WO2023014071A1 - 전극리드 일체형 전극조립체 및 이의 제조방법 - Google Patents

전극리드 일체형 전극조립체 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2023014071A1
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권순호
조미루
박성빈
김민규
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode lead-integrated electrode assembly. Specifically, it relates to an electrode lead-integrated electrode assembly in which an electrode lead and an electrode tab bundle are combined using an electrically conductive and heat-meltable material.
  • Secondary batteries are classified into nickel-cadmium secondary batteries, nickel-hydrogen secondary batteries, lithium secondary batteries, etc. according to the type of electrode. Research and development of lithium secondary batteries with the advantages of high operating voltage and high energy density per unit weight This is actively underway.
  • the lithium secondary battery is classified into a prismatic secondary battery in which the electrode assembly is embedded in a metal can, and a pouch-type secondary battery in which the cylindrical secondary battery and the electrode assembly are embedded in a pouch case made of an aluminum laminate sheet.
  • the scale of ignition or explosion accidents due to overcharging, exposure to high temperatures, and external shocks is increasing.
  • the main cause of the ignition or explosion can be found in a short circuit caused by direct contact between the positive electrode and the negative electrode inside the electrode assembly. When such a short circuit occurs, the movement of electrons as well as lithium ions is concentrated along the contact area between the positive electrode and the negative electrode, so that heat inside the battery is promoted.
  • the electrode assembly may be combined with an electrode lead in a state in which an electrical connection is made between a plurality of electrodes by a low melting point metal, and the electrode lead may serve as an electrode terminal.
  • Patent Document 1 discloses a current collector having a multilayer structure in which an insulating layer is disposed between conductive layers, an electrode including an active material layer formed on the current collector, and a tab electrode for wire drawing connected to the electrode.
  • a secondary battery having a tab electrode electrically connected to the electrode through a conductive material made of a metal material that melts due to heat generated inside the battery.
  • Patent Document 1 uses ultrasonic welding, laser welding, resistance welding, spot welding and the like as a method for connecting the tab electrode and the electrode.
  • the electrode tab bundle and the electrode lead joint may be contaminated by impurities generated during such a welding process.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Registration No. 5784928 (2015.07.31)
  • the present invention is to solve the above problems, and electrically connects the electrodes constituting the electrode tab bundle using a connecting member, and combines the electrode tab bundle and the electrode lead by heating and pressurizing the connecting member.
  • An object of the present invention is to provide an electrode lead-integrated electrode assembly and a manufacturing method thereof.
  • An electrode assembly according to the present invention for achieving this object includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrode tab protruding from the outer periphery of at least one side of the plurality of positive electrodes and the plurality of negative electrodes. are closely coupled along the stacking direction to form an electrode tab bundle, at least one through-hole passing through the electrode tab bundle is formed, and a connection member made of an electrically conductive material is inserted into the through-hole, The electrode lead may be electrically connected to the electrode tab bundle by a molten connection member.
  • connection member may be inserted into the through-hole and formed in a rod shape passing through the bundle of electrode tabs.
  • the connecting member may be made of a low melting point metal.
  • the electrode lead may have a groove or an opening having a size corresponding to the through hole of the electrode tab bundle, and the electrode lead may be coupled to an upper or lower surface of the electrode tab bundle.
  • the electrode lead has an opening having a size corresponding to the through-hole of the electrode tab bundle, the electrode lead is located inside the electrode tab bundle, and the electrode lead is formed in the opening of the electrode lead and the through-hole of the electrode tab bundle.
  • a connecting member may be inserted.
  • the anodes and cathodes may include an electrode current collector having a metal layer coupled to both sides of an insulating layer.
  • the insulating layer may have a thickness greater than that of one metal layer.
  • a density of the insulating layer may be less than that of the metal layer.
  • a melting point of the connecting member may be lower than a melting point of the insulating layer.
  • the present invention also provides a method of manufacturing the electrode assembly, in detail, (a) forming a through-hole in electrode tabs, (b) forming an electrode tab bundle by arranging electrode tabs to be stacked. , (c) arranging electrode leads in the bundle of electrode tabs, (d) inserting a connection member into the through-hole, and (e) melting the connection member.
  • the step (e) may include heating and pressurizing the bundle of electrode tabs.
  • step (e) the electrodes constituting the electrode tab bundle and the electrode lead may be simultaneously coupled.
  • the electrode lead may be formed with a groove or opening having a size corresponding to the through hole formed in the electrode tabs.
  • the present invention can also be provided in the form of various combinations of means for solving the above problems.
  • electrical connection between a plurality of electrode tabs can be made by inserting a connection member made of an electrically conductive material into a through hole formed in an electrode tab, and heating and pressurizing the connection member. there is.
  • the weight of the current collector can be reduced and energy density can be improved.
  • the electrode assembly manufacturing process can be simplified and time can be shortened.
  • the coupling between the electrode lead and the electrode tab bundle may be separated as the connecting member melts when the temperature of the battery cell increases. In this way, it is possible to prevent diffusion due to ignition and explosion of the battery cell by blocking charging.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an electrode assembly according to the present invention.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of an electrode assembly and an enlarged view of an electrode current collector according to the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of an electrode lead according to the present invention.
