KR100515833B1 - 젤리-롤형의 전극조립체와 이를 채용한 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이차전지는, 권취시 최내각에 위치되며 음극 활물질이 형성되지 않은 음극 무지부가 마련된 음극판과, 음극판과 소정 간격으로 이격되는 것으로 권취시 최내각에 위치되며 양극 활물질이 형성되지 않은 양극 무지부가 마련된 양극판과, 음극판과 양극판 사이에 개재되어 권취된 상태에서 이들을 절연시키는 세퍼레이터와, 음극 무지부 및 양극 무지부에 각각 전기적으로 결합되는 음극 탭 및 양극 탭을 구비하며, 음극 무지부의 폭 길이가 음극 탭의 폭 길이의 2~3배인 젤리-롤형의 전극조립체와, 전극조립체가 수용되는 케이스와, 케이스와 상호 융착 결합되어 전지를 밀봉시키는 커버를 구비하는 외장재;를 포함한다.

Description

젤리-롤형의 전극조립체와 이를 채용한 이차전지{Jelly-roll type electrode assembly and secondary battery applying the same}
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음극판이 양극판 및 세퍼레이터들과 함께 권취되는 과정에서 생기는 변형을 최소화할 수 있도록 구조가 개선된 젤리-롤형의 전극조립체와 이를 채용한 이차전지에 관한 것이다.
이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나, 니켈-수소전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로, 전해액의 종류에 따라 액체전해질 전지와 고분자전해질 전지로 분류되며, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 또한, 리튬이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형, 그리고 파우치형이 있다. 이들 중에서 파우치를 외장재로 하는 파우치형 이차전지의 경우, 단위중량 및 체적당 에너지밀도를 보다 높일 수 있으며, 전지의 박형화 및 경량화를 가능하게 할 뿐만 아니라 외장재의 재료비를 줄일 수 있어 유리한 점이 많다.
이러한 파우치를 외장재로 하는 이차전지를 도 1에 나타내었다.
도면을 참조하면, 이차전지(10)는 파우치 형태의 외장재(11)와, 이에 수용되어 밀봉되는 전극조립체(20)를 구비한다.
상기 외장재(11)는 커버(12)와 케이스(13)로 나뉘어져 있으며, 상기 케이스(13) 내에 전극조립체(20)가 수용되고, 이러한 상태에서 커버(12)와 케이스(13)를 결합시켜 전지를 밀봉시키게 된다.
그리고, 상기 전극조립체(20)는 집전체에 활물질을 도포하고 이를 건조시킨 후, 롤 프레싱 및 절단하여 각각 형성시킨 음극판 및 양극판 사이에 세퍼레이터(separator)를 삽입하여 권취시킨 젤리-롤(Jelly-Roll)형으로 이루어져 있으며, 상기 음극판 및 양극판으로부터는 음극 탭(23) 및 양극 탭(24)이 각각 인출되어 있다.
상기와 같은 전극조립체에 있어서, 음극판 및 양극판의 권취 시작 부분을 도 2에 나타내었다.
도면을 참조하면, 상기 음극판(21)은 스트립상의 음극 집전체(21a)에 음극 활물질이 코팅된 음극 코팅부(21b)와 음극 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부(21c)로 이루어져 있으며, 상기 양극판(22)은 스트립상의 양극 집전체(22a)에 양극 활물질이 코팅된 양극 코팅부(22b)와 양극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부(22c)로 이루어져 있다. 상기 음극 무지부(21c)와 양극 무지부(22c)에는 각각 음극 탭(23)과 양극 탭(24)이 용접 등에 의하여 고정 설치되어 음극판(21) 및 양극판(22)으로부터 돌출되어 있다. 상기와 같이 음극 탭(23) 및 양극 탭(24)이 각각 결합된 음극 무지부(21c) 및 양극 무지부(22c)는 각각 권취시에 시작되는 부분을 이루게 된다.
