KR20070078853A - 절연성 코팅의 전극 탭을 포함하고 있는 젤리-롤형이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 이차전지로서, 상기 전극조립체를 구성하는 전극 중 집전체의 단부에 부착되는 전극 탭에 있어서, 상기 전극 탭의 외면에는 집전체 상단의 인접부위에 전기절연성 물질이 코팅되어 있는 이차전지를 제공한다.

이러한 이차전지는 전극 탭에 절연성 필름이 아닌 절연성 물질을 코팅함으로써, 전지의 제조공정을 크게 단축할 수 있어 궁극적으로 전지의 제조비용을 절감할 수 있고, 절연 부위를 보다 넓게 만들어 전지의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 더욱이 이러한 잇점에도 불구하고 해당 부위에 대한 부착을 위한 전극 탭의 절곡시 탈리될 가능성이 매우 낮고, 전극조립체의 크기 증가를 유발하지 않는 효과를 가진다.

Description

절연성 코팅의 전극 탭을 포함하고 있는 젤리-롤형 이차전지 {Jelly-roll Type Secondary Battery Employing Electrode Tab of Insulating Coating}

도 1은 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 종래기술의 각형 전지의 부분 모식도이다;

도 2는 도 1의 전지에서 하나의 전극에 대한 부분 평면도이다;

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 젤리-롤형 전극조립체에서 하나의 전극에 대한 부분 평면도이다.

본 발명은 젤리-롤형 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 이차전지로서, 상기 전극조립체를 구성하는 전극 중 집전체의 단부에 부착되는 전극 탭에 있어서, 상기 전극 탭의 외면에는 집전체 상단의 인접부위에 전기절연성 물질이 코팅되어 있는 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, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지케이스에 내장되는 상기 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 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

젤리-롤형 전극조립체는 주로 원통형 전지와 각형 전지에 사용되는 바, 도 1에는 젤리-롤형 전극조립체를 포함하고 있는 각형 전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 각형 전지(50)는 젤리-롤형 전극조립체(10)를 각형 금속 케이스(20)에 수납하고, 케이스(20) 내에 전해액을 주입한 후, 케이스(20)의 개방 상단에 돌출형 전극단자(예를 들어, 음극단자: 32)가 형성되어 있는 탑 캡(30)을 결합하여 제작한다. 즉, 전극조립체(10)의 음극은 음극 탭(12)을 통해 탑 캡(30) 상의 음극단자(32)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(32)는 절연부재(34)에 의해 탑 캡(30)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 전극조립체(10)의 또다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(14)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(30)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.

또한, 전극 탭들(12, 14)을 제외하고 전극조립체(10)와 탑 캡(30)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 각형 케이스(20)와 전극조립체(10) 사이에 시트형 절연부재(40)를 삽입한 뒤, 탑 캡(30)을 덮고, 탑 캡(30)과 케이스(20)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한다. 그런 다음, 전해액 주입구(36)를 통해 전해액을 주입한 후 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 전지가 제조된다.

전극 탭들(12, 14)이 전극조립체(10)의 양극 및 음극 집전체에 접속되어 있는 자세한 내용은 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2에는 젤리-롤형 전극조립체 중 하나의 전극이 일부 평면도로서 모식적으로 도시되어 있다. 도 2에서는 설명의 편의를 위해 둥글게 권취하기 전의 형상을 나타내었다.

도 2를 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체 제조용 전극(100)은 집전체(알루미늄 호일: 110)의 양면에 활물질(120)이 도포되어 있고 그것의 단부에 상향 돌출한 형태로 전극 탭(200)이 부착되어 있다. 일반적으로, 집전체(110)는 양극의 경우 알루미늄 호일로 이루어져 있고, 음극의 경우 구리 호일로 이루어져 있다. 전극 탭(200)은 집전체(110)보다 상대적으로 두꺼운 두께의 금속 스트립으로 되어 있으며, 집전체(110) 상에 스팟 용접 등으로 강력하게 부착된다.

권취 과정에서 양극인 알루미늄 호일의 단부가 음극인 구리 호일을 손상시키는 것을 방지하기 위하여 그 사이에는 음극 보호테이프(도시하지 않음)가 부착되기도 한다.

집전체(110)로부터 상향 돌출된 전극 탭(200)은 도 1에서와 같이 탑 캡의 돌출단자 또는 탑 캡 자체에 전기적으로 연결되는데, 이러한 연결 과정에서 구조적 안전성을 위해 전극 탭(200)을 완만하게 절곡시킨 상태로 연결을 행한다.