  • FIG. 4 is a side view of an electrode tab bundle and an electrode lead coupling part.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a method for manufacturing an electrode assembly according to the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an electrode assembly according to the present invention.
  • the electrode assembly 100 is stacked with a separator (not shown) interposed between a plurality of positive electrodes 110 and a plurality of negative electrodes 120, and the positive electrodes 110 ) includes positive electrode tabs 115 protruding from one outer periphery, and the negative electrodes 120 include negative electrode tabs 125 protruding from one outer periphery.
  • FIG. 1 shows a form in which positive electrode tabs and negative electrode tabs protrude from the same outer periphery of one side, however, the positive electrode tabs and negative electrode tabs may protrude in different directions, and the positive electrode tab protrudes from one positive electrode and one negative electrode.
  • the number of fields and cathode tabs may be two or more, respectively.
  • the positive electrode tabs 115 and the negative electrode tabs 125 have one or more through-holes 117 and 127 formed at certain positions, and the through-holes 117 and 127 are provided with a connecting member 210 made of an electrically conductive material. is inserted
  • the positive lead 310 is disposed under the positive electrode tabs 115, the negative electrode lead 320 is disposed below the negative electrode tabs 125, and the connecting member 210 inserted into the through hole is heated and pressurized. become and melt By the molten connection member, the positive electrode tab bundle formed by the positive electrode tabs 115 being closely coupled along the stacking direction and the positive electrode lead 310 are coupled, and the negative electrode tabs 125 are closely adhered along the stacking direction.
  • the negative electrode tab bundle and the negative electrode lead 320 formed by being combined are combined.
  • the positive tabs 115 and the positive lead 310 may be electrically connected, and the negative tabs 125 and the negative lead 120 may be electrically connected.
  • the electrode assembly according to the present invention is formed on the positive electrode tab and the negative electrode tab without using welding such as ultrasonic welding or laser welding for coupling of the positive electrode tab bundle and the positive electrode lead, and coupling of the negative electrode tab bundle and the negative electrode lead.
  • welding such as ultrasonic welding or laser welding for coupling of the positive electrode tab bundle and the positive electrode lead, and coupling of the negative electrode tab bundle and the negative electrode lead.
  • a method of inserting a connecting member into the through-hole and melting the connecting member is used.
  • the connecting member 210 is inserted into the through-holes 117 and 127 to be inserted into the through-holes of the bundle of electrode tabs in which electrode tabs overlap each other, and the connecting member may have a cylindrical or polygonal columnar rod shape.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of an electrode assembly and an enlarged view of an electrode current collector according to the present invention.
  • the electrode assembly of FIG. 2 may be stacked in the same form as the electrode assembly shown in FIG. 1 .
  • FIG. 2 shows a form in which negative electrode tabs are combined with negative electrode leads, and hereinafter, a negative electrode tab bundle and a negative lead coupling portion will be described, and the same description can be applied to the positive electrode tab and positive lead coupling portion. there is.
  • the positive electrode 110 is a double-sided electrode in which the positive electrode mixture layer 112 is coated on both sides of the positive electrode current collector 111, and the negative electrode 120 is a negative electrode on both sides of the negative electrode current collector 121. It is a double-sided cathode to which the mixture layer 122 is applied.
  • a negative electrode lead 320 is disposed under the negative electrode tabs 125 , and an opening having a size corresponding to the through hole formed in the negative electrode tabs 125 is formed in the negative electrode lead 320 .
  • the connecting member 210 inserted into the through-hole formed in the negative electrode tab 125 extends to the opening of the negative electrode lead 320 and is inserted therein.
  • the negative electrode tabs 125 and the negative electrode lead 320 may come into contact with each other by the connecting member 210 .
  • the connecting member 210 may be made of a low melting point metal, and the low melting point metal may be an alloy containing two or more selected from the group consisting of bismuth, tin, lead, cadmium, zinc and indium.
  • the connecting member 210 made of a low melting point metal when the connecting member 210 made of a low melting point metal is inserted into the through hole and the opening, when the heating member 400 is applied to the upper and lower parts of the negative electrode tab bundle and the negative lead coupling part, respectively, the connecting member is melted.
  • the through-holes and the inside of the opening may be sealed, and bonding force between the negative electrode tab bundle and the negative electrode lead may be secured.
  • the present invention uses a low melting point metal for bonding the negative electrode tab bundle and the negative electrode lead.
  • the electrode assembly is contaminated or a short circuit occurs due to impurities generated during the welding process. problems can be avoided.
  • a mixture of the low melting point polymer and the metal powder may be used to secure electrical conductivity.
  • the length of the connecting member 210 inserted into the through-hole of the negative electrode tab bundle may be at least equal to or longer than the height of the electrode tab bundle.
  • the negative current collector 121 is formed in a form in which a metal layer 121b is coupled to both sides of an insulating layer 121a.
  • the thickness D1 of the insulating layer 121a may be thicker than the thickness D2 of the metal layer 121b.
  • the insulating layer may have a thickness of 4 ⁇ m to 15 ⁇ m, and the thickness of one metal layer may have a thickness of 0.1 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the density of the insulating layer may be smaller than that of the metal layer.
