KR101699861B1 - Secondary Battery with Electrode Tab Having Low Resistance - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액을 함침한 상태로 전지케이스에 내장되어있는 구조의 이차전지로서, 상기 전극조립체의 음극은 적어도 하나이상의 음극 탭을 경유하여 전지케이스의 내면 하단에 용접되어있고, 상기 음극 탭의 재질은 Ni 또는 Cu-Ni 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.The present invention relates to a secondary battery having a structure in which an electrode assembly having a positive electrode / separator / negative electrode structure is embedded in a battery case with an electrolyte impregnated therein, wherein the negative electrode of the electrode assembly is connected to the inner bottom surface And the material of the negative electrode tab is made of Ni or a Cu-Ni alloy.
Description
본 발명은 낮은 저항의 전극 탭을 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery including a low-resistance electrode tab.
최근 수요가 증가하고 있는 이차전지는, 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중, 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.BACKGROUND ART [0002] A secondary battery, whose demand is increasing recently, includes a cylindrical battery and a prismatic battery in which an electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can, and an electrode assembly is embedded in a pouch-shaped case of an aluminum laminate sheet Type batteries. Among them, the cylindrical battery has an advantage that it is relatively large in capacity and structurally stable.
전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중, 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.The electrode assembly incorporated in the battery case is a charge / dischargeable power generating element formed of a laminate structure of a positive electrode / separator / negative electrode. The electrode assembly is composed of a jelly-roll type in which a separator is interposed between a positive electrode and a negative electrode coated with an active material, Sized positive and negative electrodes are stacked in a stacked state in a state in which a separator is interposed therebetween. Among them, the jelly-roll type electrode assembly has an advantage of being easy to manufacture and having a high energy density per weight.
이와 관련하여, 도 1에는 종래의 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.In this connection, FIG. 1 schematically shows a vertical cross-sectional perspective view of a conventional cylindrical battery.
도 1을 참조하면, 원통형 전지(100)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 원통형 캔(130)에 수납하고, 원통형 캔(130) 내에 전해액을 주입한 후, 원통형 캔(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(140)을 결합하여 제작한다.1, a
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.The
그러나, 최근 이차전지의 고성능화가 요구됨에 따라 발열의 문제가 심각하게 대두되고 있다.However, in recent years, as the performance of the secondary battery is required, the problem of heat generation is becoming serious.
이차전지에서의 발열은 양극 활물질과 전해액의 분해반응 등을 초래하고, 그로 인해 다수의 부반응들이 급속히 진행되며, 급기야는 전지의 발화 및 폭발이 유발되기도 한다.The heat generated in the secondary battery causes a decomposition reaction of the cathode active material and the electrolytic solution, so that a large number of side reactions proceed rapidly, and the battery is ignited and exploded.
이러한 발명 현상은 충방전 과정에서 전류가 밀집되는 전극 탭에서 크고, 특히 음극 탭에서 심각한 것으로 확인되었다.Such an inventive phenomenon was found to be large in the electrode tab in which the current is concentrated in the charging and discharging process, and was found to be serious particularly in the negative electrode tab.
종래의 음극 탭의 경우에 니켈과 같은 단일 재질을 사용하고, 상기 단일 재질을 사용하는 음극 탭은 단일의 크기를 가지고 있다. 발열 문제를 해결하기 위해 음극 탭으로서 니켈보다 상대적으로 저항이 작은 구리와 같은 소재를 도금하는 방법 등을 고려할 수 있지만, 이 경우에 음극 탭과 전지케이스 사이의 용접 결합력이 낮아 외부 충격에 의한 단락 등으로 제품의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.In the case of the conventional negative electrode tab, a single material such as nickel is used, and the negative electrode tab using the single material has a single size. In order to solve the heat generation problem, a method of plating a material such as copper having a relatively lower resistance than nickel as an anode tab may be considered. In this case, however, the welding force between the anode tab and the battery case is low, The reliability of the product is deteriorated.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need for a technology that can fundamentally solve these problems.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the prior art and the technical problems required from the past.
