WO2023059009A1 - 이차전지 - Google Patents

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WO2023059009A1
WO2023059009A1 PCT/KR2022/014812 KR2022014812W WO2023059009A1 WO 2023059009 A1 WO2023059009 A1 WO 2023059009A1 KR 2022014812 W KR2022014812 W KR 2022014812W WO 2023059009 A1 WO2023059009 A1 WO 2023059009A1
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tab
electrode tab
negative electrode
positive electrode
length
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강경수
정지훈
최용수
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery, and more particularly to a secondary battery not provided with an electrode lead.
  • This application is an application claiming priority to Korean Patent Application No. 10-2021-0134479 filed on October 8, 2021, and all contents disclosed in the specification and drawings of the application are incorporated into this application by reference.
  • Secondary batteries which are easy to apply according to product groups and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only in portable devices but also in electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs) driven by electrical sources. It is universally applied. These secondary batteries have not only the primary advantage of significantly reducing the use of fossil fuels, but also the advantage of not generating any by-products due to the use of energy, so they are attracting attention as a new energy source for eco-friendliness and energy efficiency improvement.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • a secondary battery generally includes an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, an electrolyte that delivers lithium ions, a case accommodating them, and electrode tabs extending from the electrode assembly. and an electrode lead welded to the electrode tabs and allowing a current to flow out of the case.
  • the electrode tabs extend from the positive plate or the negative plate of the electrode assembly and are electrically connected to the positive and negative leads respectively in a welded state.
  • the electrode lead exposed to the outside of the case is electrically connected to a bus bar in a subsequent process.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of a conventional secondary battery.
  • a conventional secondary battery 10 includes an electrode assembly 11, a plurality of electrode tabs 12 and 13 extending from the electrode assembly 11, and welding to the electrode tabs 12 and 13. It is configured to include electrode leads 14 and 15 coupled together, and a case 16 accommodating the electrode assembly 11 .
  • the electrode assembly 11 is a power generating device in which positive electrodes and negative electrodes are sequentially stacked with a separator interposed therebetween, and has a stacked, jelly-roll, or stacked/folded structure.
  • the electrode tabs 12 and 13 extend from each electrode plate of the electrode assembly 11, and the electrode leads 14 and 15 are electrically connected to a plurality of electrode tabs 12 and 13 extending from each electrode plate by welding, respectively. And, it is coupled in a partially exposed form to the outside of the case 16.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a secondary battery with improved safety by adjusting the length of a tab welding part without having an electrode lead.
  • a secondary battery includes at least one positive electrode plate having a positive electrode tab, at least one negative electrode plate having a negative electrode tab, and a separator interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate.
  • the length of is constant in the thickness direction of the positive electrode tab or negative electrode tab.
  • a length of the positive electrode tab or negative electrode tab of the tab welding portion in an extension direction may be 60% or less of a length of the positive electrode tab or negative electrode tab.
  • the length of the positive electrode tab or negative electrode tab of the tab welding portion in the extension direction may be 40% to 60% of the length of the positive electrode tab or negative electrode tab.
  • a secondary battery includes at least one positive electrode plate having a positive electrode tab, at least one negative electrode plate having a negative electrode tab, and a separator interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate.
  • the length of the negative electrode tab in the extending direction is different in the thickness direction of the positive electrode tab or the negative electrode tab.
  • the length of the second tab welding portion in the extension direction of the positive electrode tab or negative electrode tab may be 40% or more of the length of the positive electrode tab or negative electrode tab.
  • a length of the positive electrode tab or the negative electrode tab of the second tab welding portion in an extension direction may be 40% to 90% of the length of the positive electrode tab or the negative electrode tab.
  • a length of the positive electrode tab or the negative electrode tab of the first tab welding portion in an extending direction may be 60% or less of a length of the positive electrode tab or the negative electrode tab.
  • the length of the positive electrode tab or the negative electrode tab of the first tab welding part in the extension direction may be 30% to 60% of the length of the positive electrode tab or negative electrode tab.
  • a first tab welding portion in which the tab welding portion is in contact with the surface of the tab welding portion, a second tab welding portion not in contact with the surface of the tab welding portion and located on the opposite side of the first tab welding portion, and a third tab welding portion not in contact with a surface of the tab welding portion and located on an opposite side of the second tab welding portion, wherein a length of the third tab welding portion in an extension direction of the positive or negative electrode tab is the third tab welding portion.
  • the length of the tab welding part in the extension direction of the positive or negative tab is longer than the length of the second tab welding part in the extension direction of the positive or negative tab of the positive or negative tab of the first tab welding part. is longer than the length in the extension direction of
  • the length of the third tab welding portion in the extension direction of the positive electrode tab or negative electrode tab may be 60% or more of the length of the positive electrode tab or negative electrode tab.
  • a length of the second tab welding part in an extension direction of the positive electrode tab or the negative electrode tab may be 40% to 70% of the length of the positive electrode tab or the negative electrode tab.
  • a length of the positive electrode tab or the negative electrode tab of the first tab welding portion in the extending direction may be 50% or less of the length of the positive electrode tab or the negative electrode tab.
  • the length of the tab welding portion in the extension direction of the positive electrode tab or the negative electrode tab increases from the surface of the tab welding portion to the thickness direction of the tab welding portion.
  • the length of the tab welding portion in the extension direction of the positive electrode tab or the negative electrode tab is longest at a central portion of the thickness of the tab welding portion.
  • a secondary battery includes at least one positive electrode plate having a positive electrode tab, at least one negative electrode plate having a negative electrode tab, and a separator interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate.
  • an electrode assembly having; and a case accommodating the electrode assembly, wherein portions of the positive electrode tab and the negative electrode tab exposed to the outside of the case are overlapped with a plurality of identical polarities, and only a partial length portion from the end is welded and united, thereby forming an electrode lead.
  • a tab welded portion is provided, and the tab welded portion is provided in the extension direction of the positive electrode tab or the negative electrode tab so that the unwelded portions of the positive electrode tab and the negative electrode tab have a deformation amount capable of forming a disconnection at high temperature. Characterized in that the length is controlled.
  • the length of the tab welding part in the extension direction of the positive electrode tab or negative electrode tab may be constant or different in the thickness direction of the positive electrode tab or negative electrode tab.
  • the disconnection portion may be formed on a side surface of the positive electrode tab or the negative electrode tab adjacent to the electrode assembly.
  • the length of the tab welding portion in the extension direction of the positive or negative tab increases from the surface of the tab welding portion in the thickness direction of the tab welding portion and is longest at the center of the thickness of the tab welding portion.
  • the secondary battery according to an embodiment of the present invention does not include an electrode lead, a welding resistance problem due to welding between an electrode tab and an electrode lead can be improved.
  • the secondary battery according to an embodiment of the present invention it is possible to easily break the contact between the electrode assembly and the electrode tab at a high temperature by adjusting the length of the tab welding part, so that safety can be improved.
  • Pouch-type secondary batteries are easy to increase the volume ratio, but have a disadvantage that the pouch itself is difficult to hold the cell. Unlike cylindrical batteries with PTC or CID, pouch-type secondary batteries do not have thermal stability when the temperature of the cell runs out. According to the present invention, a safety device is provided even in a pouch-type secondary battery by providing a tab welded portion without an electrode lead and improving it to form a disconnection portion in which the electrode tab portion is cut off at a certain temperature or higher.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of a conventional secondary battery.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a disassembled state of an electrode assembly of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 4 is an enlarged view of a tap weld portion in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a tap weld portion in another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged view of a tap weld portion in another embodiment of the present invention.
  • 7 to 14 are diagrams showing deformation amount and stress analysis results by simulation experiments.
  • a secondary battery includes an electrode assembly including at least one positive electrode plate having a positive electrode tab, at least one negative electrode plate having a negative electrode tab, and a separator interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate; and a case accommodating the electrode assembly, including a tab welding portion in which the positive electrode tab and the negative electrode tab are welded in a state in which a plurality of the same polarities are overlapped, and the tab welding portion extends in the direction of the positive electrode tab or the negative electrode tab. It is characterized in that the length of is constant in the thickness direction of the positive electrode tab or negative electrode tab.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a disassembled state of an electrode assembly of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 100 is formed in a state in which a positive electrode plate 200 and a negative electrode plate 300 coated with an active material and a separator 400 interposed therebetween are stacked in the thickness direction (Z direction) of the battery. do.
  • the positive electrode tab 500 is formed on the positive electrode plate 200
  • the negative electrode tab 600 is formed on the negative electrode plate 300 at a position that does not overlap with an area where the positive electrode tab 500 is located.
  • the positive electrode tab 500 and the negative electrode tab 600 may be disposed in opposite directions with respect to the length direction (X direction) of the battery or may be disposed in the same direction. 2 is a case where they are located in the same direction as each other. Also, as shown, the positive electrode tab 500 and the negative electrode tab 600 may be positioned along the width direction (Y direction) of the battery.
  • the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 may be in the form of a strip having a length longer than the width and thickness, and the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is seen as a rectangle when viewed from the thickness direction of the battery, and the short side of the rectangle is defined as the width and the long side as the length.
  • the thickness of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 means the maximum value of the distance between both surfaces of the battery in the direction of the thickness of the battery.
  • the length direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is shown as the X-axis direction
  • the thickness direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is shown as the Z-axis direction.
  • the length of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 refers to the length between both ends in a direction perpendicular to the width direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600, and the positive electrode tab ( 500) or the length of the negative electrode tab 600 in the extension direction.
