KR100325870B1 - 전극탭들간의 초음파 용접시 그 절단을 방지할 수 있는리튬 폴리머 전지의 탭 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 리튬 폴리머 전지의 전극탭은 집전체로부터 연장되어 형성되며 복수개의 개구를 가진다. 여기서, 상기 전극탭의 개구는 집전제 본체로부터 연장되어 나가는 방향상 개구의 밀도가 감소하도록 배치된다.

Description

전극탭들간의 초음파 용접시 그 절단을 방지할 수 있는 리튬 폴리머 전지의 탭 구조{Tap structure of a lithium polymer secondary battery preventing shearing of the tap}

본 발명은 리튬 폴리머 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 전극탭들간의 초음파 용접시 그 절단을 방지할 수 있는 리튬 폴리머 전지의 탭 구조에 관한 것이다.

통상적으로 충방전이 가능한 이차 전지(secondary battery)는 셀룰라 폰(cellular phone), 노트북 컴퓨터, 컴퓨터 캠코더 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다.

특히, 이러한 이차전지는 니켈- 카드늄전지(nickel cadium battery), 연축전지, 니켈 수소전지(nickel metal hydride battery), 리튬 이온전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 금속 리튬 2차전지, 공기 아연축전지등 다양한 종류의 것이 있다.

상기 전지들 중 리튬 2차전지는 작동 전압이 3.6 V로서 전자 기기의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드늄(Ni-Cd) 전지나 니켈-수소(Ni-MH)전지에 비해 수명이 약 3배이며, 단위 중량당 에너지 밀도가 우수하다는 점에서 급속도로 신장되고 있다.

이러한 리튬 이차 전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와 고분자 전해질 전지로 분류할 수 있으며, 일반적으로는 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지, 고분자 전해질을 사용하는 경우는 리튬 폴리머 전지라고 한다. 여기서, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 리튬-이온 전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형을 들 수 있다. 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지녀 그 형상이 비교적 자유롭다. 이에 따라, 최근 들어서는 리튬 폴리머 전지가 안전성과 형상의 자유도가 뛰어나고 무게가 가벼워 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하여 각종 연구가 진행되고 있다.

이와 같은 리튬 폴리머 전지의 전극조립체는, 양극판과 음극판이세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 다수개 적층되어 이루어진다. 상기 양극판은 개구가 다수 형성된 양극집전체의 양면에 양극 활물질층이 형성됨으로서 이루어지고, 상기 음극판은 개구가 다수 형성된 음극집전체의 양면에 음극 활물질층이 형성됨으로서 이루어진다. 상기 양극 및 음극집전체는 익스펜디드 메탈 또는 펀치드 메탈(punched metal)의 형상을 가지며, 일 예로서, 상기 양극집전체의 소재는 Al으로, 음극집전체의 소재는 Cu로 이루어진다.

그리고 상기 양극 및 음극 활물질층은 양극 및 음극 활물질, 바인더, 도전제, 및 가소제를 함유하여 슬러리(slurry)로 제조된 전극물질 시트를 라미네이팅(laminating) 공법으로 열과 압력을 가하여 집전체에 융착시킨 것이다.

이와 같이 제조된 양극판 및 음극판을 소정의 크기로 절단하여 복수개의 단위 양극판과 단위 음극판을 형성하고, 상기 극판들 사이에 세퍼레이터를 적층 삽입하여 전지 셀을 형성한 다음에, 이를 전지 케이스에 넣어 밀봉함으로써 전지를 완성하게 된다.

이 경우 각각의 양극판 및 음극판으로부터 전극탭이 인출된다. 이것은 각각의 집전체의 형성시 전극탭 부분을 가지도록 성형함으로써 이루어진다. 이러한 각각의 집전체의 전극탭은 양극판, 음극판 및 세퍼레이터의 적층후 각각의 탭들 간을 V자로 절곡한후 이들을 용접하여 하나의 전극단자를 형성한다. 일반적으로 각각의 양극판 및 음극판으로부터 인출되는 전극탭들을 용접하기 위한 수단으로서 초음파 용접이 사용된다.

폴리머 전지의 집전체로 사용되는 익스펜디드 메탈(expanded metal)은 대량생산체계인 연속공정에서는 그 사용이 어렵다. 이는 일련의 집전체 스트립을 연속방향으로 진행하여 집전체 형상을 형성한후 절단하는 연속공정에서, 진행 방향으로 인가되는 인장력이 익스펜디드 메탈을 쉽게 인장시키기 때문이다. 또한 익스펜디드 메탈 집전체는 그 개구율이 커서 용접시 결합력이 상대적으로 약하다. 따라서 연속공정과 관련되어서는 일반적으로 펀치드 메탈을 사용하는 실정이다.

