JP2022551854A - 二次電池およびそれを含むデバイス - Google Patents

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Abstract

本発明の一実施形態による二次電池は、正極シート、負極シートおよび分離膜を含むジェリーロール構造の電極組立体;前記電極組立体が内蔵された円筒形ケース;および前記電極組立体の外周面と前記円筒形ケースの内壁の間に位置する螺旋状の板ばね(Flat spiral spring)を含む。

Description

[関連出願との相互引用]
本出願は2019年12月12日付韓国特許出願第10-2019-0165769号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は二次電池およびそれを含むデバイスに関し、より具体的にはジェリーロール構造の電極組立体を含む二次電池およびそれを含むデバイスに関する。
最近、化石燃料の枯渇によるエネルギー源の価格上昇、環境汚染への関心が高まるにつれ、環境に優しい代替エネルギー源に対する要求が未来生活のための必要不可欠な要因になっている。そのため原子力、太陽光、風力、潮力など多様な電力生産技術に対する研究が続いており、このように生産されたエネルギーをより効率的に使用するための電力貯蔵装置についても多大な関心が寄せられている。
特に、モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するにつれ、エネルギー源としての電池の需要が急激に増加しており、それにより多様な要求に応える電池に対する多くの研究が行われている。
代表的に高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの長所を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池に対する需要が高い。
また、二次電池は電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒形または角形の金属缶に内蔵されている円筒形電池および角形電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池に分類される。
また、二次電池は正極、負極、および正極と負極の間に介在する分離膜が積層された構造の電極組立体がどのような構造からなっているかどうかによって分類されることもある。
代表的には、長いシート型の正極と負極を分離膜が介在した状態で巻き取る構造のジェリーロール(Jelly Roll、巻き取り型)電極組立体、所定の大きさの単位で切り取った多数の正極と負極を分離膜を介在した状態で順次積層したスタック型(積層型)電極組立体などが挙げられる。
最近では、前記ジェリーロール型電極組立体およびスタック型電極組立体が有する問題を解決するために、前記ジェリーロール型とスタック型の混合形態として、所定単位の正極と負極を分離膜を介在した状態で積層した単位セルを分離フィルム上に位置させた状態で順次巻き取る構造のスタック/フォールディング型電極組立体が開発された。
一方、リチウム二次電池の場合、繰り返し的な充放電過程で電極が厚くなって電極組立体の体積が膨張する「スウェリング現象」が発生し得る。このようなスウェリング現象が深化する場合、二次電池の性能が低下するだけでなく、その外形を変化させて構造的安定性に悪影響を与える恐れがある。
特に、純粋なリチウム金属を負極として使用したリチウム二次電池の場合、充電メカニズムが一般グラファイト(Graphite)負極とは異なり、負極の厚さ膨張が二次電池のスウェリング現象につながって深刻な問題を招く。
グラファイト負極では正極から移動したリチウムが層状構造であるグラファイトに挿入されるインターカレーション(intercalation)が発生するか、リチウム金属負極は正極で蒸着(deposition)される負極がそのまま積層されて二次電池の厚さ変化がより深刻である。
例えば、正極ローディング4.0mAh/cmを適用する場合、両面を基準として20μmのリチウム金属負極が10μmだけ増え、Cu集電体を使用する場合、50μmのリチウム金属負極が90μmまで増える。特に、リチウム金属負極は多孔性(porous)であることとリチウムのデンドライト(Dendritic)成長が発生することを考慮すると、二次電池の厚さ変化はより深刻である。
したがって、充放電時発生する体積膨張を効果的に制御できる二次電池に対する開発が必要である。
本発明の実施形態は従来に提案された方法の前記のような問題を解決するために提案されたものであって、充放電時発生する体積膨張を効果的に制御できる二次電池およびそれを含むデバイスの提供をその目的とする。
