WO2021187921A1 - 전극 조립체 - Google Patents

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WO2021187921A1
WO2021187921A1 PCT/KR2021/003373 KR2021003373W WO2021187921A1 WO 2021187921 A1 WO2021187921 A1 WO 2021187921A1 KR 2021003373 W KR2021003373 W KR 2021003373W WO 2021187921 A1 WO2021187921 A1 WO 2021187921A1
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length
tab
substrate
substrate tab
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박용균
신동현
한다운
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삼성에스디아이(주)
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Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to an electrode assembly for a secondary battery.
  • a secondary battery is a battery that can be charged and discharged, unlike a primary battery that cannot be charged.
  • the secondary battery may be used in the form of a single battery depending on the type of external device to be applied, or may be used in the form of a battery module in which a plurality of batteries are connected and bundled as a unit.
  • the structure of the secondary battery itself In order to supply sufficient power to an electronic device or transportation means, the structure of the secondary battery itself must be designed stably. In particular, there is a need for a method for solving the problem of deterioration of cell stability due to problems such as tearing of the electrode plate of the electrode assembly or breakage of the substrate tab during repeated charging and discharging of the secondary battery.
  • An object of the present invention is to provide an electrode assembly with improved stability by preventing damage due to expansion of the electrode plate during charging and discharging.
  • An electrode assembly includes: a plurality of electrode plates having a substrate tab and having a first guide line formed on the substrate tab to guide a welding position; and a plurality of separators interposed between the electrode plates, wherein the length (L N ) of the substrate tab from the N-th electrode plate to the guide line is
  • the substrate tab includes a protrusion having a minimum protrusion length exposed to the outside of the separator.
  • the length L4 of the substrate tab is characterized in that it is a length from the protrusion to the first guide line.
  • a second guide line is formed on the substrate tab to guide the bent position of the substrate tab.
  • the substrate tab includes a protrusion having a minimum protrusion length exposed to the outside of the separator.
  • the substrate tab is characterized in that the length (l') from the protrusion to the second guide line increases as the number of stacks of the electrode plates increases.
  • the present invention is provided with a substrate tab formed with guide lines for guiding the welding position, a plurality of stacked electrode plates; and a plurality of separators respectively interposed between the electrode plates, wherein the substrate tab includes a protrusion having a minimum protrusion length exposed to the outside of the separator, and the guide at the end of the protrusion of the substrate tab of the Nth pole plate
  • the length to the line is longer than or equal to the length from the end of the protrusion of the base tab of the N-1 th pole plate to the guide line, and the length from the end of the protrusion of the base tab of the N+1 th pole plate to the guide line is greater than the length of the guide line.
  • an electrode assembly characterized in that it is shorter or the same.
  • the length (L N ) from the end of the protrusion of the base tab of the N-th electrode plate to the guide line is the formula
  • a bending guide line is formed on the substrate tab to guide a position where the substrate tab is bent.
  • the substrate tab is characterized in that the length (l') from the protrusion to the bending guide line increases as the number of stacks of the electrode plates increases.
  • the electrode tab is provided with a guide line for guiding the welding area in consideration of the electrode plate expansion rate, there is an effect of preventing damage due to the expansion of the electrode plate during repeated charging and discharging.
  • the present invention forms a welding guide line in consideration of the expansion rate of the electrode plate, it can respond to the high expansion rate of the negative electrode plate to which the silicon-based material is applied during charging and discharging, thereby preventing damage to the electrode plate and improving the stability of the electrode assembly.
  • FIG. 1 is a schematically enlarged side cross-sectional view of the structure of a general electrode assembly.
  • FIG. 2 is a photograph showing an example of cell damage when an electrode plate of a general electrode assembly is expanded.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view schematically illustrating a structure of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an assembled perspective view of the electrode assembly according to FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a schematic diagram schematically illustrating a substrate tab of the electrode assembly according to FIGS. 3 and 4 .
  • FIG. 6 is a schematically enlarged and cross-sectional side view of the structure of the electrode assembly according to FIG. 4 .
  • FIG. 7 is a diagram illustrating elements for calculating a position of a first guide line of a second layer substrate tab in the electrode assembly according to FIG. 6 .
  • FIG. 8 is a view illustrating elements for calculating a position of a first guide line of a third layer substrate tab in the electrode assembly according to FIG. 6 .
  • FIG. 9 is a graph showing the length of the substrate tab for each layer of the electrode assembly according to FIGS. 7 and 8 for each expansion rate.
  • FIG. 10 is a graph showing the length of the substrate tab for each layer of the electrode assembly according to FIGS. 7 and 8 for each expansion rate.
  • 11 to 14 are tables showing the length of the substrate tab according to the electrode plate expansion rate of the electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a view showing elements for calculating a position of a second guide line in the electrode assembly according to FIG. 5 of the present invention.
  • first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers and/or parts, these members, parts, regions, layers, and/or parts are limited by these terms so that they It is self-evident that These terms are used only to distinguish one member, component, region, layer or portion from another region, layer or portion. Accordingly, a first member, component, region, layer, or portion discussed below may refer to a second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.
  • Space-related terms such as “beneath”, “below”, “lower”, “above”, and “upper” refer to an element or feature shown in the drawings and It may be used to facilitate understanding of other elements or features. These space-related terms are for easy understanding of the present invention according to various process conditions or usage conditions of the present invention, and are not intended to limit the present invention. For example, if an element or feature in a figure is turned over, an element or feature described as “below” or “below” becomes “above” or “above”. Accordingly, “lower” is a concept encompassing “upper” or "below”.
  • 1 is a schematically enlarged side cross-sectional view of the structure of a general electrode assembly.
  • 2 is a photograph showing an example of cell damage when an electrode plate of a general electrode assembly is expanded.
  • the stacked electrode assembly 10 includes a negative electrode plate 11 formed by coating a negative active material on both sides of a substrate, and a positive electrode plate 12 formed by coating a positive electrode active material on both sides of a substrate. and a separator 13 inserted between the negative electrode plate 11 and the positive electrode plate 12 are sequentially stacked.
  • a positive electrode substrate tab and a negative electrode substrate tab to which an active material is not applied to be electrically connected to an external electrode terminal are respectively formed. Since the structure and welding method of the positive electrode substrate tab and the negative electrode substrate tab are the same, the positive electrode substrate tab and the negative electrode substrate tab will be described as the substrate tab 14 hereinafter.
  • the substrate tab 14 When the substrate tab 14 is welded, it can be welded by bending the substrate tab 14 to the lowermost end as shown in FIG. To this end, as the distance from the lowermost substrate tab 14 increases, the tab length increases.
  • the pole plates (positive plate and negative plate) of the electrode assembly have different expansion rates depending on the number of repeated charging and discharging, the type of pole plate material, the pole plate material content, and the like.
  • the substrate tab has a fixed welding area (A), and is not designed in consideration of the expansion rate of the electrode plate when setting the length of the substrate tab. Therefore, if the expansion rate of the electrode plate is high, a problem of tearing the electrode plate around the substrate tab may occur.
  • FIG. 2 a photograph showing the electrode plate damage state according to the electrode plate expansion was disclosed.
  • the pole plate 10a when the pole plate 10a is expanded, the pole plate 10a around the base tab 14 fixed by welding is torn (see part B in FIG. 2), or curls are generated at the end.
  • the active material may be detached or the substrate tab 14 may be broken.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view schematically illustrating a structure of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an assembled perspective view of the electrode assembly according to FIG. 3 .
  • 5 is a schematic diagram schematically illustrating a substrate tab of the electrode assembly according to FIGS. 3 and 4 .
