KR100537607B1 - 폴딩형 전극군 및 이를 이용한 이차전지 - Google Patents

Abstract

목적 : 롤 상의 권취 구조로 인해 발생하는 부피 변화 및 변형을 방지하여, 전지의 성능과 수명 특성을 향상시키는 폴딩형 전극군 및 이를 이용한 이차전지를 제공한다.

구성 : 병풍구조를 갖는 부극(24)을 형성하고, 상기 병풍구조의 사이마다 단판으로 된 정극(22)을 삽입하되 각각의 정극을 리이드(22a)를 이용하여 전기적으로 연결하며, 상기 정극과 부극의 사이마다 세퍼레이터(26)를 삽입하여 폴딩형 전극군을 형성한다. 또 상기 폴딩형 전극군과 함께 전해액을 수납하는 캔(6)과, 상기 캔의 개구에 결합 밀봉되는 것으로 외부 인출단자(8a)를 구비하는 캡 플레이트(8)를 포함하며, 상기 정극 혹은 부극 중에서 한 전극을 상기 캔과 전기적으로 연결하고, 나머지 한 전극을 외부 인출단자와 전기적으로 연결하여 이차전지를 구성한다.

효과 : 상기한 전극군은 복원력이 제거되므로 스웰링 및 변형이 방지되는 것이며, 활물질의 탈락 및 열화가 방지되어서 전지의 성능과 수명을 향상시킨다.

Description

폴딩형 전극군 및 이를 이용한 이차전지{Folding type electrode assembly and secondary battery with the same}

본 발명은 전극군의 부피 변화에 따른 전지의 변형을 억제하고 수명 향상을 실현할 수 있도록 하며, 박형화를 가능하게 하는 폴딩형 전극군 및 이를 이용한 이차전지에 관한 것이다.

이차전지는 충·방전이 가능한 것으로, 외관상 원통형과 각형으로 구분되고 양극 및 음극 물질에 따라 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬(Li) 전지, 리튬이온(Li-ion) 전지 등으로 구분되고 있다.

도 6은 종래 공지된 각형 이차전지를 보여주고 있다. 도면에서와 같이 정극과 세퍼레이터 및 부극이 함께 롤 상으로 권취 및 압착된 전극군(2)은 스프링(4)을 개재하여 캔(6) 내부로 수납되고, 그 캔(6)의 상부에는 안전장치를 포함하는 캡 플레이트(8)가 설치되어서, 캡 플레이트(8) 상에 형성된 주입구(10)를 통해 액체 전해질을 주입한 후 플러그를 막아 밀봉되어진다.

여기서 정극 및 부극과 같은 전극은 종류에 따라 다소 차이가 있지만 통상적으로 기재에 활물질을 도포 및 충전하여 제조한다. 이렇게 제조된 정극 및 부극은 사이에 세퍼레이터를 개재하고 맨드렐을 이용하여 원형에 가까운 형태로 권취한 후, 도면과 같은 형태로 압착하여 각형 캔(6)의 내부로 수납되어진다.

그러나 상기한 전극군(2)은 롤의 권취 구조상 복원력에 의해 반발하게 되고, 전지의 충·방전시 반복되는 팽창 및 수축에 의해 스웰링(swelling)하게 되며, 그 부피 변화에 의해 활물질이 탈락되거나 열화되고, 또한 부반응을 촉발시켜 전지의 성능을 저하시키게 된다.

이러한 점을 고려하여 종래에는 전극군(2)과 캔(6)의 사이에 스프링(4)을 삽입하고 있으나, 전극군(2)의 팽창, 수축시 캔(4)도 함께 변형하므로 그 효과가 미미한 정도에 머물고 있다.

또한 종래 공지된 것으로 리튬이온 폴리머전지에서는 정극 및 부극과 같은 전극을 겹쳐 판상 구조로 형성하고 있지만, 이것은 개개의 전극을 세퍼레이터로 인벨럽핑(enveloping)하게 되므로 제조 작업이 번거로운 문제점이 있다.

앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명은 롤 상의 권취 구조로 인해 발생하는 복원력과 그에 따른 부피 변화 및 변형을 억제하여 전지 성능과 수명을 향상시키고, 아울러 박형화를 실현할 수 있도록 함에 그 목적을 두고 있다.

