KR100467701B1 - 안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지 - Google Patents

안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지 Download PDF

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Abstract

안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지를 개시한다. 본 발명은 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 전지부;와, 전지부의 각 전극판과 연결된 전극리드;와, 전지부가 수용되는 공간을 제공하며, 전지부가 실장된 가장자리를 따라 밀폐면이 형성된 케이스;와, 밀폐면에 소정간격 이격되게 배치되며, 케이스 내부의 압력을 외부로 배출시키는 내압해소수단;을 포함하는 것으로서, 케이스의 밀폐면에 모세관 형상의 내압해소수단이 설치되어서 고온방치시 내압을 신속하게 외부로 방출하게 됨에 따라 전지의 안전성을 향상시킨다. 이에 따라, 전지의 폭팔이나 발화를 미연에 방지할 수가 있다.

Description

안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지{Pouched-type lithium secondary battery installing safety device}
본 발명은 리튬이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온에서 스웰링현상시 내압을 해소시킬 수 있도록 구조가 개선된 안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 충방전이 가능한 전지로서, 니켈-카드뮴전지, 니켈-메탈하이드라이드 전지, 니켈-수소전지, 리튬이차전지등을 들 수 있다. 이중에서 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자기기의 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나 니켈-메탈하이드라이드 전지에 비하여 3배나 우수하고, 단위중량당 에너지밀도의 특성도 뛰어나서 급속도로 신장되고 있다.
리튬이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체전해질전지와, 고분자전해질전지로 분류할 수 있다. 일반적으로는 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다.
리튬이차전지는 다양한 형태로 제조가 가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬이온전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형을 들 수 있다. 최근들어, 각광받는 리튬폴리머전지는 유연성을 지닌 소재로 제조되어 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한, 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다고 할 것이다.
도 1은 종래의 파우치형 리튬이차전지(10)를 도시한 것이다.
도면을 참조하면, 상기 리튬이차전지(10)는 양극판과, 음극판과, 이들 사이에 개재되어 상호 절연시키는 세퍼레이터가 다수장 적층된 전지부(11)와, 상기 전지부(11)의 각 극판으로부터 각각 인출되는 전극리드(12)와, 상기 전지부(11)를 수용하는 공간부가 마련된 케이스(13)를 포함하고 있다.
상기 케이스(13)는 상부케이스(13a)와, 상기 상부케이스(13a)와 적어도 일면에 접합된 하부케이스(13b)를 포함하며, 상기 전지부(11)가 수용된 공간부의 가장자리를 따라서 밀폐면(13c)을 제공하고 있다.
상기 케이스(13)는 최내곽층으로부터 폴리머층-금속박막층-폴리머층의 다중 필름으로 성형되어 있으며, 상기 전지부(11)가 케이스(13) 내에 수용된 다음에 그 외형을 유연하게 접을 수 있는 박판의 파우치형이다.
상기와 같은 구조를 가지는 종래의 리튬이차전지(10)는 전지부(11)를 케이스(13)의 내부에 수용하고, 상기 전극리드(13)를 케이스(13)의 외부로 일부 노출시킨 다음에, 케이스(13)의 가장자리를 따라 형성된 밀폐면(13c)에 열과 압력을 가하여 열융착하여 밀폐시키게 된다.
그런데, 리튬이차전지(10)는 과충전등에 의하여 내압이 증가하게 되면, 파우치형의 케이스(13)는 부풀어오르는 이른바 스웰링(swelling) 현상이 발생하게 된다. 이러한 스웰링 현상이 발생하게 되면, 전지부(11)가 변형하게 된다. 이에 따라, 전지(10)는 국부적으로 단락이 발생할 수가 있다.
또한, 과충전이나 고온에서 노출될 경우에는 전해액과 극판의 활물질층간의 반응 또는 전해액, 활물질층 자체의 분해반응으로 인하여 케이스(13) 내부에 발화가능성이 높은 가스가 발생하게 되고, 이에 따라 전지(10)의 발화 또는 폭팔을 유발할 수가 있다.