  • 6 is a side cross-sectional view schematically enlarged to show the structure of the electrode assembly according to FIG. 4 (hereinafter, based on FIG. 6, the bottom is the first layer, and the electrode plates stacked thereon are described as sequentially increasing in layer number) .
  • the electrode assembly 100 includes a plurality of negative electrode plates 110 and positive electrode plates 120 , and between the negative electrode plates 110 and the positive electrode plates 120 , respectively.
  • a plurality of interposed separators 130 are included.
  • the electrode assembly 100 may be formed in the form of a stack in which the negative electrode plate 110 , the positive electrode plate 120 , and the separator 130 are stacked.
  • the negative electrode plate 110 includes a negative electrode substrate 112 , a negative active material layer 114 , and a negative electrode substrate tab 116 .
  • the negative electrode substrate 112 is called a negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer 114 is formed on both surfaces.
  • a negative electrode substrate tab 116 electrically connected to an external terminal is formed on one side of the negative electrode substrate 112 on which the negative electrode active material layer 114 is not formed.
  • the positive electrode plate 120 includes a positive electrode substrate 122 , a positive electrode active material layer 124 , and a positive electrode substrate tab 126 .
  • the positive electrode substrate 122 is referred to as a positive electrode current collector, and positive electrode active material layers 124 are formed on both surfaces.
  • a positive electrode substrate tab 126 is formed on one side of the positive electrode substrate 122 on which the positive electrode active material layer 124 is not formed.
  • the separator 130 interposed between the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 has a plate shape and insulates the negative active material layer 114 and the positive active material layer 124 so that they are not electrically connected.
  • a separator 130 is disposed between the plurality of negative electrode plates 110 and positive electrode plates 120 , respectively.
  • the negative electrode substrate 112 and the positive electrode substrate 122 are collectively referred to as a substrate 102
  • the negative electrode substrate tab 116 and the positive electrode substrate tab 126 are collectively defined as a substrate tab 104 .
  • the negative electrode substrate tab 116 and the positive electrode substrate tab 126 are formed to be spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • the electrode assembly 100 includes a plurality of negative electrode plates 110 and positive electrode plates 120, and a plurality of separators 130 including negative electrode plate 110 - separator 130 - positive electrode plate 120 - separator ( 130) (the order of the negative and positive plates may be changed).
  • the negative electrode substrate tabs 116 are collected and welded, and the positive electrode substrate tabs 126 are collected and welded to be connected to an external terminal.
  • the negative electrode substrate tab 116 and the positive electrode substrate tab 126 may have the same or similar shape, hereinafter, they will be referred to as the substrate tab 104 for convenience.
  • the structure of the substrate tab 104 described below may be applied to both the negative electrode substrate tab 116 and the positive electrode substrate tab 126 .
  • the substrate tab 104 extends from one side of the substrate 102 , and guide lines may be formed on the substrate tab 104 for convenience of the welding process.
  • the guide line may be formed to guide the welding area (A) where welding is performed when the plurality of substrate tabs 104 are collected and welded.
  • a guide line guiding the welding area A is defined as the first guide line 200 .
  • the first guide line 200 is formed by applying linear pressure on the substrate tab 104 to leave a mark on the surface of the substrate tab 104, or by using a special paint to draw on the surface of the substrate tab 104. can be formed with
  • a second guide line 300 spaced apart from the first guide line 200 and close to the substrate 102 may be additionally formed.
  • the second guide line 300 may be formed only on the substrate tab 104 of the substrate 102 stacked on top of the electrode assembly 100 in the form of a stack.
  • the second guide line 300 is to form a plurality of substrate tabs 104 to be easily folded or bent when the plurality of substrate tabs 104 are collected and welded, as shown in FIG. 6 .
  • the second guide line 300 is not essential (a method of obtaining the formation position of the second guide line will be described later) .
  • the first guide line 200 is formed for guiding the welding area (A).
  • the welding area A is a region from the first guide line 200 to the end of the substrate tab 104 . That is, the welding portion A is formed outside the first guide line 200 .
  • the bottom first substrate tab 104, the third substrate tab 104, and the fifth substrate tab 104 are tabs having the same polarity, and in order to weld them, the substrate tabs 104 are placed at the bottom. It can be collected and welded toward the substrate tab 104 .
  • the length (l1) of the portion where the welding portion (A) is formed may be formed identically (where l3 and l5 are different from b, b ', and b" of FIGS. 7 and 8 to be described later, which will be described later. It is a concept corresponding to l' in FIG. 15).
  • the length (L) of the substrate tab 104 in consideration of the expansion rate of the substrate 102 so that the substrate tab 104 or the substrate 102 around the substrate tab 104 is not damaged even when the substrate 102 is expanded. It is preferable to set Hereinafter, a method of calculating the length L of the substrate tab 104 will be described.
  • FIG. 7 is a view showing elements for calculating the guide line position of the second layer substrate tab in the electrode assembly according to FIG. 6 .
  • FIG. 8 is a view illustrating elements for calculating a guide line position of a third layer substrate tab in the electrode assembly according to FIG. 6 .
  • the length of the substrate tab based on the negative electrode substrate tab 116 will be described (the length of the positive electrode substrate tab may also be calculated in the same way).
  • the negative electrode substrate tab 116a of the first negative electrode plate 110a positioned at the bottom with respect to the bottom is set to a basic length that does not reflect the expansion rate. This is because, in the first negative electrode plate 110a located in the first layer, there is no significant change in the position of the negative electrode substrate tab 116a even if the negative electrode plate expands. However, the lengths of the second negative electrode 110b located in the third layer and the third negative electrode plate 110c located in the fifth layer are set in consideration of the expansion rates of the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 .
  • the lengths (b, b', b") of each of the negative electrode substrate tabs 116a to the bent portion while being gathered to one side are all the same. It means the minimum length by which the electrode tab protrudes.
  • b, b', and b" are defined as the 'minimum protrusion length' of the electrode tab.
  • b, b', and b" portions having the minimum protrusion length are defined as ' It is defined as a protrusion' (b, b', and b" are different from l3 and l5 in FIGS. 5 and 6).
  • the length of each part of the negative electrode substrate tab 116a of the first negative electrode plate 110a and the negative electrode substrate tab 116b of the second negative electrode plate 110b has the following relationship according to the Pythagorean theorem.
  • h' is the height from the negative electrode substrate tab 116a of the first negative electrode plate 110a to the negative electrode substrate tab 116b of the second negative electrode plate 110b.
  • a' is a and h' corresponds to the hypotenuse of an isosceles triangle having a base and a height, respectively, a' is an element necessary for forming the first guide line 200 for welding to the negative electrode substrate tab 116b of the second negative electrode plate 110b am.
  • the length of a' required by the negative electrode substrate tab 116b of the second negative electrode plate 110b can be obtained.
  • the value of a can be known through the length of the existing negative electrode substrate tab 116 without considering the expansion rate, and h' can be obtained as follows with reference to FIG. 7 .
  • N L is the layer number of the stacked negative electrode plate 110 or positive electrode plate 120 (the negative electrode is the reference in FIG. 7), and T n , T p , T S are the negative electrode plate 110 , the positive electrode plate 120 , and the separator, respectively. is the thickness of 130.
  • T nc , T pc are the thickness of the substrate of the negative electrode plate 110 and the substrate of the positive electrode plate 120 , respectively, and are the expansion rates of the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120, respectively.
  • ⁇ (alpha) is a weight for the bending process, and is an arbitrary constant value determined according to the thickness of the electrode assembly 100 stack and the number of layers. So at T p The value obtained by subtracting T pc is the thickness of the positive electrode active material layer, and from T n A value obtained by subtracting T nc is the thickness of the anode active material layer.