본 발명자들은 전극조립체의 각각의 극판에 활물질이 도포되어 있지 않은 부위에 부착된 전극 탭들 중에서 일측 단부가 전지케이스에 부착되는 음극 탭이 Cu-Ni 합금으로 이루어진 경우, 이차전지의 저항 및 발열을 감소시킬 수 있음은 물론, 음극 탭과 전지케이스 및 음극 탭들 사이의 결합력을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present invention have found that when the negative electrode tab having one end portion attached to the battery case is made of a Cu-Ni alloy, the resistance and the heat generation of the secondary battery are reduced when the active material is not applied to each electrode plate of the electrode assembly It is possible to improve the bonding force between the negative electrode tab and the battery case and the negative electrode tab, thereby completing the present invention.
본 발명에 따른 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액을 함침한 상태로 전지케이스에 내장되어있는 구조의 이차전지로서, 상기 전극조립체의 음극은 적어도 하나 이상의 음극 탭을 경유하여 전지케이스의 내면 하단에 용접되어 있고, 상기 음극 탭의 재질은 Ni 또는 Cu-Ni 합금으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The secondary battery according to the present invention is a secondary battery having a structure in which an electrode assembly having a positive electrode / separator / negative electrode structure is embedded in a battery case with an electrolyte impregnated therein. The negative electrode of the electrode assembly is connected to a battery And the material of the negative electrode tab is made of Ni or a Cu-Ni alloy.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 음극 탭이 Cu-Ni 합금으로 이루어져 있어서, 니켈 소재의 음극 탭에 비해 상대적으로 전도성이 향상되어, 동일 면적 및 동일 길이를 기준으로 음극 탭의 저항을 감소시킴으로써, 이차전지의 사용 중에 음극 탭에서 발생하는 발열을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 저항 감소에 따라, 이차전지에 흐르는 전류의 손실을 방지하고, 이에 따른 이차전지의 작동 효율 향상의 효과를 발휘할 수 있다. 더욱이, 이러한 발열 억제 효과 이외에, 전지의 해당 부위들에 대해 소망하는 수준의 용접성을 제공할 수 있다.Accordingly, since the negative electrode tab of the secondary battery according to the present invention is made of the Cu-Ni alloy, the conductivity of the negative electrode tab is relatively improved as compared with the negative electrode tab of the nickel material. By reducing the resistance of the negative electrode tab, It is possible to reduce the heat generated in the negative electrode tab during use of the secondary battery, thereby improving the safety. Further, according to the decrease of the resistance, it is possible to prevent the loss of the current flowing through the secondary battery and to improve the operating efficiency of the secondary battery. Furthermore, in addition to this exothermic suppression effect, it is possible to provide the desired level of weldability to the corresponding regions of the cell.
상기 전지 케이스는 형상에 따라 원통형 캔 또는 각형 캔일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.The battery case may be a cylindrical can or a square can depending on its shape, but is not limited thereto.
상기 전극조립체는, 하나의 구체적인 예에서, 긴 시트형 금속 호일의 양면에 전극 활물질을 도포하여 제조된 양극과 음극을 그 사이에 분리막을 개재한 상태에서 둥글게 권취한 구조로 이루어진 젤리-롤형 구조로 이루어질 수 있다. In one specific example, the electrode assembly is made of a jelly-roll type structure having a structure in which an anode active material coated on both sides of a long sheet-type metal foil and a cathode are wound roundly with a separator interposed therebetween .
하나의 구체적인 예에서, 상기 Cu-Ni 합금으로 이루어진 음극 탭에서, Cu 함량은 합금 전체 중량을 기준으로 80 내지 99%일 수 있다. 따라서, 상대적으로 저비용의 Cu를 사용함으로써, 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.In one specific example, in the negative electrode tab made of the Cu-Ni alloy, the Cu content may be 80 to 99% based on the total weight of the alloy. Therefore, the use of relatively low-cost Cu can significantly reduce the manufacturing cost.
이 경우, 상기 음극 탭들은 Ni 소재의 음극 탭 및 Cu-Ni 소재의 음극 탭의 적층 구조일 수 있으며, 구체적인 예에서, 상기 음극 탭들은 Cu-Ni 소재의 음극 탭 및 Ni 소재의 음극 탭이 전지 케이스의 내면 하단으로부터 순차적으로 적층되어 있는 구조일 수 있다.In this case, the negative electrode taps may be a stacked structure of a negative electrode tab of a Ni material and a negative electrode tab of a Cu-Ni material. In a specific example, the negative electrode taps may include a negative electrode tab of a Cu- And may be a structure that is sequentially stacked from the inner bottom of the case.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 Cu-Ni 소재의 음극 탭은 Cu층이 개재된 상태에서 최상단과 최하단이 Ni층으로 구성되는 구조일 수 있다.In another specific example, the negative electrode tab of the Cu-Ni material may be a structure in which the uppermost layer and the lowermost layer are composed of an Ni layer in a state where a Cu layer is interposed.
