KR100731434B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

직육면체 박스형으로 이루어지되 케이스의 폭과 두께의 크기가 동일한 것을 특징으로 하는 이차 전지가 개시된다. 이때 동일하다는 것은 가령 오차 5% 내지 10% 이내의 편차를 가지면서 대략 동일한 크기로 이루어지는 것이라고 생각할 수 있다.

본 발명에서 케이스뿐 아니라 전극 조립체 자체가 두께와 너비가 같은 정 4각 기둥형으로 이루어지는 것이 바람직하며, 전극 조립체 권취 후에는 4각 기둥 혹은 각통형 센터핀을 사용하여 그 형상을 유지시킬 수 있다.

Description

이차 전지{Rechargeable Battery}

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 캔 베어셀 전지의 분해 사시도이다.

도2는 본 발명의 다른 실시예를 이루는 이차 전지를 나타내는 분해 사시도이다.

도3은 본 발명의 또 다른 실시예를 이루는 이차 전지를 나타내는 사시도이다.

도4A 및 도4B는 도1 내지 도3의 실시예들에서 사용된 전극 조립체를 나타내는 사시도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬 이온 이차 전지의 형상 및 구조에 관한 것이다.

최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있 다. 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 통상 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.

특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 사용이 늘고 있다.

리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

통상적으로, 리튬 이온 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 리튬 이온 이차 전지용 케이스와, 리튬 이온 이차 전지용 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.

전극조립체는, 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이 를 권취하는 방법으로 제조된다.

그 후, 전극 조립체는 리튬 이온 이차 전지용 케이스에 수용된다. 캔형 케이스의 경우, 전극 조립체가 캔에서 이탈하지 않도록 캔 입구는 캡 조립체에 의해 폐쇄된다. 캡 조립체는 원통형과 각형에서 구성을 달리한다.

한편, 전자 전기 기기에서 이차 전지를 사용할 때, 많은 전지 용량이 필요한 경우 대개 원통형 캔 전지가 사용되고, 기기의 디자인에 따라 경소단박한 형태가 필요한 경우, 디자인 적응성이 뛰어난 얇은 두께의 각형 캔 전지나 파우치 전지가 많이 사용된다.

최근 고용량 전지와 전지팩에 대한 수요가 늘어나면서 기기에 원통형 전지가 꾸준히 증가하면서 사용되지만 전자 전기 기기의 종류에 따라서는 활당된 일정 형태의 공간에 더 많은 용량을 가진 전지가 사용될 필요가 있다. 전지팩은 원통형 전지를 이용하여 실린더형이나 육면체 박스형으로 모두 만들어질 수 있다. 그런데, 기기에 주어지는 공간이 육면체 박스형으로 이루어지는 경우, 이 공간에 실린더형 전지팩을 설치하는 것은 공간의 활용효율을 떨어뜨리게 된다. 또한, 기기의 직육면체 공간에 육면체 박스형 전지팩을 장착했으나, 박스형 전지팩 내에는 원통형 전지가 채워지는 경우에도 박스형 전지팩과 원통형 전지 사이의 남는 공간을 가지게 된다.

따라서, 고용량이면서도 기기나 전지 팩의 각형 공간에 빈 공간을 남기지 않고 채워지는 전지가 요청된다.

본 발명의 목적은 이러한 고용량 전지에 대한 요청과 기기나 전지팩 케이스의 육면체 박스형 공간 활용도를 높이는 요청을 충족시키기에 적합한 형상과 구조를 가지는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

아울러 본 발명은 박스형 공간에 장착될 때 장착 편의성을 높일 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 이차 전지는, 대략 직육면체 박스형으로 이루어지되 폭과 두께의 크기가 동일한 것을 특징으로 한다.

이때 동일하다는 것은 가령 오차 5% 내지 10% 이내의 편차를 가지면서 대략 동일한 크기로 이루어지는 것이라고 생각할 수 있다. 원통형 전지와 같이 본 발명의 전지 케이스의 두께 및 폭이 대략 2센티미터 정도라 가정할 때 장착부의 1 내지 2미리미터 정도의 오차는 두께와 폭이 바뀔 경우에도 큰 어려움이 없이 장착될 수 있는 범위라 생각할 수 있다. 따라서, 수치를 10% 혹은 엄격하게 적용하여도 두께와 폭이 5% 정도 차이가 나는 경우에도 본원의 효과를 얻을 수 있을 것이다.