이와 같이 구성된 양극판 및 음극판은, 도 3에 도시된 바와 같은 과정으로 다공성의 세퍼레이터들과 함께 젤리-롤 형태로 권취된다.
도면을 참조하면, 비원형의 맨드렐(mandrel, 30)에 대하여 2매의 제1,2세퍼레이터(25a)(25b)가 소정 길이만큼 먼저 권취되고, 권취된 제1,2세퍼레이터(25a)(25b) 사이에 음극 무지부(21c)를 선단으로 하는 음극판(21)이 배치되며, 양극 무지부(22c)를 선단으로 하는 양극판(22)이 제1세퍼레이터(25a)의 외측에 배치되며 음극판(21)의 선단으로부터 소정 길이만큼 지연된 상태에서 제1,2세퍼레이터(25a)(25b)와 함께 권취되어진다.
그런데, 도면에서 나타낸 바와 같이, 상기 음극 무지부(21c)의 길이는 비교적 길며, 그 두께 또한 양극 무지부(22c)에 비해 두께보다 통상적으로 얇게 구성됨에 따라, 초기 권취시에 음극 무지부(21c)가 구겨지는 변형이 쉽게 발생될 수 있다. 이와 같이 음극 무지부(21c)가 변형된 상태로 권취되어지게 되면, 음극 무지부(21c)의 양측면에 각각 대향되는 제1,2세퍼레이터(25a)(25b)를 손상시킬 수 있으며, 이러한 손상은 음극판(21)과 양극판(22)과의 쇼트를 유발시킬 수 있다. 또한, 상기 음극 무지부(21c)에 결합되는 음극 탭(23)의 위치 불량을 발생시켜 추후 조립 불량을 야기할 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 음극판이 양극판 및 세퍼레이터들과 함께 권취되는 과정에서 생길 수 있는 변형을 최소화하여 전극 탭의 위치 불량을 방지할 수 있는 젤리-롤형 전극조립체와 이를 채용한 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 젤리-롤형의 전극조립체는,
권취시 최내각에 위치되며 음극 활물질이 형성되지 않은 음극 무지부가 마련된 음극판과;
상기 음극판과 소정 간격으로 이격되는 것으로, 권취시 최내각에 위치되며 양극 활물질이 형성되지 않은 양극 무지부가 마련된 양극판과;
상기 음극판과 양극판 사이에 개재되어 권취된 상태에서 이들을 절연시키는 세퍼레이터와;
상기 음극 무지부 및 양극 무지부에 각각 전기적으로 결합되는 음극 탭 및 양극 탭;을 구비하며,
상기 음극 무지부의 폭 길이가 상기 음극 탭의 폭 길이의 2~3배인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이차전지는,
권취시 최내각에 위치되며 음극 활물질이 형성되지 않은 음극 무지부가 마련된 음극판과, 상기 음극판과 소정 간격으로 이격되는 것으로 권취시 최내각에 위치되며 양극 활물질이 형성되지 않은 양극 무지부가 마련된 양극판과, 상기 음극판과 양극판 사이에 개재되어 권취된 상태에서 이들을 절연시키는 세퍼레이터와, 상기 음극 무지부 및 양극 무지부에 각각 전기적으로 결합되는 음극 탭 및 양극 탭을 구비하며, 상기 음극 무지부의 폭 길이가 상기 음극 탭의 폭 길이의 2~3배인 젤리-롤형의 전극조립체와,
상기 전극조립체가 수용되는 케이스와, 상기 케이스와 상호 융착 결합되어 전지를 밀봉시키는 커버를 구비하는 외장재;를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체에 있어서, 양극판 및 음극판의 권취 시작 부분이 도시되어 있으며, 도 5에는 도 4의 양극판 및 음극판이 세퍼레이터들과 권취되는 과정이 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 음극판(111)은 스트립 형상의 금속박판으로 된 음극 집전체(112)를 구비하는데, 상기 음극 집전체로는 예컨대, 구리 박판이 사용될 수 있다.
