KR100440936B1 - 리튬이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 리튬이차전지는, 양극판과, 음극판, 및 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 권취하여 된 전극조립체와; 전극조립체가 수용되며, 그 하부면에 안전변이 형성된 케이스와; 케이스의 상부 개구에 설치되어 내부를 밀폐하는 캡 조립체; 및 전극조립체가 케이스 내에 용이하게 삽입될 수 있도록, 조립체의 하부를 감싸며, 안전변에 대응되게 홈이 형성된 하부 테이핑부재;를 구비하여 전지내에 발생된 고압의 가스를 외부로 원활하게 방출시킬 수 있어 전지의 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

리튬이차전지{Lithium secondary battery}

본 발명은 리튬이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안전변이 전지의 하부에 형성되어 있는 경우에, 전지내에 발생된 고압의 가스를 외부로 원활하게 방출시킴으로써, 전지의 안정성을 높일 수 있도록 구조가 개선된 리튬이차전지에 관한 것이다.

리튬이차전지는 작동 전압이 3.6V로서, 전자장비전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나, 니켈-수소전지의 3배에 해당되며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬이차전지는 주로 양극 활물질로는 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소 소재를 사용하고 있다. 리튬이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질전지와 고분자 전해질전지로 분류될 수 있다. 즉, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 리튬이차전지는 여러 가지의 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형, 및 파우치형을 들 수 있다.

그러나, 리튬이차전지는 안전성에 있어서 여러 가지 문제점들에 노출되어 있다. 리튬이온전지의 경우, 양극에 리튬계 산화물, 음극에 카본계 소재, 전해액에 유기용매 전해질을 사용하게 되는데, 전지가 과충전될 경우에는 양극에서 전해액의 분해가 발생하게 되고, 음극에서 리튬금속이 석출될 수 있다. 이에 따라, 전지의 특성이 열화되고, 발열이나 발화가 우려된다. 게다가, 과충전시 전기화학적 반응들이 동시다발적으로 발열반응을 일으키고, 음극의 SEI(solid electrolyte interface)막이 분해되어 가스를 분출시키게 된다. 이와 같이 분출된 가스에 의해 전지가 팽창하며, 이와 동시에 전지의 내부가 점점 더 불안정한 상태로 진행됨으로써, 종국에는 전지의 파열을 초래하게 된다.

그리고, 리튬폴리머전지의 경우에는 충전 및 방전시 국부적으로 과열되기 때문에 열에 약한 고분자 전해질이 부분적으로 용해되거나 연화된다. 따라서, 전류와전위가 균일하지 못하게 되어 단락의 원인이 되고, 화재와 폭발의 위험성을 내포하고 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서 여러 가지 방안들이 제안되고 있는데, 소정의 압력이상에서 파단되어 전지내에 발생된 가스를 외부로 방출시키는 안전변을 장착한 것이 그 일예이다.

이와 관련된 기술로는, 일본특개평11-219692호에 개시된 비수전해질이차전이 있다. 개시된 바에 따르면, 전지의 뚜껑판에 형성된 개구부에 금속 박판을 접합하여 안전변을 구성함으로써, 전지의 내압 상승시 안전변이 신속하게 개방될 수 있어, 전지의 내압상승을 해소할 수 있다. 그러나, 금속 박판을 이용한 안전변을 제조하는데는 공정상 어려움이 많고, 비용적인 측면에서도 다른 안전변과 비교하여 단가가 상당히 높은 단점이 있다.

다른 관련기술로는, 일본특개평5-314959호에 개시된 전지의 안전변 장치가 있다. 이에 따르면, 전지의 케이스 일부분이 2장 이상의 금속판이 상호 열압착된 다층 구조를 이루고, 이 금속판의 적어도 1장에는 관통구를 갖는 것이다. 이에 따라, 전지의 내압 상승시 소정 압력에서 상호 열압착된 부분이 파단됨으로써, 전지의 내압 상승을 해소할 수 있게 된다. 그러나, 이와 같은 안전변이 케이스의 하부에 형성되는 경우에는 다음과 같은 문제점이 있다.

