KR100627400B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차전지는 전해액을 절약하고 전극군의 형상이 유지될 수 있도록, 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극판 및 음극판을 포함하는 전극군, 및 상기 전극군이 삽입되고 대향하는 두 개의 평면부와 상기 평면부들을 연결하며 외측으로 돌출되는 확장부가 구비되는 케이스를 포함한다.

이차 전지, 전해액, 케이스, 확장부, 전극군

Description

이차 전지{SECONDARY BATTERY}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 전극군을 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 케이스를 도시한 단면도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지를 도시한 단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 케이스의 구조를 개선한 이차전지에 관한 것이다.

최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.

상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 등의 형상이 있으며, 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 '전지모듈'이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 '단위전지'라 칭한다)로 이루어진다.

상기 각각의 단위전지는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군, 상기 전극군이 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트, 상기 캡 플레이트에 삽입되고 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.

그리고 각각의 단위전지를 일렬로 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자간에 너트를 매개로 도전체를 연결 설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.

여기서 상기 전극군은 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재하여 적층하고 이를 권취한 후에 납작하게 가압함으로써 젤리-롤 형태로 형성되는데, 이 경우 가장자리가 볼록한 아령형 단면구조를 갖게 된다.

그리고 케이스에 전극군이 삽입된 후, 이온전도의 매개체 역할을 하는 전해액이 주입되는데, 상기 케이스가 직사각형으로 형성되면 전극군과 케이스 사이에 과다한 잉여공간이 생겨서 전해액이 낭비되는 문제점이 있다.

그리고, 상기 단위전지가 충전과 방전을 되풀이함에 따라 양극과 음극으로부터 유기 전해액이 분해되어 가스(gas)가 발생하는 스웰링 현상이 나타나는데, 이로 인하여 상기 전극군의 내측에서 극판 사이가 이격되어 간극이 발생될 수 있다. 이 러한 간극은 단위전지의 충전과 방전을 방해하여, 전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이차전지의 케이스의 구조를 개선하여 케이스와 전극군 사이의 거리를 축소시킴으로써 전해액을 절약하며, 전극군의 내측에 간극이 발생하는 것을 방지하여 전극군의 형태를 유지시킬 수 있는 케이스를 구비한 이차전지를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 단위전지의 케이스는 마주보는 두 개의 평면부와 상기 평면부들을 연결하며 상기 평면부보다 외측으로 돌출되도록 형성되는 확장부를 포함한다.

여기서 상기 단위 전지는 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군, 및 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스를 밀폐하는 캡 플레이트 및 상기 캡 플레이트에 설치되며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 전극단자를 포함한다.

여기서 상기 케이스는 대향하는 두 개의 평면부와, 상기 평면부들의 양단에 접하며 상기 평면부들 사이의 거리 보다 큰 최대 외측면 사이의 거리를 갖도록 형성되는 확장부를 포함한다.

그리고 상기 확장부는 호(弧) 형태의 완만한 곡면으로 상기 평면부들의 양측 을 연결하는 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 구조의 케이스는 아령형의 단면 형상으로 이루어져 상기 전극군의 외형과 대응되는 형상으로 이루어져, 상기 전극군과 상기 케이스 사이의 거리를 최소한으로 감소시킬 수 있다. 다만, 상기 확장부의 단면이 호 형상에 한정되는 것은 아니며, 상기 평판부보다 외측으로 돌출된 구조라면 다양한 형상으로 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 확장부의 외측면 사이의 최대거리는 상기 평판부들의 외측면 사이의 거리의 1.4배 보다 작고, 1.1배 보다 크도록 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 케이스는 단위전지의 무게를 최소화할 수 있도록 상기 평면부와 곡면부가 균일한 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 케이스는 대향하는 양측에 개구부가 형성되고 각각의 개구부에 캡 플레이트가 결합되어 개구부를 밀폐하며, 상기 각 개구부에 하나의 단자가 설치된 구조로 이루어질 수 있다. 따라서 양극단자와 음극단자는 각각 다른 캡 플레이트에 설치되어 케이스의 양측으로 돌출된 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 케이스는 외측면에 다수의 격벽이 돌출 형성될 수 있으며, 이러한 격벽은 상기 평면부에 대하여 수직인 방향으로 돌출 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 이러한 구조는 상기 단위전지들이 전지모듈로 구성될 때, 이웃하는 단위전지와 간격을 유지시키며, 이러한 간격은 냉매의 유동통로로 이용될 수 있다.

