KR100684786B1 - 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코어에 대한 전극군의 와인딩시 극판 선단의 구겨짐을 방지하여 전지의 계면 균일성을 높일 수 있도록, 세퍼레이터와 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 연결되는 단자가 결합되는 캡 조립체, 상기 양극판 및 음극판 중 적어도 어느 하나의 극판의 선단을 감싸서 부착되는 강성 보강재를 포함하는 이차 전지를 제공한다.

극판, 코어, 보강재, 코팅부, 무지부

Description

이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체{SECONDARY BATTERY AND ELECTRODES ASSEMBLY USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 절개 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 일부 분해 사시도이다.

도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 극판을 상세히 도시한 도면이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 각 실시예에 따른 이차 전지의 극판을 상세히 도시한 단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지의 계면 특성을 개선한 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로써, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀을 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재한 전극군을 케이스에 내장 설치하고, 상기 케이스에 외부 단자가 형성된 캡 조립체를 설치하여 전지를 구성한다.

그리고, 상기 양, 음극판은 집전체에 활물질이 코팅된 코팅부와, 코팅되지 않은 무지부로 이루어지며, 상기 양,음극 무지부에는 각각 양, 음극판에서 발생된 전류를 집전하기 위한 역할로서 도전성 탭(tap)이 각기 부착되고, 이 도전성 탭은 전극군에 용접 등으로 부착되어 각기 양, 음극판에 발생된 전류를 양, 음극 단자로 유도하게 된다.

여기서 상기한 이차 전지의 집전 구조에 있어서, 고출력 이차 전지의 경우 상기 전극군을 와류 상으로 감은 젤리롤 형태로 전지를 제조하게 되는 데, 이때 전극군이 감기는 코어에 대해 전극군이 최초로 접하는 과정에서 극판이 구겨지는 문제점이 있다.

즉, 전극군을 코어에 감기 위해서는 코어와 이 코어에 접하는 권취롤 사이로 전극군의 최초 선단을 진입시켜야 하며 이 과정에서 양자의 속도차 등으로 인해 전극군의 최초 선단 부분이 구겨지는 등의 현상이 발생되며 이에 따라 전극군이 구겨진 상태로 코어에 감겨지게 되어 전극군의 계면 균일성이 저하되는 문제점이 발생되는 것이다.

이러한 문제는 특히 HEV(hybrid Electric Vehicle)용과 같은 고출력 대용량 이차 전지의 경우 더욱 심각한 데, 언급한 바와 같이 고출력 대용량을 얻기 위해서 대단히 얇은 극판이 사용되어 코어에 젤리롤 형태로 감기기 때문에 극판의 구겨짐이 더욱 심하게 발생된다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 코어에 대한 전극군의 와인딩시 극판 선단의 구겨짐을 방지하여 전지의 계면 균일성을 높일 수 있도록 된 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 이차 전지는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군을 케이스 내부에 설치하고 있는 이차 전지에 있어서, 상기 양극판 및 음극판 중 적어도 어느 하나의 극판의 선단에 강성 보강재가 부착된 구조로 되어 있다.

따라서 상기 극판은 보강재에 의해 그 강성이 확보되어 상기 전극군을 코어에 감기 위해 전극군의 극판의 최초 선단을 코어로 진입시키는 과정에서 극판의 구겨짐을 방지할 수 있게 되는 것이다.

여기서 상기 양,음극판은 집전체와 활물질이 코팅된 코팅부와, 코팅되지 않은 무지부로 이루어지는 데, 본 이차 전지의 경우 상기 무지부는 각 극판의 일측단을 따라 연속적으로 형성되며, 상기 양극판과 음극판에 대해 서로 대향하는 방향으로 배치되어 상기 각 극판의 무지부에 각각 집전판이 전기적으로 연결됨이 바람직 하다.

더욱 바람직하게는 케이스를 세워 캡 조립체가 상부를 향하였을 때 음극판의 무지부가 케이스 바닥 쪽으로 배치되고 양극판의 무지부가 상부로 배치되도록 함이 바람직하다.

