KR101450337B1 - Terminal assembly and rechargeable battery with the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 젤리롤형 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극판과 음극판이 포함된 젤리롤형 전극 조립체에 있어서, 상기 양극판 또는 음극판의 일 표면에 코팅되어 상기 양극판과 음극판의 단락을 방지하는 세라믹 세퍼레이터와, 상기 양극판 또는 음극판의 맨드랠과 접촉하는 부위에 상기 세라믹 세퍼레이터와 별개로 부착되는 필름 세퍼레이터가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 젤리롤형 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a jelly roll type electrode assembly and a secondary battery having the same, and more particularly, to a jelly roll type electrode assembly including a positive electrode plate and a negative electrode plate, wherein the positive electrode plate or the negative electrode plate is coated on one surface of the positive electrode plate or negative electrode plate, And a film separator attached to a portion of the positive electrode plate or the negative electrode plate that is in contact with the mandrel and is attached to the ceramic separator separately from the ceramic separator, and a secondary battery having the same. will be.
본 발명에 의하면 세라믹 세퍼레이터가 코팅된 집전체의 무지부를 포함하는 연장부위에 세라믹 세퍼레이터에 비해 마찰계수가 작은 별도의 필름 세퍼레이터를 부착함으로써 와인딩시 상기 전극 조립체를 맨드랠에서 용이하게 분리시켜 신뢰성이 향상된 이차 전지를 제조할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, a separate film separator having a smaller coefficient of friction than the ceramic separator is attached to the extended portion including the non-coated portion of the current collector coated with the ceramic separator, thereby easily separating the electrode assembly from the mandrel during winding, The secondary battery can be manufactured.
세라믹 세퍼레이터, 필름 세퍼레이터, 와인딩, 맨드랠, 전극 조립체 Ceramic separator, film separator, winding, mandrel, electrode assembly
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리롤형 전극 조립체의 음극판 평면도.1 is a plan view of a negative electrode plate of a jelly roll type electrode assembly according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 세퍼레이터가 적용된 이차 전지 및 비교예의 용량 비교 그래프.2 is a capacity comparison graph of a secondary battery and a comparative example to which a ceramic separator according to an embodiment of the present invention is applied.
도 3은 종래의 세라믹 세퍼레이터가 적용된 전극판 평면도.3 is a plan view of an electrode plate to which a conventional ceramic separator is applied.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>Description of the Related Art
10: 집전체 20: 활물질층10: collector 20: active material layer
30: 무지부 40: 음극탭30: uncoated portion 40: negative electrode tab
50: 세라믹 세퍼레이터 60: 필름 세퍼레이터50: ceramic separator 60: film separator
100: 세라믹 세퍼레이터가 코팅된 음극에 기존 양극을 사용하여 제조한 이차 전지100: Secondary battery manufactured by using a conventional positive electrode on a negative electrode coated with a ceramic separator
200: 세라믹 세퍼레이터가 양극 및 음극에 모두 코팅되어 제조된 이차 전지200: A secondary battery manufactured by coating a ceramic separator on both the positive electrode and the negative electrode
300: 기존의 양극 및 음극과 그 사이에 필름 세퍼레이터가 개재되어 제조된 이차 전지300: a secondary battery manufactured by using a conventional positive electrode and negative electrode and a film separator interposed therebetween;
본 발명은 젤리롤형 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극판 또는 음극판에 절연성 세라믹 세퍼레이터가 코팅되어 형성된 젤리롤형 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a jelly roll type electrode assembly and a secondary battery having the jelly roll type electrode assembly, and more particularly, to a jelly roll type electrode assembly having a positive electrode plate or a negative electrode plate coated with an insulating ceramic separator and a secondary battery having the same.
일반적으로 이차 전지는 일회용 전지와 달리 충전을 하면 반복해서 사용할 수 있는 전지로, 주로 통신용, 정보처리용, 오디오/비디오용 휴대기기의 주 전원으로 사용되고 있다. 최근에 이차 전지에 대한 관심이 집중되고 개발화가 급속히 이루어지고 있는 주된 이유는 이차 전지가 초경량, 고에너지밀도, 고출력전압, 낮은 자가방전율, 환경 친화적 배터리 및 긴 수명을 가진 전원이기 때문이다.Generally, a secondary battery is a battery that can be used repeatedly when charged, unlike a disposable battery, and is mainly used as a main power source for communication, information processing, and audio / video portable devices. The main reason for the recent interest in secondary batteries and the rapid development of secondary batteries is that secondary batteries are light-weight, high energy density, high output voltage, low self-discharge rate, environmentally friendly battery and long life power source.