  • h' can be obtained according to the above equation, and h" of the third negative electrode plate 110c in FIG. 8 can also be obtained in the same way.
  • a' of the negative electrode substrate tab 116b of the second negative electrode plate 110b can be obtained by the Pythagorean theorem, and accordingly, the negative electrode substrate tab 116 of the second negative electrode plate 110b.
  • the first guide line 200 may be formed.
  • a" of the negative electrode substrate tab 116c of the third negative electrode plate 110c can also be obtained, and the first guide line 200 can be formed on the negative electrode substrate tab 116c of the third negative electrode plate 110c. .
  • the length (a') can be defined as follows.
  • the length of the electrode tab to the first guide line formed on the electrode tab of the N-th electrode (if the second cathode is described as an example, from the end of b' (protrusion) to the first guide line It means the length.
  • the expression for obtaining L N is generalized and expressed as follows.
  • a is the electrode tab length of the electrode plate disposed on the first layer
  • ⁇ is a weight value in consideration of the bending process
  • N is the layer number of the electrode plate.
  • A is the sum of the thickness of the current collector and the sum of the thickness of the separator ( ⁇ current collector thickness + ⁇ separator thickness).
  • the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 expand, the height in the stacking direction of the electrode assembly 100 increases. Therefore, except for the first negative electrode plate 110a, the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 stacked thereon should be manufactured so that the length of the substrate tab 104 also increases as the thickness increases due to expansion.
  • the increase in the length of the substrate tab 104 increases the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 .
  • the length of the substrate tab 104 for each layer should be designed differently according to the expansion rate. This will be described in more detail based on specific examples.
  • FIG. 9 is a graph showing the length of the substrate tab for each layer of the electrode assembly according to FIGS. 7 and 8 for each expansion rate.
  • FIG. 10 is a graph showing the length of the substrate tab for each layer of the electrode assembly according to FIGS. 7 and 8 for each expansion rate.
  • the length of the substrate tab should be set in consideration of the additional length ⁇ of the substrate tab for each layer according to the expansion rate.
  • the additional length ( ⁇ ) of the substrate tab for each layer is obtained by subtracting the length from the length to the first guide line 200 among the length of the substrate tab of the next layer to the first guide line 200 among the length of the substrate tab of the previous layer can
  • the additional length of the substrate tab 104 of the second negative electrode plate 110b of FIG. 7 may be obtained as (a'+b')-(a+b).
  • the addition amount ( ⁇ ) of the substrate tab length of another layer can be obtained.
  • FIGS. 11 to 14 are tables showing the length of the substrate tab according to the electrode plate expansion rate of the electrode assembly according to an embodiment of the present invention (refer to FIGS. 7 and 8 for reference numerals not shown in FIGS. 11 to 14) to be explained).
  • the positive electrode plate of the electrode assembly may be classified into lithium cobalt oxide (LCO), nickel, cobalt, aluminum (NCA), and nickel, cobalt, manganese (NCM) type according to the type of active material.
  • LCO lithium cobalt oxide
  • NCA nickel, cobalt, aluminum
  • NCM nickel, cobalt, manganese
  • FIG. 11 shows that the type of the positive electrode active material is LCO, and when the length of a (part a of the negative electrode substrate tab of the first negative electrode plate) of FIG. 7 is 2 mm, when the weight ⁇ of the bending process is set to 1, the initial electrode plate thickness is
  • This is a table showing the length of the negative electrode substrate tab added by calculating the length addition for each expansion rate of the 100 micron positive electrode plate and the negative electrode plate having an initial electrode plate thickness of 150 microns.
  • the length of the substrate tab 104 is increased according to the expansion rate of the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 compared to the existing substrate tab length that does not consider the expansion rates of the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 . You can see that it should be longer. In particular, as the expansion rate of the electrode plate of the negative electrode plate 110 increases, the length of the substrate tab 104 should also increase accordingly.
  • FIG. 12 shows a positive electrode plate having an initial electrode plate thickness of 140 microns and a negative electrode plate having an initial electrode plate thickness of 210 microns when the type of the positive electrode active material is LCO and a in FIG. 7 is 2 mm, when the weight ⁇ of the bending process is set to 1
  • This is a table showing the length of the negative electrode substrate tab added by calculating the length addition for each expansion rate.
  • the length of the substrate tab 104 required in an embodiment in which the thickness of the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 is increased under the same conditions as in FIG. 11 can be seen.
  • the length of the substrate tab 104 required as the thickness increases is increased, and considering the expansion rate, the substrate tab 104 necessary than the embodiment of FIG. 11 . ) should be longer than the length of the existing substrate tab.
  • FIG. 13 shows a positive electrode plate having an initial electrode plate thickness of 140 microns and a negative electrode plate having an initial electrode plate thickness of 210 microns when the type of the positive electrode active material is LCO and the a in FIG. 7 is 5 mm, when the weight ⁇ of the bending process is set to 1.
  • This is a table showing the length of the negative electrode substrate tab added by calculating the length addition for each expansion rate.
  • the length of the existing substrate tab itself is increased in response to the increased thickness compared to FIG. 11 .
  • the amount of increase in length of the substrate tab 104 is smaller than in the embodiment of FIG. 12
  • the length of the substrate tab 104 required in the embodiment of FIG. 13 also takes into account the expansion rates of the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 . It can be seen that it should be longer than the length of the tab.
  • FIG. 14 shows a positive electrode plate having an initial electrode plate thickness of 140 microns and a negative electrode plate having an initial electrode plate thickness of 210 microns when the type of the positive electrode active material is LCO and the a in FIG. 7 is 5 mm, when the weight ⁇ of the bending process is set to 1.
  • This is a table showing the length of the negative electrode substrate tab added by calculating the length addition for each expansion rate.
  • the length bending process weight of the existing substrate tab is increased in response to the increased thickness compared to FIG. 11 .
  • the length of the substrate tab 104 is increased by increasing the weight of the bending process, but the embodiment of FIG. 14 also considers the expansion rate of the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120. It can be seen that the length should also be longer than the length of the existing substrate tab.
  • the length of the substrate tab 104 should increase as the number of stacked layers of the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 and the initial thickness of the substrate 102 increase, and the negative electrode plate It can be seen that the length of the substrate tab 104 needs to be further increased in consideration of the expansion rates of 110 and the positive electrode plate 120 .
  • the above-described second guide line 300 may be formed on the substrate tab 104 if necessary.
  • the second guide line 300 is also formed by linearly applying pressure on the substrate tab 104 to leave a mark on the surface of the substrate tab 104, or by using a special paint to draw on the surface of the substrate tab 104, etc. can be formed with
  • the substrate tab 104 protrudes from the substrate 102 and extends to the bent portion (l3, l5, hereinafter the length of the bent portion l′).
  • the bent portion can be designed to be gradually longer than the length (l') of the bent portion of the previous layer.
  • FIG. 15 is a view showing elements for calculating a position of a second guide line in the electrode assembly according to FIG. 5 of the present invention.
  • the first electrode from the bottom may be the first negative electrode plate 110a
  • the second electrode may be the positive electrode plate
  • the third electrode may be the second negative electrode plate 110b.
  • Let h be the height to .
  • the negative electrode substrate tab 116c at the third negative electrode plate 110c position. requires an increase in length as much as the length of the bent portion (l'). Since the portion protruding by the length of the bent portion (l') is a bent portion, the second guide line 300 may be formed in the corresponding portion of the negative electrode substrate tab 116 .
