KR100982003B1 - 절연특성이 향상된 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취시킨 전지이고, 상기 양극의 권취 시작부는 양극집전체 상,하부 모두에 양극활물질 코팅부를 가짐으로써 양극무지부를 포함하지 않고, 양극 권취 종료부에만 양극 탭 설치를 위한 양극무지부를 포함하며, 상기 양극 권취 종료부에 위치하며, 상기 음극과 대향하는 양극활물질 코팅부의 경계면에는 절연테이프를 포함하는 전지를 제공한다.

본 발명과 같이 양극활물질 미코팅부와 음극활물질 코팅부가 마주하는 위치의 양극활물질 코팅 경계부에 절연테이프를 구비함으로써 전기절연성을 확보할 수 있어 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

절연테이프*양극활물질*코팅부*양극무지부*전지*젤리-롤*전지안전성

Description

절연특성이 향상된 전지{Battery having enhanced electrical insulation}

본 발명은 절연특성이 향상된 전지에 관한 것으로서, 상세하게는 양극활물질 미코팅부와 음극활물질 코팅부가 마주하는 위치의 양극활물질 코팅 경계부에 절연테이프를 구비함으로써 전기절연성을 확보할 수 있어 전지의 안전성을 향상시킨 전지에 관한 것이다.

통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행중이다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬이차전지 등을 들 수 있다.

이 중에서, 리튬이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수 개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 그 사용이 급속도로 증가되고 있는 추세이다.

현재 리튬 이온 전지는 양극과 음극을 분리막으로 절연시켜, 이를 원통형상 또는 평형상으로 권취시키고, 이를 금속 캔에 삽입한 후 전해액을 주액하여 캔을 밀봉시켜 제조하고 있다.

통상의 리튬 이온 전지는 양극집전체의 단면 또는 양면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과, 음극집전체의 단면 또는 양면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 다수의 분리막을 사이에 두고 권취되게 된다.

또한, 상기 각 집전체의 양면에 각 활물질 코팅부가 구성될 경우, 한면의 활물질 코팅부는 다른 한면의 코팅부의 길이보다 짧게 형성되는 구조로 형성되는 것이 일반적이며, 통상 음극 시트의 길이 및 폭이 양극의 그것보다 보다 크게 구성하는 것이 양극으로부터 발생된 리튬이온이 적출되지 않도록 하는 데 바람직하다.

다음 도 1은 종래 전지 구조의 단면이고, 도 2는 이를 젤리-롤 형태로 권취시킨 구조를 나타내는 바, 이를 참조하여 구체적으로 살피면, 양극집전체(10)의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부(20a, 20b)를 포함하는 양극과, 음극집전체(30)의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부(40a, 40b)를 포함하는 음극이 다수의 분리막(50a, 50b)을 이용하여 서로 대향되도록 구성되어 있다.

또한, 상기 양극집전체(10)와 음극집전체(30)의 권취 시작부 또는 종료부 중 적어도 한쪽에는 상기 전극활물질 코팅부를 포함하지 않는 양극무지부(10')와 음극무지부(30')를 포함하여, 여기에 외부단자와 접속하기 위한 전극 탭들(60, 70)이 접속되어 있다. 상기 양극 탭(60)과 음극 탭(70)은 서로 동일한 방향으로 구성되어 있다.

한편, 상기 양극활물질 코팅부(20a)가 음극과 분리막을 사이에 두고 맞닿을 때 권취시의 편차와 전지의 충방전에 따른 위치 변화를 고려하여 상기 양극의 양극활물질 코팅부는 맞닿는 음극의 코팅영역 안에 있어야 하며 (면적의 크기가 작음) 이때 음극의 활물질 코팅부(40b)와 양극의 활물질 코팅영역과 비코팅영역 사이의 경계면은 상기 음극의 활물질 코팅영역과 만나게 된다. 이 경우 마주보고 있는 분리막(50)의 미세 홀 혹은 수축, 기능상실이 있고 음극 활물질 영역(40b)이 상기 양극의 무지부(10')와 접촉시 발열량이 매우 크게 된다.

한편, 상기와 같이 단락이 발생되어 음극과 양극 활물질 코팅부가 접촉하는 경우 양극 활물질 코팅부의 전기저항이 크기 때문에 단락전류와 발열량이 적어 크게 문제가 되지 않지만, 음극과 양극 무지부(양극활물질이 코팅되지 않은 양극집전체를 의미함)가 접촉하게 되면 전기저항이 작기 때문에 단락전류와 발열량이 높아 안전성을 크게 떨어뜨리는 위험요소로 작용하게 된다.