ただし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず本発明に囲まれた技術的思想の範囲で多様に拡張できる。
本発明の一実施形態による二次電池は、正極シート、負極シートおよび分離膜を含むジェリーロール構造の電極組立体;前記電極組立体が内蔵された円筒形ケース;および前記電極組立体の外周面と前記円筒形ケースの内壁の間に位置する螺旋状の板ばね(Flat spiral spring)を含む。
前記螺旋状の板ばねは、一端部が前記電極組立体と接触し、他端部が前記円筒形ケースの内壁と接触し、前記電極組立体を1回以上囲み得る。
前記正極シートに付着した正極タブが前記電極組立体から上向に延長し、前記負極シートに付着した負極タブが前記電極組立体から下向に延長し得る。
前記螺旋状の板ばねの前記一端部が前記正極タブおよび前記負極タブの少なくとも一つと前記電極組立体の半径方向が一致し得る。
前記他端部から前記一端部に行くほど前記螺旋状の板ばねの厚さが増加し得る。
前記螺旋状の板ばねは、前記電極組立体の高さ方向に対して前記電極組立体の両端部にそれぞれ位置した第1および第2螺旋状の板ばねを含み得る。
前記螺旋状の板ばねは、前記第1螺旋状の板ばねと第2螺旋状の板ばねの間に位置する第3螺旋状の板ばねを含み得る。
前記第1および第2螺旋状の板ばねは前記第3螺旋状の板ばねよりばね定数が大きいか前記電極組立体を囲む回数が大きくてもよい。
前記正極シートに付着した正極タブが前記電極組立体から上向に延長し、前記負極シートに付着した負極タブが前記電極組立体から下向に延長し得る。
前記第1および第2螺旋状の板ばねは前記電極組立体の外周面の前記正極タブと前記負極タブが付着した部分と対応する部分をそれぞれ囲み得る。
前記負極シート上に負極活物質が塗布され、前記負極活物質はLi、Si、SiOおよびSnの少なくとも一つを含み得る。
本発明の実施形態によれば、ジェリーロール構造の電極組立体と円筒形ケースの間に螺旋状の板ばね(Flat spiral spring)を配置し、前記電極組立体の位置を安定的に固定させるだけでなく充放電時発生する前記電極組立体の体積膨張を抑制して可逆的な充放電を可能にすることができる。
本発明の一実施形態による電極組立体の分解斜視図である。 図1の電極組立体が巻き取られた後螺旋状の板ばねに囲まれた様子を示す斜視図である。 図2の電極組立体および螺旋状の板ばねを含む二次電池の断面斜視図である。 図3のA-A'を示す水平断面模式図である。 電極組立体が第1から第3螺旋状の板ばねに囲まれた様子を示す斜視図である。
以下、添付する図面を図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は様々な異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素に対しては同じ参照符号を付ける。
また、図面に示す各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜上任意に示したので、本発明は必ずしも示されたところに限定されない。図面で複数の層および領域を明確に表現するために厚さを誇張して示した。そして図面で、説明の便宜上一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分「上に」または「の上に」あるという時、これは他の部分の「すぐ上に」ある場合だけでなくその中間にまた他の部分がある場合も含む。逆にある部分が他の部分の「すぐ上に」あるという時には中間に他の部分が存在しないことを意味する。また、基準になる部分「上に」または「の上に」あるというのは基準になる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の逆方向に向かって「の上に」または「上に」位置することを意味するものではない。
また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
また、明細書全体で、「平面上」という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。
図1は本発明の一実施形態による電極組立体100の分解斜視図であり、図2は図1の電極組立体100が巻き取られた後螺旋状の板ばね500に囲まれた様子を示す斜視図であり、図3は図2の電極組立体100および螺旋状の板ばね500を含む二次電池10の断面斜視図である。
図1から図3を参照すると、本発明の一実施形態による二次電池10は正極シート200、負極シート300および分離膜400を含むジェリーロール構造の電極組立体100、電極組立体100が内蔵された円筒形ケース600および電極組立体100の外周面101と円筒形ケース600の内壁の間に位置する螺旋状の板ばね(Flat spiral spring、500)を含む。
