KR100520490B1 - 리튬이온전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 리튬이온전지는 복원력을 보유한 탄성부재를 젤리롤의 내부에 삽입하여 탄성부재의 복원력에 의해 젤리롤 전체에 균일한 힘을 가함으로써 젤리롤의 양극과 음극 및 세퍼레이터를 완전하게 밀착시키기 위한 것으로, 음극과 양극 및 세퍼레이터가 원통형상으로 감긴 후 힘이 가해져 타원형상으로 변형되는 젤리롤과, 젤리롤이 수납되는 캔과, 원통형상의 젤리롤의 내부에 삽입되어 젤리롤의 변형시 함께 변형되어 젤리롤에 복원력을 인가하는 탄성부재로 구성된다.

Description

리튬이온전지

본 발명은 리튬전지에 관한 것으로, 특히 리튬이온 2차 전지에서 원형의 젤리롤(jellyroll)의 내부에 원통형상 혹은 반원형상의 탄성을 갖는 탄성부재(elastic member)를 삽입한 후 상기 젤리롤을 타원형상으로 압착하여 상기 탄성부재의 복원력에 의해 젤리롤의 양극과 음극 및 세퍼레이터를 밀착시킴으로써 리튬금속이 외부로 석출되는 것을 방지할 수 있는 리튬이온전지에 관한 것이다.

일반적으로 리튬이온전지, 특히 리튬이온 2차전지는 음극의 충전반응이 비교적 빠르게 이루어지는 리튬이온의 유입(intercalation)반응으로 급속충전이 가능하고 리튬이온의 상태로 존재하므로 안정성을 갖춘 고전압전지이다. 이러한 리튬전지는 충전용량이 크고 소형화가 가능하다는 점에서 근래 휴대폰이나 노트북컴퓨터와 같은 휴대용 전자기기에 주로 채택되고 있는데, 그 형상에 따라 원통형 리튬이온전지나 각형 리튬이온전지로 나누어진다.

도 1은 일반적인 리튬이온전지의 간략사시도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 리튬이온전지는 양극 및 음극이 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 감긴 후 타원형상으로 눌린 형태로 형성되는 젤리롤(1)과 상기 젤리롤(1)이 삽입되는 캔(3)으로 구성되어 있다. 상기 젤리롤(1)에는 전해액이 흡입되어 음극과 양극 사이에 전해층이 존재하게 되며, 젤리롤(1)의 내부로부터는 양극탭(3)이 외부로 인출되고 외부에는 음극탭(5)이 형성되어 있다. 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 젤리롤(1)의 상부에는 절연층이 위치하여 캐소드탭(3)은 상기 절연층 위에 놓이게 되고 애노드탭(5)은 캔(7)에 부착되어 상기 캐소드탭(3)과 애노드탭(5)이 전기적으로 완전히 절연된다.

상기한 구성의 리튬이온전지에서는 젤리롤(1)의 양극과 음극 및 세퍼레이터가 완전히 밀착되어야만 한다. 만약, 상기 양극과 음극 및 세퍼레이터가 완전히 밀착되지 않는 경우에는 젤리롤(1)에 공간이 생기게 되고 이 공간을 통해 충전시 리튬금속이 외부로 석출되게 된다. 이러한 리튬금속의 석출은 전지의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 쇼트를 유발하여 전지에 화재가 발생하거나 심지어 전지가 폭팔하는 원인이 된다.

그러므로, 상기 양극과 음극 및 세퍼레이터를 밀착시켜야만 하는데 종래의 리튬이온전지에서는 이를 위해 도 2(a)에 도시된 탄성판(8)을 이용하였다. 도 2(a)를 살펴보면, 상기 탄성판(8)은 좌우측으로 굴곡진 볼록부(8a)와 오목부(8b)로 이루어져, 도 2(b)에 도시된 바와 탄성판(8a)이 젤리롤(1)의 측면에 부착될 때 상기 탄성판(8)의 오목부(8b)만이 상기 젤리롤(1)의 측면에 닿게 된다.

상기 탄성판(8)의 볼록부(8a)와 오목부(8b)는 젤리롤(1)의 양극과 음극 및 세퍼레이터를 밀착시키는 역할을 한다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 탄성판(8)이 부착된 젤리롤(1)이 캔(7)에 삽입될 때, 오목부(8b)는 젤리롤(1)의 측면에 닿게 되는 반면에 볼록부(8a)는 캔(7)의 벽면에 닿게 되므로, 상기 볼록부(8a)와 오목부(8b) 사이의 힘에 의하여 탄성판(8)이 젤리롤(1)과 캔(8)쪽으로 압력을 가하게 되어, 결국 상기 젤리롤(1)의 양극과 음극 및 세퍼레이터가 서로 밀착하게 된다.