  • h', l', and ⁇ (the angle between the height h and the bent portion) reflecting the expansion rates of the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 have the following relationship.
  • h' can be obtained as follows with reference to FIG. 15 .
  • N L is the layer number of the stacked negative electrode plate 110 or the positive electrode plate 120 (in FIG. 15, the negative electrode is a reference), and T n , T p , T S are the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120 , respectively. ), the thickness of the separator 130 .
  • T nc , T pc are the thickness of the substrate of the negative electrode plate 110 and the substrate of the positive electrode plate 120 , respectively, and are the expansion rates of the negative electrode plate 110 and the positive electrode plate 120, respectively. So at T p The value obtained by subtracting T pc is the thickness of the positive electrode active material layer, and from T n A value obtained by subtracting T nc is the thickness of the anode active material layer.
  • ⁇ may be determined according to the thickness of the electrode assembly 100 stack, the number of layers, and the bendable free space.
  • the range of the ⁇ angle proposed in this embodiment is in the range of 0 to 40 degrees (0 ⁇ ⁇ ⁇ 40). However, if necessary, the range of the ⁇ angle may be 40 degrees or more.
  • the length of the bent portion (l') necessary for forming the second guide line 300 guiding the bent position of the substrate tab 104 can be obtained. Therefore, in designing the length of the substrate tab 104, it is possible to calculate the position of the second guide line 300 in consideration of the expansion rate of the electrode plate.
  • the present invention may be applied to an electrode assembly, a secondary battery or battery having an electrode assembly, and a battery module.

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Abstract

본 발명의 목적은 충방전 과정에서 극판의 팽창에 따른 손상을 방지하여 안정성이 향상된 전극 조립체를 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 전극 탭에 극판 팽창율을 고려하여 용접 부위를 가이드하는 가이드 라인이 구비되므로 반복적인 충방전 과정에서 극판의 팽창에 따른 손상을 방지하는 효과가 있다.

Description

전극 조립체
본 발명의 실시예는 이차전지용 전극 조립체에 관한 것이다.
통상적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이차 전지는 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 전지들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 전지 모듈의 형태로 사용되기도 한다.
이차 전지가 휴대폰, 노트북 컴퓨터와 같은 소형 전자 장치의 전원으로 사용되는 것을 넘어서, 하이브리드 자동차와 같이 대형 운송 수단에 사용됨에 따라, 고출력, 고용량의 전지에 대한 수요가 급증하고 있다.
전자 장치 또는 운송 수단에 충분한 전력을 공급하기 위해서는 이차 전지 자체의 구조가 안정적으로 설계되어야 한다. 특히 이차 전지의 반복적인 충전 및 방전 시 전극 조립체의 극판 찢어짐이나 기재탭의 끊어짐 등의 문제가 발생하여 셀 안정성이 저하되는 문제를 해결하기 위한 방법이 필요하다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 목적은 충방전 과정에서 극판의 팽창에 따른 손상을 방지하여 안정성이 향상된 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체는 기재탭을 구비하며, 상기 기재탭 상에 용접 위치를 안내하는 제1 가이드 라인이 형성된 복수의 극판; 및 상기 극판의 사이에 개재되는 복수의 세퍼레이터를 포함하고, N번째 극판에서 상기 가이드 라인까지의 상기 기재탭의 길이(LN)는 수식
Figure PCTKR2021003373-appb-I000001
(a: 가장 첫번째 레이어에 배치된 극판의 기재탭 길이, α: 절곡 공정을 고려한 가중치 값, N은 극판의 레이어 번호,
Figure PCTKR2021003373-appb-I000002
: 해당 극판의 팽창율, A: ∑집전체 두께+∑세퍼레이터 두께)
으로부터 구해지는 것을 특징으로 한다.
상기 기재탭은 상기 세퍼레이터의 외측으로 노출되는 돌출 최소 길이를 갖는 돌출부를 포함한다.
상기 기재탭의 길이(L4)는 상기 돌출부에서 상기 제1 가이드 라인까지의 길이인 것이 특징이다.
상기 기재탭 상에는 상기 기재탭이 절곡되는 위치를 안내하는 제2 가이드 라인이 형성되는 것이 특징이다.
상기 기재탭은 상기 세퍼레이터의 외측으로 노출되는 돌출 최소 길이를 갖는 돌출부를 포함한다.
상기 기재탭은 상기 돌출부로부터 상기 제2 가이드 라인까지의 길이(ℓ')가 상기 극판의 적층 수가 증가할수록 커지는 것이 특징이다.
또한, 본 발명은 용접 위치를 안내하는 가이드 라인이 형성된 기재탭이 구비되고, 복수 개가 적층되는 극판; 및 상기 극판 사이에 각각 개재되는 복수의 세퍼레이터를 포함하고, 상기 기재탭은 상기 세퍼레이터의 외측으로 노출되는 돌출 최소 길이를 갖는 돌출부를 포함하며, N번째 극판의 기재탭의 상기 돌출부의 단부에서 상기 가이드 라인까지의 길이는 N-1번째 극판의 기재탭의 상기 돌출부의 단부에서 상기 가이드 라인까지의 길이보다 길거나 같고, N+1번째 극판의 기재탭의 상기 돌출부의 단부에서 상기 가이드 라인까지의 길이보다 짧거나 같은 것을 특징으로 하는 전극 조립체를 제공한다.
상기 N번째 극판의 기재탭의 상기 돌출부의 단부에서 상기 가이드 라인까지의 길이(LN)는 수식
Figure PCTKR2021003373-appb-I000003
(a: 가장 첫번째 레이어에 배치된 극판의 기재탭 길이, α: 절곡 공정을 고려한 가중치 값, N은 극판의 레이어 번호,
Figure PCTKR2021003373-appb-I000004
: 해당 극판의 팽창율, A: ∑집전체 두께+∑세퍼레이터 두께)
으로부터 구해지는 것을 특징으로 한다.
상기 기재탭 상에는 상기 기재탭이 절곡되는 위치를 안내하는 절곡 가이드 라인이 형성되는 것이 특징이다.
상기 기재탭은 상기 돌출부로부터 상기 절곡 가이드 라인까지의 길이(ℓ')가 상기 극판의 적층 수가 증가할수록 커지는 것이 특징이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극 탭에 극판 팽창율을 고려하여 용접 부위를 가이드하는 가이드 라인이 구비되므로 반복적인 충방전 과정에서 극판의 팽창에 따른 손상을 방지하는 효과가 있다.
본 발명은 극판의 팽창율을 고려해 용접 가이드 라인을 형성하므로, 충방전 시 실리콘계 소재가 적용된 음극판의 높은 팽창율에도 대응이 가능해 극판 손상 방지는 물론 전극 조립체의 안정성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전극 조립체의 구조를 개략적으로 확대 도시한 측단면도이다.
도 2는 일반적인 전극 조립체의 극판 팽창 시 셀 손상 예를 보여주는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 구조를 간략하게 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 따른 전극 조립체의 결합 사시도이다.
도 5는 도 3 및 도 4에 따른 전극 조립체의 기재탭을 간략하게 도시한 모식도이다.
도 6은 도 4에 따른 전극 조립체의 구조를 개략적으로 확대 도시한 측단면도이다.
도 7은 도 6에 따른 전극 조립체에서 제2 레이어 기재탭의 제1 가이드 라인 위치 산정을 위한 요소를 도시한 도면이다.
도 8은 도 6에 따른 전극 조립체에서 제3 레이어 기재탭의 제1 가이드 라인 위치 산정을 위한 요소를 도시한 도면이다.
