KR100696809B1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 제1 전극과 제2 전극과 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔을 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 캔의 내측 하부에 내열성 부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
리튬이차전지, 내열 부재, 캔

Description

리튬 이차 전지{Lithium secondary battery}
도 1은 종래의 이차 전지의 개략적인 분해사시도.
도 2는 종래의 전극조립체의 사시도.
도 3, 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 내열성 부재를 구비한 리튬 이차 전지용 캔을 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 이차 전지용 캔의 하부에 내열 도료를 코팅하는 단면도.
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캔의 바닥 면에 보호회로 소자의 접속 리드를 용접하는 공정 중 전극조립체의 하부 테이프가 손상되거나 찢어지는 것을 방지하여 낙하 등의 물리적 충격이나 충방전시 단락을 방지하고 안전성을 향상시킨 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
통상적으로, 이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로서, 휴대용 전자 기기의 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속하게 신장되고 있는 추세이다.
도 1은 종래의 캔형 리튬 이차 전지의 개략적인 분해사시도이며, 도 2는 전극조립체의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 리튬 이차 전지는 제1 전극(13), 제2 전극(15) 및 세퍼레이터(14)로 구성되는 전극조립체(12)를 전해액과 함께 캔(10)에 수납하고, 이 캔(10)의 상단부를 캡조립체(70)로 밀봉함으로써 형성된다.
상기 캡조립체(70)는 캡플레이트(71)와 절연플레이트(72)와 터미널플레이트(73) 및 전극단자(74)를 포함하여 구성된다. 상기 캡조립체(70)는 별도의 절연케이스(79)에 의해 상기 전극조립체(12)와 절연되면서 상기 캔의 상단개구부에 결합되어 캔(10)을 밀봉하게 된다.
상기 캡플레이트(71)는 상기 캔(10)의 상단개구부와 상응하는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 상기 캡플레이트(71)의 중앙에는 소정 크기의 단자통공이 형성되며, 단자통공에는 전극단자(74)가 삽입된다. 상기 전극단자(74)가 단자통공에 삽입될 때는 전극단자(74)와 캡플레이트(71)의 절연을 위하여 전극단자(74)의 외면에는 튜브형의 개스킷튜브(75)가 결합되어 함께 삽입된다. 한편 상기 캡플레이트(71)의 일측에는 전해액주입공(76)은 상기 캡플레이트(71)의 타측에 소정크기로 형성된다. 상기 캡조립체(70)가 상기 캔(10)의 상단개구부에 조립된 후 전해액주입공(76)을 통하여 전해액이 주입되고 전해액주입공(76)은 마개(77)에 의 하여 밀폐된다
상기 전극단자(74)는 상기 제2 전극(15)의 제2 전극탭(17) 또는 상기 제1 전극(13)의 제1 전극탭(16)에 연결되어 제2 전극단자 또는 제1 전극단자로 작용하게 된다. 상기 제1 전극탭(16) 및 제2 전극탭(17)이 전극조립체(12)로부터 인출되는 부분에는 전극(13, 15)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다. 상기 제1 전극 또는 제2 전극은 양극 또는 음극으로 작용하게 된다.
도 2를 참조하면, 상기 전극조립체(12)의 하부에는 전극조립체의 형태를 유지시키며, 캔에 수납될 때 전극조립체의 손상을 방지하고 그 삽입을 용이하게 하기 위하여 소정 크기의 하부 테이프(20)가 감겨져 있다.
상기와 같은 캔형 리튬 이차 전지에 2차 보호소자 또는 보호회로기판이 접속 리드에 의해 연결된 채 전지 팩에 수납되는데, 상기 접속 리드 중 하나는 캔의 바닥에 연결된다.
이처럼 보호소자의 접속 리드를 캔의 바닥에 초음파 또는 저항 용접하여 연결하는 과정에서 전극조립체의 하부 테이프(20)가 손상되거나 찢어질 수 있다. 하부 테이프가 손상되거나 파열된 상태에서, 낙하 테스트 등의 물리적 충격이 가해져 전지가 흔들리거나 심하면 충방전시 전지의 단락이 일어날 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 캔의 바닥 면에 보호소자의 접속 리드를 용접하는 공정에서 발생할 수 있는 전극조립체의 하부 테이프의 손상이나 파열을 방지하여 낙하 등의 물리적 충격이나 충방 전시 전지의 단락을 방지하고 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제1 전극과 제2 전극과 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔을 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 캔의 내측 하부에 내열성 부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서 상기 내열성 부재는 그 두께가 10 내지 100㎛로 이루어지는 것이 바람직하며, 20 내지 50㎛로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3, 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 내열성 부재를 구비한 리튬 이차 전지용 캔의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 캔(10)의 내측 하부에 내열성 부재(30)가 구비되어 있다. 상기 내열성 부재(30)는 캔(10)의 내측 하부 형상에 따라 적당한 크기와 모양으로 이루어질 수 있다.