  • the positive electrode plate 200 may include a positive electrode current collector made of a thin metal plate having excellent conductivity, for example, aluminum (Al) foil, and a positive electrode active material layer coated on at least one surface thereof.
  • a positive electrode current collector made of a thin metal plate having excellent conductivity, for example, aluminum (Al) foil, and a positive electrode active material layer coated on at least one surface thereof.
  • the negative electrode plate 300 may include a negative electrode current collector made of a thin conductive metal plate, for example, copper (Cu) foil, and a negative electrode active material layer coated on at least one surface thereof.
  • a negative electrode current collector made of a thin conductive metal plate, for example, copper (Cu) foil, and a negative electrode active material layer coated on at least one surface thereof.
  • the separator 400 is interposed between the positive electrode plate 200 and the negative electrode plate 300 to electrically insulate the positive electrode plate 200 and the negative electrode plate 300 from each other, and between the positive electrode plate 200 and the negative electrode plate 300, lithium ions, etc. It may be formed in the form of a porous membrane so that it can pass through each other.
  • the separator 400 may include, for example, a porous film using polyethylene (PE), polypropylene (PP), or a composite film thereof.
  • An inorganic coating layer may be provided on the surface of the separator 400 .
  • the inorganic coating layer may have a structure in which inorganic particles are bonded to each other by a binder to form an interstitial volume between the particles.
  • the electrode assembly 100 includes a jelly-roll (wound type) electrode assembly having a structure in which a long sheet-shaped positive plate 200 and negative plate 300 are wound with a separator 400 interposed therebetween, and a plurality of cut-out units of a predetermined size.
  • a stacked (stacked) electrode assembly in which positive electrode plates 200 and negative electrode plates 300 are sequentially stacked with a separator 400 interposed therebetween, positive electrode plates 200 and negative electrode plates 300 in a predetermined unit are separated by a separator 400 and a stack/folding type electrode assembly having a structure in which bi-cells or full cells are stacked with intervening interposed therebetween. 2 shows a stacked electrode assembly.
  • the electrode assembly 100 includes at least one positive electrode plate 200, at least one negative electrode plate 300, and a separator 400 interposed therebetween.
  • the positive electrode tab 500 may be made of a metal material, for example, an aluminum (Al) material.
  • the positive electrode tab 500 may extend and protrude from one end of the positive electrode plate 200, or may be welded to one end of the positive electrode plate 200 or bonded using a conductive adhesive. 2 shows that the positive electrode tab 500 extends from one end of the positive electrode plate 200 and protrudes. It can be seen that the non-coated portion, which is a portion where the positive electrode active material layer is not formed on the positive electrode current collector, is extended.
  • the positive electrode tab 500 may be made of the same material as the positive electrode current collector, and the thickness of the positive electrode tab 500 may be the same as that of the positive electrode current collector, and may be, for example, several tens to hundreds of ⁇ m.
  • the negative electrode tab 600 may be formed of a metal material, such as copper (Cu) or nickel (Ni).
  • the negative electrode tab 600 may extend and protrude from one side end of the negative electrode plate 300, or may be welded to one side end of the negative electrode plate 300 or bonded using a conductive adhesive. 2 shows that the negative electrode tab 600 extends from one end of the negative electrode plate 300 and protrudes, the negative electrode tab 600 and the negative electrode plate 300 are integrated, and the negative electrode tab 600 is the part of the negative electrode plate 300. It can be seen that the non-coated portion, which is a portion on which the negative electrode active material layer is not formed on the negative electrode current collector, is extended.
  • the negative electrode tab 600 may be made of the same material as the negative electrode current collector, and the negative electrode tab 600 may have the same thickness as the negative electrode current collector, and may be, for example, several tens to hundreds of ⁇ m.
  • the positive electrode plate 200 and the negative electrode plate 300 included in the electrode assembly 100 may each have dozens of sheets.
  • a plurality of positive electrode tabs 500 and negative electrode tabs 600 of the same polarity are welded in an overlapping state by dozens in a thickness direction of the battery to form the tab welding portion 800 .
  • the thickness of one positive electrode tab 500 or negative electrode tab 600 is as thin as several tens to hundreds of ⁇ m, but when dozens of them are overlapped and united by welding, the thickness can be as thick as hundreds of ⁇ m to several mm, and accordingly, the tab weld ( 800) itself may have sufficient rigidity to serve as an electrode lead.
  • the electrode assembly 100 there is no need to separately attach an electrode lead to which a bus bar (not shown) is electrically connected to the tab welding portion 800, and the tab welding portion 800 itself transmits electricity to the outside. It can play a conducting role.
  • the length of the tab welding portion 800 serving as an electrode lead can be managed by cutting the tab welding portion 800 after welding the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is completed.
  • FIG 3 is a perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the secondary battery includes an electrode assembly 100 and a case 700 accommodating the electrode assembly 100 .
  • the case 700 accommodates the electrode assembly 100, but portions of the positive electrode tab 500 and the negative electrode tab 600 are exposed to the outside of the case 700. It replaces the electrode lead that plays a conducting role.
  • each of the positive electrode tab 500 and the negative electrode tab 600 may extend from one end of the positive electrode plate 200 and the negative electrode plate 300, and in another example, the positive electrode plate 200 may be formed by ultrasonic welding or laser welding. Alternatively, it may be attached to the negative electrode plate 300 .
  • the positive electrode tab 500 and the negative electrode tab 600 partially exposed to the outside of the case 700 are welded in a state in which a plurality of, for example, dozens of positive electrode tabs 500 and negative electrode tabs 600 are overlapped in the thickness direction of the battery. , Without the need to weld a member such as a separate electrode lead, sufficient rigidity can be exhibited with only a plurality of overlapping electrode tabs welded to each other, so that the electrode lead can perform its role.
  • the positive electrode tab 500 and the negative electrode tab 600 include a tab welding portion 800 in which a plurality of positive electrode tabs 500 and negative electrode tabs 600 are welded with the same polarity overlapping each other.
  • each of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 may be welded by ultrasonic welding or laser welding.
  • the case 700 may include an accommodating portion 700a accommodating the electrode assembly 100 and a sealing portion 700b formed to seal the electrode assembly 100 .
  • the case 700 may be provided in the form of a film having a multilayer structure of an outer layer for protection against external impact, a metal barrier layer for blocking moisture, and a sealant layer for sealing the case.
  • the outer layer is other polyester-based films such as poly(ethylene terephthalate) (PET), polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene naphthalate, co-polyester, polycarbonate, nylon, etc. It may include, and may be composed of a single layer or multiple layers.
  • PET poly(ethylene terephthalate)
  • PET polybutylene terephthalate
  • polyethylene naphthalate polybutylene naphthalate
  • co-polyester polycarbonate
  • nylon nylon
  • the metal barrier layer may include aluminum, copper, or the like.
  • the sealant layer may include a sealant resin and may be composed of a single layer or multiple layers.
  • the sealant resin may include polypropylene (PP), acid modified polypropylene (PPa), random polypropylene, ethylene propylene copolymer, or two or more of these.
  • the ethylene propylene copolymer may include ethylene-propylene rubber, ethylene-propylene block copolymer, etc., but is not limited thereto.
  • case 700 may be in the form of a pouch.
  • the case 700 when the case 700 is in the form of a pouch, it may include an upper pouch and a lower pouch.
  • the upper pouch and the lower pouch may have a structure in which the battery is sealed as the outer circumferential surface is fused.
  • the sealing portion 700b refers to a portion that is fused along the outer circumferential surface of the accommodating portion 700a to seal the electrode assembly 100.
  • the fusion may be thermal fusion or ultrasonic fusion, but the sealing portion (700b) is not particularly limited as long as it can be fused.
  • the sealing portion 700b may be sealed on four sides or three sides at the edge of the case 700 .
  • the boundary surface of the upper pouch and the lower pouch is bent so that the storage portions 700a formed in the upper and lower pouches are overlapped. It means a structure in which the edges of the remaining three sides are sealed. 3 may be referred to as a view showing a storage unit 700a formed in the lower pouch before covering the upper pouch.
  • FIG 4 is an enlarged view showing a tap weld portion in one embodiment of the present invention.
  • the tab welding portion 800 has a length in the extension direction (X-axis direction) of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 in the thickness direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 ( Z-axis direction) may be constant.
  • a portion connected to an electrode assembly receives the greatest stress at a high temperature. Accordingly, when the temperature of the battery rapidly rises due to abnormal operation of the battery, a portion of the electrode tab connected to the electrode assembly may be broken. If the design actively utilizes the fact that the electrode tab part can be disconnected at a certain temperature or higher, it can help to strengthen battery safety by forcibly releasing the battery connection structure in the event of an abnormality in which the battery temperature rises.
  • the length (WL) of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 in the extension direction of the tab welding portion 800 is the length (TL) of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 ) compared to 60% or less, or 50% to 60%, or 40% to 60%. That is, the entirety of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is not welded along the length TL of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600, but the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 In the direction from the end exposed to the outside of the case 700 toward the sealing portion 700b, that is, when the end of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is referred to as an upper part, a portion of the length is downward (-X direction).
  • the positive electrode tabs 500 or the negative electrode tabs 600 are united only in the tab welding part 800, so that the thickness of the united positive electrode tab 500 or negative electrode tab 600 is each positive electrode tab 500 or negative electrode tab 600 ), it secures mechanical rigidity and expands the current flow passage to act as an electrode lead, eliminating the need for a separate electrode lead.
  • the length WL is the length ( Note that the portion of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 that is not welded below the tab weld 800 (in the -X direction) remains below 60% of the TL), that is, by setting the upper limit of the length WL. Should be. In the longitudinal direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600, the portion adjacent to the electrode assembly 100 is not bundled with other positive electrode tabs 500 or negative electrode tabs 600, and each thin positive electrode tab ( 500) or the negative electrode tab 600.
