KR100624938B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

두 전극과 세퍼레이터를 적층하고, 권취하여 이루어지는 전극 조립체 및 전극 조립체가 내장되는 케이스를 구비하여 이루어지는 이차 전지에 있어서, 전극 조립체의 대향하는 두 전극의 면의 불연속부가 있는 곳에 한정하여 보조 절연체가 설치되는 것을 특징으로 하는 이차 전지가 개시된다. 이때, 불연속부가 대향하는 두 전극면 가운데 한 곳에만 있는 경우에도 보조 절연체가 설치되는 것이 바람직하며, 본 발명에서 불연속부로는 전극판이 감기는 방향을 따라 전극 집전체에 활물질이 코팅되기 시작하거나 끝나는 위치, 전극 집전체에 전극 탭이 부착되는 위치, 전극판이 시작되거나 끝나는 위치 등을 들 수 있다.

Description

이차 전지 {secondary battery}

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔형 이차 전지를 나타내는 사시 분해도이다.

도2는 도1의 젤리롤형 전극 조립체를 이루는 전극 및 세퍼레이터를 펼쳐 놓은 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도3은 본 발명의 다른 실시예에서 젤리롤형 전극 조립체를 이루는 전극 및 세퍼레이터를 펼쳐 놓은 상태를 개략적으로 나타내는 평면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

12: 전극 조립체 13,15: 전극판

14: 세퍼레이터 16,17: 전극 탭

100: 캔 110: 캡 플레이트

32,33,34,35,36,37,38: 보조 절연체

131: 활물질 코팅 133,135: 활물질 시작부, 끝단부

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 전극과 세퍼레이터가 적층, 권취되어 형성되는 젤리롤형 전극 조립체를 가지는 이차 전지에 관한 것이다.

이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성을 가지므로 최근에 많이 개발되고 사용되고 있다. 근래에 개발, 사용되는 대표적 이차 전지로는 니켈-메탈 하이드라이드(Ni-MH)전지와 리튬(Li) 폴리머 전지 및 리튬 이온(Li-ion)전지 등을 들 수 있다.

이들 이차 전지의 베어 셀(bare cell) 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 알미늄 또는 알미늄 합금 기타 재질로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡 조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하여 캡 조립체를 밀봉함으로써 형성된다. 전극 조립체는 파우치에 내장되고 밀봉되어 베어 셀을 형성할 수도 있다.

캔형 전지의 경우, 이차 전지의 베어 셀에서는 전극 조립체의 각 전극 탭이 캔 및 캡 조립체와 연결되는 방식은 캔이 원형인가 혹은 각형인가에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 캔의 여타 부분과 절연 가스켓으로 이격된 전극 단자가 있어 이 전극 단자에 통상적으로 전극 조립체의 한 전극 탭이 연결되고, 전극 단자와 이격된 캔 혹은 캡 플레이트에 다른 전극 탭이 연결되는 것이 통상적이다.

밀봉된 이차 전지 베어 셀의 전극 단자는 PTC 소자(positive temperature coefficient), 서멀 퓨즈(thermal fuse) 및 보호회로 기판(PCM: Protective Circuit Module) 등의 안전장치의 단자와 전기적으로 연결된다. 이들 안전장치들은 베어 셀의 각 전극과 연결되어 전지의 과열이나, 과도한 충,방전 등으로 전지의 전압이 급상승하는 등의 문제가 발생할 때 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지하게 한다.

이차 전지에서 전극 조립체는 통상 젤리롤 형태로 이루어진다. 젤리롤은 두 전극과 세퍼레이터를 적층하고 권취하여 이루어진다. 이때, 젤리롤에서 두 전극의 단락을 막기위해 세퍼레이터는 두 매가 사용된다.

그런데, 이동형 전자, 통신 기기의 이동성을 높이고, 다양한 기능에 적합한 충분한 전력량을 공급하기 위해 전원으로 사용되는 이차 전지의 소형 고용량화가 계속적으로 추구되고 있다. 전지의 소형 고용량화를 위해 전극 조립체를 내장하는 한정된 용적의 케이스 내에 더 많은 활물질과 전해질이 포함되어야 한다. 따라서, 케이스 내에는 가능한 한 빈 공간을 없애야 하고, 전극 조립체에서도 두 전극의 단락이 방지될 수 있는 한 세퍼레이터가 차지하는 용적도 감소되어야 한다.

