KR20050095950A - 전극 조립체와 이를 구비한 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극군의 각 부위로부터 발생된 전류를 균일하게 인출하고, 리드에 의한 집전 효율을 높여 출력 성능을 향상시킬 수 있는 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것으로서, 전극 조립체는, 양극판과 격리판 및 음극판이 감겨져 구성되고, 양,음극판의 일측 단부에 격리판 바깥으로 노출된 양,음극 무지부가 형성되는 전극군과; 양,음극 무지부에 각각 고정되고, 그 길이 방향이 양,음극 무지부의 길이 방향과 평행이 되도록 배치되는 양,음극 리드를 포함한다. 각각의 양,음극 무지부는 적어도 한 곳에서 서로 겹치면서 고정되어 전기적으로 연결된 접합 영역을 구비한다.

Description

전극 조립체와 이를 구비한 이차 전지 {ELECTRODES ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY USING THE SAME}

본 발명은 전극 조립체와 이를 구비한 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 극판과 리드 및 외부 단자의 결합 구조를 개선한 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.

일반적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리 충전과 방전이 가능한 전지로서, 전지 팩 형태로 제작되어 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더 등의 휴대용 전자기기의 전원으로 널리 사용되고 있다. 또한 최근들어 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle; HEV) 등에 장착되는 모터 구동용으로 이차 전지를 이용한 고출력 전지가 개발되고 있다.

상기한 이차 전지가 실질적인 전지 형태를 취할 때에는 주로 원통형이나 사각형의 외형을 갖도록 제작된다. 이 가운데 각형의 이차 전지는 띠 모양의 양극판과 격리판 및 음극판을 적층한 상태에서 이를 감아 각형의 전극군(또는 젤리롤)을 형성하거나, 양극판과 격리판 및 음극판을 복수개로 적층하여 전극군을 형성한 후, 이를 각형의 케이스 내부에 삽입하여 구성된다.

상기 양,음극판 및 격리판이 감겨 형성된 전극군의 경우, 양,음극판에는 전지 작용시 양,음극판에서 발생된 전류를 집전하기 위한 각각의 리드(lead)가 부착되며, 이 리드는 외부 단자와 연결되는 별도의 플레이트 또는 외부 단자에 직접 용접 등으로 고정되어 양,음극판에서 발생된 전류를 외부의 양,음극 단자로 유도하게 된다.

그런데 전술한 구조는 소용량 전지의 경우 집전 효과를 발휘할 수 있으나, 전지가 대형이고 고출력을 내야 하는 이른바 HEV용과 같은 전지에 있어서는 양,음극판의 면적이 전지의 크기에 비례하여 커지고 그에 따라 전지의 내부 저항이 증가하게 된다. 따라서 전극군의 각 부위로부터 발생된 전류를 균일하게 인출하는데 어려움이 있으며, 더욱이 상기 리드에 의한 집전 방식을 적용하는 경우 그 효율이 떨어지게 된다.

또한 양,음극판의 면적이 커짐에 따라 양,음극판에서 리드가 용접된 부분과 이와 멀리 떨어진 부분 사이에 전위 차가 발생하게 된다. 상기 전위 차는 충방전이 계속됨에 따라 양,음극판에서 리드가 연결된 부위의 열화를 초래하여 전지의 출력 성능과 수명을 감소시키는데, 이러한 현상은 특히 짧은 시간에 충방전이 반복되는 모터 구동용 전지의 경우 더욱 심각하게 나타난다.

그리고 양,음극판 및 격리판이 적층되어 전극군을 구성하는 경우, 각각의 양,음극판에는 리드가 부착되며, 양극판에 부착된 리드들이 서로 묶여 양극 단자와 연결되는 별도의 플레이트에 용접 등으로 고정되고, 음극판에 부착된 리드들이 서로 묶여 음극 단자와 연결되는 별도의 플레이트에 용접 등으로 고정되는 구조를 이루게 된다.