  • the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 may be broken at any part of the corresponding portion to form a disconnection portion.
  • the high temperature here may be, for example, 80°C.
  • a shorter length WL is advantageous, but a lower limit of the length WL is required in order for the tab welded portion 800 to have mechanical rigidity sufficient to replace the electrode lead.
  • the lower limit of the length WL may be changed if the temperature at which the disconnection portion is formed is set lower or higher than 80°C.
  • the length of the portion of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 remaining unwelded is also controlled by setting the length WL to 40% or more of the length TL. That is, the length (WL) of the tab welded portion 800 is characterized in that the non-welded portions of the positive electrode tab 500 and the negative electrode tab 600 are controlled and designed to have a deformation amount capable of forming a disconnection at high temperature. there is.
  • the electrode tab may have sufficient rigidity and As the amount of deformation of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is large, the contact between the electrode assembly 100 and the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 can be easily broken, making it easier to improve the safety of the battery. can do.
  • the length WL of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 of the tab welding portion 800 in the extension direction may be 16 mm.
  • the length TL of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is 27 mm, and the length WL is 60% of the length TL, the length WL is 16 mm.
  • the method of forming the tab weld portion 800 having a constant length (WL) in the thickness direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is, for example, the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab ( 600) in the thickness direction of the battery, positioning the welding device in the vertical direction of the overlapping portion, and welding while moving the welding device along the longitudinal direction.
  • the length of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 in the extension direction of the tab welding portion 800 may be different in the thickness direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600. there is.
  • the length of the tab welded portion 800 is different in the thickness direction of the electrode tab, it may be easy to design the tab welded portion 800 to break at a desired design value for the stress applied to the electrode tab.
  • the length of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 of the tab welded portion 800 in the extending direction may increase from the surface of the tab welded portion 800 toward the thickness of the tab welded portion 800 . That is, the length of the central part of the thickness of the tap welded portion 800 may be the longest. When the length of the central portion of the thickness of the tab welded portion 800 is the longest, as verified in the simulation experiment described later, the electrode assembly 100 and the electrode assembly 100 and Contact between the positive electrode tab 500 and the negative electrode tab 600 may be more easily broken. This will be described in more detail with reference to FIGS. 5 and 6 below.
  • the length of the tab welded portion 800 in the extension direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 may decrease from the surface of the tab welded portion 800 toward the thickness of the tab welded portion 800 . That is, the length of the central part of the thickness of the tap welded portion 800 may be the shortest.
  • a method of forming a tab weld portion 800 in which the length of the tab weld portion 800 in the extension direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is different in the thickness direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 It is not a method of forming the tab welding portion 800 at once by gathering electrode tabs and welding them together, but welding is performed in a state in which some positive electrode tabs 500 or negative electrode tabs 600 are overlapped in the thickness direction of the battery Then, in a state where another positive electrode tab 500 or negative electrode tab 600 is overlapped in the thickness direction of the battery above or below it, welding is performed by a different welding length than the previous welding method, dividing the welding several times. possible.
  • the welding device in a state in which the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is overlapped in the thickness direction of the battery, the welding device is positioned in the vertical direction of the overlapped portion, and conditions are adjusted so that the deep heat generated by welding is greatest in the middle portion. By performing welding, it is possible to form the longest welded portion at the center in the thickness direction of the battery.
  • a laser welding device is positioned at an end of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600, and a laser beam is applied to the electrode It is also possible to form the longest welded portion at the center in the thickness direction of the battery by irradiating in the direction toward the assembly 100 .
  • FIG. 5 is an enlarged view of a tap weld portion in another embodiment of the present invention.
  • the tap welding portion 800 does not contact the surface of the first tab welding portion A and the surface of the tab welding portion 800 in contact with the surface of the tab welding portion 800, and the first A second tap weld portion B located on the opposite side of the tap weld portion A may be provided.
  • the length (WL_B) of the positive electrode tab 500 or negative electrode tab 600 of the second tab welded portion (B) in the extending direction is equal to the positive electrode tab 500 or negative electrode tab 600 of the first tab welded portion (A). may be longer than the length (WL_A) in the extension direction (WL_B>WL_A).
  • the length (WL_B) of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 of the second tab weld portion (B) in the extension direction may be 40% or more of the length TL of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 .
  • the length WL_B may be 90% or less of the length TL.
  • the length (WL_A) of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 of the first tab weld portion (A) in the extension direction may be 60% or less of the length TL of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 .
  • the length WL_A may be 30% or more of the length TL.
  • the length (WL_A) of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 of the first tab weld portion (A) in the extension direction is 30 compared to the length (TL) of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 %
  • the length WL_B of the second tab welded portion B in the extension direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 may be 40%, 60%, or 90% of the length TL.
  • the length WL_A may be 40% of the length TL
  • the length WL_B may be 50%, 60%, or 90% of the length TL.
  • the length WL_B may be 60% of the length TL and the length WL_B may be 90% of the length TL.
  • the length (WL_A) of the first tab weld (A) is shorter than the length (WL) of the tap weld (800), so that the first tab The amount of deformation at a high temperature may be further increased in the portion of the electrode tab remaining without forming the weld portion A.
  • the length (WL_A) of the first tap weld (A) is shorter than the length (WL) of the tap weld (800), and the insufficient welding area is the length (WL_B) of the second tap weld (B). It can be supplemented by making it longer than the length (WL) of
  • the length WL_A of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 of the first tab weld portion A in the extension direction may be 16 mm.
  • the length TL of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is 27 mm, if the length WL_A is 60% of the length TL, the length WL_A is 16 mm.
  • the length (WL_B) of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 of the second tab welding portion B in the extension direction may be 24 mm.
  • the length TL of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is 27 mm
  • the length WL_B is 90% of the length TL
  • the length WL_B is 24 mm.
  • FIG. 6 is an enlarged view of a tap weld portion in another embodiment of the present invention.
  • the length (WL_E) of the positive electrode tab 500 or negative electrode tab 600 of the third tab weld portion E in the extension direction is equal to the positive electrode tab 500 or negative electrode tab 600 of the second tab weld portion D.
  • the length (WL_D) of the positive electrode tab 500 or negative electrode tab 600 of the second tab welded portion (D) in the extending direction is equal to the positive electrode tab 500 or negative electrode tab 600 of the first tab welded portion (C). may be longer than the length (WL_C) in the extension direction of (WL_D>WL_C).
  • the amount of deformation of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is large at a high temperature. It may be easier for the contact to be broken, so it may be easier for the battery to be improved in safety.
  • the length (WL_E) of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 in the extension direction of the third tab weld portion E is the length of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600.
  • (TL) may be 60% or more.
  • the electrode tab may have sufficient rigidity, and the deformation of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 at a high temperature is large, so that the electrode assembly 100 and the positive electrode tab It may be easier to break contact between the electrode tabs 500 and the negative electrode tab 600, so that the safety of the battery may be improved more easily.
  • the length (WL_D) of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 in the extension direction of the second tab weld portion D is the length of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600.
  • (TL) may be 40% to 70%.
  • the length (WL_C) of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 in the extension direction of the first tab weld portion C is the length of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 (TL) may be less than 50%.
  • the length (WL_C) satisfies the above-mentioned range, the amount of deformation of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is large at a high temperature. It may be easier for the contact to be broken, so it may be easier for the battery to be improved in safety.
  • the number of tap welds having different lengths is increased compared to the embodiment described with reference to FIG.
  • the length (WL_C) of the first tap weld (C) of this embodiment shorter than the length (WL_A) of the first tap weld (A) or the length (WL) of the tap weld (800) of the previous embodiment, welding It is possible to make the amount of deformation at high temperature in the tab portion remaining without participating in the larger.
  • the insufficient welding area due to the shortening of the length (WL_C) of the first tap weld (C) is the length (WL_D) of the second tap weld (D) or the length (WL_E) of the third tap weld (E) of the previous embodiment.
  • the length (WL_B) of the second tap weld part B or the length (WL) of the tap weld part 800 may be longer than that to supplement it.
  • the length WL_C of the first tab welded portion C in the extension direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 may be 10 mm.
  • the length TL of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is 27 mm and the length WL_C is 40% of the length TL, the length WL_C is 10 mm.
  • the length WL_D of the second tab welded portion D in the extension direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 may be 16 mm.
  • the length TL of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is 27 mm and the length WL_D is 60% of the length TL, the length WL_D is 16 mm.
  • the length WL_E of the third tab welding portion E in the extension direction of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 may be 24 mm.
  • the length TL of the positive electrode tab 500 or the negative electrode tab 600 is 27 mm
  • the length WL_E is 90% of the length TL
  • the length WL_E is 24 mm.
  • the secondary battery may be a cylindrical, prismatic, or pouch-type secondary battery.
  • the secondary battery may be a pouch type secondary battery.
  • Pouch-type secondary batteries are easy to increase the volume ratio, but have a disadvantage that the pouch itself is difficult to hold the cell.
  • pouch-type secondary batteries do not have thermal stability when the temperature of the cell runs out.
  • a safety device is provided even in a pouch-type secondary battery by providing a tab welded portion without an electrode lead and improving it to form a disconnection portion in which the electrode tab portion is cut off at a certain temperature or higher.
  • the length of the tab welding part as in the present invention, it was confirmed by simulation experiment whether there is room for the electrode tab to deform like a kind of bimetal effect when the temperature rises and break the contact between the electrode assembly and the electrode tab. For easy analysis, it was assumed that the length of the electrode assembly was short and the analysis proceeded. The amount of deformation was analyzed given the temperature condition of the electrode tab.
