KR100385351B1 - 박형 광면적의 리튬이온 이차전지 - Google Patents

Abstract

캔과 캡의 밀봉성을 확보함으로써 전해액의 누액을 방지하고 에너지 저장 밀도를 향상시킬 수 있는 박형 광면적의 리튬이온 이차전지에 관하여 개시한다. 본 발명의 박형 광면적의 리튬이온 이차전지는 캔과 캡을 레이저 용접 또는 저항 용접으로 접합하고, 캔과 캡의 접촉면에 가교성 수지를 도포하여 캔과 캡의 밀봉성을 강화시키며, 캔의 형상에 의하여 형성되는 외측의 공간을 활용하여 보호회로함을 설치함으로써 전지의 부피당 에너지 저장 밀도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.

Description

박형 광면적의 리튬이온 이차전지 {Lithium ion secondary battery with slim and wide area}

본 발명은 박형 광면적의 리튬이온 이차전지에 관한 것으로, 특히 넓은 개방부를 갖는 광면적 캔과 캡의 밀봉성을 확보함으로써 전해액의 누액을 방지하고 에너지 저장 밀도를 향상시킬 수 있는 박형 광면적의 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.

휴대전화 및 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 전자기기 시장이 확대되고 다양화됨에 따라 재충전이 가능한 전원공급용 이차전지에 대한 수요도 확대되고 있다. 휴대용 전자기기의 소형화, 경량화, 고성능화 및 다기능화는 전력원으로 사용되는 이차전지에 대한 에너지 저장 밀도의 계속적인 향상을 요구하고 있다.

따라서, 이를 충족하기 위한 다년간의 연구결과, 현재 리튬의 가역적인 삽입, 방출이 가능한 탄소음극과 리튬의 가역적인 삽입, 및 방출이 가능한 양극물질을 채용한 리튬이온 이차전지가 등장하였다. 이러한 리튬이온 이차전지는 기존의 니켈-카드뮴 및 니켈-수소와 같은 수용액계 이차전지보다 단위 무게, 부피당 에너지 밀도 및 충방전 수명이 상대적으로 크기 때문에 휴대용 전자기기의 새로운 에너지원으로써 급속히 기존 전지를 대치하고 있다.

한편, 휴대 전화기 및 개인 휴대 정보 단말기들은 처리 및 표시 정보량의 증가로 인해 디스플레이의 크기가 증가 일로에 있으며, 이와 더불어 통신기능이 첨가되어 에너지 사용량도 급격히 증가하는 추세이다. 따라서, 통상의 6㎜ 이하의 박형 리튬이온 이차전지를 채용하는 경우에는 충분한 구동시간을 얻기 힘든 실정이므로, 두 개 이상의 전지를 연결하거나, 보다 두꺼운 전지를 채용해야 하는 것이 실정이다. 따라서, 보다 얇으면서도 에너지 저장용량이 큰 박형 광면적 전지에 대한 관심이 증가되고 있다.

종래, 통상의 리튬이온 이차전지는 내부에 주입된 전해질의 누액을 방지하는 까다로운 밀봉조건을 만족하기 위하여, 밀봉 면적을 최소화하는 데에 주안점을 두어 개발되었다. 따라서, 전지 케이스로는 개구부가 좁고 깊게 파인 형상의 금속 용기를 사용하고 있다. 그런데 용기 개구부의 면적에 비해 깊게 파인 내부의 표면적이 증가하게 되면 금속판의 연신이 그만큼 크게 이루어져야 한다. 따라서, 용기 모서리에서의 파열 또는 용기 벽체의 변형이 발생하게 되므로 박형의 광면적 전지를 제조하는 데 적합하지 않다.

이와 같은 문제점을 극복하기 위하여, 일본 공개특허 제10172607호, 제11260406호, 제11260414호 및 제11260417호에서는 기존 금속 외장재보다 두께가 얇고 무게가 가벼운 포장재를 사용하고 단순 열융착 방식으로 전지의 사면을 밀봉하는 박형의 광면적 리튬 이차전지를 제조하는 방법을 제안하고 있다. 이 때 사용되는 대표적인 포장재는 박형 알루미늄 라미네이트(Laminate) 포장재인데, 이는 통상 내부에 열융착 밀봉이 가능한 고분자층과 외부물질의 침투성이 낮은 물질층, 그리고 절연성 외피로 이루어져 있다. 이와 같은 포장재는 그 특성상, 기존 금속 외장재에 비해 얇고 가벼우며, 다양한 형상으로 성형하기 쉽다는 장점을 가지고 있어서, 박형 광면적의 전지 외장을 가능하게 하며, 전지의 무게를 낮출 수 있다. 하지만, 이러한 장점이 있음에도 불구하고, 상기의 포장재는 기계적 강도가 떨어진다는 단점을 가지고 있다.