이차 전지는 전극 활물질에 따라 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬이온(Li-ion)전지 등으로 나뉘며, 특히 리튬이온전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 경우와 고체 폴리머 전해질 혹은 겔 상의 전해질을 사용하는 경우로 나뉠 수 있다. 또한, 전극조립체가 수용되는 용기의 형태에 따라 캔형과 파우치형 등 다양한 종류로 나눠진다.The secondary battery is divided into a nickel-metal hydride (Ni-MH) battery and a lithium ion (Li-ion) battery according to an electrode active material. Particularly, a lithium ion battery is classified into a liquid electrolyte, And the case where the electrolyte is used. The electrode assembly is divided into various types such as a can type and a pouch type depending on the type of the container in which the electrode assembly is accommodated.
리튬이온전지는 무게당 에너지 밀도가 일회용 전지에 비해 월등히 높아 초경량 배터리의 구현이 가능하고, 셀당 평균전압은 3.6V로 다른 이차전지인 니카드전지나 니켈수소전지의 평균전압 1.2V보다 3배의 컴팩트효과가 있다. 또한, 리튬이온전지는 자가방전율이 20℃에서 한달에 약 5%미만으로 니카드전지나 니켈수소전지 보다 약 1/3수준이고, 카드뮴(Cd)이나 수은(Hg)같은 중금속을 사용하지 않음으로써 환경 친화적이며, 또한, 정상적인 상태에서 1000회 이상의 충방전을 할 수 있는 장 점이 있다. 따라서, 이와 같은 장점을 바탕으로 최근의 정보통신기술의 발전과 더불어 그 개발이 급속히 이루어지고 있다.Lithium-ion batteries have a much higher energy density per unit weight than disposable batteries, enabling ultra-light batteries and an average voltage per cell of 3.6V, which is three times smaller than the average voltage of 1.2V for other secondary batteries such as Ni-Cd and Ni- . In addition, the lithium ion battery has a self-discharge rate of less than about 5% per month at 20 ° C, which is about one-third of that of a nickel-cadmium battery or a nickel-metal hydride battery and does not use heavy metals such as cadmium (Cd) or mercury (Hg) , And there is a merit that charging and discharging can be performed more than 1000 times in a normal state. Therefore, based on these advantages, the development of information communication technology has been rapidly progressed.
종래의 이차 전지는 양극판과 음극판 및 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 상기 캔의 상단개구부를 캡조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 베어셀을 형성한다. 상기 캔이 상기와 같이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되면 알루미늄의 가벼운 속성으로 전지의 경량화가 이루어질 수 있고, 고전압하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 유리한 점이 있다.In a conventional secondary battery, an electrode assembly composed of a positive electrode plate, a negative electrode plate and a separator is housed in a can made of aluminum or an aluminum alloy, an upper opening of the can is closed with a cap assembly, . If the can is formed of aluminum or an aluminum alloy as described above, the light weight of the battery can be reduced due to the light property of aluminum, and corrosion is not caused even when the can is used for a long time under a high voltage.
밀봉된 단위 베어셀은 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient), 서멀 퓨즈(Thermal Fuse) 및 보호회로기판(PCM: Protective Circuit Module) 등의 안전장치 및 기타 전지 부속들과 연결된 상태로 별도의 하드 팩에 수납되거나, 핫 멜트 수지를 이용하여 몰드를 통해 완성된 외관을 형성하게 된다.The sealed unit bare cell is connected to safety devices such as a PTC device (Positive Temperature Coefficient), a thermal fuse and a protective circuit board (PCM: Protective Circuit Module) and other battery parts, Or a hot melt resin is used to form the finished appearance through the mold.
한편, 상기 전극 조립체의 세퍼레이터는 두 전극 사이에서 상기 양극판과 음극판의 단락을 방지하기 위해 설치된다. 그러나, 상기 세퍼레이터는 리튬 이온의 이동을 제한하는 요인이 된다. 즉, 두 전극 사이에 존재하는 세퍼레이터가 전해질에 대한 충분한 투과성, 젖음성(wettability)을 갖지 못할 경우, 세퍼레이터에 의한 두 전극 사이에서의 리튬 이온의 이동을 제한하여 전지의 전기적 특성을 떨어뜨리게 된다. Meanwhile, the separator of the electrode assembly is installed between the two electrodes to prevent a short circuit between the positive electrode plate and the negative electrode plate. However, the separator restricts the movement of lithium ions. That is, if the separator existing between the two electrodes does not have sufficient permeability and wettability to the electrolyte, the movement of the lithium ions between the two electrodes by the separator is restricted, thereby deteriorating the electrical characteristics of the battery.
따라서, 전지의 성능과 관련된 세퍼레이터의 특성에 있어서, 세퍼레이터의 내열성, 열변형 저항성, 내화학성, 기계적 강도 등과 함께 세퍼레이터의 임의의 단 면에서 빈 공간 부분의 면적을 의미하는 공공율, 전해액에 의한 젖음성 등이 주요 지표가 된다. Therefore, in terms of the characteristics of the separator relating to the performance of the battery, the porosity means the porosity, which means the area of the hollow space at an arbitrary end face of the separator as well as the heat resistance, thermal deformation resistance, chemical resistance and mechanical strength of the separator, And so on.