  • the negative electrode current collector according to the present invention includes an insulating layer having a relatively low density, it is possible to provide a lighter negative electrode current collector than when the entire negative electrode current collector is composed of only a metal layer. Therefore, the overall weight of the battery cell can be reduced and a battery cell with improved energy density can be manufactured.
  • a polymer film may be used as the insulating layer.
  • the positive electrode and the negative electrode undergo a drying step for drying the solvent after coating the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer, and the temperature of the drying step is about 100 °C to 130 °C.
  • the polymer film may have a melting point higher than 150 °C.
  • the material of the polymer film is polyethylene terephthalate (PET), polystyrene (PS), polypropylene (PP), polyamide (PA), polyimide (PI), triacetyl cellulose (TAC) and cycloolefin polymer (COP) may be one or more selected from the group consisting of.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PS polystyrene
  • PP polypropylene
  • PA polyamide
  • PI polyimide
  • TAC triacetyl cellulose
  • COP cycloolefin polymer
  • the present invention can use an electrode current collector in which metal layers are bonded to both sides of the insulating layer, so that the metal layers on both sides of the insulating layer are not electrically connected by the insulating layer.
  • a low melting point metal that is melted at a low temperature and has electrical conductivity is inserted into the through hole, and then the low melting point metal is melted, the metal layer and the metal layer are electrically connected within a single electrode tab. Electrical connection may also be made between the plurality of electrodes forming the electrode tab bundle. In addition, when the low melting point metal is melted while the electrode lead is in contact with the electrode tab bundle, electrical connection can be made through the low melting point metal at the contact surface between the electrode tab bundle and the electrode lead.
  • the low melting point metal is inserted only through the through hole formed in the electrode tab, the low melting point metal having a melting point in the range of 60 °C to 250 °C may be used.
  • FIG. 3 is a perspective view of an electrode lead according to the present invention
  • FIG. 4 is a side view of an electrode tab bundle and an electrode lead coupling part.
  • a groove 332 having a size corresponding to the through hole of the negative electrode tab bundle 190 is formed at a portion where the connection member contacts. Accordingly, when the connecting member 210 is melted while being inserted into the groove 332, electrical connection between the negative electrode lead 330 and the negative electrode tab bundle 190 can be made.
  • FIG. 4 (a) and (b) show a state in which the electrode tab bundle is coupled using the negative electrode lead 330.
  • the negative electrode lead 330 is coupled between the negative electrode tab bundle and the negative electrode lead 330 by melting the connecting member 210 in a state located on the upper surface of the negative electrode tab bundle 190, and in (b) the negative electrode lead ( 330) is located on the lower surface of the negative electrode tab bundle 190, and bonding between the negative electrode lead and the negative electrode tab bundle is performed by melting the connecting member 210.
  • the negative lead 340 shown in FIG. 3 has an opening 342 having a size corresponding to the through hole of the negative electrode tab bundle 190 .
  • the negative electrode lead 340 having the opening 342 is located inside the negative electrode tab bundle 190, and the connecting member 210 is connected to the through hole of the negative electrode tab bundle 190 and the negative electrode lead 340. It shows a state inserted into the opening 342 of the.
  • the negative electrode lead 340 having an opening may be used.
  • the coupling part of the electrode lead and the electrode tab bundle is separated and the current flows may be blocked. Therefore, before the battery cell is ignited and exploded by the thermal runaway phenomenon, it is possible to prevent current flow by blocking it.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a method for manufacturing an electrode assembly according to the present invention.
  • FIG. 5 illustrates a method of coupling negative electrode leads to a bundle of negative electrode tabs, the description thereof can be equally applied to the case of coupling positive leads to a bundle of positive electrode tabs.
  • a negative electrode current collector is prepared, through-holes 127 are formed in the negative electrode tab 125, and the negative electrode tabs 125 are arranged to be stacked in accordance with each other.
  • the negative electrode tab bundle 190 is formed.
  • the through-holes 127 may overlap in the stacking direction, and the through-holes may communicate with each other within the negative electrode tab bundle to which the negative electrode tabs are in close contact.
  • the negative electrode lead 340 having the opening 342 formed on the lower surface of the negative electrode tab bundle 190 is disposed, and the connection member 210 is inserted into the through hole 127 and the opening 342 .
  • the heating member 400 is disposed on the upper surface of the negative electrode tab bundle and the lower surface of the negative electrode lead, respectively, and the heating member 400 is applied to the negative electrode tab bundle 190 and the negative electrode lead ( 340). In this way, the connection member 210 whose temperature has increased through the pressing process of the heating member 400 is melted.
  • the molten connection member 210 completely fills the internal space of the through hole 127 and the opening 342 . Therefore, even if the cathode tabs include an insulating layer therein and the metal layer is bonded to the insulating layer, the electrical connection between the metal layers and the metal layers in a single cathode tab, the cathode tabs constituting the cathode tab bundle 190 ( 125 may be electrically connected, and electrical connection may be made between the negative electrode tab bundle 190 and the negative electrode lead 340.
  • the process of coupling the electrodes constituting the bundle of negative electrode tabs and the process of coupling the bundle of negative electrode tabs to the negative electrode lead can occur simultaneously, so that the manufacturing process of the electrode assembly can be simplified.
  • the through-holes of the cathode tab bundle are connected to the space formed inside the groove 332 of the cathode lead.