그러나, 젤리롤 형태의 전극 조립체에서는 두 전극의 단락을 막기 위해 세퍼레이터가 두 매 필요하고, 세퍼레이터는 대략 각 전극판의 길이만큼의 길이르 가져야 하고, 적어도 각 전극판의 폭 이상의 넓은 폭을 가져야 한다.

세퍼레이터의 용적을 줄이기 위해 세퍼레이터의 두께를 줄이는 방법을 생각할 수 있다. 그러나, 세퍼레이터가 얇아질수록 두 전극간의 절연에 이상이 발생할 수 있다. 이러한 절연 이상은, 비록 이론적으로 세퍼레이터의 두께가 두 전극 사이의 단락을 막기에 충분한 경우에도, 세퍼레이터가 얇을수록 전극 조립체 형성 가공 과정에서 혹은 전극 조립체를 케이스에 설치하는 과정에서 손상되기 쉽기 때문에 주로 발생하는 것이다.

절연 이상이 발생하고, 케이스 내에서 두 전극 사이에 직접적인 단락이 발생하면 전지 사용상의 안전에 큰 문제를 일으키므로 충분히 안전한 두께의 세퍼레이터가 요청된다.

결국, 세퍼레이터의 두께를 줄이면서 전지의 안전도 확보하는 것은 이차 전지 제조에 있어서 어려운 문제가 되고 있다.

본 발명은 상술한 종래의 이차 전지의 제조상 문제점을 줄이기 위한 것으로, 전극 조립체에서 세퍼레이터가 차지하는 부피를 줄일 수 있는 젤리롤형 전극 조립체를 가지는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 이차 전지에서 두 전극의 내부 단락으로 인한 안전 문제도 줄일 수 있는 젤리롤형 전극 조립체를 가지는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 다른 관점에서, 이차 전지의 생산 단계에서 두 전극의 내부 단락으로 인한 불량을 줄여 생산성을 높일 수 있는 젤리롤형 전극 조립체를 가지는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차 전지는,

두 전극과 세퍼레이터를 적층하고, 권취하여 이루어지는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체가 내장되는 케이스를 구비하여 이루어지는 이차 전지에 있어서,

상기 전극 조립체의 대향하는 상기 두 전극의 면의 불연속부가 있는 곳에 한정하여 보조 절연체가 설치되는 것을 특징으로 한다.

이때, 불연속부가 대향하는 두 전극면 가운데 한 곳에만 있는 경우에도 보조 절연체가 설치되는 것으로 한다.

본 발명에서 불연속부는 전극판이 감기는 방향을 따라 전극 집전체에 활물질이 코팅되기 시작하거나 끝나는 위치, 전극 집전체에 전극 탭이 부착되는 위치, 전극판이 시작되거나 끝나는 위치를 들 수 있다.

본 발명에서 보조 절연체는 세퍼레이터와 같은 재질의 같은 두께로 형성되는 것이 보조 절연체 형성에 드는 비용을 줄일 수 있다는 면에서 바람직하다.

본 발명에서 보조 절연체는 세퍼레이터와 같은 얇은 절연 수지막으로 이루어져 별도의 부착수단으로 전극이나 세퍼레이터에 부착되거나, 자체가 페이스트 형태로 이루어져 세퍼레이터나 전극에 도포되는 형태로 설치되거나, 적어도 일면에 점착재를 형성한 테이프 형태로 설치될 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔형 이차 전지를 나타내는 사시 분해도이다.

도1을 참조하여 각형 이차 전지의 일반적 구성을 설명하면, 캔(100)은 각형 리튬 이온 전지에서 대략 직육면체에서 위쪽이 개방된 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다. 캔을 이루는 재질 로는 스테인레스강 등의 철재도 사용되나 경량의 전도성 금속이면서 부식에 대처가 용이한 알미늄 또는 알미늄 합금이 바람직하다.

캔(100)은 두 전극판(13,15) 및 세퍼레이터(14)로 이루어진 전극 조립체(12)와 전해액의 용기가 되고, 전극 조립체가 캔의 개방된 상단, 즉, 개구부를 통해 캔(100)에 삽입된 뒤 캔의 개구부는 캡 조립체에 의해 봉해진다. 통형 리튬 이온 전지에서는 캔은 원통형으로 형성된다.

캡 조립체에는 캔(100)의 개구부에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(110)가 구비된다. 캡 플레이트(110)는 캔(100)과의 결합을 위한 용접성 향상을 위해 캔(100)과 동일한 알미늄이나 알미늄 합금으로 형성되는 것이 바람직하다.

