KR101001325B1 - 무지부에 탄성부재가 부착된 구조의 젤리-롤 및 이를포함하고 있는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리막이 개재된 상태에서 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하거나 또는 권취 후 일측 방향으로 압축한 구조의 권취형 전극조립체('젤리-롤')로서, 권취 단부에는 무지부가 형성되어 있고, 무지부를 포함한 젤리-롤의 권취 외면을 감싸도록 도전성 테이프가 부착되어 있으며, 상기 무지부의 내측면에는 활물질층의 높이를 기준으로 50 내지 200% 크기의 두께를 가진 탄성부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.

Description

무지부에 탄성부재가 부착된 구조의 젤리-롤 및 이를 포함하고 있는 이차전지 {Jelly-Roll of Structure Having Elastic Member Adhered on Active Material-non-coated Portion and Secondary Battery Employed with the Same}

본 발명은 분리막이 개재된 상태에서 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하거나 또는 권취 후 일측 방향으로 압축한 구조의 권취형 전극조립체('젤리-롤')로서, 권취 단부에는 무지부가 형성되어 있고, 무지부를 포함한 젤리-롤의 권취 외면을 감싸도록 도전성 테이프가 부착되어 있으며, 상기 무지부의 내측면에는 소정 두께의 탄성부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤, 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 젤리-롤이 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 또는 각형 전지와, 젤리-롤이 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 폴딩형 전극조립체(젤리-롤)과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 전극조립체로 분류된다. 그 중, 젤리-롤은 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

도 1에는 종래의 대표적인 원통형 리튬 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 이차전지(10)는 원통형 캔(20), 캔(20)의 내부에 수용되는 전극조립체(30), 및 캔(20)의 상부에 결합되는 캡 어셈블리(40)로 구성되어 있다.

전극조립체(30)는 양극(31)과 음극(32) 사이에 분리막(33)을 개재한 상태로 젤리-롤형으로 감은 구조로 되어 있으며, 양극(31)에는 양극 리드(34)가 부착되어 캡 어셈블리(40)에 접속되어 있고, 음극(32)에는 음극 리드(도시하지 않음)가 부착되어 캔(20)의 하단에 접속되어 있다.

캡 어셈블리(40)는 양극 단자를 형성하는 상단 캡(41), 전지 내부의 온도 상승 시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(42), 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 안전벤트(43), 특정 부분을 제외하고 안전벤트(43)를 캡 플레이트(45)로부터 전기적으로 분리시키는 가스켓(44), 양극(31)에 연결된 양극 단자(34)가 접속되어 있는 캡 플레이트(45)가 순차적으로 적층되어 있는 구조로 되어 있다.

한편, 젤리-롤형 전극조립체는 음극이 최외각 전극층을 구성하도록 권취한 후 외면에 풀림을 방지하기 위한 보호(seal) 테이프를 부착하여 금속 캔에 삽입된다.

일반적으로, 젤리-롤형 전극조립체를 금속 캔에 장착하여 전지를 구성할 때에는 전극조립체의 음극 집전체에 음극 리드를 용접하고 이를 다시 금속 캔에 용접하게 된다. 그러나, 이 경우에 몇 가지 문제점이 발생하는 바, 첫째, 순차적으로 균일한 접촉면을 형성하고 있는 양극 집전체와 음극 집전체 사이에 리드가 부가됨으로써, 적어도 리드가 부착된 음극 집전체 부위는 굴곡지게 되며, 이러한 부위는 전지의 계속적인 충방전에 의해 팽창과 수축을 반복할 때 변형을 유발하게 되고(J/R twist), 둘째, 전극조립체와 금속 캔 사이에 전극리드가 위치될 공간이 필요하므로, 동일 용량 대비로 전지의 크기가 커지는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 상기 문제점들을 해결하기 위하여, 일본 특허출원 공개 제2001-196090호에는 젤리-롤형 전극조립체의 보호 테이프를 도전성 테이프로 구성하여 금속 캔과의 직접 접속을 수행하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술은 전지의 계속적인 충방전 과정에서 부피의 팽창 및 수축이 반복됨에 따라, 도전성 테이프와 캔의 접촉부위에서 도전성 테이프가 캔으로부터 떨어지면서 단전이 일어날 수 있는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 캔의 내경에 거의 대응하는 크기로 젤리-롤형 전극조립체를 구성하는 경우, 전지케이스에 삽입시 외곽부 분리막 및 전극이 손상될 가능성이 높아지는 단점을 가지고 있다.