ジェリーロール構造の電極組立体100は正極シート200、負極シート300および分離膜400が共に巻き取りされて形成され、分離膜400は正極シート200と負極シート300の間に介在する。さらに、ジェリーロール形態で巻き取られたとき、正極シート200と負極シート300が互いに接することを防止するために、負極シート300の下に分離膜400がさらに配置されることができる。
正極シート200上には正極活物質が塗布されて正極活物質層220が形成され、正極活物質層220が形成されていない正極無地部230に正極タブ210が溶接などの方法によって接合される。
同様に、負極シート300上には負極活物質が塗布されて負極活物質層320が形成され、負極活物質層320が形成されていない負極無地部330に負極タブ310が溶接などの方法によって接合される。
この際、図1では正極無地部230と負極無地部330がそれぞれ正極シート200と負極シート300の一端部に形成されているが、これは一つの例示であり、正極シート200と負極シート300の一端部から離隔して中間に形成されてもよい。
一方、図1に示すように、正極タブ210と負極タブ310の延長方向は互いに反対になることが好ましい。そのため、電極組立体100が巻き取られたとき、図2に示すように、正極タブ210は電極組立体100から上向に延長(Z軸方向)され、負極タブ310は電極組立体100から下向に延長(z軸逆方向)される。
図4は図3のA-A'を示す水平断面模式図である。
図4を図1から図3と共に参照すると、電極組立体100の外周面101と円筒形ケース600の内壁の間に位置する螺旋状の板ばね500は、一端部501が電極組立体100と接触し、他端部502が円筒形ケース600の内壁と接触する。
また、このような螺旋状の板ばね500は電極組立体100に対する効果的な加圧のために電極組立体100を1回以上囲む。
上述したように、二次電池10の繰り返し的な充放電過程で電極組立体100の体積が膨張するスウェリング現象が発生し得る。このようなスウェリング現象が深化する場合、二次電池10の性能が低下するだけでなく、その外形を変化させて構造的安定性に悪影響を与え得る。
そこで、本実施形態によれば、電極組立体100の外周面101と円筒形ケース600の内壁の間に位置する螺旋状の板ばね500が電極組立体100を円筒形ケース600の内部に安定的に固定させるだけでなく電極組立体100の体積膨張を効果的に抑制することができる。
電極組立体100の体積膨張を抑制できない場合、体積膨張によって正極シート200と負極シート300の間の距離が遠くなり抵抗が上昇し、結局可逆的な放電が行われない。この際、本実施形態による螺旋状の板ばね500は電極組立体100の体積膨張を効果的に抑制できるので、二次電池10の可逆的な充放電を可能にする。
また、螺旋状のばねであるので、電極組立体100の外周面101全体に均一な圧力を印加できる。すなわち、体積膨張の抑制効果を外周面101全体に等しく持っていくことができる。
また、図4では説明のために誇張して示したが、螺旋状の板ばね500が螺旋状に巻かれるばねであるから、円筒形ケース600の内部と円筒形のジェリーロール電極組立体100の間で大きな体積を占めずに配置され得る。すなわち、空間活用度が向上して電池容量向上において利点を有する。
特に、電極組立体100は放電状態であるとき相対的に体積が小さいので、放電状態の電極組立体100の外周面に螺旋状の板ばね500を配置した後、円筒形ケース600に挿入する。
その後充電が行われて電極組立体100が膨張すると、上述したように、螺旋状の板ばね500が電極組立体100の外周面全体に均一に圧力を印加できる。
一方、螺旋状の板ばね500の一端部501が正極タブ210および負極タブ310の少なくとも一つと電極組立体100の半径方向が一致し得る。
ここで半径方向とは、巻き取られた電極組立体100を上から見た時、電極組立体100の中心を基準として半径に該当する方向を意味する。
図4では一端部501と正極タブ210の半径方向が一致した様子のみ示したが、負極タブ310も一端部501と半径方向が一致し得る。
巻き取られた電極組立体100は正極シート200と負極シート300にそれぞれ付着した正極タブ210と負極タブ310によって上から見た時非対称形状をとるしかない。電極組立体100が充放電によって膨張するとき、このような非対称形状がより深化してその形態が歪曲(Distortion)する問題が発生し得る。
したがって、螺旋状の板ばね500の一端部501を正極タブ210および負極タブ310の少なくとも一つと電極組立体100の半径方向が一致するように配置し、形態の歪曲が最も大きく起き得る部分に最も高圧を印加するようにすることができる。これにより体積膨張時正極タブ210や負極タブ310による電極組立体100の形状歪曲を最小化することができる。