그리고 상기 코팅부를 이루는 상기 활물질은 상기 집전체의 일면 또는 양면에 부착될 수 있다.

또한, 상기 이차 전지는 상기 전극군이 코어에 대해 와류형태로 감겨 젤리롤 형태를 이루고, 상기 케이스가 원통형으로 이루어질 수 있다.

여기서 상기 강성 보강재는 양극판 또는/및 음극판에 부착될 수 있으며, 상기 코어에 접하는 각 극판의 최초 선단에 부착된 구조로 되어 있다.

바람직하게는 상기 강성 보강재는 표면에 접착제가 도포된 필름구조로 그 재질은 폴리에스테르, 폴리아미드, PPS, 유리섬유, 염화비닐, NOMAX지에서 선택될 수 있으며, 접착제의 성분은 아크릴, 고무, 실리콘, 열경화성 고무 등에서 선택될 수 있고, 극판의 선단에서 길이방향으로 2 - 15Cm의 폭으로 부착될 수 있다.

또한, 상기 강성 보강재는 극판에 형성되는 무지부에는 부착되지 않도록 함이 바람직한 데, 이는 상기 무지부의 경우 집전판과 용접되는 부분으로 강성 보강재 부착시 용접이 제대로 이루어지지 못할 우려가 있기 때문이다.

여기서 상기 극판은 무지부를 제외한 전면에 활물질이 코팅되어 코팅부를 이루고, 상기 강성 보강재가 상기 코팅부 위에 부착될 수 있다.

한편, 상기 코팅부가 집전체의 양면에 형성된 경우 상기 강성 보강재는 극판 의 선단을 감싸 양면에 부착된 구조일 수 있다.

강성 보강재는 극판을 이루는 집전체 선단에 바로 부착될 수 있다. 이를 위해 상기 극판의 선단에는 강성 보강재가 부착될 영역에 활물질을 코팅되지 않도록 한다.

또한, 상기 강성 보강재는 극판을 이루는 집전체 선단에 바로 부착되고 내측 선단은 상기 집전체의 활물질 코팅부 위로 연장되어 코팅부 선단부를 덮는 구조일 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전극 조립체는, 세퍼레이터와 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군과, 상기 양극판 및 음극판 중 적어도 어느 한 극판의 선단에 부착되는 강성 보강재를 포함한다.

여기서 상기 이차 전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 절개 단면도이다.

상기한 도면에 의하면, 본 실시예에 따른 이차 전지는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)을 사이에 두고 위치하는 전극군(10)과, 전해액과 함께 전극 군(10)을 수용할 수 있도록 일측 선단이 개방된 케이스(20)와, 가스켓(31)을 매개로 상기 케이스(20)의 개구부 상단에 설치되고 케이스(20)를 밀봉하는 캡 조립체 (30)와, 상기 전극군(10)의 양극판(11) 집전체와 전기적으로 연결되는 양극 집전판(40) 및 상기 음극판(12)의 집전체와 전기적으로 연결되는 음극 집전판(50)을 포함한다.

상기 케이스(20)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(10)이 위치하는 내부 공간부를 가진 원통형 또는 육면체 또는 그 이외의 형상으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 캡 조립체(30)는 외부 단자(32a)를 갖는 캡 플레이트(32)와, 케이스(20)와 캡 플레이트(32)를 절연시키는 가스켓(31)을 포함하며, 설정된 압력 조건에서 파손되어 가스를 방출함으로써 전지의 폭발을 방지하는 밴트 플레이트(33)를 더욱 포함할 수 있고, 상기 밴트 플레이트(33)는 리드(35)를 매개로 양극 집전판(40)과 전기적으로 연결된다. 상기 밴트 플레이트(33)는 설정된 압력 조건에서 상기 리드(35)을 통한 전극 조립체와 외부 단자(32a)의 전기적 연결을 차단할 수 있는 구조이면 도시한 형상에 한정되지 않고 다양하게 변형되어 사용될 수 있다.

