KR20220059102A - 전극리드와 전극탭의 용접성이 우수한 전극 및 이의 제조방법 - Google Patents

전극리드와 전극탭의 용접성이 우수한 전극 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 절연층이 코팅된 전극탭을 포함하는 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극활물질(111)이 코팅된 전극집전체(112), 상기 전극집전체(112)로부터 돌출되는 전극탭(120) 및 상기 전극탭(120)상에 코팅된 절연층(150)을 포함하고, 상기 절연층(150)이 코팅된 전극탭(120)의 타면이 전극리드(130)와 용접접합되는 것을 특징으로 하는 절연층이 코팅된 전극탭을 포함하는 전극에 관한 것이다.

Description

전극리드와 전극탭의 용접성이 우수한 전극 및 이의 제조방법{Electrode with Excellent Weldability Between Electrode Lead and Electrode Tabs and Method for Manufacturing Same}
본 발명은 전극리드와 전극탭의 용접성이 우수한 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 전극탭과 전극리드의 용접 불량률을 낮출 수 있고 공정을 단순화시킬 수 있는 전극탭 상에 절연층을 포함하는 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등을 포함하여 고출력 대용량이 요구되는 디바이스의 동력원으로서 주목받고 있다.
이러한 디바이스에는 고출력 대용량의 제공을 위해 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극을 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 적은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
이러한 이차전지에서 주요 연구과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 일반적으로, 리튬 이차전지는 내부 쇼트, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발을 초래할 수 있다. 그러한 하나의 경우로서, 이차전지는 낙하 또는 외력의 작용 등과 같은 충격 시, 내부 단락이 발생할 가능성이 존재한다.
도 1에는 스택형 전극을 포함하고 있는 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 파우치형 이차전지는, 전극(10), 전극(10)로부터 연장되어 있는 전극탭들(20, 21), 전극탭들(20, 21)에 용접되어 있는 전극리드들(30, 31), 및 전극(10)을 수용하는 전지케이스를 포함한다.
전극(10)은 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층 될 수 있다. 전극(10)은 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 등을 들 수 있다.
전극탭들(20, 21)은 전극(10)의 각 극판으로부터 연장되어 있다. 전극리드들(30, 31)은 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극탭들(20, 21)과 연결되어 전지케이스의 외부로 일부가 노출될 수 있다.
전극리드들(30, 31)은 전극탭들(20, 21)과 일부분이 전기적으로 연결되어 있다. 이때 용접 등의 방법으로 접합되어 접합부(w)를 형성하고, 접합 방법은 일반 저항 용접, 초음파 용접, 레이저 용접, 리벳 등의 방법일수 있다. 또한 전지케이스와의 밀봉도를 높이는 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위해 전극리드와 전지케이스 사이에는 보호필름(40, 41)을 포함할 수 있다.
그런데, 전지가 낙하하거나 전지 상단에 물리적 외력이 가해져서 전극탭이 전극의 상단에 접촉하는 경우, 전지의 단락이 유발된다. 일반적으로, 양극 탭이 음극 집전체 또는 음극 활물질과 접촉하여 단락이 유발되는 경우가 많다.
도 2에는 종래의 절연층을 구비한 전극탭-전극리드 결합 정면구조 및 측면 단면구조가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면 전극리드(30)과 접합되는 전극탭(20)의 일부에 절연층(50)을 구비하는 방식으로 단락을 방지할 수 있다. 그러나 이런 방법은 불균일하게 형성되는 절연층에 의해 전극탭과 전극리드의 접합력이 떨어지고 전극의 불량률을 초래하고, 접합공정이 복잡할 뿐만 아니라 절연층의 불량으로 인해 전지 내부의 단락을 완벽하게 방지할 수 없는 등의 문제점이 있어서 개선이 필요한 실정이다.
특허문헌 1은 양극 탭 상에 절연층을 포함하는 양극에 관한 것으로서, 양극 집전체로부터 돌출되는 양극 탭의 일부에 절연성 물질을 코팅하여 셀의 변형이나 전지의 제조과정에서 전극의 절단 시 전극의 가장자리가 날카롭게 되어 전극을 적층하였을때 발생할 수 있는 내부 단락 또는 고온 분위기에서 세퍼레이터로부터 수축 등으로 인한 양극과 음극의 물리적 단락 등을 방지하는 방법이다.
