KR100659852B1 - 캔형 이차 전지 - Google Patents

Abstract

두 전극과 이들 두 전극 사이에서 단락을 방지하는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 캔, 상기 캔의 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 구비하는 이차 전지에 있어서, 캔은 내측 및 외측의 적어도 일부 면이 두 층으로 이루어지고, 상기 두 층은 열팽창율이 다른 두 금속 혹은 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지가 개시된다. 본 발명에 따르면, 스웰링에 의한 변형을 일정 범위에서 억제하고, 벤트의 시기 적절한 작동이 이루어지게 하는 효과가 있다.

Description

캔형 이차 전지{Can type rechargeable battery}

도1은 스웰링에 의한 캔 변형을 나타내기 위한 설명도,

도2 및 도3는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 캔의 구조를 나타내는 정단면도 및 측단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11: 캔 13: 캡 플레이트

111: 외층 113: 내층

본 발명은 캔형 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스웰링을 방지할 수 있는 구성을 가진 캔형 이차 전지에 관한 것이다.

비디오 카메라, 휴대용 전화, 노트북 컴퓨터, 휴대용 개인정보단말기(PDA) 등의 휴대용 무선 기기 제품과 전기 자전거, 전기자동차, 전동공구 등의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 이들 제품의 구동 전원으로서 사용되는 전지의 중요성이 증가되고, 전지에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.

특히, 충전과 방전을 반복하면서 재생이 가능한 이차 전지는 소모성인 일차 전지에 비해 높은 경제성을 가지므로 보다 많이 연구되고, 개발되어 사용이 더욱 늘고 있다. 대표적으로, 리튬 이온 전지의 경우, 리튬의 가벼운 원자 특성으로 인하여 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소(Ni-MH)전지, 니켈-아연전지 등과 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 높고, 급속 충전이 가능하기 때문에 이에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

그런데, 전지에서는 전해액과 활물질, 케이스 등 많은 재료들이 사용되며, 충전과 방전을 거듭하게 되므로 그 과정에서 원하는 전지 반응 외에 많은 부반응들이 발생할 수 있다. 그리고, 이들 부반응 가운데 상당 수는 전지 내부에 가스를 발생시킬 수 있다. 특히, 전지의 이상 과열, 이상 전압 인가 등에서 전지의 성능과 수명에 바람직하지 않은 부반응 가스가 많이 발생할 수 있다.

가령, 리튬 이온 전지의 양극을 형성하는 슬러리를 제조할 때 정확한 화학양론에 의해 산화코발트와 탄산리튬을 섞는 것은 아니다. 오히려 과열시 벤트의 작동을 고려하여 탄산 리튬을 여분으로 남기게 된다. 이런 여분에서 전지의 과충전,과열이 발생하면 탄산 가스가 생성된다. 초기 충전과 에이징 과정 등에서도 전해질과 음극 혹은 양극 물질, 세퍼레이터 물질 등의 반응에 의해 반응 가스가 형성된다. 파우치 전지의 경우 초기 충전과 에이징에서 오는 가스를 제거하기 위해 전극 조립체가 놓이는 공간과 연통되는 가스방을 만들어 이용하고 있다.

이차 전지 형성 및 사용 과정에서 발생하는 가스는 전지의 이상을 반영하여 더 큰 위험에 노출되는 것을 방지하도록 벤트를 작동시키는 등의 긍정적인 역할을 한다. 한편, 전지 자체로서는 가스가 일정 이상 발생하면 스웰링(swelling) 현상이라는 전지 케이스의 변형을 유발시킨다. 도1은 이차 전지 제조에 사용되는 각형 캔의 스웰링을 나타내는 개략적인 설명도이다. 스웰링은 전극 조립체의 충방전에 따른 용적 변화 등에 의해서도 발생할 수 있으나, 통상 전지 내부의 가스의 발생에 의해 발생한다.