통상적으로 전지의 케이스 내로 전극 조립체의 삽입을 용이하게 하는 한편, 단락을 방지하기 위하여 수지필름과 같은 하부 테이핑부재로 전극 조립체의 하부를 테이핑하게 되는데, 이러한 하부 테이핑부재에 막혀 전극조립체로부터 가스가 원활하게 분출될 수 없을 뿐 아니라, 발열에 의하여 하부 테이핑부재가 용융되어버리는 경우에는 용융된 하부 테이핑부재가 안전변을 막아서, 안전변이 제대로 작동하지 못하는 문제점을 야기할 수 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극 조립체의 하부를 감싸는 하부 테이핑부재에 케이스의 하부에 형성된 안전변과 대응되도록 홈을 형성함으로써, 가스의 분출을 용이하게 하고, 안전변의 작동을 원활하게 할 수 있어 안정성이 향상된 리튬이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지에 대한 분리 사시도.

도 2는 도 1의 리튬이차전지의 결합된 상태에 대한 단면도.

〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉

11..케이스 12..전극조립체

13..음극탭 14..양극탭

15..안전변 20..캡 조립체

21..캡 플레이트 22..가스켓

23..전극 단자 31..마감 테이핑부재

32..하부 테이핑부재 33..홈

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬이차전지는, 양극판과, 음극판, 및 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 권취하여 된 전극조립체와; 상기 전극조립체가 수용되며, 그 하부면에 안전변이 형성된 케이스와; 상기 케이스의 상부 개구에 설치되어 내부를 밀폐하는 캡 조립체; 및 상기 전극조립체가 케이스 내에 용이하게 삽입될 수 있도록, 상기 조립체의 하부를 감싸며, 상기 안전변에 대응되게 홈이 형성된 하부 테이핑부재;를 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

상기 안전변은 전지의 내압이 소정 압력이상일 때 개방될 수 있도록 케이스의 두께보다 얇은 박막으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 하부 테이핑부재의 홈의 면적은 안전변의 면적에 대해 1.5배 이상인 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지에 대한 분리사시도이고, 도 2는 도 1의 리튬이차전지의 결합된 상태를 도시한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 리튬이차전지에 있어서, 케이스(11)는 각형으로 대략 직육면체의 내부 공간을 가진다. 상기 케이스(11)의 내부 공간에는 전극조립체(12)가 수용되어진다.

상기 전극조립체(12)는 전극 활물질이 도포된 양극판과 음극판을 세퍼레이터로 상호 격리시키고, 상기 양극판, 음극판 및, 세퍼레이터를 젤리롤(jelly roll)의 형태로 권취하여 형성한 것이다. 상기 전극조립체(12)의 일측에는 음극판 및 양극판과 각각 전기적 연결이 된 음극탭(13) 및 양극탭(14)이 형성되어 있다.

상기 케이스(11)는 전극조립체(12)가 수용된 상태에서 캡 조립체(20)와 조립되는데, 상기 캡 조립체(20)는 케이스(11)를 밀폐시키기 위해서 케이스(11)의 상단부와 결합하는 캡 플레이트(21)를 구비한다. 상기 캡 플레이트(21)는 금속재로 이루어져 있으며, 그 중앙부에는 관통공이 형성되어, 가스켓(22)이 삽입되어 고정되어 있다. 또한, 상기 가스켓(22)의 중앙부에도 중공이 형성되어 있는데, 상기 중공을 통하여 전극 단자(23)가 삽입되어있다. 상기 가스켓(22)은 절연재료로 이루어져 있어 캡 플레이트(21)와 전극 단자(23)사이를 절연시키게 된다. 상기 전극 단자(23)는 음극탭(13)과 접합되어 전기적으로 연결되어 음극을 이루게 된다. 한편, 양극탭(14)은 상기 캡 플레이트(21)의 하면에 접합되며, 상기 캡 플레이트(21)는 케이스(11)와 접합되어 있으므로, 상기 캡 플레이트(21) 및 케이스(11)는 양극을 이루게 된다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 음극탭이 캡 플레이트와, 양극탭이 전극 단자와 각각 전기적 연결이 될 수도 있다.

