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KR100601562B1 - 전극 조립체 및 이를 이용한 리튬 이차 전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 이용한 리튬 이차 전지 Download PDF

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KR100601562B1
KR100601562B1 KR1020040059959A KR20040059959A KR100601562B1 KR 100601562 B1 KR100601562 B1 KR 100601562B1 KR 1020040059959 A KR1020040059959 A KR 1020040059959A KR 20040059959 A KR20040059959 A KR 20040059959A KR 100601562 B1 KR100601562 B1 KR 100601562B1
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Abstract

본 발명은 식별 표시가 있는 전극탭 또는 극판 기재를 포함하는 전극 조립체 및 이를 이용한 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 전지의 이상으로 인한 문제 발생 시 전지의 생산장비, 생산일자, 작업자, 생산라인 등의 제조공정 이력을 용이하게 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 복제품을 방지할 수 있다.
식별표시, 양극 탭, 음극 탭, 양극 무지부, 음극 무지부

Description

전극 조립체 및 이를 이용한 리튬 이차 전지{Electrode assembly and Lithium secondary battery with the same}
도 1은 종래의 각형 리튬 이차 전지를 도시한 분해 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 전극 조립체의 일 실시예의 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 전극 조립체의 다른 실시예의 분해 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 전극 조립체의 또 다른 실시예의 분해 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 전극 조립체의 또 다른 실시예의 분해 사시도.
도 6a는 도 4의 A-A 선을 절취한 단면도로서, 음극 탭의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 6b는 도 4의 A-A 선을 절취한 단면도로서, 음극 탭의 다른 실시예를 나타낸 도면.
본 발명은 전극 조립체 및 이를 이용한 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 식별 표시가 있는 전극탭 또는 극판 기재를 포함하는 전극 조립체 및 이를 이용한 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근, 전자기기 특히 휴대용 전자기기의 발달과 더불어, 이러한 전자기기의 구동전원으로 사용되는 이차 전지도 눈부시게 발전하고 있다. 그 중에서도 리튬 이차 전지는 높은 작동 전압, 장수명, 고에너지 밀도 등과 같은 우수한 특성으로 인하여 가장 주목받고 있는 전지 중의 하나이다.
리튬 이차 전지는 가역적으로 리튬 이온의 삽입과 탈리가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입/탈리될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기 에너지를 생성한다.
리튬 이차 전지에서 베어셀의 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체를 통상 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 형성된다. 캔이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되면 알루미늄의 가벼운 속성으로 전지의 경량화가 이루어질 수 있고, 고전압하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 유리한 점이 있다.
상기 베어셀에는 통상적으로 상부에 주위 부분과 절연된 전극 단자가 구비되며, 이 전극 단자가 베어셀 내에서 전극 조립체의 한 전극과 연결되어 전지의 양극 단자 또는 음극 단자를 이루게 된다. 그리고, 캔 자체는 전극 단자와 반대의 극성을 가진다.
도 1을 참조하면, 종래의 각형 리튬 이차 전지(10)는 캔(11)과, 상기 캔(11)의 내부에 수용되는 전극 조립체(12)와, 상기 캔(11)에 결합되는 캡 조립체(100)를 포함한다.
상기 캔(11)은 금속재로 된 각형의 케이스이다. 상기 전극 조립체(12)는 양극판(13)과, 세퍼레이터(14)와, 음극판(15)을 순차로 적층한 후 롤상으로 권취시킨 것으로, 상기 캔(11)의 내부에 수납되어 있다. 상기 양극판(13) 및 음극판(14)으로부터 양극 및 음극 탭(16, 17)이 각각 인출되어 있다.
상기 캡 조립체(100)는 상기 캔(11)의 상단부에 결합되는 캡 플레이트(110)와, 상기 캡 플레이트(110)의 중앙에 형성되어 있는 단자 통공(111)에 삽입되는 전극 단자(130)와, 상기 캡 플레이트(110)의 아랫면에 설치되는 절연 플레이트(140)와, 상기 절연 플레이트(140)의 아랫면에 설치되어 상기 전극 단자(130)와 전기적으로 연결되는 단자 플레이트(150)를 포함하고 있다. 상기 전극 단자(130)의 외면에는 상기 전극 단자와 상기 캡 플레이트(110)와의 절연을 위하여 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치되어 있다.