  • FIGS 7 to 14 are diagrams showing deformation amount and stress analysis results by simulation experiments.
  • the index for estimating the amount of deformation / stress is shown at the bottom right, and the amount of deformation / stress is greater as the index goes from bottom to top (from blue to red in the case of color drawings), (see black and white drawings).
  • the part where the amount of deformation/stress is relatively small is also written as 1
  • the part where the amount of deformation/stress is relatively medium is 2
  • the part where the amount of deformation/stress is relatively large is also written as 3.
  • the amount of deformation on the electrode tab side was calculated to be 107 ⁇ m in Sample 1 and 70 ⁇ m in Sample 2.
  • a portion (3) with a large amount of deformation occurs on the side surface of the electrode tab adjacent to the electrode assembly, not at the tap welding part, and in Sample 2, a portion (3) with a large amount of deformation is generated. Occurs on the side of the tap weld.
  • the electrode tab is more easily broken in the case of sample 1 having a shorter tab welding part.
  • the disconnection portion may be formed on the side surface of the electrode tab.
  • 9 and 10 respectively simulate the case of sample 1 and sample 2 under the temperature condition of 120 ° C.
  • the amount of deformation on the electrode tab side of sample 1 is calculated as 185 ⁇ m and the amount of deformation on the electrode tab side of sample 2 is calculated as 121 ⁇ m, so the difference in deformation amount between the two is high temperature condition was greater.
  • 9 and 10 in Sample 1, a portion (3) with a large amount of deformation is generated on the side surface of the electrode tab adjacent to the electrode assembly, not at the tap welding portion, and in Sample 2, a portion (3) with a large amount of deformation is generated at the tab welding portion. occurred on the side. Therefore, it can be seen that when the temperature is further increased, the shorter side of the tap welded portion, such as in Sample 1, will break more easily.
  • FIG. 11 shows the stress received by the electrode tab in Sample 1 at 120° C. temperature condition.
  • the stress received by the electrode tab is large in the part where the electrode tab is connected to the cell, from the fact that the stress part (3) and the middle part (2) are distributed at the corresponding location.
  • the maximum stress was calculated to be 435 MPa. This part is highly likely to break when the temperature rises rapidly in the future. Therefore, as suggested in the present invention, if the tab welding portion is formed at the end of the electrode tab and the portion where the electrode tab is connected to the electrode assembly is left unwelded, it can be confirmed that the safety against high temperatures during battery use can be greatly enhanced. there is.
  • FIG. 12 is a simulation result at 80 ° C. temperature condition for sample 3 in which the length of the tap weld changes in the thickness direction as described with reference to FIGS. 5 and 6, and FIG. 13 is a simulation result at 120 ° C. temperature condition. .
  • a portion 3 having a large amount of deformation occurs on the side of the electrode tab adjacent to the electrode assembly, not the tab welding portion.
  • the maximum deformation amount was 108 ⁇ m
  • FIG. 13 the maximum deformation amount was 186 ⁇ m.
  • the length of the tap weld increases from the surface of the tap weld in the thickness direction of the weld, and the length is the longest at the center of the thickness of the tap weld, giving it a 'mountain' shape.
  • the structure of the tab welding portion is also large in tab deformation at high temperatures, so that when the high temperature is reached, the electrode tab is deliberately cut to form a disconnection portion, thereby making the secondary battery safe.

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Abstract

본 발명은 탭 용접부의 길이를 조절하여 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시양태에 따른 이차전지는 양극탭을 구비하는 적어도 하나의 양극판, 음극탭을 구비하는 적어도 하나의 음극판, 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비한 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;를 포함하고, 상기 양극탭 및 음극탭이 동일 극성끼리 복수 개 겹쳐진 상태로 용접되는 탭 용접부를 구비하고, 전극 리드를 형성하며, 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 두께 방향으로 일정하거나 상이할 수 있다.

Description

이차전지
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 리드를 구비하지 않는 이차전지에 관한 것이다. 본 출원은 2021년 10월 8일자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2021-0134479호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
이차전지는 일반적으로 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터(Separator)를 포함하는 전극 조립체, 리튬 이온을 전달하는 전해액(Electrolyte), 이들을 수납하는 케이스, 전극 조립체로부터 연장되는 전극탭들과, 전극탭들에 용접되어 있고 케이스 밖으로 전류의 통로가 되도록 하는 전극 리드로 구성된다. 전극탭들은 전극 조립체의 양극판 또는 음극판으로부터 연장되어 각각 용접된 상태에서 양극 및 음극 리드와 각각 전기적으로 연결되어 있다. 케이스 외부로 노출된 전극 리드는 이후 공정에서 버스 바(bus bar)와 전기적으로 연결된다.
도 1은 종래의 이차전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 이차전지(10)는 전극 조립체(11)와, 전극 조립체(11)로부터 연장되어 있는 복수의 전극탭(12, 13)과, 전극탭(12, 13)에 용접되어 결합된 전극 리드(14, 15)와, 전극 조립체(11)를 수용하는 케이스(16)를 포함하여 구성된다. 상기 전극 조립체(11)는 세퍼레이터가 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형, 젤리-롤형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진다.
전극탭(12, 13)은 전극 조립체(11)의 각 극판으로부터 연장되고, 전극 리드(14, 15)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극탭(12, 13)과 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되며, 케이스(16)의 외부로 일부 노출된 형태로 결합된다.
그러나, 종래의 이차전지(10)에서는 이종의 금속인 전극탭(12, 13)과 전극 리드(14, 15)가 용접됨에 따라 용접 저항(welding resistance)이 발생할 수 있어 열 및/또는 전기 전도도 측면에서 좋지 않은 문제가 있다.
이에 따라, 전극 리드를 사용하지 않고 전극탭이 전극 리드의 역할을 수행하는 이차전지에 대한 기술 개발이 진행되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전극 리드를 구비하지 않고, 탭 용접부의 길이를 조절하여 안전성이 향상된 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 이차전지는, 양극탭을 구비하는 적어도 하나의 양극판, 음극탭을 구비하는 적어도 하나의 음극판, 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;를 포함하고, 상기 양극탭 및 음극탭이 동일 극성끼리 복수 개 겹쳐진 상태로 용접되는 탭 용접부를 구비하고, 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 두께 방향으로 일정한 것이다.
상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 60% 이하일 수 있다.
예를 들어, 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 40% 내지 60%일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따른 이차전지는, 양극탭을 구비하는 적어도 하나의 양극판, 음극탭을 구비하는 적어도 하나의 음극판, 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;를 포함하고, 상기 양극탭 및 음극탭이 동일 극성끼리 복수 개 겹쳐진 상태로 용접되는 탭 용접부를 구비하고, 전극 리드를 형성하며, 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 두께 방향으로 상이한 것이다.
이러한 이차전지의 일 구성에 의하면, 상기 탭 용접부가 상기 탭 용접부의 표면과 접하는 제1 탭 용접부와, 상기 탭 용접부의 표면과 접하지 않고, 상기 제1 탭 용접부의 반대측에 위치하는 제2 탭 용접부를 구비하고, 상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 제1 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이보다 길다.
이 때, 상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 40% 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 40% 내지 90%일 수 있다.
그리고, 상기 제1 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 60% 이하일 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 30% 내지 60%일 수 있다.
이러한 이차전지의 다른 구성에 의하면, 상기 탭 용접부가 상기 탭 용접부의 표면과 접하는 제1 탭 용접부, 상기 탭 용접부의 표면과 접하지 않고, 상기 제1 탭 용접부의 반대측에 위치하는 제2 탭 용접부, 및 상기 탭 용접부의 표면과 접하지 않고, 상기 제2 탭 용접부의 반대측에 위치하는 제3 탭 용접부를 구비하고, 상기 제3 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이보다 길고, 상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 제1 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이보다 길다.
여기에서, 상기 제3 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 60% 이상일 수 있다.
그리고, 상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 40% 내지 70%일 수 있다.
또한, 상기 제1 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 50% 이하일 수 있다.
이러한 이차전지에 있어서, 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 탭 용접부의 표면으로부터 탭 용접부의 두께 방향으로 갈수록 길어지는 것이 바람직하다.
그리고, 이러한 이차전지에 있어서, 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 탭 용접부의 두께 중앙 부분에서 가장 긴 것이 바람직하다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 이차전지는, 양극탭을 구비하는 적어도 하나의 양극판, 음극탭을 구비하는 적어도 하나의 음극판, 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;를 포함하고, 상기 양극탭 및 음극탭에서 상기 케이스 바깥쪽으로 노출되는 부분이 동일 극성끼리 복수 개 겹쳐진 상태로 끝단에서부터 일부 길이 부분만 용접되어 뭉쳐짐으로써 전극 리드의 역할을 할 수 있는 탭 용접부를 구비하고, 상기 양극탭 및 음극탭에서 용접되지 않은 부분이 고온에서 단선부를 형성할 수 있는 변형량을 가지도록 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 제어된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 두께 방향으로 일정하거나 상이할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 단선부는 상기 전극 조립체에 인접하여 상기 양극탭이나 음극탭의 측면에 형성되도록 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 탭 용접부의 표면으로부터 탭 용접부의 두께 방향으로 갈수록 길어지고 상기 탭 용접부의 두께 중앙 부분에서 가장 긴 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시양태에 따른 이차전지는 전극 리드를 구비하지 않아 전극탭과 전극 리드의 용접으로 인한 용접 저항(welding resistance) 문제가 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에 따른 이차전지는 탭 용접부의 길이를 조절하여 고온에서 전극 조립체와 전극탭간의 접촉을 끊는 것을 용이하게 할 수 있어 안전성이 향상될 수 있다.