도 4a, 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 내열성 부재(32, 33)는 캔(10)의 내측 하부의 일부분에만 구비될 수도 있다. 예를 들면 보호소자의 접속리드가 용접되는 캔 바닥 부분과 대응하는 캔 내측 하부에 구비되어 용접시 전극조립체의 하부 테이프가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 내열성 부재(30)의 두께는 10 내지 100㎛인 것이 바람직하며, 20 내지 50㎛인 것이 더욱 바람직하다. 상기 내열성 부재의 두께가 10㎛ 미만이면 내열 효과가 미비하여 전극조립체의 하부 테이프의 손상을 방지할 수 없으며, 100㎛를 초과하는 경우에는 캔의 바닥 높이가 지나치게 높아져 전극조립체 등의 수납 공간에 영향을 주어 바람직하지 않다.
상기와 같이 캔(10)의 내측 하부에 내열성 부재(30)를 구비하면 캔 바닥면에 보호소자 등의 접속 리드를 용접할 때에 전극조립체의 하부 테이프가 손상되거나 파열되는 것을 방지할 수 있으며, 낙하 등의 충격이 가해졌을 때 전극조립체를 보다 안전하게 보호할 수 있다.
상기 내열성 부재(30)는 내열성 필름 또는 내열성 코팅 형태로 이루어질 수 있다. 상기 내열성 필름의 재질로는 폴리이미드(polyimide: 이하 'PI'라 함), 폴리에테르이미드(polyetherimide: 이하 'PEI'라 함), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: 이하 'PET'라 함), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate: 이하 'PEN'이라 함), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone: 이하 'PEEK'라 함), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide: 이하 'PPS'라 함), 폴리에테르술폰(polyethersulfone: 이하 'PES'라 함) 등이 사용될 수 있다.
PI 필름은 이미드화 전단계인 폴리아믹산(PAA) 상태에서 용액 주형(solution casting)을 하여 가열하며 용제를 휘발시키고 고온(약 400℃)에서 가열하여 이미드화하여 필름을 제조하며, 높은 내열성, 내한성과 함께 전기적 특성이 우수하여 그 용도 분야가 다양하다.
PEI 수지는 무정형의 열가소성 수지로 고온 유리전이온도(Tg: 219℃)를 갖는 것으로 내열성, 치수안전성이 우수하며 온도의존성이 적은 기계특성, 전기특성을 가지고 있다. PEI는 용융가공성이 좋으면 PI와 PET/PEN 중간의 요구에 대응하는 특성을 가지고 있어 PET가 사용되지 못하며 PI 만큼 내열성이 요구되지 않는 분야에서 사용되고 있다.
PEN 필름은 폴리에스테르 필름의 중요한 특성 중 하나로서, 강직한 분자사슬 구조로 인해 PET 필름보다 얇은 두께에서도 PET 필름보다 우수한 인장강도, 충격강도, 파열강도 등과 적정한 신도를 갖고 있다. 융점은 266℃이며 특히 유리전이 온도가 123℃로 PET 대비 약 50℃ 이상 높아 매우 우수한 열적 치수안정성을 가지고 있으며, 미국 UL746B 규격의 장기 내열온도 지수인 "F종 내열필름"에 해당한다. 그 밖에 전기 절연성 및 내약품성, 내가수분해성이 매우 우수하다.
PEEK 필름은 뛰어난 열안정성을 가지고 있어 260℃까지 연속사용이 가능하며 내화학 약품성 및 전기적 성질이 우수하다. 특히 에폭시 또는 시아노아릴레이트와 같은 일반 접착제를 사용한 접착 또는 복합체 구조를 갖는 라미네이션에 응용 시 매우 효과적이다.
PPS 필름은 투명성 필름이며 내열성, 치수안정성, 내방사선성, 내화학성, 저흡수성, 난연성이 뛰어나고 온도변화에 대응하는 전기적 특성의 변화가 적은 특성이 있다.