상기 캡 플레이트(21)와 전극조립체(12) 사이에는 상호간의 절연을 위하여 절연부재(24)가 개재되어 있다. 상기 캡 플레이트(21)의 일측에는 캡 플레이트(21)가 케이스(11)와 조립된 이후에 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(25)가 형성되어 있다. 전해액의 주입이 끝난 후에는 전해액 주입구(25)는 도시되지 아니한 플러그에 의해 밀봉된다. 한편, 상기 캡 조립체(20)의 구성은 상술한 것에 한정되지는 않는다.

상기 케이스(11) 하부면에는 안전변(15)이 설치되어 있다. 상기 안전변(15)은 전지의 과충전과 같은 원인으로 전지의 내압이 상승하는 경우 파단되어 개방됨으로써, 전지의 폭발을 방지하기 위한 것이다. 상기 안전변(15)은 케이스(11)의 두께보다 얇게 형성되어 박막으로 이루어진다. 이에 따라, 상기 케이스(11)의 내부면 또는 외부면으로부터 소정 깊이로 인입된 형상을 가질 수 있다. 한편, 상기 안전변은 도면에서는 타원형상으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 전극조립체(12)는 권취된 상태로부터 풀어지지 않도록 하기 위하여, 수지필름으로 이루어진 마감 테이핑부재(31)에 의하여 감싸질 수 있다. 또한, 상기 케이스(11) 내에 전극조립체(12)가 삽입되기 전에 그 하부를 하부 테이핑부재(32)로써 감싸게 된다. 상기 하부 테이핑부재(32)는 전극조립체(12)를 케이스(11) 내에 용이하게 삽입하기 위한 것으로서, 마감 테이핑부재(31)와 마찬가지로 수지필름으로 이루어질 수 있다.

상기 하부 테이핑부재(32)에는 홈(33)이 형성되어 있는데, 상기 홈(33)은 케이스(11)의 하부면에 형성된 안전변(15)에 대응되는 위치에 있다.

상기 홈(33)은 다음과 같은 과정으로 형성될 수 있다. 롤 상태로 있는 하부 테이핑부재가 급송되는 경로상에 있어서, 상측에는 홈 형성수단을 지지하는 지그를 설치하고, 하측에는 하부 테이핑부재가 놓여지는 베이스 플레이트를 설치한다. 상측에 설치된 지그(jig)가 하강하여 홈 형성수단에 의하여, 베이스 플레이트 상에 놓인 하부 테이핑부재에 홈을 형성하게 된다. 그리고, 전극조립체를 충분히 감쌀 만큼의 길이로 하부 테이핑부재를 절단하여 마무리한다. 상기 홈 형성수단은 홈 형상에 대응되는 형상을 가지는 커터로 이루어질 수 있다.

상기와 같은 과정을 통해 하부 테이핑부재(32)에 형성된 홈(33)은 과충전시 발생된 가스가 전극조립체(12)로부터 원활하게 분출될 수 있어, 안전변(15)이 정상적으로 작동될 수 있게 된다. 또한, 전극조립체(12)의 발열에 의하여 하부 테이핑부재(32)가 용융되더라도, 홈(33)이 형성된 부분에서는 용융된 하부 테이핑부재(32)가 안전변(15)측으로 흘러가지 않게 되어, 안전변(15)에 영향을 미치지 않게 된다. 즉, 하부 테이핑부재(32)에 의하여 안전변(15)이 막히지 않게 됨으로써, 안전변(15)이 정상적으로 작동될 수 있게 된다.

상기 하부 테이핑부재(32)에 형성된 홈(33)의 면적은 안전변(15)의 면적에 대하여 최소 1.5배 이상인 것이 바람직하다.

상기와 같이 하부 테이핑 부재(32)의 홈(33)의 면적을 설정하는 근거는 본원 발명인의 하기 실험을 통하여 명백히 밝혀질 것이다.