  • the negative electrode tab bundle and the negative electrode lead may be electrically connected.
  • a negative electrode lead without grooves or openings can also be used as an electrode lead according to the present invention.
  • the connecting member When the connecting member is inserted into the through-hole of the negative electrode tab bundle, the connecting member comes into contact with the surface of the negative electrode lead. Therefore, when the connecting member is melted, coupling may be made through the connecting member at the contact surface between the negative electrode lead and the connecting member.

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Abstract

본원발명은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 복수의 양극들 및 복수의 음극들의 적어도 일측 외주변에서 돌출된 전극 탭들은 적층 방향을 따라 밀착되어 결합되어 전극 탭 다발을 형성하며, 상기 전극 탭 다발을 관통하는 관통구가 적어도 한 개 이상 형성되어 있고, 상기 관통구에는 전기전도성 소재로 이루어진 연결부재가 삽입되어 있으며, 전극리드는 용융된 연결부재에 의해 상기 전극 탭 다발과 전기적으로 연결되어 있는 전극조립체에 대한 것으로서, 가열 및 가압하는 방법을 통해 전극 탭 다발과 전극리드의 전기적인 연결을 달성할 수 있다.

Description

전극리드 일체형 전극조립체 및 이의 제조방법
본원 발명은 전극리드 일체형 전극조립체에 대한 것이다. 구체적으로, 전기전도성 및 열용융성 소재를 사용하여 전극리드와 전극 탭 다발이 결합된 형태의 전극리드 일체형 전극조립체에 대한 것이다.
휴대폰, 노트북 컴퓨터, 웨어러블 디바이스 등 전자기기 또는 전기자동차 등의 에너지원으로서 이차전지에 대한 수요가 증가하고 있다. 이차전지는 전극의 종류에 따라 니켈-카드뮴 이차전지, 니켈-수소 이차전지, 리튬 이차전지 등으로 분류되는데, 높은 작동 전압, 단위 중량당 고에너지 밀도를 갖는 장점을 갖는 리튬 이차전지에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
상기 리튬 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 금속 캔에 내장되는 각형 이차전지 및 원통형 이차전지와 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치 케이스에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류된다.
상기 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스가 다양해짐에 따라, 전지의 무게를 줄이고 에너지 밀도를 높인 형태의 전지셀도 필요해지고 있다. 이에, 절연층의 양면에 금속층이 결합된 형태의 전극집전체를 적용하는 시도가 있다.
또한, 리튬 이차전지의 용량이 증가됨에 따라 과충전, 고온노출 및 외부 충격 등에 의해 발화 또는 폭발 사고의 규모가 커지고 있다. 상기 발화 또는 폭발의 주된 원인은, 전극조립체 내부의 양극과 음극이 직접 접촉하여 발생하는 쇼트현상에서 찾을 수 있다. 이와 같은 단락 발생시, 양극과 음극의 접촉 부위를 따라 리튬 이온뿐만 아니라 전자의 이동이 집중되어 전지내부 발열이 촉진된다.
이에, 전지 내부 온도 증가시 전자와 리튬 이온의 이동을 억제하기 위하여, 금속박들 사이에 절연층이 개재된 형태의 전극집전체의 사용이 제안되었다.
그러나, 이와 같이 절연층을 포함하는 전극집전체를 사용하는 경우, 종래와 같이 초음파 용접이나 레이저 용접과 같은 용접 방식으로는 복수의 양극 탭들 또는 복수의 음극 탭들을 결합하여 전극 탭 다발을 형성하기 어려운 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 상기 전극 탭들에 관통구를 만들고, 상기 전극 탭들을 적층하여 전극 탭 다발을 형성한 상태에서 상기 관통구에 저융점금속을 삽입한 후 가열 및 가압함으로써, 전극 탭들 간의 전기적인 연결이 형성되도록 할 수 있다.
상기 전극조립체는 저융점금속에 의해 복수의 전극들 간에 전기적인 연결이 이루어진 상태에서 전극 리드와 결합하고, 상기 전극리드가 전극 단자가 될 수 있다.
상기 전극 탭 다발과 전극 리드를 결합하기 위하여 종래에는 초음파 용접이나 레이저 용접과 같은 용접 방식을 사용하였다.
이와 관련하여 특허문헌 1은 도전층들 사이에 절연층이 배치된 형태의 다층 구조를 가지는 집전체와 상기 집전체 상에 형성된 활물질층을 포함하는 전극, 및 상기 전극과 접속되는 배선 인출용 탭 전극을 구비하고, 전지 내부의 발열에 의해 용융하는 금속 재료로 구성되는 도전재를 통해 상기 탭 전극이 상기 전극과 전기적으로 접속되는 이차전지를 개시한다.
특허문헌 1은 상기 탭 전극과 전극을 접속하기 위한 방법으로서, 초음파 용접, 레이저 용접, 저항 용접, 스폿 용접 등을 이용하고 있다.
그러나, 이와 같은 용접 과정에서 발생하는 불순물에 의해 전극 탭 다발과 전극 리드 결합부가 오염될 염려가 있다.
