KR100788540B1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 양극판과 음극판 및 상기 두 극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 캔 및 상기 캔의 상단 개구부에 결합되는 캡플레이트를 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 캡플레이트는 소정 위치에 멤브레인 벤트(membrane vent)를 포함한다.

Description

리튬 이차 전지{Lithium rechargeable battery}

도 1은 종래의 각형 리튬 이차 전지를 나타낸 부분 단면도.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 벤트를 포함하는 캡플레이트의 단면도.

도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤브레인 벤트를 포함하는 캡플레이트의 단면도.

도 2c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멤브레인 벤트를 포함하는 캡플레이트의 단면도.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 재질의 단면도.

도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤브레인 재질의 단면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 벤트가 형성된 캡플레이트를 포함하는 리튬 이차 전지의 단면도.

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지 내부에서 발생하는 가스에 의한 전지의 스웰링 현상을 억제할 수 있는 멤브레인 벤트 (membrane vent)가 형성된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선 기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는, 예를 들면, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.

이러한 이차 전지는 양극판, 음극판 및, 세퍼레이터로 이루어진 발전 요소, 즉, 전극조립체를 금속제의 캔에 수납하고, 이 캔 내부에 전해액을 주입하여 밀봉하여 형성된다. 이렇게 캔에 밀봉된 이차전지는 통상 상부에 캔과 절연된 전극 단자를 구비하여, 이 전극 단자가 전지의 어느 한 극을 이루게 하고, 타 극은 전지 캔 자체가 되도록 한다.

상기와 같이 밀봉된 베어셀의 상부에는 PTC와 같은 이차보호소자 및 보호회로모듈(PCM: Protecting Circuit Module) 등의 안전장치가 연결되어 전지 팩에 수납되거나 수지로 몰딩되어 이차전지를 형성하게 된다. 이때, 이들 이차전지의 안전장치들은 양극과 음극에 각각 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과충방전 등으로 전지의 전압이 급상승할 때에 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지한다.

도 1은 종래의 각형 리튬 이차 전지를 나타낸 부분 단면도이다.

도 1을 참조하면, 각형 리튬 이차 전지는 양극판(13), 음극판(15) 및 세퍼레 이터(14)를 포함하는 전극조립체(12)를 전해액과 함께 캔(10)에 수납하고, 이 캔(10)의 상단부를 캡조립체(20)로 밀봉함으로써 형성된다. 상기 캡조립체(20)는 상기 캔(10)의 상부에 결합되는 캡플레이트(40)와, 상기 캡플레이트(40)의 단자통공(41)에 삽입되는 전극단자(30)와, 상기 캡플레이트(40)의 아랫면에 설치되는 절연플레이트(50)와, 상기 절연플레이트(50)의 아랫면에 설치되어서 상기 전극단자(30)와 통전되는 터미널플레이트(60)를 포함하여 구성된다. 상기 캡조립체(20)는 상기 전극조립체(12)의 상부에 설치되는 별도의 절연케이스(70)에 의하여 상기 전극조립체(12)와 절연되면서 상기 캔(10)의 상단개구부에 결합되어 캔(10)을 밀봉하게 된다.

상기 캡플레이트(40)의 중앙에 형성되어 있는 상기 단자통공(41)에는 전극단자(30)가 삽입된다. 상기 전극단자(30)가 단자통공(41)에 삽입될 때는 전극단자(30)와 캡플레이트(40)의 절연을 위하여 전극단자(30)의 외면에 튜브형 개스킷(46)이 결합되어 함께 삽입된다. 상기 캡조립체(20)가 상기 캔(10)의 상단부에 조립된 후 전해액주입공(42)을 통하여 전해액이 주입되고 상기 전해액주입공(42)은 마개(43)에 의하여 밀폐된다.

상기 양극판(13)은 양극탭(16)을 통하여 캡플레이트(40)에 전기적으로 연결되며, 음극판(15)은 음극탭(17)을 통하여 캡플레이트(40)의 전극단자(30)에 전기적으로 연결된다. 따라서 상기 전극단자(30)가 음극단자로 작용하게 되고, 상기 캔(10)은 상기 전극단자(30)와 전기적으로 절연되어 양극단자의 역할을 하게 된다.

상기 안전벤트(44)는 캡플레이트(40)의 상면과 하면에서 부분적으로 압축되 어 박육부로 형성된다. 따라서 상기 안전벤트(44)는 캡플레이트(40) 전체에서 제일 취약한 부분이며, 캔(10) 내부에서 가스로 인하여 압력이 발생되면 먼저 파괴되면서 가스를 방출하여 캔(10) 내부의 압력을 감소시키고 캔(10)의 폭발을 방지하는 역할을 하게 된다. 상기 안전벤트(44)는 도 1에서 보는 바와 같이 캡플레이트(40)에 형성될 수 있으나 필요에 따라서는 캔의 바닥면에 형성될 수 있으며 캔의 다른 위치에도 형성될 수 있음은 물론이다.