[실험 1]

본 실험에서는, 하부 테이핑부재(32)에 있어서, 종래와 같이 홈을 형성하지 않은 경우, 홈(33)의 면적을 안전변(15)의 면적에 대해 0.75배로 형성한 경우, 홈(33)의 면적을 안전변(15)의 면적에 대해 1배로 형성한 경우, 홈(33)의 면적을 안전변(15)의 면적에 대해 1.5배로 형성한 경우, 및 홈(33)의 면적을 안전변(15)의 면적에 대해 2배로 형성한 경우로 각각 나누고, 각 경우에 대하여 전지들을 10개씩 제조하여, 정상충전의 2배로 과충전시켜 안정성 테스트를 한 것이다. 이때, 안전변(15)은 6㎏/㎠ 이상의 압력일 때 작동될 수 있도록 설정하였다.

[실험 2]

본 실험에서는 실험 1과 마찬가지로 각각 전지를 제조한 후, 정상충전의 4배로 과충전시켜 안정성 테스트를 한 것이다. 또한, 안전변(15)의 작동압력도 실험 1과 마찬가지로 6㎏/㎠ 이상인 것으로 설정하였다.

안전성테스트	기존전지	하부 테이핑부재에 형성된 홈의 면적
		0.75As	As	1.5As	2As
정상충전의2배 과충전	L1	L3	L1	L2	L1	L2	L1	L1
	2	8	5	5	8	2	10	10
정상충전의4배 과충전	L3	L5	L2	L5	L1	L2	L3	L1	L2	L1
	3	7	7	3	2	6	2	8	2	10

상기 표를 참조하면, L1, L2, L3, 및 L5는 안정성 테스트를 거친 후의 전지의 상태를 각각 분류한 것이다. 그리고, 각 상태에 대한 전지의 개수를 상기 표에 나타내었다. 여기서, L1은 안전변의 개방 및 누액 발생 후, 전지의 무게가 테스트전의 무게에서 0.1%정도 감소한 상태, L2는 전지로부터 열폭주를 동반하지 않는 연기가 발생되고, 전지의 표면온도가 200℃이하인 상태, L3은 열폭주를 동반하는 연기가 발생하고 전지의 표면온도가 200℃이상인 상태, 그리고 L5는 전지가 파열되고 내부의 내용물이 분출되며 파손되는 기구물 이외의 부분이 파손되어 파편이 날아가는 상태를 각각 나타낸다. 그리고, As는 안전변(15)의 면적을 나타낸다.

상기 표에 나타난바와 같이, 하부 테이핑부재(32)의 홈(33)의 면적이 안전변(15)의 면적에 대하여 1.5배 이상인 전지들이 정상충전의 2배로 과충전하였을 때 충분한 안정성을 가지며, 보다 극한 조건인 정상충전의 4배로 과충전하였을 때도, 대체로 안정성을 가지는 것을 보여주고 있다. 따라서, 하부 테이핑부재(32)에 형성된 홈(33)의 면적은 안전변(15)의 면적에 대하여 최소 1.5배 이상인 것이 바람직할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬이차전지는, 전극조립체의 하부를 감싸는 하부 테이핑부재에 케이스의 하부에 형성된 안전변과 대응되도록 홈을 형성함으로써, 가스의 분출을 용이하게 하고, 안전변의 작동을 원활하게 할 수 있어 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다. 더불어, 구조적으로 단순한 안전변을 채용할 수 있어, 비용적인 측면에서도 유리한 효과가 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 양극판과, 음극판, 및 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 권취하여 된 전극조립체와;

   상기 전극조립체가 수용되며, 그 하부면에 안전변이 형성된 케이스와;

   상기 케이스의 상부 개구에 설치되어 내부를 밀폐하는 캡 조립체; 및

   상기 전극조립체가 케이스 내에 용이하게 삽입될 수 있도록, 상기 조립체의 하부를 감싸며, 상기 안전변에 대응되게 홈이 형성되며, 상기 홈의 면적이 상기 안전변의 면적의 1.5배 이상으로 된 하부 테이핑부재;를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 안전변은 전지의 내압이 소정 압력이상일 때 개방될 수 있도록 케이스의 두께보다 얇은 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
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