포장재의 기계적 강도가 약해지게 되는 경우에는 기존 금속 외장재에 비해 포장재 내부의 전극 스택 또는 젤리롤에 가하는 기계적 압착력이 약화되게 된다. 이 때, 압착력이 포장재 내부의 전극 스택, 젤리롤, 및 전지 분해 생성물 등에 의하여 발생하는 압력보다 작아지게 되면 전지의 형태가 쉽게 변형되는 문제점이 발생한다. 그리고, 압착력의 약화는 음극과 분리막 그리고 양극의 밀착성을 쉽게 악화시킬 수 있고, 이는 결과적으로 전지의 성능 악화시키게 된다. 따라서, 기존 금속 외장재를 이용하는 리튬이온 이차전지의 우수한 성능을 유지하기 위해서는 전지 조립시 다른 방식으로 전극-분리막 간의 계면 압착을 향상시켜야 한다.

전극-분리막 간의 밀착성을 향상시키기 위하여, 미국 특허 제5,296,318호에서는 이온전도성 젤(gel) 고분자를 음극, 양극 및 분리막에 적용하고 이들을 열융착함으로써 외부의 압착력에 의존하지 않고 자체적인 밀착성을 유지하는 전지를 제안하였다. 이와 같은 타입의 전지를 리튬이온 고분자 전지 또는 약칭하여 고분자 전지라 한다.

그러나, 고분자 전지는 기본적으로 이온 전도성이 낮은 젤 상 고분자 전해질을 전극과 분리막의 이온 전도체로 이용하기 때문에 기존 리튬이온 전지에 비해 충방전 특성 및 저온에서의 전지 성능이 크게 저하되는 문제를 안고 있다. 뿐 만 아니라, 그 화학적 구성에 다소 차이는 있으나 기본적으로 리튬이온 고분자 전지의 전극에는 과량의 비활성 고분자가 사용되고, 이온 전도성 분리막의 낮은 기계적 강도로 인해 분리막의 두께를 증가시켜야 하는 문제점이 있다.

따라서, 이와 같은 고분자 전지는 비록 박형 라미네이트 포장재를 채용한 전지 구조에서 안정된 성능을 발휘하기는 하지만, 박형 포장재가 제시하는 고용량화의 이득을 충분히 활용하는 경우에도 근본적으로 그 부피당 에너지 밀도는 통상의 각형 리튬이온 전지 수준에도 미치지 못하는 실정이다.

한편, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점들을 극복하기 위하여 몰딩 가능한 가교성 수지를 이용하여 금속 캔의 밀봉성을 확보함으로써 전해액의 누액을 방지할수 있는 리튬이온 이차전지를 대한민국 특허출원 제 2000-62491호에 개시하였다. 하지만, 대한민국 특허출원 제 2000-62491호에 개시된 발명의 경우는 전지 면적이 늘어나고 그리고 전지의 두께가 감소함에 따라, 가교성 고분자의 접착력만으로는 전지 전체에 가해지는 기계적 변형 및 내압 상승에 대해 장기적 내구성을 확보하기 어려운 문제점이 있다. 특히, 온도의 상승과 냉각이 반복되는 경우에 밀봉성의 내구력이 불충분하여 몰딩 가능한 가교형 고분자만으로는 박형 광면적 전지의 밀봉은 불충분한 실정이다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 밀봉성을 강화함으로써 기계적 변형 및 내압 상승 뿐 만 아니라 반복되는 가열 및 냉각 공정에서도 전해액의 누액을 방지할 수 있고 에너지 저장 밀도를 향상시킬 수 있는 박형 광면적의 리튬이온 이차전지를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 캔의 사시도;

도 2는 본 발명에 따른 캡의 사시도;

도 3은 도 1에 따른 캔과 도 2에 따른 캡이 조립된 형상을 나타내는 사시도;