한편, 도 1에서와 같은 구조로 전지를 완성한 상태에서 사용 중에 전극조립체가 움직임으로써 전극 탭(200)이 전극조립체(도 1의 10)의 상단에 접촉되어 단락이 유발되는 것을 방지하기 위하여, 집전체(110)의 상단에 인접한 전극 탭(200) 상에 소정의 크기로 절연 테이프(300)를 부착한다. 그러한 절연 테이프(300)로는 통상 폴리이미드 필름이 사용되며, 도 2에서와 같이 집전체(110) 상단으로부터 아래쪽까지 약간 연장된 길이까지 절연 테이프(300)를 감는 것이 일반적으로 권장되고 있다. 또한, 풀림을 방지하기 위하여 통상 2 ~ 3회 정도 감고 있다.

그러나, 이러한 절연 테이프(300)의 권취 작업은 매우 번잡하고, 더욱이 전극 탭(200)의 절곡시 풀리기 쉬우며, 도 2에서와 같이 집전체(110) 상단으로부터 아래쪽으로 약간 연장된 길이까지 절연 테이프(300)를 감는 경우에는 그러한 부위가 전극조립체의 두께 증가를 유발하는 문제점을 가지고 있다.

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

본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 젤리-롤형 전극조립체에서 집전체의 단부에 결합된 전극 탭 중 집전체와의 인접부위 등에 절연성 필름을 감지 않고 그 대신에 절연성 코팅을 행하는 경우 전지의 제조공정을 크게 단축할 수 있고, 전극조립체의 두께 증가를 유발하지 않으며, 전극 탭의 절곡시에도 변형이 유발되지 않는 등 많은 잇점을 가지는 것을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 이차전지로서, 상기 전극조립체를 구성하는 전극 중 집전체의 단부에 부착되는 전극 탭에 있어서, 상기 전극 탭의 외면에는 집전체 상단의 인접부위에 전기절연성 물질이 코팅되어 있는 것으로 구성되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 전지에서는 집전체에 부착되는 전극 탭의 외면에 종래의 절연성 테이프가 감겨져 있는 것이 아니라 전기절연성 물질(이하, 절연성 물질로 약칭하기도 함)이 코팅되어 있는 구조로 이루어져 있다.

이와 같이 전극 탭의 외면에 절연성 물질이 코팅되어 있는 전극은 양극 및/또는 음극이며, 바람직하게는 양극과 음극 모두가 상기와 같이 구성될 수 있다.

상기 전극 탭은 활물질이 도포되어 있지 않은 집전체의 단부에 견고하게 부착되어야 하는 바, 바람직하게는 이러한 견고한 부착은 용접에 의해 달성될 수 있다. 여기서, 집전체의 단부는 집전체의 끝단으로부터 소정의 거리로 이격된 부위로서 스트립형 전극 탭이 집전체의 표면에 대면하여 부착될 수 있는 부위를 의미한다.

전극 탭 중 절연성 물질이 코팅되는 부위는 집전체 상단의 인접부위로서, 구체적으로, 전극 탭이 집전체의 단부에 부착된 상태에서 적어도 상기 집전체의 상단으로부터 소정 거리의 상부 부위를 포함한다. 바람직하게는, 상기와 같은 상부 부위와 함께 집전체 상단으로부터 소정 거리의 하부 부위를 또한 포함한다.

그러한 코팅 부위의 바람직한 길이는 전극의 종류, 전지의 구조 등 다양한 요소에 의해 결정될 수 있으며, 양극의 경우 최소 3 mm 이상, 음극의 경우 최소 7 mm 이상일 수 있다. 음극의 도포 길이가 더 긴 이유는 전지케이스로의 캔이 양극일 때, 음극탭과의 단락을 확실히 방지해야 하기 때문이다.

전극 탭은 일측 단부(상단부)가 탑 캡의 돌출단자 또는 탑 캡 자체에 부착되고 타측 단부(하단부)가 상기와 같이 집전체에 부착되는 바, 종래의 절연 테이프는 구조적으로 그것의 도포 부위가 한정적일 수 밖에 없었다. 반면에, 본원발명에서는 그러한 구조적 제약을 받지 않으므로, 경우에 따라서는, 절연성 물질의 코팅 부위는 상기와 같은 돌출단자 등에 대한 부착 부위를 제외한 대부분의 부위를 포함할 수도 있다. 이 경우, 절연성 물질의 코팅에 관한 근본적인 목적인 내부 단락의 가능성을 크게 줄일 수 있는 효과가 얻어진다.

상기 전기절연성 물질은 전지의 작동에 영향을 미치지 않으면서 전극 탭에 견고하게 코팅되는 전기절연성의 물질이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 전해액과 반응하지 않는 물질로서 도료 등에 일반적으로 사용되는 고분자 수지 등을 들 수 있다.