상기 음극 집전체(112)에는 음극 활물질이 코팅된 음극 코팅부(113)가 형성되어 있다. 상기 음극 활물질로는 예를 들어, 탄소재에 바인더, 가소제, 도전재 등이 함유된 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 음극판(111)에는 음극 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부(114)가 음극 집전체(112)의 일단부에 소정 길이를 가진 영역으로 형성되어 있는데, 상기 음극 무지부(114)는 권취가 시작되는 부분이며 권취 후에는 최내각 권취 중심에 위치되어진다.
그리고, 양극판(115)은 스트립 형상의 금속박판으로 된 양극 집전체(116)를 구비하는데, 상기 양극 집전체로는 예컨대, 알루미늄 박판이 사용될 수 있다.
상기 양극 집전체(116)에는 양극 활물질이 코팅되는 양극 코팅부(117)가 형성되어 있다. 상기 양극 활물질로는 예를 들어, 리튬계산화물에 바인더, 가소제, 도전재 등이 함유된 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 양극판(115)에는 양극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부(118)가 양극 집전체(116)의 적어도 일단부에 소정 길이를 가지는 영역으로 형성되어 있는데, 상기 양극 무지부(118)는 권취가 시작되는 부분이며 권취 후에는 최내각 권취 중심에 위치되어진다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극 무지부(114)의 두께는 대략 10㎛, 양극 무지부(118)의 두께는 대략 15㎛ 로서, 상기 음극 무지부(114)의 두께가 양극 무지부(118)의 두께에 비하여 작게 구성되어있다.
그리고, 상기 음극 무지부(114)에는 음극 탭(121)이 용접 등에 의해 접합되어 음극판(111)에 대해 전기적으로 연결되어지며, 상기 양극 무지부(118)에는 양극 탭(122)이 용접 등에 의해 접합되어 양극판(115)에 대해 전기적으로 연결되어진다.
또한, 상기 음극 탭(121) 및 양극 탭(122)이 접합되는 부위에는 그 상부면으로 보호 부재들(미도시)이 설치될 수 있다. 상기 보호부재들은 상기 접합되는 부위를 보호하여 단락 등을 방지하기 위한 것으로서, 내열성을 가지는 소재, 예컨대 폴리에스테르와 같은 고분자 수지가 이용될 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 음극 무지부(114)에 있어서 권취 방향에 따른 폭 길이가 바람직하게는, 상기 음극 무지부(114)에 결합되는 음극 탭(121)의 폭 길이의 2~3배 정도로서, 도 2에 도시된 종래에 따른 음극판(111)에 있어서 음극 무지부(114)에 있어서 권취 방향을 따른 폭 길이에 비해 상당히 작다. 상기 음극 무지부(114)는 음극 탭(121)이 용이하게 접합될 수 있을 정도의 폭 길이를 최소로 하여 마련되는 것이 바람직할 것이다.
그리고, 상기 음극 무지부(114)의 폭 길이가 짧아짐에 따라, 이에 상응하여 양극 무지부(118)의 폭 길이가 대략 양극 탭(122)의 폭 길이 정도로 길어지는 한편, 양극 탭(122)의 위치도 양극 무지부(118)의 선단측으로 치우쳐 접합되는 것이 바람직하다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
상기와 같이 구성된 음극판 및 양극판은, 도 5에 도시된 바와 같이 다공성의 세퍼레이터들과 함께 젤리-롤 형태로 권취되어 전극조립체를 구성하게 된다.
도시된 바에 따르면, 비원형의 맨드렐에 대하여 2매의 제1,2세퍼레이터(123)(124)가 소정 길이만큼 먼저 권취되어진다. 그리고, 전술한 바와 같은 음극판(111) 및 양극판(115)이 상기와 같은 제1,2세퍼레이터(123)(124) 사이와 제1세퍼레이터(123)의 외측에 각각 배치되는데, 상기 제1,2세퍼레이터(123)(124)는 권취후 상기 양극판(111)과 음극판(115) 사이를 상호 절연하는 한편, 양극판(111) 및 음극판(115)간에 활물질 이온이 교환될 수 있게 한다.
