KR100337539B1 - 함몰부를 함유한 면을 포함하는 각형 캔을이용한 리튬 이온 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각형 리튬 이온 전지에 관한 것이다. 특히 각형 캔에 리튬 이온 전지 젤리 롤이 장착되고, 전해액이 주입된 각형 리튬 이온 전지에 관한 것이다.
본 발명은 각형의 리튬 이온 전지에 있어서 젤리 롤을 함몰부(recessed portion)를 함유한 면을 포함하는 각형 캔에 장착되도록 하므로써 전극팽창 및 전지 내부에서의 압력 상승으로 인한 전지의 부피 변화를 억제하게 하여 전지 자체 뿐만 아니라 전지 팩에 안전성을 부여한 전지를 제공한다.
또한 본 발명의 각형 리튬 이온 전지는 계속적인 충방전으로 인한 리튬 이온 전지의 젤리 롤의 팽창 수축으로 젤리 롤이 변형되는 것을 완화시켜서 리튬 금속이 젤리 롤에서 균일하고 안정적으로 흡착 및 탈착되게 하므로써 전지의 싸이클 라이프 특성을 향상시킨다.

Description

함몰부를 함유한 면을 포함하는 각형 캔을 이용한 리튬 이온 전지
[산업상 이용분야]
본 발명은 각형 리튬 이온 전지에 관한 것이다. 특히 각형 캔에 리튬 이온 전지 젤리 롤이 장착되고, 전해액이 주입된 각형 리튬 이온 전지에 관한 것이다.
[종래 기술]
최근에 휴대형 전자기기에 사용되는 전지가 니켈 수소 전지에서 리튬 이온 전지로 바뀌면서 종래의 원통형 리튬 이온전지가 좀 더 작고 얇은 휴대용 전자기기를 위하여 각형으로 바뀌어 가고 있다.
그러나 각형 리튬 이온 전지는 원통형 리튬 이온 전지에 비하여 초기 충방전으로 가스(gas)가 발생하여 전지 내부에 압력이 발생하는 경우 또는 충방전으로 인한 열에 의해 전극이 팽창될 경우 전지를 보호하는 캔(can)의 면이 전지 외부로 밀려서 부푸는 현상이 크게되어 전지의 안전성에 좋지 못한 결과를 주며, 전지 팩 조립후 충방전 싸이클이 진행됨에 따라서 전지 팩 자체 뿐만 아니라 사용되는 전기, 전자 기기에도 훼손을 주는 문제점이 있었다.
따라서 종래의 각형 캔이 충방전에 의한 가스 압력 또는 전극 팽창으로 캔이 부푸는 것을 억제하는 방법이 요구된다.
본 발명은 각형의 리튬 이온 전지에 있어서 내부 전지의 팽창 압력에 견딜 수 있는 캔을 사용하므로서 캔의 면이 부푸는 현상을 억제하여 전극 팽창 및 전지 내부에서의 압력 상승으로 인한 전지의 부피 변화를 억제하므로써 전지 자체 뿐만 아니라 전지 팩에 안전성을 부여한 전지를 제공하는 것이 목적이다.
또한 본 발명은 계속적인 충방전으로 인한 리튬 이온 전지의 젤리 롤(jelly roll)의 팽창 및 수축으로 젤리 롤이 변형되는 것을 완화시켜서 리튬 금속이 젤리 롤에서 균일하고 안정적으로 흡착 및 탈착하게 하므로써 전지의 싸이클 라이프 특성을 향상시키려는 것이 목적이다.
도 1은 비교예의 종래의 각형 캔을 이용한 리튬 이온 전지의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 비교예의 종래의 각형 캔의 정면도이며,
도 3은 도 2의 A-A' 선단면도이고,
도 4는 도 2의 B-B' 선단면도이다.
도 5는 실시예 1의 각형 캔의 정면도이며,
도 6은 도 5의 C-C' 선단면도이고,
도 7은 도 5의 D-D' 선단면도이다.
도 8은 실시예 2의 각형 캔의 정면도이며,
도 9는 도 8의 E-E' 선단면도이고,
도 10은 도 8의 F-F' 선단면도이다.
도 11은 실시예 3의 각형 캔의 정면도이며,
도 12는 도 10의 G-G' 선단면도이고,
도 13은 도 8의 H-H' 선단면도이다.
