WO2016204410A1 - 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery and a method of manufacturing the same, and more particularly, a pouch type secondary battery and a method of manufacturing the same, which improves the space utilization of the battery by improving the coupling portion of the electrode tab and the electrode lead in the pouch type secondary battery. It is about.
  • This application is a priority application for Korean Patent Application No. 10-2015-0085428 filed on June 16, 2015, and all contents disclosed in the specification and drawings of the application are incorporated herein by reference.
  • Secondary batteries that have high applicability according to the product range and have electrical characteristics such as high energy density are commonly used in electric vehicles (EVs) or hybrid electric vehicles (HEVs) driven by electric driving sources as well as portable devices. It is applied.
  • the secondary battery is attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency in that not only the primary advantage of drastically reducing the use of fossil fuels is generated but also no by-products of energy use are generated.
  • Secondary batteries may be classified into various types, including can-type batteries in which internal elements are constituted by metallic hard cases, etc. according to an application form or structure.
  • can-type batteries in which internal elements are constituted by metallic hard cases, etc. according to an application form or structure.
  • demand for thinner squares and pouches is required. Is increasing.
  • the development and commercialization of the pouch type secondary battery as a power source for an electric vehicle or a hybrid electric vehicle requiring a high output large capacity is being made.
  • FIG. 1 is a planar projection view of a conventional pouch type secondary battery
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of such a pouch type secondary battery.
  • the pouch type secondary battery 10 includes a pouch exterior material 20, an electrode assembly 30, an electrode tab 40, an electrode lead 50, and a lead film 60.
  • the pouch type secondary battery 10 has a form in which the electrode assembly 30 is accommodated in the pouch exterior material 20.
  • the electrode assembly 30 accommodated in the pouch exterior material 20 refers to a stack in which a positive electrode plate and a negative electrode plate are alternately stacked. At this time, a separator is separated between the positive electrode plate and the negative electrode plate.
  • the electrode tab 40 extends or is connected to the electrode plate according to each polarity.
  • the electrode lead 50 is again connected to the electrode tab 40.
  • the lead film 60 is for sealing and insulation of the electrode lead 50 and the pouch sheath 20, and is interposed between the electrode lead 50 and the inner surface of the pouch sheath 20.
  • Reference numeral S denotes a sealing portion by thermal fusion.
  • the conventional pouch type secondary battery 10 having such a structure, the lower surface or the upper surface of the electrode tab 40 is joined to the upper surface or the lower surface of the electrode lead 50 by ultrasonic welding, and thus the electrode lead 50 is longitudinally (or the surface thereof). Direction), the weld portion A is formed. For this reason, the conventional pouch type secondary battery 10 has to secure sufficient space in the pouch case 20 for the surface direction coupling between the electrode tab 40 and the electrode lead 50.
  • the width of the weld portion A is about 4 mm, and the electrode assembly 30 and the pouch are considered in consideration of the width of the surface welded portion A and the sealing portion S.
  • FIG. A non-electrode section (terrace) between the packaging materials 20 is about 18 mm.
  • the conventional pouch type secondary battery 10 has a problem in that the utilization of the internal space of the secondary battery is lowered due to the securing of the space in the surface direction welding part.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, the problem to be solved by the present invention is to provide a pouch-type secondary battery and a method of manufacturing the same that can increase the space utilization by reducing the length of the non-electrode section.
  • the secondary battery according to the present invention is a secondary battery having a structure in which the electrode assembly of the positive electrode plate / separator / negative electrode plate is embedded in the pouch packaging material and the electrode tab of the electrode assembly is coupled to the electrode lead and sealed to protrude outward.
  • the electrode tab is welded to a side surface perpendicular to the secondary battery plane direction to form a welded portion in the electrode lead thickness direction between the electrode lead and the electrode tab.
  • the welding part may be formed by welding one end of the electrode tab to the electrode lead side.
  • the electrode tab is plural and the welding portion is formed by collecting a plurality of the electrode tabs by welding to the side of the electrode lead, the thickness of the electrode lead may be thicker than the combined thickness of the plurality of electrode tabs.
  • One end of the electrode tab may be bent 180 degrees to fold in double to increase the thickness, and the welded portion may be formed by welding the bent portion to the side of the electrode lead.
  • the electrode tab may be plural and several electrode tabs may be collected and bent. Instead, each of the electrode tabs may be bent.
  • a width in the electrode lead length direction of the welding part may be 1 mm or less.
  • a secondary battery manufacturing method is a secondary battery manufacturing method having a structure in which an electrode assembly of a cathode plate / separator / cathode plate is embedded in a pouch packaging material, and an electrode tab of the electrode assembly is bonded to an electrode lead and sealed to protrude outward. Welding the electrode tab to a side surface perpendicular to the secondary battery plane direction in an electrode lead arranged in parallel with a secondary battery plane direction to form a weld in the thickness direction of the electrode lead between the electrode lead and the electrode tab; do.
  • the welding can be performed by friction stir welding.
  • Another secondary battery manufacturing method comprises the steps of preparing an electrode assembly having an electrode plate connected to the electrode tab; Bending one end of the electrode tab one or more times to increase the thickness; And friction stir welding the bent portion of the electrode tab to an electrode lead side.
  • the thickness of the electrode lead is preferably thicker than the total thickness of the electrode tab.
  • the present invention through a structure that welds in the thickness direction compared to the existing 4mm wide planar welding structure, it can have a welding width of less than 1mm in the surface direction. As the welding width is reduced, the size of the electrode assembly may be increased by reducing the non-electrode section called terrace. Therefore, it is possible to achieve the maximum capacity through the reduction of the non-electrode section.
  • the cooling performance is also improved.
  • 1 is a planar projection view of a conventional pouch type secondary battery.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the pouch type secondary battery illustrated in FIG. 1.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a pouch type secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a pouch type secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a modification of the pouch type secondary battery shown in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a pouch type secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a modified example of the pouch type secondary battery shown in FIG. 6.
  • FIG. 8 is another modified example of the pouch type secondary battery shown in FIG. 6.
  • FIG. 9 is a schematic view for explaining a welding method of the electrode tab and the electrode lead in the pouch type secondary battery according to the present invention.
  • FIG. 10 is a flow chart of a pouch type secondary battery manufacturing method according to the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a pouch type secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the secondary battery 110 includes an electrode assembly 130 of a cathode plate / separator / cathode plate in a pouch packaging material 120, and an electrode tab 140 of the electrode assembly 130.