특허문헌 2는 전극탭과 전극리드 결합부에 밀봉부재를 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 적층 구조의 전극, 및 전극의 전극탭들과 전기적으로 연결되며 전지케이스의 외부로 인출된 전극리드를 포함하고 있고, 전극탭과 전극리드는 초음파 용접에 의해 전기적으로 상호 연결된 결합부를 형성하고 있으며, 상기 결합부의 외면은 열융착 된 밀봉부재에 의해 감싸여 있는 구성을 포함하고 있다. 상기 밀봉부재를 사용함으로써 전극탭과 전극리드부 연결부의 밀봉력을 향상시킴으로써 단락을 방지할 수 있다.
특허문헌 1 내지 특허문헌 2에서는 단락을 방지하는 절연층 구성을 구비하고 있으나, 본 발명에서 전극탭에 절연층을 코팅하는 공정이 단순하고 전극탭과 전극리드 용접 불량률을 줄일 수 있는 구성에 관해서는 개시하고 있지 않다.
대한민국 등록특허공보 제10-1586530호 (2016.01.12) '특허문헌 1' 대한민국 등록특허공보 제10-1792605호 (2017.10.26) '특허문헌 2'
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 절연층이 코팅된 전극탭과 전극리드와 용접성이 우수하여 불량률을 줄일 수 있는 전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서는 충분한 절연 효과를 기대하면서 단순한 코팅 작업으로 절연층을 형성할 수 있는 전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에 따른 전극은 전극활물질(111)이 코팅된 전극집전체(112), 상기 전극집전체(112)로부터 돌출되는 전극탭(120) 및 상기 전극탭(120)상에 코팅된 절연층(150)을 포함하고, 상기 절연층(150)이 코팅된 전극탭(120)의 타면이 전극리드(130)와 용접 접합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전극에서, 상기 전극탭(120)은 전극활물질(111)층을 포함하지 않는 무지부인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극에서, 상기 절연층(150)은 전극탭(120)의 돌출방향으로 전극탭(120)의 전체 길이의 일부 혹은 전체에 코팅되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극에서, 상기 절연층(150)은 전극탭(120)의 돌출 방향에 수직인 전극탭(120)의 너비와 동일한 너비로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극에서, 상기 전극탭(120)은 전극활물질(111) 층을 일부 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극에서, 상기 절연층(150)은 상기 전극활물질(111)의 일부 또는 전부를 포함하여, 전극탭(120)의 돌출 방향으로 전극탭(120)의 전체 길이의 일부 혹은 전체에 코팅되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전극에서, 상기 절연층(150)은 전극탭(120)의 돌출 방향에 수직인 전극탭(120)의 너비와 동일한 너비로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서는 상기 전극을 포함하는 이차전지인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서 상기 이차전지는 원통형, 각형 또는 파우치 형인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 전극 집전체로부터 돌출되어 형성된 전극탭의 제1 측면에 절연층을 코팅하는 제1 단계 및 상기 절연층이 코팅된 전극탭 제1 측면이 대면하는 타면과 전극리드를 용접하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전극의 제조 방법에서, 상기 제1 단계에서, 상기 절연층은 전극탭의 제1 측면 전체에 코팅될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전극의 제조 방법에서, 상기 제1 단계에서, 상기 절연층은 전극탭의 한쌍의 제2 측면 및 제3 측면에 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 구성들 중 상충되지 않는 구성을 하나 또는 둘 이상 택하여 조합할 수 있다.
본 발명의 전극 및 이의 제조방법에 따르면, 절연층이 코팅되어 있는 전극탭의 타면이 전극리드와 용접되기 때문에 용접되는 전극탭 면에는 절연층이 포함되지 않아 전극리드와의 용접성이 향상되어 용접 불량률을 줄일 수 있다는 이점이 있다.
또한 본 발명의 전극 및 이의 제조방법에 따르면, 전극리드가 용접되는 전극탭 면의 타면에 절연층을 코팅하기 때문에 코팅공정과 용접공정이 단순해지는 장점이 있다.