이러한 문제들을 해결하기 위하여 종래에는 양극무지부와 음극이 대향하는 부분의 단락 방지를 위하여 양극활물질 코팅 경계면에 절연층(90a, 90b, 90c, 90d)을 형성하는 방법을 채택하였다.

또한, 상기 도 1로 나타낸 전지를 젤리-롤 형태로 권취시킨 구조가 다음 도 2와 같은 바, 양극 탭(60)의 앞, 뒷면은 모두 한장의 분리막을 사이에 두고 음극무지부 또는 음극 활물질 코팅부와 대향하고 있는 바, 상기 양극 탭(60)의 일면은 단락 가능성이 있으므로 추가의 절연이 필요하다.

또한, 상기 양극의 활물질 코팅부의 시작부 또는 말단부의 경우, 각각 1장의 분리막을 사이에 두고 음극 코팅부와 대향하고 있으므로 단락 가능성을 배제하기 위하여 추가의 절연이 모두 필요하다.

한편, 음극 탭이 위치된 영역의 음극 탭 방향 또는 반대 방향에서는 각각 6장과 2장의 분리막을 사이에 두고 각각 음극과 접하고 있으므로 별도의 절연층이 필요치 않다. 또한, 음극 탭과 마찬가지로 음극의 권취 시작부의 양면은 모두 각각 4장과 6장의 분리막을 사이에 두고 음극과 접하고 있으므로, 별도의 절연층이 필요치 않다.

그러나, 음극코팅부의 시작부와 말단부에는 각각 1장의 분리막을 사이에 두고 양극무지부 또는 양극 활물질 코팅부와 대향하고 있어 단락가능성이 있으므로 추가의 절연이 필요하다.

따라서, 본 발명에서는 종래 활물질 미코팅부와 상대 전극간이 마주함에 따라 전극간 단락이 발생되는 문제를 해결하고자 한 것이다.

이에 본 발명에서는 종래 전지와는 달리, 양극과 음극 탭이 좌우가 아니라 상하로 배치되도록 설계하여 양극 탭이 위치하는 양극무지부가 음극과 대향하는 것을 차단시키고, 양극에서 양극탭이 설치되지 않는 방향에서는 양극활물질 미코팅부인 양극무지부를 포함하지 않도록 함으로써 양극무지부와 음극이 대향함에 따른 단락가능성을 제거하였으며, 필요에 따라 양극무지부를 포함할 경우 상기 양극무지부에 절연테이프를 더 구비하였으며, 양극의 적어도 일면에만 양극활물질이 코팅되어 다른 반대면의 양극 활물질 미코팅부와 음극활물질 코팅부가 대향하는 부분에서의 단락 가능성에 대해서는 양극활물질 코팅 경계부에 절연테이프를 추가로 구성함으로써 전극 간 단락을 방지하여 전기 절연성이 저하되는 문제를 해결할 수 있게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 전기 절연 특성이 우수한 전지를 제공하는 데 있다.

본 발명과 같이 적어도 일면의 양극무지부를 포함시키지 않도록 함으로써 음극과 대향함에 따른 단락 가능성을 배제시킴과 동시에, 필요에 따라 양극무지부를 포함할 경우 상기 양극무지부에 절연테이프를 더 구비하여 양극무지부를 포함함에 따른 전극 단락 가능성을 없앨 수 있으며, 양극활물질 미코팅부와 음극활물질 코팅부가 마주하는 위치의 양극활물질 코팅 경계면에 절연테이프를 구비함으로써 전기절연성을 확보할 수 있어 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전지는 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취시킨 것이고, 상기 양극의 권취 시작부는 양극집전체 상,하부 모두에 양극활물질 코팅부를 가짐으로써 양극무지부를 포함하지 않고, 양극 권취 종료부에만 양극 탭 설치를 위한 양극무지부를 포함하며, 상기 양극 권취 종료부에 위치하며, 상기 음극과 대향하는 양극활물질 코팅부의 경계면에는 절연테이프를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 전극 형상을 나타낸 다음 도 3에 따르면, 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취시킨 구조를 기본으로 가진다.

상기 양극은 양극집전체(110) 상하부 양면에 양극활물질 코팅부(120a, 120b)를 포함하되, 상기 양극집전체(110)의 적어도 한 방향, 바람직하기로는 권취 종료부에 위치하여 양극 탭(160) 설치를 위한 양극활물질 미코팅부인 양극무지부(110')를 포함하지만, 상기 양극 탭(160)을 포함하지 않는 양극집전체(110)의 다른 한 방향에는 양극집전체(110)의 적어도 어느 한 면이라도 양극활물질이 도포되지 않은 양극무지부를 포함하지 않는다.