스웰링에 의한 전지 케이스 변형 정도가 심하면 전지는 생산단계에서는 폐기되고, 사용단계에서는 더이상 사용될 수 없거나, 늘어난 부피로 인하여 기기에 장착 사용이 불편하게 되는 등의 문제를 일으킨다. 파우치에서는 스웰링이 파우치 융접부의 틈을 쉽게 발생시켜 산소나 수분의 유입 등 문제를 일으킬 수 있다. 통상, 전지 내 가스 발생과 스웰링은 전지의 내부 환경을 바꾸어 기능 이상, 충전량 저감의 문제를 일으킬 수도 있다.

스웰링은 앞서 언급한 충방전 이상 등 전지 이상에서 급격히 이루어지거나, 파우치 케이스의 베리어막을 뚫고 유입되는 산소, 수분 등에 의해 서서히 이루어지는 등 다양하게 발생한다. 서서히 이루어지고, 사용에 큰 위험이 없는 단계에서는 스웰링에 의한 변형이 어느 정도 억제되는 것이 유리하다. 또한, 일시적인 외부 온도 증가에 의해 일시적으로 가스가 발생하여도 그 상황을 벗어날 수 있고, 가스가 가역적으로, 혹은 첨가물에 의해 제거될 수 있는 것이라면 스웰링 변형은 억제되는 것이 바람직하다.

한편, 가스 발생시의 스웰링 변형은 전지 내부 용적을 늘리는 작용을 할 수 있다. 전지 케이스가 쉽게 변형되어 용적이 증가할 경우, 용적 증가는 전지 내압을 감소시킨다. 결국, 전지 이상 발생시 케이스가 쉽게 변형되면 벤트의 적절한 작동이 어렵게 되는 문제가 있다. 따라서, 이상 발생시에 전지의 스웰링을 억제하고 내압을 바로 상승시켜 벤트의 작동을 원할히 할 수 있는 구성의 이차 전지가 요청된다.

본 발명은 종래의 캔형 이차 전지에서의 스웰링 현상을 저감시키기 위한 것으로, 온도의 상승시 내부에 어느 정도 이하의 가스 발생이 이루어지는 경우에 캔의 변형을 방지한 채 유지하고, 심각한 문제 발생시에는 내압을 빠르게 상승시켜 안전 벤트를 정상적으로 동작하게 할 수 있는 캔형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

두 전극과 이들 두 전극 사이에서 단락을 방지하는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 캔, 상기 캔의 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 구비하는 이차 전지에 있어서,

캔은 내측 및 외측의 적어도 일부 면이 두 층으로 이루어지고, 상기 두 층은 열팽창율이 다른 두 금속 혹은 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 통상 스웰링을 억제하기 위해서는 열팽창율이 낮은 금속을 외측 에, 열팽창율이 높은 금속을 내측에 위치하도록 하나, 목적에 따라 두 금속층 배치를 바꾸는 것도 가능하다.

본 발명에서 클래드(CLAD) 구조를 이루는 두 재료는 팽창이 적은 쪽에는 니켈과 철의 합금, 팽창이 큰 쪽에는 구리와 아연의 합금, 니켈 ·망간 ·철의 합금, 니켈 ·몰리브덴 ·철의 합금, 망간 ·니켈 ·구리의 합금 등 여러 가지를 사용할 수 있다. 팽창이 큰 알미늄과 함께 기타 구리, 지르코늄, 티타늄, 마그네슘 등도 클래드층을 만들 수 있다.

본 발명에서 막대형 혹은 각형 전지의 대향하는 두 최대면은 두 층으로 이루어지는 것이 바람직하며, 최대면과 타면은 두 층의 구성이 역전되는 것도 가능하다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 볼 발명을 좀 더 설명하기로 한다.

도2 및 도3는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 캔의 구조를 나타내는 정단면도 및 측단면도이다.

캔(11)은 위쪽으로 개구부가 형성된 각형 캔을 나타내며, 내측은 알미늄층, 외측은 구리층으로 이루어진다. 이런 캔(11) 구조를 형성하기 위해 먼저 캔(11)의 외층(111)을 이루는 구리판 위에 캔의 내층(113)을 이루는 알미늄판을 겹쳐 두 금속층이나 합금층이 넓은 면적에서 접하는 클래드 구조를 이룬다. 알미늄판과 구리판은 접착으로 결합시킨다. 이어서 딥드로잉(Deep drawing) 방법으로 글래드판에서 캔(11)을 형성시킨다. 내외 두 금속층의 두께를 동일하거나 동일하지 않게 형성될 수 있다.

