KR20130042954A - 안전성이 향상된 이차전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 안전성이 향상된 이차전지 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 이차전지는, 양극 탭과 음극 탭(전극 탭)이 형성된 전극 조립체; 상기 양극 탭 및 음극 탭과 각각 전기적으로 커플링된 양극 리드 및 음극 리드(전극 리드); 및 상기 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 밀봉하는 전지 포장재;를 포함하고, 상기 전극 탭과 상기 전극 리드 사이에 형성된 2개의 전기적 커플링 부위 중 적어도 하나는, 상기 전극 탭과 상기 전극 리드가 간극을 두고 이격된 상태로 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지에 의해 접합된 과전류 차단 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 이차전지를 통해 과전류가 흐를 경우, 무연 솔더링 브릿지의 온도가 상기 융단 온도까지 짧은 시간 안에 국소적으로 상승하여 융단됨으로써 과전류의 흐름이 효과적으로 차단된다.
본 발명에 따르면, 상기 이차전지를 통해 과전류가 흐를 경우, 무연 솔더링 브릿지의 온도가 상기 융단 온도까지 짧은 시간 안에 국소적으로 상승하여 융단됨으로써 과전류의 흐름이 효과적으로 차단된다.
Description
본 발명은 이차전지 기술에 관한 것으로서, 안전성이 향상된 이차전지와 그 제조 방법에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.
특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다.
리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
그런데, 리튬 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 리튬 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 리튬 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 리튬 이차전지가 주울열에 의해 발열을 하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다. 과전류는 뽀족한 금속 물체가 리튬 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 전지에 인가되는 경우 등에 발생된다.
따라서 리튬 이차전지는 과전류의 발생과 같은 이상 상황으로부터 전지를 보호하기 위해 보호회로와 결합되어 사용되며, 상기 보호회로에는 과전류가 발생되었을 때 충전 또는 방전전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈 소자가 포함되는 것이 일반적이다.
도 1은 리튬 이차전지와 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 이차 전지를 보호하기 위해 퓨즈 소자(10), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(R), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(10)를 동작시키는 마이크로컨트롤러(30) 및 상기 퓨즈 소자(10)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(40)를 포함한다.
퓨즈 소자(10)는 셀 어셈블리(20)의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(10)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.
퓨즈 소자(10)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(40)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(11)와, 상기 퓨즈(11)에 열을 인가하는 저항(12)이 포함되어 있다.
상기 마이크로컨트롤러(30)는 센스 저항(20) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(40)를 턴 온시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(10) 측으로 바이패스되어 저항(12)에 인가된다. 이에 따라, 저항(12)에서 발생된 주울열이 퓨즈(11)에 전도되어 퓨즈(11)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(11)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(11)가 융단됨으로써 주 선로가 비가역적으로 단선된다. 주 선로가 단선되면 과전류가 더 이상 흐르지 않게 되므로 과전류로부터 비롯되는 문제를 해소할 수 있다.
그런데, 위와 같은 종래 기술은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 즉, 마이크로컨트롤러(30)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(40)가 턴온되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(10)의 저항(12)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(10)가 동작을 하지 않는 문제가 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(10)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 퓨즈 소자(10)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로컨트롤러(30)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로컨트롤러(30)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 인식하여 창안된 것으로서, 보호회로의 능동적인 과전류 차단 기능과는 별도로 자체적으로 수동 방식의 과전류 차단 기능을 구현할 수 있는 이차 전지와 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 이차전지에 대한 최소한의 구조 변경만으로 수동 방식의 과전류 차단 기능을 구현할 수 있는 이차전지와 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 안전성이 향상된 이차전지는, 양극 탭과 음극 탭(전극 탭)이 형성된 전극 조립체; 상기 양극 탭 및 음극 탭과 각각 전기적으로 커플링된 양극 리드 및 음극 리드(전극 리드); 및 상기 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 밀봉하는 전지 포장재;를 포함하고, 상기 전기적 커플링 부위들 중 적어도 하나는, 상기 전극 탭과 상기 전극 리드가 간극을 두고 이격된 상태로 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지에 의해 접합된 과전류 차단 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 과전류 차단 구조에 포함된 전극 탭과 전극 리드는 동일 평면 상에 위치하고, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 전극 탭과 전극 리드의 상부 및/또는 하부 표면에 접합된다.