파우치형 이차전지는 용적률을 높이기 수월하나 파우치 자체가 셀을 잡아주기 어렵다는 단점이 있다. 셀의 온도가 폭주할 때 PTC나 CID가 있는 원통형 전지와 다르게 파우치형 이차전지는 이에 대한 열적 안정성이 없다. 본 발명에 따르면 전극 리드 없이 탭 용접부를 마련하고 이를 개선함으로써 특정 온도 이상에서 전극탭 부분이 끊어진 단선부를 형성할 수 있도록 함으로써 파우치형 이차전지에서도 안전 장치가 마련된다는 이점이 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 이차전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시양태에 따른 이차전지의 전극 조립체가 분해된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시양태에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시양태에서의 탭 용접부 부분을 확대하여 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시양태에서 탭 용접부 부분을 확대하여 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시양태에서 탭 용접부 부분을 확대하여 나타낸 도이다.
도 7 내지 도 14는 모사 실험에 의한 변형량 및 응력 해석 결과를 나타내는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 이차전지는, 양극탭을 구비하는 적어도 하나의 양극판, 음극탭을 구비하는 적어도 하나의 음극판, 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비한 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;를 포함하고, 상기 양극탭 및 음극탭이 동일 극성끼리 복수 개 겹쳐진 상태로 용접되는 탭 용접부를 구비하고, 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 두께 방향으로 일정한 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시양태에 따른 이차전지의 전극 조립체가 분해된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 전극 조립체(100)는 활물질이 도포된 양극판(200) 및 음극판(300)과 그 사이에 개재되는 세퍼레이터(400)가 전지의 두께 방향(Z 방향)으로 적층된 상태로 형성된다. 양극판(200)에는 양극탭(500)이 형성되며, 음극판(300)에는 상기 양극탭(500)이 위치한 영역과 겹쳐지지 않는 위치에 음극탭(600)이 형성된다.
양극탭(500)과 음극탭(600)은 전지의 길이 방향(X 방향)에 대해 서로 반대 방향에 배치될 수도 있고, 서로 동일한 방향에 위치될 수도 있다. 도 2에 도시한 것은 서로 동일한 방향에 위치한 경우이다. 또한, 도시한 바와 같이 양극탭(500)과 음극탭(600)은 전지의 폭 방향(Y 방향)을 따라 위치할 수 있다.
양극탭(500) 또는 음극탭(600)은 폭과 두께에 비하여 길이가 긴 띠형일 수 있으며, 양극탭(500) 또는 음극탭(600)을 전지의 두께 방향에서 보면 직사각형으로 보이고 그 직사각형의 단변을 폭, 장변을 길이라고 정의한다. 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 두께는 전지의 두께 방향으로 면 방향을 가지는 양 표면 사이의 거리의 최대값을 의미한다.
도면에서 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이 방향은 X축 방향인 것으로 도시하고, 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 두께 방향은 Z축 방향으로 도시하였다. 본 명세서에서, 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이란, 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 폭 방향과 직교하는 방향에서의 양 단부 사이의 길이를 나타내며, 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이를 의미한다.
양극판(200)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극 집전체와 그 적어도 일면에 코팅된 양극 활물질층을 포함하여 형성될 수 있다.
음극판(300)은 전도성 금속 박판, 예를 들면 구리(Cu) 호일로 이루어진 음극 집전체와, 그 적어도 일면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하여 형성될 수 있다.
세퍼레이터(400)는 양극판(200)과 음극판(300) 사이에 개재되어, 양극판(200)과 음극판(300)을 서로 전기적으로 절연시키며, 양극판(200)과 음극판(300) 사이에서 리튬 이온 등이 서로 통과될 수 있도록 다공성 막 형태로 형성될 수 있다. 이러한 세퍼레이터(400)는, 예를 들어 폴리에틸렌(PE), 또는 폴리프로필렌(PP), 또는 이들의 복합필름을 사용한 다공성 막을 포함할 수 있다.
세퍼레이터(400)의 표면에는 무기물 코팅층이 구비될 수 있다. 무기물 코팅층은 무기물 입자들이 바인더에 의해 서로 결합되어 입자들 사이에 기공 구조(interstitial volume)을 형성한 구조를 가질 수 있다.
전극 조립체(100)로는 긴 시트형의 양극판(200)과 음극판(300)을 세퍼레이터(400)가 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극판(200)들과 음극판(300)들을 세퍼레이터(400)를 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체, 소정 단위의 양극판(200)과 음극판(300)을 세퍼레이터(400)를 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀 셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체 등을 들 수 있다. 도 2에 도시한 것은 스택형 전극 조립체이다. 이와 같이 전극 조립체(100)에는 적어도 하나의 양극판(200)과 적어도 하나의 음극판(300)과, 이들 사이에 개재된 세퍼레이터(400)가 포함된다.
양극탭(500)은 금속 재질, 이를테면 알루미늄(Al) 재질로 이루어질 수 있다. 양극탭(500)은 양극판(200)의 일측단으로부터 연장되어 돌출되거나 양극판(200)의 일측단에 용접되거나 도전성 접착제를 이용하여 접합될 수 있다. 도 2에 도시한 것은 양극탭(500)이 양극판(200)의 일측단으로부터 연장되어 돌출된 것으로, 양극탭(500)과 양극판(200)은 일체형이며 양극탭(500)은 양극판(200)의 양극 집전체 상에 양극 활물질층이 형성되지 않은 부분인 무지부를 연장시킨 것으로 볼 수 있다. 이러한 경우 양극탭(500)이 양극 집전체와 동일한 재질로 구성될 수 있고 양극탭(500)의 두께는 양극 집전체의 두께와 동일하며 예를 들어 수십-수백 ㎛ 수준일 수 있다.
음극탭(600)은 금속 재질, 이를테면 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 재질로 형성될 수 있다. 음극탭(600)은 음극판(300)의 일측단으로부터 연장되어 돌출되거나 음극판(300)의 일측단에 용접되거나 도전성 접착제를 이용하여 접합될 수 있다. 도 2에 도시한 것은 음극탭(600)이 음극판(300)의 일측단으로부터 연장되어 돌출된 것으로, 음극탭(600)과 음극판(300)은 일체형이며 음극탭(600)은 음극판(300)의 음극 집전체 상에 음극 활물질층이 형성되지 않은 부분인 무지부를 연장시킨 것으로 볼 수 있다. 이러한 경우 음극탭(600)이 음극 집전체와 동일한 재질로 구성될 수 있고 음극탭(600)의 두께는 음극 집전체의 두께와 동일하며 예를 들어 수십-수백 ㎛ 수준일 수 있다.
전극 조립체(100)의 종류에 따라 달라질 수는 있지만, 전극 조립체(100)에 포함되는 양극판(200)과 음극판(300)은 각각 수십장으로 많은 편일 수 있다. 양극탭(500) 및 음극탭(600)은 동일 극성끼리 전지의 두께 방향으로 수십개씩 복수 개 겹쳐진 상태로 용접되어 탭 용접부(800)를 형성한다. 양극탭(500) 또는 음극탭(600) 하나의 두께는 수십-수백 ㎛로 얇지만, 수십개가 겹쳐져 용접으로 뭉쳐지면 그 두께는 수백 ㎛-수 mm 수준으로 두꺼워질 수 있으며, 그에 따라 탭 용접부(800)는 그 자체로 전극 리드의 역할을 할 정도의 강성을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)에서 탭 용접부(800)에는 버스 바(미도시)가 전기적으로 연결되는 전극 리드를 별도로 부착할 필요없이, 탭 용접부(800) 그 자체가 외부로의 전기전도 역할을 수행하도록 할 수 있다. 전극 리드의 역할을 하게 되는 탭 용접부(800)의 길이 치수는 양극탭(500) 또는 음극탭(600)에 대한 용접을 마친 후 탭 용접부(800)를 잘라 관리할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시양태에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 이차전지는 전극 조립체(100)와 전극 조립체(100)를 수용하는 케이스(700)를 포함한다. 케이스(700)는 전극 조립체(100)를 수용하되, 양극탭(500) 및 음극탭(600)이 케이스(700) 외부로 일부가 노출되며, 특히 탭 용접부(800)가 노출되어 외부로의 전기전도 역할을 수행하는 전극 리드를 대체한다.
앞서 예로 든 바와 같이 양극탭(500) 및 음극탭(600) 각각은 양극판(200), 음극판(300)의 일측단으로부터 연장되는 것일 수 있고, 다른 예로 초음파 용접 또는 레이저 용접에 의하여 양극판(200) 또는 음극판(300)에 부착된 것일 수도 있다.
케이스(700) 외부로 일부가 노출된 양극탭(500) 및 음극탭(600)은 복수 개, 예컨대 수십 개의 양극탭(500) 및 음극탭(600)이 전지의 두께 방향으로 겹쳐진 상태로 용접되므로, 별도의 전극 리드와 같은 부재를 용접할 필요없이, 서로 용접된 복수의 겹쳐진 전극탭만으로도 충분한 강성을 발휘할 수 있어 전극 리드로서의 역할을 수행할 수 있다.
양극탭(500) 및 음극탭(600)은 복수 개의 양극탭(500) 및 음극탭(600)이 동일 극성끼리 겹쳐진 상태로 용접되는 탭 용접부(800)를 구비한다.
탭 용접부(800)에서 각각의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)이 초음파 용접 또는 레이저 용접에 의하여 용접될 수 있다.