캡 플레이트(110)의 중앙부에는 전극 단자가 통과할 수 있도록 단자용 통공이 형성된다. 캡 플레이트(110)의 중앙부를 관통하는 전극 단자(130) 외측에는 전극 단자(130)와 캡 플레이트(110)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치되어 있다. 캡 플레이트(110) 중앙부, 단자용 통공 근방에는 캡 플레이트 하면에 절연 플레이트(140)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(140)의 아랫면에는 단자 플레이트(150)가 설치되어 있다.

캡 조립체가 캔 상단과 용접된 뒤에는 캡 플레이트(110)의 전해액 주입구(112)를 통해 전해액이 투입된다. 전해액 주입구(112)는 볼이 압입되어 이루어진 마개(160)로 밀봉된다.

도2는 도1의 젤리롤형 전극 조립체를 이루는 전극 및 세퍼레이터를 펼쳐 놓 은 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도2를 참조하면, 두 전극판과 세퍼레이터가 적층되어 있다.

전극판(13)은 알미늄이나 구리 포일(FOIL), 메쉬(MESH)로 된 집전체 면에 전극별로 적합한 활물질, 바인더, 도전조제, 용매 등을 섞어 만든 활물질 코팅(131)을 적층하고, 용매를 제거하는 과정을 통해 형성된다.

전극 탭(16,17)은 일반적으로 금속, 대개는 알루미늄, 구리 또는 니켈로 형성된다. 이들은 큰 저항 작용 없이 전류의 통로가 될 만큼 충분한 두께 및 치수를 가져야 한다. 파우치 전지의 경우, 파우치 밀봉 과정에서 파우치 내면의 폴리머막과 전극 탭을 이루는 금속 사이의 접착을 강화하기 위해 접착이 잘 이루어지는 성분을 가진 별도의 밀봉용 테이프를 전극 탭의 파우치와 닿는 부분에 부착시킬 수도 있다.

세퍼레이터(14)는 대개 미다공성을 가지는 폴리에칠렌, 폴리프로필렌 등 폴리올레핀계 수지막으로 형성된다.

통상, 전극판(13) 및 세퍼레이터(14)가 권취되는 좌우 방향을 기준으로 두 전극판의 시작 부분과 끝 부분은 서로 다르고, 세퍼레이터도 2개가 존재하여 그 시작 부분과 끝 부분 위치가 서로 다르다. 그러나 설명의 편의상 뒤쪽 전극은 표시하지 않고, 뒤쪽 전극의 전극 탭(17)은 가상적으로 도시하며, 세퍼레이터도 두 매의 겹치는 부분을 무시하고 평면 상에서 하나의 세퍼레이터(14)가 있는 것처럼 도시한다.

따라서, 도2에서 세퍼레이터(14)는 전극판(13)보다 좌우로 일정 구간씩 길게 형성되고, 전극 폭보다 상하로 일정 폭 연장 형성되는 것으로 보인다. 세퍼레이터(14)는 이렇게 형성됨으로써 두 전극 사이의 전지 내 단락을 방지할 수 있다. 각 전극판의 각 면에는 활물질이 코팅된다. 각 전극판의 각 면에는 시작단과 끝단의 일정 구간만큼 활물질 코팅이 없는 무지부가 존재한다.

각 전극판의 한 면에는 좌우 무지부의 한 쪽에 전극 탭(16,17)이 부착된다. 전극 탭은 각 전극을 베어 셀을 이루는 케이스 밖의 전기 전자 회로와 연결하는 인출 단자의 역할을 한다.

세퍼레이터(14)는 두 전극 사이의 절연을 할 수 있을 정도로만 얇게 형성되고, 전극판(13)의 표면 상태가 불연속적인 부분에만 세퍼레이터(14)와 함께 두 전극 사이의 단락을 방지할 수 있는 보조 절연체(32,33,34,35,36)가 설치된다.

이때, 전극판(13) 표면의 불연속부는 전극판이 시작되고 끝나는 부분 혹은 전극판을 이루는 집전체가 시작되고 끝나는 부분, 활물질 코팅이 시작부 및 끝단부(133,135), 전극탭(16)이 전극 집전체에 부착되는 부분을 들 수 있다. 활물질 코팅이 시작되고 끝나는 부분은 동일한 전극에서도 앞 뒤면에 다를 수 있다.