바람직하게, 상기 간극은 1mm 이하의 폭을 가지며, 직선형의 패턴을 가진다.
바람직하게, 상기 주석 함량은 80 ~ 98중량%이고, 구리의 함량은 2 ~ 20중량%이다.
선택적으로, 상기 무연 솔더링 브릿지는 니켈, 아연, 및 은 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 추가 금속의 함량은 0.01~10중량%이다.
선택적으로, 본 발명에 따른 이차전지는, 상기 간극을 피복하는 절연 테이프를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드의 끝단 사이에 직접적으로 개재되어 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드와 접합된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드의 끝단부가 상하로 배치될 때 형성되는 공간에서 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드와 접합된다.
바람직하게, 상기 무연 솔더링 브릿지는 라인 용접을 통해 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드와 접합된다. 따라서 상기 간극에 면한 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드의 표면에 라인 용접 패턴이 형성된다. 상기 라인 용접은 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 또는 아크 용접일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 안전성이 향상된 이차전지 제조 방법은, 양극 탭과 음극 탭(전극 탭)이 형성된 전극 조립체를 제공하는 단계; 상기 양극 탭 및 상기 음극 탭에 각각 양극 리드 및 음극 리드(전극 리드)를 전기적으로 커플링시키는 단계로서, 양극 측과 음극 측의 전기적 커플링 부위 중 적어도 하나에, 상기 전극 탭과 상기 전극 리드가 간극을 두고 이격된 상태로 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지에 의해 접합된 과전류 차단 구조를 형성하는 단계; 및 상기 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 전해질과 함께 전지 포장재 내에 밀봉하는 단계;를 포함한다. 선택적으로, 본 발명은 상기 간극을 절연테이프로 피복하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차전지에 과전류가 흐를 경우, 무연 솔더링 브릿지의 온도가 융단 온도까지 짧은 시간 안에 상승하여 융단됨으로써 과전류의 흐름이 차단된다. 이처럼, 보호회로와 독립적으로 이차전지 자체에서 과전류를 비가역적으로 차단하는 것이 가능하므로 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 무연 솔더링 브릿지에 의해 연결되는 전극 탭과 전극 리드 사이의 폭이 작으므로 무연 솔더링 브릿지에 의한 저항 증가가 무시할 만한 수준으로 제한되며 무연 솔더링 브릿지로 인한 이차전지의 구조 변경이 실질적으로 이루어지지 않는 장점이 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 리튬 이차전지와 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안전성이 향상된 이차전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 과전류 차단 구조의 다양한 변형 구조를 도시한 부분 확대 단면도들이다.
도 1은 리튬 이차전지와 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안전성이 향상된 이차전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 과전류 차단 구조의 다양한 변형 구조를 도시한 부분 확대 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안전성이 향상된 이차전지(20)의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 안전성이 향상된 이차전지(20)는, 양극 탭(21)과 음극 탭(22)이 형성된 전극 조립체(23)와, 상기 양극 탭(21) 및 음극 탭(22)과 각각 전기적으로 커플링된 양극 리드(24) 및 음극 리드(25)와, 상기 양극 리드(24) 및 음극 리드(25)의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체(23)를 밀봉하는 전지 포장재(26)를 포함한다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해 상기 양극 탭(21)과 상기 음극 탭(22)은 전극 탭으로, 상기 양극 리드(24)와 상기 음극 리드(25)는 전극 리드로 통칭할 수 있고, 전기적으로 커플링된 양극 탭(21)과 양극 리드(24)는 양극부, 그리고 전기적으로 커플링된 음극 탭(22)과 음극 리드(25)는 음극부라고 칭할 수 있음을 미리 밝혀 둔다.