그러나, 상기한 리튬이온전지에서는 탄성판(8)의 볼록부(8a)는 캔(7)에 탄성력을 작용하고 오목부(8b)는 젤리롤(1)에 탄성력을 작용시키기 때문에, 결국 상기 젤리롤(1)의 양극과 음극 및 세퍼레이터를 밀착시키는 힘이 상기 오목부(8b)에 접촉되는 젤리롤(1)의 접촉부위에만 전달된다. 그런데, 오목부(8b)와 접촉되는 젤리롤(1)의 첩촉부위는 전체 측면중에서 일부분에 불과하기 때문에, 실제 탄성판(8)이 젤리롤(1)에 가하는 탄성력은 상기 오목부(8b)와 첩촉하는 부위에 한정된다. 따라서, 젤리롤(1)의 전체에 걸친 탄성력, 즉 양극과 음극 및 세퍼레이터를 밀착시키는 밀착력이 존재하지 않기 때문에, 힘이 가해지는 않는 젤리롤(1)의 일부 영역이 완전하게 밀착되지 않는다. 그 결과, 밀착이 완전하지 않은 부위로 리튬금속이 석출되게 되어 전지의 수명이 단축되고 쇼트에 의한 화재나 폭발의 가능성이 존재하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 변형된 탄성부재를 젤리롤의 내부에 삽입하여 상기 탄성부재의 복원력에 의해 젤리롤 전체에 균일한 힘을 가함으로써 젤리롤의 양극과 음극 및 세퍼레이터를 완전하게 밀착시켜 리튬금속의 석출에 의한 전지수명의 단축 및 쇼트에 의한 화재와 폭발을 방지할 수 있는 리튬이온전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 리튬이온전지는 음극과 양극 및 세퍼레이터가 원통형상으로 감긴 후 힘이 가해져 타원형상으로 변형되는 젤리롤과, 상기 젤리롤이 수납되는 캔과, 상기 원통형상의 젤리롤의 내부에 삽입되어 젤리롤의 변형시 함께 변형되어 상기 젤리롤에 복원력을 인가하여 젤리롤의 음극과 양극 및 세퍼레이터를 완전하게 밀착시키는 탄성부재로 이루어진다.

탄성부재는 원통형상으로 이루어져 젤리롤의 변형시 그 내부에서 판형상으로 변형되어 양측면의 젤리롤에 균일한 힘을 인가하거나 반원형상으로 이루어져 젤리롤의 변형시 그 내부에서 판형상으로 변형되어 일측면의 젤리롤에 균일한 힘을 인가하여 젤리롤의 양극과 음극 및 세퍼레이터를 완전하게 밀착시킨다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 리튬이온전지에 대하여 상세히 설명한다. 도면에서 종래와 동일한 구성에 대하여는 동일한 도면부호를 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 리튬이온전지를 제조하는 방법을 나타내는 도면이다. 상기 도면에 도시된 제조방법은 탄성을 갖는 물질의 형상을 변형하여 물질 자체가 보유하고 있는 복원력을 이용하여 젤리롤(1)에 힘을 인가하는 것이다.

도 4(a)에는 본 발명에서 사용되는 탄성부재(11a,11b)가 도시되어 있다. 상기 탄성부재(11a,11b)는 형상이 변형되면 원래의 형상으로 돌아가려는 복원력을 보유한다. 도면에는 반원의 판형상의 탄성부재(11a)와 원통형상의 탄성부재(11b)가 도시되어 있다. 상기 2개의 탄성부재(11a,11b)가 본 발명에 적용될 때, 반원의 판형상의 탄성부재(11a)는 편평하게 변형된 후 다시 반원형상으로 돌아가려는 복원력이 이용되고 원통형상의 탄성부재(11b)는 압력이 가해져 납작하게 눌렀을 때 다시 원통형상으로 돌아가려는 복원력을 이용한다.

도 4(b)에는 세퍼레이터를 사이에 두고 양극과 음극이 감긴 원통형상의 젤리롤(1)이 도시되어 있다. 상기 젤리롤(1)은 중심이 비어 있는 원통형상으로 그 내부로부터는 양극탭(3)이 인출되고 외부 측면에는 음극탭(5)이 부착되어 있다. 상기 원통형상의 젤리롤(1) 중앙에 도 4(c)에 도시된 바와 같이 원통형상의 탄성부재(11b)를 삽입한 후 도 4(d)에 도시된 바와 같이 상기 젤리롤(1)에 압력을 가하여 젤리롤(1)을 타원형상으로 만들면, 젤리롤(1) 뿐만 아니라 내부의 탄성부재(11) 역시 압력이 가해져 그 형상이 변형된다. 즉, 도면에 나타낸 바와 같이 원통형상의 탄성부재(11a)가 판형상으로 변형된다.