따라서, 전지(10)는 내압이 일정수준 이상이 될 경우에 이를 해소하여서 스웰링 현상을 신속하게 차단하여 파열이나 폭팔을 미연에 방지할 수 있는 안전장치가 필요하다고 할 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전지의 내압상승시 이를 해소하기 위한 기구적인 요소를 설치하여 전지의 안전성을 향상시킨 안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 파우치형 리튬이차전지를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬이차전지를 도시한 분리사시도,
도 3은 도 2의 리튬이차전지의 평면도,
도 4는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
20...리튬이차전지 21...전지부
22...케이스 23...양극판
24...음극판 25...세퍼레이터
26...양극리드 27...음극리드
28...상부케이스 29...하부케이스
29b...밀폐면 200...내압해소수단
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지는,
양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 전지부;
상기 전지부의 각 전극판과 연결된 전극리드;
상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하며, 상기 전지부가 실장된 가장자리를 따라 밀폐면이 형성된 케이스; 및
상기 밀폐면에 소정간격 이격되게 배치되며, 상기 케이스 내부의 압력을 외부로 배출시키는 내압해소수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내압해소수단은 모세관 형상의 파이프인 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상압해소수단은 상기 밀폐면의 폭방향으로 복수개 배치된 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 내압해소수단은 상기 케이스의 장변부를 따라서 소정간격 이격되게 배치된 것을 특징으로 한다.
게다가, 상기 내압해소수단은 상기 케이스를 밀폐시 그 외주면을 따라 상기 밀폐면이 용융접착되어 그 위치가 고정된 것을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지를 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬이차전지(20)를 도시한 것이다.
도면을 참조하면, 상기 리튬이차전자(20)는 전지부(21)와, 상기 전지부(21)가 수용되는 케이스(22)를 포함한다.
상기 전지부(21)는 양극집전체와, 양극집전체의 적어도 일면에 코팅되는 양극활물질층으로 된 양극판(23)과, 음극집전체와, 음극집전체의 적어도 일면에 코팅되는 음극활물질층으로 된 음극판(24)과, 상기 양극 및 음극판(23)(24) 사이에 개재되어 이들을 전기적으로 상호 절연시키는 세퍼레이터(25)를 포함하고 있다. 상기 전지부(21)는 양극판(23), 세퍼레이터(25), 음극판(24), 세퍼레이터(25) 순으로 배치된 상태에서 젤리-롤(jelly-roll) 형으로 와인딩되어 있다. 상기 양극 및 음극판(23)(24)의 일 가장자리로부터는 양극리드(26)와, 음극리드(27)가 각각 인출되어 있다.
상기 전지부(21)를 수용하는 파우치형의 케이스(22)는 상부케이스(28)와, 상기 상부케이스(28)와 결합되는 하부케이스(29)를 포함한다. 상기 상부 및 하부케이스(28)(29)는 적어도 일 가장자리면이 일체로 접합되어 있으며, 나머지 면들은 개방가능하도록 형성되어 있다. 상기 상부 또는 하부케이스(28)(29)중 적어도 어느한 케이스에는 상기 전지부(21)가 수용될 수 있는 공간부(29a)가 형성되어 있다.
상기 공간부(29a)의 가장자리를 따라 형성된 면(29b)들은 전지부(21)가 실장된 다음에 상기 상부 및 하부케이스(28)(29)를 열융착하여 밀봉시킬 수 있는 밀폐면 역할을 하고 있다.
여기서, 상기 밀폐면(29b)에는 적어도 하나 이상의 내압해소수단(200)이 설치되어 있다.
보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 밀폐면(29b)은 상기 전지부(21)가 공간부(29a)에 실장된 다음에 케이스(22) 내부를 밀폐하기 위하여 상기 상부 및 하부케이스(28)(29)의 가장자리를 따라 형성된 면이다.
상기 밀폐면(29b)은 열융착에 의하여 상호 접착이 가능한데, 이러한 열융착이 가능하도록 상기 케이스(22)의 최내장층은 소정의 온도에서 용융접합될 수 있는 폴리머층으로 이루어져 있다. 또한, 최내장층은 케이스(22) 내부에 존재하는 전해액과 반응되지 않은 소재로 된 것이 바람직하다.
상기 밀폐면(29b)에는 내압증가시 인위적으로 이를 해소시키기 위한 내압해소수단(200)이 배치되어 있다. 상기 내압해소수단(200)은 대기보다 상대적으로 높은 압력상태인 케이스(22)의 내부로부터 고온방치시 압력을 외부로 신속하게 배출할 수 있도록 모세관 형상의 파이프가 바람직하다. 내압해소수단(200)의 재질은 카본파이버(cabon fiber)나 스틸로 된 미세관이 적당하다고 할 것이다.
이러한 파이프의 내경은 대략 수십 나노미터 내지 수십 마이크로미터정도로서, 케이스(22)의 내부로부터 상승된 압력을 외부로 배출할 수 있는 통로를 제공하는 것이라면 다른 형상으로도 가능하다 할 것이다.
상기 내압해소수단(200)은 내압을 보다 신속하게 배출하기 위하여 상기 밀폐면(29b)을 따라 복수개 배치되어 있으며, 상기 밀폐면(29b)의 폭방향으로 위치하고 있다.
