KR100624953B1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 각각 2개 이상의 양극판과 음극판과, 각 전극판들 사이에 개재된 세퍼레이터 및 상기 양극판들 및 음극판들에 각각 접합되어 있는 제1 전극탭들 및 제2 전극탭들을 구비하는 전극조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
리튬 이차 전지, 내부 저항, 병렬 접속

Description

리튬 이차 전지{Lithium secondary battery}
도 1은 종래의 리튬 이차 전지를 도시한 분해 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 전극조립체의 일 실시예의 분해 사시도.
도 3 및 4는 본 발명에 따른 전극조립체의 다른 실시예의 분해 사시도.
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지의 내부 저항을 감소시켜 충방전 효율이 향상되고 급속 충방전이 가능한 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화가 급속하게 진전됨에 따라서 이들의 구동 전원으로서 사용되는 전지의 소형화 및 고용량화에 대한 필요성이 증대되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로서, 휴대용 전자 기기의 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속하게 신장되고 있는 추세이다.
리튬 이차 전지는 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입(intercalation)/탈리 (deintercalation)될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기 에너지를 생성한다. 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 가역적인 삽입/탈리 가능한 물질을 양극과 음극의 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다.
리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬코발트 산화물(LiCoO2), 리튬니켈 산화물(LiNiO2), 리튬망간 산화물(LiMnO2) 등의 리튬함유 금속산화물을 사용하고 있으며, 리튬 이차 전지의 음극 활물질로는 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용하였으나, 리튬 금속을 사용할 경우 덴드라이트(dendrite)의 형성으로 인한 전지 단락에 의해 폭발 위험성이 있어서 리튬 금속 대신 비정질 탄소 또는 결정질 탄소 등의 탄소계 물질로 대체되어 가고 있다. 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
도 1은 종래의 리튬 이차 전지를 나타낸 분리 사시도이다.
도 1을 참조하면, 리튬 이차 전지는 양극판(13), 음극판(15) 및 세퍼레이터(14)로 구성되는 전극조립체(12)를 전해액과 함께 캔(10)에 수납하고, 이 캔(10)의 상단부를 캡조립체(20)로 밀봉함으로써 형성된다. 상기 캡조립체(20)는 상기 캔(10)의 상부에 결합되는 캡플레이트(40)와, 상기 캡플레이트(40)의 단자통공(41)에 삽입되는 전극단자(30)와, 상기 캡플레이트(40)의 아랫면에 설치되는 절연플레이트(50)와, 상기 절연플레이트(50)의 아랫면에 설치되어서 상기 전극단자(30)와 통전되는 터미널플레이트(60)를 포함하여 구성된다. 상기 캡조립체(20)는 상기 전극조립체(12)의 상부에 설치되는 별도의 절연케이스(70)에 의하여 상기 전극조립체(12)와 절연되면서 상기 캔(10)의 상단개구부에 결합되어 캔(10)을 밀봉하게 된다.
상기 캡플레이트(40)의 중앙에 형성되어 있는 상기 단자통공(41)에는 전극단자(30)가 삽입된다. 상기 전극단자(30)가 단자통공(41)에 삽입될 때는 전극단자(30)와 캡플레이트(40)의 절연을 위하여 전극단자(30)의 외면에 튜브형 개스킷(35)이 결합되어 함께 삽입된다. 상기 캡조립체(20)가 상기 캔(10)의 상단부에 조립된 후 전해액주입공(42)을 통하여 전해액이 주입되고 상기 전해액주입공(42)은 마개(43)에 의하여 밀폐된다.
상기 전극단자(30)는 상기 터미널플레이트(60)를 통하여 상기 제2 전극(15)의 제2 전극탭(17) 및 상기 제1 전극(13)의 제1 전극탭(16)중 하나, 예를 들면 제2 전극탭(17)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 제1 전극탭(16) 및 제2 전극탭(17)이 전극조립체(12)로부터 인출되는 부분에는 전극(13, 15)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다. 상기 전극단자(30)에 전기적으로 연결되지 않은 전극탭, 예를 들면 제1 전극탭(16)은 상기 캡플레이트(40)의 하면에 연결된다. 상기와 같이 조립된 리튬 이차 전지에서 상기 제1 전극이 양극을 이루고 상기 제2 전극이 음극을 이루는 경우 상기 전극단자(30)가 음극으로 작용하게 되고 상기 전극단자(30)를 제외한 캡플레이트(40) 및 캔(10)이 양극으로 작용하게 된다.