상기 전극 조립체(23)는, 박막 형태의 금속으로 이루어진 양극판(27)과 음극판(28)이 세퍼레이터(29)에 의해 분리된 구조를 가진 단위 셀을 적어도 하나 이상 포함한다. 인접하는 단위 셀 사이에는 절연성의 다공성 분리막이 개재될 수 있다. 일예로, 양극판(27)은 알루미늄으로, 음극판(28)은 구리로 이루어질 수 있다. 상기 양극판(27)과 상기 음극판(28)에는 이차전지의 작동을 위해 필요한 전극 활물질이 코팅되어 있다. 일 예로, 상기 양극판(27)의 표면에는 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 양극 활물질이, 상기 음극판(28)의 표면에는 탄소를 포함하는 음극 활물질이 코팅되어 있을 수 있다. 상기 세퍼레이터(29)는 다공성이 있는 절연 필름이라면 그 종류에 특별히 제한이 없다. 일 예로, 상기 세퍼레이터(29)는 다공성의 폴리올레핀 필름일 수 있으며, 필요에 따라 필름 표면에 무기물 입자가 코팅되어 있을 수 있다.
상기 양극 탭(21)과 상기 음극 탭(22)은 각각의 양극판(27)과 음극판(28)으로부터 연장되거나 각각의 양극판(27)과 음극판(28)에 부착된 다수의 금속 탭이 용접을 통해 하나로 결집된 구조를 가진다. 상기 전극 조립체(23)가 하나의 단위 셀로 이루어진 경우, 상기 양극 탭(21)과 상기 음극 탭(22)은 하나의 금속 탭으로 이루어질 수 있다. 상기 용접은 초음파 용접, 저항 용접, 레이져 용접 등일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전지 포장재(26)는 상기 전극 조립체(23)와 대향하는 내 측면에 열 접착층이 형성된 금속 파우치 필름(예: Al 파우치 필름)으로 이루어진다. 따라서 상기 전극 조립체(23)는 전지 포장재(26)의 가장 자리를 따라 열을 인가하여 전지 포장재(26) 내에 밀봉한다. 상기 전지 포장재(26) 내에는 이차전지의 종류에 따라 액체 전해질, 고체 전해질, 겔형 전해질 등이 포함되어 있을 수 있다.
상기 전극 탭과 상기 전극 리드 사이에 형성된 전기적 커플링 부위에는, 과전류 차단 구조가 형성되어 있다. 상기 과전류 차단 구조는 상기 전극 탭과 상기 전극 리드의 전기적 커플링 부위를 통해 과전류가 흘렀을 때 짧은 시간 안에 전기적 커플링 부위가 비가역적으로 융단될 수 있는 구조를 지칭한다.
상기 과전류 차단 구조는 도 2에 도시된 것과 같이 음극부와 양극부 모두에 형성될 수도 있고, 음극부와 양극부 중 어느 한 쪽에만 형성되는 것도 가능하다.
상기 음극부에 형성된 과전류 차단 구조를 설명하면 다음과 같다. 상기 과전류 차단 구조는, 음극 탭(22)과 음극 리드(25)가 소정의 간극(30)을 두고 이격된 상태에서 무연 솔더링 브릿지(31)와 접합된 구조를 가진다.
상기 간극(30)은 음극 탭(22)과 음극 리드(25) 사이에 존재하는 미세한 틈을 의미한다. 상기 간극(30)은 음극부를 통해 흐르는 대부분의 전류가 상기 무연 솔더링 브릿지(31)를 통해 흐를 수 있도록 하는 저항 성분으로서 기능한다.
상기 간극(30)의 폭은 무연 솔더링 브릿지(31)를 통한 전류흐름 경로의 증감과 직접적으로 관련이 있으며 상기 간극(30)의 폭이 증가하면 음극부의 저항 증가 요인이 된다. 따라서 상기 간극(30)의 폭은 작을수록 좋은데, 바람직하게는 1mm 이하, 보다 바람직하게는 0.5mm 이하, 보다 더 바람직하게는 0.3mm 이하, 보다 더 바람직하게는 0.1mm 이하이다.
상기 무연 솔더링 브릿지(31)는 상기 음극 탭(22) 및 상기 음극 리드(25)의 융점 보다 낮은 150~300도의 융점을 가지며, 주석(Sn)을 주성분으로 구리(Cu)를 합금 성분으로 포함하고 환경 및 인체에 유해한 납(Pb)을 함유하지 않는 친환경적 소재로 이루어진다.