이런 구조를 가진 캔(11)의 작용을 살펴보면, 먼저 전지의 내부 단락, 과충전 등의 이상이 발생하여 80도씨 내지 100도씨 정도의 고온이 되면 전지 내부에서 화학반응에 의해 반응가스들이 발생한다. 이 가스들은 주로 양극에 여분으로 포함된 탄산 리튬에서 분해되는 이산화탄소로 이루어진다. 내부 압력이 높아짐에 따라 내부 가스는 전지의 캔(11)을 외측으로 밀고, 각 부분에 작용하는 힘은 통상 도1의 실선 화살표와 같이 최대면을 외측으로 볼록하게 만든다. 최대면을 전후로 연결하는 좁은 옆면, 상부 플레이트(13)면 및 캔 하면은 최대면의 주변이 내측으로 밀림에 따라 내측으로 볼록한 형태를 가지는 경향이 있다.

이때 전지가 고온이 됨에 따라 캔(11)의 벽체에는 바이메탈과 같은 작용이 이루어진다. 즉, 캔의 벽체는 온도 상승에 따라 열팽창이 심한 내층(113) 금속측으로 변형되는 힘을 받는다. 가장 면적이 넓은 최대면이 가장 변형 힘을 많이 받게되므로 최대면은 도3의 점선 화살표와 같이 가운데가 내측으로 볼록하게 변형되려 한다. 결국 캔(11)의 최대면 벽체에는 실선 및 점선 화살표와 같이 가스 발생으로 인한 외측으로 작용하는 힘과 두 층을 이루는 금속의 열팽창율 차에 의해 내측으로 돌출되려는 힘이 상쇄되어 그 변형 정도가 줄어들게 된다. 즉, 스웰링 현상이 억제된다. 최대면을 제외한 다른 벽체면에도 상반되는 힘이 작용하여 그 변화 정도가 줄어든다. 최대면의 변형에 대한 반작용으로 인한 변형도 서로 상반되게 작용하여, 다른 벽체면들의 변형은 결국 줄어들게 된다.

도면에서 직선 화살표는 가스에 의한 스웰링 변형 방향을, 점선 화살표는 캔의 클래드 구조 벽체의 고온에 의한 변형 방향을 표시한다.

이상의 실시예는 막대형 혹은 각형 전지에 대해 설명하고 있으나 원통형 전지에서도 유사하게 적용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 캔형 이차 전지에서의 스웰링 현상을 저감시킬 수 있다.

따라서, 캔형 이차 전지의 온도의 상승시 내부에 어느 정도 이하의 가스 발생이 이루어지는 경우에 캔의 변형을 방지한 채 유지할 수 있다.

한편, 본 발명에 따르면, 내부 단락이나 과충전 등으로 전기가 과열되고, 심각한 문제 발생시에는 가스 발생에 의한 내압을 즉시로 상승시켜 안전 벤트를 정상적으로 적시에 동작하게 할 수 있도록 한다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 두 전극과 상기 두 전극 사이에서 단락을 방지하는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체,

   상기 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 캔,

   상기 캔의 개구부를 마감하는 캡 어셈블리를 구비하는 이차 전지에 있어서,

   상기 캔은 적어도 일부 면에서 내측 및 외측의 두 층으로 이루어지고,

   상기 두 층 가운데 내측 층은 외측 층보다 열팽창율이 높은 금속이나 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 외측 층은 니켈, 철 및 그 합금 가운데 하나로,

   상기 내측 층은 구리와 아연의 합금, 니켈 ·망간 ·철의 합금, 니켈 ·몰리브덴 ·철의 합금, 망간 ·니켈 ·구리의 합금 가운데 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 내측 층은 알루미늄으로

   상기 외측 층은 구리, 지르코늄, 티타늄, 마그네슘 가운데 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 일부 면은 각형 캔의 대향하는 두 최대면인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 일부 면을 제외한 다른 면도 내측 층 및 외측 층으로 이루어지고,

   상기 다른 면의 외측 층은 상기 다른 면의 내측 층보다 열팽창율이 높은 금속이나 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.

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