또한 본 발명의 전극 및 이의 제조방법에 따르면, 일면에 절연층을 포함하는 전극은 전극의 제조공정을 크게 단축할 수 있어 궁극적으로 제조비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 이차전지 개략도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 절연층을 구비한 전극탭-전극리드 결합부 정면도 및 측면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전극탭이 돌출된 전극 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 절연층이 포함된 전극탭-전극리드 결합부 정면도 및 측면 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 절연층이 포함된 전극탭-전극리드 결합부 정면도 및 측면 단면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 절연층이 포함된 전극탭-전극리드 결합부 정면도 및 측면 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명으로 한정하지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 전지에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전극탭이 돌출된 전극 사시도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 절연층이 포함된 전극탭-전극리드 결합부정면도 및 측면 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면서 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극을 설명하면, 전극집전체(112)와 전극활물질(111)을 포함하는 전극(110), 상기 전극 집전체(112)의 일 끝단에는 돌출되어 형성되는 전극탭(120), 전극탭(120)에 포함되는 절연층(150), 및 전극탭(120)과 용접 결합되는 전극리드(130)를 포함하여 구성된다.
먼저 전극(110)에 관해 구체적으로 설명하며, 전극(110)은 양극 혹은 음극일 수 있다.
양극은 양극집전체인 전극집전체(112)의 일면 또는 양면에 코팅된 양극활물질인 전극활물질(111)이 도포되어 형성될 수 있다.
여기서 양극집전체는 3 내지 500㎛의 두께로 만들어 질 수 있다.
또한, 양극집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.
집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포 체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
또한, 양극활물질은 양극 활물질은 리튬함유 전이 금속 산화물 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나일 수 있으며, 좀더 구체적으로 예를 들어, 상기 양극 활물질은 망간계 스피넬(spinel) 활물질, 리튬 금속 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 리튬 금속 산화물은 리튬-망간계 산화물, 리튬-니켈-망간계 산화물, 리튬-망간-코발트계 산화물 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 보다 구체적으로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(여기에서, 0＜a＜1, 0＜b＜1, 0＜c＜1, a+b+c=1), LiNi1-YCoYO2, LiCo1-YMnYO2, LiNi1-YMnYO2 (여기에서, 0≤Y＜1), Li(NiaCobMnc)O4(0＜a＜2, 0＜b＜2, 0＜c＜2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4, LiMn2-zCozO4 (여기에서, 0＜Z＜2) 일 수 있다.
또한 음극 집전체는 3 내지 500㎛의 두께로 만들어질 수 있다. 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
음극 재료는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), Snx Me1-xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
다음은 전극탭(120)에 관해 설명하기로 한다. 전극탭(120)은 전극집전체(112)로부터 돌출 연장되어 형성될 수 있다.
또한 본 발명에서 전극탭(150)은 전극집전체(112)의 일면 또는 양면에 전극활물질(111)이 코팅되어 있는 연속적인 전극 시트를 단위 전극 간격으로 금형틀에 의해 노칭(notching)함으로써 형성될 수 있다.
따라서 전극탭(120)은 전극집전체(112)의 일변으로부터 연장되어 너비 방향(X축 방향)면에 해당하는 한쌍의 대면하는 제1 측면(121), 두께 방향(Y축 방향)면에 해당하는 한쌍의 대면하는 제2 측면(122) 및 전극집전체(112)과 대면하는 제3 측면(123)을 포함한다.
여기서 전극탭(120)은 전극활물질(111)이 도포되지 않은 무지부이고, 한쌍의 제1 측면(121)의 일면에는 절연물질이 코팅되어 형성된 절연층(150)을 포함하며, 절연층(150)이 형성되지 않은 대면 제1 측면(121)은 전극리드(130)과 결합된다.
한편, 절연층(150)은 전극집전체(112)로부터 돌출방향(Z축 방향)으로 전극탭(120)의 제1 측면(121)에 절연물질이 코팅되어 형성되고, 제1 측면(121)의 길이(Z축 방향)의 일부 또는 전체에 형성될 수 있다. 전극탭(120)의 제1 측면(121)에 절연물질을 코팅 할 때 코팅 영역에 대한 엄밀한 제한조건이 없으므로 절연물질 코팅작업이 단순하고 용이해질 수 있다.