상기 무연 솔더링 브릿지(31)의 융점 범위는 과전류 차단 구조를 통하여 차단하고자 하는 과전류 레벨을 고려하여 설정한 것이다. 융점이 150도보다 낮으면 음극부를 통해 정상적인 전류가 흐르는 경우에도 무연 솔더링 브릿지(31)가 용융될 수 있다. 일 예로, 본 발명에 따른 이차전지(20)가 전기 자동차용 이차전지에 사용될 경우, 무연 솔더링 브릿지(31)의 융점이 150도보다 낮으면 급속 충방전 전류에 의해 무연 솔더링 브릿지(31)가 용융될 수 있다. 또한, 융점이 300도보다 높으면 과전류의 차단이 효과적으로 이루어지지 않으므로 음극부에 과전류 차단 구조를 구현한 효과가 사실 상 없다.
상기 무연 솔더링 브릿지(31)의 구성 성분 중 주석은 브릿지(31)의 융점과 인장강도 특성에 영향을 미친다. 상기 무연 솔더링 브릿지(31)가 150~300도의 융점을 가지면서도 양호한 인장강도 특성을 갖도록 주석의 함량은 80중량% 이상, 바람직하게는 85~98중량%의 범위에서 조절한다. 상기 구리는 무연 솔더링 브릿지(31)의 전기 전도도를 향상시키는 기능을 하며, 이러한 기능을 감안하여 구리의 함량은 2 ~ 20중량%의 범위에서, 바람직하게는 4 ~ 15중량%의 범위에서 조절하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 중량%는 무연 솔더링 브릿지(31)를 구성하는 물질 전체 중량을 기준으로 한 단위로서 이하 동일하다.
상기와 같이 주석과 구리의 함량을 조절하면, 무연 솔더링 브릿지(31)의 인장강도가 양호할 뿐만 아니라 무연 솔더링 브릿지(31)에 의한 음극부의 저항 증가를 수 % 이내로 낮게 억제할 수 있다.
상기 무연 솔더링 브릿지(31)는 보다 향상된 물성을 갖기 위해 주석과 구리 이외에 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn) 등과 같이 전기 전도도가 좋은 금속을 추가 합금 성분으로 더 포함할 수 있다. 상기 추가 합금 성분의 함량은 물질의 전체 중량 대비 0.01~10 중량%인 것이 바람직하다.
상기 무연 솔더링 브릿지(31)의 폭과 두께는 무연 솔더링 브릿지(31)의 존재로 인한 음극부의 저항 증가 정도, 상기 무연 솔더링 브릿지(31)에 인가되는 최대 전류와 최대 전압 조건, 상기 음극부에 대해 요구되는 인장 강도 특성 등을 고려하여 선택 가능하다. 바람직하게, 상기 무연 솔더링 브릿지(31)는 수 mm 이내의 폭과 1mm 이내의 두께를 갖는다.
상기 무연 솔더링 브릿지(31)는 간극(30)을 사이에 두고 이격된 음극 탭(22)과 음극 리드(25)의 한 쪽 면, 즉 저면에서 음극 탭(22)과 음극 리드(25) 사이에 브릿지 구조를 형성한다.
상기 음극부에 과전류가 흐르게 되면 무연 솔더링 브릿지(31)의 온도가 저항 발열에 의해 순간적으로 150~300도로 상승하면서 브릿지(31)가 액상으로 용융되며 이 과정에서 간극(30)을 중심으로 음극 탭(22)과 음극 리드(25)가 비가역적으로 분리된다.
이하에서는, 음극 탭(22)과 음극 리드(25)가 무연 솔더링 브릿지(31)를 통해 연결된 부위를 융단 분리부(A)라고 명명하기로 한다.
상기 융단 분리부(A)는 제1접합부(32)와 제2접합부(33)를 포함한다. 상기 제1접합부(32)는 무연 솔더링 브릿지(31)와 음극 탭(22)이 접합된 영역을, 상기 제2접합부(33)는 무연 솔더링 브릿지(31)와 음극 리드(25)가 접합된 영역을 의미한다.
