KR100303828B1 - 이차전지 - Google Patents

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Abstract

목적 : 전지의 경량화를 도모하고, 외부의 충격에도 전극롤의 형태를 유지할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이 목적이다.
구성 : 양극 기재에 양극 활물질이 도포된 양극과, 세퍼레이터 및 음극 기재에 음극 활물질이 도포된 음극을 함께 권취한 전극롤(20)의 상하부 적어도 어느 한 쪽에 캡(24)(26)이 설치되고, 상기 캡(24)(26)이 설치되는 전극롤(20)과 전해액을 함께 케이스(36)의 내부에 수납하며, 상기 양극과 음극에 각각 리드(38)(40)를 부착하여 케이스(36)의 외부로 인출하고 상기 케이스(36)의 개구를 밀봉하는 구조로 이루어진다.
효과 : 전극롤의 형태를 유지함과 동시에 이차전지의 경량화를 추구할 수 있게 된다.

Description

이차전지
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 특히 외부로부터 전지로 가해지는 충격 등에 대한 전극롤의 형태를 유지하고, 전극롤이 수납되는 케이스의 종류를 다양하게 선택할 수 있는 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 전해물질에 담겨지는 양극과 음극 사이를 이동하는 이온의 물리화학적 반응을 이용한 전지로써 반복되는 충전과 방전이 가능하여 최근들어 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지 중에서 각형으로 제조된 전지의 구조를 도 5에 나타내고 있다.
즉, 양극과 세퍼레이터 및 음극이 함께 권취된 전극롤(2)이 프레싱되어 각형 캔(4)의 내부에 수납되고, 그 캔(4)의 상부에 안전장치를 포함한 캡 어셈블리(6)가 설치되어서 용접에 의해 밀봉되며, 캡 어셈블리(6)의 음극 플레이트(8)에 형성된 전해액 주입구(10)를 통해 캔(4)의 내부로 전해액을 주입한 후 탭(12)으로 주입구(10)를 막는 구조로 이루어진다.
여기서, 캔(4)의 내부로 수납되는 전극롤(2)은 충방전시 팽창과 수축을 반복하게 됨으로, 전극롤(2)의 팽창에 따른 압력을 견딜 수 있는 캔(4)을 사용하고 있다. 특히, 캔(4)을 알루미늄으로 제작한 경우에는 그 두께를 0.6mm정도로 하여 전극롤(2)의 팽창에 대응하고 있다.
그러나, 상기와 같은 두께로 제조되는 캔(4)으로 인해 이차전지의 전체 무게가 증가하여 소량 경량화되고 있는 제품의 추세를 따라가지 못하는 문제점이 있다.
또한, 전극롤(2)이 캔(4)의 내부로 수납되기는 하나 외부로부터 전지에 가해지는 충격은 전극롤(2)로 그대로 전달되어 형태가 변형됨으로써 전지 불량의 원인이 되곤 한다.
상술한 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 안출된 본 발명은 전지의 경량화를 도모하고, 외부의 충격에도 전극롤의 형태를 유지할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이 목적이다.
이를 위하여, 양극 기재에 양극 활물질이 도포된 양극과, 세퍼레이터 및 음극 기재에 음극 활물질이 도포된 음극을 함께 권취한 전극롤의 상하부 적어도 어느 한 쪽에 캡이 설치되고, 상기 캡이 설치되는 전극롤과 전해액을 함께 케이스의 내부에 수납하며, 상기 양극과 음극에 각각 리드를 부착하여 케이스의 외부로 인출하고 상기 케이스의 개구를 밀봉하는 구조로 이루어진다.
특히, 상기 양극 활물질은 LiCoO₂ , LiNiO₂ 및 LiMn₂O₄ 이 적어도 1종 이상 함유될 수 있다.
그리고, 상기 음극 활물질은 적어도 탄소가 함유될 수 있는 것이다.
또한, 상기 캡에는 적어도 하나 이상의 관통구가 형성될 수 있다.
아울러, 상기 캡의 재질은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐리덴 플로라이드, 테프론, 스텐인레스, 철 및 알루미늄 중에서 하나인 것을 사용할 수 있는 것이다.
한편, 상기 캡이 상기 전극롤의 양단에 설치될 경우에는 상호 접착용 테이프로 연결되어 고정될 수 있다.
상기 케이스는 각형 혹은 원형인 캔으로 제작할 수 있으며, 그 재질은 철 혹은 열가소성 수지인 고분자 재료로써 유리전이온도는 150℃이상이고 녹는점은 200℃이상인 것을 사용할 수 있다.
이러한, 캔의 두께는 0.1 내지 0.5 밀리미터로 제작이 가능하다.
또한, 상기 케이스는 고분자로 제작된 파우찌인 것을 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 전극롤을 도시한 분리사시도.
도 2는 본 발명에 따른 전극롤이 수납되는 이차전지를 도시한 정단면도.
도 3는 본 발명에 따른 이차전지를 도시한 분리사시도.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예를 도시한 분리사시도.
도 5는 종래 공지된 각형 이차전지의 구조를 도시한 정단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
20 : 전극롤 22, 32 : 접착용 테이프
24, 26 : 캡 28 : 관통구
36 : 파우찌 38, 40 : 리드
이하 본 발명에 관련된 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 관련된 전극롤을 도시한 분리사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전극롤이 수납되는 이차전지를 도시한 정단면도이다.