도 9는 도 7 및 도 8에 따른 전극 조립체의 레이어 별 기재탭의 길이를 팽창율 별로 도시한 그래프이다.
도 10은 도 7 및 도 8에 따른 전극 조립체의 레이어 별 기재탭의 길이 추가분을 팽창율 별로 도시한 그래프이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 극판 팽창율 별 기재탭의 길이를 나타낸 표이다.
도 15는 본 발명의 도 5에 따른 전극 조립체에서 제2 가이드 라인 위치 산정을 위한 요소를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 따른 전극 조립체에 대해 설명하기에 앞서, 일반적인 전극 조립체 구조에 대해 먼저 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 전극 조립체의 구조를 개략적으로 확대 도시한 측단면도이다. 도 2는 일반적인 전극 조립체의 극판 팽창 시 셀 손상 예를 보여주는 사진이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 스택형 전극 조립체(10)는 기재의 양면에 음극 활물질이 도포되어 형성되는 음극판(11)과, 기재의 양면에 양극 활물질이 도포되어 형성되는 양극판(12)과, 음극판(11) 및 양극판(12)의 사이에 삽입되는 세퍼레이터(13)가 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 음극판(11) 및 양극판(12)의 일측 단부에는 외부 전극 단자와 전기적으로 연결되기 위해 활물질이 도포되지 않은 양극 기재탭 및 음극 기재탭이 각각 형성된다. 양극 기재탭 및 음극 기재탭의 구조와 용접 방법은 동일하므로 이하에서는 양극 기재탭 및 음극 기재탭을 통틀어 기재탭(14)으로 설명한다.
기재탭(14)의 용접 시, 도 1을 기준으로 최하단 쪽으로 절곡해 밀착시킨 후 밀착된 부위를 모아 용접할 수 있다. 이를 위해, 최하단 기재탭(14)에서 멀어질수록 탭 길이가 길어지게 된다.
전극 조립체의 극판(양극판 및 음극판)은 충전 및 방전을 반복 회수, 극판 소재의 종류, 극판 소재 함량 등에 따라 팽창율이 달라진다. 그러나 기재탭은 용접 부위(A)가 고정되어 있으며, 기재탭의 길이 설정 시 극판의 팽창율까지 고려하여 설계되지 않는다. 따라서 극판의 팽창율이 높으면, 기재탭 주변 부위의 극판이 찢어지는 문제가 발생할 수 있다. 도 2에 극판 팽창에 따른 극판 손상 상태를 예시적으로 보여주는 사진을 개시하였다.
도 2에서와 같이, 극판(10a)이 팽창되면 용접으로 고정되어 있는 기재탭(14) 주변의 극판(10a)이 찢어지거나(도 2의 B 부분 참조), 단부에 컬(curl)이 발생해 활물질이 탈리되거나, 기재탭(14)이 끊어지는 문제가 발생할 수 있다.
최근에는 고용량 이차 전지의 제공을 위해 음극판의 활물질층에 실리콘 소재를 적용하는 경우가 늘고 있어, 그라파이트를 단독 사용한 음극판에 비해 활물질층의 팽창율이 높아 이러한 문제의 발생 빈도가 높아지고 있다.
따라서 팽창율이 높은 실리콘(Si) 소재를 적용한 음극판을 사용하더라도 극판이나 기재탭의 손상을 방지할 수 있도록 전극 조립체를 설계할 필요가 있다.
이하에서는 전술한 문제를 해결할 수 있는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 구조를 간략하게 도시한 분해 사시도이다. 도 4는 도 3에 따른 전극 조립체의 결합 사시도이다. 도 5는 도 3 및 도 4에 따른 전극 조립체의 기재탭을 간략하게 도시한 모식도이다. 도 6은 도 4에 따른 전극 조립체의 구조를 개략적으로 확대 도시한 측단면도이다(이하에서는 도 6을 기준으로 맨 아래가 첫번째 레이어, 그 위로 적층되는 극판들은 순차적으로 레이어 번호가 높아지는 것으로 설명한다).
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체(100)는 복수의 음극판(110) 및 양극판(120), 음극판(110) 및 양극판(120)의 사이에 각각 개제되는 복수의 세퍼레이터(130)를 포함한다. 전극 조립체(100)는 음극판(110), 양극판(120), 세퍼레이터(130)가 적층된 스택(stack) 형태로 형성될 수 있다.
음극판(110)은 음극 기재(112)와 음극 활물질층(114) 및 음극 기재탭(116)으로 구성된다. 음극 기재(112)는 음극 집전체라고 하며, 양면에 음극 활물질층(114)이 형성된다. 음극 활물질층(114)이 형성되지 않은 음극 기재(112)의 일측에 외부 단자와 전기적으로 연결되는 음극 기재탭(116)이 형성된다.
양극판(120)은 양극 기재(122)와 양극 활물질층(124) 및 양극 기재탭(126)으로 구성된다. 양극 기재(122)는 양극 집전체라고 하며, 양면에 양극 활물질층(124)이 형성된다. 양극 활물질층(124)이 형성되지 않은 양극 기재(122)의 일측에 양극 기재탭(126)이 형성된다.
음극판(110)과 양극판(120)의 사이에 개재되는 세퍼레이터(130)는 판상으로, 음극 활물질층(114)과 양극 활물질층(124)이 전기적으로 연결되지 않도록 절연한다. 복수의 음극판(110)과 양극판(120) 사이에는 각각 세퍼레이터(130)가 배치된다.
음극 기재(112)와 양극 기재(122)를 합쳐 기재(102)라고 하고, 음극 기재탭(116)과 양극 기재탭(126)을 합쳐 기재탭(104)이라고 정의한다. 음극판(110)과 양극판(120)이 세퍼레이터(130)를 사이에 두고 배치된 상태에서, 음극 기재탭(116)과 양극 기재탭(126)은 서로 소정 간격 이격되도록 형성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(100)는 복수의 음극판(110) 및 양극판(120), 복수의 세퍼레이터(130)가 음극판(110)-세퍼레이터(130)-양극판(120)-세퍼레이터(130) 순으로 적층된다(음극판 및 양극판의 순서는 변경될 수 있다). 이렇게 적층된 상태에서 음극 기재탭(116)을 하나로 모아 용접하고, 양극 기재탭(126)을 하나로 모아 용접하여 외부 단자와 연결하게 된다.
음극 기재탭(116)과 양극 기재탭(126)은 물리적으로 동일하거나 유사한 형상을 가질 수 있으므로, 이하에서는 편의상 이들을 기재탭(104)으로 지칭하여 설명하기로 한다. 이하에서 설명하는 기재탭(104)의 구조는 음극 기재탭(116) 및 양극 기재탭(126)에 모두 적용될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기재탭(104)은 기재(102)의 일측으로부터 연장되며, 용접 공정의 편의를 위해 기재탭(104) 상에 가이드 라인을 형성할 수 있다.
예를 들어, 가이드 라인은 복수의 기재탭(104)을 모아 용접할 때 용접이 이루어지는 용접 부위(A)를 안내하기 위해 형성될 수 있다. 용접 부위(A)를 안내하는 가이드 라인을 제1 가이드 라인(200)으로 정의한다.
제1 가이드 라인(200)은 기재탭(104) 상에 선형으로 압력을 가해 기재탭(104)의 표면에 자국이 남도록 형성하거나, 특수 도료를 이용해 기재탭(104) 표면에 그리는 방법 등 여러 방법으로 형성할 수 있다.