さらに、具体的に示していないが、他端部502から一端部501に行くほど螺旋状の板ばね500の厚さが増加し得る。
このように螺旋状の板ばね500に厚さ勾配を形成することによって、正極タブ210や負極タブ310と対応して位置する螺旋状の板ばね500の一端部501がより強い弾性力を印加するように設計できる。これにより体積膨張時正極タブ210や負極タブ310による電極組立体100の形状歪曲を最小化することができる。
一方、図2を再び参照すると、本実施形態による螺旋状の板ばね500は電極組立体100の外周面101全体を囲むことができる。電極組立体100の外周面101の全体に均一な圧力を印加するためである。
図5は、本発明の変形実施形態であって、電極組立体100が第1から第3螺旋状の板ばね510,520,530に囲まれた様子を示す斜視図である。
図5を参照すると、前述したように、正極タブ210は電極組立体100から上向に延長(Z軸方向)し、負極タブ310は電極組立体100から下向に延長(z軸逆方向)する。
本実施形態による螺旋状の板ばね500aは電極組立体100の高さ方向(z軸と平行な方向)に対して電極組立体100の両端部にそれぞれ位置した第1および第2螺旋状の板ばね510,520を含み得る。特に、第1および第2螺旋状の板ばね510,520は電極組立体100の外周面101の正極タブ210と負極タブ310が付着した部分と対応する部分をそれぞれ囲むことができる。
また、螺旋状の板ばね500aは、第1および第2螺旋状の板ばね510,520の間に位置する第3螺旋状の板ばね530を含み得る。
第1から第3螺旋状の板ばね510,520,530に区分されるか、電極組立体100の外周面101の全体に均一な圧力を印加するために、第1から第3螺旋状の板ばね510,520,530が電極組立体100の外周面101全体を囲むことができる。
この時、第1および第2螺旋状の板ばね510,520は第3螺旋状の板ばね530よりばね定数が大きいか前記電極組立体を囲む回数が大きくてもよい。すなわち、第1および第2螺旋状の板ばね510,520により印加される圧力を第3螺旋状の板ばね530により印加される圧力より大きくすることができる。
電極組立体100の高さ方向(z軸と平行な方向)に対して電極組立体100の両端部はそれぞれ正極タブ210と負極タブ310が付着する部分と対応する。前述したように、巻き取られた電極組立体100は正極タブ210と負極タブ310により上から見た時非対称形状をとるしかなく、電極組立体100が充放電により膨張するとき、このような非対称形状がより深化してその形状が歪曲する問題が発生し得る。
そのため、第1および第2螺旋状の板ばね510,520のばね定数や囲む回数を第3螺旋状の板ばね530より大きくし、電極組立体100の前記高さ方向のうち形状歪曲が最も大きく起き得る部分により高圧を印加するようにした。
図5では、それぞれ一つの正極タブ210と負極タブ310のみを示したが、これは一つの例示であり、複数の正極タブ210が上向に延長し、複数の負極タブ310が下向に延長し得る。このように正極タブ210と負極タブ310がそれぞれ複数で構成される場合、体積膨張時の形状歪曲がさらに問題になりうるため、本実施形態による第1および第2螺旋状の板ばね510,520がより有効であり得る。
図1を再び参照すると、負極シート300上には負極活物質が塗布されて負極活物質層320が形成されるが、前記負極活物質はLi、Si、SiOおよびSnの少なくとも一つを含み得る。
負極活物質が前記のような物質を含むとき、負極シート300をはじめとする電極組立体100により大きな体積膨張が誘導される。そのため、螺旋状の板ばね500,500aによる本発明での体積膨張抑制効果は負極活物質がLi、Si、SiOおよびSnの少なくとも一つを含むときより目立つ。
前記負極活物質は、より具体的には、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素;LiFe(0≦x≦1)、LiWO(0≦x≦1)、SnMe1-xMe'(Me:Mn,Fe,Pb,Ge;Me':Al,B,P,Si、周期表の1族、2族、3族元素、ハロゲン元素;0<x≦1;1≦y≦3;1≦z≦8)などの金属複合酸化物;リチウム金属;リチウム合金;けい素系合金;スズ系合金;SnO、SnO、PbO、PbO、Pb、Pb、Sb、Sb、Sb、GeO、GeO、Bi、Bi、Biなどの金属酸化物;ポリアセチレンなどの導電性高分子;Li-Co-Ni系材料などを使用できる。
一方、図3を再び参照すると、本発明での二次電池10は電極組立体100を円筒形ケース600に収納し、円筒形ケース600内に電解液を注入した後に、円筒形ケース600の上端にキャップアセンブリ700を結合して製作できる。
この時、円筒形ケース600はクリンピング部610およびビーディング部620を含み得る。