또한, 상기 세퍼레이터는 자체가 전지의 과열을 방지하는 안전장치의 역할도 하게 된다. 세퍼레이터의 통상적 재료가 되는 폴리올레핀 계통의 미다공성 막은 전지의 이상으로 인하여 일정 이상의 온도가 되면, 연화되고 부분적으로 용융상태가 된다. 따라서, 전해액의 연결통로, 리튬 이온의 통로가 되는 미다공성 막의 미세 통공이 폐쇄된다(shut down). 리튬 이온의 이동은 중단되고, 전지의 내외부 전류의 흐름이 멈추어 전류에 의한 전지의 온도 상승도 멈추게 된다.In addition, the separator itself serves as a safety device for preventing overheating of the battery. The polyolefin-based microporous membrane, which is a common material of the separator, becomes soft and partially melted when the temperature of the microporous membrane reaches a certain level due to the abnormality of the battery. Therefore, the micropores of the microporous membrane serving as the passage of the electrolyte and the passage of lithium ions are shut down. The movement of the lithium ions is stopped, and the flow of the internal and external currents of the battery is stopped to stop the temperature rise of the battery due to the current.
그러나, 전지의 온도가 어떤 이유로, 가령 외부 열전이 등의 이유로 갑자기 상승할 경우, 세퍼레이터의 미세 통공 폐쇄에도 불구하고, 전지의 온도 상승이 일정 시간 계속되어 세퍼레이터의 파손이 생길 수 있다. 즉, 세퍼레이터가 부분적으로 녹아 그 부분에서 전지의 두 극이 직접 닿아 내부 단락을 일으킬 수 있고, 세퍼레이터가 수축되고, 수축으로 인하여 줄어든 위치에서 전지의 두 극이 맞닿아 단락될 수 있다. 이런 단락은 더욱 심각한 위험성을 가지게 된다. However, when the temperature of the battery suddenly rises for some reason, for example, due to external heat transfer or the like, the temperature rise of the battery may continue for a certain period of time despite the fine hole closing of the separator, and breakage of the separator may occur. In other words, the separator melts partially to directly contact the two poles of the battery to cause an internal short-circuit, the separator shrinks, and the two poles of the battery can be short-circuited at a reduced position due to shrinkage. These paragraphs have more serious risks.
그리고, 전지의 고용량화 경향에 따라 이차 전지에서 단시간에 많은 전류가 흐를 수 있게 된다. 이런 경우, 이차 전지에서 일단 이상 과전류가 흐르게 되면, 세퍼레이터의 미세 통공 폐쇄가 이루어져도 전류 차단에 의해 바로 전지의 온도가 낮아지기 보다는 이미 발생된 열에 의해 세퍼레이터의 용융이 계속되어 세퍼레이터 파손에 의한 내부 단락이 발생할 가능성이 커진다. Further, according to the trend of high capacity of the battery, a large amount of current can flow in the secondary battery in a short time. In this case, if the overcurrent flows more than one time in the secondary battery, the temperature of the battery is not immediately lowered due to the current interruption even if the microcavity of the separator is closed, and the melting of the separator continues due to the already generated heat, The probability of occurrence is increased.
이런 상황에서는 세퍼레이터의 기공 폐쇄에 의한 전류 차단도 중요하지만 전 지 과열시 세퍼레이터가 용융되거나 수축되는 문제가 더욱 중요한 문제가 된다. 즉, 전극 사이의 내부 단락을 높은 온도에서도 안정적으로 방지하는 것이 요청됨에 따라, 세퍼레이터는 세라믹 필러의 입자가 바인더와 결합되어 이루어지는 다공막을 가지는 세라믹 세퍼레이터를 적용하게 된다.In such a situation, current interruption due to pore closing of the separator is also important, but the problem that the separator melts or shrinks when the battery is overheated is more important. That is, it is required to stably prevent an internal short-circuit between electrodes at a high temperature, so that a ceramic separator having a porous film in which particles of a ceramic filler are combined with a binder is applied to the separator.
상기 세라믹 세퍼레이터 기능막을 적용한 종래의 전극 조립체는 양극 집전체의 소정영역에 양극 활물질층이 형성된 양극판과, 음극 집전체의 소정영역에 음극 활물질층이 형성된 음극판 및 상기 양극판 또는 음극판 상에 도포되어 상기 양극판과 음극판의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만을 가능하게 하는 세라믹 세퍼레이터 기능막이 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다.A conventional electrode assembly to which the ceramic separator functional film is applied includes a positive electrode plate having a positive electrode active material layer formed on a predetermined region of a positive electrode collector, a negative electrode plate having a negative electrode active material layer formed on a predetermined region of the negative electrode collector, And a ceramic separator functional film for preventing shorting of the negative electrode plate and allowing movement of lithium ions only is wound in a jelly-roll shape.