따라서, 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 이차전지의 조립 과정에서 젤리-롤의 풀림을 방지하면서, 계속적인 충방전에 의해 젤리-롤의 팽창과 수축이 반복될 때, 도전성 테이프와 금속 캔의 안정적인 접속 상태를 유지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 풀림 방지용 보호 테이프로서 도전성 테이프를 사용하는 기술에서, 무지부의 내면에 소정 크기의 탄성부재를 부착하는 경우, 반복적인 충방전에 의한 팽창과 수축에도 불구하고, 금속 캔에 대한 안정적인 전기적 접속 상태를 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 젤리-롤은, 분리막이 개재된 상태에서 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하거나 또는 권취 후 일측 방향으로 압축한 구조의 권취형 전극조립체('젤리-롤')로서, 권취 단부에는 무지부가 형성되어 있고, 무지부를 포함한 젤리-롤의 권취 외면을 감싸도록 도전성 테이프가 부착되어 있으며, 상기 무지부의 내측면에는 활물질층의 높이를 기준으로 50 내지 200% 크기의 두께를 가진 탄성부재가 부착되어 있는 것으로 구성되어 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 젤리-롤에서, 상기 무지부는 분리막을 개재한 상태로 권취되어 있는 양극과 음극에서 그것의 권취 단부에 활물질이 도포되지 않은 부위이며, 도전성 테이프는 권취 단부에 형성된 상기 무지부의 외측면을 감싸면서, 젤리-롤의 대응 외면에 부착된다.

즉, 도전성 테이프가 젤리-롤의 외주면을 따라 그것의 양 단부 중 한쪽 단부는 전극 시트의 무지부에, 나머지 단부는 젤리-롤의 외면에 부착되면서, 젤리-롤의 풀림을 방지하게 된다. 또한, 도전성 테이프는 전극 시트와 전지케이스의 전기적 접속을 제공한다.

도전성 테이프가 전극의 외면에 부착되어 나타내는 접착력에 비해, 도전성 테이프의 단부가 상호 중첩되면서 결합되었을 때의 접착력이 훨씬 크므로, 그러한 접착력의 차이만큼 우수한 풀림 방지 특성을 발휘할 수 있다.

더욱이, 무지부의 내측면에 소정 두께의 탄성부재가 부착되어 있어서, 무지부를 전극조립체의 중심으로부터 전지케이스(예를 들어, 금속 캔)의 방향으로 밀어 줌으로써, 전지셀의 충방전시 젤리-롤의 부피 변화에 따라 도전성 테이프가 전지케이스 내면으로부터 떨어지는 현상을 방지할 수 있다.

도전성 테이프가 부착되는 최외측 전극 시트는 양극일 수도 있고 음극일 수 도 있다. 일반적으로, 원통형 전지에서는 젤리-롤의 최외측에 음극이 위치하도록 형성되고, 각형 전지에서는 최외측에 양극이 위치하도록 형성되므로, 이러한 최외측 전극의 구성에 따라 도전성 테이프가 부착되는 전극 시트의 종류가 달라질 수 있다.

상기 탄성부재는 무지부의 내측면에 부착되어 있으므로, 그러한 구조에 의해 두께가 증가하는 것을 방지할 수 있도록, 활물질층의 높이를 기준으로 50 내지 200% 크기의 두께, 바람직하게는 90 내지 130% 크기의 두께를 가질 수 있다. 상기 탄성부재의 두께가 활물질층의 높이 대비 50% 이하이면, 젤리-롤 내부의 팽창과 수축에 의해 소정의 탄성력을 확보하기가 어렵고, 200% 이상이면, 그만큼 젤리-롤의 두께가 증가하여 전지케이스에 삽입시 공정성 저하로 인해 젤리-롤이 손상될 수 있다. 다만, 탄성부재가 활물질층보다 두꺼운 경우에도, 탄성부재의 탄성력으로 인해, 전지의 제조과정에서 활물질층의 높이로 가압되면서 전지케이스 내에 장착될 수 있다.

상기 탄성부재와 무지부의 결합은 탄성부재의 일측 단부에 접착제가 도포되어 무지부의 단부에 부착될 수 있으며, 이와는 반대로 무지부의 탄성부재와 결합되는 부위에 접착제를 도포하여 상호간에 부착될 수 있음은 물론이다.

탄성부재의 일측 단부를 접착제에 의해 접착하는 방법에 있어서, 상기 접착제는 전지의 작동에 영향을 미치지 않으면서, 젤리-롤의 권취 상태를 충분히 유지할 수 있는 부착력을 제공하는 다양한 물질들이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 아크릴계 접착제, SBR계 접착제 등이 사용될 수 있다.

이차전지의 충방전시 전극조립체는 팽창 및 수축을 반복하게 된다. 이러한 전극조립체의 변형 정도를 고려할 때, 상기 탄성부재의 높이는 젤리-롤의 폭을 기준으로 70 내지 100% 크기인 것이 바람직하다. 이 경우, 탄성부재의 형상에는 특별한 제한은 없으나, 일 예로 가늘고 긴 직사각형의 형태로 일자로 형성될 수 있다.

