)에 의해 캔(110) 및 캡 어셈블리(150)와 전기적으로 연결된다. 캔(100)은 스틸, 스틸 합금, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 캔(110)의 내부에 전극 조립체(130)가 수용된 상태에서 개구부에 캡 어셈블리(150)가 삽입되어 개구부를 폐쇄한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(130)는 제1 전극판(132), 제2 전극판(134) 및 세퍼레이터(136)를 포함한다. 제1 전극판(132)은 양면에 음극 활물질층(132c, 예를 들어, 흑연, 탄소 등)이 형성된 음극판일 수 있다. 제1 전극판(132)의 일부에는 음극 활물질층(132C)이 도포되지 않은 제1 전극 무지부(132a)가 형성될 수 있다. 제2 전극판(134)은 양면에 양극 활물질층(134c, 예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 형성된 양극판일 수 있다. 제2 전극판(134)의 일부에는 양극 활물질층(134c)이 도포되지 않은 제2 전극 무지부(134a)가 형성될 수 있다. 세퍼레이터(136)는 제1 전극판(132)과 제2 전극판(134)의 사이에 개재되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 할 수 있다. 제1 전극판(132)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일, 제2 전극판(134)은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터(136)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
제1 전극판(132)과 제2 전극판(134) 및 세퍼레이터(136)는 대략 원기둥 형태로 권취되어 캔(100) 내부에 수용될 수 있다. 제1 전극판(132)과 제2 전극판(134)은 권취를 위해 활물질이 도포되지 않은 제1 전극 무지부(132a) 및 제2 전극 무지부(134a)가 서로 반대 방향이 되도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 음극판인 제1 전극판(132)은 제1 전극 무지부(132a)가 도 1을 기준으로 하부를 향하도록 배치될 수 있다. 양극판인 제2 전극판(134)은 도 1을 기준으로 상부를 향하도록 배치될 수 있다. 제1 전극판(132) 및 제2 전극판(134)의 사이에 세퍼레이터(136)가 배치되어 이들 사이를 절연한 상태에서 권취가 이루어질 수 있다. 본 발명에서는 전극 조립체(130)의 권취 전 제2 전극 무지부(134a)를 권취축에서 멀어지는 방향인 외곽 방향(캔을 향하는 방향)으로 접는 공정이 추가될 수 있다(이에 대해서는 후술하기로 함). 제2 전극 무지부(134a)를 벤딩한 후 전극 조립체(130)를 권취한 다음, 제1 전극 무지부(132a) 및 제2 전극 무지부(134a)에 후술할 제1 전극 집전판(170) 및 제2 전극 집전판(190)이 각각 연결될 수 있다. 이에 의해 캔(110) 및 캡 어셈블리(150)가 전극 조립체(130)와 전기적으로 연결된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 집전판은 제1 전극판(132)을 캔(110)의 바닥면과 전기적으로 연결시키는 제1 전극 집전판(170)과, 제2 전극판(134)을 캡 어셈블리(150)와 전기적으로 연결시키는 제2 전극 집전판(190)을 포함할 수 있다. 따라서 제1 전극 집전판(170)을 음극 집전판, 제2 전극 집전판(190)을 양극 집전판이라고 할 수 있다.
제1 전극 집전판(170)은 대략 원판 형상으로, 제1 전극판(132)을 캔(110)의 바닥면(111)에 전기적으로 연결한다. 이를 위해, 제1 전극 집전판(170)에는 복수의 기재 집전부(172)와, 캔 연결부(174)가 형성될 수 있다. 제1 전극 집전판(170)은 제1 전극 무지부(132a) 및 캔(110)과 전기적으로 연결될 수 있다.