따라서, 가볍고 에너지 밀도가 높은 전지셀을 제조할 수 있으면서, 용접에 따른 문제를 차단할 수 있는 형태의 전극조립체에 대한 필요성이 높은 실정이다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 일본 등록특허공보 제5784928호 (2015.07.31)
본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 연결부재를 이용하여 전극 탭 다발을 구성하는 전극들을 전기적으로 연결하고, 상기 연결부재를 가열 및 가압하는 방법으로 상기 전극 탭 다발과 전극리드를 결합할 수 있는 전극리드 일체형 전극조립체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 전극조립체는, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 복수의 양극들 및 복수의 음극들의 적어도 일측 외주변에서 돌출된 전극 탭들은 적층 방향을 따라 밀착되어 결합되어 전극 탭 다발을 형성하며, 상기 전극 탭 다발을 관통하는 관통구가 적어도 한 개 이상 형성되어 있고, 상기 관통구에는 전기전도성 소재로 이루어진 연결부재가 삽입되어 있으며, 전극리드는 용융된 연결부재에 의해 상기 전극 탭 다발과 전기적으로 연결되어 있는 형태일 수 있다.
상기 연결부재는 상기 관통구에 삽입되어 상기 전극 탭 다발을 관통하는 막대 형태로 이루어질 수 있다.
상기 연결부재는 저융점금속으로 이루어질 수 있다.
상기 전극리드는 상기 전극 탭 다발의 관통구와 대응되는 크기의 홈 또는 개구가 형성되어 있고, 상기 전극리드는 상기 전극 탭 다발의 상면 또는 하면에 결합할 수 있다.
상기 전극리드는 상기 전극 탭 다발의 관통구와 대응되는 크기의 개구가 형성되어 있고, 상기 전극리드는 상기 전극 탭 다발의 내부에 위치하며, 상기 전극리드의 개구와 상기 전극 탭 다발의 관통구에 상기 연결부재가 삽입될 수 있다.
상기 양극들 및 음극들은 절연층의 양면에 금속층이 결합된 형태의 전극집전체를 포함할 수 있다.
상기 절연층의 두께는 상기 금속층 한 개의 두께 보다 두꺼운 형태로 이루어질 수 있다.
상기 절연층의 밀도는 상기 금속층의 밀도 보다 작을 수 있다.
상기 연결부재의 융점은 상기 절연층의 융점 보다 낮을 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 전극조립체의 제조방법을 제공하는 바, 상세하게는, (a) 전극 탭들에 관통구를 형성하는 단계, (b) 전극 탭들이 적층되도록 배치하여 전극 탭 다발을 형성하는 단계, (c) 상기 전극 탭 다발에 전극리드를 배치하는 단계, (d) 상기 관통구에 연결부재를 삽입하는 단계, 및 (e) 상기 연결부재를 용융시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (e)는 상기 전극 탭 다발을 가열 및 가압하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 단계 (e)에서 전극 탭 다발을 구성하는 전극들, 및 전극리드가 동시에 결합될 수 있다.
상기 전극리드는 상기 전극 탭들에 형성된 관통구와 대응되는 크기의 홈 또는 개구가 형성될 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 전극조립체는 전극 탭에 형성된 관통구에 전기전도성 소재로 이루어진 연결부재를 삽입하고, 상기 연결부재를 가열 및 가압함으로써 복수의 전극 탭들 간의 전기적인 연결이 이루어질 수 있다.
또한, 절연층의 양면에 금속층이 결합된 형태의 전극들을 사용함으로써 전극집전체의 무게를 줄일 수 있으며, 에너지 밀도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 전극 탭 다발을 형성할 때 전극 탭 다발과 전극리드를 결합하는 과정을 함께 진행할 수 있으므로, 전극조립체 제조 공정을 단순화하고 시간을 단축할 수 있다.
또한, 저융점합금으로 이루어진 연결부재를 사용함으로써, 전지셀의 온도 증가시 상기 연결부재가 용융되면서 전극리드와 전극 탭 다발 간의 결합이 분리될 수 있다. 이와 같이, 충전을 차단함으로써 전지셀의 발화 및 폭발로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본원발명에 따른 전극조립체의 분해 사시도이다.
도 2는 본원발명에 따른 전극조립체의 수직 단면도와 전극집전체의 확대도이다.
도 3은 본원발명에 따른 전극리드의 사시도이다.
도 4는 전극 탭 다발과 전극리드 결합부의 측면도이다.
도 5는 본원발명에 따른 전극조립체 제조방법의 모식도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, 또는, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 본원발명에 따른 전극조립체의 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본원발명에 따른 전극조립체(100)는 복수의 양극들(110)과 복수의 음극들(120) 사이에 분리막(도시하지 않음)이 개재되어 적층되어 있고, 양극들(110)은 일측 외주변에서 돌출된 양극탭들(115)을 포함하고, 음극들(120)은 일측 외주변에서 돌출된 음극탭들(125)을 포함한다.
도 1에는 양극탭들과 음극탭들이 동일한 일측 외주변에서 돌출된 형태를 도시하고 있으나, 양극탭들과 음극탭들의 돌출 방향이 서로 다른 방향일 수 있고, 하나의 양극 및 음극에서 돌출된 양극탭들과 음극탭들의 개수가 각각 2개 이상씩 형성될 수 있다.
양극탭들(115)과 음극탭들(125)은 일정한 위치에 1개 이상의 관통구(117, 127)가 형성되어 있고, 관통구(117, 127)에는 전기전도성 소재로 이루어진 연결부재(210)가 삽입된다.