또한, 절연층(150)은 전극탭(120)의 돌출방향에 수직인 전극탭(120)의 너비(X축 방향)와 동일한 너비로 코팅되는 것이 바람직하다. 전극탭(120)이 돌출 연장되는 전극집전체(112)에는 전극활물질(111)이 형성되어 있으므로, 전극집전체(112)로부터 연장되는 전극탭(120)의 제1 측면(121)의 너비 전체에 절연물질이 코팅되어 전극활물질(111)로부터 유발되는 단락을 방지하는데 유리하다.
여기서 절연물질 코팅방법으로는 딥핑(dipping)법, 딥 코팅(deep coating)법, 분사코팅(spray coating)법, 스핀코팅(spin coating)법, 롤코팅(roll coating)법, 다이코팅(die coating)법, 롤 코트(roll court)법, 그라비아 인쇄법 및 바 코트 (bar court) 등의 방식으로 실시할 수 있고, 그것만으로 한정되는 것은 아니다.
또한, 절연물질은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에테르이미드, 폴리아세탈, 폴리술폰, 폴 리에테르에테르케톤, 폴리에스테르, 폴리아미드, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 폴리스티렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리실록산, 폴리이미드, 이들의 임의적 공중합체, 이들의 임의적 혼합물 등을 들 수 있으며, 그중에서도 전기 절연성과 내열성이 우수한 폴리이미드가 특히 바람직하다. 그러나, 전기 절연성을 가지면서 전지의 전기화학적 반응에 영향을 주지 않는 것이라면 상기의 예로 한정되는 것은 아니다.
경우에 따라서는, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위 내에서 상기 고분자 수지에 무기물을 더 첨가할 수도 있으며, 그러한 무기물의 예로는, SiO2, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO, Y2O3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), BaTiO3, hafnia (HfO2), SrTiO3 및 이들의 둘 또는 그 이상의 혼합물 등을 들 수 있다.
본 발명에서 전극리드(130)는 전극탭(120)들을 전기적으로 연결할 수 있는 소재로 이루어진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 금속 플레이트일 수 있다. 이러한 금속 플레이트의 예로는, 니켈 플레이트, 니켈이 도금된 구리 플레이트, 알루미늄 플레이트, 구리 플레이트, 및 SUS 플레이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 전극탭(120)과 전극리드(130)은 용접에 의해 접합될 수 있고, 초음파 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며 이와 같은 초음파 용접에 의한 결합은, 대략 20 KHz 정도의 높은 초음파에 의해 발생된 고주파 진동을 인가하여, 전극탭과 전극리드 사이의 경계면에서 혼(Horn)과 엔빌(Anvil)의 작동에 따라 진동에너지가 마찰에 의해 열에너지로 변환되면 서 급속히 용접이 이루어지는 원리로 진행된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극의 제조방법은, 전극집전체(110)로부터 돌출되어 형성된 전극탭(120)의 제1 측면에 절연물질을 코팅하여 절연층(150)을 형성하는 단계 및 상기 절연층(150)이 형성된 전극탭(120)의 제1 측면이 대면하는 타면과 전극리드(130)를 용접하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 절연층을 형성하기 코팅하는 단계에서 전극탭(120)의 제1 측면의 일부 혹은 전체에 절연층을 코팅할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 절연층이 포함된 전극탭-전극리드 결합부 정면도 및 측면 단면도이다.
본 발명의 제2 실시예는 전극탭(220)의 일면에 전극활물질(211)를 일부 포함하는 것을 제외하고는 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한 제1 실시예와 동일하므로, 이하에서는 전극탭(220)에 포함되는 전극활물질(211)에 관해서만 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극의 전극집전체(212)의 일단으로부터 돌출되는 방향으로 전극탭(220)의 일면에 전극활물질이 형성될 수 있다. 전극탭(220)에 형성된 전극활물질은 전극집전체(212)에 형성된 전극활물질(211)이 전극탭(220) 상으로 연장된 것일 수 있다.