한편, 종래의 필름 세퍼레이터를 사용하는 이차 전지는 와인딩시 맨드랠이 상기 필름 세퍼레이터를 먼저 감아 권심부를 형성하고 이후 양극판과 음극판을 권취한다. 하지만, 필름 세퍼레이터를 완전히 제거하고 상기 세라믹 세퍼레이터를 코팅한 이차 전지는 와인딩시 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 맨드랠이 전극판의 전극탭 부착부위인 무지부(30)를 먼저 감고 바로 전극판의 활물질층(20)을 감아 상기 무지부(30) 및 활물질층(20)을 권심부로 형성한다. 또한, 와인딩 완료시 상기 전극조립체의 무지부(30)에 코팅된 세라믹층은 그 마찰계수가 상기 필름 세퍼레이터의 마찰계수보다 크기 때문에 상기 맨드랠에서 상기 전극 조립체를 잘 분리시키지 못하고 마찰에 의한 엇감김 현상을 발생시키는 문제점이 있다.On the other hand, in the case of a secondary battery using a conventional film separator, the mandrel winds up the film separator first to form a winding core portion, and then winds the positive electrode plate and the negative electrode plate. However, when the secondary battery is completely coated with the ceramic separator by removing the film separator completely, as shown in FIG. 3, the mandrel winds the
이에 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로 권 취된 전극 조립체를 맨드랠에서 용이하게 분리시켜 마찰에 의한 전극 조립체와 맨드랠의 엇감김 현상을 배제함으로써 신뢰성이 향상된 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an electrode assembly with improved reliability by easily separating the wound electrode assembly from the mandrel to eliminate stiction of the electrode assembly and mandrel by friction, And a secondary battery provided with the secondary battery.
본 발명의 다른 목적은, 내부 저항을 줄이고 효율과 특성이 향상된 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an electrode assembly having reduced internal resistance and improved efficiency and characteristics, and a secondary battery having the electrode assembly.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 젤리롤형 전극 조립체는 양극판과 음극판이 포함된 젤리롤형 전극 조립체에 있어서, 상기 양극판 또는 음극판의 일 표면에 코팅되어 상기 양극판과 음극판의 단락을 방지하는 세라믹 세퍼레이터와, 상기 세라믹 세퍼레이터와 별개로 부착되는 필름 세퍼레이터가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a jelly roll type electrode assembly comprising a positive electrode plate and a negative electrode plate, the positive electrode plate and the negative electrode plate including a ceramic separator coated on one surface of the positive electrode plate or the negative electrode plate, And a film separator adhered to the ceramic separator separately from the ceramic separator.
또한, 상기 필름 세퍼레이터는 양극판 또는 음극판의 무지부를 포함하는 연장부위에 부착될 수 있다.In addition, the film separator may be attached to an extension portion including a solid portion of a positive electrode plate or a negative electrode plate.
또한, 상기 필름 세퍼레이터는 1회 내지 3회의 턴(turn)으로 먼저 권취되도록 그 길이가 형성될 수 있다.In addition, the length of the film separator may be such that the film separator is wound first in one to three turns.
또한, 상기 필름 세퍼레이터는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 수지로 형성될 수 있다.The film separator may be formed of polyethylene (PE) or polypropylene (PP) resin.
또한, 상기 필름 세퍼레이터는 절연테이프로 이루어질 수 있다.The film separator may be made of an insulating tape.
또한, 상기 세라믹 세퍼레이터의 필러(filler)는 알루미나(Al2O3), 실리 카(SiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 티타늄 산화물(BaTiO3, TiO2) 중 적어도 하나가 가 사용되어 구성될 수 있다.The filler of the ceramic separator is composed of at least one of alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and titanium oxide (BaTiO 3 , TiO 2 ) .
또한, 상기 필러(filler)의 입자크기는 0.1㎛ 내지 0.7㎛로 이루어질 수 있다.The particle size of the filler may be 0.1 탆 to 0.7 탆.
또한, 상기 세라믹 세퍼레이터의 두께는 10㎛ 내지 24㎛로 이루어질 수 있다.Also, the ceramic separator may have a thickness of 10 탆 to 24 탆.
또한, 상기 세라믹 세퍼레이터의 기공크기는 40㎚ 내지 200㎚로 이루어질 수 있다.The pore size of the ceramic separator may be 40 nm to 200 nm.
또한, 상기 세라믹 세퍼레이터는 아크릴레이트계 바인더가 포함되어 형성될 수 있다.The ceramic separator may include an acrylate binder.