기재 집전부(172)는 전극 조립체(130)의 반경 방향(제1 전극 집전판의 반경 방향)을 따라 소정 길이로 형성된다. 기재 집전부(172)는 제1 전극 집전판(170)의 중앙 부분의 일부 영역을 제외한 나머지 영역에 반경 방향을 따라 돌출 형성된다. 기재 집전부(172)의 돌출 방향은 캡 어셈블리(150) 방향, 즉 캔(110)의 바닥면(112)으로부터 멀어지는 방향이다. 예를 들어, 기재 집전부(172)는 전극 조립체(130)의 반경 방향을 따라 90도 간격으로 4개가 돌출 형성될 수 있다. 이때 기재 집전부(172)의 반경 방향 길이는 제1 전극 집전판(170)의 반경에서 캔 연결부(174)의 반경을 뺀 길이일 수 있다. 예시적으로, 기재 집전부(172)는 단면이 사각형 또는 원형 형태로 돌출 형성될 수 있다. 도 2를 기준으로 기재 집전부(172)의 돌출된 면 중 상면에 제1 전극 무지부(132a)가 용접될 수 있다. 이에 따라, 기재 집전부(172)의 상면을 용접면(172a)으로 정의한다. 제1 전극 집전판(170)의 중앙 부분에는 캔 연결부(174)가 형성될 수 있다.
캔 연결부(174)는 제1 전극 집전판(170)의 중앙 부분의 판면으로부터 캔(110)의 바닥부(112)를 향해 돌출 형성될 수 있다. 캔 연결부(174)는 원통형, 사면체 형상 등으로 돌출될 수 있다. 캔 연결부(174)는 캔(110)의 바닥부(112)와 용접에 의해 전기적 및 물리적으로 연결될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제2 전극 집전판(190)은 전극 조립체(130)를 사이에 두고 제1 전극 집전판(170)과 서로 마주보도록 대칭으로 설치된다.
제2 전극 집전판(190)은 대략 원판 형상으로, 제2 전극판(134)을 캡 어셈블리(150)에 전기적으로 연결한다. 이를 위해, 제2 전극 집전판(190)에는 제2 전극 무지부(134a)와 전기적으로 연결되기 위한 복수의 기재 집전부(192)가 형성될 수 있다. 또한, 제2 전극 집전판(190)에는 캡 어셈블리(150)와 전기적으로 연결되기 위한 집전탭(194)이 형성될 수 있다. 제2 전극 집전판(190)은 제2 전극 무지부(134a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극 집전판(190)은 집전탭(194)에 의해 캡 어셈블리(150)와 전기적으로 연결될 수 있다.
기재 집전부(192)는 전극 조립체(130)의 반경 방향(제2 전극 집전판의 반경 방향)을 따라 소정 길이로 형성된다. 기재 집전부(192)는 제2 전극 집전판(190)의 중앙 부분의 일부 영역을 제외한 나머지 영역에 반경 방향을 따라 돌출 형성된다. 제2 전극 집전판(190)의 중앙 부분에는 원형의 중공(190a)이 형성될 수 있다. 기재 집전부(192)의 돌출 방향은 캡 어셈블리(150) 반대 방향, 즉 캔(110)의 바닥면(112)을 향하는 방향이다. 예를 들어, 기재 집전부(192)는 전극 조립체(130)의 반경 방향을 따라 90도 간격으로 4개가 돌출 형성될 수 있다. 이때 기재 집전부(192)의 반경 방향 길이는 제2 전극 집전판(190)의 반경에서 중공(190a)의 반경을 뺀 길이일 수 있다. 예시적으로, 기재 집전부(192)는 단면이 사각형 또는 원형 형태로 돌출 형성될 수 있다. 도 2를 기준으로 기재 집전부(192)의 돌출된 면 중 하면에 제2 전극 무지부(134a)가 용접될 수 있다. 이에 따라, 기재 집전부(192)의 하면을 용접면(192a)으로 정의한다. 기재 집전부(192)들 사이의 임의의 위치에 전술한 집전탭(194)이 형성될 수 있다.