여기서 절연층(250)은 전극탭(220)에 형성된 전극활물질의 전체 혹은 일부를 포함하여 전극탭(220)의 돌출방향(Z축 방향)으로 코팅 될 수 있다. 또한 절연층(250)의 너비(X축 방향)는 전극탭(220)의 너비와 동일한 너비로 코팅되는 것이 바람직하다. 이는 전극활물질이 타 부재와 접촉함으로써 유발되는 단락을 방지하는데 유리하다. 또한 고온에서 분리막이 수축할 경우 단락 진행을 지연시키는데 유리하다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 전극의 제조방법은, 전극탭(220)에 전극활물질이 형성되어 있는 것을 제외하고는 전술한 제1 실시예에 따른 전극의 제조방법과 동일함으로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 절연층이 포함된 전극탭-전극리드 결합부 정면도 및 측면 단면도이다.
본 발명의 제3 실시예는 절연층(350)이 전극탭(320)의 제2 측면 및 제3의 변측면에 추가 코팅되어 형성된 것을 제외하고는 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한 제1 실시예와 동일하므로, 이하에서는 전극탭(320)의 제2 측면 및 제3 측면에 코팅되어 형성되는 절연층(350)에 관해서만 설명하기로 한다.
본 발명의 제3 실시예에서의 절연층(350)은 전극탭(320)의 하나의 제1 측면 외에 한쌍의 제2 측면 및 제3 측면에도 코팅되어 형성될 수 있고, 상기 4개 측면의 일부 혹은 전체에 코팅되어 형성될 수 있다. 절연층(350)은 전극탭(320)의 돌출방향(Z축 방향)으로 코팅 될 수 있고, 절연층(350)의 너비(X축 방향)는 전극탭(320)의 너비와 동일한 너비로 코팅되는 것이 바람직하다.
전극집전체(312)에서 연장되어 돌출되는 전극탭(350)의 5개의 측면 중 전극리드(330)과 용접되는 면을 제외한 나머지 4개 측면에 절연층이 형성되어 있기 때문에 전극탭(320)의 부식 등 발생에 따른 단락을 방지하는데 유리하다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 전극의 제조방법은, 전극탭(320)의 제1 측면 외에 한쌍의 제2 측면 및 제3 측면에서 절연층을 코팅하는 것을 제외하고는 전술한 제1 실시예에 따른 전극의 제조방법과 동일함으로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 상기와 같은 전극을 포함하는 이차전지를 제공할 수 있다. 일반적으로 리튬 이차전지에서는 충방전 과정에서 음극 상에 리튬이온이 석출되는 문제점을 고려하여 음극의 크기를 양극의 크기보다 크게 만든다. 따라서, 낙하에 의한 외부 충격 시 양극 탭은 발전소자의 음극(집전체 또는 활물질)과 우선적으로 접촉할 가능성이 높다. 따라서, 양극이 음극보다 작은 경우에는 절연층을 양극탭에 코팅하는 것이 바람직하다. 그 외 양극과 음극의 크기가 동일할 경우에는 절연층을 양극탭 및 음극탭 모두에 코팅할 수 있다.
이하, 실시예를 참조하여, 본 발명의 내용을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
양극 활물질로 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2, 도전재로 카본 블랙 및 바인더로 폴리비닐리덴 풀루오라이드(PVdF)를 사용하고, 양극 활물질:도전재:바인더의 중량비를 96:2:2로 하여 혼합한 혼합물에 용제인 NMP를 첨가하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다.
30㎛ 두께의 알루미늄 집전체의 편면당 4.01 ㎃h/㎠의 로딩(loading)량으로 상기 양극 활물질 슬러리를 도포한 뒤, 건조 및 압연하여 양극을 수득하였다.
상기와 같은 양극을 40mm X 55mm의 크기로 탭 일부에 전극층이 올라오지 않도록 타발하여 탭 전면 무지부 영역에 PVdF 용액(NMP 용액, 고형분 7% 함유)을 붓으로 발라서 80℃ 조건에서 건조한 후 전극탭의 후면과 전극리드의 용접(20Khz, 0.5sec 초음파 용접)을 진행하였다.