필요에 따라 제1 가이드 라인(200)과 이격되고 기재(102) 쪽에 가까운 제2 가이드 라인(300)을 추가로 형성할 수도 있다. 제2 가이드 라인(300)의 경우, 스택 형태의 전극 조립체(100)의 위쪽에 적층된 기재(102)의 기재탭(104)에만 형성될 수 있다. 제2 가이드 라인(300)은 복수의 기재탭(104)을 모아 용접할 때, 도 6에서와 같이 위쪽에 배치된 기재탭(104)이 접히거나 절곡되기 쉽도록 형성하는 것이다. 그러나 위쪽에 배치된 기재탭(104)이 반드시 접히거나 절곡된 후에 용접되는 것은 아니므로 제2 가이드 라인(300)은 필수적인 것은 아니다(제2 가이드 라인의 형성 위치를 구하는 방법은 후술하기로 한다).
도 6을 참조하면, 제1 가이드 라인(200)은 용접 부위(A)의 안내를 위해 형성된다. 용접 부위(A)는 제1 가이드 라인(200)에서 기재탭(104)의 단부까지의 영역이 된다. 즉, 제1 가이드 라인(200)의 외측으로 용접 부위(A)가 형성되는 것이다.
예를 들어, 맨 아래쪽 1번째 기재탭(104), 3번째 기재탭(104), 5번째 기재탭(104)은 동일한 극성을 갖는 탭이며, 이들을 용접하기 위해 기재탭(104)들을 맨 아래 쪽 기재탭(104) 쪽으로 모아 용접할 수 있다. 이때, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 3번째 기재탭(104)의 길이(L2=ℓ1+ℓ2+ℓ3)는 1번째 기재탭(104)의 길이(L1)보다 길고, 5번째 기재탭(104)의 길이(L3=ℓ1+ℓ4+ℓ5)는 3번째 기재탭(104)의 길이(L2) 보다 길게 형성되어야 한다. 또한, 용접 부위(A)가 형성되는 부분의 길이(ℓ1)는 동일하게 형성될 수 있다(여기서 ℓ3, ℓ5는 후술할 도 7 및 도 8의 b, b', b"와는 상이한 것이며, 후술할 도 15의 ℓ'에 대응하는 개념이다).
특히, 기재(102)의 팽창 시에도 기재탭(104)이나 기재탭(104) 주변의 기재(102)이 손상되지 않도록 기재(102)의 팽창율을 고려하여 기재탭(104)의 길이(L)를 설정하는 것이 바람직하다. 이하에서는 기재탭(104)의 길이(L)를 산정하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 7은 도 6에 따른 전극 조립체에서 제2 레이어 기재탭의 가이드 라인 위치 산정을 위한 요소를 도시한 도면이다. 도 8은 도 6에 따른 전극 조립체에서 제3 레이어 기재탭의 가이드 라인 위치 산정을 위한 요소를 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하여 설명함에 있어, 편의상 음극 기재탭(116)을 기준으로 기재탭의 길이를 산정하는 방법에 대해 설명한다(양극 기재탭 역시 동일한 방법으로 길이를 산정할 수 있다).
도 7에 도시된 바와 같이, 아래쪽을 기준으로 맨 아래에 위치한 제1 음극판(110a)의 음극 기재탭(116a)은 팽창율을 반영하지 않은 기본 길이로 설정된다. 첫번째 층에 위치한 제1 음극판(110a)은 음극판이 팽창하더라도 음극 기재탭(116a)의 위치에 큰 변화가 없기 때문이다. 그러나 세번째 층에 위치한 제2 음극(110b) 및 다섯번째 층에 위치한 제3 음극판(110c)은 음극판(110) 및 양극판(120)의 팽창율을 모두 고려하여 그 길이를 설정하게 된다.
전제 조건으로, 각각의 음극 기재탭(116a)이 한쪽으로 모이면서 절곡되는 부분까지의 길이(b, b', b")는 모두 동일하다. 여기서, b, b', b"는 세퍼레이터 외부로 전극 탭이 돌출되도록 하는 최소 길이를 의미하며, 이하 b, b', b"를 전극 탭의 '돌출 최소 길이'로 정의한다. 또한, 돌출 최소 길이를 갖는 b, b', b"부분을 '돌출부'로 정의한다(b, b', b"는 도 5 및 도 6의 ℓ3, ℓ5와는 상이한 것임).
이 때, 피타고라스의 정리에 의해 제1 음극판(110a)의 음극 기재탭(116a) 및 제2 음극판(110b)의 음극 기재탭(116b)의 각 부분 길이는 아래와 같은 관계를 갖는다.
[수식 1]
Figure PCTKR2021003373-appb-I000005
여기서 a는 제1 음극판(110a)의 음극 기재탭(116a) 길이 중 제1 가이드 라인(200)까지의 길이에서 돌출 최소 길이(b)를 뺀 것이다(제1 음극판의 음극 기재탭은 절곡되지 않으나 b=b'=b"이므로). h'는 제1 음극판(110a)의 음극 기재탭(116a)에서 제2 음극판(110b)의 음극 기재탭(116b)까지의 높이이다. a'는 a와 h'를 각각 밑변과 높이로 하는 이등변 삼각형의 빗변에 해당한다. a'는 제2 음극판(110b)의 음극 기재탭(116b)에 용접을 위한 제1 가이드 라인(200)을 형성하기 위해 필요한 요소이다.
피타고라스 정리에 따라 a와 h'의 값을 알면 제2 음극판(110b)의 음극 기재탭(116b)에서 필요로 하는 a'의 길이를 구할 수 있다. a의 값은 팽창율을 고려하지 않은 기존 음극 기재탭(116)의 길이를 통해 알 수 있고, h'는 도 7을 참조하여 아래와 같이 구할 수 있다.
[수식 2]
Figure PCTKR2021003373-appb-I000006
여기서 NL은 적층된 음극판(110) 또는 양극판(120)의 레이어 번호(도 7에서는 음극이 기준임)이고, Tn, Tp, TS는 각각 음극판(110), 양극판(120), 세퍼레이터(130)의 두께이다. 또한, Tnc, Tpc는 각각 음극판(110)의 기재 및 양극판(120)의 기재의 두께이고,
Figure PCTKR2021003373-appb-I000007
및
Figure PCTKR2021003373-appb-I000008
는 각각 음극판(110) 및 양극판(120)의 팽창율이다. α(알파)는 절곡 공정을 위한 가중치로, 전극 조립체(100) 스택의 두께 및 레이어의 수에 따라 결정되는 임의의 상수 값이다. 따라서 Tp에서 Tpc를 뺀 값은 양극 활물질층의 두께이고, Tn에서 Tnc를 뺀 값은 음극 활물질층의 두께이다.
전술한 수식에 따라 h'를 구할 수 있으며, 동일한 방법으로 도 8에서 제3 음극판(110c)의 h" 역시 구할 수 있다.
이렇게 h'가 구해지면, 전술한 바와 같이 피타고라스 정리에 의해 제2 음극판(110b)의 음극 기재탭(116b)의 a'를 구할 수 있고, 그에 따라 제2 음극판(110b)의 음극 기재탭(116)에 제1 가이드 라인(200)을 형성할 수 있다. 동일한 방법으로 제3 음극판(110c)의 음극 기재탭(116c)의 a" 역시 구할 수 있으며, 제3 음극판(110c)의 음극 기재탭(116c)에 제1 가이드 라인(200)을 형성할 수 있다.
또한, 제2 음극판(110b)의 음극 기재탭(116b)을 기준으로 할 때, 돌출 최소 길이(b')를 갖는 돌출부의 단부에서 제1 가이드 라인(200)까지의 음극 기재탭(116b)의 길이(a')는 아래와 같이 정의할 수 있다.