판형상으로 변형된 탄성부재(11a)에는 원래의 형상으로 복원하려는 복원력을 보유한다. 이때, 상기 탄성부재(11a)가 원통형상에서 판형상으로 변형되었으므로 탄성부재(11a)는 다시 원통형상으로의 복원력이 작용한다. 젤리롤(1)은 도 4(e)에 도시된 바와 같이 캔(7)에 삽입되었을 때, 판형상으로 변형된 탄성부재(11b)가 젤리롤(1)의 전체와 전체적으로 접촉된다. 판형상으로 변형된 탄성부재(11b)는 복원력에 의해 외부로 탄성력을 가하게 되는데, 탄성부재(11b)와 젤리롤(1)이 전체적으로 접촉되어 있기 때문에 젤리롤(1) 내부의 판형상 탄성부재(11b)가 그 양측으로 젤리롤(1)의 전체에 균일한 탄성력을 가하게 되어 젤리롤(1)을 캔(7)의 벽쪽으로 밀게 되고 그 결과 젤리롤(1)의 양극과 음극 및 세퍼레이터가 서로 완전하게 밀착된다.

상기 도 4(b)∼도 4(e)는 탄성부재로서 원통형 탄성부재(11b)를 사용한 경우에 대하여 설명한 것이다. 도 4(a)에 도시된 반원형상의 탄성부재(11a)를 사용하는 경우에도 원통형상의 젤리롤(1)을 타원형상으로 만드는 압력에 의해 젤리롤(1) 내부의 반원형상 탄성부재(11a)가 판형상으로 변형된다. 이러한 탄성부재(11a)는 다시 타원형상으로 복원하려는 탄성력이 존재하므로 젤리롤(1)의 한측면에 힘을 가하게 된다.

도 5는 상기 원통형상의 탄성부재(11b)가 젤리롤(1) 내부에 형성되었을 때의 힘을 방향을 나타낸다. 판형상으로 변형된 탄성부재(11b)의 복원력에 의해 판형상의 탄성부재(11a)가 양측면으로 탄성력을 인가하여 젤리롤(1)을 캔(7)의 벽면을 향해 누르게 되어 결국 젤리롤(1)의 양극과 음극 및 세퍼레이터가 완전하게 밀착된다. 반원형상의 탄성부재(11a)를 사용하는 경우에는 탄성력이 한쪽으로만 작용하지만, 힘의 반작용에 의해 다른 쪽 젤리롤(1) 역시 캔(7)의 벽면쪽으로 압력을 받게 되어 젤리롤(1)의 양극과 음극 및 세퍼레이터가 완전하게 밀착된다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 리튬이온전지에서는 젤리롤(1) 내부에 삽입되어 변형되는 탄성부재(11)에 의해 젤리롤(1) 전체에 일정한 힘이 인가되어 젤리롤(1)의 양극과 음극 및 세퍼레이터가 빈틈없이 밀착된다.

본 발명은 상기한 바와 같이, 원통형상 혹은 반원형상의 탄성부재가 원통형상의 젤리롤에 삽입되어 젤리롤이 타원형상으로 변형될 때 역시 판형상으로 변형되기 때문에, 원래 형상으로 복원하려는 복원력이 상기 젤리롤 전체에 걸쳐서 균일하게 인가되어 젤리롤의 양극과 음극 및 세퍼레이터가 빈틈없이 완전하게 밀착된다. 따라서, 리튬금속의 외부로의 석출에 의한 수명단축을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 쇼트에 의한 화재나 폭발의 위험도 예방할 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 리튬이온전지를 나타내는 개략 사시도.

도 2는 종래의 탄성판이 부착된 젤리롤을 나타내는 사시도.

도 3은 탄성판이 부착된 젤리롤이 캔에 실장된 상태를 나타내는 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 리튬이온전지를 나타내는 개략 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 탄성부재가 젤리롤에 힘을 인가하는 상태를 나타내는 사시도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 젤리롤 3 : 양극탭

5 : 음극탭 7 : 캔

11 : 탄성부재

Claims (3)

1. 음극과 양극 및 세퍼레이터가 원통형상으로 감긴 후 힘이 가해져 타원형상으로 변형되는 젤리롤;

   상기 젤리롤이 수납되는 캔; 및

   상기 원통형상의 젤리롤의 내부에 삽입되어 젤리롤의 변형시 함께 변형되어 상기 젤리롤 전체에 걸쳐서 복원력을 인가하여 젤리롤의 음극과 양극 및 세퍼레이터를 완전하게 밀착시키는 탄성부재로 이루어진 리튬이온전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄성부재가 원통형상으로 이루어져 젤리롤의 변형시 그 내부에서 판형상으로 변형되어 양측면의 젤리롤에 균일한 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 탄성부재가 반원형상으로 이루어져 젤리롤의 변형시 그 내부에서 판형상으로 변형되어 일측면의 젤리롤에 균일한 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 리튬이온전지.