도 14는 비교예의 종래의 각형 캔을 이용한 리튬 이온 전지와 실시예 1 의 본 발명의 각형 캔을 이용한 리튬 이온 전지의 충방전 싸이클에 따른 방전 용량을 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 각형 캔 뚜껑 2 : 양극 단자 3 : 젤리 롤 4 : 각형 캔
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 발명은 각형의 리튬 이온 전지에 있어서 젤리 롤을 함몰부를 함유한 면을 포함하는 각형 캔에 장착되도록 하므로써 전극 팽창 및 전지 내부에서의 압력 상승으로 인한 전지의 부피 변화를 억제하게 하여 전지 자체 뿐만 아니라 전지 팩의 안전성을 부여한 전지를 제공한다.
상세하게 설명하면 각형의 리튬 이온 전지에 있어서,
a) 리튬 이온 전지의 젤리 롤(jelly roll);
b) 전해액; 및
c) 상기 젤리 롤 및 전해액을 수용하는, 양단부 사이에 함몰부(recessed portion)를 함유한 면을 포함하는 각형 캔
을 포함하는 전지를 제공한다.
상기 c)의 함몰부는 양단부 사이에 하나 이상의 단으로 형성되며, 단의 높이 차는 전지 두께의 0.1∼30 % 이며, 더욱 바람직하게는 전지 두께의 0.5∼10 %이다.
상기 c)의 각형 캔은 도 5∼13에서 나타낸 것과 같이 금속판을 줄무늬형(stripe shape), 원형(round shape), 각형(square shape) 또는 요철(uneven shape)형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태로 압축 또는 절곡 가공하여 양단부 사이에 함몰부를 함유한 면을 포함하는 각형 캔으로 제조할 수 있다.
상기 각형 캔 금속 면의 형태는 줄무늬형, 원형, 각형 또는 요철의 형태로만 특정될 필요는 없고, 전지 내부에서 발생되는 압력과 젤리 롤의 부피 팽창에 견딜 수 있는 형태이면 가능하다.
상기 c)의 각형 캔의 재질이 스텐레스강, 니켈도금강, 알루미늄 합금강으로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
종래의 각형 캔은 그 재질이 알루미늄 합급강, 스텐레스강, 니켈도금강과 같이 얇은 금속판을 사용하므로 전지의 부피 팽창으로 인해 발생되는 수직 방향의 힘을 캔의 평평한 면이 지탱하지 못하고 면이 휘게되는 것에 비하여 본 발명의 금속 면을 변형시켜서 제조되는 함몰부를 함유한 면을 포함하는 각형 캔은 캔을 형성하는 금속 면이 내부 전지 방향으로 하나 이상의 단이 형성된 것이고 그 단은 내부 전지의 부피 팽창에 의한 외부를 향한 수직 방향의 힘에 견디어 변형되지 않으며, 장착되어 있는 전지의 부피 팽창도 억제시킬 수 있는 것이다.
또한 본 발명의 함몰부를 함유한 면을 포함하는 각형 캔을 사용하므로써 전지 최외각의 알루미늄 호일을 포함하는 젤리 롤이 보다 견고하게 캔에 장착되며, 그 결과 캔과의 접촉이 증대되므로 전지 전도도가 향상되어 전지의 임피던스 값을 줄여 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 함몰부를 함유한 면을 포함하는 각형 캔은 계속적인 충방전으로 인한 리튬 이온 전지 전극의 팽창 수축으로 젤리 롤이 변형되는 것을 완화시켜서 리튬 금속이 젤리 롤에서 균일하고 안정적으로 흡착 및 탈착하게 하므로써 전지의 싸이클 라이프 특성을 향상시키게 된다.
본 발명은 이하의 실시예 및 비교예에 의하여 더욱 구체적으로 설명하며, 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 본 발명이 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
비교예
도 2에서와 같이 변형되지 않은 평평한 면의 알루미늄 금속판으로 제작된 폭 34 mm, 높이 48 mm, 두께 10 mm의 각형 캔에 리튬 코발트 옥사이드를 활물질로 사용한 양극, 카본을 활물질로 사용한 음극 및 올레핀계 전해막으로 분리하여 제조된 젤리 롤을 삽입하고, 에틸렌카보네이트(EC), 디에틸렌카보네이트(DEC) 및 리튬염(LiPF6)의 혼합 전해액을 주입한후, 캔 뚜껑을 덮고 가장자리의 캔과 뚜껑 이음새를 레이저 용접하여 각형 리튬 이온 전지를 제조하였다.