상기 캡 플레이트(110)에는 상기 캔(11) 내부로 전해액을 주입하기 위한 통로를 제공하는 전해액 주입공(112)이 형성되어 있고, 상기 전해액 주입공(112)에는 볼(160)이 밀폐가능하도록 결합되어 있다.
상기 양극 탭(16)은 상기 캡 플레이트(110)의 저면에 연결되어 있으며, 상기 음극 탭(17)은 상기 단자 플레이트(150)를 통하여 전극 단자(130)와 접속되어 있다. 상기 양극 탭(16) 및 음극 탭(17)의 접속 위치는 서로 바뀔 수 있다. 상기 양극 탭(16) 및 음극 탭(17)이 전극 조립체(12)로부터 인출되는 부분에는 극판(13, 15)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다. 상기 캔(11)의 내부에는 상기 전극 젤리롤(12)의 상부에 위치하며, 상기 전극 조립체(12)와, 캡 조립체(100)와의 절연을 위한 절연 케이스(30)가 설치되어 있다.
그런데, 전지는 에너지원으로서 많은 에너지를 방출할 가능성을 가지고 있다. 이차전지의 경우, 에너지가 충전된 상태에서 자체에 높은 에너지를 축적하고 있으며, 충전하는 과정에서는 다른 에너지원으로부터 에너지를 공급받아 축적하게 된다. 이런 과정이나 상태에서 내부 단락 등 이차 전지의 이상이 발생하는 경우, 전지 내에 축적된 에너지가 단시간에 방출되면서 발화, 폭발 등의 안전 문제를 일으킬 수 있다.
리튬 이차 전지에는 충전된 상태에서 혹은 충전하는 과정에서 전지 자체의 이상으로 인한 발화나 폭발을 막기 위해 이상 전류나 전압을 감지하여 전류 흐름을 막는 보호회로, 이상 전류에 의한 과열로 작동하는 PTC(positive temperature coefficient) 소자, 바이메탈 등과 같은 안전 장치가 구비되어 있다.
하지만, 향후에 전지의 발화나 파열 등의 문제가 발생하였을 때 열에 의해 전지의 구성요소들이 대부분 손상되므로 그 원인을 분석하는데 어려움이 있다.
따라서 본 발명은 전지의 이상으로 인한 문제 발생 시 전지의 생산장비, 생산일자, 작업자, 생산라인 등의 제조공정 이력을 용이하게 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 복제품을 방지할 수 있는 전극 조립체 및 이를 이용한 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 양극 및 음극 집전체 상에 각각 양극 활물질 및 음극 활물질이 도포되고, 상기 양극 활물질 및 음극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부 및 음극 무지부에 각각 양극 탭과 음극 탭이 연결되어 있는 양극판과, 음극판 및 상기 두 극판 사이를 절연시키기 위해 개재된 세퍼레이터가 권취되어 있는 전극 조립체에 있어서, 상기 양극 탭, 음극 탭, 양극 무지부, 및 음극 무지부 중 적어도 하나에 제조공정 이력을 확인할 수 있는 식별표시가 형성되며, 상기 식별 표시는 숫자, 문자, 도형, 돌기, 또는 천공의 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 식별 표시는 레이저, 미세 타공, 또는 엠보싱에 의해 형성될 수 있다.
상기 양극 탭은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 음극 탭은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 양극 집전체는 알루미늄으로, 상기 음극 집전체는 구리로 이루어 질 수 있다.