상기 내압해소수단(200)이 상기 밀폐면(29b)상에 위치하기 위해서는 상기 밀폐면(29b)에 접착부재를 미리 부착시킨 상태에서, 이들을 간헐적으로 배치할 수가 있을 것이다.
도 3은 이러한 내압해소수단(200)이 배치된 파우치형의 리튬이차전지(20)를 도시한 것이다.
여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조번호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.
도면을 참조하면, 상기 케이스(22)에는 중앙에 소정크기의 공간부(29a)가 형성되어 있으며, 상기 공간부(29a)에 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 젤리-롤형으로 감겨진 전지부(21)가 위치하고 있다. 상기 전지부(21)의 각 극판은 양극리드(26)와 음극리드(27)와 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 양극 및 음극리드(26)(27)의 일부는 케이스(22)의 외부로 노출되어 있다.
이때, 상기 전지부(21)를 수용한 공간부(29a)의 가장자리에는 밀폐면(29b)이 제공되어 있으며, 상기 밀폐면(29b)에는 내압해소수단(200)이 위치하고 있다. 상기 내압해소수단(200)은 상기 케이스(22)의 양 장변부를 따라서 상기 밀폐면(29b)의폭방향으로 소정간격 이격되게 배치되어 있다.
상기 내압해소수단(200)은 내압상승시 다른 부분보다 먼저 부풀어 오르는 부분에 설치하는 것이 바람직하므로, 다른 부분보다 스웰링 현상이 심한 상기 케이스(22)의 장변부를 따라 설치하는 것이 바람직하다. 대안으로는, 상기 케이스(22)의 단변부인 전극리드(26)(27)가 설치된 부분에 추가적으로 설치될 수도 있다.
도 4는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 단면도이다.
도면을 참조하면, 상기 케이스(22)는 상부 및 하부케이스(28)(29)를 구비하고 있다. 상기 상부 및 하부케이스(28)(29)는 공히 동일한 소재로 이루어져 있으며, 실질적으로 최내장층으로부터 폴리머층-금속막층-폴리머층의 다중층을 이루고 있다. 최내장층으로 사용되는 폴리머층은 열융착시 상호 접합이 용이하고, 케이스(22) 내부에 존재하는 전해액과 반응이 발생되는 않는 소재로 된 것이 바람직하다.
상기 상부 및 하부케이스(28)(29)의 상호 접착하는 면에는 모세관 형상의 파이프로 된 내압해소수단(200)이 복수개 배치되어 있다. 상기 내압해소수단(200)은 접합되는 상부 및 하부케이스(28)(29)의 밀폐면(29a)의 폭방향으로 배치되어 있다.
상기 내압해소수단(200)이 밀폐면(29a)에 배치된 다음에는 열융착수단을 이용하여 상기 상부 및 하부케이스(28)(29)을 접착하게 되면, 상기 내압해소수단(200)의 외주면을 따라 케이스(22)의 최내장층이 용융되어 상기 내압해소수단(200)를 견고하게 고정시키는 것이 가능하다.
상기와 같은 구조를 가지는 파우치형 리튬이차전지(20)는 고온방치시 상기 케이스(22) 내부의 압력이 증가하게 된다. 케이스(22)의 내압이 증가하게 되면, 상기 케이스(22)는 스웰링 현상으로 팽창하게 된다.
이때, 상기 케이스(22)의 밀폐면(29b)에 소정간격 이격되게 배치된 모세관 형상의 내압해소수단(200)을 통하여 압력이 조절되어서 스웰링 현상을 줄일 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지는 케이스의 밀폐면에 모세관 형상의 내압해소수단이 설치되어서 고온방치시 내압을 신속하게 외부로 방출하게 됨에 따라 전지의 안전성을 향상시킨다. 이에 따라, 전지의 폭팔이나 발화를 미연에 방지할 수가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 전지부;
    상기 전지부의 각 전극판과 연결된 전극리드;
    상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하며, 상기 전지부가 실장된 가장자리를 따라 밀폐면이 형성된 케이스; 및
    상기 밀폐면에 소정간격 이격되게 배치되며, 상기 케이스 내부의 압력을 외부로 배출시키도록 수십 나노미터 내지 수십 마이크로미터 정도의 내경을 가지는 모세관 형상의 파이프로 된 내압해소수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내압해소수단은 상기 밀폐면의 폭방향으로 복수개 배치된 것을 특징으로 하는 안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지. .
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내압해소수단은 상기 케이스의 장변부를 따라서 소정간격 이격되게 배치된 것을 특징으로 하는 안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내압해소수단은 상기 케이스를 밀폐시 그 외주면을 따라 상기 밀폐면이 용융접착되어 그 위치가 고정된 것을 특징으로 하는 안전장치가 설치된 파우치형 리튬이차전지.
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