상기한 구조의 이차 전지와 관련하여 일본 공개특허 1998-312824호 및 일본 공개특허 2002-260672호가 양극판과 음극판 및 격리판의 적층 구조 및 이들 극판에 부착되는 집전탭의 구성을 개시하고 있다.

상기 구조에서는 여러개 리드를 외부 단자와 연결되는 플레이트에 부착시킬 수 있어 전지의 내부 저항을 줄이면서 양,음극판으로부터 집전을 효율적으로 이룰 수 있는 효과를 지닌다.

그러나 전술한 구성의 이차 전지는 그 제조 과정에서 양극판과 음극판을 복수개로 준비하고, 각각의 양,음극판에 리드를 부착하고, 격리판을 사이로 양,음극판을 순차적으로 적층한 후, 양극판의 리드들과 음극판의 리드들끼리 서로 묶어 연결하는 과정을 필요로 하므로, 공정수가 증가하여 작업성이 떨어지는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전극군의 각 부위로부터 발생된 전류를 실질적으로 균일하게 인출하고, 리드에 의한 집전 효율을 높여 출력 성능을 향상시킬 수 있는 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전극군과 리드의 구성을 단순화하여 제조시 작업성을 높일 수 있는 전극 조립체 및 이를 구비한 이차 전지를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

양극판과 격리판 및 음극판이 감겨져 구성되면서 양,음극판의 일측 단부에 격리판 바깥으로 노출된 양,음극 무지부가 형성되는 전극군과, 양,음극 무지부에 각각 고정되고, 그 길이 방향이 양,음극 무지부의 길이 방향과 평행이 되도록 배치되는 양,음극 리드를 포함하는 이차 전지의 전극 조립체를 제공한다.

상기 각각의 양,음극 무지부는 적어도 한 곳에서 서로 겹치면서 고정되어 전기적으로 연결된 접합 영역을 구비한다.

상기 각각의 양,음극 무지부는 전극군의 중심을 향해 굽어져 서로 겹치면서 용접으로 고정될 수 있으며, 이 때 각각의 양,음극 리드는 접합 영역과 중첩되며 위치한다.

상기 각각의 양,음극 무지부는 전체가 서로 겹쳐진 상태로 고정될 수 있다. 양,음극 무지부의 폭은 전극군 두께의 3배 이하가 바람직하다.

상기 격리판은 양,음극판의 길이보다 큰 길이를 가지며 형성되어 폭 방향에 따른 양측 단부에서 양,음극판과 겹치지 않는 여유분을 구비한다.

상기 전극 조립체는 하이브리드 전기 자동차(HEV)용으로 사용이 바람직하다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

양극판과 격리판 및 음극판이 감겨져 구성되고 양,음극판의 일측 단부에 격리판 바깥으로 노출된 양,음극 무지부가 형성되는 전극군과, 양,음극 무지부에 각각 고정되고 그 길이 방향이 양,음극 무지부의 길이 방향과 평행이 되도록 배치되는 양,음극 리드를 포함하는 전극 조립체와; 일단이 개방된 개구부와 더불어 그 내부에 전극 조립체를 수용하는 공간부를 갖는 케이스와; 케이스와 결합되어 이를 밀폐하고, 각각의 양,음극 리드와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 구비하는 캡 조립체를 포함하며, 전극군은 그 폭 방향이 케이스의 개구부에서 공간부를 향하는 전극군의 진입 방향과 임의의 각도를 가지며 케이스 내부에 수용되는 이차 전지를 제공한다.

상기 전극군은 그 폭 방향이 상기 진입 방향과 직각을 이루며 배치되고, 양,음극 리드는 그 길이 방향이 상기 진입 방향과 평행을 이루며 위치한다.

상기 각각의 양,음극 무지부는 적어도 한 곳에서 서로 겹치면서 고정되어 전기적으로 연결된 접합 영역을 구비하며, 각각의 양,음극 리드는 상기 접합 영역과 중첩되며 위치한다.