  • the electrode lead 150 and the electrode may be welded to the side of the electrode lead 150 which is arranged in parallel with the surface of the secondary battery 110 in a direction perpendicular to the surface direction of the secondary battery 110.
  • the welding part B is formed between the tabs 140 in the thickness direction of the electrode lead 150.
  • the secondary battery 110 is mounted on the cartridge, stacked and assembled into a module or pack.
  • the electrode assembly 130 is configured in a form in which at least one positive electrode plate and at least one negative electrode plate are disposed with the separator interposed therebetween, and is accommodated in the pouch packaging material 120.
  • the electrode assembly 130 may be accommodated in the pouch case 120 in a state in which a plurality of positive electrode plates and negative electrode plates are stacked, or may be housed in the pouch case 120 in a state where one positive electrode plate and a negative electrode plate are wound.
  • the electrode assembly 130 may be a stack type, a folding type, a stack-fold type, a jelly roll type, or the like.
  • the electrode plates of the electrode assembly 130 are formed as a structure in which an active material slurry is applied to a current collector, and the slurry may be formed by stirring a granular active material, an auxiliary conductor, a binder, and a plasticizer in a state where a solvent is added. .
  • each of the electrode plates may have a non-coating portion to which a slurry is not applied, and an electrode tab 140 corresponding to each of the electrode plates may be formed in the non-coating portion.
  • the positive electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 mu m.
  • a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like can be used.
  • the current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the positive electrode active material may be a chalcogenide (chalcogenide) compounds used to a lithium ion occlusion (intercalation) / desorption (deintercalation), for example, LiCoO 2, LiMn 2 O 4, LiNiO 2, LiNi 1 - x Co x It may be formed using complex metal oxides such as O 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), LiMnO 2, and the like.
  • chalcogenide chalcogenide
  • intercalation lithium ion occlusion
  • desorption deintercalation
  • the auxiliary conductor is typically added in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • the auxiliary conductor is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • Examples of the auxiliary conductor include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the binder is a component that assists the bonding between the active material and the auxiliary conductor and the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
  • the separator may be interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate to block a short circuit that may occur between the positive electrode plate and the negative electrode plate, and the separator may only move lithium ions.
  • the separator may be formed of a thermoplastic resin such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP), and the surface thereof may have a porous membrane structure.
  • the negative electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 mu m.
  • a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like, and aluminum-cadmium alloys may be used.
  • fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the negative electrode active material is also a carbon (C) -based material, silicon (Si), tin (Sn), tin oxide, tin alloy composite, transition metal oxide, lithium metal nitride so that lithium ions can be stored / desorbed Or a material such as lithium metal oxide.
  • carbon such as hardly graphitized carbon and graphite type carbon
  • LixFe 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), Sn x Me 1 - x Me ' y O z
  • Me Mn, Fe, Pb, Ge
  • Me' Al Metal complex oxides such as B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, halogen, 0 ⁇ x ⁇ 1; 1 ⁇ y ⁇ 3; 1 ⁇ z ⁇ 8
  • Lithium metal Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 ,
  • Conductive polymers such as polyacet
  • the electrode tab 140 includes a positive electrode tab (for example, an electrode tab shown on the left side of FIG. 3) and a negative electrode tab (for example, an electrode tab shown on the right side of FIG. 3), and each of the electrode assemblies 130. It is formed to protrude from. That is, the positive electrode tab is formed to protrude from the positive electrode plate of the electrode assembly 130, and the negative electrode tab is formed to protrude from the negative electrode plate of the electrode assembly 130.
  • the positive electrode tab or the negative electrode tab may be formed to protrude in a form attached to the positive electrode plate or the negative electrode plate, and may be made of the same material as the positive electrode current collector or the negative electrode current collector, respectively.
  • the electrode tab 140 may be provided in plural in one electrode plate.
  • a plurality of positive electrode tabs may be provided in the positive electrode plate, and a plurality of negative electrode tabs may be provided in the negative electrode plate.
  • the plurality of positive electrode tabs may be connected to one positive electrode lead, and the plurality of negative electrode tabs may be connected to one negative electrode lead.
  • the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and each of the positive electrode tab and the negative electrode tab may be provided in one electrode assembly 130.
  • electrode tabs 140 that is, positive electrode tabs and negative electrode tabs protruding in opposite directions (bidirectional batteries) are illustrated, but the present invention is not necessarily limited thereto.
  • the positive electrode tab and the negative electrode tab may protrude in the same direction (unidirectional battery) or protrude in a direction perpendicular to the electrode assembly 130.
  • the electrode lead 150 is a thin plate-like metal, one end of which is attached to the electrode tab 140, and the other end, that is, the opposite end thereof is exposed to the outside of the pouch packaging material 120.
  • the electrode lead 150 extends parallel to the surface direction of the secondary battery 100 and does not have a curved portion arranged.
  • the electrode lead 150 may include a metal having good electrical conductivity. For example, it may include at least one of aluminum, copper, nickel and SUS.
  • the present invention is not limited to the specific type of the electrode lead 150, and various materials that can be used as the electrode lead material may be employed in the present invention.
  • the electrode lead 150 may be made of the same material as the electrode plate or electrode tab 140 to which the electrode lead 150 is attached.
  • the electrode lead 150 may include aluminum as a main component.
  • the electrode lead 150 may include copper as a main component.
  • the other end of the electrode lead 150 may be interposed between the pouch packaging material 120 and the lead film 160.
  • the lead film 160 may not only prevent a short circuit between the electrode lead 150 and the metal layer of the pouch sheath 120, but also improve the sealing property of the pouch sheath 120.
  • the contact resistance is slightly increased and the surface adhesion may be reduced.
  • the lead film 160 may be an insulating material that can block the application of current from the electrode lead 150 and the electrode tab 140 to the pouch packaging material 120.
  • the lead film 160 is made of a film having insulation and heat sealability.
  • the lead film 160 may be formed of any one or more material layers (single film or multiple film) selected from, for example, polyimide (PI), polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate (PET), and the like. .
  • PI polyimide
  • PET polyethylene terephthalate
  • the pouch packaging material 120 includes a concave inner space, and accommodates the electrode assembly 130 and the electrolyte in the inner space.
  • the pouch packaging material 120 may be configured in the form of an aluminum pouch in which an aluminum thin film is interposed between the polymer insulating layer and the adhesive layer.
