KR20210049474A - 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스 Download PDF

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KR20210049474A
KR20210049474A KR1020190133807A KR20190133807A KR20210049474A KR 20210049474 A KR20210049474 A KR 20210049474A KR 1020190133807 A KR1020190133807 A KR 1020190133807A KR 20190133807 A KR20190133807 A KR 20190133807A KR 20210049474 A KR20210049474 A KR 20210049474A
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secondary battery
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김태용
정안수
박선주
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극 시트, 제2 전극 시트 및 상기 제1 전극 시트와 상기 제2 전극 시트 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체; 및 상기 제1 전극 시트의 무지부에 접합되는 제1 전극 탭 포함하고, 상기 제1 전극 탭은 상기 무지부에 접합되는 접합부 및 상기 접합부에서 외부로 연장된 연장부를 포함하며, 상기 접합부의 가로 길이는, 상기 연장부의 가로 길이보다 넓고, 상기 접합부는, 상기 무지부에 대면하는 방향으로 형성된 복수의 하부 돌출부를 포함한다.

Description

이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스{SECONDARY BATTERY AND DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 방열 성능이 개선된 전극 탭을 포함하는 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 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, 이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다.
대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤(Jelly Roll, 권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 상기 젤리롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위 셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
도 1은 종래의 전극조립체(10)에 대한 분해 사시도이다.
도 1을 참고하면, 이차 전지에 삽입되는 종래의 전극조립체(10)는 제1 전극 시트(20), 제2 전극 시트(30) 및 제1 전극 시트(20)와 상기 제2 전극 시트(30) 사이에 개재된 분리막(40)을 포함한다. 아울러, 젤리롤 형태로 권취된다면, 제1 전극 시트(20)와 제2 전극 시트(30)가 서로 접하는 것을 방지하기 위해, 제2 전극 시트(30) 아래에 분리막(40)이 추가 배치되는 것이 바람직하다.
제1 전극 시트(20) 상에는 활물질층(22)이 형성되고, 활물질층(22)이 형성되지 않은 무지부(23)에 제1 전극 탭(21)이 용접 등에 방법에 의해 접합될 수 있다.
마찬가지로, 제2 전극 시트(30) 상에는 활물질층(32)이 형성되고, 활물질층(32)이 형성되지 않은 무지부(33)에 제2 전극 탭(31)이 용접 등에 방법에 의해 접합될 수 있다.
여기서 제1 전극 시트(20)와 제2 전극 시트(30)는 양극 시트 및 음극 시트 중 하나에 각각 해당할 수 있고, 이에 따라, 제1 전극 탭(21)과 제2 전극 탭(31)은 양극 탭과 음극 탭 중 하나에 각각 해당할 수 있다.
이와 같은 전극조립체(10)를 구비한 이차 전지에서, 고율 방전, 과충전, 외부 단락 등에 의해 짧은 시간 내에 큰 전류가 흐르게 되면 제1 및 제2 전극 탭(21, 31)에 열이 발생하여, 분리막(40)이 수축하게 되고, 전극 활물질과 분리막(40)이 반용융 상태로 되면서 서로 눌러 붙게 되는 등의 손상이 일어날 수 있다. 또한, 분리막(40)의 손상으로 인해 내부 단락이 발생하여 전지의 발열이나 폭발이 초래될 수 있다.
특히, 최근 고출력 및 고용량 모델의 구현을 위해, 사용되는 부품이 박막화 되어가는 추세이며, 이로 인해 저저항 및 고용량의 이차 전지가 증가하고 있다. 다만, 저항이 낮아지고 용량이 높아지면서 더 높은 전류가 더 오랜 시간 동안 인가됨에 따라 외부 단락 등에 의한 전극 탭의 발열에 대한 문제가 더 중요한 과제로 대두되고 있다.
이러한 문제를 극복하기 위해서, 전극 탭의 발열을 효과적으로 제어할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극 탭의 발열을 효과적으로 제어할 수 있는 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하기 위한 것이다.