즉, 본 발명에서는 음극과 양극 무지부가 접촉함에 따라 단락전류와 발열량이 높아 안전성을 크게 떨어뜨리는 위험요소를 양극무지부를 설치하지 않음에 따라 미연에 방지할 수 있는 효과를 가진다. 이러한 양극 구조는 양극활물질 코팅부가 포함되지 않은 양극무지부를 1회 절단한 후, 양극활물질이 코팅된 코팅부를 절단하는 2-step cutting을 이용하거나 또는 block cutting 등에 의해 구현 가능하다.

본 발명의 음극은 양극집전체(130)의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부(140a, 140b)를 포함하며, 음극집전체(130)의 권취 시작부 또는 종료부 중 적어도 한쪽에는 상기 음극활물질 코팅부를 포함하지 않는 음극무지부(130')를 포함하여, 여기에 외부단자와 접속하기 위한 전극 탭(170)이 접속되도록 한다.

한편, 본 발명에서는 종래 기술과는 달리 상기 양극 탭(160)과 음극 탭(170)을 서로 동일한 방향이 아닌, 상하로 구성되도록 한다. 이는 종래 양극이 음극과 동일한 방향으로 위치함에 따라 1장의 분리막을 거쳐 음극과 대향함에 따른 전기적 단락을 방지하기 위함이다. 본 발명과 같이 양극 탭(160)을 음극 탭(170)과 상하로 위치시킬 경우, 상기 양극 탭(160)은 권취 말단에 위치하게 되고 대향하는 면이 양 극이므로 전기적 단락가능성을 배제시킬 수 있다.

또한, 분리막(150)은 음극의 종료부보다 보다 길게 연장되어 위치하도록 설계하여, 상기 분리막이 열에 의해 수축되더라도 음극 전극을 차단시키도록 하며, 바람직하기로는 상기 음극 종료부로부터 적어도 5mm 이상 연장되어 구성되는 것이다.

본 발명과 같은 구조로 설계할 경우, 다음 도 3의 구조에서 확인할 수 있는 바와 같이 상기 음극집전체(130) 상, 하부의 음극활물질 코팅부(140a, 140b)는 분리막(150a, 150b)을 사이에 두고 양극 활물질 코팅부와 접하는데, 상기 음극활물질 코팅부와 접하는 양극은 그 양극집전체 양면 모두에 양극활물질 코팅부(120a, 120b)에 접하게 되고, 양극활물질 미코팅부인 양극무지부를 포함하지 않으므로 음극과의 단락을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 권취 종료부인 음극집전체(130) 상부의 음극활물질 코팅부(140a)는 분리막(150a)를 사이에 두고, 양극 탭(160)이 설치된 쪽의 양극집전체 하부의 양극활물질 코팅 경계면에 접하는데 이 때 양극활물질 코팅 경계면에 절연테이프(190b)를 추가하여 양극활물질이 코팅되지 않은 양극무지부(110')와 상기 음극활물질 코팅부(140a)의 단락을 방지할 수 있다.

또한, 권취 종료부인 음극집전체(130) 하부의 음극활물질 코팅부(140b)는 분리막(150b)을 사이에 두고, 양극 탭(160)이 설치된 쪽의 양극집전체 상부의 양극활물질 코팅 경계면에 접하는데, 본 발명에서는 상기 양극활물질 코팅 경계면에 절연테이프(190a)를 추가하여 양극활물질이 코팅되지 않은 미코팅부인 양극집전체와 접 촉하지 않도록 한다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상기와 같은 구조를 가지는 음극, 양극, 및 분리막을 권심 부재에 권취시킨 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

다음 도 3과 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 단면도 및 이를 젤리-롤 형태로 권취시킨 구조를 나타낸 것이다.

젤리-롤 형태로 권취시킨 구조를 나타낸 도 4를 참조하면, 본 발명의 양극은 권취 시작부에 양극무지부를 포함하지 않으며, 양극집전체 상, 하부의 양극활물질 코팅부는 와인딩시 각각 1장의 분리막을 사이에 두고 음극활물질 코팅부와 접하고 있다. 상기 양극의 권취 시작부는 양극활물질 코팅부가 포함되지 않은 양극무지부를 1회 절단한 후, 양극활물질을 코팅시킨 다음, 상기 양극활물질 코팅부를 절단하는 2-step cutting을 이용하거나 또는 block cutting 등에 의해 구현 가능하다.