  • the insulating layer of the polymer material may serve as a substrate and a protective layer, and may primarily serve to protect the electrode assembly 130 accommodated therein from external shocks.
  • the insulating layer of the polymer material may be formed of a resin material such as nylon or polyethylene terephthalate, but is not limited thereto.
  • the aluminum thin film may serve as a substrate that maintains mechanical strength and a barrier layer that prevents penetration of moisture and oxygen.
  • the adhesive layer is also referred to as a heat seal layer, and may have a thermal adhesiveness to serve as a sealing agent.
  • the adhesive layer may be formed of a polyolefin-based resin material. Commonly used as the polyolefin-based resin layer is CPP (Casted Polypropylene).
  • the adhesive layer may be formed of a material selected from the group consisting of polyolefin resins such as polypropylene chloride, polyethylene, ethylene propylene copolymer, polyethylene and acrylic acid copolymer, and copolymer of polypropylene and acrylic acid. It is not limited.
  • the overall thickness of the pouch is usually 40 ⁇ 120 ⁇ m, preferably the insulating layer, the adhesive layer is 10 ⁇ 40 ⁇ m, the aluminum thin film is 20 ⁇ 100 ⁇ m, but is not limited thereto.
  • the pouch case 120 may be formed of an upper case and a lower case.
  • a space in which the electrode assembly 130 may be accommodated may be formed in any one of the upper case and the lower case, or both the upper case and the lower case.
  • the sealing portion adhesive layer of the upper case and the sealing portion adhesive layer of the lower case may be adhered by heat fusion or the like.
  • the electrolyte may consist of a nonaqueous electrolyte and a lithium salt.
  • a nonaqueous electrolyte for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butylo lactone, 1,2-dimethoxy ethane, Tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolon, formamide, dimethylformamide, dioxolon, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, Phosphoric acid triesters, trimethoxy methane, dioxoron derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives,
  • Lithium salt is a good material to dissolve in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF6, LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic lithium carbonate, lithium phenyl borate, imide and the like can be used.
  • the non-aqueous electrolyte solution includes, for example, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, and hexaphosphate triamide.
  • halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics.
  • the welding part B is formed by welding one end of the electrode tab 140 to the side of the electrode lead 150. Since the end portion is welded to the electrode lead 150 side without bending the electrode tab 140, this welding is a line contact when viewed from the electrode lead 150 side and between the electrode tab 140 and each electrode tab 140 along the thickness direction. It becomes a point contact at.
  • a plurality of electrode tabs 140 are collected and coupled to the side of the electrode lead 150 by welding to form the weld part B.
  • the thickness of the electrode lead 150 is the thickness of the plurality of electrode tabs 140 combined together. Thicker than As such, when the thickness of the electrode lead 150 is increased for the thickness direction welding, the cooling performance is also improved.
  • the welding portion B of the embodiment of the present invention is a thickness welding. And if the existing welding part A is surface contact, the welding part B of the Example of this invention can be called point contact or line contact.
  • the width of the conventional welding part A in the longitudinal direction of about 4 mm can be reduced to less than 1 mm.
  • the non-electrode section can be reduced through the welding portion B having a smaller welding width than the conventional surface direction welding portion A, and the electrode assembly 130 can be enlarged to maximize space utilization. Accordingly, battery capacity can be increased.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a pouch type secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • the secondary battery 110 ′ of FIG. 4 is similar to the secondary battery 110 of FIG. 3, in particular, one end portion of the electrode tab 140 is bent by 180 degrees, thereby increasing the thickness of the secondary battery 110 ′, and bending the electrode lead. (150) There is a difference in that the welded portion B 'is formed by welding to the side.
  • the bending direction is 180 degrees based on the extension direction of the electrode tab 140, that is, the surface direction of the secondary battery 110, and the bent portion is in point contact or line contact with the side of the electrode lead 150.
  • the electrode tab 140 is bent once and bent into a U shape as an example.
  • the number of bending may be one or more times, in which case a larger welding area is secured. It can work.
  • the electrode tab 140 may be bent twice in an S shape to be welded. In order to make the letter S, if the U-shaped bending is performed once more after the U-shaped bending, it is bent twice. Therefore, even if a tensile force is generated by one bending, the bending is applied by the other bending. Therefore, eventually, the stress which arises in a junction part cancels out.
  • each of the electrode tabs 140 may be bent to form a weld portion B ′, but as shown in FIG. 6, a plurality of electrode tabs 140 may be collected and bent at once to form a weld portion B ′′.
  • the secondary battery 110 ′′ of FIG. 6 differs only in the secondary battery 110 ′ and the welding portion B ′′ of FIG. 4.
  • the electrode tab 140 itself is as thin as several micrometers to several millimeters, like the electrode plate, the electrode tab 140 can be folded and folded as shown in FIGS. 4 to 6 to increase its thickness to increase the welding area, thereby increasing the strength of the welded portion. have.
  • the thin electrode tab 140 is preferably such that the stress is not concentrated in the bent portion. In the present invention, since the bent portion is welded, concentration of stress in the bent portion can be prevented.
  • the electrode tab 140 is bent once to be bent into a U-shape.
  • the number of bending may be one or more times.
  • the electrode tab 140 is divided into a plurality of groups to be bent after each group to collect the bent parts Welding to the side of the electrode lead 150 is also possible.
  • the bending direction may allow the plurality of groups to be in the same direction or opposite to each other.
  • the electrode tab 140 is divided into two groups, and the upper group is bent from the left to the upper right as shown, and the relatively lower group is similarly It is possible to weld by bending upwards to the right so that the two groups are side by side.
  • the electrode tab 140 is divided into two groups, and the upper side is bent from the left side to the upper side as shown in the upper side, and the lower side group is opposite from the left side. It is also possible to weld by bending to the right in the direction so that there is a mirror symmetry between the two groups.
  • each of the welding parts B, B ′, and B ′′ has a length of the electrode lead 150.
  • Direction that is, the width in the secondary battery plane direction may be formed to less than 1mm.
  • Each weld part B, B ', and B "welds the end portion of the electrode tab 140 or the bent portion bent 180 degrees to the electrode lead 150 side, so that the electrode lead 150 and the electrode are contacted by point contact or line contact. Tabs 140 are coupled to each other.