상기 양극 탭 및 음극 탭은 각각 상기 양극 무지부 및 음극 무지부에 점용접, 레이저용접, 또는 초음파용접에 의해 연결될 수 있으며, 또는 도전성접찹제를 사용하여 접속될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 리튬 이차 전지는, 상술한 특징을 갖는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 캔과, 상기 캔의 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 전극 조립체의 실시예를 나타낸 분해 사시도이다. 도 6a 및 6b는 도 4의 A-A 선을 절취한 단면도로서, 음극 탭의 실시예를 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 전극 조립체(20)는 양극판(21)과 음극판(23) 사이에 세퍼레이터(22)를 개재하여 이들을 젤리롤(jelly roll) 형태로 권취하여 형성된다.
상기 양극판(21)은 양극 집전체(21a)와, 상기 양극 집전체(21a)의 적어도 일면에 도포되는 양극 활물질층(21b)을 구비한다.
상기 양극 집전체(21a)로는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다.
상기 양극 활물질로는 리튬계 금속산화물과, 바인더, 도전제 등을 용매에 분산시킨 양극 슬러리 조성물이 사용될 수 있으며, 상기 양극 슬러리 조성물을 양극 집전체(21a)의 적어도 일면에 도포한 후, 건조 및 압연하여 양극 활물질층(21b)을 형성한다. 상기 양극판(21)의 양극 무지부(positive electrode uncoated area, 21c)에는 양극 탭(26)이 부착되어 있다. 상기 양극 탭(26)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 음극판(23)은 음극 집전체(23a)와, 상기 음극 집전체(23a)의 적어도 일 면에 도포되는 음극 활물질층(23b)을 구비한다.
상기 음극 집전체(23a)로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 구리 또는 구리 합금이 바람직하다.
상기 음극 활물질로는 탄소재와 같은 음극 활물질과, 바인더, 도전제 등을 용매에 분산시킨 음극 슬러리 조성물이 사용될 수 있으며, 상기 음극 슬러리 조성물을 음극 집전체(23a)의 적어도 일면에 도포한 후, 건조 및 압연하여 음극 활물질층(23b)을 형성한다. 상기 음극판(23)의 음극 무지부(negative electrode uncoated area, 23c)에는 음극 탭(27)이 부착되어 있다. 상기 음극 탭(27)은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 양극 및 음극 집전체(21a, 23a)의 형태로는 호일, 필름, 시트, 메쉬, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등을 사용할 수 있다.
상기 양극 및 음극 탭(26, 27)은 양극 및 음극 무지부(21c, 23c)의 표면에 전기적으로 연결되어 있으며, 이를 위하여 상기 양극 및 음극 무지부(21c, 23c)에 대하여 점용접(spot welding), 레이저용접, 초음파용접과 같은 용접이나, 도전성 접착제에 의하여 통전가능하도록 부착되어 있다. 상기 도전성 접착제로는 접착력이 우수한 에폭시수지, 아크릴수지, 변성 우레탄수지 등의 합성수지와 합성고무에 도전성이 우수한 은, 니켈 등 금속가루와 카본을 균일하게 혼합 분산시킨 도전성 페이스트가 사용될 수 있다.
상기 양극판(21) 및 음극판(23) 사이에는 세퍼레이터(22)가 개재되는데, 상 기 세퍼레이터(22)는 음극판과 양극판을 분리시켜 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하기 위한 것으로서, 예를 들면 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포와 같은 것들이 사용될 수 있다.