도면 부호 20인 전극롤은 양극 기재에 양극 활물질을 도포한 양극과, 음극 기재에 음극 활물질을 도포한 음극 및 세퍼레이터를 함께 권취하여 얻어지며, 이 때 권취를 위하여 도시 생략된 멘드렐로 전극과 세퍼레이터의 일단을 잡은 상태에서 말게 되고, 이 상태로 외측면에 압력을 가하여 횡단면의 모양이 대략 타원형이 되도록 한 후 전극롤의 바깥쪽 세퍼레이터 타단을 접착용 테이프(22)로 전극롤(20)의 몸체에 부착하여 일체화시킨다.
이렇게 제조되는 각형 이차전지용 전극롤(20)은 프레싱을 하지 않을 경우 원통형 이차전지에 사용할 수 있다.
특히, 리튬이온 이차전지의 경우에 상기 양극 활물질은 LiCoO₂ , LiNiO₂ 및 LiMn₂O₄ 이 적어도 1종 이상 함유된 것을 사용하고, 음극 활물질은 탄소가 함유된 것을 사용한다.
이러한 전극롤(20)은 원통형이건 타원형 어느 것이든지, 전지의 충방전시 부피가 늘거나 원상태로 복귀하는 팽창과 수축 과정이 반복하여 이루어지므로 권취된 초기 형태를 유지해야 하는바, 종래에는 부피 팽창에 따른 압력을 견딜 수 있는 캔의 두께를 감안하여 전지를 제조하였으나, 앞에서도 문제점으로 밝혔듯이 금속으로 제조된 캔은 경량화되어가는 제품사양에 위배됨으로 본 발명은 전극롤의 형태도 유지함과 동시에 경량화를 추구한 이차전지를 제안한다.
이를 위하여, 전극롤(20)의 상하단에 도면에서 도시한 바와 같은 상부 캡(24)과 하부 캡(26)을 설치하되, 그 재질은 리튬염에 대한 부식성이 없고, 전해액으로 사용되어지는 유기용매에 대한 반응성을 배제하여 안전성을 보장할 수 있는 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면, 폴리 프로필렌, 폴리 에틸렌, 테프론, 알루미늄, 스테인레스, 니켈 도금된 철 및 니켈 중에서 어떤 것을 사용하여도 무관하다.
특히, 본 발명의 상부 캡(24)과 하부 캡(26)은 전지의 충방전시 전극롤의 부피 팽창에 대한 밀도를 감소시키기 위해서는 니켈이 첨가된 금속 프레스 성형물이 사용되고, 중량밀도를 감소시키기 위해서는 폴리머로 제조된 캡(24)(26)이 사용되는 것이다.
상기 상부 캡(24)과 하부 캡(26)은 원통형 혹은 타원형의 전극롤(20)에 대응되어 성형되어지되, 공히 평탄부(24a)(26a)와 밴드부(24b)(26b)로 구성되어 평탄부(24a)(26a)는 전극롤(20)의 상하단면에 밴드부(24b)(26b)는 전극롤(20)의 상하단부 측면 가장자리에 대응됨으로써 전극롤(20)이 풀리는 것을 방지하고 전체적인 형상이 유지되도록 한다.
여기서, 상기 상부 캡(24)과 하부 캡(26)의 각 평판부(24a)(26a)에는 적어도 하나 이상의 관통구(28)가 형성되어져 전극롤(20)의 내부로 전해액이 함침되는 시간을 단축시킬 수 있고, 전극 롤(20)의 중심부 양극에 부착되는 양극 리드(30)가 관통될 수 있도록 한다.
그리고, 상기 상부 캡(24)과 하부 캡(26)이 전극롤(20)의 양단에 설치될 경우에는 상호 접착용 테이프(32)로 접착되어져 상기 두 캡(24)(26)이 서로 지지할 수 있도록 하는 것이다.
이와 같이 두 캡(24)(26)이 설치되는 전극롤(20)은 다양한 형태의 케이스에 수납되는데, 예를 들면 도 2에 도시한 바와 같이 종래에 사용되었던 각형 캔(34)에 삽입될 수 있고, 이 경우에는 종래에 비해 얇은 두께, 즉 0.6mm이하의 두께를 가지는 금속 재질의 캔(34)을 사용함으로써 경량화를 추구할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 상술한 경량화를 실현할 목적으로 금속 재질보다 가벼운 폴리머 재질의 파우찌(pouch;36)가 사용되는 이차전지를 제안하는 바, 도 3에서는 횡단면 모양이 타원형인 전극롤이 수납되는 이차전지를 나타내고, 도 4는 원통형 전극롤이 수납되는 이차전지를 도시하고 있다. 이 두 실시예는 형태만 상이하고 동일한 구조를 이루어지므로 설명의 용이성을 위해 동일한 부호를 사용한다.
여기서 사용되는 전극롤(20)에도 상부 캡(24)과 하부 캡(26)이 결합되어지며, 두 캡(24)(26)은 모두 평탄부(24a)(26a)와 밴드부(24b)(26b)로 구성되고 평탄부(24a)(26a)에는 전해액의 함침을 위한 관통구(28)가 형성된다. 또, 두 캡(24)(26)은 접착용 테이프(32)에 의해 상호 연결되어져 고정 가능하도록 하는 것이다.
이러한 전극롤(20)이 상기 파우찌(36)에 삽입될 때, 전극롤(20)의 양극과 음극에 접속되는 양극 리드(38) 및 음극 리드는(40) 전극롤(20)의 상방이나 하방 어느 일측 방향으로 함께 인출되어 상술한 바와 있는 상부 캡(24)의 관통구(28)를 통과한 상태로 파우찌(36)에 수납되고, 이어서 파우찌(36)의 개구가 밀봉됨으로써 이차전지를 구성하게 되는 것이다.
또 다른 실시예로써, 상술한 바와 같은 캡을 사용하지 않고서도 경량화된 이차전지를 제공하기 위해서, 상기 원통형 혹은 타원형 전극롤이 수납되어지는 캔의 재질을 열가소성 수지인 고분자 재료로 원통형이나 각형으로 성형함으로써 경량화된 이차전지의 제조가 가능하다.
이렇게 제조되는 캔은 유리전이온도(glassy transtion temperature)가 150℃이상이고 녹는점은 200℃이상이어서 전극롤의 세퍼레이터가 숏다운되는 온도보다 40~50℃정도 높게 되며, 밀폐성도 용이하여 유리전이온도 이상으로 가열에 의해 캔의 개구를 밀봉하는 것이 가능하다. 특히, 캔의 두께는 0.1~0.5mm로 성형될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 실시예들은 종래의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.
즉, 전극롤의 부피 팽창에 대해 형태를 유지하기 위해서 전극롤의 상하단부에 캡을 설치하고, 캡을 사용함에 따라 케이스의 형태나 두께 및 재질에 구속되지 않음으로써 본 발명에서는 경량화를 추구할 수 있는 폴리머 재질의 파우찌를 사용하였다.
따라서, 전극롤의 형태를 유지함과 동시에 이차전지의 경량화를 추구할 수 있게 된다.