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

도 1과 도 2는 각각 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 정면도와 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시한 양극 무지부와 양극 리드의 단면도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예의 전극 조립체(2)는 띠 모양의 양극판(4)과 격리판(6) 및 음극판(8)이 적층된 상태에서 이들의 길이 방향을 따라 이들을 감아 형성한 젤리롤 타입의 전극군(10)을 기본 구성으로 하며, 양,음극판(4,8)의 집전체에서 활물질이 도포되지 않은 양,음극 무지부(4a,8a)가 서로 반대측에 위치하면서 격리판(6)보다 넓게 돌출되어 위치한다.

그리고 양,음극 무지부(4a,8a)는 여러겹의 무지부가 전기적으로 연결되도록 적어도 한 곳에서 서로 겹치면서 고정되어 접합 영역(4A,8A)을 형성하며, 각각의 양,음극 리드(12,14)가 접합 영역(4A,8A)과 중첩되면서 양,음극 무지부(4a,8a)의 최외곽에 고정된다. 이 때, 양,음극 리드(12,14)는 그 길이 방향이 양,음극 무지부(4a,8a)의 길이 방향과 평행하도록 배치된다.

도 4는 도 1에 도시한 전극군의 권취 전 상태를 설명하기 위해 도시한 전극군의 분해 사시도이다.

도면을 참고하면, 양,음극판(4,8)은 해당 극판의 집전체(4b,8b)에서 활물질이 도포되지 않은 양,음극 무지부(4a,8a)를 길이 방향에 따른 좌,우측 단부 가운데 서로 반대측에 형성한다. 그리고 격리판(6)은 양,음극 무지부(4a,8a)를 제외한 양,음극 집전체(4b,8b)의 폭과 동일한 폭 또는 상기 폭에서 소정의 여유분을 더한 폭을 갖도록 형성되며, 양,음극 무지부(4a,8a)가 격리판(6) 바깥으로 노출되도록 양,음극판(4,8) 사이에서 양,음극 무지부(4a,8a)를 제외한 양,음극 집전체(4b,8b)와 겹치도록 배치된다.

이 때, 격리판(6)은 양,음극판(4,8) 사이의 전기적 쇼트를 예방할 수 있도록 양,음극판(4,8)의 길이보다 큰 길이를 갖도록 형성되어 상기 전극군(10)의 폭 방향(D2)에 따른 양측 단부에서 양,음극판(4,8)과 겹치지 않는 여유분(6a)을 갖는 것이 바람직하다.

이와 같이 격리판(6)을 사이에 두고 적층된 양,음극판(4,8)은 이들 극판의 길이 방향을 따라 권취되어 젤리롤 타입의 전극군(10)을 형성하는데, 이 전극군(10)의 중심에는 전극군(10)의 권취를 용이하게 하는 권심(도시하지 않음)이 위치할 수 있다. 이로써 전극군(10)의 일측 단부에는 양극판(4)이 수회 감기면서 여러겹의 양극 무지부(4a)가 배치되고, 전극군(10)의 타측 단부에는 음극판(8)이 수회 감기면서 여러겹의 음극 무지부(8a)가 배치된다.

이 때, 본 실시예의 전극 조립체(2)는 도 5에 도시한 바와 같이 여러겹의 양극 무지부(4a)가 적어도 한 곳에서 서로 겹치면서 고정되어 이들이 서로 전기적으로 연결된 접합 영역(4A)을 형성할 수 있고, 도 6에 도시한 바와 같이 여러겹의 양극 무지부(4a)가 모두 겹쳐진 상태로 고정되면서 이들이 서로 전기적으로 연결된 접합 영역(4B)을 형성할 수 있다. 이 접합 영역(4A,4B)이 형성된 양극 무지부(4a) 외면에는 양극 리드(12)가 부착된다.