본 발명에서 케이스뿐 아니라 전극 조립체 자체가 두께와 너비가 같은 정 4각 기둥형으로 이루어지는 것이 바람직하다. 전극 조립체는 양극과 음극을 세퍼레이터를 개재하여 계속 쌓아나가는 단순 적층형도 배재할 수 없으나 형성효율이 높은 젤리롤 형태의 권취형이 주로 고려될 수 있다. 이때, 전극 조립체를 4각 기둥 형태로 유지하기 위해 권취기 맨드렐은 각형으로 형성할 수 있으며, 전극 조립체 권취 후에는 4각 기둥 혹은 각통형 센터핀을 사용하여 그 형상을 유지시킬 수 있 다.

본 발명에서, 이차 전지의 케이스는 각형 캔이나 파우치 등으로 이루어질 수 있으며, 각형 캔을 사용하는 경우에도 전극 조립체의 인입구가 되는 캔의 개구부는 통상의 각형 캔의 캡 조립체와 같이 캡 플레이트 및 이와 절연된 전극 단자를 가지는 형태, 하나의 전극 단자만을 가지고, 주변이 가스켓에 의해 감싸져 다른 전극 단자를 이루는 캔과 절연되는 캡 조립체에 의해서도 마감될 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 캔 베어셀 전지의 분해 사시도이다. 캡 조립체에는 정방형의 캡 플레이트와 캡 플레이트 중앙의 단자 통공에 가스켓으로 캡 플레이트와 절연되도록 설치된 전극 단자가 구비된다. 안전벤트와 전해액 주입구도 캡 플레이트에 형성된다. 도시되지 않지만 캡 플레이트에는 열전쌍을 구비한 브레이커나 PTC가 더 설치될 수 있다.

전극 조립체에서는 상부로 두 개의 전극 탭이 인출되며, 전극조립체는 위에서 볼 때 거의 4각형에 가까운 형태로 감겨있다. 즉, 각진 젤리 롤을 이루고 있다. 단, 모서리부는 어느 정도의 곡률을 가지도록 형성된다. 전극 조립체가 캔에 삽입되기 전이나 삽입된 후에 전극 중심은 4각 기둥 형태의 센터 핀이 설치될 수 있다.

전극탭과 캡 플레이트 및 전극 단자와의 접속 구조는 통상의 각형 캔 베어셀 전지에서의 연결 형태와 유사하게 이루어질 수 있다.

도1을 참조하면, 각형 리튬 이온 전지는 캔(11)과, 이 캔(11)의 내부에 수용 되는 전극 조립체(12)와, 캔(11)의 개방된 상단과 결합하여 캔 상단을 밀봉하는 캡 조립체를 구비한다.

캔(11)은 대략 직육면체 용기 형상을 가진 알미늄, 알미늄 합금, 철 등 금속재로 형성될 수 있으며, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 양극(13)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예컨대 알미늄 호일로 된 양극 집전체와, 그 양면에 코팅된 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질층을 포함하고 있다. 양극(13)에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 탭(16)이 전기적으로 연결되어 있다.

음극(15)은 전도성의 금속 박판, 이를테면 구리 호일로 된 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질층을 포함하고 있다. 음극(15)에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 탭(18)이 접속되어 있다.

양극(13) 및 음극(15)과, 양극 탭 및 음극 탭(16,18)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 양극 탭 및 음극 탭(16,18)가 전극 조립체(12)로부터 인출되는 경계부에는 두 전극(13,15)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(17)가 각각 감겨져 있다.

세퍼레이터(14)는 폴리에틸렌이나, 폴리프로필렌이나, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어져 있다. 세퍼레이터(14)는 양극 및 음극(13)(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하여 극판간의 단락을 방지하도록 한다.