[수식 3]
Figure PCTKR2021003373-appb-I000009
위의 수식 2 및 3을 바탕으로 N번째 전극의 전극 탭에 형성되는 제1 가이드 라인까지의 전극탭 길이(제2 음극을 예로 설명하면, b'(돌출부)의 단부에서 제1 가이드 라인까지의 길이를 의미함. 이하 LN)를 구하는 식을 일반화하여 표현하면 다음과 같다.
[수식 4]
Figure PCTKR2021003373-appb-I000010
여기서 a는 가장 첫번째 레이어에 배치된 전극판의 전극 탭 길이이고, α는 절곡 공정을 고려한 가중치 값이며, N은 전극판의 레이어 번호이다.
Figure PCTKR2021003373-appb-I000011
는 해당 전극판의 팽창율이고, A는 집전체 두께의 합과 세퍼레이터 두께의 합을 더한 것이다(∑집전체 두께+∑세퍼레이터 두께).
음극판(110) 및 양극판(120)이 팽창하게 되면 전극 조립체(100)의 적층 방향 높이가 증가하게 된다. 따라서 제1 음극판(110a)을 제외하고 그 위로 적층되는 음극판(110) 및 양극판(120)들은 팽창에 의해 두께가 증가되는 만큼 기재탭(104)의 길이 역시 증가하도록 제작되어야 한다. 특히, 음극판(110)의 사이에 양극판(120)이 배치되고, 양극판(120)의 사이에는 음극판(110)이 배치되는 만큼, 기재탭(104)의 길이 증가는 음극판(110) 및 양극판(120)의 팽창이 함께 고려되어야 한다. 특히 음극에 실리콘(Si)과 같은 고팽창 소재를 사용하는 경우, 그 팽창율에 따라 각 층별 기재탭(104)의 길이를 달리 설계해야 한다. 이에 대해 구체적인 예시를 근거로 좀더 상세히 설명하기로 한다.
도 9는 도 7 및 도 8에 따른 전극 조립체의 레이어 별 기재탭의 길이를 팽창율 별로 도시한 그래프이다. 도 10은 도 7 및 도 8에 따른 전극 조립체의 레이어 별 기재탭의 길이 추가분을 팽창율 별로 도시한 그래프이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 도 7 및 8에 예시적으로 도시한 음극판(110)을 기준으로 볼 때, 적층되는 전극 조립체의 스택 레이어 번호가 커질수록(도 7 기준으로 맨 아래에서 위로 적층 될수록) 해당 레이어 별 기재탭의 길이는 길어져야 한다. 동일한 스택 레이어라도 팽창율이 높을수록 기재탭의 길이는 길어져야 한다.
따라서 도 10에 도시된 바와 같이, 팽창율에 따른 레이어 별 기재탭의 길이 추가분(α)을 고려해 기재탭의 길이를 설정해야 한다. 각 레이어 별 기재탭의 길이 추가분(α)은 다음 레이어의 기재탭 길이 중 제1 가이드 라인(200)까지의 길이에서 이전 레이어의 기재탭 길이 중 제1 가이드 라인(200)까지의 길이를 빼서 구할 수 있다. 예를 들어, 도 7의 제2 음극판(110b)의 기재탭(104) 길이 추가분은 (a'+b')-(a+b)로 구할 수 있다. 동일한 방법으로 다른 레이어의 기재탭 길이 추가분(α)을 구할 수 있다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체의 극판 팽창율 별 기재탭의 길이를 나타낸 표이다(도 11 내지 도 14에 도시되지 않은 구성의 도면 부호는 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하기로 한다).
전극 조립체의 양극판은 활물질의 종류에 따라 LCO(리튬 코발트 옥사이드), NCA(니켈, 코발트, 알루미늄), NCM(니켈, 코발트, 망간) 타입 등으로 구분될 수 있다.
도 11은 양극 활물질의 종류가 LCO이고, 도 7의 a(제1 음극판의 음극 기재탭 중 a 부분)의 길이가 2mm일 경우, 절곡 공정의 가중치 α를 1로 설정했을 때, 초기 극판 두께가 100 마이크론인 양극판과 초기 극판 두께가 150 마이크론인 음극판의 팽창율 별로 길이 추가분을 계산해 더한 음극 기재탭의 길이를 나타내는 표이다.
도 11을 참조하면, 음극판(110) 및 양극판(120)의 팽창율을 고려하지 않은 기존의 기재 탭 길이에 비해, 음극판(110) 및 양극판(120)의 팽창율에 따라 기재탭(104)의 길이가 길어져야 함을 알 수 있다. 특히 음극판(110)의 극판 팽창율이 증가할수록 그에 따른 기재탭(104)의 길이 역시 길어져야 한다.
도 12는 양극 활물질의 종류가 LCO이고, 도 7의 a가 2mm일 경우, 절곡 공정의 가중치 α를 1로 설정했을 때, 초기 극판 두께가 140 마이크론인 양극판과 초기 극판 두께가 210 마이크론인 음극판의 팽창율 별로 길이 추가분을 계산해 더한 음극 기재탭의 길이를 나타내는 표이다.
도 12를 참조하면, 도 11과 동일한 조건에 음극판(110) 및 양극판(120)의 두께가 더 두꺼워진 실시 예에서 필요한 기재탭(104)의 길이를 알 수 있다. 도 12에 따르면, 음극판(110) 및 양극판(120)의 두께가 두꺼워지면 두께의 증가만큼 필요한 기재탭(104)의 길이가 길어지며, 팽창율까지 고려하면 도 11의 실시 예 보다 필요한 기재탭(104)의 길이가 기존 기재탭의 길이보다 더 길어져야 함을 알 수 있다.
도 13은 양극 활물질의 종류가 LCO이고, 도 7의 a가 5mm일 경우, 절곡 공정의 가중치 α를 1로 설정했을 때, 초기 극판 두께가 140 마이크론인 양극판과 초기 극판 두께가 210 마이크론인 음극판의 팽창율 별로 길이 추가분을 계산해 더한 음극 기재탭의 길이를 나타내는 표이다.
도 13은 도 11에 비해 두꺼워진 두께에 대응하여 기존 기재탭의 길이 자체를 증가시킨 실시 예이다. 도 12의 실시 예에서보다 기재탭(104)의 길이 증가량은 적으나, 도 13의 실시 예 역시 음극판(110) 및 양극판(120)의 팽창율을 고려하면 필요한 기재탭(104)의 길이 역시 기존 기재탭의 길이보다 더 길어져야 함을 알 수 있다.
도 14는 양극 활물질의 종류가 LCO이고, 도 7의 a가 5mm일 경우, 절곡 공정의 가중치 α를 1로 설정했을 때, 초기 극판 두께가 140 마이크론인 양극판과 초기 극판 두께가 210 마이크론인 음극판의 팽창율 별로 길이 추가분을 계산해 더한 음극 기재탭의 길이를 나타내는 표이다.
도 14는 도 11에 비해 두꺼워진 두께에 대응하여 기존 기재탭의 길이 절곡 공정 가중치를 증가시킨 실시 예이다. 도 14를 참조하면, 절곡 공정 가중치를 증가시켜 기재탭(104)의 길이를 증가시켰으나, 도 14의 실시 예 역시 음극판(110) 및 양극판(120)의 팽창율을 고려하면 필요한 기재탭(104)의 길이 역시 기존 기재탭의 길이보다 더 길어져야 함을 알 수 있다.