도 3을 참조하면, 케이스(700)는 전극 조립체(100)를 수납하는 수납부(700a), 및 전극 조립체(100)를 밀봉하기 위해 형성된 실링부(700b)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 케이스(700)는 외부 충격 보호를 위한 외층, 수분을 차단하는 금속 배리어층, 및 케이스를 실링하는 실란트층의 다층 구조의 필름 형태로 구비될 수 있다.
상기 외층은, 폴리(에틸렌테레프탈레이트)(Poly(ethylene terephthalate); PET), 폴리부틸렌테레프타레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트, 공중합 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 나일론 등 기타 폴리에스터계 필름을 포함할 수 있고, 단일층 또는 다층으로 구성될 수 있다.
상기 금속 배리어층은, 알루미늄, 구리 등을 포함할 수 있다.
상기 실란트층은 실란트 수지를 포함할 수 있고, 단일층 또는 다층으로 구성될 수 있다.
상기 실란트 수지는 폴리프로필렌(PP), 산 변성 폴리프로필렌(Acid modified polypropylene; PPa), 랜덤 폴리프로필렌(random polypropylene), 에틸렌 프로필렌 공중합체, 또는 이들 중 2 이상을 포함할 수 있다. 상기 에틸렌 프로필렌 공중합체는 에틸렌 프로필렌 고무(ethylene-propylene rubber), 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 실시양태에서, 케이스(700)는 파우치 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 케이스(700)가 파우치 형태인 경우, 상부 파우치와 하부 파우치를 포함할 수 있다. 케이스(700)가 상부 파우치와 하부 파우치를 포함하는 경우, 상부 파우치와 하부 파우치가 외주면에서 융착됨에 따라 전지를 밀봉하는 구조를 가질 수 있다.
실링부(700b)는 전극 조립체(100)를 밀봉하기 위해, 예컨대 수납부(700a)의 외주면을 따라 융착하는 부분을 지칭하는 것으로, 상기 융착은 열융착, 초음파에 의한 융착 등일 수 있으나, 실링부(700b)를 융착시킬 수 있다면 크게 제한되지는 않는다.
실링부(700b)는 케이스(700)의 테두리에서 4면 실링 또는 3면 실링될 수 있다. 3면 실링 구조는, 상부 파우치와 하부 파우치가 하나의 파우치 시트에 포밍된 후 상부 파우치 및 하부 파우치의 경계면을 절곡시켜 상부 파우치 및 하부 파우치에 형성된 수납부(700a)들이 포개지도록 한 상태에서 절곡부를 제외한 나머지 3면의 테두리를 실링한 구조를 의미한다. 도 3은 상부 파우치를 덮기 전 하부 파우치에 형성된 수납부(700a)를 보여주는 도면이라고 할 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시양태에서의 탭 용접부 부분을 확대하여 나타낸 도이다.
도 4를 참조하면, 탭 용접부(800)는 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향(X축 방향)으로의 길이가 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 두께 방향(Z축 방향)으로 일정할 수 있다.
일반적으로, 전극탭 중에서도 전극 조립체와 연결되는 부분이 고온에서 가장 큰 응력을 받게 된다. 이에 따라, 전지의 이상 작동 등으로 전지의 온도가 급격히 상승하는 경우에 전극 조립체와 연결되는 전극탭 부분이 끊어질 수 있다. 특정 온도 이상에서 전극탭 부분이 끊어질 수 있는 점을 적극 활용하여 설계하면, 전지의 온도가 상승하는 이상 발생의 경우 전지 연결 구조를 강제로 해제시켜 전지 안전성 강화에 도움을 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 탭 용접부(800)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL)가 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL) 대비 60% 이하, 또는 50% 내지 60%, 또는 40% 내지 60%일 수 있다. 즉, 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL)를 따라 양극탭(500)이나 음극탭(600)의 전체가 용접되는 것이 아니고, 양극탭(500) 또는 음극탭(600)에서 케이스(700) 바깥쪽으로 노출되는 끝단에서부터 실링부(700b)를 향하는 방향, 즉 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 상기 끝단을 위라고 하는 경우 아래쪽(-X 방향)으로 일부 길이 부분만 용접되어, 양극탭(500)이나 음극탭(600)의 전체 길이(TL)보다 짧은 길이(WL)의 탭 용접부(800)가 형성이 되는 것이다. 탭 용접부(800) 부분에서만 양극탭(500)끼리 또는 음극탭(600)끼리 뭉쳐져, 뭉쳐진 양극탭(500) 또는 음극탭(600) 부분의 두께가 각각의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 두께보다 월등히 커짐으로써 기계적 강성을 확보하고 전류 흐름 통로를 확대해 전극 리드를 역할을 할 수 있으므로 별도의 전극 리드가 필요 없어진다. 길이(WL)가 길수록 용접 면적이 커서 기계적 강성을 크게 할 수 있으므로 기계적 강성만을 고려한다면 길이(WL)을 길이(TL)의 100%로 할 수도 있겠지만, 본 실시양태에서는 길이(WL)를 길이(TL)의 60% 이하로 하여, 즉 길이(WL)의 상한을 두어 탭 용접부(800) 아래쪽(-X 방향)으로 용접되지 않은 양극탭(500) 또는 음극탭(600) 부분이 남아있도록 함에 주목해야 한다. 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이 방향 중 전극 조립체(100)에 인접하여 위치하는 부분은 다른 양극탭(500) 또는 음극탭(600)과는 뭉쳐져 있지 않고 각각의 얇은 양극탭(500) 또는 음극탭(600) 상태로 유지되는 것이다. 고온에서는 이 부분의 변형량이 크므로 해당 부분의 어느 일부에서라도 양극탭(500) 또는 음극탭(600)이 끊어지도록 해 단선부를 형성하도록 할 수가 있다. 여기서의 고온은 예를 들어 80℃일 수 있다. 쉽게 끊어지도록 하는 경우만을 고려한다면 길이(WL)가 짧을수록 유리하겠으나, 탭 용접부(800)가 전극 리드를 대체할 정도의 기계적 강성을 갖도록 하려면 길이(WL)의 하한이 필요하다. 그리고, 단선부가 형성되는 온도를 80℃보다 더 낮거나 높게 설정한다면 길이(WL)의 하한도 달라질 수 있다. 본 실시양태에서는 길이(WL)를 길이(TL)의 40% 이상으로 함으로써 용접되지 않고 남아 있는 양극탭(500) 또는 음극탭(600) 부분의 길이도 제어한다. 즉, 탭 용접부(800)의 길이(WL)는 양극탭(500) 및 음극탭(600)에서 용접되지 않은 부분이 고온에서 단선부를 형성할 수 있는 변형량을 가지도록 제어하여 설계한 점에 특징이 있다.
이와 같이 해서 탭 용접부(800)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL)가 전술한 범위를 만족하는 경우, 전극탭이 충분한 강성을 가질 수 있으면서도, 고온에서 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 변형량이 큼에 따라 전극 조립체(100)와 양극탭(500) 또는 음극탭(600)간의 접촉이 쉽게 끊어질 수 있어 전지의 안전성이 향상되기 더욱 용이할 수 있다.
예컨대, 탭 용접부(800)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL)가 16 mm일 수 있다. 예를 들어 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL)가 27 mm일 때에 길이(WL)가 길이(TL)의 60%라고 하면 길이(WL)는 16mm가 되는 것이다.
본 실시양태에서와 같이 길이(WL)가 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 두께 방향으로 일정한 탭 용접부(800)를 형성하는 방법은, 예를 들어 양극탭(500) 또는 음극탭(600)을 전지의 두께 방향으로 중첩한 상태에서 중첩부의 상하 방향으로 용접 장치를 위치시키고, 길이 방향을 따라 용접 장치를 이동시켜 가며 용접하는 방법에 의할 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 탭 용접부(800)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이가 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 두께 방향으로 상이할 수 있다. 탭 용접부(800)의 길이가 전극탭의 두께 방향으로 상이한 경우, 전극탭이 받는 응력에 대해 원하는 설계치로 탭 용접부(800)가 끊어지도록 설계하는 것이 용이할 수 있다.
예컨대, 탭 용접부(800)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이가 탭 용접부(800)의 표면으로부터 탭 용접부(800)의 두께 방향으로 갈수록 길어질 수 있다. 즉, 탭 용접부(800)의 두께 중앙 부분의 길이가 가장 길 수 있다. 탭 용접부(800)의 두께 중앙 부분의 길이가 가장 긴 경우, 후술하는 모사 실험에서 검증한 바와 같이 고온에서 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 변형량이 큼에 따라 전극 조립체(100)와 양극탭(500) 또는 음극탭(600)간의 접촉이 끊어지기 더욱 용이할 수 있다. 이에 관해서는 다음의 도 5 와 도 6을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
또는, 탭 용접부(800)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이가 탭 용접부(800)의 표면으로부터 탭 용접부(800)의 두께 방향으로 갈수록 짧아질 수 있다. 즉, 탭 용접부(800)의 두께 중앙 부분의 길이가 가장 짧을 수도 있다.