전극탭은 집전체로부터 탭형상이 연장되어 형성되는 것으로서 탭 부분은 V자로 절곡된후 용접이 되는 것으로서 탭 부분이 절단되는 문제가 존재한다.

개구와 개구를 연결하는 웹(web)이 균일 두께 및 폭을 가지지 못하는 펀치드 메탈의 경우는, 전극탭들간의 초음파 용접시 발생되는 초음파 에너지로 인하여 취약부분에 에너지가 집중되어 탭이 절단될 수 있다.

만일 이러한 문제를 해결하기 위하여 개구들이 동일한 패턴을 가지도록 전극탭을 형성하는 경우는 박판인 펀치드 메탈 전극탭의 속성상 개구부분에 응력집중이 발생하여 그 취급 도중에 전극탭이 절단되기가 쉽다.

이러한 문제를 또한 해결하기 위하여 만일 전극탭 부분에는 개구를 형성하지 않는 포일(foil)형태를 전극탭이 가지도록 형성하는 경우는, 초음파 용접중 전극탭 부분에 초음파 에너지가 집중하여 전극탭이 그 넥크(neck) 부분에서 쉽게 절단되는 문제가 발생한다.

그러므로, 리튬 폴리머 전지에 있어서, 전극탭들간의 용접시 그 절단을 방지할 수 있는 방안이 오랫동안 요청되어 왔다.

본 발명은 상기의 문제를 해결하는 리튬 폴리머 전지의 전극탭 구조를 제공한다. 본 발명의 목적은 리튬 폴리머 전지에 있어서 전극탭의 용접시 그 절단을 방지할 수 있는 전극탭 구조를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 리?? 폴리머 전지의 전극탭은 집전체로부터 연장되어 형성되며 복수개의 개구를 가진다. 여기서, 상기 전극탭의 개구는 집전제 본체로부터 연장되어 나가는 방향상 개구의 밀도가 감소하도록 배치된다. 이 경우, 상기 집전체는 펀치드 메탈로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극 탭의 개구는 전극탭의 집전체로부터의 연장방향을 따른 개구간의 일 피치증가마다 횡방향으로 놓이는 개구간의 간격이 일피치씩 증가되도록 배치된다.

초음파 용접시 초음파 에너지는 개구가 있는 경우 개구 사이의 웹(web) 부분에 집중된다. 본 발명에 따를 경우 초음파 에너지는 개구부의 밀도가 상대적으로 더욱 높은 집전체 몸체로도 확산되므로 전극탭 부분만의 초음파 에너지 집중을 막을 수 있다. 그러므로, 포일(foil)로 형성되는 전극탭의 경우 발생하던 네크부의 절단을 막을 수 있다. 또한 본 발명에 따를 경우 초음파 에너지가 개구의 연장방향으로 갈수록(이하 상부방향) 적게 전달된다. 이에 따라서, V자로 절곡되어 용접되는 탭 부위로의 초음파 에너지의 전달이 감소되며 또한 초음파 에너지가 균일한 정도로 상부방향으로 갈수록 줄어들게 되어 취약부분에서의 절단의 가능성을 대폭 줄일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 전극탭을 가지는 리튬 폴리머 전지를 보이는 도면;

도 2는 본 발명에 따라 집전체에서 연장되어 형성되는 전극탭의 구조를 보이는 도면; 그리고

도 3은 본 발명에 따라 전극탭의 개구가 집전제 본체로부터 연장되어 나가는 방향상 개구의 밀도가 감소하도록 배치되는 예를 보이는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 전극 조립체 100: 전극 집전체

150: 전극 탭 120: 집전체 본체

이제 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전극탭을 가지는 리튬 폴리머 전지(10)를 보인다. 리튬 폴리머 전지(10)는 양극 활물질층이 양극 집전체의 적어도 일면에 압착된 형태의 양극(11)과, 음극 활물질층이 음극 집전체의 적어도 일면에 압착된 형태의 음극(12)과, 상기 양극(11)과 음극(12) 사이에 개재되어 두 전극(11)(12)을 단락시키는 세퍼레이터(13)를 포함한다.

그리고, 상기 양극(11)과 음극(12)으로부터는 양극 탭(14)과 음극 탭(15)이 각각 인출되어 있고, 상기 양극 탭(14)과 음극 탭(15)은 V자 형태로 구부려져 그 단부가 양극 단자(16)와 음극 단자(17)에 용접되어 있다.

또한, 상기 다수개의 양극(11)과 음극(12) 및 세퍼레이터(13)가 적층된 전극 조립체는 그 내부에 이를 수용하기 위한 공간부(18a)가 형성된 케이스(18)에 실장되고, 상기 양극 단자(16)와 음극 단자(17)는 외부로 인출되는 구조를 가진다.