즉, 도 11 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 기재탭(104)의 길이는 음극판(110) 및 양극판(120)의 적층 레이어 수 및 기재(102)의 초기 두께가 증가할수록 길어져야 하며, 음극판(110) 및 양극판(120)의 팽창율을 고려하면 기재탭(104)의 길이를 추가로 증가시켜야 함을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 음극판 및 양극판의 팽창율을 고려하여 기재탭의 길이를 팽창율을 고려하지 않았을 때의 길이보다 증가시킴으로써 극판의 팽창에 따른 기재탭 부근의 극판 찢어짐과 같은 손상을 방지할 수 있다. 또한, 극판의 팽창율을 고려하여 기재탭의 길이를 설계하므로 극판의 팽창에 따른 기재탭의 파손 역시 방지할 수 있다.
한편, 도 5에 도시한 바와 같이, 필요에 따라 전술한 제2 가이드 라인(300)을 기재탭(104) 상에 형성할 수도 있다. 제2 가이드 라인(300) 역시 기재탭(104) 상에 선형으로 압력을 가해 기재탭(104)의 표면에 자국이 남도록 형성하거나, 특수 도료를 이용해 기재탭(104) 표면에 그리는 방법 등 여러 방법으로 형성할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기재(102)이 적층되는 레이어가 증가할수록 기재탭(104)은 기재(102)에서부터 돌출되어 절곡되는 부분까지의 길이(ℓ3, ℓ5, 이하 절곡부 길이 ℓ')는 이전 레이어의 절곡부 길이(ℓ')보다 점차 길어지도록 설계할 수 있다.
도 15는 본 발명의 도 5에 따른 전극 조립체에서 제2 가이드 라인 위치 산정을 위한 요소를 도시한 도면이다.
도 15에서 맨 아래에서 1번째 전극이 제1 음극판(110a), 2번째 전극이 양극판, 3번째 전극이 제2 음극판(110b)일 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 음극판(110) 및 양극판(120)이 팽창되지 않은 상태에서 제1 음극판(110a)의 음극 기재탭(116a)에서 제2 음극판(110b)의 음극 기재탭(116b)까지의 높이를 h라고 할 수 있다. 음극판(110) 및 양극판(120)이 팽창되어 제2 음극판(110b)이 점선으로 표시한 제3 음극판(110c)의 위치까지 상승할 경우, 제3 음극판(110c) 위치의 음극 기재탭(116c)은 절곡부 길이(ℓ') 만큼의 길이 증가분이 필요하다. 절곡부 길이(ℓ') 만큼 돌출된 부분이 절곡되는 부분이므로, 음극 기재탭(116)의 해당 부위에 제2 가이드 라인(300)을 형성할 수 있다.
여기서 음극판(110) 및 양극판(120)의 팽창율을 반영한 h'와 ℓ', θ(높이 h와 절곡되는 부분 사이의 각도)는 아래와 같은 관계를 갖는다.
[수식 5]
Figure PCTKR2021003373-appb-I000012
h'는 도 15를 참조하여 아래와 같이 구할 수 있다.
[수식 6]
Figure PCTKR2021003373-appb-I000013
여기서 NL은 적층된 음극판(110) 또는 양극판(120)의 층(layer) 번호(도 15에서는 음극이 기준임)이고, Tn, Tp, TS는 각각 음극판(110), 양극판(120), 세퍼레이터(130)의 두께이다. 또한, Tnc, Tpc는 각각 음극판(110)의 기재 및 양극판(120)의 기재의 두께이고,
Figure PCTKR2021003373-appb-I000014
및
Figure PCTKR2021003373-appb-I000015
는 각각 음극판(110) 및 양극판(120)의 팽창율이다. 따라서 Tp에서 Tpc를 뺀 값은 양극 활물질층의 두께이고, Tn에서 Tnc를 뺀 값은 음극 활물질층의 두께이다. 또한, θ는 전극 조립체(100) 스택의 두께 및 레이어의 수, 절곡 가능 여유 공간에 따라 결정될 수 있다. 본 실시 예에서 제안하는 θ 각도의 범위는 0에서 40도(0 ≤ θ ≤ 40) 범위이다. 그러나 필요에 따라 θ 각도의 범위는 40도 이상이 될 수도 있다.
전술한 수식에 의해 h'및 tan θ를 구할 수 있으므로, 기재탭(104)의 절곡 위치를 가이드하는 제2 가이드 라인(300)의 형성에 필요한 절곡부 길이(ℓ')를 구할 수 있다. 따라서 기재탭(104)의 길이를 설계함에 있어 극판의 팽창율을 고려한 제2 가이드 라인(300)의 위치를 산출할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
본 발명은 전극 조립체, 전극 조립체를 갖는 이차전지 또는 배터리, 배터리 모듈에 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 기재탭을 구비하며, 상기 기재탭 상에 용접 위치를 안내하는 제1 가이드 라인이 형성된 복수의 극판; 및
    상기 극판의 사이에 개재되는 복수의 세퍼레이터를 포함하고,
    N번째 극판에서 상기 가이드 라인까지의 상기 기재탭의 길이(LN)는 수식
    Figure PCTKR2021003373-appb-I000016
    (a: 가장 첫번째 레이어에 배치된 극판의 기재탭 길이, α: 절곡 공정을 고려한 가중치 값, N은 극판의 레이어 번호,
    Figure PCTKR2021003373-appb-I000017
    : 해당 극판의 팽창율, A: ∑집전체 두께+∑세퍼레이터 두께)
    으로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기재탭은 상기 세퍼레이터의 외측으로 노출되는 돌출 최소 길이를 갖는 돌출부를 포함하는 전극 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기재탭의 길이(L4)는 상기 돌출부에서 상기 제1 가이드 라인까지의 길이인 전극 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기재탭 상에는 상기 기재탭이 절곡되는 위치를 안내하는 제2 가이드 라인이 형성되는 전극 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기재탭은 상기 세퍼레이터의 외측으로 노출되는 돌출 최소 길이를 갖는 돌출부를 포함하는 전극 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기재탭은 상기 돌출부로부터 상기 제2 가이드 라인까지의 길이(ℓ')가 상기 극판의 적층 수가 증가할수록 커지는 전극 조립체.
  7. 용접 위치를 안내하는 가이드 라인이 형성된 기재탭이 구비되고, 복수 개가 적층되는 극판; 및
    상기 극판 사이에 각각 개재되는 복수의 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 기재탭은 상기 세퍼레이터의 외측으로 노출되는 돌출 최소 길이를 갖는 돌출부를 포함하며,
    N번째 극판의 기재탭의 상기 돌출부의 단부에서 상기 가이드 라인까지의 길이는 N-1번째 극판의 기재탭의 상기 돌출부의 단부에서 상기 가이드 라인까지의 길이보다 길거나 같고, N+1번째 극판의 기재탭의 상기 돌출부의 단부에서 상기 가이드 라인까지의 길이보다 짧거나 같은 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 N번째 극판의 기재탭의 상기 돌출부의 단부에서 상기 가이드 라인까지의 길이(LN)는 수식
    Figure PCTKR2021003373-appb-I000018
    (a: 가장 첫번째 레이어에 배치된 극판의 기재탭 길이, α: 절곡 공정을 고려한 가중치 값, N은 극판의 레이어 번호,
    Figure PCTKR2021003373-appb-I000019
    : 해당 극판의 팽창율, A: ∑집전체 두께+∑세퍼레이터 두께)
    으로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 기재탭 상에는 상기 기재탭이 절곡되는 위치를 안내하는 절곡 가이드 라인이 형성되는 전극 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기재탭은 상기 돌출부로부터 상기 절곡 가이드 라인까지의 길이(ℓ')가 상기 극판의 적층 수가 증가할수록 커지는 전극 조립체.
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