상기한 양극 무지부(4a)와 양극 리드(12)는, 전극군(10)의 중심을 향해 모아지는 힘을 받아 서로 밀착된 후, 외부에서 가해진 열에 의해 서로 녹아 붙으면서 상기한 접합 영역(4A,4B)을 이룰 수 있다. 이러한 작업에는 공지의 초음파 용접 또는 저항 용접이 적용될 수 있다.

상기 음극 무지부(8a)와 음극 리드(14)의 결합 구조는 전술한 양극 무지부(4a)와 양극 리드(12)의 결합 구조와 동일하며, 음극 무지부(8a)와 음극 리드(14) 또한 공지의 초음파 용접 또는 저항 용접 등에 의해 서로 겹치면서 고정되어 이들이 서로 전기적으로 연결된 접합 영역(8A)을 이룰 수 있다.

이 때, 도 2에 도시한 바와 같이 격리판(6) 바깥으로 노출되는 양,음극 무지부(4a,8a)의 폭(Wn,Wp)은 전극군(10) 두께(t)의 3배 이하, 더욱 바람직하게는 2배 이하로 이루어질 수 있다. 또한 도 7에 도시한 바와 같이 전극군(10')을 감은 다음 양,음극 무지부(4a,8a)에 양,음극 리드(12,14)를 용접하기 전 단계에서 양,음극 무지부(4a,8a)의 폭을 W라 하고, 양,음극 리드(12,14)의 폭을 a라 할 때, 양,음극 무지부(4a,8a)의 폭(W)은 다음의 수식 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

이는 양,음극 무지부(4a,8a)에 양,음극 리드(12,14)가 부착될 수 있는 최소한의 여유 폭을 제공하면서 활물질을 보유하는 전극군(10)의 용량을 늘려 이차 전지의 대용량화 및 고출력 성능을 얻기 위한 것이다.

더욱이 상기한 전극 조립체(2)에서 양,음극 리드(12,14)는 그 길이 방향이 전극군(10)의 폭 방향(D2)에 대응하지 않고 전극군(10)의 권취 방향(D1)에 대응하도록 배치되는데, 이러한 양,음극 리드(12,14)의 배치는 전극 조립체(2)를 이용하여 이차 전지를 구성할 때, 전극 조립체(2)에서 활물질을 보유하지 않는 부분, 특히 양,음극 리드(12,14)가 차지하는 면적을 최소화하여 이차 전지의 대용량화를 실현하기 위한 것이다.

따라서 본 실시예에 의한 전극 조립체(2)는 양,음극 무지부(4a,8a)의 어느 한 부위에 리드가 고정되지 않고, 여러겹으로 감겨진 양,음극 무지부(4a,8a)가 서로 겹쳐 전기적으로 연결되면서 해당 극판의 리드와 전기적으로 연결됨으로써 전극군(10)의 각 부위로부터 생성된 전류가 양,음극 리드(12,14)를 통해 외부 단자(도시하지 않음)으로 유도될 때, 전지의 내부 저항을 최소화하면서 이의 집전 효율을 높일 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 부분 절개 단면도이다.

도면을 참고하면, 이차 전지는 전술한 전극군(10)과 양,음극 리드(12,14)로 구성되는 전극 조립체(2)와, 일단이 개방된 개구부(16a)와 더불어 그 내부에 상기한 전극 조립체(2)를 다수로 수용하는 공간부를 갖는 케이스(16)와, 상기 개구부(16a)에 결합되어 케이스(16)를 밀폐하는 캡 조립체(22)를 포함한다.

이 때, 상기 전극군(10)은 그 폭 방향(D2)이 케이스(16)의 개구부(16a)에서 공간부를 향한 전극 조립체(2)의 진입 방향(D3)과 일치하지 않고 이와 임의의 각도를 가지면서 위치하는데, 예를 들어 전극군(10)은 그 폭 방향(D2)이 상기 진입 방향(D3)과 수직이 되도록 위치한다. 이로써 양,음극 리드(12,14)는 그 길이 방향이 상기 진입 방향(D3)과 일치하도록 배치된다.