다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극 시트, 제2 전극 시트 및 상기 제1 전극 시트와 상기 제2 전극 시트 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체; 및 상기 제1 전극 시트의 무지부에 접합되는 제1 전극 탭 포함하고, 상기 제1 전극 탭은 상기 무지부에 접합되는 접합부 및 상기 접합부에서 외부로 연장된 연장부를 포함하며, 상기 접합부의 가로 길이는, 상기 연장부의 가로 길이보다 넓고, 상기 접합부는, 상기 무지부에 대면하는 방향으로 형성된 복수의 하부 돌출부를 포함한다.
상기 하부 돌출부의 두께는 상기 접합부의 두께의 10% 내지 20%일 수 있다.
상기 하부 돌출부는 상기 접합부의 세로 또는 가로를 따라 뻗어있는 선형 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 선형 돌출부는 서로 이격되어 위치할 수 있다.
상기 접합부는, 상기 하부 돌출부가 위치한 면과 대향하는 면에 위치한 복수의 상부 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 상부 돌출부는, 상기 접합부의 세로 또는 가로를 따라 뻗어있는 선형 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 접합부의 가로 길이는, 상기 연장부의 가로 길이보다 1mm 내지 2mm만큼 더 넓을 수 있다.
상기 접합부의 가로 길이는, 상기 연장부의 가로 길이 대비 1.2배 내지 1.5배일 수 있다.
상기 연장부는 상기 무지부의 상변 방향으로 연장되며, 상기 접합부는 상기 무지부의 상변으로부터 이격될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전극 탭이 표면적이 넓은 접합부를 포함함으로써, 전극 탭에서 발생한 열을 신속하게 주변으로 확산 방출할 수 있다.
도 1은 종래의 전극조립체에 대한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 “A” 부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 4는 도 3의 절단선 E-E'를 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 3의 제1 전극 탭의 하면을 바라본 평면도이다.
도 6은 상부 돌출부를 포함하는 전극 탭을 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체(100)에 대한 분해 사시도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극 시트(200), 제2 전극 시트(300) 및 제1 전극 시트(200)와 제2 전극 시트(300) 사이에 개재된 분리막(400)을 포함하는 전극조립체(100)를 포함한다.
제1 전극 시트(200) 상에는 활물질층(220)이 형성되고, 활물질층(220)이 형성되지 않은 무지부(230)에 제1 전극 탭(210)이 용접 등에 방법에 의해 접합될 수 있다.
마찬가지로, 제2 전극 시트(300) 상에는 활물질층(320)이 형성되고, 활물질층(320)이 형성되지 않은 무지부(330)에 제2 전극 탭(310)이 용접 등에 방법에 의해 접합될 수 있다.
제1 전극 시트(200)와 제2 전극 시트(300)는 양극 시트와 음극 시트 중 하나에 각각 해당할 수 있고, 제1 전극 탭(210)과 제2 전극 탭(310)은 양극 탭과 음극 탭 중 하나에 각각 해당할 수 있다.
이하 내용은, 제1 전극 탭(210)을 기준으로 설명하나, 제2 전극 탭(310)은 제1 전극 탭(210)과 상호 동일 내지 유사한 구성을 가질 수 있다.
도 3은 도 2의 “A” 부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 3을 참고하면, 제1 전극 탭(210)은 무지부(230)에 접합되는 접합부(211) 및 접합부(211)에서 외부로 연장된 연장부(212)를 포함한다.
접합부(211)의 가로 길이(C)는, 연장부(212)의 가로 길이(D)보다 넓다. 도 3에서는 연장부(212)가 접합부(211)의 상변의 중심으로부터 연장되어 있으나, 접합부(211)의 가로 길이(C)가 연장부(212)의 가로 길이(D)보다 넓다면 연장부(212)의 위치에는 제한이 없으므로, 연장부(212)가 접합부(211)의 상변 중 어느 한 단부로부터 연장될 수 있다.
본 실시예에서는, 무지부(230)에 접합된 접합부(211)의 가로 길이(C)를 넓게 형성하여, 제1 전극 탭(210)에서 발생한 열이 주위로 용이하게 발산되도록 한다.
한편, 연장부(212)의 가로 길이(D)는 상대적으로 좁게 형성하여, 전극조립체(100)가 권취될 때, 제1 전극 탭(210)에 의한 제1 전극 시트(200)의 손상을 방지할 수 있다.