도 4는 도 3에 따른 캔과 캡의 조립체에 보호회로함이 설치된 형상을 나타내는 사시도이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 박형 광면적의 리튬이온 이차전지는, 하부와 개방된 상부와 자신의 하부와 상부를 연결하는 측벽으로 각각 독립된 공간을 이루면서 서로 통하는 제1 및 제2 영역을 가지되, 밀폐된 하부를 가지며 전극판 및 전해액이 삽입되는 제1 영역과, 상기 제1 영역의 측벽과 연결되도록 밀폐된 소정영역과 상기 제1 영역이 형성하는 공간과 상기 제2 영역이 형성하는 공간이 서로 통하도록 개방되고 상기 제1 영역의 상부와 연결되는 나머지 소정영역으로 이루어진 하부를 가지며 상기 제1 영역의 횡단면적보다 횡단면적 큰 상기 제2 영역으로 이루어진 캔과; 밀폐된 상부와, 개방되어 있으며 외측으로 돌출된 플랜지를 가지는 하부와, 공간이 형성되도록 자신의 하부와 상부를 연결하는 측벽으로 이루어지되, 상기 캔의 제2 영역의 하부와 상기 플랜지가 접합됨으로써 상기 캔과 함께 용기를 형성하는 캡과; 일단은 상기 전극판과 연결되고 다른 일단은 상기 캔의 외부로 노출되는 전극단자와; 상기 캔의 제2 영역의 하부와 상기 캡의 플랜지의 결합으로 생기는 상기 캡의 측벽과 상기 캔의 제2 공간의 측벽 사이의 간극에 도포되는 고분자 수지를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 캔의 제2 영역의 하부와 상기 캡의 플랜지는 저항 용접 또는 레이저 용접으로 접합되어도 좋다.

나아가, 상기 고분자 수지는 광 또는 열에 의하여 가교되는 열 또는 광 가교성 수지인 것이 바람직하다.

더 나아가, 상기 전극단자와 연결된 회로가 내장되는 보호회로함이 상기 캔의 제1 영역의 측벽의 외측 또는 상기 캔의 제2 영역의 하부의 외측에 더 설치되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 캔의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 캡의 사시도이며, 도 3은 도 1에 따른 캔과 도 2에 따른 캡이 조립된 형상을 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3에 따른 캔과 캡의 조립체에 보호회로함이 설치된 형상을 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 캔(100)은 각각 독립된 공간을 가지되 서로 통하는 제1 영역(110)과 제2 영역(120)으로 이루어진다. 이 때, 제2 영역(120)의 횡단면적은 제1 영역(110)의 횡단면적보다 크다. 제1 영역(110)은 개방된 상부(111)와, 밀폐된 하부(112)와, 공간을 형성하도록 상부(111)와 하부(112)를 연결하는 측벽(113)으로 이루어진다. 그리고, 제2 영역(120)은 하부(122)와, 개방된 상부(121)와, 공간을 형성하도록 상부(121)와 하부(122)를 연결하는 측벽(123)으로 이루어진다. 하지만 제2 영역(120)의 하부(122)는 제1 영역(110)의 하부(112)와는 달리, 소정 영역은 개방되어 제1 영역(110)의 상부(111)와 연결되고, 소정영역은 밀폐되어 제1 영역(110)의 측벽(113)과 연결된다. 따라서, 제1 영역(110)의 상부(111)와 제2 영역(120)의 하부(122)를 통하여 제1 영역(110)과 제 2 영역(120)이 형성하는 내부의 공간은 서로 통하게 된다.

그리고 미도시 되었지만, 캔(100)의 제1 영역(110)에는 전극판 및 전해액이 삽입되고, 캔(100)의 제2 영역(120)에는 후술되는 캡이 위치되어 제2 영역(120)의 하부(122)와 캡이 결합함으로써 밀폐된 용기를 형성한다. 한편 미도시되었지만, 전극판과 일단이 연결되는 전극 단자의 다른 일단은 캔(100)의 외부에 노출되어 있다. 도 1에서 참조부호 A는 캔(100)의 a-a' 선에 따른 단면도이다.