상기 각형 리튬 이온 전지 3 개를 충방전 시험기로 충방전 조건을 1/2C로 하여 각각 1 회, 50 회, 100 회, 150 회 충반전을 하고, 전지 외관 치수를 측정하여 표 1에 기재하고, 임피던스를 측정하여 싸이클에 따른 방전 용량을 도 6에 나타내었다.
또한 충방전 시험후 전지의 안전성을 확인하기 위하여 UL-1642 규격에 따르는 충격시험을 하였다.
충격시험은 높이 60 cm 위치에서 무게 9 kg의 중량물을 전지의 가운데에 낙하시키므로써 충격을 가하여 내부단락이 발생하도록 하였다.
그 결과 전지의 가스 벤트(vent)가 작동되는 시간은 1 분 이내이었다.
실시예 1
도 3에서와 같이 0.1 mm, 0.1 mm, 0.05 mm 의 깊이로 3 단계 압축 가공하여 변형시킨 알루미늄 금속판으로 제조된 함몰부를 함유한 면을 포함하는 폭 34 mm, 높이 48 mm, 두께 10 mm의 각형 캔에 비교예에서와 같은 젤리 롤을 삽입하고, 전해액을 주입한후 캔 뚜껑을 덮고 가장자리의 캔과 뚜껑 이음새를 레이저 용접하여 각형 리튬 이온 전지를 제조하였다.
비교예에서와 같이 제조된 각형 리튬 이온 전지 3 개를 충방전 시험하고, 전지 외관 치수를 측정하여 표 1에 기재하고, 임피던스를 측정하여 싸이클에 따른 방전 용량을 도 6에 나타내었다.
외관 치수는 일반 캔을 사용한 비교예의 각형 리튬 이온 전지에 비하여 외관 치수 변화가 낮았으며, 이는 싸이클이 더 진행되어도 동일한 양상을 나타내었다.
임피던스 측정 결과는 변형이 안된 일반 캔을 사용한 비교예의 각형 리튬 이온 전지에 비하여 전지 저항이 낮아서 전기 전도도가 우수함을 알 수 있었다.
또한 싸이클에 따른 방전 용량은 도 6 과 같이 일반 캔을 사용한 비교예의 각형 리튬 이온 전지에 비하여 용량 감소가 더 적음을 알 수 있었다.
또한 비교예와 같은 충격시험 결과 가스 벤트 작동 시간이 1 분 이상 지연되거나 작동되지 않는 것으로 나타났으며, 이는 외부 충격에 의한 내부단락으로부터 발생되는 가스 발생량이 비교예의 일반 각형 캔을 사용한 전지에 비하여 크게 감소함을 알 수 있었다.
구 분 비 교 예 실 시 예 1
전지1 전지2 전지3 전지1 전지2 전지3
치수변형율(%) 충전상태 1 회 7.2 6.9 7.1 4.3 4.5 4.2
50 회 7.3 6.8 7.1 4.4 4.3 4.1
100 회 7.0 6.5 6.7 4.2 4.3 4.1
150 회 6.8 6.4 6.5 4.0 4.1 4.0
방전상태 1 회 3.6 3.3 3.4 2.0 2.1 2.0
50 회 3.6 3.3 3.2 1.9 2.1 2.0
100 회 3.7 3.4 3.1 1.9 1.9 2.0
150 회 3.7 3.2 3.1 1.8 1.8 1.9
실시예 2
도 4에서와 같이 0.3 mm 깊이의 요철 형태로 압축 가공하여 변형시킨 알루미늄 금속판으로 제조된 함몰부를 함유한 면을 포함하는 폭 34 mm, 높이 48 mm, 두께 10 mm의 각형 캔에 비교예에서와 같은 젤리 롤을 삽입하고, 전해액을 주입한후 캔 뚜껑을 덮고 가장자리의 캔과 뚜껑 이음새를 레이저 용접하여 각형 리튬 이온 전지를 제조하였다.