또한, 전극 탭에 대한 절연성 물질의 코팅 방식 역시 다양할 수 있으며, 예를 들어, 휘발성 용제에 절연성 물질을 용해시킨 도료의 형태로서 전극 탭의 해당 부위에 도포한 후 용제를 제거하는 방식, 절연성 물질을 용융하여 전극 탭의 해당 부위에 도포한 후 냉각 고화시키는 방식, 중합성의 모노머, 올리고머, 저분자량의 중합체를 전극 탭의 해당 부위에 도포한 후 중합 또는 가교반응시켜 고화시키는 방식 등을 고려할 수 있다.

전극 탭에 대한 절연성 물질의 코팅은 집전체에 대한 전극 탭의 부착 이전에 행할 수도 있고, 그 이후에 행할 수도 있다. 바람직하게는 전자의 방식이 더욱 효과적이다.

전극 탭에 대한 절연성 물질의 코팅 두께는 일면을 기준으로 바람직하게는 10 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있다. 코팅 두께가 너무 얇으면 소망하는 전기절연성을 얻기 어려울 수 있고, 반대로 너무 두꺼우면 도포물의 고화 시간이 길어지거나 집전체의 두께 증가를 유발할 가능성이 있으므로 바람직하지 않다.

본 발명에 따른 이차전지는 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 이차전지라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 원통형 전지, 각형 전지일 수 있으며, 특히, 절연성 필름의 부착에 따른 부작용이 큰 각형 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 젤리-롤형 전극조립체에서 하나의 전극에 대한 부분 평면도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 전극(101)의 전반적인 구성은 도 2에서와 대략 동일하고, 집전체(110)의 단부에 용접되어 부착되는 전극 탭(200)에 절연성 물질(400)이 코팅되어 있다는 점에 차이가 있다. 전극 탭(200)은 절연성 물질(400)이 코팅되어 있는 상태에서 집전체(110)의 해당 부위에 용접된다.

절연성 물질의 코팅 부위는 집전체(110)의 상단(112)으로부터 소정 거리의 상부 부위(a)와 소정 거리의 하부 부위(b)로 구분된다. 도 2의 절연성 테이프(300)가 수회 권취됨으로 인해 두께가 두꺼움에 반하여, 도 3의 절연성 물질(400)은 더욱 얇은 두께로 코팅되므로, 도 2의 절연성 테이프(300)에 비해 상대적으로 큰 상하 길이에 걸쳐 절연막을 형성할 수 있다. 이로 인해 내부 단락의 가능성을 더욱 낮출 수 있음은 물론이다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

앞서의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전극 탭에 절연성 필름이 아닌 절연성 물질을 코팅함으로써, 전지의 제조공정을 크게 단축할 수 있어 궁극적으로 전지의 제조비용을 절감할 수 있고, 절연 부위를 보다 넓게 만들어 전지의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 더욱이 이러한 잇점에도 불구하고 해당 부위에 대한 부착을 위한 전극 탭의 절곡시 탈리될 가능성이 매우 낮고, 전극조립체의 크기 증가를 유발하지 않는 효과를 발휘한다.

Claims (8)

1. 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 이차전지로서, 상기 전극조립체를 구성하는 전극 중 집전체의 단부에 부착되는 전극 탭에 있어서, 상기 전극 탭의 외면에는 집전체 상단의 인접부위에 전기절연성 물질이 코팅되어 있는 것으로 구성되어 있는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 양극과 음극 모두인 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 인접부위는 전극 탭이 집전체의 단부에 부착된 상태에서 상기 집전체의 상단으로부터 소정 거리의 상부 부위와 집전체 상단으로부터 소정 거리의 하부 부위를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅 부위의 바람직한 길이는 양극의 경우 3 mm 이상이고, 음극의 경우 7 mm 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 탭에 대한 절연성 물질의 코팅은, 휘발성 용제에 절연성 물질을 용해시킨 도료의 형태로서 전극 탭의 해당 부위에 도포한 후 용제를 제거하는 방식; 절연성 물질을 용융하여 전극 탭의 해당 부위에 도포한 후 냉 각 고화시키는 방식; 또는 중합성의 모노머, 올리고머 또는 저분자량의 중합체를 전극 탭의 해당 부위에 도포한 후 중합 또는 가교반응시켜 고화시키는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 탭에 대한 절연성 물질의 코팅은 집전체에 대한 전극 탭의 부착 이전에 행하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 전극 탭에 대한 절연성 물질의 코팅 두께는 10 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 젤리-롤형 전극조립체가 각형의 금속 케이스에 내장되어 있는 각형 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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