도 2를 참조하면, 캡(200)은 밀폐된 상부(210)와, 외측으로 돌출되며 도 1에 따른 캔(100)의 제2 영역(120)의 하부(122)와 결합될 수 있는 형상의 플랜지(221)를 가지며 개방되어 있는 하부(220)와, 공간이 형성되도록 상부(210)와 하부(220)를 연결하는 측벽(230)으로 이루어진다. 이 때, 캡(200)의 하부(220)의 횡단면적은 도 1에 따른 캔(100)의 제2 영역(120)의 횡단면적보다 크지 않아야되며, 바람직하게는 캡(200)의 하부(220)의 횡단면적이 캔(100)의 제2 영역(120)의 횡단면적과 같아야 한다. 도 2에서 참조부호 B는 캡(200)의 b-b' 선에 따른 단면도이다.

도 3을 참조하면, 도 1에 따른 캔(100)의 제2 영역(120)의 하부(122)의 개방된 영역과 도 2에 따른 캡(200)의 개방된 하부(220)가 맞닿도록 캔(100)과 캡(200)이 조립되어 있다. 이 때, 캔(100)과 캡(200)은 저항 용접 또는 레이저 용접을 사용하여 캔(100)의 제2 영역(120)의 하부(122)의 밀폐된 영역과 캡(200)의 플랜지(221)를 접합함으로써 하나의 용기를 형성한다.

한편, 캔(100)의 제2 영역(120)의 하부(122)와 캡(200)의 플랜지(221) 접합으로 인하여 캔(100)의 제2 영역(120)의 측벽(123)과 캡(200)의 측벽(230) 사이에는 간극이 발생하게 된다. 이 간극에 전해질에 대한 내화학성과 밀봉성이 우수한 에폭시(Epoxy) 계열의 수지 또는 아크릴레이트(Acrylate) 계열의 수지로 이루어진 광 또는 열 가교성 수지(300)가 도포되어 있다. 이것은 캔(100)과 캡(200)의 접합면 사이로 전해액이 누액되는 것을 방지하기 위해서이다. 도 3에서 참조부호 C는 캔(100)과 캡(200)이 결합되었을 경우의 c-c' 선에 따른 단면도이다.

도 4는 도 3과 같이 캔(100)과 캡(200)을 결합시킨 다음, 캔(100)의 외측에 보호회로함(400)을 설치한 형상을 뒤집어서 나타낸 것이다. 도 4에서 참조부호 D는 도 4에서 캔(100)과 캡(200)이 조립되고 보호회로함(400)이 설치된 사시도에서 d-d' 선에 따른 단면도이다.

도 4를 참조하면, 캔(100)의 제1 영역(110)의 측벽(113)의 외측과 제2 영역(120)의 하부(122)의 외측에 의하여 생기는 공간에 전극 단자와 연결되는 보호회로함(400)이 설치되어 있다. 이 때, 보호회로함(400)은 캔(100)의 제1 영역(110)의 측벽(113) 또는 캔(100)의 제2 영역(120)의 하부(122)에 견고하게 설치된다. 이와 같이, 캔(100)의 제1 영역(110)의 측벽(113)의 외측과 제2 영역(120)의 하부(122)의 외측에 의하여 생기는 공간에 보호회로함(400)을 설치함으로써 보호회로가 부착되어 제조되는 전지 소프트 팩의 부피를 줄임과 동시에 전지 소프트 팩 상태로서의 부피당 에너지 저장 밀도가 향상되게 된다.

한편 도 4를 참조하면, 캔(100)의 제2 영역(120)의 하부(122)를 통하여 전해액을 주입하도록 캔(100)의 제2 영역(120)의 하부(122)에는 전해액 주입구(600)가 마련되어 있다. 그리고, 전극판과 일단이 연결되는 전극 단자의 다른 일단(510, 520)은 캔(100)의 제2 영역(120)의 하부(122)의 밀폐된 영역을 관통하여 캔(100)의 제2 영역(120)의 하부(122)의 외벽에 설치되어 있다. 이 때, 전극 단자(510, 520)가 관통한 캔(100)의 제2 영역(120)의 하부(122)의 소정 영역은 전해액이 누액되지 않도록 매우 단단하게 밀봉되어 있고, 전해액 주입구(600) 전해액을 주입한 후에 역시 전해액이 누액되지 않도록 매우 견고하게 밀봉한다.

[실시예 1]

두께 3.9mm, 단직경 53mm, 장직경 83mm의 각형으로 리튬이온 이차전지를 제조하되, 도 3 또는 도 4와 같은 형상을 갖도록 캔의 제2 영역의 하부와 캡의 플랜지를 레이저 용접으로 접합하고, 애폭시 수지를 캔의 제2 영역의 측벽과 캡의 측벽 사이의 간극에 도포하여 밀봉하였다. 이 때, 리튬이온 이차전지의 가역 용량은 2200mAh이었다.

