KR100553215B1 - 안전성을 향상시키는 내부 지지대를 구비한 리튬이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지 내부의 압력 상승시 강제적으로 케이스를 개봉시켜 전지의 안전성을 향상시키는 내부 지지대를 구비한 리튬이차전지에 관한 것으로, 소정 간격 이격되어 설치되는 양극단자와 음극단자를 가진 전극조립체; 상기 양극단자와 음극단자가 외부로 돌출되도록 상기 전극조립체를 감싸 밀봉하는 케이스; 및 상기 케이스의 내부에 위치하면서 그 일측 모서리가 상기 양극 단자 및 음극 단자와 연접(連接)되도록 형성되고, 상기 케이스 내부의 이상압력 발생시 케이스를 파단시켜 오픈시키는 지지대를 구비한 본 발명의 리튬이차전지는 설정압력에서 외장 필름 용기의 일부를 파손시켜 전지의 내부에서 발생된 가스를 외부로 방출시키므로 폭발을 방지할 수 있으므로 전지의 안전성을 향상시키는데 매우 유용하다.

리튬이차전지, 지지대, 안전성, 열노출 실험

Description

안전성을 향상시키는 내부 지지대를 구비한 리튬이차전지{Lithium secondary battery with supporting bar for safety}

도 1은 본 발명에 따라 제조된 리튬이온전지를 개략적으로 나타낸 것이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 열노출 실험의 결과를 나타낸 것이고,

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 열노출에 따른 전지의 팽창을 나타낸 것이고,

도 4는 본 발명의 비교예에 의한 열노출 실험 결과를 나타낸 것이다.

(도면의 주요 부호에 대한 설명)

1 - 전극 조립체, 2a - 음극 단자, 2b - 양극 단자, 3 - 지지대

4a, 4b - 외장 필름 케이스

11 - 전지의 단자 부위

12 - 지지대의 삽입 위치

13 - 전지의 중앙 부분

14 - 전지의 파열 예상 부분

본 발명은 전지 내부의 압력 상승으로 인한 전지의 폭발을 방지하기 위하여 강제적으로 케이스를 개봉시켜 전지의 안전성을 향상시키는 내부 지지대를 구비한 리튬이차전지에 관한 것이다.

최근에는 전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속하게 발전함에 따라 고성능, 고안전성의 리튬이차전지에 대한 수요가 점차 증대되고 있으며, 특히 전자기기의 소형화, 박형화 및 경량화가 급속도로 확산되면서 이에 따른 전지의 소형화, 박형화의 요구가 날로 증대되고 있다.

이러한 요구에 부응하여 최근 가장 많은 관심을 갖고 있는 것이 리튬이온 폴리머 전지이다. 리튬이온 폴리머 전지는 크기나 모양을 원하는 대로 조절할 수 있으며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다. 이러한 리튬이온 폴리머 전지에 있어서, 근래에는 외장재로서 파우치 (pouch)를 사용하는 방식이 각광받고 있는데, 이와 같이 파우치를 사용하게 되면, 단위중량 및 체적당 에너지밀도가 보다 높아지고 전지의 박형화 및 경량화가 가능해질 뿐만 아니라 외장재의 재료비가 적게 들어 유리한 점이 많다.

특히, 전지의 외장재로 알루미늄 포일에 나일론(nylon), 폴리에틸렌코아크릴산(Polyethylene-co-acrylic acid; EAA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 필름 등을 코팅한 다층막 알루미늄 용기(Aluminum pouch; 이하 “외장필름용기”라고 약칭함)을 사용하고 있다.

외장필름용기를 전지의 외장재로 이용한 리튬이차전지는 전지의 외장재로 강판에 니켈을 도금한 캔을 사용하는 리튬이차전지보다 내부 압력을 견디는 힘이 작 기 때문에 전지 내부에서 가스 등의 발생으로 인하여 열노출 실험 등에 훨씬더 취약한 경향이 있다. 특히, 현재 미국의 제품안전 시험 및 인증기관인 UL(Underwriters Laboratories)에서 요구하는 열노출 실험조건 즉, 섭씨 150도의 온도에서 10분 이상 견딜 수 있을 것을 요구하는 실험조건에서는 외장필름용기를 사용하는 경우 전지 내부의 가스 발생으로 인해 열노출 실험조건을 충족시킬 수 없는 경우가 많다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 스페이서에 관통공을 두어 전극 단자가 관통하도록 설계하였다. 그러나 이와 같은 형태의 스페이서의 경우, 전극 단자를 스페이서 사이에 끼워야 하는 과정이 실제 생산 공정에서 상당히 어려움이 있고, 고온 노출이 아닌 일반 상온 수명실험에서 스페이서에 의한 외장필름용기의 손상으로 인하여 수명특성이 저하되고, 사용된 재질인 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 재질은 실제에서 강도가 떨어져서 큰 효과를 얻을 수 없으며, 외장필름의 넓은 면과 직각으로 만나기 때문에 외부의 충격에 쉽게 외장필름용기가 파손되는 단점도 있다.