실시예 2
양극을 40mm X 55mm의 크기로 탭 일부에 전극층이 올라오도록 타발하여 탭 전면 무지부 영역과 활물질이 타고 올라온 영역에 PVdF 용액을 붓으로 바르는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.
실시예 3
탭 전면 무지부 영역과 탭 측면에 PVdF 용액을 붓으로 바르는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.
비교예 1
탭 후면 용접을 진행하지 않고 탭 전면에 PVdF 용액을 붓으로 바르고 건조 후에 그 위로 전면 용접을 진행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.
비교예 2
탭 후면 용접을 진행하지 않고 탭의 3/4 이상의 면적에 PVdF 용액을 붓으로 바르고 건조 후에 그 위로 전면 용접을 진행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.
용접성능 평가
실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 2에 따른 용접작업을 각각 10회 진행하여 용접 실패 횟수를 아래 표에 정리하였다.
본 발명에서 전극탭과 전극리드의 용접 실패는 아래와 같은 방법으로 확인할 수 있다.
① 전극탭과 전극리드가 전혀 용접되지 않아 전극탭과 전극리드가 탈리된 상태를 육안으로 확인 가능한 경우를 실패로 간주한다.
② 전극탭과 전극리드의 일부가 용접되어 육안으로 용접 불량 확인이 어려울 경우, 탄성재질의 타격부를 이용하여 1회 내지 10회 타격하였을 때 결합되었던 전극탭과 전극리드가 탈리 될 경우를 실패로 간주할 수 있다.
③ 또한 전극탭과 전극리드의 일부가 용접되어 육안으로 용접 불량 확인이 어려울 경우, 용접부의 저항을 측정함으로써 용접 실패 여부를 확인한다. 여기서 동일 용접조건으로 전극탭과 전극리드를 용접하여 용접 성공한 용접부의 저항값 대비 측정 저항값이 10% 이상 높은 경우를 실패로 간주할 수 있다.
표 1. 용접성능 평가 결과
Figure pat00001
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
10, 110, 210, 310: 전극
11, 111, 211, 311: 전극활물질
12, 112, 212, 312: 전극집전체
20, 120, 220, 320: 전극탭
121: 제1 측면, 122: 제2 측면, 123: 제3 측면
30, 130, 230, 330: 전극리드
40, 140, 240, 340: 보호필름
50, 150, 250, 350: 절연층
w: 접합부

Claims (12)

  1. 전극활물질(111)이 코팅된 전극집전체(112);
    상기 전극집전체(112)로부터 돌출되는 전극탭(120); 및
    상기 전극탭(120)상에 코팅된 절연층(150);을 포함하고,
    상기 절연층(150)이 코팅된 전극탭(120)의 타면이 전극리드(130)와 용접되는 것을 특징으로 하는 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭(120)은 전극활물질(111)층을 포함하지 않는 무지부인 것을 특징으로 하는 전극.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절연층(150)은 전극탭(120)의 돌출방향으로 전극탭(120)의 전체 길이의 일부 혹은 전체에 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 절연층(150)은 전극탭(120)의 돌출 방향에 수직인 전극탭(120)의 너비와 동일한 너비로 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극탭(120)은 전극활물질(111) 층을 일부 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연층(150)은 상기 전극활물질(111)의 일부 또는 전부를 포함하여, 전극탭(120)의 돌출 방향으로 전극탭(120)의 전체 길이의 일부 혹은 전체에 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 절연층(150)은 전극탭(120)의 돌출 방향에 수직인 전극탭(120)의 너비와 동일한 너비로 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이차전지는 원통형, 각형 또는 파우치 형인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 전극의 제조방법에 있어서,
    전극 집전체로부터 돌출되어 형성된 전극탭의 제1 측면에 절연층을 코팅하는 제1 단계; 및
    상기 절연층이 코팅된 전극탭 제1 측면이 대면하는 타면과 전극리드를 용접하는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 단계에서, 상기 절연층은 전극탭의 제1 측면 전체에 코팅되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 단계에서, 상기 절연층은 전극탭의 한쌍의 제2 측면 및 제3 측면에 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
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