집전탭(194)은 제2 전극 집전판(190)의 일측으로부터 외측 방향(캔을 향하는 방향)으로 돌출 형성될 수 있다. 즉, 집전탭(194)은 제2 전극 집전판(190)의 판면 일부가 연장된 형태가 될 수 있다. 집전탭(194)은 소정의 크기를 가질 수 있으며, 제2 전극 집전판(190)과 동일하거나 얇은 두께를 가질 수 있다. 집전탭(194)은 제2 전극 집전판(190)이 제2 전극 무지부(134a)에 용접된 상태에서 캡 어셈블리(150)를 향해 벤딩(bending)되어 캡 어셈블리(150)와 용접될 수 있다. 이에 의해 제2 전극 집전판(190)과 캡 어셈블리(150)가 전기적으로 연결되고, 제2 전극판(134)이 캡 어셈블리(150)와 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 전술한 제2 전극판(134)은 제2 전극 무지부(134a)의 일부가 접히거나 구부러져 형성된 벤딩부(134b)를 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 전극판의 벤딩 전후 상태를 도시한 평면도이다. 도 4c 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 전극판의 벤딩 과정을 차례로 도시한 종단면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 권취 후 상태를 일부분 간략하게 도시한 종단면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집전판의 결합 전 제2 전극판의 상태를 도시한 종단면도이다(편의상 도 4a 내지 도 4e에는 제1 전극판을 도시하지 않음).
도 4a 및 도 4c와 같이, 제2 전극판(134)은 벤딩 전 제2 전극 무지부(134a)가 벤딩되지 않은 상태이다. 이 상태에서 도 4b, 도 4d 및 도 4e와 같이 제2 전극 무지부(134a)를 구부리거나 접어 벤딩부(134b)를 형성할 수 있다. 벤딩부(134b)는 제조 공정 상 기재 롤과 롤 사이에 별도의 지그나 가이드를 삽입하여 만들어질 수 있다. 이때, 제2 전극 무지부(134a)가 접히는 방향은 전극 조립체(130)를 권취할 때 권취축을 기준으로 권취축에서 멀어지는 방향인 외곽 방향이다. 이는 도 5에서와 같이, 제2 전극 무지부(134a)는 벤딩부(134b)가 전극 조립체(130)의 내부 방향(활물질층이 있는 방향)이 아닌 반대 방향으로 구부리거나 접히도록 하기 위한 것이다. 그 이유는 제2 전극 무지부(134a)의 벤딩된 단부가 전극 조립체(130) 내부로 파고 들지 않도록 하기 위한 것이다(전극 조립체 내부 파손 방지). 제2 전극 무지부(134a)는 도 4d와 같이 유선형으로 구부러져 벤딩부(134b)가 형성될 수 있다. 또는 제2 전극 무지부(134a)가 도 4e와 같이 완전히 접혀 벤딩부(134b)가 형성될 수도 있다. 이렇게 벤딩부(134b)를 형성하면 기재(무지부) 사이의 공간이 감소하여 무지부 간 간격이 촘촘해지는 효과가 있다.
전술한 바와 같이 벤딩부(134b)를 형성한 후 전극 조립체(130)를 권취하게 된다. 권취 후 전극 조립체(130)는 도 5에서와 같이 제2 전극 무지부(134a)에 벤딩부(134b)가 형성된 상태에서 도 6과 같이 제2 전극 집전판(190)에 의해 화살표 방향으로 가압된 후 제2 전극 집전판(190)과 용접이 이루어진다. 제2 전극 집전판(190)에 의해 벤딩부(134b)가 가압되어 눕혀지는 방향은 전술한 바와 같이 벤딩부(134b)의 접힌 단부가 캡 어셈블리(150)를 향하는 방향이다. 따라서 제2 전극 집전판(190)의 용접 시 벤딩부(134b)의 단부가 전극 조립체(130)의 내부로 향하지 않게 된다. 이에 따라, 벤딩부(134b)에 의한 전극 조립체(130) 내부의 파손을 방지할 수 있다.