  • the electrode tab 140 and the electrode lead 150 may be formed. Space for the coupling can be secured in the pouch packaging material 120 smaller than in the prior art. As the welding width is reduced, the size of the electrode assembly 13 may be increased. Accordingly, according to the exemplary embodiments of the present invention, there is an advantage in that the space utilization of the pouch type secondary battery can be increased as compared with the conventional art.
  • Fig. 9 shows the basic principle of friction stir welding.
  • the friction stir welding device 200 is a welded material, in the present invention, the electrode tab 140 and the electrode lead 150 are inserted into and rotated so as to be joined by friction and stirring action. It is configured to include a tool for stirring welding (210).
  • the material to be welded is mounted on the support 220, and when the pin is inserted into the material to be welded by the rotating tool 210, the member to be welded proceeds along the joint surface C in the welding progress direction. Bonding is achieved by friction and stirring.
  • the tool 210 is made of a material having excellent heat resistance, for example, aluminum alloy, copper, titanium, or stainless steel.
  • the two materials are heated, softened and plastically flown by pressurizing and rotating the tool 210 to the welded material and moving along the joint surface C, and agitation of the tool 210 and heat generated by frictional heat.
  • Solid phase bonding for example welding methods welded together in a joining region.
  • the tool 210 As the spindle of the tool 210 rotates at the set speed at the same time as the start of the friction stir welding, the tool 210 descends and the pins provided at the bottom of the tool 210 heat the electrode tab 140 and the electrode lead 150. And while stirring, the shoulder portion of the tool 210 pressurizes the surface of the material to be welded to form welds B, B ', and B ".
  • the tool 210 rotates at 1000 to 2500 rpm and The friction stir welding is performed by welding the electrodes B, B ', and the like by welding in the solid state without melting the electrode tab 140 and the electrode lead 150 at a speed of 1.0 to 8.0 mm / s. B ”) has the advantage of being superior to melt welding.
  • the precision of the joining surface C where the electrode tab 140 and the electrode lead 150 are butted together is accurate to obtain good welds B, B ', and B ".
  • excellent welds B, B' are obtained.
  • the surface of the joint C between the electrode tab 140 and the electrode lead 150 may be precisely processed before welding.
  • an electrode assembly 130 including an electrode plate to which electrode tabs 140 are connected is prepared (step S1).
  • one end of the electrode tab 140 is bent at least once to increase the thickness (step S2).
  • An example of bending has been described with reference to FIGS. 4 to 8.
  • Friction stir welding is in accordance with the method described with reference to FIG. 9.
  • the electrode assembly 130 is accommodated so that the other end of the electrode lead 150 extends to the outside of the pouch sheath 120, the electrolyte is injected into the pouch sheath 120, and then the sealing portion of the pouch sheath 120 is opened. Fusion (S4). In some cases, heat fusion sealing the remaining portions other than the electrolyte injection portion may be performed first, followed by injection of the electrolyte and sealing of the electrolyte injection portion.

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Abstract

비전극 구간 길이를 줄여 공간 활용도를 높일 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 이차전지는 파우치 외장재에 양극판/세퍼레이터/음극판의 전극조립체를 내장하고 전극조립체의 전극탭을 전극리드에 결합시켜 외부로 돌출되도록 밀봉한 구조의 이차전지로서, 상기 이차전지 면 방향과 나란하게 배열되는 전극리드에서 상기 이차전지 면 방향과 수직인 측면에 상기 전극탭을 용접시켜 상기 전극리드와 상기 전극탭 사이에 상기 전극리드 두께 방향으로 용접부가 형성된 것이다.

Description

이차전지 및 그 제조방법
본 발명은 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파우치형 이차전지에서의 전극탭과 전극리드의 결합 부위를 개선함으로써 전지 내부 공간 활용도를 높일 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 출원은 2015년 6월 16일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2015-0085428호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차(Electric Vehicle, EV) 또는 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
이차전지는 적용 형태나 구조 등에 따라 금속성의 하드 케이스 등에 의하여 내부 요소가 구성되는 캔형 전지 등을 비롯하여 다양하게 분류될 수 있는데, 최근 모바일 기기가 소형화됨에 따라, 두께가 얇은 각형, 파우치형에 대한 수요가 증가되고 있다. 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조 비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 이차전지에 대해 관심이 높은 실정이다. 또한, 고출력 대용량을 필요로 하는 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차의 전원으로서 파우치형 이차전지에 대한 개발 및 상용화가 이루어지고 있는 상황이다.
도 1은 종래 파우치형 이차전지의 평면 투영도이고, 도 2는 이러한 파우치형 이차전지의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는 파우치 외장재(20), 전극조립체(30), 전극탭(40), 전극리드(50) 및 리드필름(60)을 포함한다.
파우치형 이차전지(10)는 전극조립체(30)가 파우치 외장재(20)에 수납된 형태를 가진다. 이와 같이 파우치 외장재(20)에 수납되는 전극조립체(30)는 양극판과 음극판이 교대로 적층된 것을 말한다. 이 때 양극판과 음극판 사이는 세퍼레이터로 분리된다. 이러한 전극판에는 각각의 극성에 따라 전극탭(40)이 연장되거나 연결된다. 이러한 전극탭(40)에는 다시 전극리드(50)가 연결된다. 리드필름(60)은 전극리드(50)와 파우치 외장재(20)의 밀봉성과 절연을 위한 것으로, 전극리드(50)와 파우치 외장재(20) 내측면 사이에 개재된다. 참조번호 S는 열융착에 의한 실링부를 가리킨다.
이러한 구조를 가지는 종래의 파우치형 이차전지(10)는 전극리드(50)의 상면이나 하면에 전극탭(40)의 하면이나 상면이 초음파 용접으로 접합되어, 전극리드(50) 길이 방향(또는 면 방향)으로 용접부(A)가 형성된다. 이 때문에, 종래의 파우치형 이차전지(10)는 전극탭(40)과 전극리드(50) 사이의 면 방향 결합을 위해 파우치 외장재(20) 내에 충분한 공간을 확보하여야 한다.