이때, 접합부(211)의 가로 길이(C)는, 연장부(212)의 가로 길이(D)보다 1mm 내지 2mm만큼 더 넓을 수 있다.
또한, 접합부(211)의 가로 길이(C)는, 연장부(212)의 가로 길이(D) 대비 1.2배 내지 1.5배 일 수 있다. 그 중 1.25배인 것이 특히 바람직하다. 접합부(211)의 가로 길이(C)가 연장부(212)의 가로 길이(D)의 1.2배 미만이라면, 접합부(211)를 통한 열 발산이 효과적이지 못하다. 한편, 접합부(211)의 가로 길이(C)가 연장부(212)의 가로 길이(D)의 1.5배를 초과하면, 늘어난 접합부(211)의 길이만큼 무지부(230)의 면적이 증가되어야 하므로 전지 용량 측면에서 비효율적이다.
도 4는 도 3의 절단선 E-E’를 따라 자른 단면도이고, 도 5는 도 3의 제1 전극 탭(210)의 하면을 바라본 평면도이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 제1 전극 탭(210)의 접합부(211)는 무지부(230)에 대면하는 방향으로 형성된 복수의 하부 돌출부(240)를 포함한다.
이때, 하부 돌출부(240)는 접합부(211)의 세로 또는 가로를 따라 뻗어 있는 선형 돌출부(240a)를 포함할 수 있다. 본 실시예는, 이와 같이 일정한 방향을 따라 뻗어 있는 선형 돌출부(240a)를 구비함으로써, 단순히 돌기 형태로 솟아 있는 구조에 비해 무지부(230)와 접촉하는 면적이 증가하여 용접 시 접합이 용이할 수 있다. 즉, 선형 돌출부(240a)는 제1 전극 탭(210)에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있을 뿐만 아니라 제1 전극 탭(210)과 무지부(230)의 접합 정도를 향상시킬 수 있다.
도 5에서는 선형 돌출부(240a)가 접합부(211)의 세로를 따라 뻗어 있는 모습만이 나타나 있으나, 본 실시예에서의 선형 돌출부(240a)는 접합부(211)의 가로를 따라 뻗어 있을 수 있다. 또한, 선형 돌출부(240a)는 서로 이격되어 위치하는 것이 바람직하며, 효과적인 열 발산을 위해 선형 돌출부(240a)들 사이의 간격은 선형 돌출부(240a)의 가로 폭 대비 40% 내지 50%인 것이 더욱 바람직하다.
본 실시예에서는, 복수의 하부 돌출부(240)를 구비하여 제1 전극 탭(210)의 일면에 단차 구조를 형성함으로써 표면적을 넓힐 수 있다. 때문에 제1 전극 탭(210)이 무지부(230)에 용접될 시 열 발산에 보다 유리할 수 있다. 아울러, 전류의 흐름으로 인해 제1 전극 탭(210)에서 발생한 열도 이러한 단차 구조로 인해 외부로 용이하게 발산될 수 있다.
한편, 도 4에서, 하부 돌출부(240)의 두께(G)는 접합부(211)의 두께(F)의 10% 내지 20%인 것이 바람직하다. 하부 돌출부(240)의 두께(G)가 접합부(211)의 두께(F)의 20%를 초과하면, 하부 돌출부(240)가 필요 이상으로 두꺼워져, 전극조립체의 권취에 방해가 되며, 이차전지 내부의 공간활용 측면에서도 좋지 않다. 하부 돌출부(240)의 두께(G)가 접합부(211)의 두께(F)의 10% 미만이라면, 방열 성능이 미비하여 접합부(211)에서 발생한 열이 효과적으로 방출되지 못한다.
한편, 도 3에서, 제1 전극 탭(210)의 연장부(212)는 무지부(230)의 상변(231) 방향으로 연장되며, 접합부(211)는 무지부(230)의 상변(231)으로부터 이격될 수 있다. 이격되는 거리(B)에 특별한 제한이 있는 것은 아니나, 2.0mm 이상 3.0mm 이하인 것이 바람직하다.