비교예에서와 같이 제조된 각형 리튬 이온 전지를 충방전 시험하고, 전지 외관 치수를 측정한 결과 일반 캔을 사용한 비교예의 각형 리튬 이온 전지에 비하여 실시예 1과 같이 외관 치수 변화가 낮았으며, 이는 싸이클이 더 진행되어도 동일한 양상을 나타내었다.
임피던스 측정 결과는 일반 각형 캔을 사용한 비교예의 각형 리튬 이온 전지에 비하여 전지 저항이 낮아서 전기 전도도가 우수함을 알 수 있었다.
또한 비교예와 같은 충격시험 결과 가스 벤트 작동 시간이 1 분 이상 지연되거나 작동되지 않는 것으로 나타났으며, 이는 외부 충격에 의한 내부단락으로부터 발생되는 가스 발생량이 비교예의 일반 각형 캔을 사용한 전지에 비하여 크게 감소함을 알 수 있었다.
실시예 3
도 5에서와 같이 0.3 mm 깊이의 줄무늬(stripe) 형태로 절곡 가공하여 변형시킨 알루미늄 금속판으로 제조된 함몰부를 함유한 면을 포함하는 폭 34 mm, 높이 48 mm, 두께 10 mm의 각형 캔에 비교예에서와 같은 젤리 롤을 삽입하고, 전해액을 주입한후 캔 뚜껑을 덮고 가장자리의 캔과 뚜껑 이음새를 레이저 용접하여 각형 리튬 이온 전지를 제조하였다.
비교예에서와 같이 제조된 각형 리튬 이온 전지를 충방전 시험하고, 전지 외관 치수를 측정한 결과 일반 각형 캔을 사용한 비교예의 각형 리튬 이온 전지에 비하여 실시예 1과 같이 외관 치수 변화가 낮았으며, 이는 싸이클이 더 진행되어도 동일한 양상을 나타내었다.
임피던스 측정 결과는 일반 각형 캔을 사용한 비교예의 각형 리튬 이온 전지에 비하여 전지 저항이 낮아서 전기 전도도가 우수함을 알 수 있었다.
또한 비교예와 같은 충격시험 결과 가스 벤트 작동 시간이 1 분 이상 지연되거나 작동되지 않는 것으로 나타났으며, 이는 외부 충격에 의한 내부단락으로부터 발생되는 가스 발생량이 비교예의 일반 각형 캔을 사용한 전지에 비하여 크게 감소함을 알 수 있었다.
본 발명의 각형 리튬 이온 전지는 함몰부를 함유한 면을 포함하는 각형 캔에 젤리 롤이 장착되어 있어서 전지 내부의 내압 및 전극 팽창으로 인한 전지의 부피 변화를 억제하게 하여 전지 자체 뿐만 아니라 전지 팩의 안전성을 부여한다.
또한 본 발명의 각형 리튬 이온 전지는 계속적인 충방전으로 인한 리튬 이온 전지의 젤리 롤의 팽창 수축으로 젤리 롤이 변형되는 것을 완화시켜서 리튬 금속이 젤리 롤에서 균일하고 안정적으로 흡착 및 탈착되게 하므로써 전지의 싸이클 라이프 특성을 향상시킨다.

Claims (5)

  1. 각형의 리튬 이온 전지에 있어서,
    a) 리튬 이온 전지의 젤리 롤(jelly roll);
    b) 전해액; 및
    c) 상기 젤리 롤 및 전해액을 수용하는, 양단부 사이에 하나 이상의 함몰부(recessed portion)를 함유한 면을 포함하는 각형 캔
    을 포함하는 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 c)의 함몰부는 양단부 사이에 하나 이상의 단으로 형성되며, 단의 높이 차는 전지 두께의 0.1∼30 %인 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단의 높이 차가 전지 두께의 0.5∼10 %인 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 c)의 각형 캔이 금속판을 줄무늬형(stripe shape), 원형(round shape), 각형(square shape) 또는 요철(uneven shape)형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태로 압축 또는 절곡 가공하여 양단부 사이에 함몰부를 함유한 면을 포함하여 제조되는 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 c)의 각형 캔의 재질이 스텐레스강, 니켈도금강, 알루미늄 합금강으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 전지.
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