クリンピング部610はビーディング部620の上部に位置してキャップアセンブリ700を囲む部分を指し、キャップアセンブリ700の安定した結合のためのものである。
ビーディング部620は円筒形ケース600の一部が電極組立体100の中心方向に湾入した部分を指し、キャップアセンブリ700の安定した結合および電極組立体100の動き防止のためのものである。
キャップアセンブリ700は正極端子を形成する上端キャップ710、電極組立体100で上向に延長した正極タブ210が接続されるキャッププレート730および気密維持用ガスケット720を含み得る。
ガスケット720はクリンピング部610の内面とビーディング部620の上部内面に取り付けられてキャップアセンブリ700と円筒形ケース600の間の密封力を増大させる。
一方、電極組立体100の上部と下部にそれぞれ上端絶縁部材810と下端絶縁部材820が配置され、電極組立体100がキャップアセンブリ700や円筒形ケース600の底部と接触して通電することを防止できる。
また、具体的に示していないが、電気的絶縁のために電極組立体100の外周面を囲む絶縁フィルムが追加され得、前記絶縁フィルムは電極組立体100の外周面と本発明での螺旋状の板ばね500の間に位置し得る。
電極組立体100の中心部にセンターピン900が挿入される。センターピン900は一般的に所定の強度を付与するために金属素材を含み、板材を丸く曲げた円筒形構造からなっている。このようなセンターピン900は、電極組立体100を固定および支持し、充放電および作動時内部反応によって発生するガスを放出する通路として機能することができる。
前述した本実施形態による一つまたはそれ以上の二次電池は多様なデバイスに適用できる。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用できるが、これに制限されず二次電池を使用できる多様なデバイスに適用できる。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の範囲に属する。
10 二次電池
100 電極組立体
200 正極シート
210 正極タブ
300 負極シート
310 負極タブ
400 分離膜
500 螺旋状の板ばね
600 円筒形ケース

Claims (12)

  1. 正極シート、負極シートおよび分離膜を含むジェリーロール構造の電極組立体;
    前記電極組立体が内蔵された円筒形ケース;および
    前記電極組立体の外周面と前記円筒形ケースの内壁の間に位置する螺旋状の板ばね(Flat spiral spring)を含む、二次電池。
  2. 前記螺旋状の板ばねは、一端部が前記電極組立体と接触し、他端部が前記円筒形ケースの内壁と接触し、前記電極組立体を1回以上囲む、請求項1に記載の二次電池。
  3. 前記正極シートに付着した正極タブが前記電極組立体から上向に延長し、
    前記負極シートに付着した負極タブが前記電極組立体から下向に延長する、請求項2に記載の二次電池。
  4. 前記螺旋状の板ばねの前記一端部が前記正極タブおよび前記負極タブの少なくとも一つと前記電極組立体の半径方向が一致する、請求項3に記載の二次電池。
  5. 前記他端部から前記一端部に行くほど前記螺旋状の板ばねの厚さが増加する、請求項2に記載の二次電池。
  6. 前記螺旋状の板ばねは、前記電極組立体の高さ方向に対して前記電極組立体の両端部にそれぞれ位置した第1および第2螺旋状の板ばねを含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の二次電池。
  7. 前記螺旋状の板ばねは、前記第1螺旋状の板ばねと第2螺旋状の板ばねの間に位置する第3螺旋状の板ばねを含む、請求項6に記載の二次電池。
  8. 前記第1および第2螺旋状の板ばねは前記第3螺旋状の板ばねよりばね定数が大きいか前記電極組立体を囲む回数が大きい、請求項7に記載の二次電池。
  9. 前記正極シートに付着した正極タブが前記電極組立体から上向に延長し、
    前記負極シートに付着した負極タブが前記電極組立体から下向に延長する、請求項8に記載の二次電池。
  10. 前記第1および第2螺旋状の板ばねは前記電極組立体の外周面の前記正極タブと前記負極タブが付着した部分と対応する部分をそれぞれ囲む、請求項9に記載の二次電池。
  11. 前記負極シート上に負極活物質が塗布され、
    前記負極活物質はLi、Si、SiOおよびSnの少なくとも一つを含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の二次電池。
  12. 請求項1から11のいずれか一項による二次電池を一つ以上含む、デバイス。
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