예를 들어, 종래의 파우치형 이차전지(10)에서 용접부(A)의 폭은 4mm 정도이고, 이러한 면 방향 용접부(A)와 실링부(S)의 폭까지 고려하여 전극조립체(30)와 파우치 외장재(20) 사이에 비전극(non electrode) 구간(테라스)이 약 18mm 정도가 된다. 이와 같이, 종래의 파우치형 이차전지(10)는 면 방향 용접부 공간의 확보로 인해 이차전지 내부 공간 활용도가 떨어진다는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비전극 구간 길이를 줄여 공간 활용도를 높일 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 이차전지는 파우치 외장재에 양극판/세퍼레이터/음극판의 전극조립체를 내장하고 전극조립체의 전극탭을 전극리드에 결합시켜 외부로 돌출되도록 밀봉한 구조의 이차전지로서, 상기 이차전지 면 방향과 나란하게 배열되는 전극리드에서 상기 이차전지 면 방향과 수직인 측면에 상기 전극탭을 용접시켜 상기 전극리드와 상기 전극탭 사이에 상기 전극리드 두께 방향으로 용접부가 형성된 것이다.
상기 용접부는 상기 전극리드 측면에 상기 전극탭의 한쪽 끝을 용접하여 형성한 것일 수 있다.
상기 전극탭은 여러 개이고 여러 개의 상기 전극탭을 모아 상기 전극리드 측면에 용접으로 결합시켜 상기 용접부가 형성되며 상기 전극리드의 두께는 상기 여러 개의 전극탭을 합친 두께보다 두꺼운 것일 수 있다.
상기 전극탭의 한쪽 끝 부분을 180도 절곡시켜 이중으로 접어 두께를 증가시키고 절곡 부위를 상기 전극리드 측면에 용접하여 상기 용접부가 형성될 수 있다. 이 때, 상기 전극탭은 여러 개이고 여러 개의 상기 전극탭을 모아 절곡할 수 있다. 대신에 상기 전극탭을 각각 절곡할 수도 있다.
상기 용접부의 상기 전극리드 길이 방향에서의 폭은 1mm 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 제조방법은, 파우치 외장재에 양극판/세퍼레이터/음극판의 전극조립체를 내장하고 전극조립체의 전극탭을 전극리드에 결합시켜 외부로 돌출되도록 밀봉한 구조의 이차전지 제조방법으로서, 상기 이차전지 면 방향과 나란하게 배열되는 전극리드에서 상기 이차전지 면 방향과 수직인 측면에 상기 전극탭을 용접시켜 상기 전극리드와 상기 전극탭 사이에 상기 전극리드 두께 방향으로 용접부를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 용접은 마찰 교반 용접(friction stir welding)에 의해 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 이차전지 제조방법은, 전극탭이 연결된 전극판을 구비하는 전극조립체를 준비하는 단계; 상기 전극탭의 한쪽 끝 부분을 1회 이상 절곡시켜 두께를 증가시키는 단계; 및 상기 전극탭의 절곡 부위를 전극리드 측면에 마찰 교반 용접하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 전극리드의 두께는 상기 전극탭의 전체 두께보다 두꺼운 것이 바람직하다.
본 발명에서는 기존 4mm 폭의 면 방향 용접 구조 대비 두께 방향으로 용접하는 구조를 통해, 면 방향으로는1mm 미만의 용접 폭을 가질 수 있다. 용접 폭이 축소되는 만큼 테라스라고 불리는 비전극 구간을 축소하여 전극조립체 사이즈를 늘릴 수 있다. 따라서, 비전극 구간의 축소를 통한 용량 극대화 달성이 가능하다.
그리고, 두께 방향 용접을 위하여 전극리드와 전극탭의 두께를 종래보다 증가시키는 경우 냉각 성능도 향상된다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 파우치형 이차전지의 평면 투영도이다.
도 2는 도 1에 도시한 파우치형 이차전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 파우치형 이차전지의 변형예이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시한 파우치형 이차전지의 변형예이다.
도 8은 도 6에 도시한 파우치형 이차전지의 다른 변형예이다.
도 9는 본 발명에 따른 파우치형 이차전지에서 전극탭과 전극리드의 용접 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조방법의 순서도이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면과 실시예가 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이고 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 가리킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(110)는 파우치 외장재(120)에 양극판/세퍼레이터/음극판의 전극조립체(130)를 내장하고 전극조립체(130)의 전극탭(140)을 전극리드(150)에 결합시켜 외부로 돌출되도록 밀봉한 구조의 이차전지이다. 그리고, 상기 이차전지(110) 면 방향과 나란하게 배열되는 전극리드(150)에서 상기 이차전지(110) 면 방향과 수직인 측면에 전극탭(140)을 용접시켜 전극리드(150)와 상기 전극탭(140) 사이에 상기 전극리드(150) 두께 방향으로 용접부(B)가 형성된 것이다. 이러한 이차전지(110)는 카트리지에 장착되고 적층되어 모듈이나 팩으로 조립된다.
전극조립체(130)는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성되며, 파우치 외장재(120)에 수납된다. 이 때, 전극조립체(130)는 다수의 양극판 및 음극판이 적층된 상태로 파우치 외장재(120)에 수납되거나, 하나의 양극판 및 음극판이 권취된 상태로 파우치 외장재(120)에 수납될 수 있다. 전극조립체(130)는 스택형, 폴딩형, 스택-폴딩형, 젤리롤(jelly-roll)형 등일 수 있다. 전극조립체(130)의 전극판들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 그리고, 각각의 전극판들에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있고, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극탭(140)이 형성될 수 있다.
양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
양극 활물질은 리튬 이온이 흡장(intercalation)/탈리(deintercalation)할 수 있도록 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용될 수 있으며, 예를 들어 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1 - xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들을 사용하여 형성될 수 있다.
보조도체는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 보조도체는 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 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
바인더는 활물질과 보조도체 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
세퍼레이터는 양극판과 음극판 사이에 개재되어 양극판과 음극판 사이에 발생할 수 있는 쇼트를 차단시킬 수 있으며, 세퍼레이터로 인해 리튬 이온의 이동만이 가능하다. 세퍼레이터는 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 또는 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 등의 열가소성 수지로 형성될 수 있으며, 그 표면은 다공막 구조일 수 있다.
음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
음극 활물질도 리튬 이온이 흡장/탈리할 수 있도록 탄소(C) 계열의 물질, 실리콘(Si), 주석(Sn), 주석 산화물, 주석 합금 복합체(tin alloy composite), 전이금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3 (0≤x≤1), LixWO2 (0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, 및 Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
전극탭(140)은, 양극탭(예를 들면 도 3의 좌측에 도시한 전극탭)과 음극탭(예를 들면 도 3의 우측에 도시한 전극탭)으로 구성되며, 각각 전극조립체(130)로부터 돌출되도록 형성된다. 즉, 양극탭은 전극조립체(130)의 양극판으로부터 돌출되도록 형성되고, 음극탭은 전극조립체(130)의 음극판으로부터 돌출되도록 형성된다. 이 때, 양극탭 또는 음극탭은 양극판 또는 음극판에 부착되는 형태로 돌출되게 형성될 수 있으며, 각각 양극 집전체 또는 음극 집전체와 동일 재질로 구성될 수 있다.