상기 음극판(111)은 음극 무지부(114)를 선단으로 제1,2세퍼레이터(123)(124)에 삽입 권취되며, 상기 양극판(115)은 제1세퍼레이터(123)의 외측에 양극 무지부(118)를 선단으로 상기 음극판(111)의 선단으로부터 소정 길이만큼 지연되어 권취된다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 권취 방향에 따른 상기 음극 무지부(114)의 폭 길이는 대략 음극 탭(121)의 폭 길이의 2~3배로서, 도 2에 도시된 종래의 음극 무지부(21c)의 폭 길이보다 짧게 형성되어 있으므로, 초기 권취시에 상기 음극 무지부(114)가 구겨지는 것과 같은 변형이 최소화될 수 있다. 이에 따라, 상기 음극 무지부(114)의 양측면에 각각 배치되는 제1,2세퍼레이터(123)(124)의 손상이 방지될 수 있어 음극판(111)과 양극판(115) 사이의 쇼트 발생을 막을 수 있다. 또한, 상기 음극 무지부(114)의 변형 요인이 제거됨에 따라 이에 결합되는 음극 탭(121)이 정위치에 놓여질 수 있게 된다.
한편, 상기 음극 무지부(114)의 폭 길이가, 도 2에 도시된 종래의 음극 무지부(21c)의 폭 길이에 비하여 짧으므로, 이에 결합되는 음극 탭(121)이 종래의 음극 무지부(114)에 결합된 음극 탭(121)보다 앞서 삽입되어진다. 따라서, 비용 절감의 차원에서 종래의 설비를 그대로 이용하는 경우에, 이때 양극판(115)이 음극판(111)에 비하여 지연되어 삽입되는 길이가 동일해지는데, 이러한 경우에 있어서, 음극 탭(121)과 양극 탭(122) 사이의 간격이 상당히 좁혀져 중첩될 우려가 있으므로, 이를 방지하기 위하여, 양극 무지부(118)의 폭 길이를 소정 길이만큼 늘리고, 상기 양극 무지부(118)에 결합되는 양극 탭(122)을 양극 무지부(118)의 선단측으로 소정 길이만큼 치우치게 위치시키는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이 음극판(111) 및 양극판(115)이 마련되어 전극조립체(110)가 구성되어지면, 도 6에 도시된 것처럼 상기 양극 탭(122)이 권취 중심측으로 다소 위치 변경이 발생될 수 있으나, 이러한 위치 변경은 추후 조립에 미치는 영향은 크지 않다.
상기와 같은 구성을 가지는 전극조립체가 채용된 이차전지를 도 6에 나타내었다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 젤리-롤형의 전극조립체(110)와, 상기 전극조립체(110)를 감싸서 밀봉하는 외장재(130)로 구성되어 있다.
상기 전극조립체(110)는 전술한 바와 같은 구성을 가지며, 상기 외장재(130)는 파우치 형태로서, 전극조립체(110)가 안착되는 케이스(132)와, 상기 케이스(132)를 밀봉시키는 커버(131)로 이루어져 있다.
상기 외장재(130)는 기본적으로 절연층, 금속층 및 보호층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 절연층은 최내각층으로서, 절연성 및 열접착성을 가지는 물질층으로 형성되며, 상기 금속층은 수분 침투 방지와, 전해액의 손실을 방지하는 역할을 한다. 상기 보호층은 최외각층으로서 전지 몸체를 보호하는 역할을 한다. 그러나, 이에 한정되지 않고 상기 외장재의 적층 구조는 여러 가지의 형태를 가질 수 있다.