[비교예 1]

실시예 1에 따른 전지와 저항 용접 또는 레이저 용접을 실시하지 아니하고 에폭시 수지 만으로 밀봉한 전지를 각각 4.2 V 충전 상태에서 90℃ 오븐에서 6일간 보관 저장한 후, 다시 -50℃의 냉동박스에서 30분 저장하였다. 그리고, 이 전지를 꺼내어 상온에 도달하게 한 다음, 전지의 중앙부에 구멍을 뚫고 5기압의 공기압을 가한 상태로 1시간 동안 보관하였다. 이와 같은 조건에서 에폭시 수지만으로 밀봉한 동일 규격의 전지는 접합면을 통해 전해질이 소량 흘러나왔으며 전압도 3.97 V로 저하되었으나, 본 발명의 전지는 누액 없이 전압도 4.13V로 유지되었다.

상술한 바와 같은 본 발명의 박형 광면적의 리튬이온 이차전지에 의하면, 캔과 캡의 접촉면을 기계적으로 강하게 접합하고, 전해질에 대한 내 화학성과 밀봉성이 우수한 가교성 수지를 캔과 캡의 접촉면에 도포시켜 밀봉함으로써 전지의 내부에 삽입된 전해액이 누액되는 것을 방지할 수 있다.

또한 캔의 형상에 의하여 형성되는 외측의 공간을 활용하여 보호회로함을 설치함으로써 전지 소프트 팩의 부피당 에너지 저장 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (6)

1. 하부와 개방된 상부와 자신의 하부와 상부를 연결하는 측벽으로 각각 독립된 공간을 이루면서 서로 통하는 제1 및 제2 영역을 가지되, 밀폐된 하부를 가지며 전극판 및 전해액이 삽입되는 제1 영역과, 상기 제1 영역의 측벽과 연결되도록 밀폐된 소정영역과 상기 제1 영역이 형성하는 공간과 상기 제2 영역이 형성하는 공간이 서로 통하도록 개방되고 상기 제1 영역의 상부와 연결되는 나머지 소정영역으로 이루어진 하부를 가지며 상기 제1 영역의 횡단면적보다 횡단면적 큰 상기 제2 영역으로 이루어진 캔과;

   밀폐된 상부와, 개방되어 있으며 외측으로 돌출된 플랜지를 가지는 하부와, 공간이 형성되도록 자신의 하부와 상부를 연결하는 측벽으로 이루어지되, 상기 캔의 제2 영역의 하부와 상기 플랜지가 접합됨으로써 상기 캔과 함께 용기를 형성하는 캡과;

   일단은 상기 전극판과 연결되고 다른 일단은 상기 캔의 외부로 노출되는 전극단자와;

   상기 캔의 제2 영역의 하부와 상기 캡의 플랜지의 결합으로 생기는 상기 캡의 측벽과 상기 캔의 제2 공간의 측벽 사이의 간극에 도포되는 고분자 수지를 구비하는 것을 특징으로 하는 박형 광면적의 리튬이온 이차전지.
2. 제1 항에 있어서, 상기 전극 단자의 다른 일단은 상기 캔의 제2 영역의 밀폐된 하부를 관통하여 상기 캔의 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 박형 광면적의 리튬이온 이차전지.
3. 제 1항 또는 제2 항에 있어서, 상기 전극단자와 연결된 회로가 내장되는 보호회로함이 상기 캔의 제1 영역의 측벽의 외측 또는 상기 캔의 제2 영역의 하부의 외측에 더 설치되는 것을 특징으로 하는 박형 광면적의 리튬이온 이차전지.
4. 제 1항에 있어서, 상기 캔의 제2 영역의 하부와 상기 캡의 플랜지는 저항 용접 또는 레이저 용접으로 접합되는 것을 특징으로 하는 박형 광면적의 리튬이온 이차전지.
5. 제 1항에 있어서, 상기 고분자 수지는 광 또는 열에 의하여 가교되는 열 또는 광 가교성 수지인 것을 특징으로 하는 박형 광면적의 리튬이온 이차전지.
6. 제 5항에 있어서, 상기 가교성 수지는 에폭시 계열의 수지 또는 아크릴레이트 계열의 수지인 것을 특징으로 하는 박형 광면적의 리튬이온 이차전지.