상기 탄성부재의 소재는 탄성력을 가지고 있으면 특별한 제한은 없으나, 일 예로, 탄성력이 우수하고 흡습성이 없는 고무로 만들어진 소재가 바람직하다.

경우에 따라서는, 상기 탄성력이 있는 소재는 다공성 소재로 이루어질 수 있으며, 스폰지 또는 스티로폼으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 절연성 소재로 이루어질 수 있다.

일반적으로, 다공성 소재는 개방형 셀(open cell)과 폐쇄형 셀(closed cell)로 구분되며, 스폰지는 개방형 셀의 형태이고 스티로폼은 폐쇄형 셀의 종류에 포함된다. 전해액을 함침하지 않음으로써 더욱 우수한 내구성을 발휘할 수 있는 폐쇄형 셀로 이루어진 다공성 소재가 더욱 바람직하다.

상기 젤리-롤은 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조되어 수평 단면 상으로 원형의 형상을 이룬다. 그리고, 케이스에 맞게 원형의 형상을 조절하기도 하는 바, 각형 전지케이스에 들어가는 젤리-롤은 그것의 측면에 압력을 가하고, 수평 단면에서의 원 형상을 타원 형상으로 만들어 각형 전지케이스에 삽입된다. 따라서, 상기 젤리 -롤의 수평 단면은 바람직하게는 원형 또는 타원형의 형상으로 이루어질 수 있다.

전극 시트의 권취 단부인 무지부에는 도전성 테이프가 부착되어 젤리-롤의 권취를 마감하게 되는 데, 상기 도전성 테이프는 바람직하게는 얇은 금속 호일의 기재에 도전성 접착층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 도전성 접착층은 접착제와 도전성 금속분말로 구성될 수 있다. 일 예로, 상기 금속 호일 기재는 전도도가 양호한 구리로 제조되며, 도전성 금속분말은 니켈, 알루미늄, 구리 등의 분말로 이루어질 수 있다.

이와 같은 도전성 테이프로 젤리-롤의 권취를 마감한 상태에서 젤리-롤을 캔의 내부로 삽입하여 이차전지의 제조를 완료한 후 전지를 충방전하게 되면, 전극 시트의 무지부와 접촉된 도전성 분말로 전류가 흐르게 되고, 이 전류는 금속 호일을 경유하여 캔으로 흐르게 되어 캔은 음극의 성질을 가지게 될 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 도전성 테이프의 양 단부는 젤리-롤의 외주면 길이를 기준으로 5 내지 15%의 크기로 중첩되는 것이 바람직하다. 결합하는 양 단부의 길이가 너무 작으면, 계속적인 충방전 과정에서 부피의 팽창 및 수축이 반복되고, 젤리-롤의 회복력에 의한 내부 응력으로 인해 중첩되는 양 단부가 쉽게 분리되므로, 젤리-롤이 풀릴 수 있다. 반면에, 중첩되어 결합하는 양 단부의 길이가 너무 크면, 그러한 중첩 부위만큼 젤리-롤의 두께가 증가하여 전체적인 전지의 용량이 줄어들 수 있으므로, 바람직하지 않다.

본 발명은 또한 상기의 젤리-롤이 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 이차전지를 제공한다.

상기 전지케이스는, 예를 들어, 각형 또는 원통형의 금속 캔일 수 있으며, 원통형 이차전지는 분리막이 개재된 상태의 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하여, 그 외면을 감싸도록 도전성 테이프가 부착되어 있는 젤리-롤을, 원통형 캔에 삽입한 후 전해액을 함침시키고 캔을 밀봉함으로써 제조할 수 있다.

각형 이차전지는 둥글게 권취한 젤리-롤을 납작하게 압축한 후 각형 캔에 삽입한다는 점을 제외하고는 상기 원통형 이차전지와 동일한 방법으로 제조할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지에 사용된 젤리-롤형 전극조립체의 권취 전의 구조에 대한 모식도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체(100)는 분리막이 개재된 상태에서 양극판(320)의 양면에 양극 활물질(310)을 도포한 양극 시트와 음극판(220)의 양면에 음극 활물질(210)을 도포한 음극 시트를 화살표 방향으로 둥글게 권취함으로써 만들어진다. 양극판(320)의 일측 단부에는 무지부(140)가 형성되어 있고, 양극 단자(510)의 상단부는 무지부(140)의 상부로 일부가 돌출되고 하단부는 무지부(140)에 용접이 되어 있다.

이와는 달리, 음극판(220)의 일측 단부에는 무지부(120)가 형성되어 있고, 도전성 테이프(110)는 무지부(120)의 외측면에 무지부(120)를 감쌀 수 있는 길이로 무지부(120)의 길이 b 보다 a 만큼 길게 형성되어 도전성 접착제에 의해 부착되어 있어서, 양극 시트와는 달리 별도의 음극 단자를 무지부(120)에 용접하지 않고도 캔과의 전기적 접속이 이루어진다.