캡 조립체에는 캔(11)의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판 형의 캡 플레이트(110)가 마련되어 있다. 캡 플레이트(110)의 중앙부에는 전극 단자가 통과할 수 있도록 단자용 통공이 형성된다. 캡 플레이트(110)의 중앙부를 관통하는 전극 단자(130) 외측에는 전극 단자(130)와 캡 플레이트(110)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치되어 있다. 캡 플레이트(110) 중앙부, 단자용 통공 근방에는 캡 플레이트 하면에 절연 플레이트(140)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(140)의 아랫면에는 단자 플레이트(150)가 설치되어 있다.

전극 단자(130)는 가스켓(120)이 외주면을 감싼 상태에서 단자용 통공을 통하여 삽입되어 있다. 전극 단자(130)의 저면부는 절연 플레이트(140)를 개재한 상태에서 단자 플레이트(150)와 전기적으로 연결되어 있다.

캡 플레이트(110) 하면에는 양극(13)으로부터 인출된 양극 탭(16)이 용접되어 있으며, 전극 단자(130)의 하단부에는 음극(15)으로부터 인출된 음극 탭(18)이 사행으로 접혀진 상태에서 용접된다.

전극 조립체(12)의 상면에는 전극 조립체(12)와 캡 조립체와의 전기적 절연을 위하고, 이와 동시에 상기 전극 조립체(12)의 상단부를 커버할 수 있도록 절연 케이스(190)가 설치되어 있다. 절연 케이스(190)는 절연성을 가지는 고분자 수지이며, 폴리 프로필렌으로 된 것이 바람직하다. 전극 조립체(12)의 중앙부와 음극 탭(18)이 통과할 수 있도록 리드 통공(191)이 형성되고, 다른 측방에는 전해액 통과공(192)이 형성되어 있다. 전해액 통과공은 별도로 형성되지 않을 수 있다.

캡 플레이트(110)의 일측에는 전해액 주입구(112)가 형성되어 있다. 상기 전해액 주입구(112)에는 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입구를 밀폐시키기 위하여 마개(160)가 설치된다. 마개(160)는 통상 알미늄이나 알미늄 함유 금속으로 만든 볼을 전해액 주입구 위에 놓고 기계적으로 전해액 주입구로 압입하여 형성한다. 따라서 볼은 전해액 주입구(112)보다 큰 직경을 가져야 한다.

도2는 본 발명의 다른 실시예를 이루는 이차 전지를 나타내는 분해 사시도이다.

도2의 실시예에서 캔과 캡 조립체의 기본적인 구성은 원통형 전지의 기본 구성과 유사하다. 단, 캔과 전극 조립체가 4각 실린더 및 4각 기둥 형태로 이루어지며, 캡 조립체으 각 부품이 4각으로 이루어진다. 이런 경우에도 캡 조립체는 캔 개구부에 가스켓을 개재한 상태로 설치되어 클램핑을 통해 캔 상부를 마감할 수 있다.

도2를 참조하여 좀 더 살펴보면, 막 형태 혹은 판 형태의 두 전극과 세퍼레이터가 이 적층되고, 와형으로 권취되어 젤리롤형 전극 조립체(220)를 형성한다. 이때, 이들 전극 사이 및 두 전극 아래쪽 혹은 위쪽에는 세퍼레이터가 하나씩 위치하므로 겹쳐지고, 권취되는 두 전극이 맞닿는 부분에는 어디나 세퍼레이터가 개재되어 단락을 방지한다.

전극 집전체에 활물질 슬러리 도포된 전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재한다. 무지부에는 한 전극판에 하나씩 전극 탭이 설치된다. 전극 탭(227)은 하나가 원통형 캔의 개구부 방향인 위쪽으로, 전극 조립체에 가려진 다른 하나는 아래쪽으로 다른 전극에서 인출되도록 형성된다.

캔(210)은 4각통형으로 철재, 알미늄 합금 등을 사용하여 딥 드로잉 방법 등으로 형성한다. 이어서, 캔의 개구부를 통해 캔 내부로 전극 조립체(220)를 삽입한다. 이때, 전극 조립체를 삽입하기에 앞서 먼저 전극 조립체 하면에 하절연판(213b)을 덮고, 전극 조립체의 외측 부분에서 하향 인출된 전극 탭이 하절연판(213b)의 외측을 우회하면서 캔 저면과 나란하도록 절곡된다. 하절연판과 전극 조립체를 함께 캔 내로 삽입하게 된다.

