KR100731461B1 - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 극성이 서로 다른 두 전극과, 상기 두 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체; 상기 전극조립체가 내부에 수납되고, 장변측 측면 중앙에 지지부를 갖는 캔; 및 상기 캔에 밀봉 접합되는 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 삽입되는 절연부재를 구비하여 상기 캔과 다른 극성을 갖는 단자를 포함하는 캡조립체를 포함하여 구성되며, 상기 지지부는 캔의 두께가 두껍게 형성되어 장변을 갖는 양쪽 측면에 서 중앙부에 종방향으로 형성됨으로써 전지의 이상 충전시 발생되는 스웰링 현상을 억제함으로써 전지의 안정성을 극대화시키는 효과가 있다.The present invention relates to a lithium secondary battery, comprising: an electrode assembly having two electrodes having different polarities and a separator interposed between the two electrodes; A can accommodating the electrode assembly therein and having a support portion at a central side of a long side; And a cap assembly including a cap plate sealingly bonded to the can and an insulating member inserted into the cap plate, the cap assembly including a terminal having a polarity different from that of the can, wherein the support portion is formed to have a thick thickness of the can. Since the side is formed in the center in the longitudinal direction at both sides having a long side, it is effective to maximize the stability of the battery by suppressing the swelling phenomenon generated during abnormal charging of the battery.
리튬 이차 전지, 캔, 지지부 Lithium Secondary Battery, Can, Support
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 리튬 이차 전지의 사시도.1 is a perspective view of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 분해사시도.Figure 2 is an exploded perspective view of Figure 1;
도 3은 도 1의 Ⅲ- Ⅲ선 단면도.3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 1;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 캔의 단면도.4 is a cross-sectional view of a can according to another embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 캔의 단면도.5 is a cross-sectional view of a can according to another embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
100 ; 리튬 이차 전지 110 ; 전극 조립체100; Lithium
111 ; 양극판 112 ; 음극판111; Anode
113 ; 세퍼레이터 120 ; 캔113; Separator 120; Cans
121 ; 장변측 측면 122 ; 단변측 측면121;
123 ; 하면 124 ; 상단개구부123; 124; Top opening
125 ; 지지부 140 ; 캡 조립체125;
본 발명은 리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지의 스웰링(swelling) 현상을 억제하고, 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 이온 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion secondary battery, and more particularly, to a lithium ion secondary battery capable of suppressing swelling of the battery and improving safety.
일반적으로 리튬 이온 이차 전지는 양극 활물질이 부착된 양극 전극판, 음극 활물질이 부착된 음극 전극판 및 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터이 젤리 롤(jelly roll) 형태로 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 결합되는 캔, 상기 캔을 막아 상기 전극 조립체의 이탈을 억제하는 캡 조립체 및 상기 캔 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.In general, a lithium ion secondary battery is a cathode electrode plate with a positive electrode active material, a negative electrode plate with a negative electrode active material, and a separator that is located between the positive electrode plate and the negative electrode plate to prevent shorts and to allow only lithium ions to move. An electrode assembly wound in the form of a jelly roll, a can to which the electrode assembly is coupled, a cap assembly that blocks the can to prevent the electrode assembly from being separated, and is injected into the can to allow lithium ions to move. It consists of electrolyte solution etc.
이러한 리튬 이온 이차 전지는 양극 활물질이 부착된 양극 전극판, 음극 활물질이 부착된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 젤리 롤(jelly roll) 형태로 권취하고, 이를 각형의 캔에 넣은 후 상부에 캡 조립체를 용접하여 밀봉한다.The lithium ion secondary battery is laminated with a positive electrode plate with a positive electrode active material, a negative electrode plate with a negative electrode active material and a separator, and then wound in a jelly roll form, put it in a rectangular can, and then The cap assembly is sealed by welding.
이후, 전해액을 주입한 후, 충전 및 검사를 수행하여 베어 셀(bare cell)을 완성하며, 이어서 상기 베어 셀에 각종 안전소자를 부착한 후 조립 및 검사하여 통상의 배터리 팩을 완성한다.Subsequently, after the electrolyte is injected, charging and inspection are performed to complete a bare cell. Then, various safety devices are attached to the bare cell and then assembled and inspected to complete a normal battery pack.