이러한 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 전극조립체(12)를 이루는 전극판들(13, 15)은 전극 활물질을 담지할 뿐만 아니라 전류가 이동되는 통로로 작용한다. 상기 전극조립체(12)는 전극판들(13, 15) 사이에 세퍼레이터(14)를 개재하여 젤리롤(jelly-roll)형으로 권취하여 제조되는데, 양산성 및 비용 측면에서 유리하지만, 전극판의 길이방향의 저항을 일정 수준 이하로 낮추는 것이 곤란하여 이차 전지의 낮은 내부 저항화에 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 각각 전극탭이 접합되어 있는 각 2개 이상의 양극판 및 음극판으로 이루어진 전극조립체를 포함함으로써 전지의 내부 저항을 감소시켜 충방전 효율이 향상되고 급속 충방전이 가능한 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 리튬 이차 전지는 각각 2개 이상의 양극판과 음극판과, 각 전극판들 사이에 개재된 세퍼레이터 및 상기 양극판들 및 음극판들에 각각 접합되어 있는 제1 전극탭들 및 제2 전극탭들을 구비하는 전극조립체를 포함한다.
또한, 상기 전극조립체는 상기 세퍼레이터를 개재시켜 상기 양극판 및 상기 음극판을 교대로 적층하여 권취함으로써 형성될 수 있다.
상기 제1 전극탭들은 서로 병렬 연결될 수 있으며, 상기 제2 전극탭들도 서로 병렬 연결될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 전극조립체의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다. 도 3 및 4는 본 발명에 따른 전극조립체의 다른 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 전극조립체는 각각 2개 이상의 양극판(113a, 113b)과 음극판(115a, 115b)과 그 사이에 세퍼레이터(미도시)를 개재하여 이들을 젤리롤(jelly-roll) 형태로 권취하여 형성된다.
바람직하게는, 상기 전극조립체는 세퍼레이터(미도시)를 개재시켜 양극판(113a, 113b) 및 음극판(115a, 115b)을 교대로 적층한 후 권취될 수 있다.
상기 세퍼레이터(미도시)는 양극판(113a, 113b)과 음극판(115a, 115b)을 분리시켜 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하기 위한 것으로서, 예를 들면 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포와 같은 것들이 사용될 수 있다.
상기 양극판(113a, 113b)의 적어도 일면에 전극 활물질(122a, 122b)이 도포되어 있으며, 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 상기 양극판(113a, 113b)의 무지부(uncoated area)에 제1 전극탭(116a, 116b)이 각각 접합되어 있다.
또한, 음극판(115a, 115b)의 적어도 일면에 전극 활물질(120a,120b)이 도포되어 있으며, 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 상기 음극판(120a,120b)의 무지부에 제2 전극탭(117a, 117b)이 각각 접합되어 있다.
상기 양극판(113a, 113b) 또는 음극판(115a, 115b)은 양극판 또는 음극판으로 작용할 수 있다.
상기 양극판(113a, 113b) 또는 음극판(115a, 115b)이 양극판으로 작용하는 경우, 상기 양극판으로는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다.
상기 양극판(113a, 113b) 또는 음극판(115a, 115b)이 음극판으로 작용하는 경우, 상기 음극판으로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 구리 또는 구리 합금이 바람직하다.
상기 양극판(113a, 113b) 또는 음극판(115a, 115b)에 도포되는 전극 활물질(120a, 120b; 122a, 122b)은 양극 활물질 또는 음극활물질이 도포될 수 있다.
상기 양극 활물질로는 통상적으로 리튬함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물을 모두 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi1-x-yCoxMyO 2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 제1 전극탭(116a, 116b) 및 상기 제2 전극탭(117a, 117b)은 각각 양극판(113a, 113b) 및 음극판(115a, 115b)의 무지부에 전기적으로 연결되어 있으며, 이를 위하여 상기 양극판(113a, 113b) 및 음극판(115a, 115b)의 무지부에 대하여 점용접(spot welding), 레이저용접, 초음파용접과 같은 용접이나, 도전성 접착제에 의하여 통전가능하도록 부착되어 있다. 상기 도전성 접착제로는 접착력이 우수한 에폭시수지, 아크릴수지, 변성 우레탄수지 등의 합성수지와 합성고무에 도전성이 우수한 은, 니켈 등 금속가루와 카본을 균일하게 혼합 분산시킨 도전성 페이스트가 사용될 수 있다.
복수개의 양극판(113a, 113b)에 각각 접합되어 있는 제1 전극탭(116a, 116b)은 서로 병렬 연결될 수 있으며, 복수개의 음극판(115a, 115b)에 각각 접합되어 있는 제2 전극탭(117a, 117b)도 서로 병렬 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 전극조립체와 같이 극성을 달리하는 전극판을 각각 적어도 2매 이상 구비하고 각 전극판에 전극탭을 각각 접합시키고 이들을 병렬 구조로 연결함으로써 각 전극의 저항 값이 하기의 식(1)과 같은 병렬 저항 값을 가지게 되므로 이차 전지의 내부 저항이 감소된다.
1/R = 1/R1 + 1/R2 +···+ 1/Rn (1)
상기 식에서 n은 전극탭의 갯수를 나타낸다.