또한, 젤리롤형 전극 조립체와 캔과 캡조립체가 포함된 이차 전지에 있어서, 상기 전극 조립체의 양극판 또는 음극판의 일 표면에 코팅되어 상기 양극판과 음극판의 단락을 방지하는 세라믹 세퍼레이터와, 상기 양극판 또는 음극판의 맨드랠과 접촉하는 부위에 상기 세라믹 세퍼레이터와 별개로 부착되는 필름 세퍼레이터가 포함되어 구성될 수 있으며, 이때, 상기 필름 세퍼레이터는 양극판 또는 음극판의 무지부를 포함하는 연장부위에 부착될 수 있다.The secondary battery includes a jelly roll type electrode assembly and a can and a cap assembly. The secondary battery includes a ceramic separator coated on one surface of a positive electrode plate or a negative electrode plate of the electrode assembly to prevent a short circuit between the positive electrode plate and the negative electrode plate, And a film separator attached to the ceramic separator separately from the ceramic separator at a portion contacting the mandrel. The film separator may be attached to an extended portion including the uncoated portion of the positive electrode plate or the negative electrode plate.
이하, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리롤형 전극 조립체의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a jelly roll type electrode assembly according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일 실시예에 따른 젤리롤형 전극 조립체는 양극판과 음극판이 적층되고 권취되어 젤리롤 형상으로 이루어진다.In the jelly roll type electrode assembly according to an embodiment of the present invention, a positive electrode plate and a negative electrode plate are laminated and wound to form a jelly roll.
상기 양극판 및 음극판은 금속 포일로 이루어진 집전체와, 상기 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 형성된 활물질층이 포함되어 구성된다. 상기 집전체의 시작단과 끝단에는 상기 양극판 및 음극판이 맨드랠에 감기는 방향으로 상기 활물질층이 형성되지 않는 무지부가 존재하며, 상기 무지부에는 한 전극판에 하나의 전극탭이 설치된다.The positive electrode plate and the negative electrode plate include a current collector made of a metal foil and an active material layer formed by applying an active material slurry to the current collector. At the start and end of the current collector, there are unoccupied portions in which the active material layer is not formed in a direction in which the positive electrode plate and the negative electrode plate are wound around the mandrel, and one electrode tab is provided in one electrode plate.
상기 양극판은 상기 집전체로 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 포일(foil)로 이루어지고, 상기 활물질층은 양극 활물질, 도전제, 바인더 및 접착제로 이루어지며, 상기 양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용된다. 상기 양극 활물질은 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.The positive electrode plate is made of a thin metal plate, for example, aluminum foil having excellent conductivity as the current collector, and the active material layer is composed of a positive electrode active material, a conductive agent, a binder and an adhesive, A chalcogenide compound is used. As the cathode active material, for example, composite metal oxides such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , and LiMnO 2 are used, but the material is not limited in this embodiment.
상기 음극판은 도 1에 도시된 바와 같이, 집전체(10)와, 상기 집전체(10)에 도포되어 형성된 활물질층(20)과, 상기 활물질층(20)을 포함한 집전체(10) 상에 코팅되는 세라믹 세퍼레이터(50)와, 상기 집전체(10)의 상기 활물질층(20)이 형성되지 않은 무지부(30)에 부착되는 음극탭(40)과, 상기 집전체(10)의 맨드랠과 접촉하는 부위에 상기 세라믹 세퍼레이터(50)와 별개로 부착되는 필름 세퍼레이터(60)가 포함되어 구성된다.1, the negative electrode plate includes a
상기 집전체(10)는 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일로 이루어지고, 상기 활물질층(20)은 음극 활물질, 도전제 및 바인더로 이루어진다.The
상기 음극 활물질로는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.As the negative electrode active material, a carbon (C) -based material, Si, Sn, tin oxide, composite tin alloys, transition metal oxide, lithium metal nitride or lithium metal oxide is used. But are not intended to be limiting.
상기 세라믹 세퍼레이터의 바인더는 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)용매에 녹아 있는 아크릴레이트계 바인더로 이루어진다.The binder of the ceramic separator is composed of an acrylate binder dissolved in a NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) solvent.
상기 세라믹 세퍼레이터(50)는 상기 음극판 상에 코팅되어 상기 양극판과 음극판의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동만을 가능하게 한다.The
상기 세라믹 세퍼레이터(50)는 일반적으로 바인더 및 용매의 혼합액에 세라믹 입자가 고른 분산상을 형성하도록 다공막액을 만들고, 집전체(10)에 활물질이 코팅된 음극판을 그 다공막액에 디핑(dipping)하는 방법으로 음극판 전체를 둘러싸도록 이루어질 수 있다. 이때, 그라비아(gravure) 롤러로 막두께를 제어한 후 베이킹 하는 방법으로 다공막이 형성될 수 있다. 또한, 상기 다공막은 스프레이 형태로 음극판에 다공막액을 뿌리는 등의 방법으로 이루어질 수도 있다.The
한편, 본 발명에서 상기 세라믹 세퍼레이터의 바인더는 주로 고분자 수지로 이루어지며, 고분자 수지로는 200℃ 이상의 열에도 견딜 수 있는 아크릴레이트나 메타아크릴레이트의 중합체 또는 이들의 공중합체로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 바인더는 다공막 형성용 슬러리 내에 소량 사용되는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 상기 다공막에서 세라믹 물질과 바인더의 비율은 질량 기준으로 98:2 내지 85:15라면 세라믹 물질 필러가 바인더에 의해 완전히 덮이는 것을 방지할 수 있다. 즉, 바인더가 필러 물질을 덮어 필러 물질 내로 이온 전도가 제한되는 문제를 피할 수 있다.Meanwhile, in the present invention, the binder of the ceramic separator is mainly composed of a polymer resin, and the polymer resin is preferably composed of a polymer of acrylate or methacrylate capable of withstanding heat of 200 DEG C or more, or a copolymer thereof. The binder is preferably used in a small amount in the slurry for forming a porous film. In other words, if the ratio of the ceramic material and the binder in the porous membrane is 98: 2 to 85:15 by mass, the ceramic material filler can be prevented from being completely covered with the binder. That is, the problem that the binder covers the filler material and the ion conduction is restricted in the filler material can be avoided.