PES 필름은 투명성이 좋고 이에 더하여 높은 유리전이온도(Tg: 223℃), 저팽 창성(CTE; 2.3x10-5/℃), 우수한 기계적 강도를 갖는 특성을 가지고 있다.
본 발명에서 구체적으로 예시한, PI, PEI, PEN, PET, PEEK, PPS, PES 필름은 내열성이 뛰어날 뿐만 아니라 전기적 절연성 및 내화학성이 우수하므로, 리튬 이차 전지에 적용될 때 전해액과 반응하지 않으며, 전극조립체의 하부 테이프를 열 및 외부 충격으로부터 보호할 수 있다.
하기 표 1에서 PET, PI 필름과 PEI 필름(SUPERIO?)의 기본 물성을 비교하였다.
물성 항목 단위 SUPERIO-UT PET 필름 PI 필름 시험방법
E type F type
열적 특성 유리전이온도 ℃ 216 226 69 DSC
연속사용온도 기계적 전기적 ℃ ℃ - - 180 160 105 105 220 220 UL-746B
선팽창계수 cm/cm ℃ 4.9x10-5 5.2x10-5 2.0x10-5 2.0x10-5 ASTMD-696
열수축율 % 0.2 0.2 200℃x30min
기계적 특성 인장강도 kgf/㎟ 12 12.5 22 24 JISC-2318
파단신율 % 120 100 120 70 JISC-2318
인장탄성율 kgf/㎟ 320 290 500 400 ASTMD-638
전기적 특성 절연파괴전압 KV 10.0 10.5 9.0 10.8 JISC-2318
체적저항율 Ω-cm 1017 1017 1017 1018 JISC-2318
유전율(1KHz) 3.5 3.0 3.4 3.5 JISC-2318
기타 특성 밀도 g/㎤ 1.27 1.27 1.40 1.42 ASTMD-1505
흡수율 % 0.4 0.6 0.3 2.9 ASTMD-570
연소성(25μ) VTM-0 VTM-0 - V-0 UL-94
내약품성 알칼리 △ △ △ ○
산 ○ ○ ○ ○
유기용매 △ ○ ○ ○
상기 내열성 필름은 접착제가 없는 형태로 사용할 수 있으며, 또한 접착제 층을 포함하는 형태로도 사용할 수 있다. 상기 접착제층은 특별히 한정되지는 않지만, 캔의 바닥에 보호소자의 접속리드 등이 용접될 때 발생하는 열을 견뎌낼 수 있는 내열성 접착제인 것이 바람직하다.
내열성 접착제로는 예를 들면, 폴리이미드계 접착제, 실리콘계 접착제, 실리콘/이미드계 접착제, 에폭시계 접착제 등이 사용될 수 있다.
폴리이미드계 접착제는 통상 PI 수지에서 볼 수 있는 바와 같이 내열성, 기계적 특성, 전기적 성질 등 제반 특성이 탁월하여 고내열성 접착제의 주류를 이루고 있다.
실리콘 접착제는 폴리디메틸실록산 고무를 주성분으로 하고, 여기에 디메틸실록산을 함유하는 저분자량의 실리콘 수지가 첨가되어 있는 것으로, 넓은 온도 범위에서 사용가능하고, 내열성, 내구성이 모두 우수하다.
실리콘/이미드계 접착제는 미국 GE사에 의해 개발되었으며, 기계적 강도와 탄성이 우수하여 각종 금속에 대한 접착성이 우수하고 광범위한 열안정성을 보유한 열가소성 엘라스토머이다.
에폭시계 접착제는 다관능 에폭시수지와 방향족 아민 또는 방향족 산무수물을 경화시킴으로써 내열성을 향상시킨 것으로 분자내에 방향족환이나 이미드환과 같이 내열성이 높은 성분을 도입하여 가교밀도를 높이고 내열성을 향상시켜 장기간 200℃에서도 사용 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 리튬 이차 전지용 캔의 하부에 내열 도료를 코팅하는 단면도이다.
본 발명의 내열성 부재는 내열성 코팅 형태로 이루어질 수 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 캔(10)의 내측 하부에 노즐(40)을 이용하여 내열 도료를 스프레이함으로써 소정 두께의 내열성 코팅을 형성할 수 있다.
스프레이 도장 방법으로는 에어스프레이 도장, 에어레스 스프레이도장, 정전스프레이 도장 등이 있다.