이때, 전극 조립체(220)는 4각통형의 젤리롤을 이루며, 권취를 위해 맨드랠 전극 및 세퍼레이터를 파지하던 부분이 전극조립체와 분리되면서 젤리롤의 중심은 비어 맨트랠의 단면을 반영하여 4각 중공을 형성한다. 하절연판의 중심은 전극 조립체의 중공에 해당하는 영역에 역시 통공을 가진다. 절곡된 전극 탭 부분은 하절연판의 통공을 아래쪽에서 가로지르도록 한다.

이런 상태에서 위쪽에서 전극 조립체의 중공을 통해 각통형 센터핀(218)이 삽입된다. 센터핀 중공을 통해 용접봉(미도시)이 하향 전극탭 위에 놓인다. 전극 탭 부분은 위쪽으로 용접봉과 접하고, 아래로는 캔 저면과 접한 상태로 용접이 이루어진다. 금속 센터 핀(218)이 중공에 삽입된 상태로 캔(210)에 끼워지고, 센터 핀 상부에 용접봉을 연결하여 센터 핀 자체에 전류가 흐르는 경우도 생각할 수 있다.

하향 전극 탭 용접 후, 상절연판(213a)을 전극 조립체(20) 위에 설치한다. 이때, 상절연판의 통공을 통해 전극 조립체의 상향 전극 탭(227)이 위쪽으로 인출되도록 한다. 상절연판이 중앙 통공을 가질 경우, 상절연판(213a) 설치 후 하향 전 극 탭의 용접이 실시될 수도 있다. 그리고, 캔 상부에 전극 조립체가 설치된 상단 레벨에 맞추어 캔 측벽을 캔 내측으로 구부려 비드(215)를 만드는 비딩 작업이 이루어진다. 비딩에 의해 전극 조립체는 완성된 각통형 이차 전지의 캔 내에서 외부 충격이 있어도 상하로 쉽게 유동할 수 없어 전기적 접속의 신뢰성을 높여준다.

전극 조립체 위로 전해액 주입이 이루어진다. 전해액 주입은 비딩 전에도 이루어질 수 있다. 비딩이 이루어진 캔 상부에 가스켓(230)이 삽입되고, 전극 조립체에서 상향 인출된 전극 탭이 캡조립체의 하단 벤트(240) 부분과 용접된다. 캡 조립체(280)는 먼저 결합된 형태로 한꺼번에 가스켓 내에 설치되거나, 부품들이 차례로 가스켓 내에 적층될 수 있다.

본 실시예에서는 캡 어셈블리의 PTC(positive thermal coefficient 260) 위에 캡업(270)이 놓인다. 전류차단기(CID:current interruption device 250)가 PTC(260) 아래 설치되고, CID(250) 아래 벤트(240)가 형성되도록 할 수 있다.

또 다른 실시예에 따라서는 CID, PTC, 벤트 등의 적층 구성을, CID를 없앤 상태로 절연재를 개재하여 PTC와 벤트를 끼워 결합시키고, 벤트의 아래는 중공을 가진 캡 다운에 다시 벤트와 결합시켜 중공으로 돌출부가 튀어나오도록 설치하는 구조로 변경할 수 있다.

도3은 본 발명의 또 다른 실시예를 이루는 이차 전지를 나타내는 사시도이다. 이러한 이차 전지 파우치 베어셀을 형성하기 위해서는 파우치의 대향되는 두 부분(310,320)에 너비(2a)의 1/2 되는 깊이 a의 홈(321)을 각각 형성한다. 두 전극(331,335) 및 세퍼레이터(333)가 적층하여 권취된 4각 기둥형 전극 조립체(330)를 홈에 채우고 대향되는 두 부분의 플랜지 형태의 주변부(310,323))에 열과 압력을 가해 실링을 실시할 수 있다.