양극탭들(115)의 하부에는 양극리드(310)가 배치하고, 음극탭들(125)의 하부에는 음극리드(320)가 배치하며, 관통구에 삽입된 연결부재(210)가 가열 및 가압되어 용융된다. 이와 같이 용융된 연결부재에 의해, 양극탭들(115)이 적층 방향을 따라 밀착되어 결합되어 형성된 양극탭 다발과 양극리드(310)가 결합되고, 음극탭들(125)이 적층 방향을 따라 밀착되어 결합되어 형성된 음극탭 다발과 음극리드(320)가 결합된다.
따라서, 양극탭들(115)과 양극리드(310)가 전기적으로 연결되고, 음극탭들(125)과 음극리드(120)가 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같이, 본원발명에 따른 전극조립체는 양극탭 다발과 양극리드의 결합, 및 음극탭 다발과 음극리드의 결합을 위하여 초음파 용접이나 레이저 용접과 같은 용접을 사용하지 않고, 양극탭과 음극탭에 형성된 관통구에 연결부재를 삽입하고, 상기 연결부재를 용융시키는 방법을 사용한다.
연결부재(210)는 관통구(117, 127)에 삽입되어 전극 탭들이 중첩된 전극 탭 다발의 관통구들에 삽입되는 바, 연결부재는 원통형 또는 다각 기둥 형태의 막대 형태로 이루어질 수 있다.
도 2는 본원발명에 따른 전극조립체의 수직 단면도와 전극집전체의 확대도이다.
도 2를 참조하면, 도 2의 전극조립체는 도 1에 도시된 전극조립체와 동일한 형태로 적층된 것일 수 있다.
도 2에서는 음극탭들이 음극리드와 결합된 형태를 도시하고 있으며, 이하에서는 음극탭 다발과 음극리드 결합부에 대해 설명하는 바, 이에 대한 설명은 양극탭과 양극리드 결합부에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 2에 도시된 전극조립체에서 양극(110)은 양극집전체(111)의 양면에 양극합제층(112)이 도포된 양면 전극이고, 음극(120)은 음극집전체(121)의 양면에 음극합제층(122)이 도포된 양면 음극이다.
음극탭들(125)의 하부에는 음극리드(320)가 배치되고, 음극리드(320)에는 음극탭들(125)에 형성된 관통구와 대응되는 크기의 개구가 형성되어 있다.
따라서, 음극탭(125)에 형성된 관통구 내부에 삽입된 연결부재(210)는 음극리드(320)의 개구까지 연장되어 삽입된다.
따라서, 연결부재(210)에 의해 음극탭들(125)과 음극리드(320)가 접촉된 상태가 될 수 있다.
연결부재(210)는 저융점금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 저융점금속은 비스무스, 주석, 납, 카드뮴, 아연 및 인듐으로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 포함하는 합금일 수 있다.
이와 같이 저융점금속으로 이루어진 연결부재(210)가 관통구 및 개구에 삽입된 상태에서, 음극탭 다발과 음극리드 결합부의 상부 및 하부 각각에서 가열부재(400)로 가압하는 경우 연결부재가 용융되어 관통구들과 개구 내부를 밀폐할 수 있고, 음극탭 다발과 음극리드 사이의 결합력을 확보할 수 있다.
이와 같이, 본원발명은 음극탭 다발과 음극리드의 결합을 위하여 저융점금속을 사용하고 있는 바, 종래에 용접을 사용하는 경우에 용접 과정에서 발생하는 불순물에 의해 전극조립체가 오염되거나 단락이 발생했던 문제를 방지할 수 있다.
한편, 상기 연결부재로서 저융점고분자를 사용하는 경우에는 전기전도성을 확보하기 위하여 상기 저융점고분자와 금속 파우더의 혼합 형태를 사용할 수 있다.
음극탭 다발과 음극리드(320)가 적층된 상태에서 연결부재(210)가 음극 탭 다발의 관통구에 삽입된 상태에서의 길이는 적어도 상기 전극 탭 다발의 높이와 동일하거나 더 긴 형태일 수 있다.
음극집전체(121)는 절연층(121a)의 양면에 금속층(121b)이 결합된 형태로 이루어진다. 절연층(121a)의 두께(D1)는 금속층(121b)의 두께(D2) 보다 두꺼운 형태로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 절연층의 두께는 4 ㎛ 내지 15 ㎛로 형성될 수 있고, 금속층 한 개의 두께는 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛로 형성될 수 있다.
또한, 절연층의 밀도는 금속층의 밀도 보다 작을 수 있다. 이와 같이, 본원발명에 따른 음극집전체는 상대적으로 밀도가 낮은 절연층을 포함하고 있는 바, 음극집전체 전체가 금속층으로만 구성되는 경우보다 가벼운 음극집전체를 제공할 수 있다. 따라서, 전지셀의 전체적인 무게를 줄일 수 있고 에너지 밀도가 향상된 전지셀을 제조할 수 있다.
상기 절연층으로서 고분자 필름을 사용할 수 있다. 다만, 양극 및 음극은 양극합제층 및 음극합제층을 코팅한 후 용매 건조를 위한 건조 단계를 거치게 되는데, 상기 건조 단계의 온도는 약 100 ℃ 내지 130 ℃ 정도 된다.