또한, 상기 전극군(10)은 각각의 활물질이 집전체에 코팅되어 구성된 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)을 사이에 두고 적층된 구성으로 이루어지거나, 양극판(11)과 세퍼레이터(13) 및 음극판(12)이 적층된 상태에서 이들이 와류상으로 감겨 형성된 젤리롤 타입으로 이루어질 수 있다.

이하 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 원통형 케이스에 젤리롤 타입으로 감아진 전극군이 위치하는 경우를 예로써 설명한다.

또한, 본 실시예에서는 집전판과 전기적으로 접촉되는 무지부가 상기 전극군 을 이루는 각 극판의 일 측단을 따라 형성된 구조를 예로써 설명한다. 물론, 본 발명은 상기 구조에 한정되지 않으며 전지의 형상이나 무지부의 구조에 관계없이 모두 적용가능하다 할 것이다.

상기 전극군(10)이 코어(14)에 감기는 상태는 도 2에 잘 예시되어 있는 데, 상기 전극군(10)은 양극판(11), 음극판(12) 및 양,음극판 사이에 세퍼레이터(13)가 개재된 상태에서 이들의 선단이 원통형의 코어(14)에 접한 상태에서 도시하지 않은 권취롤에 의해 감기게 된다.

이에 본 실시예에 따라 상기 이차 전지를 이루는 전극 조립체는 도 3a와 3b에 도시된 바와 같이 집전체에 활물질이 코팅된 코팅부(11b,12b)와 활물질이 코팅되지 않은 무지부(11a,12a)를 포함하는 양,음극판(11,12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층되어 코어(도 2의 14)에 감겨지는 전극군(10)과, 상기 양극판(11)과 음극판(12)의 선단에 부착되는 강성 보강재(15)를 포함한다.

또한, 상기 각 활물질은 양극 집전체와 음극 집전체의 양면에 모두 코팅되어 양극판(11)과 음극판(12)은 각각 양면에 코팅부(11b,12b)가 형성된 구조로 되어 있다.

여기서 각 극판은 캡 조립체(30)가 위로 향하도록 이차 전지를 수직으로 세운 상태에서 양극판(11)의 상부에는 양극판(11)의 집전체에 양극 활물질이 도포되지 않은 무지부(11a)가 상기 양극판(11)의 길이방향을 따라 형성되고, 음극판(12)의 하부에도 마찬가지로 이 음극판(12)의 길이방향을 따라 음극 활물질이 도포되지 않은 무지부(12a)가 배치된다.

그리고 상기 코어(14)에 접하는 양극판(11)의 최초 선단에는 무지부(11a)를 제외한 영역에 강성 보강재(15)가 부착된다. 또한, 코어(14)에 접하는 음극판(12)의 최초 선단에도 무지부(12a)를 제외한 영역에 강성 보강재(15)가 부착된다.

이는 상기 무지부의 경우 집전판과 용접되는 부분으로 상기 무지부까지 강성 보강재(15)를 부착하는 경우 무지부와 집전판의 용접이 제대로 이루어지지 못할 우려가 있기 때문이다.

본 실시예에 따르면 상기 강성 보강재(15)는 극판의 선단을 감싸는 형태로 극판의 양면에 부착되는 구조로 되어 있다.

보다 구체적으로 상기 강성 보강재(15)의 폭은 각 극판(11,12)의 선단으로부터 2 ~ 15cm 임이 바람직한데, 보강재(15)의 폭이 2cm 이하인 경우에는 그 자체 면적이 상기 각 극판(11,12)의 전체면적에 비해 너무 작아 극판이 감길 때에 해당 극판에 강성을 부여하기가 힘들어 극판의 구겨짐에 적절히 대응하기 힘들고, 보강재(15)의 폭이 15cm 이상인 경우에는 보강재(15)의 면적이 증대되어 각 극판에 코팅되는 활물질의 양이 줄게 되므로 전지의 성능 저하가 우려된다.