이에, 본 발명자들은 전지 내의 압력 상승시 전지의 안정성을 향상시키기 위한 연구를 하던 중, 소정 간격 이격되어 설치되는 양극 단자와 음극 단자를 가진 전극조립체; 상기 양극 단자와 음극 단자가 외부로 돌출되도록 상기 전극조립체를 감싸 밀봉하는 케이스; 및 상기 케이스 내부의 양극 단자 및 음극 단자 위에 있는 전지 내부의 빈 공간에 설치되며, 상기 케이스 내부의 이상압력 발생시 케이스를 파단시켜 오픈시키는 지지대를 구비한 리튬이차전지를 개발함으로써 본 발명을 완 성하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 설정압력에서 외장필름용기의 일부를 파손시켜 전지의 내부에서 발생된 가스를 외부로 방출시킴으로써 폭발을 방지할 수 있고, UL에서 요구하는 열노출 실험조건을 충족시킬 수 있는 내부 지지대를 구비한 리튬이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소정 간격 이격되어 설치되는 양극 단자와 음극 단자를 가진 전극조립체; 상기 양극 단자와 음극 단자가 외부로 돌출되도록 상기 전극조립체를 감싸 밀봉하는 케이스; 및 상기 케이스의 내부에 위치하면서 그 일측 모서리가 상기 양극 단자 및 음극 단자와 연접(連接)되도록 형성되고, 상기 케이스 내부의 이상압력 발생시 케이스를 파단시켜 오픈시키는 지지대를 구비한 리튬이차전지를 제공한다.

상기 양극 단자와 음극 단자는 각각 오목부를 가지며, 상기 지지대는 상기 각 단자의 오목부에서 연접되도록 형성된다. 또한, 상기 지지대는 전지의 단자 부분 옆의 케이스를 파단시키며, 알루미나(Al₂O₃) 또는 지르코니아(ZrO₂ ) 중 하나의 재질로 이루어져야 한다.

이러한 재질은 고온(150℃ 이상)에서 그 물성에 변화가 없고, 고온에서도 강한 초기강도(Young’s Modulus)를 가지므로 지지대에 유용하다. 상기 지지대의 경 우, 알루미나는 300 - 400 GPa, 지르코니아는 200 - 250 GPa의 강도를 가져야 하며, 이 정도 수준의 강도를 가져야 고온에서 전지 내부에 이상 압력이 발생하더라도 변형이 없으면서 옆단을 파손할 수 있는 힘을 가지게 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 리튬이온전지를 상세하게 설명하면 다음의 실시예와 같다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

도면을 참조하면, 리튬이차전지는 전극 단자를 포함하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 내부에 수용하는 케이스 및 지지대를 구비하여 이루어졌다. 이때, 상기 단자들은 상기 조립체에 소정 간격 이격되어 설치되는 양극단자와 음극단자로 이루어지며, 상기 케이스는 상기 전극 조립체를 케이스 본체에 수용하고 상기 양극단자와 음극단자가 외부로 돌출되도록 커버로 상기 전극 조립체를 감싸 밀봉하였다.

본 실시예에서 전극조립체는 대한민국공개특허공보 제2001-0082059호 또는 대한민국공개특허공보 제2001-0082060호에서 예시된 방식과 같이 만들었고, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이트가 감겨져 이루어지는 젤리롤 방식에서도 또한 적용될 수 있다.

상기 전극 조립체에서 양극은 리튬망간산을 사용하며, 음극은 인조흑연을 사용하였고, 전해액은 에틸렌 카보네이트:에틸메틸 카보네이트 = 1 : 2(EC : EMC = 1 : 2) 와 1M의 LiPF₆를 사용하였다.