본 발명에서 생산설비, 생산라인, 작업자, 생산일자 등의 제조공정 이력을 확인할 수 있는 식별표시가 상기 양극 탭(26), 음극 탭(27), 양극 무지부(22c), 및 음극 무지부(23c) 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 전지의 이상으로 인해 발화나 폭발이 발생하는 경우 높은 열로 인해 전지의 대부분의 구성요소들은 심하게 변형되지만, 금속 재질로 이루어진 양극탭, 음극 탭, 양극 무지부, 및 음극 무지부는 거의 변형되지 않는다. 따라서 이들 중 어느 하나에 식별표시를 함으로써 사후에 문제가 발생하였을 때 제조공정 이력을 확인하여 문제의 원인을 보다 용이하게 추적할 수 있을 뿐만 아니라, 복제품을 방지하는 역할도 수행할 수 있다. 이러한 식별표시는 숫자, 문자, 도형, 돌기, 또는 천공 등의 형태로 구성될 수 있으며, 식별표시의 형태와 재료의 특성 등을 감안하여 레이저, 미세 타공, 또는 엠보싱 등에 의해 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 양극 탭(26)에는 하단부에 도형과 숫자가 결합된 식별표시가 형성되어 있으며, 식별표시의 위치는 여기에 한정되지 않으며 양극 탭과 양극 무지부와의 접촉 부위 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
도 3에 도시된 양극 무지부(22c) 하단부에 문자와 도형과 숫자가 결합된 식별표시가 형성되어 있으며, 상기 식별표시의 위치는 여기에 한정되지 않으며 양극 탭의 부착 위치 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 식별표시는 금속 판에 도형, 숫자, 문자 등을 새겨 넣을 수 있는 레이저 마킹에 의해 형성될 수 있다. 레이저 마킹은 빛의 파장과 에너지에 따라 물질 표면에 상이한 형태로 음각 식각이 되는 원리를 이용하여 각종 재질의 표면에 문자나 기호 등의 각종 정보를 레이저로 새겨 넣을 수 있는 것으로, 레이저광에 의한 비접촉 마킹 방식으로 정전기 발생이 없고 고속 마킹이 가능하며, 내마모성이 우수하다.
도 4 및 도 5에는 각각 음극 탭(27) 상단부 및 음극 무지부(23c) 측면부에 미세 타공 또는 엠보싱에 의해 천공 또는 돌기 형태로 식별 표시가 형성되어 있는 실시예를 도시하고 있다. 천공 또는 돌기의 형태는 원형, 타원형, 사각형 등 여러 형상으로 이루어질 수 있으며, 그 크기 및 개수도 도시된 실시예에 한정되지 않는다.
도 6a 및 6b에는 도 4에 도시된 음극 탭(27)을 A-A 선을 따라 절취한 단면도로서, 상기 음극 탭(27)에 형성된 식별표시가 각각 돌기 또는 천공 형태로 형성되어 있는 단면을 나타내고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따른 식별표시를 갖는 전극 조립체 및 이를 이용한 리튬 이차 전지는 전지의 이상으로 인한 문제 발생 시 전지의 생산장비, 생산일자, 작업자, 생산라인 등의 제조공정 이력을 용이하게 확인할 수 있어 문제의 원인 분석을 보다 용이하게 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 제조자에 의한 고유의 식별표시에 의해 복제품을 방지할 수 있다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 양극 및 음극 집전체 상에 각각 양극 활물질 및 음극 활물질이 도포되고, 상기 양극 활물질 및 음극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부 및 음극 무지부에 각각 양극 탭 및 음극 탭이 연결되어 있는 양극판과, 음극판 및 상기 두 극판 사이를 절연시키기 위해 개재된 세퍼레이터가 권취되어 있는 전극 조립체에 있어서,
    상기 양극 탭, 음극 탭, 양극 무지부, 및 음극 무지부 중 적어도 하나에 제조공정 이력을 확인할 수 있는 식별표시가 형성되며, 상기 식별표시는 숫자, 문자, 도형, 돌기, 또는 천공의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 식별표시는 레이저에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 식별표시는 미세 타공에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 식별표시는 엠보싱에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 양극 탭은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 양극 탭은 상기 양극 무지부에 점용접, 레이저용접, 또는 초음파용접되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 양극 탭은 상기 양극 무지부에 도전성 접착제를 사용하여 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 음극 탭은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제 2항에 있어서, 상기 음극 탭은 상기 음극 무지부에 점용접, 레이저용접, 또는 초음파용접되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제 2항에 있어서, 상기 음극 탭은 상기 음극 무지부에 도전성 접착제를 사용하여 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제 2항에 있어서, 상기 양극 집전체는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제 2항에 있어서, 상기 음극 집전체는 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제 2항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체와,
    상기 전극 조립체를 수납하는 캔과,
    상기 캔의 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함하는 리튬 이차 전지.
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