또한, 권취시작부의 음극 무지부(130') 커팅면의 양쪽에는 모두 여러장의 분리막이 위치하고 있어 커팅면의 버(burr)에 의한 안전성을 향상시킬 수 있으며, 권취종료부의 음극무지부 커팅면의 양면은 각각 1장의 분리막을 사이에 두고 양극과 대향하고 있지만, 양극활물질 코팅 경계면에 절연테이프(190a, 190b)가 위치하고 있어 버(burr)에 의한 안전성을 향상시킬 수 있다.

상기 도 3과 4에 따른 본 발명의 제 1 실시예에서는, 양극 종료부의 양극집전체 상부 및 하부의 양극활물질 코팅부 경계면(190a, 190b)에 절연테이프를 부착시킴으로써 양극활물질의 미코팅부와 음극활물질 코팅부가 대향함에 따른 전기적 단락을 방지할 수 있게 된다.

이와 같은 양극활물질 코팅부의 경계면에 부착되는 절연테이프(190a, 190b)는 상기 전극의 와인딩 공정 또는 광폭의 전극 제조공정에서 부착시키는 것이 바람직하다.

또한, 양극 탭(160)과 음극 탭(170)은 서로 동일한 방향이 아닌, 음극 탭 반대면에 양극 탭(160)이 위치도록 설계하고, 상기 양극 탭이 위치된 반대면에는 양극무지부를 포함하지 않도록 함으로써 음극과의 전기적 단락을 미연에 방지시킬 수 있다.

또한, 분리막(150)은 음극의 종료부에 있어 최소 5mm 이상 연장되도록 구성하여, 분리막이 수축되더라도 음극활물질의 노출부를 차단시키도록 한다.

다음 도 5와 6은 본 발명에 따른 바람직한 제 2 실시예를 나타내고 있는 바, 본 발명의 제 2실시예에서는 상기 제1실시예의 구성에서 양극 탭이 설치된 양극 무지부 말단의 상하 양면에 양극활물질 코팅부(220a', 220b')를 더 포함한다.

상기 제1실시예에서와 마찬가지로 양극은 권취 시작부에 양극무지부를 포함하지 않으며, 다음 도 6에서와 같이 양극 권취 시작부의 양극집전체 상, 하부의 양극활물질 코팅부는 와인딩시 각각 1장의 분리막을 사이에 두고 음극활물질 코팅부와 접하고 있다. 상기 양극 선단부는 1-step cutting으로 구현 가능하다.

본 실시예에서는 양극 탭(260)이 설치된 양극무지부의 말단의 상부와 하부 모두에 각각 위치된 양극활물질 코팅부(220a', 220b')는 별도의 절연테이프를 포함하지 않는다.

또한, 양극 탭(260)과 음극 탭(270)은 서로 동일한 방향이 아닌, 음극 탭 반대면에 양극 탭(260)이 위치도록 설계하고, 상기 양극 탭이 위치된 반대면에는 양극무지부를 포함하지 않도록 함으로써 음극과의 전기적 단락을 미연에 방지시킬 수 있다.

또한, 분리막(250)은 음극의 종료부보다 길게 형성하는 것이 바람직하며, 상기 음극 종료부로부터 최소 5mm 이상 연장되도록 구성하여, 분리막이 수축되더라도 음극활물질의 노출부를 차단시키도록 한다.

또한, 권취시작부의 음극 무지부(230') 커팅면의 양쪽에는 모두 여러장의 분리막이 위치하고 있어 커팅면의 버(burr)에 의한 안전성을 향상시킬 수 있으며, 권취종료부의 음극무지부 커팅면의 양면은 각각 1장의 분리막을 사이에 두고 양극과 대향하고 있지만, 양극활물질 코팅 경계면에 절연테이프(290a, 290b)가 위치하고 있어 버(burr)에 의한 안전성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 전지의 절연테이프는 상기 제1실시예에서와 마찬가지로, 양극 종료부의 양극집전체 상부 및 하부의 양극활물질 코팅부 경계면(290a, 290b)에 부착시킴으로써 양극활물질의 미코팅부와 음극활물질 코팅부가 대향함에 따른 전기적 단락을 방지할 수 있게 된다.

이와 같은 양극활물질 코팅부의 경계면에 부착되는 절연테이프(290a, 290b)는 상기 전극의 와인딩 공정 또는 광폭의 전극 제조공정에서 부착시키는 것이 바람직하다.