그리고 상기 격벽은 상기 확장부보다 측방향으로 더 길게 돌출되도록 형성되는 것이 바람직하며, 이러한 구조로 인하여 상기 단위전지의 확장부가 전지모듈로 구성될 때, 이웃하는 단위전지의 확장부와 서로 충돌하지 않도록 간격을 유지시킬 수 있다.

또한, 상기 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(10)를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 전극군(25)을 도시한 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 상기 단위전지(10)는 양극판(11)과 음극판(12) 사이에 절연체인 세퍼레이터(13)를 개재하여 젤리-롤 형태로 권취된 전극군(25), 대향하는 양단이 개방되고 내부에 상기 전극군(25)을 수용하는 공간부를 갖는 케이스(15), 상기 케이스(15)의 개방단에 결합되어 케이스(15)를 밀폐하는 캡 플레이트(16), 및 상기 캡 플레이트(16)에 설치되어 전극군(25)과 전기적으로 연결되는 양극 단자(21)와 음극 단자(23)를 포함한다.

그리고 상기 양극판(11) 및 음극판(12)은 박판의 금속호일로 형성된 집전체에 활물질이 도포된 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 영역인 무지부(11a, 12a)를 포함한다. 상기 무지부(11a, 12a)는 고출력 이차전지(10)의 경우 양극판(11) 및 음극판(12)의 길이방향을 따라 양극판(11) 및 음극판(12)의 측면에 형성된다. 그리고 상기 양극판(11) 및 음극판(12)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 중심에 개재하여 적층되며 권취롤 등을 이용해서 권취되어 젤리-롤 형태의 전극군(25)을 이루게 된다.

또한, 상기 전극군(25)은 상기 케이스(15)에 내장될 수 있도록 프레스 등으로 가압되어 납작한 형태를 이루게 되는데, 이때 가압되는 극판들이 양측으로 밀려서 양측 가장자리가 볼록하게 부풀어 볼록부(25a)가 형성된다.

또한 상기 케이스(15)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 상기 전극군(25)의 형상과 대응되는 형상으로 형성된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(10)를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이스(15)를 도시한 단면도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 상기 케이스(15)는 평행하게 마주보도록 형성되는 두 개의 평면부(15a)와 상기 평면부(15a)의 양 측단에서 상기 평면부(15a)들을 연결하며 상기 평판부(15a)보다 외측면이 돌출되는 두 개의 확장부(15b)를 포함한다.

여기서 상기 각 확장부(15b)는 상기 평판부와 상기 평면부의 각 측단에서 접하고, 단면이 호(弧)형상을 이루도록 완만한 곡면으로 형성된다. 여기서 상기 호는 우호(優弧)로 형성되어 호가 시작된 위치에서 외측으로 확장되다가 다시 좁아져서 만나는 구조 이루어진다. 따라서 상기 확장부(15b)의 최대 폭은 상기 평판부(15a)들 사이의 폭 보다 더 넓게 형성된다.

다만 본 실시예에 따른 확장부(15b)의 형태는 예시적인 것에 불과하며, 외측면 사이의 최대 거리가 상기 평면부(15a)의 외측면 사이의 거리보다 크게 형성된다 면, 호형상 뿐만 아니라 다양한 구조가 적용될 수 있다.

또한, 상기 평면부(15a)들의 외측 사이의 거리 L과 상기 확장부(15b) 외측의 최대 거리 D는 1.1≤S/D≤1.4인 관계를 만족하도록 형성된다.

만일 S/D가 1.1보다 작으면, 전극군(25)의 양측 가장자리에 형성되는 볼록부가 삽입될 수 있도록 상기 케이스(15)의 폭을 크게 형성하여 평면부(15a)와 케이스(15) 사이의 거리가 커지는 문제점이 있으며, S/D가 1.4보다 크게 형성되면, 케이스(15)의 확장부(15b)가 지나치게 크게 형성되어 오히려 확장부(15b)에서 잉여공간이 과다하게 생겨서 단위전지(10)의 부피가 증가하며, 전해액이 낭비되는 문제점이 있다.