전극탭(140)은 하나의 전극판에서 복수 개 구비될 수 있다. 예를 들어, 양극탭은 양극판에 복수 개 구비될 수 있고, 음극탭은 음극판에 복수 개 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 양극탭은 하나의 양극리드에 연결될 수 있고, 복수의 음극탭은 하나의 음극리드에 연결될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 양극탭과 음극탭은 하나의 전극조립체(130)에서 각각 한 개씩 구비될 수도 있다.
한편, 도 3의 구성에서는, 두 종류의 전극탭(140), 즉 양극탭과 음극탭이 반대 방향으로 돌출된 형태(양방향 전지)가 도시되었으나, 본 발명이 반드시 이러한 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 양극탭과 음극탭은 전극조립체(130)를 기준으로 동일한 방향으로 돌출되거나(단방향 전지) 직교하는 방향으로 돌출되게 형성될 수 있다.
전극리드(150)는, 얇은 판상의 금속으로서, 일단이 전극탭(140)에 부착되고, 타단, 즉 반대 단부가 파우치 외장재(120) 외부로 노출된다. 전극리드(150)는 이차전지(100)의 면 방향으로 평행하게 연장하며 배열되고 구부러진 부분을 갖지 아니한다. 전극리드(150)는 전기적 전도성이 좋은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어 알루미늄, 구리, 니켈 및 SUS 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명은 이러한 전극리드(150)의 구체적인 종류에 한정되는 것은 아니며, 전극리드 재료로서 이용될 수 있는 다양한 재료가 본 발명에 채용될 수 있다. 바람직하게, 이러한 전극리드(150)는 전극리드(150)가 부착되는 전극판 또는 전극탭(140)과 동일한 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 재질을 주성분으로 하는 양극판에 부착되는 양극리드의 경우, 전극리드(150)는 주성분으로 알루미늄을 포함할 수 있다. 또한, 구리 재질을 주성분으로 하는 음극판에 부착되는 음극리드의 경우, 전극리드(150)는 주성분으로 구리를 포함할 수 있다.
전극리드(150)의 타단에는 파우치 외장재(120)와의 사이에 리드필름(160)이 개재될 수 있다. 리드필름(160)은 전극리드(150)와 파우치 외장재(120)의 금속층 사이에서 단락이 발생되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 파우치 외장재(120)의 밀봉성을 향상시킬 수 있다. 금속 재질의 전극리드(150)와 전극탭(140)이 폴리머 재질의 파우치 외장재(120)에 열융착 시 접촉 저항이 다소 커 표면 밀착력이 저하될 수 있다. 하지만, 상기 실시예와 같이, 리드필름(160)이 구비되면, 이러한 밀착력 저하 현상이 방지될 수 있다. 또한, 리드필름(160)은 절연성 재질로 전극리드(150)와 전극탭(140)에서 파우치 외장재(120)로 전류가 인가되는 것을 차단할 수 있는 것이 바람직할 것이다. 리드필름(160)은 절연성 및 열 융착성을 갖는 필름으로 이루어진다. 리드필름(160)은 예를 들어 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 등으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질 층(단일 막 또는 다중 막)으로 이루어질 수 있다.
파우치 외장재(120)는, 오목한 형태의 내부 공간을 구비하고, 이러한 내부 공간에 전극조립체(130) 및 전해액을 수납한다. 본 실시예에서 파우치 외장재(120)는, 폴리머 재질의 절연층과 접착층 사이에 알루미늄 박막이 개재된 알루미늄 파우치 형태로 구성될 수 있다. 폴리머 재질의 절연층은 기재 및 보호층의 역할을 할 수 있으며, 내부에 수용되는 전극조립체(130)를 외부의 충격 등으로부터 1차적으로 보호하는 역할을 할 수 있다. 폴리머 재질의 절연층은 나일론, 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트와 같은 수지재로 형성될 수 있으나, 이와 같은 물질에 한정되는 것은 아니다. 알루미늄 박막은 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 침투를 방지하는 배리어층의 역할을 할 수 있다. 접착층은 열 융착층이라고도 하며, 열접착성을 가져 실링제 역할을 할 수 있다. 접착층은 폴리올레핀 계열의 수지 물질로 형성될 수 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다. 또한, 접착층은 폴리올레핀계 수지인 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체, 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질로 형성될 수 있으나, 이와 같은 물질에 한정되는 것은 아니다. 파우치의 전체 두께는 통상 40 ~ 120 ㎛이며, 상기 절연층과, 접착층은 10 ~ 40 ㎛, 알루미늄 박막은 20 ~ 100 ㎛인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이 때, 파우치 외장재(120)는, 상부 케이스와 하부 케이스로 이루어질 수 있다. 그리고, 전극조립체(130)가 수납될 수 있는 공간은 상부 케이스나 하부 케이스 중 어느 하나, 또는 상부 케이스나 하부 케이스 모두에 형성될 수 있다. 한편, 상부 케이스나 하부 케이스의 수납 공간에 전극조립체(130)가 수납되고 전해액이 주입되면, 상부 케이스의 실링부 접착층과 하부 케이스의 실링부 접착층이 열융착 등에 의해 접착될 수 있다.
전해액은 비수 전해액과 리튬 염으로 이루어질 수 있다. 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
리튬 염은 상기 비수계 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다. 또한, 비수계 전해액에는 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.
용접부(B)는 상기 전극리드(150)의 측면에 상기 전극탭(140)의 한쪽 끝을 용접하여 형성한 것이다. 전극탭(140)을 구부리지 않고 그 단부를 전극리드(150) 측면에 용접하므로 이 용접은 전극리드(150) 측면에서 보았을 때 선 접촉이고 두께 방향을 따라 가면서는 매 전극탭(140)과의 사이에 점 접촉이 된다. 여러 개의 전극탭(140)을 모아 상기 전극리드(150)의 측면에 용접으로 결합시켜 상기 용접부(B)가 형성되며 상기 전극리드(150)의 두께는 상기 여러 개의 전극탭(140)을 합친 두께보다 두껍다. 이와 같이 두께 방향 용접을 위하여 전극리드(150)의 두께를 종래보다 증가시키는 경우 냉각 성능도 향상된다.