또한, 상기 강성 보강재(15)는 극판의 강성 확보와 더불어 활물질이나 전해액과 반응되지 않는 재질로 이루어져야 하며 바람직하게는 폴리에스테르 제질로 이루어지며, 극판과의 접면에는 접착제(16)가 도포되어 극판(11,12)에 부착되도록 한다. 여기서 상기 접착제(16) 또한 활물질이나 전해액에 반응되지 않은 특성을 갖는 접착제가 사용되며 바람직하게는 아크릴 성분의 접착제가 사용된다.

한편, 본 이차 전지의 또다른 실시예가 도 4a 내지 도 4d에 예시되어 있는 데, 이하 설명에서는 설명의 편의상 양극판을 기준으로 설명하도록 하며, 음극판 또한 동일하게 적용될 수 있다.

본 이차 전지의 또다른 실시예에 따르면 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 양극판(11)의 집전체(11c)에 활물질이 코팅된 코팅부(11b)가 극판의 양면에 대해 선단까지 형성되고, 상기 강성 보강재(15)가 상기 극판의 집전체(11c) 선단을 감싸 양면의 코팅부(11b) 위에 접착제(16)를 매개로 부착된 구조일 수 있다.

또한, 도 4b는 본 이차 전지의 또다른 실시예를 예시하고 있는 데, 이 실시예에 의하면, 양극판(11)은 집전체(11c) 양면에 활물질이 코팅된 코팅부(11b)가 형성되고, 상기 집전체(11c)의 선단 양면에는 활물질에 의한 코팅부가 형성되지 않은 상태에서 상기 코팅부가 형성되지 않은 선단 영역에 상기 강성 보강재(15)가 감싸 접착제(16)를 매개로 부착되어 상기 코팅부(11b)까지 연장된 구조로 되어 있다.

이에 따라 상기 양극판(11)의 선단 양면에는 집전체(11c)에 바로 강성 보강재(15)가 부착되고 상기 강성 보강재(15)와 연이어 코팅부(11b)가 집전체(11c)에 형성된 구조로 되어 있다.

이러한 구조는 강성 보강재(15)가 부착되는 영역에 활물질을 코팅하지 않게 되어 극판의 강성 보강과 더불어 활물질의 소모를 줄일 수 있는 잇점을 제공하게 된다.

또한, 본 이차 전지의 또다른 실시예에 따르면 도 4c에 도시된 바와 같이 양극판(11)은 집전체(11c) 양면에 활물질이 코팅된 코팅부(11b)가 형성되고, 상기 양극판(11)의 선단 양면에는 활물질에 의한 코팅부가 형성되지 않은 상태에서 상기 극판(11) 선단을 강성 보강재(15)가 감싼 상태에서 상기 코팅부가 형성되지 않은 영역에 상기 강성 보강재(15)가 접착제(16)를 매개로 부착되어 상기 코팅부(11b)까지 연장되고 상기 강성 보강재(15)의 내측 양 선단이 상기 코팅부(11b)의 상부로 연장되어 이 코팅부(11b)의 선단을 덮는 상태로 부착된 구조로 되어 있다.

여기서 상기 구조 이외에도 다양한 실시예가 적용될 수 있으며, 강성 보강재(15)가 코어에 접하는 극판의 최초 선단을 감싼 상태로 부착되어야 함을 제외하고 강성 보강재(15)의 부착 위치에 대해 특별히 한정되지 않는다.

한편, 상기한 강성 보강재(15)의 작용을 좀더 상세하게 설명하면, 전극군(10)을 코어(14)에 젤리롤 형태로 감는 과정에서 극판(11,12) 선단의 구겨짐을 방지하기 위하여 먼저, 양극판(11)과 음극판(12)의 집전체 선단에 강성 보강재(15)를 부착시킨다.