한편, 이러한 리튬 이온 이차 전지는 정전압/정전류 충전법을 사용하기 때문에 충전기에서 충전 전압이 정확하게 제어되면 과충전 현상은 없다. 그러나, 충전기가 파손되거나 오동작하여 이상 충전을 하는 경우가 있으며, 이러한 경우에는 양극 활물질 예를 들면, 코발트산리튬(LiCoO2)의 전위가 지속적으로 올라가는 특성으 로 인해 전지 전압이 계속 상승하고, 또한 이상 발열 현상이 발생한다.On the other hand, since the lithium ion secondary battery uses the constant voltage / constant current charging method, if the charging voltage is accurately controlled in the charger, there is no overcharge phenomenon. However, the charger may be damaged or malfunction, causing abnormal charging. In this case, the battery voltage continues to increase due to the characteristic of the potential of the positive electrode active material, for example, lithium cobalt sulfate (LiCoO 2 ), constantly rising, and An abnormal heating phenomenon occurs.
이러한 현상에 대한 안전대책으로는 PTC(Positive Temperature Coefficiency) 소자를 내장하거나, 셧다운(shut down) 기능이 있는 세퍼레이터를 채택할 수 있고, 이 외에 가스 발생에 의해 작동하는 안전변(safety vent)을 구비할 수 있다. 여기서, 리튬 이온 이차 전지의 안전변은 통상 캔의 바닥면 또는 캡 조립체에 형성된 좀더 얇은 영역을 지칭하며, 이는 가스 발생으로 스웰링이 심할 경우 파열되며 그 가스를 배출하는 역할을 한다.As a safety measure against this phenomenon, a separator with a PTC (Positive Temperature Coefficiency) element may be incorporated or a shut down function may be adopted. In addition, a safety vent operated by gas generation may be provided. Can be. Here, the safety side of the lithium ion secondary battery generally refers to a thinner area formed on the bottom surface or the cap assembly of the can, which is ruptured when swelling is severe due to gas generation and serves to discharge the gas.
상기 가스 발생은 코발트산리튬(LiCoO2)과 같은 양극 활물질의 형성을 위해 탄산리튬(Li 2 CO3)을 사용하는데, 이것을 화학량론보다도 과승으로 첨가하기 때문에 일어나는 현상이다. 즉, 이 과승으로 첨가된 탄산리튬은 미반응 상태로 양극 활물질인 코발트산리튬 중에 잔류하고 있다가, 이상 충전에 의해 전지 전압이 높게 되고 발열하면 탄산리튬이 분해되어 탄산가스를 발생한다. 이러한 탄산가스의 발생에 의해 통상 캔이 과도하게 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생하며, 이 스웰링 현상이 심하면 안전변이 작동하게 된다.The gas is generated by using lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) to form a positive electrode active material such as lithium cobalt (LiCoO 2 ), which is added in excess of stoichiometry. That is, the lithium carbonate added by the overheating remains in the lithium cobalate as a positive electrode active material in an unreacted state, but the battery voltage becomes high due to abnormal charging, and when the heat is generated, lithium carbonate is decomposed to generate carbon dioxide gas. Due to the generation of carbonic acid gas, a swelling phenomenon in which the can is normally inflated occurs, and when the swelling phenomenon is severe, the safety valve operates.
이러한 스웰링 현상은 상기 탄산리튬을 적게 넣으면 해결되지만, 이렇게 되면 양극 활물질에 산화코발트(CoO2)가 잔존하여, 양극을 부식시키기 때문에 충전시 전해액중으로 용출되고, 이것이 음극으로의 코발트 석출 현상을 일으켜 내부쇼트를 일으키는 더 큰 위험을 유발하게 됨으로써, 어쩔수 없이 탄산리튬을 과승으로 넣게 된다. 이 밖에도 전지의 충방전에 의해 전극의 활물질 부피가 달라지면서 전극 조 립체가 팽창하는 등 다양한 원인에 의해 스웰링 현상이 발생된다.This swelling phenomenon is solved by adding less lithium carbonate. However, in this case, cobalt oxide (CoO 2 ) remains in the positive electrode active material, so that the positive electrode is corroded and eluted into the electrolyte during charging, which causes cobalt precipitation to the negative electrode. By inducing a greater risk of internal shorts, it is inevitable to overload lithium carbonate. In addition, the swelling phenomenon is caused by various causes such as the electrode assembly is expanded while the volume of the active material of the electrode is changed by the charge and discharge of the battery.