이처럼 탭 용접부(800)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이가 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 두께 방향으로 상이한 탭 용접부(800)를 형성하는 방법은, 전극탭을 모아 한꺼번에 용접하여 한 번에 탭 용접부(800)를 형성하는 방법이 아니고, 일부의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)을 전지의 두께 방향으로 중첩한 상태에서 용접을 한 후 그 위나 아래의 다른 양극탭(500) 또는 음극탭(600)을 전지의 두께 방향으로 또 중첩한 상태에서 앞서의 용접과는 다른 용접 길이만큼 용접을 하는 식으로 용접을 여러 번 나누어 하는 방법이 가능하다. 다른 예로 양극탭(500) 또는 음극탭(600)을 전지의 두께 방향으로 중첩한 상태에서 중첩부의 상하 방향으로 용접 장치를 위치시키고, 용접으로 발생하는 심부 열이 가운데 부분에서 제일 크도록 조건 조절을 하여 용접을 함으로써, 전지의 두께 방향으로 가운데 부분에서 제일 긴 용접부가 형성되도록 하는 방법이 가능하다. 또 다른 예로, 양극탭(500) 또는 음극탭(600)을 전지의 두께 방향으로 중첩한 상태에서 양극탭(500)이나 음극탭(600)의 끝단에 레이저 용접 장치를 위치시키고, 레이저 빔을 전극 조립체(100)를 향하는 방향 쪽으로 조사함으로써 전지의 두께 방향으로 가운데 부분에서 제일 긴 용접부가 형성되도록 하는 방법도 가능하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시양태에서 탭 용접부 부분을 확대하여 나타낸 도이다.
도 5에 도시한 본 발명의 일 실시양태에서, 탭 용접부(800)가 탭 용접부(800)의 표면과 접하는 제1 탭 용접부(A)와 탭 용접부(800)의 표면과 접하지 않고, 제1 탭 용접부(A)의 반대측에 위치하는 제2 탭 용접부(B)를 구비할 수 있다. 또한, 제2 탭 용접부(B)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_B)가 제1 탭 용접부(A)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_A)보다 길 수 있다(WL_B>WL_A). 탭 용접부(800)가 전술한 구조를 가지는 경우, 고온에서 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 변형량이 큼에 따라 전극 조립체(100)와 양극탭(500) 또는 음극탭(600)간의 접촉이 끊어지기 더욱 용이할 수 있어 전지의 안전성이 향상되기 더욱 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 길이(WL_B)가 길이(WL_A)보다 긴 조건 하에서, 제2 탭 용접부(B)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_B)가 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL) 대비 40% 이상일 수 있다. 길이(WL_B)는 길이(TL) 대비 90% 이하일 수 있다. 제2 탭 용접부(B)의 길이(WL_B)가 전술한 범위를 만족하는 경우, 기계적 강성이 확보되고 고온에서 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 변형량이 큼에 따라 전극 조립체(100)와 양극탭(500) 또는 음극탭(600)간의 접촉이 끊어지기 더욱 용이할 수 있어 전지의 안전성이 향상되기 더욱 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 길이(WL_B)가 길이(WL_A)보다 긴 조건 하에서, 제1 탭 용접부(A)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_A)가 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL) 대비 60% 이하일 수 있다. 길이(WL_A)는 길이(TL) 대비 30% 이상일 수 있다. 제1 탭 용접부(A)의 길이(WL_A)가 전술한 범위를 만족하는 경우, 전극탭이 충분한 강성을 가질 수 있으면서, 고온에서 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 변형량이 큼에 따라 전극 조립체(100)와 양극탭(500) 또는 음극탭(600)간의 접촉이 끊어지는 것이 용이할 수 있어 전지의 안전성이 향상되기 더욱 용이할 수 있다.
예를 들어 제1 탭 용접부(A)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_A)는 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL) 대비 30%이고 제2 탭 용접부(B)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_B)는 길이(TL) 대비 40%, 60% 또는 90%일 수 있다. 길이(WL_A)는 길이(TL) 대비 40%이고, 길이(WL_B)는 길이(TL) 대비 50%, 60% 또는 90%일 수 있다. 다른 예로, 길이(WL_B)는 길이(TL) 대비 60%이고 길이(WL_B)는 길이(TL) 대비 90%일 수 있다.
도 4와 같이 탭 용접부의 길이가 두께 방향으로 일정한 경우에 비해, 본 구현예에서는 제1 탭 용접부(A)의 길이(WL_A)를 탭 용접부(800)의 길이(WL)보다 짧게 해 제1 탭 용접부(A)를 형성하지 않고 남아 있는 전극탭 부분에 고온에서의 변형량이 더욱 커지도록 할 수 있다. 제1 탭 용접부(A)의 길이(WL_A)가 탭 용접부(800)의 길이(WL)보다 짧아져 부족해진 용접 면적은, 제2 탭 용접부(B)의 길이(WL_B)를 탭 용접부(800)의 길이(WL)보다 길게 하여 보완할 수 있다.
예컨대, 제1 탭 용접부(A)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_A)가 16 mm일 수 있다. 예를 들어 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL)가 27 mm일 때에 길이(WL_A)가 길이(TL)의 60%라고 하면 길이(WL_A)가 16 mm가 되는 것이다.
예컨대, 제2 탭 용접부(B)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_B)가 24 mm일 수 있다. 예를 들어 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL)가 27 mm일 때에 길이(WL_B)가 길이(TL)의 90%라고 하면 길이(WL_B)가 24 mm가 되는 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시양태에서 탭 용접부 부분을 확대하여 나타낸 도이다.
본 발명의 일 실시양태에서, 탭 용접부(800)가 탭 용접부(800)의 표면과 접하는 제1 탭 용접부(C); 탭 용접부(800)의 표면과 접하지 않고, 제1 탭 용접부(C)의 반대측에 위치하는 제2 탭 용접부(D); 및 탭 용접부(800)의 표면과 접하지 않고, 제2 탭 용접부(D)의 반대측에 위치하는 제3 탭 용접부(E)를 구비할 수 있다. 또한, 제3 탭 용접부(E)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_E)가 제2 탭 용접부(D)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_D)보다 길 수 있다(WL_E>WL_D). 또한, 제2 탭 용접부(D)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_D)가 제1 탭 용접부(C)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_C)보다 길 수 있다(WL_D>WL_C).
탭 용접부(800)가 전술한 구조를 가지는 경우, 고온에서 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 변형량이 큼에 따라 전극 조립체(100)와 양극탭(500) 또는 음극탭(600)간의 접촉이 끊어지는 것이 더욱 용이할 수 있어 전지의 안전성이 향상되기 더욱 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 제3 탭 용접부(E)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_E)가 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL) 대비 60% 이상일 수 있다. 길이(WL_E)가 전술한 범위를 만족하는 경우, 전극탭이 충분한 강성을 가질 수 있으면서, 고온에서 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 변형량이 큼에 따라 전극 조립체(100)와 양극탭(500) 또는 음극탭(600)간의 접촉이 끊어지는 것이 더욱 용이할 수 있어 전지의 안전성이 향상되기 더욱 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 제2 탭 용접부(D)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_D)가 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL) 대비 40% 내지 70%일 수 있다. 길이(WL_D)가 전술한 범위를 만족하는 경우, 고온에서 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 변형량이 큼에 따라 전극 조립체(100)와 양극탭(500) 또는 음극탭(600)간의 접촉이 끊어지는 것이 더욱 용이할 수 있어 전지의 안전성이 향상되기 더욱 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 제1 탭 용접부(C)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_C)가 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL) 대비 50% 이하일 수 있다. 길이(WL_C)가 전술한 범위를 만족하는 경우, 고온에서 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 변형량이 큼에 따라 전극 조립체(100)와 양극탭(500) 또는 음극탭(600)간의 접촉이 끊어지는 것이 더욱 용이할 수 있어 전지의 안전성이 향상되기 더욱 용이할 수 있다.
본 구현예에서는 도 5를 참조하여 설명한 구현예보다 길이가 다른 탭 용접부의 개수가 늘어나 있고, 이에 따라 길이 차등을 더 세분화하여 변형량 및 응력을 조절 설계할 수 있는 이점이 있다. 예를 들어 본 구현예의 제1 탭 용접부(C)의 길이(WL_C)를 앞선 구현예의 제1 탭 용접부(A)의 길이(WL_A)나 탭 용접부(800)의 길이(WL)보다 짧게 해, 용접에 참여하지 않고 남아 있는 탭 부분에서의 고온에서의 변형량이 더욱 커지도록 할 수 있다. 제1 탭 용접부(C)의 길이(WL_C)가 짧아져 부족해진 용접 면적은, 제2 탭 용접부(D)의 길이(WL_D)나 제3 탭 용접부(E)의 길이(WL_E)를 앞선 구현예의 제2 탭 용접부(B)의 길이(WL_B)나 탭 용접부(800)의 길이(WL)보다 길게 하여 보완할 수 있다.
제1 탭 용접부(C)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_C)가 10 mm일 수 있다. 예를 들어 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL)가 27 mm일 때에 길이(WL_C)가 길이(TL)의 40%라고 하면 길이(WL_C)가 10 mm가 되는 것이다.
제2 탭 용접부(D)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_D)가 16 mm일 수 있다. 예를 들어 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL)가 27 mm일 때에 길이(WL_D)가 길이(TL)의 60%라고 하면 길이(WL_D)가 16 mm가 되는 것이다.
제3 탭 용접부(E)의 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 연장 방향으로의 길이(WL_E)가 24 mm일 수 있다. 예를 들어 양극탭(500) 또는 음극탭(600)의 길이(TL)가 27 mm일 때에 길이(WL_E)가 길이(TL)의 90%라고 하면 길이(WL_E)가 24 mm가 되는 것이다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 이차전지는 원통형, 각형, 또는 파우치형 이차전지일 수 있다. 그 중에서도, 상기 이차전지가 파우치형 이차전지일 수 있다. 파우치형 이차전지는 용적률을 높이기 수월하나 파우치 자체가 셀을 잡아주기 어렵다는 단점이 있다. 셀의 온도가 폭주할 때 PTC나 CID가 있는 원통형 전지와 다르게 파우치형 이차전지는 이에 대한 열적 안정성이 없다. 본 발명에 따르면 전극 리드 없이 탭 용접부를 마련하고 이를 개선함으로써 특정 온도 이상에서 전극탭 부분이 끊어진 단선부를 형성할 수 있도록 함으로써 파우치형 이차전지에서도 안전 장치가 마련된다는 이점이 있다.