이러한 리튬 폴리머 전지(10)는 일련의 전극 조립체의 제조 과정에서 다수개의 양극 및 음극 집전체를 마련하고, 그 양면에 양극 및 음극 활물질층을 각각 압착하여 양극(11)과 음극(12)을 제조한다. 그리고, 상기 양극(11)과 음극(12)의 집전체로부터 인출되는 양극 탭(14)과 음극 탭(15)을 각 전극 탭별로 집합시켜 상기 케이스(18)의 공간부(18a)에 수용가능하도록 그 단면을 V자 형태로 구부린다음, 그 단부를 양극 단자(16)와 음극 단자(17)에 용접시키게 된다.

도 2는 본 발명에 따라 집전체에서 연장되어 형성되는 전극탭의 구조를 보이는 도면이다. 집전체(100)는 집전체 몸체(120)와 집전체로부터 연장되어 형성되는 전극탭(150)부분을 가진다.

도시된 바와 같이, 집전체는 복수개의 개구들(101)을 가진다. 본 집전체는 펀치드 메탈(punched metal)로 이루어지며 상기 개구들은 탭 부분(150)에도 형성된다.

본 발명에 따를 경우, 상기 전극탭의 개구는 집전제 본체로부터 연장되어 나가는 방향상 개구의 밀도가 감소하도록 배치된다. 이러한 예가 도 3에서 보인다.

도 3을 참고로 하여, 집전체 몸체(120)와 탭부분(150)의 사이에 형성되는 네크(neck) 부분에서 개구들 사이의 피치는 넓어지기 시작한다. 즉 네크부분의 개구들 사이의 피치(P2)는 네크부가 아닌 동일 횡 방향에 형성된 집전체 몸체(120)에 형성된 개구들 사이의 피치(P1)보다 넓다.

다음, 집전체 탭의 도면상 상부로의 연장방향상 그 피치는 점점 더 넓어진다. 즉 상기 전극 탭의 개구는 전극탭의 집전체로부터의 연장방향을 따른 개구간의 일 피치증가마다 횡방향으로 놓이는 개구간의 간격이 일 피치만큼씩 증가되도록 배치된다. 즉, 횡방향 152에 형성된 개구들 사이의 피치(P3)는 횡방향 151에 형성된 개구들 사이의 피치(P2)보다 횡방향상의 개구들 간의 피치(P)만큼 증가된다. 또한 횡방향 153에 형성되는 개구들간의 피치(P4)는 횡방향 152에 형성되는 개구들간의 피치(P3)보다 P만큼 증가한다. 이러한 방식으로 점차적으로 연장방향상 개구들의 밀도가 감소되어 나가는 방향으로 개구들이 배치된다.

초음파 용접시 초음파 에너지는 개구가 있는 경우 개구 사이의 웹(web) 부분에 집중된다. 본 발명에 따를 경우 초음파 에너지는 개구부의 밀도가 상대적으로 더욱 높은 집전체 몸체로도 확산되므로 전극탭 부분만의 초음파 에너지 집중을 막을 수 있다. 그러므로, 포일(foil)로 형성되는 전극탭의 경우 발생하던 네크부의 절단을 막을 수 있다. 또한 본 발명에 따를 경우 초음파 에너지가 개구의 연장방향으로 갈수록 적게 전달된다. 이에 따라서, V자로 절곡되어 용접되는 탭 부위로의 초음파 에너지의 전달이 감소되며 또한 초음파 에너지가 균일한 정도로 상부방향으로 갈수록 줄어들게 되어 취약부분에서의 절단의 가능성을 대폭 줄일 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 상부로 갈수록 그 개구부의 밀도가 감소하는 전극탭 구조를 개시한다. 그러면, 종래에 발생하던 전극탭의 용접시의 절단 가능성을 대폭 줄일 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 집전체 몸체와 상기 집전체 몸체로부터 연장되어 형성되는 전극탭으로 이루어지고 상기 전극 몸체와 상기 전극탭의 전반에 걸쳐 복수개의 개구가 형성되는 집전체를 가지는 리튬 폴리머 전지에 있어서,

   상기 전극탭에 형성되는 개구는 상기 집전제 몸체로부터 연장되어 나가는 방향상 개구의 밀도가 감소되도록 배치됨을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극 탭의 개구는 전극탭의 집전체로부터의 연장방향을 따른 개구간의 일 피치증가마다 횡방향으로 놓이는 개구간의 간격이 일피치씩 증가되도록 배치됨을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 집전체는 펀치드 메탈로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지.