한편, 다음 도 7과 8에 따른 본 발명의 제3실시예에서는, 상기 제2실시예의 구성에서 절연테이프를 더 포함하는 것으로 구성된다. 구체적으로는, 양극 선단부의 양극집전체의 상부 및 하부에 양극활물질 코팅부 경계면(390c, 390d), 양극 활물질 종료부의 양극집전체 상부 및 하부의 양극활물질 코팅부 경계면(390a, 390b), 및 양극 종료부의 양극무지부 말단에 형성된 추가의 양극활물질 코팅부(320a', 320b')의 상, 하부의 경계면(390e, 390f) 모두에 절연테이프를 부착시킴으로써 양극활물질의 미코팅부와 음극 활물질 코팅부가 대향함에 따른 전기적 단락을 방지할 수 있게 된다.

또한, 권취시작부의 음극 무지부(330') 커팅면의 양쪽에는 모두 여러장의 분리막이 위치하고 있어 커팅면의 버(burr)에 의한 안전성을 향상시킬 수 있으며, 권취종료부의 음극무지부 커팅면의 양면은 각각 1장의 분리막을 사이에 두고 양극과 대향하고 있지만, 양극활물질 코팅 경계면에 절연테이프(390a, 390b)가 위치하고 있어 버(burr)에 의한 안전성을 향상시킬 수 있다.

또한, 양극 탭(360)과 음극 탭(370)은 서로 동일한 방향이 아닌, 음극 탭 반대면에 양극 탭(360)이 위치도록 설계하고, 상기 양극 탭이 위치된 반대면에는 양극무지부를 포함하지 않도록 함으로써 음극과의 전기적 단락을 미연에 방지시킬 수 있다.

또한, 분리막(350)은 음극의 종료부보다 길게 형성하는 것이 바람직하며, 상기 음극 종료부로부터 최소 5mm 이상 연장되도록 구성하여, 분리막이 수축되더라도 음극활물질의 노출부를 차단시키도록 한다.

다음 도 9와 10은 본 발명에 따른 바람직한 제 4 실시예를 나타내고 있는 바, 여기에서는 선택적으로 양극집전체(410) 양 말단 모두에 양극활물질 코팅부를 포함하지 않는 양극무지부(410')를 포함한다. 따라서, 양극의 권취 시작부로부터 일정 간격 이격된 위치에서 양극집전체 상,하부에 양극활물질 코팅부가 시작되며, 상기 양극의 권취시작부는 다음 도 10에서와 같이 와인딩시 1장의 분리막을 사이에 두고 음극활물질 코팅부와 접하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 양극무지부와 음극활물질 코팅부가 대향함에 따른 단락방지를 위하여, 상기 양극 선단부로부터 양극활물질 코팅 경계면 상, 하 부위에 절연테이프(490c, 490d)를 추가하여 상기와 같은 단락을 방지할 수 있도록 한다.

상기 양극의 권취 시작부는 양극활물질 코팅부가 포함되지 않은 양극무지부의 선단부를 1-step cutting으로 구현 가능하다.

또한, 양극 활물질 종료부의 양극집전체 상부 및 하부의 양극활물질 코팅부 경계면(490a, 490b), 및 양극 탭이 위치한 양극 집전체 말단의 양극무지부의 상, 하부(490e, 490f)에 절연테이프를 부착시킴으로써 양극활물질의 미코팅부와 음극활물질 코팅부가 대향함에 따른 전기적 단락을 방지할 수 있게 된다.

또한, 권취시작부의 음극 무지부(430') 커팅면의 양쪽에는 모두 여러장의 분리막이 위치하고 있어 커팅면의 버(burr)에 의한 안전성을 향상시킬 수 있으며, 권취종료부의 음극무지부 커팅면의 양면은 각각 1장의 분리막을 사이에 두고 양극과 대향하고 있지만, 양극활물질 코팅 경계면에 절연테이프(490a, 490b)가 위치하고 있어 버(burr)에 의한 안전성을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 양극활물질 코팅부의 경계면에 부착되는 절연테이프(490a, 490b, 490c, 490d, 490e, 490f)는 상기 전극의 와인딩 공정 또는 광폭의 전극 제조공정에서 부착시키는 것이 바람직하다.

또한, 양극 탭(460)과 음극 탭(470)은 서로 동일한 방향이 아닌, 상하로 구성되어 있다. 또한, 또한, 음극의 종료부는 음극 말단부보다 보다 길게 연장시켜 위치되도록 하는 바, 이는 상기 분리막(450a, 450b)이 열적 수축을 고려하여 결정되는 것이다.

본 발명에 따른 전지 구조를 가질 경우, 상기 음극의 권취시작부인 선단부의 음극무지부 커팅면은 다수의 분리막에 의해 절연 보호되고, 음극의 권취종료부인 음극 말단부의 음극무지부 커팅면은 양극활물질 코팅 경계면의 절연테이프에 의해 보호되어, 절연특성이 우수한 이차전지를 제공할 수 있게 된다.