상기 세라믹 세퍼레이터(50)의 필러(filler)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 티타늄 산화물(BaTiO3, TiO2) 등의 각각과 이들의 혼합물이 사용되며, 상기 필러(filler)의 입자크기는 0.1㎛ 내지 0.7㎛로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 세라믹 세퍼레이터의 두께는 10㎛ 내지 24㎛로 이루어질 수 있고, 그 기공크기는 40㎚ 내지 200㎚로 이루어질 수 있다.The filler of the
상기 필름 세퍼레이터(60)는 상기 음극판의 맨드랠과 접촉하는 부위인 무지부(30)를 포함하는 연장부위에 부착되어 구성되는데, 상기 무지부(30)는 상기 집전체(10)의 시작단과 끝단에 형성된다. 즉, 음극판이 권취되어 형성된 젤리롤의 권심부와 권심 최외각부에 형성된다. 이때, 상기 필름 세퍼레이터(60)는 1회 내지 3회의 턴(turn)으로 먼저 권취되도록 그 길이가 형성되며, 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 수지로 형성될 수 있다. 한편, 상기 필름 세퍼레이터(60)는 일반적인 절연테이프로 이루어질 수 있음은 물론이다.The
상기 필름 세퍼레이터(60)는 상기 세라믹 세퍼레이터(50) 보다 마찰계수가 작다. 따라서, 음극판과 맨드랠의 접촉 부위는 세라믹 세퍼레이터가 코팅되었을 때 보다 상대적으로 마찰력이 감소되므로, 와인딩 완료 후에 맨드랠에서 젤리롤을 분리시키는 것이 용이하다. 한편, 상기 필름 세퍼레이터(60)는 상기 집전체(10)의 전부가 아닌 상기 무지부(30)를 포함하는 연장부위에 부착되기 때문에 내부 저항을 줄일 수 있고, 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.The film separator (60) has a smaller coefficient of friction than the ceramic separator (50). Therefore, since the frictional force of the contact portion between the negative electrode plate and the mandrel is relatively lower than that when the ceramic separator is coated, it is easy to separate the jellyroll from the mandrel after completion of winding. Meanwhile, since the
한편, 본 실시예에서는 상기 필름 세퍼레이터(60)가 음극판의 무지부(30)를 포함하는 연장부위에 부착되어 구성되는 것을 일 실시예로 들었으나, 상기 필름 세퍼레이터(60)가 양극판의 무지부를 포함하는 연장부위에 부착되어 구성될 수 있다. 또한, 상기 필름 세퍼레이터(60)가 상기 양극판 및 음극판의 양쪽 무지부를 포함하는 연장부위에 부착되어 구성될 수 있음은 물론이다.In the present embodiment, the
다음에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 구비된 이차 전지의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a secondary battery having an electrode assembly according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 구비된 이차 전지의 바람직한 실시예는 젤리롤형의 전극 조립체(미도시)와, 상기 전극 조립체가 수용되는 캔(미도시)과, 상기 캔의 개방된 상부를 밀봉하는 캡조립체(미도시)가 포함되어 구성된다.A preferred embodiment of a secondary battery having an electrode assembly according to an embodiment of the present invention includes a jelly roll type electrode assembly (not shown), a can (not shown) in which the electrode assembly is housed, And a cap assembly (not shown) sealing the cap assembly.
상기 젤리롤형의 전극 조립체는 상술한 바와 같이, 양극판과, 음극판과, 상기 양극판 또는 음극판의 일 표면에 코팅되어 상기 양극판과 음극판의 단락을 방지하는 세라믹 세퍼레이터와, 상기 양극판 또는 음극판의 맨드랠과 접촉하는 부위에 상기 세라믹 세퍼레이터와 별개로 부착되어 와인딩시 상기 맨드랠과의 마찰을 감소시키는 필름 세퍼레이터가 포함되어 구성된다. 이때, 상기 필름 세퍼레이터는 상기 양극판 또는 음극판의 시작단 또는 끝단에 형성된 무지부를 포함하는 연장부위에 형성될 수 있다. 따라서, 전극 조립체를 보다 용이하게 권취할 수 있다.The jelly roll type electrode assembly includes a positive electrode plate, a negative electrode plate, a ceramic separator coated on one surface of the positive electrode plate or the negative electrode plate to prevent a short circuit between the positive electrode plate and the negative electrode plate, And a film separator which is attached to the ceramic separator separately from the ceramic separator to reduce friction with the mandrel when winding. At this time, the film separator may be formed on the extension portion including the uncoated portion formed at the starting end or the end of the positive electrode plate or the negative electrode plate. Therefore, the electrode assembly can be wound more easily.