이를 위하여 본 발명에서는 지그재그로 접혀지고 겹쳐져 적층되는 폴딩(folding)형 전극군을 제안한다. 보다 구체적으로 상기 전극군은 병풍구조를 갖는 부극을 형성하고, 상기 병풍구조의 사이마다 단판으로 된 정극을 삽입하되 각각의 정극을 리이드를 이용하여 전기적으로 연결하며, 상기 정극과 부극의 사이마다 세퍼레이터를 삽입 설치하여 절연한 구성으로 이루어진다.

또한 본 발명에서는 상기한 구성의 폴딩형 전극군을 이용하여 제조한 이차전지를 제안한다. 즉 상기 이차전지는 폴딩형 전극군과 함께 전해액을 수납하는 캔과, 상기 캔의 개구에 결합 밀봉되는 것으로 외부 인출단자를 구비하는 캡 플레이트를 포함하며, 상기 정극 혹은 부극 중에서 한 전극을 상기 캔과 전기적으로 연결하고, 나머지 한 전극을 외부 인출단자와 전기적으로 연결하여 구성한다.

이와 같은 구성에 따라 본 발명의 폴딩형 전극군은 종래의 권취 구조와 달리 복원력이 제거되고, 그 결과 부피 변화 및 변형을 억제할 수 있다. 또한 상기한 폴딩형 전극군을 채용한 이차전지는 활물질의 탈락 및 열화를 방지할 수 있어 전지의 성능과 수명을 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 실현하기 위한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

참고로 본 발명에서는 일 예로서 각형 케이스 구조를 가지며, 리튬 이온의 이동에 따라 충, 방전이 이루어지도록 하는 이차전지에 대하여 설명하고 있으며, 종래 기술과 동일한 구성에 대하여는 설명의 명료성을 위해 동일 부호를 사용하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 이차전지의 전체 구조이며, 도 2는 본 발명의 이차전지를 횡 방향으로 절취한 상태의 내부 전극군의 구조를 보여주고 있다.

도면에서와 같이 본 발명의 이차전지는 외관상 각형 구조의 캔(6)과 그 상측 개구에 용접 결합되는 캡 플레이트(8)로 구성된다.

캡 플레이트(8)는 전해액 주입구(10)를 포함하며, 그 주입구(10)를 통해 전해액을 주입한 후 밀봉되어진다.

캔(6)은 상기 캡 플레이트(8)의 결합 전에 그 내부에 정극(22), 부극(24), 상기 정극과 부극의 사이에 삽입되어 절연하는 세퍼레이터(26)로 된 폴딩형 전극군(20)을 수납하고, 상기 캡 플레이트(8)의 결합 후에 전해액을 주입하므로 구성되는 발전수단을 수납하여 이루어진다.

본 발명의 특징적인 구성으로 폴딩형 전극군(20)은 종래 롤 상의 권취 구조와 달리, 지그재그로 접어서 겹쳐지게 적층한 병풍구조로 이루어지며, 이것은 권취 구조에 의한 복원력을 제거한 구조이므로 부피 변화 및 변형을 최소의 상태로 억제할 수 있다.

보다 구체적으로 본 발명의 폴딩형 전극군(20)은 먼저 판상의 부극(24)을 지그재그로 접고 겹쳐서 병풍구조를 갖도록 형성한다. 상기 부극(24)의 병풍구조의 사이에는 단판으로 된 정극(22)을 삽입하되 각각의 정극(22)을 리이드(22a)를 이용하여 전기적으로 연결하고, 상기 정극(22)과 부극(24)의 사이에는 'U'자 상으로 된 세퍼레이터(26)를 삽입하여 절연한다.

또한 본 발명에서는 폴딩형 전극군(20)의 다른 구조로서 도 3과 같이 인접된 정극(22)을 'U'자 상으로 연결할 수도 있으며, 이때 세퍼레이터(26)는 정극(22)과 부극(24)을 절연하기 위해 인전된 것과 연결되므로 'W'자 상으로 형성되어진다.

상기한 부극(24)은 병풍 구조를 보다 용이하게 실현하기 위해 도 4와 같이, 접혀지는 모서리에 해당하는 영역에 활물질(28)이 도포되지 않은 무지부(30)를 형성하거나, 혹은 도 5와 같이 오목부(32)를 형성할 수 있다.

정극(22) 및 부극(24)과 같은 전극은 리튬이온전지 및 리튬이온폴리머전지의 경우에, 정극 활물질로 ,및 중에서 적어도 1종이 함유된 리튬-천이금속산화물을 사용하고, 부극 활물질로 탄소 및 탄소복합체를 사용하여 형성되어진다.