상기 케이스(16)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되며, 그 형상은 전극 조립체(2)가 위치하는 공간부를 가진 육면체 또는 그 이외의 형상으로 이루어질 수 있다. 도면에서는 일례로 육면체 형상을 갖는 각형 케이스(16)에 각형으로 감겨진 전극군(10)이 위치하는 경우를 도시하였다.

상기 캡 조립체(22)는 개구부(16a)에 고정되어 케이스(16)를 밀폐하는 베이스 플레이트(24)와, 베이스 플레이트(24)를 관통하여 고정됨과 아울러 전극 조립체(2)의 양,음극 리드(12,14)와 각각 전기적으로 연결되는 양,음극 단자(18,20)를 포함한다. 베이스 플레이트(24)와 양,음극 단자(18,20) 사이에는 절연부재(28)가 위치할 수 있으며, 전지의 내압 상승시 파단되어 가스를 배출하는 안전 밴트(26)가 베이스 플레이트(24) 중앙에 설치될 수 있다.

상기한 구성의 이차 전지에 있어서, 양,음극 리드(12,14)는 그 길이 방향이 케이스(16)의 개구부(16a)에서 공간부를 향한 전극 조립체(2)의 진입 방향(D3)과 일치하도록 배치되며, 그 일단이 해당 양,음극 단자(18,20)의 하단에 고정된다. 이러한 양,음극 리드(12,14)의 배치는 양,음극 리드(12,14)가 그 길이 확대를 최소화하면서 양,음극판(4,8)과 해당 양,음극 단자(18,20)를 연결하도록 하며, 그 결과 전극군(10)에서 양,음극 단자(18,20)를 향한 전류 흐름 경로를 단축시킬 수 있다.

전술한 양,음극 리드(12,14)의 배치로 인한 효과는, 양,음극 무지부(4a,8a)와 해당 양,음극 리드(12,14)의 결합 구조와 함께 이차 전지의 내부 저항을 낮추는 작용을 하여 HEV용과 같은 이차 전지의 출력 성능을 높이는 결과로 이어진다.

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, 전술한 양,음극 무지부와 양,음극 리드 및 양,음극 단자의 결합 구조를 통해 전극군의 각 부위로부터 생성된 전류를 양,음극 단자로 유도할 때 전지의 내부 저항을 최소화하고, 전극군에서 발생된 전류를 보다 균일하게 인출하며, 양,음극 리드의 집전 효율을 높일 수 있다. 따라서 본 실시예의 이차 전지는 출력 성능이 높아져 모터 구동용과 같은 고출력 전지에 더욱 적합하며, 전극군과 리드의 구성이 단순화되어 제조시 작업성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 정면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 평면도이다.

도 3은 도 2에 도시한 양극 무지부와 양극 리드의 단면도이다.

도 4는 도 1에 도시한 전극군의 권취 전 상태를 설명하기 위해 도시한 전극군의 분해 사시도이다.

도 5는 도 1에 도시한 전극 조립체의 좌측면도이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 접합 영역 구성을 설명하기 위해 도시한 전극 조립체의 좌측면도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에서 전극군의 권취 후 상태를 도시한 평면도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 부분 절개 단면도이다.