이러한 스웰링 현상의 주로 캔의 단변측 측면의 중심 부근이 안쪽으로 수축되고, 장변측 측면의 중심은 바깥으로 과도하게 부풀어 오르게 된다. 이때, 캔 단변측 측면의 수축량은 무시할 수 있을 정도이지만 장변측 측면의 팽창량에 의해서는 전지 성능의 저하를 유발하게 되므로 이에 대한 대처가 요구된다고 할 것이다.In the swelling phenomenon, the vicinity of the center of the side of the short side of the can is mainly contracted inward, and the center of the side of the long side is excessively inflated outward. At this time, the amount of shrinkage on the side of the can short side is negligible, but the amount of expansion on the side of the long side will cause deterioration of the battery performance.
이와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 전지의 측면 중앙에 에서 과도하게 발생되는 스웰링 현상을 억제하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하는데 있다.An object of the present invention devised in view of the above problems is to provide a lithium secondary battery that can improve the safety of the battery by suppressing the swelling phenomenon occurring excessively in the center of the side of the battery.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 리튬 이차 전지는 극성이 서로 다른 두 전극과, 상기 두 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체; 상기 전극조립체가 내부에 수납되고, 장변측 측면의 중앙에 지지부를 갖는 캔; 및 상기 캔에 밀봉 접합되는 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 삽입되는 절연부재를 구비하여 상기 캔과 다른 극성을 갖는 단자를 포함하는 캡조립체를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, a lithium secondary battery includes: an electrode assembly including two electrodes having different polarities and a separator interposed between the two electrodes; A can accommodating the electrode assembly therein and having a support at a center of a side of a long side; And a cap assembly including a cap plate sealingly bonded to the can and an insulating member inserted into the cap plate, the cap assembly including a terminal having a polarity different from that of the can.
상기 지지부는 캔의 두께가 두껍게 형성되어 이루어진다. 그리고, 상기 지지부는 상기 각형 캔의 장변을 갖는 양쪽 측면에 형성되고, 캔 측면에서 종방향으로 형성된다.The support is made of a thick can of the can. The support is formed on both sides having the long sides of the rectangular can, and is formed in the longitudinal direction at the can side.
이러한 상기 지지부는 전체 캔 측면 체적의 30 내지 50% 범위에서 형성되 며, 상기 지지부는 장변을 갖는 측면의 중앙에서 좌,우측 부위보다 10 내지 30% 범위에서 두껍게 형성되고, 폭방향 길이는 장변 길이의 1/3 이상으로 형성된다.The support portion is formed in the range of 30 to 50% of the total can side volume, the support portion is formed thicker in the range of 10 to 30% than the left and right portions at the center of the side having a long side, the width in the length direction is It is formed in 1/3 or more.
상기 지지부는 캔의 내측으로 요입되거나, 또는 캔의 외측으로 돌출되게 형성될 수 있으며, 동시에 내측으로 요입되면서 외측으로 돌출되게 형성될 수도 있음은 물론이다.The support may be formed to be recessed inwardly of the can or protrude outward of the can, and at the same time, may be formed to protrude outwardly while being recessed inwardly.