상기 외장재(130)에 있어서, 커버(131)와 케이스(132) 내측의 가장자리면에 위치된 절연층이 열에 의해 용융되어 상호 융착됨으로써, 상기 커버(131)와 케이스(132)가 상호 결합되어지고, 이에 따라 전지(100)가 밀봉된다. 이때, 상기 전극조립체(110)로부터 인출된 음극 탭(121) 및 양극 탭(122)은 외장재(130)의 외부로 돌출되어진다. 상기와 같이 돌출된 음극 탭(121) 및 양극 탭(122)은 외부회로와 전기적으로 연결되어지게 된다. 한편, 상기 전극조립체는 전술한 바에 한정되지 않고, 여러 가지 형태의 외장재에 수용되어 이차전지가 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 음극판이 양극판 및 세퍼레이터들과 함께 권취되는 과정에서 음극 무지부에 발생될 수 있는 변형이 최소화될 수 있어 음극 탭의 위치 불량이 방지된다. 따라서, 전지의 조립성을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래에 따른 이차전지의 일 예를 도시한 분리 사시도.
도 2는 도 1의 전극 조립체에 있어서, 음극판 및 양극판의 권취 시작 부분을 도시한 평면도.
도 3은 도 1의 전극 조립체가 권취되는 과정을 도시한 측면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체에 있어서, 음극판 및 양극판의 권취 시작 부분을 도시한 평면도.
도 5는 도 4의 음극판 및 양극판이 세퍼레이터와 함께 권취되는 과정을 도시한 측면도.
도 6은 도 5와 같이 권취된 전극조립체가 채용된 이차전지를 도시한 분리 사시도.
〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉
110..전극조립체 111..음극판
112..음극 집전체 114..음극 무지부
115..양극판 116..양극 집전체
118..양극 무지부 121..음극 탭
122..양극 탭 123,124..세퍼레이터
130..외장재

Claims (5)

  1. 권취 후 최내각에 위치되며 음극 활물질이 형성되지 않은 음극 무지부가 마련된 음극판과;
    상기 음극판과 소정 간격으로 이격되는 것으로, 권취 후 최내각에 위치되며 양극 활물질이 형성되지 않은 양극 무지부가 마련된 양극판과;
    상기 음극판과 양극판 사이에 개재되어 권취된 상태에서 이들을 절연시키는 세퍼레이터와;
    상기 음극 무지부 및 양극 무지부에 각각 전기적으로 결합되어 권취 후 최내각에 각각 위치되는 음극 탭 및 양극 탭;을 구비하며,
    상기 음극 무지부의 폭 길이가 상기 음극 탭의 폭 길이의 2~3배인 것을 특징으로 하는 젤리-롤형의 전극조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 음극 무지부의 두께는 상기 양극 무지부의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 젤리-롤형의 전극조립체.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 양극 탭은 상기 양극 무지부의 선단측으로 치우쳐 결합된 것을 특징으로 하는 젤리-롤형의 전극조립체.
  4. 권취 후 최내각에 위치되며 음극 활물질이 형성되지 않은 음극 무지부가 마련된 음극판과, 상기 음극판과 소정 간격으로 이격되는 것으로 권취 후 최내각에 위치되며 양극 활물질이 형성되지 않은 양극 무지부가 마련된 양극판과, 상기 음극판과 양극판 사이에 개재되어 권취된 상태에서 이들을 절연시키는 세퍼레이터와, 상기 음극 무지부 및 양극 무지부에 각각 전기적으로 결합되어 권취 후 최내각에 각각 위치되는 음극 탭 및 양극 탭을 구비하며, 상기 음극 무지부의 폭 길이가 상기 음극 탭의 폭 길이의 2~3배인 젤리-롤형의 전극조립체와;
    상기 전극조립체가 수용되는 케이스와, 상기 케이스와 상호 융착 결합되어 전지를 밀봉시키는 커버를 구비하는 외장재;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 음극 무지부의 두께는 상기 양극 무지부의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 이차전지.
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