본 발명의 각 실시예에서 사용되는 절연테이프는 절연 특성이 우수한 것이면 어떤 것이든 한정되지 않으며, 바람직하기로는 200℃까지 열수축되지 않는 재료가 바람직하다. 또한, 열을 받으면 다소간 신축되는 재료를 사용하면, 전극 간에 위치된 분리막에 문제가 생기더라도 그 부분을 해결할 수 있어 더욱 바람직하다.

상기 절연테이프로는 폴리이미드 테이프, 아세테이트 테이프, glass cloth 테이프, 폴리에스터 테이프, 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylenesulfide, PPS), 및 폴리프로필렌(polypropylene)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 것이 며, 바람직하기로는 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름이다.

또한, 본 발명의 전지에 구성되는 상기 절연테이프의 두께는 10 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 전지를 구성하는 다른 요소, 특별히 2차 전지의 구성요소에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 양극집전체는 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 본 발명의 양극 활물질의 구체적인 예를 들면, 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄(여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xMxO₂(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x =0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-xM_xO₂(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li₂Mn₃MO₈(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.　 바람직하게 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간-코발트-니켈 산화물, 또는 이들 둘 이상의 복합물일 수 있다.

음극 집전체로는 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.

본 발명의 음극은 음극 활물질로서, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니고, 바람직하게는, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 실리콘계 활물질, 주석계 활물질, 및 실리콘-탄소계 활물질로 이루어진 군에서 선택되어 단독 또는 둘 이상의 조합일 수 있으며, 이외에도 음극에 포함되는 통상의 바인더, 도전재, 및 기타 첨가제를 포함할 수 있으며, 이들의 구체 예나 함량 등은 통상 첨가되는 수준이면 충분하다.

상기 바인더는 활물질과 도전재의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다.　이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 도전재는 전극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다.　 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 충진제는 음극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.　 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다.　 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포; 크라프트지 등이 사용된다.　 현재 시판중인 대표적인 예로는 셀가드 계열(Celgard^TM 2400, 2300(Hoechest Celanese Corp. 제품), 폴리프로필렌 분리막(Ube Industries Ltd. 제품 또는 Pall RAI사 제품), 폴리에틸렌 계열(Tonen 또는 Entek) 등이 있다.

경우에 따라서는, 전지의 안정성을 높이기 위하여 상기 분리막 상에 겔 폴리머 전해질이 코팅될 수도 있다.　 이러한 겔 폴리머 중 대표적인 예로는, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로니트릴 등을 들 수 있다.　 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

상기 양극과 음극에는 각각 양극 탭과 음극 탭이 레이저용접, 초음파용접, 저항용접과 같은 용접이나 도전성 접착제에 의하여 통전가능하도록 부착되어 있다. 상기 전극탭에는 절연성 소재로 만들어진 보호 테이프가 부착되어 전극 간의 단락을 방지한다.

본 발명은 상기와 같은 구성을 가지는 전지를 각형 전지 캔에 수용하고, 여기에 비수계 전해질을 첨가하여 이루어진 각형 전지를 제공한다.

상기 비수계 전해질은 리튬염 함유 비수계 전해질로서, 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸 술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, LiSCN, LiC(CF₃SO₂)₃, (CF₃SO₂) ₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다.　 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.

본 발명에 따른 각형 리튬 전지의 제조과정을 간단히 살피면 다음과 같다. 양극과, 두께 20㎛의 폴리에틸렌제의 미다공질 필름으로 이루어지는 세퍼레이터를 통하여 음극을 권취하고, 단면이 대략 타원형의 전극군을 구성한다. 상기 전극군을 알루미늄제의 각형의 전지캔에 수용하는 바, 상기 전지캔은 저부와 측벽을 가진다. 전지캔의 상부는 개구하고 있으며, 그 형상은 대략 사각형이다. 그 후, 전지캔과 양극 리드 또는 음극 리드의 단락을 방지하기 위한 절연테이프를 구성하고, 추가의 단락이 예상되는 각 부위에 절연테이프를 더 구성한다. 본 발명에서는 양극활물질 미코팅부와 음극활물질 코팅부가 대향하는 부위에 절연테이프를 부착시킬 경우, 상기와 같이 권취 공정에서 절연테이프 부착장치를 통하여 형성시키거나, 또는 전극 코팅 공정에서 전극의 폭에 해당되는 만큼 상기 절연테이프를 부착시키게 된다. 그 다음, 절연 가스켓으로 둘러싸인 음극 단자를 중앙에 가진 구형의 밀봉판을, 전지캔의 개구에 배치시키고, 음극 리드는 음극 단자와 접속한다. 양극 리드는 밀봉판의 아랫면과 접속한다. 개구의 단부와 밀봉판을 레이저로 용접하여, 전지캔의 개구 를 밀봉한다. 그 후, 밀봉판의 주액구멍으로부터 비수전해질을 전지캔에 주입하고, 마지막으로, 주액구멍을 밀봉마개로 용접에 의해 막아 각형 리튬 2차전지를 제조한다.