상기 제1접합부(32)와 제2접합부(33)는 지면(紙面)과 수직인 방향으로 진행한 라인 용접에 의해 형성되는데, 상기 제1접합부(32)는 음극 탭(22)과 무연 솔더링 브릿지(31)의 계면에, 상기 제2접합부(33)는 음극 리드(25)와 무연 솔더링 브릿지(31)의 계면에 형성된다.
상기 라인 용접은 음극 탭(22) 및 음극 리드(25)의 상부(B 지점 참조)에서 시행하는 것이 바람직하다. 상기 라인 용접이 시행되면, 상기 간극(30)에 면한 음극 탭(22)과 음극 리드(25)의 표면에는 직선 형태를 갖는 연속적 또는 불연속적인 라인 용접 패턴이 형성된다. 상기 라인 용접은 레이져 용접인 것이 바람직하나, 초음파 용접, 저항 용접, 아크 용접 등과 같은 다양한 용접 기술이 적용될 수 있다. 한편, 용접 강도 증가를 위해 라인 용접의 시행 횟수가 증가될 수 있다. 이러한 경우 융단 분리부(A)에는 접합부가 추가적으로 더 형성될 수 있음은 자명하다.
도 3 내지 도 6은 과전류 차단 구조에 대한 다양한 변형 구조를 보여주는 도면들이다. 설명의 편의를 위해, 과전류 차단 구조가 형성된 부위만을 부분적으로 확대하여 도시하였음을 미리 밝혀둔다.
도 3을 참조하면, 무연 솔더링 브릿지(31)는 음극 탭(22)과 음극 리드(25)의 상부와 하부에 동시에 형성될 수 있다. 이러한 경우, 음극부의 인장 강도를 보다 더 향상시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 무연 솔더링 브릿지(31)가 형성된 부분을 보호하기 위해 융단 분리부(A)의 상부 및 하부가 절연 테이프(34)에 의해 피복될 수 있다. 경우에 따라, 도 4에 도시된 것과 달리, 상기 절연 테이프(34)는 융단 분리부(A)의 상부와 하부를 모두 피복하지 않고 어느 한쪽만 피복하는 것도 가능하다. 상기 절연 테이프(34)는 폴리올레핀 필름, 폴리프로필렌 필름 및 산 변성 폴리프로필렌(Acid modified polypropylene) 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 상기 무연 솔더링 브릿지(31)는 상기 음극 탭(22) 및 상기 음극 리드(25)의 끝단부가 상하로 배치될 때 형성되는 공간에서 라인 용접에 의해 상기 음극 탭(22) 및 상기 음극 리드(25)와 접합될 수 있다. 도면에서, 화살표는 라인 용접 지점을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 상기 무연 솔더링 브릿지(31)는 상기 음극 탭(22) 및 상기 음극 리드(25)의 끝단 사이에 직접적으로 개재되어 라인 용접에 의해 상기 음극 탭(22) 및 상기 음극 리드(25)와 접합되는 것도 가능하다. 화살표는 라인 용접 지점을 나타낸다.
상기 과전류 차단 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 음극부 이외에 양극부에도 적용할 수 있다. 또한, 상기 과전류 차단 구조는 양극부 및 음극부 중 어느 한쪽에만 형성하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명은 전극 조립체(23)의 구조에 의해 한정되지 않는다. 따라서 상기 전극 조립체(23)는 전기화학적 반응에 의해 충방전이 가능한 것이라면 그 구조에 특별한 제한이 없다.
일 예로, 상기 전극 조립체(23)는 복수의 단위 셀들을 절연성을 갖는 다공성 분리막 필름 위에 일정한 간격으로 나열한 후 상기 분리막을 한 쪽 방향으로 폴딩하여 분리막 사이에 단위 셀이 삽입된 스택/폴딩형 구조를 가질 수 있다.
다른 예로, 상기 전극 조립체(23)는 권취 방향으로 연장된 구조를 가진 적어도 하나 이상의 단위 셀을 절연성을 갖는 분리막 위에 거치한 후 분리막을 상기 권취 방향으로 말아서 형성된 젤리 롤 구조를 가질 수 있다.