도 5는 제1 전극판(132) 및 제2 전극판(134)을 과장하여 도시한 것이므로 제2 전극 무지부(134a)들 사이의 간격이 넓게 표현되었으나, 실제 벤딩부(134b)가 형성된 제2 전극 무지부(134a) 사이는 이웃한 제2 전극 무지부(134a) 간 일부 중첩이 일어날 수 있을 정도의 간격으로 유지될 수 있다. 전극 조립체(130)의 전극판 설계에 따라 무지부 간 간격이 달라질 수 있다. 또한, 벤딩부(134b)를 형성함으로써 제2 전극 무지부(134a)의 두께가 증가하는 효과가 발생한다. 이에 따라 제2 전극 집전판(190)과 용접 시 용접 가능한 기재의 두께 및 기재량이 증가하고, 기재간 간격이 감소됨으로써 용접부 열용량이 증가해 용접 공정에 유리한 장점이 있다. 또한, 벤딩부(134b)가 없는 구조에 비해 용접을 위한 기재 다짐 후 기재 사이에 빈 공간이 적으므로, 용접열 침투에 의한 전극판 또는 세퍼레이터의 파손을 방지할 수 있어 안정성 리스크가 개선되는 효과가 있다.
전술한 도면들에서는 제2 전극 무지부(134a) 상에만 벤딩부(134b)가 형성된 것으로 도시하였으나, 벤딩부는 제1 전극 무지부(132a) 상에도 형성될 수 있다. 제1 전극 무지부(132a) 상에 형성되는 벤딩부 역시 전술한 것과 동일한 효과를 가져올 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명을 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.

Claims (7)

  1. 일단이 개방된 원통형의 캔;
    제1 전극 무지부를 구비한 제1 전극판, 세퍼레이터, 상기 제1 전극 무지부와 대향되는 방향으로 배치되는 제2 전극 무지부를 구비한 제2 전극판이 적층되어 원통형으로 권취되며, 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체가 상기 캔에 수용된 상태에서 상기 캔의 개방된 일단을 폐쇄하는 캡 어셈블리를 포함하고,
    상기 제1 전극 무지부와 상기 제2 전극 무지부 중 적어도 어느 하나는 단부가 벤딩되어 벤딩부가 형성된 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 무지부와 상기 제2 전극 무지부의 벤딩 방향은 상기 전극 조립체의 권취축을 중심으로 외곽 방향인 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 벤딩부가 형성된 후 권취되는 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 전극 무지부와 상기 캔을 전기적으로 연결하는 제1 전극 집전판과, 상기 제2 전극 무지부와 상기 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 제2 전극 집전판을 더 포함하는 이차전지.
  5. 일단이 개방된 원통형의 캔; 제1 전극 무지부를 구비한 제1 전극판, 세퍼레이터, 상기 제1 전극 무지부와 대향되는 방향으로 배치되는 제2 전극 무지부를 구비한 제2 전극판을 가지며 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체가 상기 캔에 수용된 상태에서 상기 캔의 개방된 일단을 폐쇄하는 캡 어셈블리를 포함하는 이차전지의 제조방법에 있어서,
    상기 제1 전극 무지부와 상기 제2 전극 무지부 중 적어도 어느 하나의 단부를 벤딩하여 벤딩부를 형성하는 단계; 및
    상기 벤딩부가 형성된 후 상기 전극 조립체를 권취하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 전극 무지부와 상기 제2 전극 무지부의 벤딩 방향은 상기 전극 조립체의 권취축을 중심으로 외곽 방향인 이차전지의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 벤딩부가 형성된 후, 상기 제1 전극 무지부와 제1 전극 집전판 및 상기 제2 전극 무지부와 제2 전극 집전판을 각각 용접해 상기 제1 전극 무지부와 상기 캔 및 상기 제2 전극 무지부와 상기 캡 어셈블리를 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함하는 이차전지의 제조방법.
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