따라서, 상기 건조 단계에서 상기 절연층이 용융되는 것을 방지하기 위하여, 상기 고분자 필름은 용융점이 150 ℃ 보다 높은 것을 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 고분자 필름의 소재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 및 시클로올레핀폴리머(COP)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
이와 같이, 본원발명은 절연층의 양면에 금속층이 결합된 형태의 전극집전체를 사용할 수 있는 바, 절연층 양면에 있는 금속층들이 상기 절연층에 의해 전기적인 연결이 이루어지지 않은 상태가 된다.
또한, 이와 같은 형태의 전극집전체에서는 전극 탭 다발이 밀착되는 것 만으로는 서로 다른 전극 탭들 간에 전기적인 연결이 이루어지지 못한다.
이에, 전극탭에 관통구를 형성하고, 낮은 온도에서 용융되고 전기전도성이 있는 저융점금속을 상기 관통구에 삽입한 후 상기 저융점금속을 용융시키면, 단일 전극 탭 내에서 금속층과 금속층이 전기적으로 연결될 수 있으며, 전극탭 다발을 형성하는 복수의 전극들 간에도 전기적인 연결이 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전극탭 다발에 전극리드를 접촉시킨 상태로 저융점금속을 용융시키면, 상기 전극탭 다발과 전극리드의 접촉면에서 상기 저융점금속을 통한 전기적인 연결이 이루어질 수 있다.
한편, 상기 연결부재를 용융시키는 과정에서 전극집전체 내부의 절연층이 용융되는 것을 방지해야 하는 바, 상기 연결부재의 융점은 상기 절연층의 융점 보다 낮은 소재를 사용할 수 있다. 다만, 상기 저융점금속은 전극 탭에 형성된 관통구에만 삽입되는 점을 고려할 때, 상기 저융점금속은 융점이 60 ℃ 내지 250 ℃ 범위에 해당되는 것을 사용할 수 있다.
도 3은 본원발명에 따른 전극리드의 사시도이고, 도 4는 전극 탭 다발과 전극리드 결합부의 측면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3의 음극리드(330)는 연결부재가 접촉되는 부분에 음극탭 다발(190)의 관통구와 대응되는 크기의 홈(332)이 형성되어 있다. 따라서, 연결부재(210)가 홈(332)에 삽입된 상태에서 용융되면 음극리드(330)와 음극탭 다발(190) 간의 전기적인 연결이 이루어질 수 있다.
음극리드(330)와 같이 홈(332)이 형성된 음극리드(330)를 사용하는 경우에는, 용융된 연결부재가 음극리드를 관통하여 흐르지 않기 때문에, 깔끔한 외관을 형성할 수 있다.
도 4의 (a)와 (b)에서는 음극리드(330)를 사용하여 전극 탭 다발이 결합된 상태를 도시하고 있다. (a)에서 음극리드(330)는 음극탭 다발(190)의 상면에 위치한 상태에서 연결부재(210)의 용융에 의해 음극리드와 음극탭 다발 간에 결합이 이루어지고, (b)에서 음극리드(330)는 음극탭 다발(190)의 하면에 위치한 상태로 연결부재(210)의 용융에 의해 음극리드와 음극탭 다발 간에 결합이 이루어진다.
도 3에 도시된 음극리드(340)는 음극탭 다발(190)의 관통구와 대응되는 크기의 개구(342)가 형성되어 있다.
도 4의 (c)에서는 개구(342)가 형성된 음극리드(340)가 음극탭 다발(190)의 내부에 위치하고, 연결부재(210)가 음극탭 다발(190)의 관통구와 음극리드(340)의 개구(342)에 삽입된 상태를 도시하고 있다.
도 4의 (a)와 (b)와 같이 음극리드가 음극탭 다발의 상면 또는 하면에 위치하는 경우, 개구가 형성된 음극리드(340)를 사용할 수 있음은 물론이다.
이와 같이 저융점금속이 연결부재로 사용되는 경우에는, 전지의 비정상적인 작동에 따라 전지의 온도가 저융점금속의 융점 이상으로 증가하는 경우, 전극리드와 전극 탭 다발의 결합부가 분리되면서 전류의 흐름이 차단될 수 있다. 따라서, 열폭주 현상에 의해 전지셀이 발화 및 폭발되기 전에 전류의 흐름을 차단하여 이를 방지할 수 있다.
도 5는 본원발명에 따른 전극조립체 제조방법의 모식도이다.
도 5는 음극탭 다발에 음극리드를 결합하는 방법을 도시하고 있으나, 이에 대한 설명은 양극탭 다발에 양극리드를 결합하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본원발명에 따른 전극조립체를 제조하기 위하여, 음극집전체를 준비하여 음극탭(125)에 관통구(127)를 형성하고, 음극탭들(125)이 일치되게 적층되도록 배치하여 음극탭 다발(190)을 형성한다.
따라서 관통구들(127)이 적층방향에서 중첩될 수 있으며, 음극탭들이 밀착된 음극 탭 다발 내부에서 관통구들이 연통될 수 있다.