또한 본 발명에 따른 전극조립체는 각 2매 이상의 양극판과 음극판을 사용하되, 2매 이상의 양극판과 음극판을 전극탭에 의해 병렬연결함으로써 기존의 동일 용량의 양극판 및 음극판에 비하여 각각의 전극판의 길이방향의 길이를 1/2 이상 감소시킬 수 있다. 일반적으로 전기저항은 하기 식(2)와 같이 도체길이에 비례하므로, 본 발명에 따른 전극조립체를 이루는 전극판들은 길이방향의 길이를 감소시킬 수 있으므로, 각 전극판들에서 전기저항이 감소될 수 있다.
Figure 112004056041891-pat00001
(2)
상기 식에서, R은 도체저항(Ω), ρ는 저항률, L은 도체길이(m), S는 단면적(m2)을 나타낸다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 복수개의 양극판(113a, 113b)에 각각 접합되어 있는 제1 전극탭(116a, 116b)은 별도의 도전성 연결부(124)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 연결부(124)에 단자 접속을 위한 전극탭(116c)을 별도로 부착하여 인출할 수 있다. 상기 도전성 연결부(124) 및 단자 접속을 위한 별도의 전극탭(116c)도 점용접, 레이저용접, 초음파용접과 같은 용접이나, 도전성 접착제에 의하여 통전가능하게 부착될 수 있다.
또한 상기 음극판(115a, 115b)에 각각 접합되어 있는 제2 전극탭(117a, 117b)도 별도의 도전성 연결부(125)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 연결부(125)에도 단자 접속을 위한 전극탭(117c)을 별도도 부착하여 인출할 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 별도의 도전성 연결부를 상기 전극탭에 부착하는 대신에 상기 제1 전극탭(216a, 216b) 중 하나(216a)를 절곡하여 다른 제1 전극탭(216b)에 용접한 후 단자 접속을 위한 별도의 전극탭(216c)을 부착하여 인출할 수 있다. 또한, 상기 제2 전극탭(217a, 217b) 중 하나(217a)를 절곡하여 다른 제2 전극탭(217b)에 용접한 후 단자 접속을 위한 별도의 전극탭(217c)을 부착하여 인출할 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 별도의 도전성 연결부를 상기 전극탭에 부착하는 대신에 상기 제1 전극탭(316a, 316b) 중 하나(316a)를 절곡하여 다른 제1 전극탭(316b)에 용접한 후 상기 용접된 제1 전극탭(316b)을 단자 접속을 위한 전극탭으로 인출하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 제2 전극탭(317a, 317b) 중 하나(317a)를 절곡하여 다른 제1 전극탭(317a)에 용접한 후 상기 용접된 제1 전극탭(317b)을 단자 접속을 위한 전극탭으로 인출하여 사용할 수 있다. 도 4에 도시된 실시예에서는 별도의 도전성 연결부와 단자 접속을 위한 전극탭이 필요하지 않으므로 작업 공정이 보다 간소화될 수 있다.
상술한 실시예들에 의한 본원 발명의 리튬 이차 전지의 임피던스 개선 효과를 실험적으로 아래의 표 1에서 알 수 있다.
[표 1]
(용량 2.6mAh, Φ18*65mmL) (단위:mΩ)
실험 횟수 종래 기술 (전극판 양,음극 각 1매:폭 58mm, 길이 600mm) 본원 발명 (전극판 양,음극 각 2매: 폭 58mm, 길이 300mm)
1 58 45
2 57 44
3 57 45
4 58 44
5 57 44

이처럼 양,음극판의 길이가 감소됨으로써 권취기(Winding Machine)의 택 타임(Tact time)을 단축하는 효과도 있다.
상술한 바와 같이 각각 전극탭이 접합되어 있는 각 2개 이상의 양극판 및 음극판으로 이루어진 전극조립체를 포함하는 본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 전지의 내부 저항이 감소되어 충방전 효율이 향상되고 급속 충방전이 가능하다.
본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 각각 2개 이상의 양극판과 음극판과, 각 전극판들 사이에 개재된 세퍼레이터 및; 상기 양극판들 및 음극판들에 각각 접합되어 있는 제1 전극탭들 및 제2 전극탭들을 구비하는 전극조립체를 포함하고,
    상기 전극조립체는 상기 세퍼레이터를 개재시켜 상기 양극판 및 상기 음극판을 교대로 적층하여 권취하며, 상기 복수개의 제1 전극탭들은 서로 병렬 연결되고, 상기 복수개의 제2 전극탭들은 서로 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극탭들의 연결부에서 단자 접속을 위한 전극탭이 인출되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 단자 접속을 위한 전극탭은 상기 제1 전극탭들의 연결부에 별도로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극탭들의 연결부에서 단자 접속을 위한 전극탭이 인출되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 단자 접속을 위한 전극탭은 상기 제2 전극탭들의 연결부에 별도로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극탭들은 점용접, 레이저용접 또는 초음파용접에 의하여 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극탭들은 도전성 접착제를 사용하여 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 도전성 접착제는 은 또는 니켈 페이스트인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극탭들은 니켈, 니켈 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극판은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극판은 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극판의 매수가 증가할 수록 전극판의 길이방향 길이가 감소되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
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