하나의 구체적인 예에서, 상기 음극 탭은 전지케이스의 내면 하단에 부착되어 있는 구조일 수 있다.In one specific example, the negative electrode tab may have a structure attached to the inner bottom surface of the battery case.
예를 들어, 음극의 권취 시작부는 음극 무지부를 포함하지 않고, 음극 권취 종료부에만 음극 탭의 부착을 위한 음극 무지부를 포함할 수 있는 바, 음극 탭은 상기 음극 무지부와 전지 케이스의 내면 하단에 각각 용접 방식으로 결합되는 구조일 수 있다.For example, the winding start portion of the negative electrode may include a negative electrode uncoated portion for attaching the negative electrode tab only to the negative electrode winding end portion, not including the negative electrode uncoated portion, and the negative electrode tab may be formed at the lower end of the inner surface of the battery case And may be a structure in which they are welded together.
상기 용접 방식은 음극 탭 및 이차전지를 구성하는 성분들의 물리적 특성을 변화시키지 않으면서 상기 음극 탭을 견고하게 부착할 수 있는 방식이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는, 아크 용접, 저항 용접 또는 초음파 용접 등의 방식에서 선택될 수 있다.The welding method is not particularly limited as long as the method can firmly attach the negative electrode tab without changing the physical characteristics of components constituting the negative electrode tab and the secondary battery. Preferably, the welding method is arc welding, resistance welding, Welding or the like.
하나의 구체적인 예에서, 상기 음극 탭은 초음파 용접에 의해 상기 전극조립체의 극판에 부착되어 있고, 일측 단부는 저항 용접에 의해 전지케이스의 내면에 부착되어 있을 수 있다. In one specific example, the negative electrode tab is attached to the electrode plate of the electrode assembly by ultrasonic welding, and one end may be attached to the inner surface of the battery case by resistance welding.
본 발명에 따른 이차전지의 음극 탭은 이러한 이종의 용접 방식들에 대해서도 각각 우수한 용접성을 제공한다.The negative electrode tab of the secondary battery according to the present invention also provides excellent weldability for these different types of welding methods.
상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있으며, 이러한 리튬 이차전지를 구성하는 요소들과 이들의 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.The secondary battery may be a lithium secondary battery, and the elements constituting the lithium secondary battery and the manufacturing method thereof are well known in the art, so a detailed description thereof will be omitted herein.
본 발명은 또한, 상기 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.The present invention also provides a battery pack including the lithium secondary battery as a unit battery and a device including the battery pack as a power source.
구체적으로, 상기 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 바람직한 예로는 모바일 전자기기, 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Specifically, the battery pack may be used as a power source for devices requiring high-temperature safety, long cycle characteristics, and high rate characteristics. Examples of such devices include mobile electronic devices, power tools that are powered by a battery- a power tool; An electric vehicle including an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), and the like; An electric motorcycle including an electric bike (E-bike) and an electric scooter (E-scooter); An electric golf cart; And a power storage system, but the present invention is not limited thereto.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.The structure of these devices and their fabrication methods are well known in the art, and a detailed description thereof will be omitted herein.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전극 탭들 중에서 일측 단부가 전지케이스에 부착되는 음극 탭이 Cu-Ni 합금으로 이루어져 있어서, 상대적으로 우수한 전도성에 의해 음극 탭에서 발생하는 발열을 크게 감소시킬 수 있어서, 이에 따른 이차전지의 내부 저항을 최소화하여 안전성을 향상시킬 수 있고, 용접 신뢰성 향상 및 전류의 손실을 방지하여 이차전지의 작동 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, in the secondary battery according to the present invention, the negative electrode tab having one end of the electrode tabs attached to the battery case is made of a Cu-Ni alloy, so that the heat generated in the negative electrode tab is largely reduced Therefore, the internal resistance of the secondary battery can be minimized to improve safety, and welding reliability and current loss can be prevented, thereby improving the operating efficiency of the secondary battery.