기존의 용접부(A)가 면 방향 용접이라면, 본 발명 실시예의 용접부(B)는 두께 방향 용접이다. 그리고, 기존의 용접부(A)가 면 접촉이라면, 본 발명 실시예의 용접부(B)는 점 접촉 또는 선 접촉이라고 할 수 있다. 기존의 용접부(A)의 길이 방향 폭이 4mm 정도이던 것을, 본 발명에 따르면 1mm 미만으로 줄일 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는 기존 면 방향 용접부(A) 대비 용접 폭이 줄어든 용접부(B)를 통해 비전극 구간을 축소할 수 있고 전극조립체(130) 사이즈를 크게 하여 공간 활용을 극대화할 수 있다. 이에 따라, 전지 용량 증대가 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 단면도이다.
도 4의 이차전지(110')는 도 3의 이차전지(110)와 유사하며, 특히 전극탭(140)의 한쪽 끝 부분을 180도 절곡시켜 이중으로 접어 두께를 증가시키고 절곡 부위를 상기 전극리드(150) 측면에 용접하여 용접부(B')가 형성된 점이 차이가 있다. 여기서 절곡의 방향은 전극탭(140)의 연장 방향, 즉 이차전지(110)의 면 방향을 기준으로 180도이고, 절곡된 부분이 전극리드(150) 측면에 점 접촉 또는 선 접촉되게 된다.
한편, 도 4에서는 전극탭(140)이 1회 절곡되어 U자 형상으로 절곡하는 경우를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 필요한 경우 절곡 회수는 1회 이상이 될 수 있고 그러한 경우 더 넓은 용접면적을 확보할 수 있는 효과가 있다. 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같이, 전극탭(140)은 S자 형상으로 2회 절곡하여 용접할 수 있다. S자로 하기 위해, U자 절곡 후 한 번 더 U자 형상의 절곡을 행하면, 2회 절곡되므로, 한쪽의 절곡에 의해 인장력이 발생해도 다른 쪽의 절곡에 의해 압축력을 받는다. 따라서, 결국, 접합 부분에 있어서 발생하는 응력이 상쇄된다.
본 실시예에서와 같이 전극탭(140)을 하나씩 각각 절곡하여 용접부(B')를 형성할 수도 있지만, 도 6에서와 같이 전극탭(140) 여러 개를 모아 한꺼번에 절곡하여 용접부(B")를 형성할 수도 있다. 도 6의 이차전지(110")는 도 4의 이차전지(110')와 용접부(B")에 있어서만 차이가 있다.
전극탭(140) 자체는 전극판과 마찬가지로 수 ㎛ 내지 수 ㎜로 얇으므로 도 4 내지 도 6에서와 같이 절곡하여 접어 그 두께를 증가시키면 용접면적을 증가시킬 수 있어 용접 부위의 강도를 증가시킬 수 있다. 이 때, 얇은 전극탭(140)이 절곡된 부분에 응력 집중이 되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 절곡 부위를 용접시켜 버리므로 절곡 부위에 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 6에서도 전극탭(140)이 1회 절곡되어 U자 형상으로 절곡하는 경우를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 필요한 경우 절곡 회수는 1회 이상이 될 수 있다.
다른 한편, 도 6에서는 여러 개의 전극탭(140)을 모아 한꺼번에 한 방향으로 절곡하여 용접하는 것을 예로 들었으나, 전극탭(140)을 복수개의 그룹으로 나누어 각 그룹별로 절곡한 후에 절곡한 부위를 모아 전극리드(150) 측면에 용접하는 예도 가능하다. 이 때 절곡 방향은 복수개의 그룹이 서로 서로 같은 방향이 되게 하거나 반대 방향이 되게 할 수 있다.
예를 들어 도 7에서와 같이 전극탭(140)을 두 개의 그룹으로 나누어, 상대적으로 위쪽에 있는 그룹은 도시한 바와 같이 좌측에서 상방향 우측으로 절곡하고, 상대적으로 아래쪽에 있는 그룹도 마찬가지로 좌측에서 상방향 우측으로 절곡하여 두 그룹이 나란하게 되도록 하여 용접하는 방법이 가능하다.
다른 예로 도 8에서와 같이 전극탭(140)을 두 개의 그룹으로 나누어, 상대적으로 위쪽에 있는 도시한 바와 같이 좌측에서 상방향 우측으로 절곡하고, 상대적으로 아래쪽에 있는 그룹은 그와 반대로 좌측에서 하방향 우측으로 절곡하여 두 그룹 사이에 거울 대칭이 되도록 하여 용접하는 방법도 가능하다.
도 3, 도 4 및 도 6을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예들에 따른 이차전지(110, 110', 110")에서 각 용접부(B, B', B")는 전극리드(150) 길이 방향, 즉 이차전지 면 방향에서의 폭이 1mm 이하로 형성이 될 수 있다. 각 용접부(B, B', B")는 전극리드(150) 측면에 전극탭(140)의 단부 또는 180도 절곡한 절곡 부위를 용접하므로 점 접촉 또는 선 접촉에 의해 전극리드(150)와 전극탭(140)이 서로 결합된다.
본 발명에 따른 실시예들에 의할 경우에는 전극탭(140)과 전극리드(150) 사이의 결합을 위한 공간의 폭이 종래보다 축소되기 때문에, 전극탭(140)과 전극리드(150)의 결합을 위한 공간을 종래에 비해 파우치 외장재(120) 내에 작게 확보할 수 있다. 용접 폭이 축소되는 만큼 전극조립체(13)의 크기를 증가시킬 수 있다. 이에 따라 본 발명 실시예들에 따르면 종래에 비해 파우치형 이차전지의 공간 활용도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
각 용접부(B, B', B")는 마찰 교반 용접(friction stir welding)에 의해 용접을 수행하여 형성할 수 있다. 도 9는 마찰 교반 용접의 기본 원리를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 마찰 교반 용접 장치(200)는, 피용접재, 본 발명에서는 전극탭(140)과 전극리드(150),에 삽입 회전하여 마찰 및 교반 작용에 의해 접합이 이루어지게 하는 마찰 교반 용접용 툴(210)을 포함하여 구성된다. 피용접재는 지지대(220) 위에 장착되고, 회전하는 툴(210)에 의하여 핀이 피용접재에 삽입된 위치에서 접합면(C)을 따라 용접 진행 방향으로 진행하면 툴(210) 및 핀에 의한 마찰 및 교반 작용에 의하여 접합이 이루어진다. 툴(210)은 내열 강도가 우수한 재료, 예를 들어 알루미늄 합금, 구리, 티타늄, 또는 스테인레스강을 포함하여 만들어진 것이다. 피용접재에 툴(210)을 가압하고 회전시키며 접합면(C)을 따라 이동시키면서 마찰열에 의하여 발생하는 열과 툴(210)의 교반에 의하여 두 소재가 가열되고, 연화되고 소성유동되어 두 소재가 고체상 접합, 예를 들어 접합 영역에서 함께 용접되는 용접 방법이다.