한편, 상기 세라믹 세퍼레이터의 필러(filler)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 티타늄 산화물(BaTiO3, TiO2) 중 적어도 하나가 사용되며, 이때 그 입자크기는 0.1㎛ 내지 0.7㎛로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 세라믹 세퍼레이터의 두께는 10㎛ 내지 24㎛로, 그 기공크기는 40㎚ 내지 200㎚로 이루어질 수 있다.At least one of alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) and titanium oxide (BaTiO 3 , TiO 2 ) is used as the filler of the ceramic separator. The particle size may be from 0.1 mu m to 0.7 mu m. The ceramic separator may have a thickness of 10 to 24 mu m and a pore size of 40 to 200 nm.
상기 캔과 캡조립체는 이차 전지의 일반적인 구성으로 이루어진다.The can and the cap assembly comprise a general configuration of a secondary battery.
즉, 상기 캔(미도시)은 대략 직육면체의 형상을 가진 알루미늄 혹은 알루미늄 합금으로 형성된다. 캔의 개방된 상단을 통해 전극조립체가 수용되어 캔은 전극조립체 및 전해액의 용기 역할을 하게 된다. 캔은 그 자체가 단자역할을 수행할 수 있다.That is, the can (not shown) is formed of aluminum or an aluminum alloy having a substantially rectangular parallelepiped shape. The electrode assembly is received through the open top of the can so that the can acts as a container for the electrode assembly and the electrolyte. The can itself can serve as a terminal.
상기 캡조립체(미도시)에는 캔의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡플레이트가 마련되어 있다. 이때, 캡플레이트의 중앙부를 관통하는 전극단자와 캡플레이트 사이에는 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓이 설치된다. 또한, 캡플레이트 하면에 절연플레이트가 배치되어 있으며, 절연플레이트의 아랫면에는 단자플레이트가 설치되어 있다. 또한, 전극단자의 저면부는 단자플레이트와 전기적으로 연결되어 있다. 캡플레이트 하면에는 양극판으로부터 인출된 양극탭이 용접되어 있으며, 전극단자의 하단부에는 음극판으로부터 인출된 음극탭 이 지그재그형상의 절곡부를 가진 상태에서 용접된다.The cap assembly (not shown) is provided with a plate-shaped cap plate having a size and shape corresponding to the opened upper end of the can. At this time, a tube-shaped gasket is provided between the electrode terminal passing through the center of the cap plate and the cap plate for electrical insulation. An insulating plate is disposed on a lower surface of the cap plate, and a terminal plate is provided on a lower surface of the insulating plate. The bottom surface of the electrode terminal is electrically connected to the terminal plate. The positive electrode tab drawn out from the positive electrode plate is welded to the lower surface of the cap plate, and the negative electrode tab drawn out from the negative electrode plate is welded to the lower end of the electrode terminal with a zigzag bent portion.
상기 캡플레이트의 일측에는 전해액주입구가 형성되며, 전해액이 주입된 다음에 전해액주입구를 밀폐시키기 위하여 마개가 설치된다. 마개는 알루미늄이나 알루미늄 함유 금속으로 만든 볼형 모재를 전해액주입구 위에 놓고 기계적으로 전해액주입구에 압입하여 형성한다. 밀봉을 위해 마개는 전해액주입구 주변에서 캡플레이트에 용접된다. 캡조립체는 캡플레이트 주변부를 캔 개구부 측벽에 용접하여 캔에 결합된다.An electrolyte injection port is formed at one side of the cap plate, and a cap is installed to seal the electrolyte injection port after the electrolyte is injected. The cap is formed by placing a ball-shaped base material made of aluminum or an aluminum-containing metal on the electrolyte injection port and mechanically pressing it into the electrolyte injection port. For sealing, the plug is welded to the cap plate around the electrolyte injection port. The cap assembly is joined to the can by welding the periphery of the cap plate to the can opening sidewall.
한편, 세라믹 세퍼레이터가 적용된 이차 전지의 용량 그래프가 도 2에 도시된다.On the other hand, a capacity graph of the secondary battery to which the ceramic separator is applied is shown in Fig.