종래의 각형 리튬 이차 전지의 안전벤트는 전지 내압이 규정치 이상으로 상승되면 파열되어 상기 내압을 감소시킴으로써 전지가 폭발하는 것을 방지하는 역할을 하지만, 고온방치 및 열충격과 같은 단기간 혹은 충방전을 반복하면서 장기간에 걸쳐 전지 내부에서 발생하는 가스에 의한 전지의 스웰링 현상을 근본적으로 해결하지는 못한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전지 내부에서 발생하는 가스에 의한 전지의 스웰링 현상을 억제할 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양극판과 음극판 및 상기 두 극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 캔 및 상기 캔의 상단 개구부에 결합되는 캡플레이트를 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 캡플레이트는 소정 위치에 멤브레인 벤트(membrane vent)를 포함한다.

상기 멤브레인 벤트는 상기 캡플레이트에 형성된 벤트부의 상부 또는 하부 또는 그 중간에 멤브레인이 부착되어 이루어질 수 있다. 상기 멤브레인 벤트는 전재 내부에서 충방전을 반복하면서 지속적으로 발생하거나 고온방치 및 열충격과 같이 단기간에 급속하게 발생하는 메탄, 에탄, 프로판, 수소, 이산화탄소, 일산화탄소 등의 가스를 외부로 방출시키면서 외부의 수분(H₂O)이 전지 내로 유입되는 것을 차단할 수 있다. 또한, 상기 멤브레인 벤트는 종래의 안전벤트와 같이 전지 내압이 규정치 이상으로 상승되면 파열되어 상기 내압을 감소시킴으로써 전지가 폭발하는 것을 방지하는 역할도 수행할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 벤트를 포함하는 캡플레이트의 단면도를 나타낸다. 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤브레인 벤트를 포함하는 캡플레이트의 단면도를 나타낸다. 도 2c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멤브레인 벤트를 포함하는 캡플레이트의 단면도를 나타낸다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 재질의 단면도를 나타내며, 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤브레인 재질의 단면도를 나타낸다.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명의 캡플레이트(140, 150, 160)는 단자통공(141, 151, 161)과, 전해액 주입구(142, 152, 162)와, 멤브레인 벤트(144, 154, 164)를 포함하여 형성된다. 상기 멤브레인 벤트(144, 154, 164)는 상기 캡플 레이트(140, 150, 160)의 일측에 소정 크기로 형성될 수 있다. 상기 멤브레인 벤트(144, 154, 164)는 상기 캡플레이트에 형성된 벤트부(144a, 154a, 164a)에 멤브레인(144b, 154b, 164b)이 부착되어 이루어지며, 상기 멤브레인(144b, 154b, 164b)은 상기 벤트부(144a, 154a, 164a)의 상부 또는 하부 또는 그 중간에 부착될 수 있다. 상기 멤브레인(144b, 154b, 164b)은 전해액의 유출이 없도록 상기 벤트부(144a, 154a, 164a)를 밀봉하는 방식으로 부착된다.

본 발명의 멤브레인(180, 190)은, 도 3a 및 3b를 참조하면, 미세기공(micropore)을 가진 폴리머 재질로 형성된다. 상기 미세기공을 가진 폴리머 재질은 전지 내부에서 발생하는 가스를 미세기공을 통하여 외부로 방출하면서 외부로부터의 수분 유입을 차단한다. 상기 멤브레인(180, 190)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 실리콘 수지로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 재질로 이루어질 수 있다. 하지만, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 멤브레인(180, 190)의 폴리머 재질에 충전제를 포함시켜 기계적 강도를 강화시킬 수 있다. 상기 멤브레인(180, 190)은 단층막 또는 다층막 구조로 이루어질 수 있다. 상기 다층막은 동일 재질 또는 서로 다른 재질의 폴리머 막들을 라미네이팅하여 제조될 수 있다.