이 상태에서 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터(13)를 적층하여 코어(14)로 진행시키게 되면, 코어(14)와 코어에 접하여 상기 전극군을 감기 위한 권취롤(도시되지 않음) 사이로 전극군이 진입되고 이때 상기 전극군을 이루는 각 극판의 선단이 코어 및 권취롤과 충돌된다.

여기서 상기 각 극판의 선단에는 언급한 바와 같이 강성 보강재(15)가 부착되어 극판(11,12) 자체의 강성이 어느정도 확보된 상태로 극판의 선단은 코어와 권취롤 사이로 진입하는 과정에서 구겨짐 등의 전극 변형이 방지되어 코어에 바르게 권취될 수 있는 것이다.

이상과 같은 본 발명의 이차전지는, 고출력/대용량을 요구받는 HEV용 전지로 서 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 한정되는 것은 아니다.

아울러, 본 실시예에서는 상기 강성 보강재가 양극판, 음극판 모두에 부착된 구조로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이 구조에 한하는 것은 아니고, 양극판, 음극판 중 적어도 어느 하나의 극판에 형성되는 경우에도 적용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 전극군을 코어에 감는 과정에서 극판의 선단이 변형되는 것을 방지하여 계면 균일성을 높일 수 있고, 이에 따라 제품의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

Claims (16)

1. 세퍼레이터와 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군과,

   상기 전극군이 내장되는 케이스,

   상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 연결되는 단자가 결합되는 캡 조립체,

   상기 양극판 및 음극판 중 적어도 어느 하나의 극판의 선단을 감싸서 상기 극판의 양쪽 면에 부착되는 강성 보강재

   를 포함하는 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 강성 보강재는 양극판에 부착되는 이차 전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 강성 보강재는 음극판에 부착되는 이차 전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 강성 보강재는 전극군을 감는 코어에 접하는 극판의 최초 선단에 부착되는 이차 전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 극판은 집전체와 이 집전체에 활물질이 코팅된 코팅부와, 상기 집전체에 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 포함하며, 상기 강성 보강 재는 무지부를 제외한 영역에 부착되는 이차 전지.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 강성 보강재는 상기 코팅부에 부착되는 이차 전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 강성 보강재는 집전체에 직접 부착되는 이차 전지.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 강성 보강재는 집전체에 직접 부착되고 상기 집전체의 활물질 코팅부 위로 연장되어 코팅부 선단부를 덮는 이차 전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 강성 보강재는 접착제를 매개로 각 극판에 부착되는 이차 전지.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 접착제는 아크릴, 고무, 실리콘, 열경화성 고무에서 선택되는 이차 전지.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 강성 보강재는 폴리에스테르, 폴리아미드, PPS, 유리섬유, 염화비닐, NOMAX지에서 선택되는 이차 전지.
12. 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 감겨져 형성된 전극군과;

    상기 각 극판에 활물질이 도포되어 형성되는 코팅부;

    상기 각 극판의 길이방향을 따라 일측 단부에 활물질을 도포하지 않고 형성한 무지부;

    상기 양극판 및 음극판 중 적어도 어느 한 극판의 선단을 감싸서 상기 극판의 양쪽 면에 부착되는 강성 보강재

    을 포함하는 이차 전지의 전극 조립체.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 극판은 집전체와 이 집전체에 활물질이 코팅된 코팅부와, 상기 집전체에 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 포함하며, 상기 강성 보강재는 무지부를 제외한 영역에 부착되는 이차 전지의 전극 조립체.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 강성 보강재는 상기 코팅부에 부착되는 이차 전지의 전극 조립체.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 강성 보강재는 집전체에 직접 부착되는 이차 전지의 전극 조립체.
16. 제 13 항에 있어서, 상기 강성 보강재는 집전체에 직접 부착되고 상기 집전체의 활물질 코팅부 위로 연장되어 코팅부 선단부를 덮는 이차 전지의 전극 조립체.

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