이런 표면 불연속부에서는 그 불연속부에 돌출된 부분이 젤리롤 권취시, 혹은 충방전에 의한 용적 증가시 등의 시점에서 얇은 세퍼레이터에 손상을 주기 쉽다. 또한, 열 발생에 의해서 세퍼레이터가 용융되기 시작하는 시점에서도 이들 불연속부에 열이 집중되어 세퍼레이터를 빨리 녹여 내부 단락을 일으킬 수 있다.

가령, 집전체를 이루는 각 전극의 알미늄판이나 구리판 같은 전극 집전체와 전극 탭이 겹치는 부분, 특히 전극 탭의 모서리 부분에서는 전극 조립체를 형성하 기 위해 전극판이 권취되고 가압 성형되는 과정에서 혹은 다른 공정 과정에서 압력이 집중적으로 가해질 수 있다. 전극 조립체를 권취한 후 젤리 롤(Jelly Roll)을 납작한 모양으로 형성하기 위해 전극 조립체에 300kg/cm² 정도의 압력이 가해질 때 모서리 부분에는 그 이상의 압력이 집중된다.

이런 경우, 전극 탭 위로 겹쳐지는 집전체용 금속 포일, 전극 활물질, 세퍼레이터 등에 스크래치나 찢어짐 등의 파손이 발생할 수 있다. 스크래치나 기타 파손이 발생하면 활물질이나 포일에서 떨어진 파티클이 내부 단락을 일으킬 수 있고, 세퍼레이터가 파손된 부분을 통해서도 전극간 단락, 기타 전지 기능의 이상을 일으킬 수 있다.

단락은 두 전극이 대향하고 있는 위치에서 주로 문제가 되므로 같은 전극면이 대향하고 있는 지점에서는 세퍼레이터나 별도의 보조 절연체가 위치할 필요는 없다.

한편, 표면 불연속부라 하더라도 모든 부분에서 세퍼레이터의 손상 가능성이 동일하지 않으므로 일부 불연속부에서는 보조 절연체가 설치되지 않을 수도 있다.

보조 절연체의 형성 폭은 통상 세퍼레이터의 폭과 동일하게 형성하는 것이 바람직하지만 불연속부가 폭의 일정 부분에만 존재한다면 그 일정 부분만을 커버할 수 있는 크기의 보조 절연체를 부착할 수 있다.

한편, 보조 절연체는 세퍼레이터와 같은 재질의 같은 두께로 형성되면, 세퍼레이터의 일부를 절단하여 보조 절연체로 사용할 수 있으므로 별도의 보조 절연체 를 설계하고 형성하는 데 드는 비용을 줄일 수 있다는 면에서 바람직하다. 그러나, 보조 절연체를 세퍼레이터와 별개로 형성할 경우, 기계적 강도가 강한 질기고 내열성이 우수한 막으로 형성하는 것이 바람직하다.

보조 절연체의 형성 길이는 전극판면의 불연속부의 특징에 따라 적합한 길이로 이루어질 수 있다. 가령, 전극 탭이 형성된 부분에는 보조 절연체의 길이가 길고, 활물질 코팅 시작부는 보조 절연체의 길이를 짧게 형성할 수 있다.

10 내지 20 마이크로 미터 두께의 보조 절연체를 사용할 경우, 통상 종래에 사용된 세퍼레이터의 두께인 20 마이크로 메터를 그 절반인 10 마이크로 미터 이하까지 낮출 수 있다. 전극면의 보조 절연체를 전지 형성, 사용상 손상이 문제가 되는 부분에만 세퍼레이터와 겹쳐 부착하면 열 발생이나 기계적 손상으로 인한 해당 위치에서의 단락 등의 문제를 거의 해결할 수 있게 된다. 전극면의 불연속부는 전체 전극면에서 적은 일부에 해당하므로 전체적으로는 세퍼레이터의 두께를 절반으로 줄이고, 따라서 세퍼레이터가 전지의 케이스 내에서 차지하는 용적도 거의 절반으로 줄일 수 있게 된다.

보조 절연체는 세퍼레이터와 같은 얇은 절연 수지막으로 이루어져 별도의 페이스트 등 부착수단으로 불연속부 위치의 전극이나 세퍼레이터에 부착될 수 있다. 또한, 보조 절연체 자체가 액상이나 페이스트 형태로 이루어지고, 경화나 용매 제거를 통해 막을 형성하도록 하면 전극 불연속부 위치에서 세퍼레이터나 전극에 도포되어 설치될 수 있다. 또한, 보조 절연체막의 적어도 일면에 점착제 처리를 한 테이프 형태로 보조 절연체를 전극 불연속부 위치에 부착하여 설치할 수 있다.