이 때 사용된 지지대는 크기가 87 mm × 2mm × 3mm 이며, 알루미나를 재질로 사용하여서 단자 위에 놓여졌다. 지지대를 전지 내부에 삽입한 후 지지를 위하여 특별한 처리는 하지 않았지만, 크기를 내부 공간에 최적화시켜서 삽입하기 때문에 지지에 특별한 문제를 주지는 않았다.

<비교예 1>

상기 실시예 1에서 지지대를 제외한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 전지를 제작하였다.

<비교예 2>

상기 실시예 1에서 지지대의 크기는 동일하게 하였고, 지지대의 재질을 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전지를 제작하였다.

<실험예 1>

실시예 1에서 제조된 전지에 대해 UL의 열노출 실험을 하여 도 2와 같은 결과를 얻었다. 전지의 온도가 150도에 도달함에 따라 전지의 전압이 떨어지는 것을 알 수 있는데, 이는 팽창 후 폭발 전에 외부필름의 파단으로 인하여 전지내부가 노출되어 전해액의 증발 등을 야기함으로써 전지의 전압이 떨어지는 것이다. 이와 같은 현상은 열노출 실험에서 안전한 전지들의 특징적인 모습이라고 볼 수 있다.

상기의 과정은 다음과 같이 설명될 수 있다.

열노출 실험에서 온도의 상승에 따른 전해액의 끓음으로 인해서 전지의 팽창이 생긴다. 온도가 130도를 넘어가게 되면 전해액의 끓음 뿐만 아니라, 전지 내부의 반응 등으로 인해서 더 많은 가스가 생기며, 이로 인해 전지는 급속도로 팽창하게 된다. 또한, 전지 내부의 분리막의 녹는점이 130도 정도 부근이기 때문에 서서히 분리막도 녹게 된다. 따라서, 이러한 상호 작용으로 인해 전지는 팽창 폭발을 하게 된다. 그러나, 본 실시예의 경우 팽창 후 폭발 전에 외부필름인 포장재를 파열시킴으로 해서 안전성을 부여하게 된다.

도 3은 전지가 팽창되었을 때의 모습을 도식화한 것으로, 도 3에서 보면 전지의 최대 팽창부위는 전지의 중앙 부분이지만, 실제 전지 중앙 부위에는 구조상 지지대를 삽입하기가 힘들기 때문에 그 외의 부분 중에서 전지의 단자 아래 부분이 가장 팽창시의 변이가 심한 것을 알 수가 있고, 이를 이용하여 전지가 팽창되었을 때, 지지대를 이용하여서 전지의 파열예상부분(14)에서의 파열을 유도하였다. 실제 본 실시예에서 전지의 파열예상부분(14)의 파열이 관찰되었고, 이로 인해서 열노출 실험의 성공을 확인하였다.

반면, 비교예 1에서 제조된 전지의 열노출 실험결과는 도 4와 같고, 실험결과로부터 비교예 1과 같이 지지대가 없는 전지는 열노출 실험에 취약한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 비교예 2에서 제조된 전지의 열노출 실험결과도 4와 거의 유사하게 나타났고, 비교예 2와 같이 PET를 재질로 이용한 지지대를 사용한 경우 지지대로서의 역할을 수행하지 못하였다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 지지대는 전지의 빈 공간(dead space)을 활용하므로 부피당 에너지 밀도에서는 차이가 없고, 열노출 실험에 따라 전지 내부에서 발생하는 이상압력에 의한 전지의 팽창시에 전지의 케이스를 파단시킴으로써 안전성을 확보할 수 있다.

Claims (4)

1. 소정 간격 이격되어 설치된 양극 단자와 음극 단자를 가진 전극조립체;

   상기 양극 단자와 음극 단자가 외부로 돌출되도록 상기 전극조립체를 감싸 밀봉하는 케이스; 및

   상기 케이스의 내부에 위치하면서 그 일측 모서리가 상기 양극 단자 및 음극 단자와 연접(連接)되도록 위치하고, 케이스 내부의 이상압력 발생시 케이스를 파단시켜 오픈시키는 지지대를 구비하고,

   상기 지지대가 알루미나 또는 지르코니아의 재질로 된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
2. 제 1항에 있어서, 상기 양극 단자와 음극 단자는 각각 오목부를 가지며, 상기 지지대는 상기 각 단자의 오목부에서 연접되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 지지대는 단자 부분 옆 케이스의 모서리 부분에 닿아 있으며, 이상 압력 발생시에 단자 부분 옆 케이스의 모서리 부분을 파단시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.

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