이러한 구조로 상기 케이스(15)의 형상이 상기 전극군(25)의 형상과 유사하게 형성되어, 상기 전극군(25)과 케이스(15) 사이의 잉여공간이 감소되어 전해액의 낭비를 방지할 수 있고, 스웰링 현상이 발생하여 전극군(25)이 팽창할 경우, 상기 평면부가 전극군(25)을 지지하여 전극군(25)의 내측에 거리가 생겨서 단위전지(10)의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

그리고 상기 케이스(15)는 상기 평면부(15a)와 확장부(15b)가 둘레면을 형성하고 이러한 둘레면의 상단과 하단이 개방된 구조로 형성된다. 또한, 상기 케이스(15)의 일측 개방단에는 양극단자(21)가 구비된 캡 플레이트(16)가 결합되고, 타측 개방단에는 음극단자(23)가 구비된 캡 플레이트(16)가 결합된다. 따라서 상기 단위전지(10)는 케이스(15)의 일측에 양극 단자(21)가 설치되고, 이와 대향하는 타측에 음극 단자(23)가 설치된 구조로 이루어진다.

다만, 케이스(15)의 양측이 개방되는 구조는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 케이스(15)의 일측이 개방되고 상기 일측에 양극단자(21)와 음극단자(23)가 모두 설치된 구조로 형성될 수도 있다.

그리고 상기 케이스(15)는 균일한 두께로 형성되며, 이러한 구조로 인하여 상기 전극군(25)을 안정적으로 지지하고, 상기 단위전지(10)의 무게를 최소화할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지를 도시한 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이 상기 케이스(35)의 외면에는 다수의 격벽(35c)이 형성된다. 이러한 격벽(35c)은 상기 케이스의 평면부(35a)에 대하여 수직인 방향으로 돌출 형성된다. 그리고 상기 격벽(35c)은 상기 평면부(35a)의 높의와 동일한 높이로 형성되고, 상기 확장부(35b)보다 더 외측으로 돌출된 구조로 이루어진다.

이러한 격벽(35c)은 상기 단위전지(30)가 전지 모듈로 구성될 때, 이웃하는 단위전지와의 거리를 이격시키는 역할을 하며, 이격된 공간은 상기 단위전지(30)에서 발생된 열을 방출시키는 냉매의 유동 통로가 된다.

또한, 상기 격벽(35c)이 확장부(35b)보다 더 돌출되도록 형성되어, 상기 단위전지(30)의 확장부(35b)가 이웃하는 단위전지의 확장부와 접하여 상기 확장부(35b)가 변형되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있으며 반드시 그 용도가 이에 한정되는 것은 아니다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 전지의 케이스가 전극군의 형상과 대응되는 형상으로 이루어져 전극군과 케이스 사이의 간격을 감소시킬 수 있어서, 전해액이 낭비되는 것을 방지할 수 있고 스웰링 현상이 발생하여 전극군의 내측에 간격이 생겨서 단위전지의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

그리고 상기 전지 케이스의 외벽에 다수의 격벽이 형성되어 전지모듈을 구성할 때 냉매의 유동통로를 제공하며, 상기 케이스의 확장부의 형태가 변형되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (9)

1. 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군; 및

   상기 전극군이 삽입되고, 대향하는 두 개의 평면부와 상기 평면부들을 연결하며 외측면이 돌출되는 확장부를 포함하는 케이스;

   를 포함하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 확장부는 상기 평면부보다 외측면이 측방향으로 돌출되도록 형성되는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 확장부는 단면이 호(弧)형상인 곡면으로 형성되는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 평면부들의 외측면 사이의 거리 D와 상기 확장부의 외측면 사이의 최대 거리 S는

   1.1≤S/D≤1.4

   인 관계를 만족하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스는 균일한 두께를 갖도록 형성되는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스는 대향하는 양측에 개구부가 형성되는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스는 외면에서 돌출 형성되는 다수의 격벽이 구비되는 이차전지.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 격벽은 상기 확장부보다 더 외측으로 돌출되도록 형성되는 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 모터 구동용인 이차전지.

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