최초 실링은 전해액 주입을 위해 일부 주변부가 개방된 상태를 이루도록 할 수 있고, 전해액 주입이 종료되면 그 일부를 실링한다. 실링이 이루어지고 초기 충방전에 의해 가스방에 공기가 차면 가스방과 전극조립체(330)가 수용된 홈(321)을 연결하는 부분을 실링으로 막고, 가스방 부분을 제거한다. 이때 전극 조립체의 전극 탭(338,337)은 파우치의 실링부를 통해 파우치 베어셀 밖으로 인출된 상태이다. 실링부와 겹치는 부분에는 전극 탭에 밀봉 테이프(339)가 설치될 수 있다. 이러한 파우치형 베어셀에서도 개개의 베에셀에는 별도의 보호회로를 설치하지 않은 상태로 PTC 등 열에 의해 전류를 차단하는 안정 장치만을 가진 채 전지 팩 내에서 서로 직병렬로 연결될 수 있다. 직병렬로 연결된 일군의 베어셀은 전지 팩 케이스에서 보호회로와 연결되고, 보호회로는 전지팩 외측에 드러나는 외부 단자를 가질 수 있다.

도4A 및 도4B는 도1 내지 도3의 실시예들에서 사용된 전극 조립체를 나타내는 사시도이다.

이들 실시에에 사용된 전극 조립체(12,220)의 형태는 정사각 기둥에 가깝고, 중공이 비어 센터핀이 삽입될 수 있다. 양극판(13,223), 음극판(15,225), 세퍼레이터(14,224)가 적층된 상태에서 각형 맨드렐을 이용하여 감아 이들 전극 조립체(12,220)를 형성한다.

각 측면 모서리는 권취 회수가 늘어남에 따라 자연스럽게 곡률을 가진다. 도4A는 도1이나 도3의 실시예와 같이 음극 탭(18) 및 양극 탭(16)이 전극 조립체(12)로부터 모두 위쪽으로 인출되고 있으며, 도2의 각통형 전지에서와 같이 도4B의 전극 조립체는 음극 탭(227) 및 양극 탭(226)이 전극 조립체(220)로부터 각각 아래쪽과 위쪽으로 인출되고 있다.

본 발명에 따르면 고용량 이동 전원을 이루는 전지팩에서 전지 팩 수납 공간이 혹은 전지 팩 자체가 육면체 박스형 공간을 형성할 때 잔여 공간 없이 전지로 공간을 채울 수 있으므로 공간 활용도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 장착시 두께와 폭이 같아 전지를 전지팩에 설치함에 두께와 폭을 맞추기 위해 정렬시키는 노력이 필요치 않아 박스형 공간에 장착될 때 장착 편의성을 높일 수 있다.

Claims (8)

1. 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와;

   상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 케이스를 구비하며,

   상기 케이스는 두께와 폭이 동일한 수준으로, 두께 및 폭은 서로 5%의 길이 범위 이내의 차이로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 케이스는 위쪽에 개구부를 가진 4각 캔에 상기 개구부를 덮는 4각 판형 캡 플레이트를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 케이스는 파우치형이며, 상부와 하부의 두 부분으로 나뉘고, 상기 상부와 상기 하부는 대칭 형성되어 각각 상기 전극 조립체의 두께의 절반을 수용하는 홈을 구비하며, 상기 상부와 상기 하부는 적어두 주변부 3개의 변에서 열압착 방식으로 실링되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 케이스는 위쪽에 개구부를 가진 4각 캔형에 상기 개구부를 막는 전극 조립체, 상기 개구부와 상기 전극 조립체 사이에서 개재된 절연 가스켓을 구비하여 이루어지며,

   상기 전극 조립체는 주변 윤곽선이 위에서 볼 때 4각형을 이루도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
5. 제 1항, 제 3 항, 제 4 항 가운데 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극 조립체에서 인출되는 두 전극 탭은 각각 상하 서로 반대방향으로 인출되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
6. 삭제
7. 제 1 항 내지 제 4항 가운데 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극 조립체는 젤리롤 형으로 권취되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 전극 조립체의 중심에는 4각형 기둥이나 각통이 설치되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.

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