탄성부재(130)는 무지부(120)의 내측면과 분리막(400) 사이에 부착되어 도전성 테이프(110)와 캔의 결합을 더욱 공고히 하고, 젤리-롤의 폭(L)과 동일한 높이를 가지며 탄성력 있는 소재로 이루어져 있다.

도 3에는 도 2에서 완성된 젤리-롤형 전극조립체의 수평 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체는 그것의 수평 단면이 원형으로 형성되고, 탄성부재(130)는 음극 활물질층(230)의 높이와 대략 동일하거나 그보다 큰 크기의 두께를 가지고 무지부(120)의 내측면에 부착되며, 도전성 테이프(110)는 무지부(120)를 포함한 젤리-롤의 권취 외면을 감싸면서 캔(300)의 내면에 부착되어 있다.

따라서, 도전성 테이프(110)는 전지의 조립 과정 및/또는 충방전 과정에서 젤리-롤의 권취 단부가 풀리는 것을 방지하고, 종래의 음극 단자를 무지부(120)의 외면에 용접하여 캔(300)의 내면과 결합하는 작업을 필요없게 한다.

또한, 탄성부재(130)는 무지부(120)의 내면에 아크릴 접착제 등에 의해 부착되어 있어서, 도전성 테이프(110)와 캔(300)의 전기적 접속을 더욱 더 공고히 해준 다.

도 4에는 도 3에서 A-A' 부위의 수직단면도 중 일부분을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 5에는 젤리-롤 형 전극조립체의 외면에 도전성 테이프가 부착된 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 도전성 테이프(110)는 얇은 금속 호일(111)의 기재에 도전성 금속분말들이 포함되어 있는 접착층(112)으로 구성되고, 젤리-롤형 전극조립체(100)이 권취된 형태를 유지할 수 있도록, 권취 단부 부위에 도전성 테이프(110)를 부착하여 풀림을 방지한다. 이렇게 풀림 방지를 위해 부착되는 도전성 테이프(110)는 젤리-롤형 전극조립체(100)의 적어도 권취 단부(11)를 커버할 수 있는 크기를 가진다. 즉, 젤리-롤형 전극조립체(100)의 높이(H)와 폭(W)보다 작은 크기의 도전성 테이프(110)를 젤리-롤형 전극조립체(100)의 권취 단부(11)에 부착한다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 젤리-롤은 도전성 테이프를 무지부의 외면을 완전히 감싸면서 부착함과 동시에 탄성부재를 무지부의 내면에 소정의 두께로 부착함으로써, 전극단자를 무지부에 용접하는 작업을 필요없게 하고, 계속되는 충방전 과정에서 젤리-롤의 부피의 팽창 및 수축이 반복되어도 전지케이스와의 안정적인 접속 상태를 유지할 수 있다.

도 1은 종래의 원통형 리튬 이차전지 구조에 대한 모식도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지에 사용된 젤리-롤형 전극조립체에 대한 모식도이다;

도 3은 도 2에서 완성된 젤리-롤형 전극조립체의 수직 단면도이다;

도 4는 도 3에서 A-A' 부위의 수직단면도 중 일부분을 나타내는 모식도이다;

도 5는 젤리-롤형 전극조립체의 외면에 도전성 테이프가 부착된 상태를 나타내는 모식도이다.

Claims (13)

1. 분리막이 개재된 상태에서 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하거나 또는 권취 후 일측 방향으로 압축한 구조의 권취형 전극조립체('젤리-롤')로서, 권취 단부에는 무지부가 형성되어 있고, 무지부를 포함한 젤리-롤의 권취외면을 감싸며 양 단부가 젤리-롤의 외주면의 길이를 기준으로 5 내지 15%의 크기로 중첩되어 있는 도전성 테이프가 부착되어 있으며, 상기 무지부의 내측면에는 활물질층의 높이를 기준으로 90 내지 130% 크기의 두께를 가지고, 젤리-롤의 폭을 기준으로 70 내지 100%의 높이를 가진 탄성부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성부재의 일측 단부는 무지부에 접착 방법으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 탄성부재의 일측 단부는 아크릴계 접착제 또는 SBR계 접착제에 의해 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성부재는 탄성력이 있는 소재로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 탄성력이 있는 소재는 고무 또는 다공성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 다공성 소재는 스폰지 또는 스티로폼으로 이루어진 군에서 선택되는 절연성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 젤리-롤의 수평 단면은 원형 또는 타원형의 형상인 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 테이프는 얇은 금속 호일의 기재에 도전성 금속분말들이 포함되어 있는 접착층이 상기 권취 접면과 접하는 면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
11. 삭제
12. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 및 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 젤리-롤이 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 이차전지.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 전지케이스는 원통형 또는 각형의 금속 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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