본 발명에서와 같이 탭 용접부의 길이를 설계하는 경우에, 온도 상승시 일종의 바이메탈 효과처럼 전극탭이 변형하여 전극 조립체와 전극탭간 접촉을 끊을 여지가 있는지 모사 실험으로 확인하였다. 용이한 해석을 위해 전극 조립체의 길이가 짧다고 가정하고 해석을 진행하였다. 전극탭의 온도 조건을 주어 변형량을 해석하였다.
도 7 내지 도 14는 모사 실험에 의한 변형량 및 응력 해석 결과를 나타내는 도면들이다. 도 7 내지 도 14에서 변형량/응력을 가늠하는 인덱스를 우측 하단에 함께 나타내었는데 인덱스의 아래에서 위로 갈수록(칼라 도면의 경우 파란색에서 붉은색으로 갈수록) 변형량/응력이 큰 것이며, (흑백 도면으로 보게 되는 경우의 편의를 위하여) 변형량/응력이 상대적으로 작은 부분은 ①, 변형량/응력이 상대적으로 중간 정도인 부분은 ②, 변형량/응력이 상대적으로 큰 부분은 ③으로도 병기하였다.
도 7과 도 8은 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 탭 용접부의 길이가 두께 방향으로 일정한 샘플 1, 샘플 2에 대한 것이고, 샘플 1은 탭 용접부의 길이(WL_7)가 샘플 2의 탭 용접부의 길이(WL_8)보다 짧았다(WL_7<WL_8).
80℃의 온도 조건에서 전극탭 쪽의 변형량이 샘플 1에서는 107 ㎛로 계산되고 샘플 2에서는 70 ㎛로 계산되었다. 또한 도 7 및 도 8의 변형량 분포를 보면 샘플 1에서는 변형량이 큰 부분(③)이 탭 용접부가 아닌 전극 조립체에 인접하여 있는 전극탭 측면에 발생되고, 샘플 2에서는 변형량이 큰 부분(③)이 탭 용접부 쪽에 발생되어 있다. 도 7 및 도 8의 변형량 분포를 보더라도 탭 용접부의 길이가 짧은 샘플 1의 경우가 전극탭이 더 끊어지기 쉬워 보인다. 그리고, 단선부는 전극탭의 측면에 형성될 수 있음을 알 수 있다.
샘플 1 및 샘플 2에 대해 120℃ 온도 조건으로 모사한 경우가 각각 도 9와 도 10이다. 온도가 80℃에서 120℃로 더 크게 상승할 경우, 샘플 1의 전극탭 쪽의 변형량은 185 ㎛로 계산되고 샘플 2의 전극탭 쪽의 변형량은 121 ㎛로 계산되어 둘 사이의 변형량 차이는 높은 온도 조건에서 더 크게 나타났다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 샘플 1에서는 변형량이 큰 부분(③)이 탭 용접부가 아닌 전극 조립체에 인접하여 있는 전극탭 측면에 발생되고, 샘플 2에서는 변형량이 큰 부분(③)이 탭 용접부 쪽에 발생되어 있다. 따라서, 온도가 더 상승할 경우 샘플 1과 같이 탭 용접부의 길이가 짧은 쪽이 더욱 쉽게 끊어질 것임을 확인할 수 있다.
도 11은 샘플 1의 120℃ 온도 조건에서 전극탭이 받는 응력을 보여준다. 전반적으로 전극탭이 셀과 연결되는 부분에 전극탭이 받는 응력이 크다는 것을, 응력이 큰 부분(③)과 중간인 부분(②)이 해당 위치에 분포되어 있는 점으로부터 알 수 있다. 최대 응력이 435MPa로 계산되었다. 이 부위가 향후 온도가 급격히 상승시 끊어질 가능성이 높은 부분이다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 바와 같이 탭 용접부를 전극탭의 끝단 쪽에 형성하고 전극탭이 전극 조립체와 연결되는 부분은 용접되지 않은 상태로 두면 전지 사용시 고온에 대한 안전성을 크게 강화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 12는 도 5와 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 탭 용접부의 길이가 두께 방향으로 변화하는 샘플 3에 대한 80℃ 온도 조건에서의 모사 결과이고, 도 13은 120℃ 온도 조건에서의 모사 결과이다. 도 12 및 도 13에서도 변형량이 큰 부분(③)이 탭 용접부가 아닌 전극 조립체에 인접하여 있는 전극탭 측면에서 발생하고 있다. 도 12에서 최대 변형량은 108 ㎛, 도 13에서 최대 변형량은 186 ㎛로 나타났다. 샘플 3과 같은 구조는 탭 용접부의 길이가 탭 용접부의 표면으로부터 탭 용접부의 두께 방향으로 갈수록 길어질 뿐 아니라 탭 용접부의 두께 중앙 부분에서의 길이가 가장 긴 경우로, 마치 '산(mountain)' 모양을 이루고 있는 경우이다. 이러한 탭 용접부의 구조도 도 12와 도 13에서 확인되는 바와 같이 고온에서의 탭 변형량이 크므로, 고온 도달시 일부러 전극탭을 끊어지게 하여 단선부를 형성하도록 함으로써 이차전지를 안전하게 할 수 있는 구조라고 할 수 있다.
도 14는 샘플 3의 120℃ 온도 조건에서 전극탭이 받는 응력을 보여준다. 응력이 큰 부분(③)과 중간인 부분(②)의 위치를 통해, 전반적으로 전극탭이 전극 조립체가 연결되는 부분에 탭이 받는 응력이 크다는 것이 다시 한 번 확인이 되며, 최대 응력이 423MPa로 계산되었다. 이 부위가 향후 온도가 급격히 상승시 끊어질 가능성이 높은 부분이다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 바와 같이 탭 용접부를 설계하면 전지 사용시 고온에 대한 안전성을 크게 강화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
100: 전극 조립체
200: 양극판
300: 음극판
400: 세퍼레이터
500: 양극탭
600: 음극탭
700: 케이스
700a: 수납부
700b: 실링부
800: 탭 용접부
A, C: 제1 탭 용접부
B, D: 제2 탭 용접부
E: 제3 탭 용접부

Claims (19)

  1. 양극탭을 구비하는 적어도 하나의 양극판, 음극탭을 구비하는 적어도 하나의 음극판, 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;를 포함하고,
    상기 양극탭 및 음극탭이 동일 극성끼리 복수 개 겹쳐진 상태로 용접되는 탭 용접부를 구비하고,
    상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 두께 방향으로 일정한 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 60% 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 40% 내지 60%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 양극탭을 구비하는 적어도 하나의 양극판, 음극탭을 구비하는 적어도 하나의 음극판, 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;를 포함하고,
    상기 양극탭 및 음극탭이 동일 극성끼리 복수 개 겹쳐진 상태로 용접되는 탭 용접부를 구비하고, 전극 리드를 형성하며,
    상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 두께 방향으로 상이한 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탭 용접부가 상기 탭 용접부의 표면과 접하는 제1 탭 용접부와, 상기 탭 용접부의 표면과 접하지 않고, 상기 제1 탭 용접부의 반대측에 위치하는 제2 탭 용접부를 구비하고,
    상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 제1 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 40% 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 40% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 60% 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 30% 내지 60%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 탭 용접부가 상기 탭 용접부의 표면과 접하는 제1 탭 용접부,
    상기 탭 용접부의 표면과 접하지 않고, 상기 제1 탭 용접부의 반대측에 위치하는 제2 탭 용접부, 및
    상기 탭 용접부의 표면과 접하지 않고, 상기 제2 탭 용접부의 반대측에 위치하는 제3 탭 용접부를 구비하고,
    상기 제3 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이보다 길고,
    상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 제1 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 60% 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 40% 내지 70%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 길이 대비 50% 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제4항에 있어서,
    상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 탭 용접부의 표면으로부터 탭 용접부의 두께 방향으로 갈수록 길어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제4항에 있어서,
    상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 탭 용접부의 두께 중앙 부분에서 가장 긴 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 양극탭을 구비하는 적어도 하나의 양극판, 음극탭을 구비하는 적어도 하나의 음극판, 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;를 포함하고,
    상기 양극탭 및 음극탭에서 상기 케이스 바깥쪽으로 노출되는 부분이 동일 극성끼리 복수 개 겹쳐진 상태로 끝단에서부터 일부 길이 부분만 용접되어 뭉쳐짐으로써 전극 리드의 역할을 할 수 있는 탭 용접부를 구비하고,
    상기 양극탭 및 음극탭에서 용접되지 않은 부분이 고온에서 단선부를 형성할 수 있는 변형량을 가지도록 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 제어된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 제16항에 있어서, 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 양극탭 또는 음극탭의 두께 방향으로 일정하거나 상이한 것을 특징으로 하는 이차전지.
  18. 제16항에 있어서, 상기 단선부는 상기 전극 조립체에 인접하여 상기 양극탭이나 음극탭의 측면에 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  19. 제16항에 있어서, 상기 탭 용접부의 상기 양극탭 또는 음극탭의 연장 방향으로의 길이가 상기 탭 용접부의 표면으로부터 탭 용접부의 두께 방향으로 갈수록 길어지고 상기 탭 용접부의 두께 중앙 부분에서 가장 긴 것을 특징으로 하는 이차전지.
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