이하, 상기 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings such that those skilled in the art may easily implement the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 리튬 이온 이차 전지(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 리튬 이온 이차 전지(100)의 분해 사시도이다.1 is a perspective view of a lithium ion
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 리튬 이온 이차 전지는 전압차를 발생시키는 전극 조립체(110)와, 상기 전극 조립체(110)가 수납되어 상단 개구부가 형성된 직육면체의 캔(120)과, 상기 캔(120)의 상단 개구부에 조립되어 상기 전극 조립체(110)가 이탈되지 않도록 하는 캡 조립체(140)와, 상기 캔(120) 내부에 주입되어 전극 조립체(110) 간에 이온 이동이 가능하게 하는 전해액으로 이루어져 있다.As shown in Figure 1 and 2, the lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention is an
상기 전극 조립체(110)는 양극 활물질이 부착된 양극판(111), 음극 활물질이 부착된 음극판(112) 및 양극판(111)과 음극판(112) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(113)으로 이루어져 있으며, 상기 양극판(111), 음극판(112) 및 세퍼레이터(113)는 대략 젤리 롤 형태로 권취되어 캔(120)에 수납되어 있다. 여기서, 상기 양극판(111)은 알루미늄(Al) 포일, 상기 음극판(112)은 구리(Cu) 포일, 상기 세퍼레이터(113)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 이러한 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 양극판(111)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극 리드(114)가 용접되어 있고, 상기 음극판(112)에도 상부로 일정 길이 돌출된 음극 리드(115)가 용접되어 있다. 상기 양극 리드(114)는 알루미늄(Al) 재질, 상기 음극 리드(115)는 니켈(Al) 재질일 수 있으나, 본 발명에서 이러한 재질을 한정하는 것은 아니다.The
상기 캔(120)은 서로 마주보는 장변을 갖는 측면(121)과 단변을 갖는 측면(122) 및 하면(123)으로 이루어지고, 상단에는 개구부(124)가 형성된 직육면체의 형태로 형성된다. 상기 캔(120)은 통상 알루미늄(Al), 철(Fe), 합금 또는 이의 등가물로 형성 가능하며, 상기 캔(120)에는 상기 양극 리드(114)가 용접되어 캔(120) 자체가 양극 역할을 한다.The
상기 전극 조립체(110)로서 상기 캔(120)의 상부에서 순차적으로 절연 케이스(131), 단자 플레이트(132), 절연 플레이트(133)가 결합되고, 상기 절연 케이스(131), 단자 플레이트(132) 및 절연 플레이트(133)는 상기 음극 단자(150)가 상부로 연장되어 관통될 수 있도록 통공(131a,132a,133a)이 각각 형성되어 있다.As the
상기 캡 조립체(140)는 상기 캔(120)에 레이저 용접되어 있으며, 이는 대략 판상의 캡 플레이트(141)가 구비되고, 상기 캡 플레이트(141)의 중앙에는 일정 크기의 통공(141a)이 형성되어 있고, 그 측부에는 전해액 주입을 위한 전해액 주입구(141b)가 형성되어 있다. 또한, 상기 캡 플레이트(141)의 통공(141a)에는 절연 가스켓(142)이 결합되고, 상기 절연 가스켓(142)에는 음극 단자(150)가 결합되어 있다. 물론, 상기 음극 단자(150)는 상기 음극 리드(115)와 용접되어 방전 또는 충전시 음극 역할을 할 수 있도록 되어 있다. 더불어, 상기 캡 플레이트(141)의 전해액 주입구(141b)에도 전해액 주입 후, 그 전해액이 외부로 유출되지 않도록 마개(143)가 결합되어 있다.The
한편, 도시되지 않은 전해액은 충방전시 전지 내부의 양극 및 음극에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온의 이동 매체 역할을 하며, 이는 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있다.On the other hand, the electrolytic solution (not shown) serves as a moving medium of lithium ions generated by the electrochemical reaction at the positive and negative electrodes inside the battery during charge and discharge, which is a non-aqueous organic electrolyte that is a mixture of lithium salts and high purity organic solvents. Can be. In addition, the electrolyte may be a polymer using a polymer electrolyte.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도로서, 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 리튬 이온 이차 전지(100)중 캔(120)은 장변을 갖는 양쪽 측면(121)에 캔의 스웰링 현상을 억제하기 위한 캔의 두께를 두껍게 형성하여서된 지지부(125)가 형성된다. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 1, and as shown in FIG. 3, the
상기 지지부(125)는 캔(120)의 장변을 갖는 측면(121)의 중앙부에서 종방향으로 형성된다. 이처럼 측면(121)의 중앙부에 지지부를 형성하는 이유는 캔의 스웰링 발생시 장변을 갖는 측면의 중심부가 바깥으로 팽창되는 현상을 억제하기 위함이다.The
상기 지지부(125)는 캔에서 장변을 갖는 측면(121)의 체적에서 적어도 30 내 지 50% 범위를 갖도록 형성된다. 또는 장변을 갖는 측면(121)에서 지지부(125)의 두께를 지지부(125)가 형성되지 않은 좌,우측 부위의 두께보다 10 내지 30% 범위에서 두껍게 형성된다. 즉, 캔 측면(121)의 두께가 통상 0.2∼0.4mm이므로, 최소 0.2mm를 기준으로 할 때, 지지부(125)는 약 0.23∼0.25mm의 두께를 갖는 것이다. 이때, 지지부(125)의 폭방향 길이(L2)는 전체 측면의 장변 길이(L1)의 1/3 이상이 되게 형성된다.The