또 다른 예로, 상기 전극 조립체(23)는 상하 방향으로 적어도 하나 이상의 단위 셀을 적층한 단순 적층 구조를 가질 수 있다. 이 때, 인접하는 단위 셀 사이에는 절연성을 갖는 다공성 분리막이 개재되는 것이 바람직하다.
본 발명은 전극 리드가 인출되는 방향에 의해 한정되지 않으므로 도 2에 도시된 것과 달리 양극 리드와 음극 리드가 동일한 방향으로 인출된 구조를 가진 이차전지에도 얼마든지 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체(23)가 열 융착 공정을 통해 전지 포장재(26)에 밀봉되는 과정에서 전극 리드(22, 25)와 전지 포장재(26)의 접착력을 향상시키기 위해 전지 포장재(26)와 전극 리드(22, 25) 사이에 접착 테이프(도 2의 40 참조)가 개재될 수 있다. 상기 접착 테이프(40)는 폴리에틸렌, 폴리아세틸렌, PTFE, 나일론, 폴리이미드, 폴리에틸렌탈레프탈레이트, 폴리프로필렌, 또는 이들의 합성 물질로 이루어질 수 있다. 하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 이차전지의 제조 방법은, 상기의 설명으로부터 자명하게 파악이 가능하다.
먼저, 양극 탭(21)과 음극 탭(22)이 형성된 전극 조립체(23)를 준비한다. 상기 전극 조립체(23)는 스택/폴딩형, 젤리롤형, 단순 스택형 등의 구조를 가진다. 상기 양극 탭(21)과 음극 탭(22)은 전극 조립체(23)의 구조에 따라 다수의 금속 탭이 결집된 구조(스택/폴딩형, 단순 스택형)를 가지거나 하나의 금속 탭(젤리롤형)으로 이루어진다. 상기 금속 탭은 단위 셀 내에 포함된 양극판(27)과 음극판(28)으로부터 연장되거나 양극판(27)과 음극판(28)에 부착된 구조를 가진다.
이어서, 상기 양극 탭(21) 및 상기 음극 탭(22)에 각각 양극 리드(24) 및 음극 리드(25)를 전기적으로 커플링시키되, 양극 측과 음극 측의 전기적 커플링 부위 중 적어도 하나에 과전류 차단 구조를 형성한다.
상기 과전류 차단 구조는, 전극 탭과 전극 리드가 간극(30)을 두고 이격된 상태로 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지(31)에 의해 접합된 구조를 가진다.
과전류 차단 구조는 도 3 내지 6에 도시된 바와 같이 다양하게 변형될 수 있음은 이미 설명한 바 있다.
한편, 상기 전극 리드(24, 25)의 표면에는 후술하는 열 융착 공정에서 전극 리드(24, 25)와 전지 포장재(26) 사이의 접착력을 향상시키기 위해 접착 테이프(40)가 미리 부착되어 있을 수 있다.
전극 탭과 전극 리드 사이의 전기적 커플링이 완료되면, 열 융착 공정을 진행하여 전극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체(23)를 전해질과 함께 전지 포장재(26) 내에 밀봉한다. 상기 열 융착 공정이 진행되면, 전지 포장재(26)의 안쪽 표면에 있는 열 접착층에 의해 전지 포장재(26)의 가장자리가 긴밀하게 실링됨으로써 전극 탭과 전극 리드의 전기적 커플링 부위에 과전류 차단 구조가 형성된 이차전지의 제조가 완료된다.
본 발명에 따르면, 이차전지에 과전류가 흐를 경우, 무연 솔더링 브릿지(31)의 온도가 융단 온도까지 짧은 시간 안에 상승하여 융단됨으로써 과전류의 흐름이 차단된다. 이처럼, 보호회로와 독립적으로 이차전지 자체에서 과전류를 비가역적으로 차단하는 것이 가능하므로 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 무연 솔더링 브릿지(31)에 의해 연결되는 전극 탭과 전극 리드 사이의 폭이 작으므로 무연 솔더링 브릿지(31)에 의한 저항 증가가 무시할 만한 수준으로 제한되며 무연 솔더링 브릿지(31)로 인한 이차전지의 구조 변경이 실질적으로 이루어지지 않는 장점이 있다.