도 1은 종래의 원통형 전지셀의 수직 단면도에 대한 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 음극에 대한 부분 모식도이다;
도 3은 도 2의 전극조립체를 포함하는 원통형 전지셀의 저면에 대한 사진이다;1 is a schematic view of a vertical cross-sectional view of a conventional cylindrical battery cell;
2 is a partial schematic view of a negative electrode of an electrode assembly according to one embodiment of the present invention;
3 is a photograph of a bottom surface of a cylindrical battery cell including the electrode assembly of FIG. 2;
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited by the scope of the present invention.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 음극에 대한 부분 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전극조립체를 포함하는 원통형 전지셀의 저면에 대한 사진이다.FIG. 2 is a partial schematic view of a negative electrode of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a photograph of a bottom of a cylindrical battery cell including the electrode assembly of FIG.
도 2 및 도 3을 참조하면, 원통형 전지셀은 전극조립체를 권취한 구조의 젤리-롤형 전극조립체(100)가 전지케이스(200)에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.2 and 3, the cylindrical battery cell has a structure in which a jelly-roll
원통형 전지셀(300)은 전극조립체(100)를 이루는 음극의 무지부에 한 쌍의 음극 탭들(101, 102)의 일측 단부가 초음파 용접에 의해 부착되어 있으며, 타측 단부가 저항 용접(150)에 의해 전지케이스(200)의 내면 하단에 겹쳐진 상태로 부착된 구조로 이루어져 있다. In the
한 쌍의 음극 탭들(101, 102) 중 음극 탭(101)은 니켈(Ni)로 형성되어 있고 음극 탭(102)는 구리-니켈(Cu-Ni) 합금으로 이루어져 있다. 이러한 음극 탭(101, 102)들 중 음극 탭(102)과 음극 탭(101)이 전지 케이스(200)의 내면 하단으로부터 순차적으로 적층되어 있다. Of the pair of negative electrode taps 101 and 102, the
따라서, 니켈(Ni)로만 이루어진 음극 탭에 비해 상대적으로 전도율이 향상되어 내부 저항과 발열을 감소시키면서도, 동종간의 용접으로 소망하는 수준의 용접성을 제공할 수 있다.
Therefore, the conductivity is relatively improved as compared with the negative electrode tab made of nickel (Ni), and the desired level of weldability can be provided by welding of the same type while reducing internal resistance and heat generation.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
Claims (12)
상기 전극조립체는 양극 시트와 음극 시트가 분리막이 개재된 상태에서 권취되어 있는 구조의 젤리-롤이고,
상기 전극조립체의 음극은 Ni 소재의 제 1 음극 탭과 Cu-Ni 소재의 제 2 음극 탭을 경유하여 전지케이스의 내면 하단에 용접되어 있으며,
상기 제 1 음극 탭과 제 2 음극 탭의 일측 단부는 음극의 무지부에 각각 부착되어 있으며, 타측 단부는 용접에 의해 제 2 음극 탭과 제 1 음극 탭이 전지케이스의 내면 하단으로부터 순차적으로 겹쳐진 상태로 부착되어 적층 구조로 용접되어 있고, 제 2 음극 탭은 Cu층이 개재된 상태에서 최상단과 최하단이 각각 Ni층으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.A secondary battery having a structure in which an electrode assembly having a positive electrode / separator / negative electrode structure is embedded in a battery case with an electrolyte impregnated therein,
The electrode assembly is a jelly-roll having a structure in which a positive electrode sheet and a negative electrode sheet are wound with a separator interposed therebetween,
The negative electrode of the electrode assembly is welded to the lower surface of the inner surface of the battery case via a first negative electrode tab made of Ni material and a second negative electrode tab made of Cu-Ni material,
The other end of the first negative electrode tab and the second negative electrode tab are attached to the uncoated portion of the negative electrode and the other end of the negative electrode tab and the first negative electrode tab are sequentially welded to each other from the inner bottom surface of the battery case And the second negative electrode tab is composed of a Ni layer at the uppermost end and the lowest end in the state that the Cu layer is interposed therebetween.
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