이렇게 형성된 부극(24)은 탭(24a)을 부착하여 캔(6) 내부에 용접되거나, 혹은 캔(6)과 직접 접촉되므로 전기적인 연결을 실현한다. 또 정극(22)에는 탭(22b)을 부착하고, 그 탭(22b)을 캡 플레이트(8)를 관통하고 절연된 외부 인출단자(8a)에 용접하므로 전기적인 연결을 실현한다.

한편 본 발명의 캡 플레이트(8)는 전지의 내부 압력이 규정 이상으로 상승될 경우 파단되어서 내압을 해소하므로 폭발을 방지하는 방폭수단(8b)을 구비한다. 방폭수단(8b)은 캡 플레이트(8)의 일부를 얇게 형성하거나, 구멍을 형성한 후 그 구멍을 얇은 판으로 막아 상대적으로 취약하게 형성하므로 실현할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 구성 및 작용을 통하여 알 수 있듯이, 폴딩형 전극군은 롤 상의 권취 구조와 달리 지그재그로 접어 병풍 구조를 형성하므로 복원력에 의한 반발을 제거할 수 있으며, 그 결과 전극군의 부피 변화 및 변형이나 충·방전시의 스웰링을 최소화할 수 있다.

따라서 본 발명은 전극 활물질의 탈락 및 열화를 방지할 수 있으며, 전지의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다.

또 본 발명에 의하면 전지의 고용량 설계시 전극군을 안정적으로 형성하는데 효과적이며, 이것은 리튬전지, 리튬이온전지, 리튬이온폴리머전지뿐 아니라, 각형 구조를 갖는 전지에 모두 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 이차전지의 분리 사시도.

도 2는 본 발명에 의한 이차전지의 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 전극군의 다른 예를 도시한 단면도.

도 4는 본 발명에 관련된 부극을 도시한 사시도.

도 5는 본 발명에 관련된 부극의 다른 예를 도시한 사시도.

도 6은 종래 공지된 각형 이차전지를 보인 분리 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

6-캔 8-캡 플레이트

8a-외부 인출단자 8b-방폭수단

20-전극군 22-정극

22a-리이드 24-부극

26-세퍼레이터 28-활물질

30-무지부 32-오목부

Claims (8)

1. 지그재그로 접혀지고 겹쳐져 병풍구조를 형성하는 부극과, 상기 병풍구조의 사이마다 삽입되는 정극과, 상기 정극을 전기적으로 연결하는 리이드와, 상기 정극과 부극의 사이마다 삽입되는 세퍼레이터를 포함하는 폴딩형 전극군.
2. 제 1 항에 있어서, 부극은 접혀지는 모서리 부분에 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하는 폴딩형 전극군.
3. 제 1 항에 있어서, 부극은 접혀지는 모서리 부분에 오목부를 형성한 것을 특징으로 하는 폴딩형 전극군.
4. 제 1 항에 있어서, 세퍼레이터는 정극을 감싸도록 'U'자 상으로 형성된 것을 특징으로 하는 폴딩형 전극군.
5. 제 1 항에 있어서, 정극은 상호 이웃하는 것을 'U'자 상으로 연결한 것을 특징으로 하는 폴딩형 전극군.
6. 제 5 항에 있어서, 세퍼레이터는 정극을 감싸도록 'W'자 상으로 연결한 것을 특징으로 하는 폴딩형 전극군.
7. 지그재그로 접혀지고 겹쳐져 병풍구조를 형성하는 부극과, 상기 병풍구조의 사이마다 삽입되는 정극과, 상기 정극을 전기적으로 연결하는 리이드와, 상기 정극과 부극의 사이마다 삽입되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군; 상기 전극군과 함께 전해액을 수납하는 캔; 그리고 상기 캔의 개구에 결합 밀봉되는 것으로 외부 인출단자를 구비하는 캡 플레이트를 포함하며; 상기 정극 혹은 부극 중에서 한 전극은 캔과 전기적으로 연결되고, 나머지 한 전극은 외부 인출단자와 전기적으로 연결되는 구성을 포함하는 이차전지.
8. 제 7 항에 있어서, 캡 플레이트는 전지 내압에 의해 작동되는 방폭수단을 포함하는 이차전지.