한편, 각 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 전지와, 종래기술에 따른 도 1의 전지에 대한 안정성 평가를 hot box test를 통하여 수행하였으며, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

-hot box test 조건 : 150℃에서 1시간 동안 유지시킨 후 그 결과를 나타내었다.

	hot box test 결과
종래기술	2/30ea
실시예 1	0/30ea
실시예 2	0/30ea
실시예 3	0/30ea
실시예 4	0/30ea

상기 표 1의 결과에서와 같이, 본 발명에 따라 제조된 각형 전지는 위험한 영역에서 내부단락이 발생되는 것이 방지되어 안전성이 크게 향상되었음을 확인하였다.

도 1과 2는 종래 기술에 따른 전지 구조, 및 이를 젤리-롤 형태로 권취시킨 구조이고,

도 3와 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 전지 구조, 및 이를 젤리-롤 형태로 권취시킨 구조이고,

도 5와 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 전지 구조, 및 이를 젤리-롤 형태로 권취시킨 구조이고,

도 7과 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 전지 구조, 및 이를 젤리-롤 형태로 권취시킨 구조이고,

도 9와 10은 본 발명의 4실시예에 따른 전지 구조, 및 이를 젤리-롤 형태로 권취시킨 구조이다.

<도면 부호의 간단한 설명>

10, 110, 210, 310, 410 : 양극집전체

20a, 20b, 120a, 120b, 220a, 220b, 320a, 320b, 220a', 320a', 420a, 420b: 양극활물질 코팅부

30, 130, 230, 330, 430 : 양극집전체

40a, 40b, 140a, 140b, 240a, 240b, 340a, 340b, 440a, 440b : 음극활물질 코팅부

50a, 50b, 150a, 150b, 250a, 250b, 350a, 350b, 450a, 450b : 분리막

10', 110', 210', 310', 410': 양극무지부

30', 130', 230', 330', 430' : 음극무지부

60, 160, 260, 360, 460 : 양극 탭

70, 170, 270, 370, 470 : 음극 탭

80a: 보호테이프

90a, 90b, 90c, 90d, 190a, 190b, 190c, 290a, 290b, 290c, 290d, 290e, 390a, 390b, 390c, 490a, 490b, 490c, 490d, 490e, 490f : 절연테이프

111, 222, 333, 444 : 마감 테이프

Claims (19)

1. 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취시킨 전지이고,

   상기 양극의 권취 시작부는 양극집전체 상,하부 모두에 양극활물질 코팅부를 가짐으로써 양극무지부를 포함하지 않고, 양극 권취 종료부에만 양극 탭 설치를 위한 양극무지부를 포함하며,

   상기 양극 권취 종료부에 위치하며, 상기 음극과 대향하는 양극활물질 코팅부의 경계면에는 절연테이프를 포함하며, 여기서 상기 양극활물질 코팅부의 경계면에 형성되는 절연테이프의 시작부는 전지가 권취되는 곡률반경(R) 영역 이전의 위치로부터 시작하여 상기 음극의 음극무지부 말단부보다 길게 형성되며,

   상기 음극은 음극집전체 일면에 코팅된 음극활물질 코팅부와 나머지 일면에 코팅된 음극활물질 코팅부의 그 시작부와 종료부가 서로 다른 위치에서 시작되고 종료되는 상호 어긋나는 구조로 형성된 것인 전지.
2. 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취시킨 전지이고,

   상기 양극의 권취 시작부는 양극집전체 상,하부 모두에 양극활물질 코팅부를 가짐으로써 양극무지부를 포함하지 않고, 양극 권취 종료부에만 양극 탭 설치를 위한 양극무지부를 포함하고,

   상기 양극무지부 말단부의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 더 포함하며,

   상기 양극 권취 종료부에 위치하며, 상기 음극과 대향하는 양극활물질 코팅부의 경계면에는 절연테이프를 포함하며, 여기서 상기 양극활물질 코팅부의 경계면에 형성되는 절연테이프의 시작부는 전지가 권취되는 곡률반경(R) 영역 이전의 위치로부터 시작하여 상기 음극의 음극무지부 말단부보다 길게 형성되며,