도 2에 도시된 바와 같이, 세라믹 세퍼레이터가 코팅된 음극에 기존 양극을 사용하여 제조한 이차 전지(100)는, 세라믹 세퍼레이터가 양극 및 음극에 모두 코팅되어 제조된 이차 전지(200)나, 기존의 양극 및 음극과 그 사이에 필름 세퍼레이터가 개재되어 제조된 이차 전지(300)와 비교하여 그 용량이 30mAh 내지 60mAh로 크게 향상되었다.As shown in FIG. 2, a
한편, 상기 용량 그래프는 그 설정조건으로 상기 세라믹 세퍼레이터의 필러로써 입자크기가 0.1㎛ 내지 0.7㎛인 알루미나(Al2O3)가 사용되었고, 그 두께는 10㎛ 내지 24㎛이었으며, 기공크기는 40㎚내지 200㎚로 이루어졌다. 또한, 필러를 결합시키는 바인더로는 NMP를 용매로 이용한 아크릴레이트계 바인더가 사용되었다.Alumina (Al 2 O 3 ) having a particle size of 0.1 μm to 0.7 μm was used as a filler of the ceramic separator as a setting condition of the capacity graph. The thickness thereof was 10 μm to 24 μm, and the pore size was 40 μm Nm to 200 nm. As the binder for bonding the filler, an acrylate binder using NMP as a solvent was used.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리롤형 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지의 작용을 설명한다.Hereinafter, the operation of a jelly roll type electrode assembly according to an embodiment of the present invention and a secondary battery having the same will be described.
본 발명의 일 실시예에 따른 젤리롤형 전극 조립체를 제조하기 위해 먼저, 집전체에 활물질 슬러리를 도포하여 상기 집전체 상에 활물질층을 형성한다. 한편, 상기 집전체는 그 시작단과 끝단에 상기 활물질층이 형성되지 않은 무지부가 형성되는데, 상기 무지부의 일 부분에 양극탭과 음극탭을 각각 부착시켜 양극판 및 음극판을 제조한다.In order to manufacture a jelly roll type electrode assembly according to an embodiment of the present invention, an active material layer is formed on the current collector by applying an active material slurry to the current collector. The positive and negative electrode plates are manufactured by attaching a positive electrode tab and a negative electrode tab to a portion of the uncoated portion, respectively, at the beginning and end of the current collector.
이후, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 음극판의 상기 활물질층(20)을 포함한 집전체(10) 상에 세라믹 세퍼레이터(50)를 코팅한다. 상기 세라믹 세퍼레이터(50)는 상기 양극판과 음극판의 단락을 방지하며, 전지 용량을 향상시킨다.1, a
한편, 상기 음극판의 세라믹 세퍼레이터(50)가 코팅된 무지부(30)는 와인딩시 맨드랠과 접촉되는 부위로, 상기 무지부(30)를 포함하는 연장부위에 필름 세퍼레이터(60)를 부착한다. 이때, 상기 필름 세퍼레이터(60)는 와인딩시 1회 내지 3회의 턴(turn)으로 먼저 권취되도록 그 길이가 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 맨드랠이 권취를 마친 후 상기 전극 조립체에서 분리될 때 상기 필름 세퍼레이터(60)는 상기 세라믹 세퍼레이터(50)에 비해 마찰계수가 작아 상기 맨드랠과의 마찰을 감소시킨다. 따라서, 권취된 상기 전극 조립체를 맨드랠에서 용이하게 분리시킬 수 있다. 또한, 상기 필름 세퍼레이터(60)가 무지부(30)를 포함하는 상기 맨드랠과 접촉하는 부위에만 부착되기 때문에 내부 저항을 줄여주고, 전지의 효율을 향 상시킬 수 있다.The
본 발명은 상술한 특정의 실시예나 도면에 기재된 내용에 그 기술적 사상이 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 내에 있게 된다.It is to be understood that the invention is not limited to the specific embodiments thereof with reference to the embodiment described or illustrated in the drawings and that various changes and modifications within the spirit and scope of the invention will become apparent to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 맨드랠의 파지부인 세라믹 세퍼레이터가 코팅된 집전체의 무지부를 포함하는 연장부위에 세라믹 세퍼레이터에 비해 마찰계수가 작은 별도의 필름 세퍼레이터를 부착함으로써 와인딩시 상기 전극 조립체를 맨드랠에서 용이하게 분리시켜 신뢰성이 향상된 전극 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지를 제공하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, a separate film separator having a lower coefficient of friction than the ceramic separator is attached to the extended portion including the non-coated portion of the current collector coated with the ceramic separator, which is the grip portion of the mandrel, The electrode assembly can be easily separated from the electrode assembly and improved in reliability, and a secondary battery having the electrode assembly can be provided.
본 발명의 다른 효과는, 필름 세퍼레이터를 맨드랠과 접촉하는 부위에만 부착함으로써 내부 저항을 줄이고 이차 전지의 효율과 특성을 향상시키는 것이다.Another effect of the present invention is to reduce the internal resistance and improve the efficiency and characteristics of the secondary battery by attaching the film separator only to a portion in contact with the mandrel.
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