Claims (12)

  1. 양극 기재에 양극 활물질이 도포된 양극과, 세퍼레이터 및 음극 기재에 음극 활물질이 도포된 음극을 함께 권취한 전극롤(20)의 상하부 적어도 어느 한 쪽에 캡(24)(26)이 설치되고, 상기 캡(24)(26)이 설치되는 전극롤(20)과 전해액을 함께 케이스(36)의 내부에 수납하며, 상기 양극과 음극에 각각 리드(38)(40)를 부착하여 케이스(36)의 외부로 인출하고 상기 케이스(36)의 개구를 밀봉하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 LiCoO₂ , LiNiO₂ 및 LiMn₂O₄ 이 적어도 1종 이상 함유된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 활물질은 적어도 탄소가 함유된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 캡(24)(26)에는 적어도 하나 이상의 관통구(28)가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 캡(24)(26)의 재질은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐리덴 플로라이드, 테프론, 스텐인레스, 철 및 알루미늄 중에서 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 캡(24)(26)이 상기 전극롤(20)의 양단에 설치될 경우에는 상호 접착용 테이프로 연결되어 고정되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스(36)는 각형 혹은 원형인 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 케이스(36)는 열가소성 수지인 고분자 재료 혹은 철인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 열가소성 수지의 유리전이온도는 150℃이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 열가소성 수지의 녹는점은 200℃이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 캔의 두께는 0.1 내지 0.5 밀리미터인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스(36)는 파우찌인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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