접합부(211)가 무지부(230)의 상변(231)으로부터 이격되지 않거나, 이격되는 거리(B)가 2.0mm 미만이라면, 권취되는 제1 전극 시트에 있어서, 제1 전극 탭(210)이 젤리롤 전극조립체 위로 올라갈 수 있고, 그에 따라 가로 길이(C)가 넓은 접합부(211)가 젤리롤 전극조립체의 외부로 노출되어 단락(Short) 등의 문제가 발생할 가능성이 급격히 높아질 수 있다.
도 6은 상부 돌출부(250)를 포함하는 전극 탭을 나타내는 단면도이다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차 전지는 상부 돌출부(250)를 포함하는 전극 탭을 포함할 수 있다.
앞서 설명한대로, 전극 탭의 접합부(211a)는 무지부(230)에 대면하는 방향으로 형성된 복수의 하부 돌출부(240)를 포함한다.
이때, 전극 탭의 접합부(211a)는 하부 돌출부(240)가 위치한 면과 대향하는 면에 위치한 복수의 상부 돌출부(250)를 포함할 수 있다. 즉, 상부 돌출부(250)는 접합부(211a)와 무지부(230)가 접합되는 면의 반대 면에 위치할 수 있다.
상부 돌출부(250)는, 하부 돌출부(240)와 마찬가지로, 접합부(211a)의 세로 또는 가로를 따라 뻗어 있는 선형 돌출부를 포함할 수 있다. 즉, 상부 돌출부(250)는, 두께나 형태에 있어서, 하부 돌출부(240)와 상호 동일 내지 유사한 구조를 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 하부 돌출부(240)뿐만 아니라 상부 돌출부(250)를 구비하여, 전극 탭, 특히 접합부(211a)의 표면적을 더욱 넓힐 수 있으며, 이는 전극 탭에서 발생한 열의 발산에 보다 유리할 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 이차 전지는 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전극조립체
200: 제1 전극 시트
210: 제1 전극 탭
211: 접합부
212: 연장부
240: 하부 돌출부
250: 상부 돌출부
300: 제2 전극 시트
400: 분리막

Claims (10)

  1. 제1 전극 시트, 제2 전극 시트 및 상기 제1 전극 시트와 상기 제2 전극 시트 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체; 및
    상기 제1 전극 시트의 무지부에 접합되는 제1 전극 탭 포함하고,
    상기 제1 전극 탭은 상기 무지부에 접합되는 접합부 및 상기 접합부에서 외부로 연장된 연장부를 포함하며,
    상기 접합부의 가로 길이는, 상기 연장부의 가로 길이보다 넓고,
    상기 접합부는, 상기 무지부에 대면하는 방향으로 형성된 복수의 하부 돌출부를 포함하는 이차 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 하부 돌출부의 두께는 상기 접합부의 두께의 10% 내지 20%인 이차 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 하부 돌출부는 상기 접합부의 세로 또는 가로를 따라 뻗어있는 선형 돌출부를 포함하는 이차 전지.
  4. 제3항에서,
    상기 선형 돌출부는 서로 이격되어 위치하는 이차 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 접합부는, 상기 하부 돌출부가 위치한 면과 대향하는 면에 위치한 복수의 상부 돌출부를 포함하는 이차 전지.
  6. 제5항에서,
    상기 상부 돌출부는, 상기 접합부의 세로 또는 가로를 따라 뻗어있는 선형 돌출부를 포함하는 이차 전지.
  7. 제1항에서,
    상기 접합부의 가로 길이는, 상기 연장부의 가로 길이보다 1mm 내지 2mm만큼 더 넓은 이차 전지.
  8. 제1항에서,
    상기 접합부의 가로 길이는, 상기 연장부의 가로 길이 대비 1.2배 내지 1.5배인 이차 전지.
  9. 제1항에서,
    상기 연장부는 상기 무지부의 상변 방향으로 연장되며,
    상기 접합부는 상기 무지부의 상변으로부터 이격된 이차 전지.
  10. 제1항에 따른 이차 전지를 하나 이상 포함하는 디바이스.
KR1020190133807A 2019-10-25 2019-10-25 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스 KR20210049474A (ko)

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