도3은 도2와 다른 본 발명의 실시예에서 젤리롤형 전극 조립체를 이루는 전극 및 세퍼레이터를 펼쳐 놓은 상태를 개략적으로 나타내는 평면도이다.

도3에 대해서도 세퍼레이터(14)나 전극판(13)의 배치와 관련하여 도2와 같은 전제가 이루어진다. 즉, 전극판 및 세퍼레이터가 권취되는 좌우 방향을 기준으로 두 전극판의 시작 부분과 끝 부분은 서로 다르고, 세퍼레이터도 2개가 존재하여 그 시작 부분과 끝 부분 위치가 서로 다르다. 뒤쪽 전극은 표시하지 않고, 전극 탭의 보이는 부분만 도시하며, 세퍼레이터도 두 매의 겹치는 부분을 무시하고 평면 상에서 하나의 세퍼레이터(14)가 있는 것처럼 도시한다.

그러나, 도2의 경우와 달리 도3에서는 보조 절연체(37,38)가 전극판의 권취되는 시작부와 끝단부에 비교적 긴 길이로 두 부분에만 형성된다. 이는 통상 전극판에서 권취되는 시작부와 끝단부에 있는 무지부의 길이가 비교적 한정되고, 그 무지부에 탭(16)이 형성되고, 각 무지부의 시작과 끝은 전극 집전체 시작단과 활물질 코팅 시작부(133) 혹은 전극 집전체 끝단과 활물질 코팅 끝단부(135)이기 때문이다.

이렇게 보조 절연체(37,38)를 전극판(13)의 시작단과 끝단에만 무지부를 커버하도록 형성하는 방법은, 보조 절연체가 도2의 경우에 비해 길어지므로 차지하는 용적도 늘어나는 단점이 있을 수 있다. 그러나, 각 전극면 불연속부를 커버할 수 있으면서도 보조 절연체(37,38)를 설치할 위치가 줄어들기 때문에 만약 수작업으로 보조 절연체를 설치하는 경우를 상정하거나, 보조 절연체의 수자가 많아짐으로 인한 공정의 불량 발생 증가를 감안하면, 보다 능률적인 방법이 될 수 있다.

보조 절연체를 세퍼레이터와 다른 별개로 형성할 경우, PET(폴리에칠렌테레프탈레이트), ETC 등 기계적 강도가 강하고 질긴 재료를 위주로 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 젤리롤형 전극 조립체에서 세퍼레이터가 차지하는 부피를 줄이는 동시에 이차 전지 내에서 두 전극의 내부 단락으로 인한 안전 문제도 줄일 수 있다.

따라서, 이차 전지의 생산 단계에서 두 전극의 내부 단락으로 인한 불량을 줄여 생산성을 높일 수 있다.

Claims (8)

1. 두 전극과 세퍼레이터를 적층하고, 권취하여 이루어지는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체가 내장되는 케이스를 구비하여 이루어지는 이차 전지에 있어서,

   상기 전극 조립체의 대향하는 상기 두 전극의 면의 불연속부가 있는 곳의 적어도 일부 개소에 보조 절연체가 설치되며,

   상기 보조 절연체는 상기 세퍼레이터와 같은 재질, 같은 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 절연체는 대향하는 상기 두 전극의 면 가운데 한 쪽에만 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 보조 절연체는 상기 세퍼레이터에 부착되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 불연속부는 상기 전극의 극판이 감기는 방향을 따라 전극 집전체에 활물질이 코팅되기 시작하거나 끝나는 위치, 상기 전극 집전체에 전극 탭이 부착되는 위치, 상기 전극판이 시작되거나 끝나는 위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 절연체는 10 내지 20 마이크로 미터 두께로 형성됨을 특징으로 하는 이차 전지.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 절연체는 PET(폴리에칠렌테레프탈레이트)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
8. 두 전극과 세퍼레이터를 적층하고, 권취하여 이루어지는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체가 내장되는 케이스를 구비하여 이루어지는 이차 전지에 있어서,

   상기 전극 조립체의 대향하는 상기 두 전극의 면의 불연속부가 있는 곳의 적어도 일부 개소에 보조 절연체가 설치되며,

   상기 보조 절연체는 자체가 페이스트 형태로 이루어져 세퍼레이터나 전극에 도포되는 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.

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