   상기 음극은 음극집전체 일면에 코팅된 음극활물질 코팅부와 나머지 일면에 코팅된 음극활물질 코팅부의 그 시작부와 종료부가 서로 다른 위치에서 시작되고 종료되는 상호 어긋나는 구조로 형성된 것인 전지.
3. 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극과 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극이 분리막을 이용하여 대향하도록 권취시킨 전지이고,

   상기 양극의 권취 시작부 및 권취 종료부에는 양극무지부를 포함하여, 상기 권취시작부 및 권취 종료부의 적어도 한쪽의 양극무지부에는 전극 탭이 설치되며, 여기서 상기 전극 탭이 설치되는 쪽의 양극무지부 말단에는 절연테이프를 포함하며,

   상기 양극 권취 종료부에 위치하며, 상기 음극과 대향하는 양극활물질 코팅부의 경계면에는 절연테이프를 포함하며, 여기서 상기 양극활물질 코팅부의 경계면에 형성되는 절연테이프의 시작부는 전지가 권취되는 곡률반경(R) 영역 이전의 위치로부터 시작하여 상기 음극의 음극무지부 말단부보다 길게 형성되며,

   상기 음극은 음극집전체 일면에 코팅된 음극활물질 코팅부와 나머지 일면에 코팅된 음극활물질 코팅부의 그 시작부와 종료부가 서로 다른 위치에서 시작되고 종료되는 상호 어긋나는 구조로 형성된 것인 전지.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 양극은 권취 시작부에서는 양극집전체 상, 하부의 양극활물질 코팅부의 시작점이 동일하고, 권취 종료부에서는 양극집전체에 도포된 상, 하부의 양극활물질 코팅부의 길이가 상이하여, 적어도 일면의 양극활물질 코팅부의 다른 한면은 양극활물질 코팅부를 가지지 않는 양극활물질 미코팅부로 구성됨을 특징으로 하는 전지.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 절연테이프는 권취시작부를 기준으로 양극집전체 상, 하부 양 말단의 양극활물질 코팅 경계면에 구성됨을 특징으로 하는 전지.
6. 제 2항에 있어서, 상기 절연테이프는 권취시작부를 기준으로 양극집전체 상부 양 말단의 양극활물질 코팅 경계면과 양극집전체 하부 양 말단의 양극활물질 코팅 경계면, 및 상기 양극무지부의 말단의 양극활물질 코팅 경계면에 구성됨을 특징으로 하는 전지.
7. 제 3항에 있어서, 상기 절연테이프는 권취시작부를 기준으로 양극집전체 상부 양 말단의 양극활물질 코팅 경계면, 양극집전체 상부 말단의 양극활물질 코팅 경계면, 및 상기 전극 탭이 설치된 쪽의 양극집전체 말단에 구성됨을 특징으로 하는 전지.
8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연테이프는 권취 공정 또는 전극 코팅 공정에서 구성됨을 특징으로 하는 전지.
9. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전지의 양극 탭과 음극 탭은 상하 방향인 것을 특징으로 하는 전지.
10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극은 권취시작부 또는 권취 종료부의 적어도 어느 한쪽에 전극탭을 연결하기 위한 음극활물질 코팅부를 포함하지 않는 음극무지부를 가지되, 상기 음극 탭이 연결된 음극집전체의 반대면에는 상기 음극 탭에 대응되는 위치에서 적어도 2층 이상의 절연층을 가짐을 특징으로 하는 전지.
11. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극의 권취시작부인 선단부의 음극무지부 커팅면은 다수의 분리막에 의해 절연 보호됨을 특징으로 하는 전지.
12. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리막은 음극의 종료부보다 연장되어 구성됨을 특징으로 하는 전지.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 분리막은 음극의 종료부로부터 적어도 5mm 이상 연장됨을 특징으로 하는 전지.
14. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연테이프는 폴리이미드 테이프, 아세테이트 테이프, glass cloth 테이프, 폴리에스터 테이프, 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylenesulfide, PPS), 및 폴리프로필렌(polypropylene) 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 것을 특징으로 하는 전지.
15. 제 14항에 있어서, 상기 절연테이프는 폴리에틸렌테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 전지.
16. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연테이프의 두께는 10 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 전지.
17. 제 1항에 따른 전지를 각형 전지 캔에 수용하고, 여기에 비수전해질을 포함하는 각형 전지.
18. 제 2항에 따른 전지를 각형 전지 캔에 수용하고, 여기에 비수전해질을 포함하는 각형 전지.
19. 제 3항에 따른 전지를 각형 전지 캔에 수용하고, 여기에 비수전해질을 포함하는 각형 전지.

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