이처럼 지지부(125)는 장변측 측면(121)보다 두껍게 형성하게 되어 전체 캔의 용량이 줄어드는 것을 감안하여 측면(121) 중앙에 형성되는 지지부(125)의 좌우측의 두께를 통상의 두께보다 얇게 형성할 수도 있다. 이러한 경우에는 전지의 용량이 감소되지 않는 상태로 스웨링 방지 효과를 거두게 된다.In this way, the
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 지지부(125)는 캔(120)의 장변측 측면(121)의 외측으로 돌출되는 형태로 형성되는데, 지지부의 형상을 이에 한정하는 것은 아니다. As shown in FIG. 3, the
즉, 본 발명의 다른 실시예로서, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 지지부(125)가 캔(120)의 장변측 측면(121)의 내측으로 요입되게 형성될 수 있다. That is, as another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4, the
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 지지부(125)를 캔의 장변측 측면(121)의 내외측으로 돌출 및 요입되는 형상으로 형성될 수도 있다. 다만, 이러한 지지부(125)의 경우에도 상술한 실시예와 같은 두께의 범위에서 형성되어 스웰링시 캔의 장변측 측면이 팽창되는 것을 억제할 수 있어야 한다.In addition, as shown in FIG. 5, the
이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 리튬 이차 전지의 작용을 설명한다.The operation of the lithium secondary battery according to the present invention configured as described above will be described.
이상 충전에 의해 전지 전압이 높게 되어 탄산리튬이 분해되면서 발생되는 탄산가스의 발생에 의해 통상 캔이 과도하게 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생된다. 이러한 스웰링 현상은 캔의 단변의 중심 부근이 안쪽으로 수축되고, 장변의 중심은 바깥으로 과도하게 부풀어 오르게 되는데, 이때 캔 단변의 수축량은 무시할 수 있을 정도이지만 장변의 팽창량은 전지의 성능에 영향을 미치게 된다.Due to the abnormal charging, the battery voltage becomes high, and a swelling phenomenon in which the can is excessively inflated is usually generated by generation of carbon dioxide gas generated when lithium carbonate is decomposed. Such swelling causes the can near the center of the short side to contract inward and the center of the long side to swell outwardly. Get mad.
그러나, 본 발명에 의한 리튬 이차 전지는 캔(120)의 장변을 갖는 측면(121) 중앙부에 종방향으로 지지부(125)가 형성되어 있기 때문에 장변측 측면(121)의 팽창을 억제하게 된다.However, in the lithium secondary battery according to the present invention, since the
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 리튬 이온 이차 전지에 의하면, 금속 재질로 형성된 캔이 이상 충전시 발생되는 스웰링 현상을 특히 장변측 측면에서 억제함으로써 전지의 안정성을 극대화시키는 효과가 있다.As described above, the lithium ion secondary battery according to the present invention has the effect of maximizing the stability of the battery by suppressing the swelling phenomenon caused when the can formed of a metal material is abnormally charged, particularly on the long side side.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.The present invention is not limited to the above embodiments, and as claimed in the claims, to those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention to the extent that various modifications can be made. It will be said that there is a technical spirit of the present invention.
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JPH0785847A (en) * | 1993-09-17 | 1995-03-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Unit cell and battery system of sealed type alkaline storage battery |
JP2000182573A (en) * | 1998-12-11 | 2000-06-30 | Japan Storage Battery Co Ltd | Secondary battery |
-
2005
- 2005-11-29 KR KR1020050115052A patent/KR100731461B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH0785847A (en) * | 1993-09-17 | 1995-03-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Unit cell and battery system of sealed type alkaline storage battery |
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