에어스프레이 도장은 압축공기를 사용하며 표면도장의 마무리 작업을 할 때 매우 미세한 정도까지 미립화 시킬 수 있으며, 다양한 스프레이 패턴과 광범위하게 도료의 점도를 조절하여 도장할 수 있다. 공기의 양과 압력 그리고 유속의 조절에 따라 도막 외관 품질이 달라진다. 도료와 피도물에 무관하게 거의 모든 부문에 적용할 수 있다. 에어콤프레샤, 도료공급장치, 스프레이건, 도장실만이 필요하다. 설비가 간단하므로 가격이 저렴하며, 도장속도가 빠르다. 다만 에어스프레이 도장은 도료의 손실량이 많고 도료무화를 형성하게 하여 압축공기가 도장물에 부딪혀 튀어 나오면서 상당량의 도료입자를 손실시킬 수 있다.
에어레스 스프레이 도장은 도료를 분사하기 위해 도료에 직접 공기를 혼합하지 않고 압력을 이용하여 도료를 특수한 관이나 팁을 통해 분사하는 방법으로서 사용되는 압력의 크기는 내부공기 압력 비율에 대한 펌프의 공기압력으로 계산된다.
정전스프레이 도장은 도료 손실을 상당히 줄일 수 있는 도장 방식으로 도장물에 강한 정전기를 작용시켜 정전기적 인력에 의해 도료 입자를 부착시키는 원리를 이용한 것이다.
내열성 코팅의 경우 필름 형태에 비해 두께 조절이나 보다 용이하게 이루어 질 수 있으며, 캔의 형상 변화에 대하여 보다 빠르게 대응할 수 있다.
상기 내열도료로는 실리콘 수지, 실리콘알키드 수지, 우레탄 수지, 실리콘아크릴 수지 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 내열성 코팅은 불소수지 코팅으로 이루어질 수 있다. 불소수지 코팅은 내열성, 내화학성, 비점착성, 저온안정성이 우수하며, 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(Ethylene/Tetrafluoroethylene: ETFE), 퍼플루오로알콕시(Perfluoroalkoxy: PFA), 플루오로화 에틸렌 프로필렌 공중합체(Fluorinated Ethylene Propylene Copolymer: FEP) 등이 사용될 수 있다. 불소수지는 최고 290℃까지 연속 사용이 가능하며, 내열성의 기준인 고온 연속 사용 온도가 PTFE 및 PFA의 경우 260℃, FEP는 200℃이며 ETFE는 160℃이다. 액상 또는 분말형태의 불소수지를 모든 종류의 금속의 표면에 적당량 도포 후, 일정한 온도에서 가열 소성하면, 비활성의 단단한 코팅층이 형성된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따른 캔의 내측 하부에 내열성 부재를 구비한 리튬 이차 전지는 캔 바닥면에 보호소자 등의 접속 리드를 용접할 때에 전극조립체의 하부 테이프가 손상되거나 파열되는 것을 방지할 수 있으며, 낙하 등의 충격이 가해졌을 때 전극조립체를 보다 안전하게 보호할 수 있어 안정성이 향상된다.

Claims (14)

  1. 제1 전극과 제2 전극과 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극조립체와, 상기 전극조립체의 하부에 부착되는 하부 테이프와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔 및 접속리드의 하나가 상기 캔의 바닥에 용접되는 보호소자를 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서,
    상기 보호소자가 용접되는 상기 캔의 바닥부분에 대응되는 상기 캔의 내측 하부에 부착되는 내열성 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 내열성 부재의 두께는 10 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 내열성 부재의 두께는 20 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 내열성 부재는 내열성 필름인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 내열성 필름은 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에틸 렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에테르술폰으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 내열성 필름은 접착제층을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 접착제는 내열성 접착제인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 접착제는 폴리이미드계 접착제, 실리콘계 접착제, 실리콘/폴리이미드계 접착제 및 에폭시계 접착제로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 내열성 부재는 내열성 코팅으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 내열성 코팅은 내열도료를 스프레이하여 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 내열도료는 실리콘 수지, 변성 실리콘 수지, 우레탄 수지, 실리콘알키드 수지 및 실리콘아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 내열성 코팅은 불소수지 코팅인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 불소수지는 폴리테트라플루오로에틸렌, 에틸렌/테트라플루오로에틸렌, 퍼플루오로알콕시 및 플루오로화 에틸렌 프로필렌 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
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