음극탭 다발(190)의 하면에 개구(342)가 형성된 음극리드(340)를 배치하고 관통구(127)와 개구(342)에 연결부재(210)를 삽입한다.
이와 같이 연결부재가 관통구와 개구에 삽입된 상태에서 음극탭 다발의 상면과 음극리드의 하면 각각에 가열부재(400)를 배치하고, 가열부재(400)를 음극탭 다발(190)과 음극리드(340)를 향해 가압한다. 이와 같이 가열부재(400)의 가압 과정을 통해 온도가 증가한 연결부재(210)가 용융된다.
용융된 연결부재(210)는 관통구(127)와 개구(342) 내부 공간을 꽉 채운 상태가 된다. 따라서, 음극탭들이 내부에 절연층을 포함하고 금속층이 상기 절연층에 결합된 구조로 이루어지더라도 단일 음극탭에서 금속층과 금속층 간의 전기적인 연결, 음극탭 다발(190)을 구성하는 음극탭들(125) 간의 전기적인 연결이 이루어질 뿐만 아니라, 음극탭 다발(190)과 음극리드(340)와의 전기적인 연결이 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본원발명은 음극탭 다발을 구성하는 전극들 간의 결합 과정, 및 상기 음극탭 다발과 음극리드의 결합 과정이 동시에 일어날 수 있는 바, 전극조립체의 제조과정이 간소화될 수 있다.
한편, 음극리드로서 도 3의 음극리드(330)와 같이 홈(332)이 형성된 구조의 음극리드를 사용하는 경우, 음극탭 다발의 관통구들과 음극리드의 홈(332) 내부에 형성된 공간에 연결부재가 삽입된 후 용융되면, 음극탭 다발과 음극리드가 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 홈이나 개구가 형성되지 않은 음극리드도 본원발명에 따른 전극리드로 사용될 수 있는 바, 음극탭 다발의 관통구에 연결부재가 삽입되면, 음극리드 표면에 연결부재가 접촉하게 된다. 따라서, 연결부재가 용융되면 음극리드와 연결부재의 접촉면에서 연결부재를 통한 결합이 이루어질 수 있다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
(부호의 설명)
100: 전극조립체
110: 양극
111: 양극집전체
112: 양극합제층
115: 양극탭
117, 127: 관통구
120: 음극
121: 음극집전체
122: 음극합제층
121a: 절연층
121b: 금속층
125: 음극탭
190: 음극탭 다발
210: 연결부재
310: 양극리드
320, 330, 340: 음극리드
332: 홈
342: 개구
400: 가열부재
D1: 절연층의 두께
D2: 금속층의 두께

Claims (13)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고,
    복수의 양극들 및 복수의 음극들의 적어도 일측 외주변에서 돌출된 전극 탭들은 적층 방향을 따라 밀착되어 결합되어 전극 탭 다발을 형성하며,
    상기 전극 탭 다발을 관통하는 관통구가 적어도 한 개 이상 형성되어 있고,
    상기 관통구에는 전기전도성 소재로 이루어진 연결부재가 삽입되어 있으며,
    전극리드는 용융된 연결부재에 의해 상기 전극 탭 다발과 전기적으로 연결되어 있는 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연결부재는 상기 관통구에 삽입되어 상기 전극 탭 다발을 관통하는 막대 형태로 이루어진 전극조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연결부재는 저융점금속으로 이루어진 전극조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극리드는 상기 전극 탭 다발의 관통구와 대응되는 크기의 홈 또는 개구가 형성되어 있고,
    상기 전극리드는 상기 전극 탭 다발의 상면 또는 하면에 결합하는 전극조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극리드는 상기 전극 탭 다발의 관통구와 대응되는 크기의 개구가 형성되어 있고,
    상기 전극리드는 상기 전극 탭 다발의 내부에 위치하며,
    상기 전극리드의 개구와 상기 전극 탭 다발의 관통구에 상기 연결부재가 삽입되어 있는 전극조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 양극들 및 음극들은 절연층의 양면에 금속층이 결합된 형태의 전극집전체를 포함하는 전극조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 절연층의 두께는 상기 금속층 한 개의 두께 보다 두꺼운 형태로 이루어진 전극조립체.
  8. 제6항에 있어서, 상기 절연층의 밀도는 상기 금속층의 밀도 보다 작은 전극조립체.
  9. 제6항에 있어서, 상기 연결부재의 융점은 상기 절연층의 융점 보다 낮은 전극조립체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전극조립체의 제조방법으로서,
    (a) 전극 탭들에 관통구를 형성하는 단계;
    (b) 전극 탭들이 적층되도록 배치하여 전극 탭 다발을 형성하는 단계;
    (c) 상기 전극 탭 다발에 전극리드를 배치하는 단계;
    (d) 상기 관통구에 연결부재를 삽입하는 단계; 및
    (e) 상기 연결부재를 용융시키는 단계;
    를 포함하는 전극조립체의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 단계 (e)는 상기 전극 탭 다발을 가열 및 가압하는 과정을 포함하는 전극조립체의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 단계 (e)에서 전극 탭 다발을 구성하는 전극들, 및 전극리드가 동시에 결합되는 전극조립체의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 전극리드는 상기 전극 탭들에 형성된 관통구와 대응되는 크기의 홈 또는 개구가 형성되어 있는 전극조립체의 제조방법.
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