본 발명은 전극 탭과 전극 리드 사이의 전기적 커플링 부위에 과전류 차단 구조를 형성한 것에 특징이 있으므로 다른 구성요소의 특징에 의해 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명은 전극 조립체의 구조, 전극 탭과 전극 리드의 구조와 재질, 이차전지의 충방전 과정에서 전기화학적 반응을 유발하기 위한 전극 활물질과 전해질의 종류, 전극 리드와 전지 포장재의 접착력을 향상시키기 위한 접착 테이프의 유무 및 그 재질, 전지 포장재의 구조나 재질 등에 의해 한정되지 않는다.
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.
20: 이차전지 21: 음극 탭
22: 양극 탭 23: 전극 조립체
24: 양극 리드 25: 음극 리드
26: 전지 포장재 27: 양극판
28: 음극판 29: 세퍼레이터
30: 간극 31: 무연 솔더링 브릿지
32: 제1접합부 33: 제2접합부
34: 절연 테이프 40: 접착 테이프
A: 융단 분리부 B: 용접부
22: 양극 탭 23: 전극 조립체
24: 양극 리드 25: 음극 리드
26: 전지 포장재 27: 양극판
28: 음극판 29: 세퍼레이터
30: 간극 31: 무연 솔더링 브릿지
32: 제1접합부 33: 제2접합부
34: 절연 테이프 40: 접착 테이프
A: 융단 분리부 B: 용접부
Claims (17)
- 양극 탭과 음극 탭(전극 탭)이 형성된 전극 조립체;
상기 양극 탭 및 음극 탭과 각각 전기적으로 커플링된 양극 리드 및 음극 리드(전극 리드); 및
상기 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 밀봉하는 전지 포장재;를 포함하고,
상기 전극 탭과 상기 전극 리드 사이에 형성된 2개의 전기적 커플링 부위 중 적어도 하나는, 상기 전극 탭과 상기 전극 리드가 간극을 두고 이격된 상태로 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지에 의해 접합된 과전류 차단 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 과전류 차단 구조에 포함된 전극 탭과 전극 리드는 동일 평면 상에 위치하고, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 전극 탭과 전극 리드의 상부 또는 하부 표면에 접합된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 간극은 1mm 이하의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 간극은 직선형의 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 주석 함량은 80 ~ 98중량%이고, 구리의 함량은 2 ~ 20중량%임을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제5항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 니켈, 아연, 및 은 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제6항에 있어서,
상기 추가 금속의 함량은 0.01~10중량%임을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 간극을 피복하는 절연 테이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드의 끝단 사이에 직접적으로 개재되어 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드와 접합된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드의 끝단부가 상하로 배치될 때 형성되는 공간에서 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드와 접합된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 라인 용접을 통해 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드와 접합된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제11항에 있어서,
상기 간극에 면한 상기 전극 탭 및 상기 전극 리드의 표면에 라인 용접 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 제11항에 있어서,
상기 라인 용접은 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 또는 아크 용접임을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지. - 양극 탭과 음극 탭(전극 탭)이 형성된 전극 조립체를 제공하는 단계;
상기 양극 탭 및 상기 음극 탭에 각각 양극 리드 및 음극 리드(전극 리드)를 전기적으로 커플링시키는 단계로서, 양극 측과 음극 측의 전기적 커플링 부위 중 적어도 하나에, 상기 전극 탭과 상기 전극 리드가 간극을 두고 이격된 상태로 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지에 의해 접합된 과전류 차단 구조를 형성하는 단계; 및
상기 양극 리드 및 음극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 전해질과 함께 전지 포장재 내에 밀봉하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지의 제조 방법. - 제14항에 있어서,
상기 간극을 절연테이프로 피복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지 제조 방법. - 제14항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지의 접합은 라인 용접에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지 제조 방법. - 제16항에 있어서,
상기 라인 용접은 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 또는 아크 용접임을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지 제조 방법.
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| KR1020110107134A KR20130042954A (ko) | 2011-10-19 | 2011-10-19 | 안전성이 향상된 이차전지 및 그 제조 방법 |
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2011
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