Claims (19)

1. 양극판과 격리판 및 음극판이 감겨져 구성되고, 양,음극판의 일측 단부에 격리판 바깥으로 노출된 양,음극 무지부가 형성되는 전극군; 및

   상기 양,음극 무지부에 각각 고정되고, 그 길이 방향이 양,음극 무지부의 길이 방향과 평행이 되도록 배치되는 양,음극 리드

   를 포함하는 이차 전지의 전극 조립체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 각각의 양,음극 무지부가 적어도 한 곳에서 서로 겹치면서 고정되어 전기적으로 연결된 접합 영역을 구비하는 이차 전지의 전극 조립체.
3. 제2항에 있어서,

   상기 각각의 양,음극 무지부가 상기 전극군의 중심을 향해 굽어져 서로 겹치면서 용접으로 고정되는 이차 전지의 전극 조립체.
4. 제2항에 있어서,

   상기 각각의 양,음극 리드가 상기 접합 영역과 중첩되며 위치하는 이차 전지의 전극 조립체.
5. 제2항에 있어서,

   상기 각각의 양,음극 무지부는 전체가 모두 겹쳐진 상태로 고정되는 이차 전지의 전극 조립체.
6. 제1항에 있어서,

   상기 각각의 양,음극 무지부는 그 폭이 상기 전극군 두께의 3배 이하로 형성되는 이차 전지의 전극 조립체.
7. 제1항에 있어서,

   상기 양,음극 무지부의 폭을 각각 W라 하고, 양,음극 리드의 폭을 각각 a라 할 때, 다음의 조건을 만족하는 이차 전지의 전극 조립체.
8. 제1항에 있어서,

   상기 격리판이 양,음극판의 길이보다 큰 길이를 가지며 형성되어 폭 방향에 따른 양측 단부에서 양,음극판과 겹치지 않는 여유분을 구비하는 이차 전지의 전극 조립체.
9. 제1항에 있어서,

   상기 전극 조립체가 하이브리드 전기 자동차(HEV)용인 이차 전지의 전극 조립체.
10. 양극판과 격리판 및 음극판이 감겨져 구성되고 양,음극판의 일측 단부에 격리판 바깥으로 노출된 양,음극 무지부가 형성되는 전극군과, 양,음극 무지부에 각각 고정되고 그 길이 방향이 양,음극 무지부의 길이 방향과 평행이 되도록 배치되는 양,음극 리드를 포함하는 전극 조립체와;

    일단이 개방된 개구부와 더불어 그 내부에 상기 전극 조립체를 수용하는 공간부를 갖는 케이스; 및

    상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하고, 상기 각각의 양,음극 리드와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 구비하는 캡 조립체

    를 포함하며,

    상기 전극군은 그 폭 방향이 상기 케이스의 개구부에서 공간부를 향하는 전극군의 진입 방향과 임의의 각도를 가지며 케이스 내부에 수용되는 이차 전지.
11. 제10항에 있어서,

    상기 전극군은 그 폭 방향이 상기 진입 방향과 직각을 이루며 배치되는 이차 전지.
12. 제10항에 있어서,

    상기 양,음극 리드는 그 길이 방향이 상기 진입 방향과 평행을 이루며 위치하는 이차 전지.
13. 제10항에 있어서,

    상기 각각의 양,음극 무지부는 적어도 한 곳에서 서로 겹치면서 고정되어 전기적으로 연결된 접합 영역을 구비하는 이차 전지.
14. 제13항에 있어서,

    상기 각각의 양,음극 무지부가 상기 전극군의 중심을 향해 굽어져 서로 겹치면서 용접으로 고정되는 이차 전지.
15. 제13항에 있어서,

    상기 각각의 양,음극 리드가 상기 접합 영역과 중첩되며 위치하는 이차 전지.
16. 제13항에 있어서,

    상기 각각의 양,음극 무지부는 전체가 모두 겹쳐진 상태로 고정되는 이차 전지.
17. 제10항에 있어서,

    상기 각각의 양,음극 무지부는 그 폭이 상기 전극군 두께의 3배 이하로 형성되는 이차 전지.
18. 제10항에 있어서,

    상기 양,음극 무지부의 폭을 각각 W라 하고, 양,음극 리드의 폭을 각각 a라 할 때, 다음의 조건을 만족하는 이차 전지.
19. 제10항에 있어서,

    상기 이차 전지가 하이브리드 전기 자동차(HEV)용인 이차 전지.