마찰 교반 용접의 시작과 동시에 설정된 속도로 툴(210)의 스핀들이 회전하면서 툴(210)이 하강하여 툴(210)의 하부에 구비된 핀이 전극탭(140)과 전극리드(150)를 가열 및 교반하면서 툴(210)의 어깨부가 피용접재의 표면에 압력을 가하면서 용접부(B, B', B")를 형성하게 된다. 예를 들어, 툴(210)은 1000 내지 2500 rpm으로 회전하고 1.0 내지 8.0 mm/s 속도로 용접되는 부재를 따라 이동할 수 있다. 마찰 교반 용접은 전극탭(140)과 전극리드(150)이 용융되지 않고 고체 상태에서 접합이 이루어짐으로써 용접부(B, B', B")의 특성이 용융용접에 비하여 우수하다는 장점을 가지고 있다.
전극탭(140)과 전극리드(150)이 맞대어진 접합면(C)의 정도가 정밀해야 좋은 용접부(B, B', B")를 얻을 수 있다. 이를 위하여, 우수한 용접부(B, B', B")를 얻기 위해서 전극탭(140)과 전극리드(150)의 접합면(C)을 용접 전에 정밀하게 면 가공을 수행할 수도 있다.
이하, 도 10을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차전지 제조방법에 대해 간략히 설명하기로 한다.
먼저, 전극탭(140)이 연결된 전극판을 구비하는 전극조립체(130)를 준비한다(단계 S1).
그 다음, 전극탭(140)의 한쪽 끝 부분을 1회 이상 절곡시켜 두께를 증가시킨다(단계 S2). 절곡하는 예는 도 4 내지 도 8을 참조하여 설명한 바 있다.
다음으로, 상기 전극탭(140)의 절곡 부위를 전극리드(150) 측면에 마찰 교반 용접한다(단계 S3). 마찰 교반 용접은 도 9를 참조하여 설명한 방법에 따른다.
이후, 전극리드(150)의 타단이 파우치 외장재(120)의 외부로 연장되게 전극조립체(130)를 수납하고 파우치 외장재(120) 내부에 전해액을 주입한 다음, 파우치 외장재(120)의 실링부를 열융착시킨다(S4). 경우에 따라서는 전해액 주입부위를 제외한 나머지 부분을 실링하는 열 융착을 먼저 한 후 전해액을 주입하고 전해책 주입부위마저 실링하는 방법을 이용할 수도 있다.
그 다음, 이차전지의 에이징(aging), 충방전, 포메이션(formation) 및 디개싱(degasing)등의 후속 공정이 진행될 수 있다(S5).
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (16)

  1. 파우치 외장재에 양극판/세퍼레이터/음극판의 전극조립체를 내장하고 전극조립체의 전극탭을 전극리드에 결합시켜 외부로 돌출되도록 밀봉한 구조의 이차전지로서,
    상기 이차전지 면 방향과 나란하게 배열되는 전극리드에서 상기 이차전지 면 방향과 수직인 측면에 상기 전극탭을 용접시켜 상기 전극리드와 상기 전극탭 사이에 상기 전극리드 두께 방향으로 용접부가 형성된 이차전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용접부는 상기 전극리드 측면에 상기 전극탭의 한쪽 끝을 용접하여 형성한 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전극탭은 여러 개이고 여러 개의 상기 전극탭을 모아 상기 전극리드 측면에 용접으로 결합시켜 상기 용접부가 형성되며 상기 전극리드의 두께는 상기 여러 개의 전극탭을 합친 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극탭의 한쪽 끝 부분을 180도 절곡시켜 이중으로 접어 두께를 증가시키고 절곡 부위를 상기 전극리드 측면에 용접하여 상기 용접부가 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전극탭은 여러 개이고 여러 개의 상기 전극탭을 모아 절곡한 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제4항에 있어서, 상기 전극탭은 여러 개이고 상기 전극탭을 각각 절곡한 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 용접부의 상기 전극리드 길이 방향에서의 폭은 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 파우치 외장재에 양극판/세퍼레이터/음극판의 전극조립체를 내장하고 전극조립체의 전극탭을 전극리드에 결합시켜 외부로 돌출되도록 밀봉한 구조의 이차전지 제조방법으로서,
    상기 이차전지 면 방향과 나란하게 배열되는 전극리드에서 상기 이차전지 면 방향과 수직인 측면에 상기 전극탭을 용접시켜 상기 전극리드와 상기 전극탭 사이에 상기 전극리드 두께 방향으로 용접부를 형성하는 단계를 포함하는 이차전지 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 용접부는 상기 전극리드 측면에 상기 전극탭의 한쪽 끝을 용접하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 전극탭은 여러 개이고 여러 개의 상기 전극탭을 모아 상기 전극리드 측면에 용접으로 결합시켜 상기 용접부를 형성하며 상기 전극리드의 두께는 상기 여러 개의 전극탭을 합친 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 전극탭의 한쪽 끝 부분을 180도 절곡시켜 이중으로 접어 두께를 증가시키고 절곡 부위를 상기 전극리드 측면에 용접하여 상기 용접부를 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전극탭은 여러 개이고 여러 개의 상기 전극탭을 모아 절곡하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 전극탭은 여러 개이고 상기 전극탭을 각각 절곡하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 용접은 마찰 교반 용접(friction stir welding)에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
  15. 전극탭이 연결된 전극판을 구비하는 전극조립체를 준비하는 단계;
    상기 전극탭의 한쪽 끝 부분을 1회 이상 절곡시켜 두께를 증가시키는 단계; 및
    상기 전극탭의 절곡 부위를 전극리드 측면에 마찰 교반 용접하는 단계를 포함하는 이차전지 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 전극리드의 두께는 상기 전극탭의 전체 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
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