상기 멤브레인(190)이 다층막 구조를 이루는 경우 멤브레인(190)의 다층막 중 최외층막은 플라즈마 표면처리될 수 있다. 플라즈마 표면처리는 물을 사용하지 않는 건식공정으로 환경오염이 적으며 강도, 탄성률 등과 같은 재료의 기계적 특성을 변화시키지 않으면서 표면 특성만을 변화시킬 수 있는 효율적인 방법으로 알려 져 있다. 플라즈마를 이용한 고분자 표면처리는 에너지 입자가 고분자 표면과 충돌을 일으키므로 표면의 공유결합을 끊어서 반응성이 있는 라디칼이 생성된다. 일반적으로 고분자 표면처리에 사용되는 플라즈마 가스는 아르곤, 헬륨과 같은 불활성 기체나 산소, 암모니아, 그리고 사불화탄소와 같은 활성 기체로 분류된다. 이러한 기체의 종류에 따라 고분자 표면에 생성된 라디칼에 의해 특정 관능기를 표면에 도입함으로써 표면을 개질한다고 알려져 있다. 상기 멤브레인(190)의 다층막 중 최외층막을 산소 가스 분위기 하에서 플라즈마 처리를 하면, 상기 최외층막 표면에 하이드록실(hydroxyl), 카복실(carboxyl) 등의 극성 관능기가 도입되어, 외부에서 전지 내부로 침투하려는 수분이 상기 최외층막 표면에 붙들려 전지 내로 유입될 수 없게 된다.

도 4는 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 벤트가 형성된 캡플레이트를 포함하는 리튬 이차 전지의 단면도를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 리튬 이차 전지는 캔(210)과, 상기 캔(210)의 내부에 수용되는 전극조립체(212)와, 상기 캔(210)의 상부에 결합되는 캡조립체(220)를 포함하여 형성된다.

상기 캔(210)은 상부가 개방된 대략 각형의 금속재로 형성되며, 바람직하게는 가볍고 연성이 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 스테인레스강 등으로 형성되나 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다. 상기 캔(210)은 그 자체가 단자 역할을 수행하는 것이 가능하다.

상기 전극조립체(212)는 양극판(213)과 음극판(215)과 세퍼레이터(214)를 포 함한다. 상기 양극판(213)과 음극판(215)은 세퍼레이터(214)를 개재하여 적층된 후 젤리롤(jelly-roll) 형태로 권취될 수 있다. 상기 양극판(213)에는 양극탭(216)이, 상기 음극판(215)에는 음극탭(217)이 레이저용접, 초음파용접, 저항용접과 같은 용접이나 도전성 접착제에 의하여 통전가능하도록 부착되어 있으며, 각각 상방향으로 인출되어 있다. 상기 도전성 접착제로는 접착력이 우수한 에폭시수지, 아크릴수지, 변성 우레탄수지 등의 합성수지와 합성고무에 도전성이 우수한 은, 니켈 등의 금속가루와 카본을 균일하게 혼합 분산시킨 도전성 페이스트가 사용될 수 있다.

상기 양극판(213)으로는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 통상 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용된다. 상기 음극판(215)으로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 통상 구리 또는 구리 합금이 사용된다. 상기 양극판(213) 및 음극판(215) 형태로는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등을 들 수 있다.

상기 양극판(213) 및 음극판(215)의 적어도 일면에는 각각 양극 활물질층 및 음극 활물질층이 형성된다. 전극 활물질층은 리튬 이온을 가역적으로 삽입 및 탈리할 수 있는 전극 활물질, 바인더, 도전제 등을 용매에 분산시켜 전극 활물질 슬러리를 제조하고 이를 극판의 적어도 일면에 도포한 후, 건조 및 압연하여 형성한다.

상기 양극 활물질로는 통상적으로 리튬함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코 게나이드 화합물을 모두 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 LiCoO₂, LiNiO₂, LiMnO₂, LiMn₂O₄, 또는 LiNi_{1 -x- y}Co_xM_yO₂(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다.

상기 세퍼레이터(214)는 상기 양극판(213) 및 음극판(215) 사이의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하는 것으로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포와 같은 공지된 것을 사용할 수 있다.

상기 캔(210)의 상부에 결합되는 캡조립체(220)는 캡플레이트(240)와 절연플레이트(250)와 터미널플레이트(260)와 전극단자(230)를 포함하여 구성된다. 상기 캡플레이트(240)는 상기 캔(210)의 상단개구부와 대응되는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 상기 캡플레이트(240)의 중앙에는 소정 크기의 단자통공(241)이 형성되며, 일측에는 전해액주입구(242)가 형성되고, 다른 측에는 멤브레인 벤트(244)가 형성된다. 상기 전해액주입구(242)는 전해액 주입 후 마개(243)와 결합되어 밀폐된다. 상기 멤브레인 벤트(244)의 위치는 임의로 설정할 수 있으며 상기 단자통공(241)과 전해액주입구(242)에 간섭되지 않는 위치라면 어느 곳에라도 형성할 수 있다. 상기 멤브레인 벤트(244)는 상기 캡플레이트(240)에 형성된 벤트부(244a)와 상기 벤트부(244a)에 부착된 멤브레인(244b)으로 이루어진다. 상기 멤 브레인(244b)은 미세기공을 가진 폴리머 재질로 형성되어 전지 내부에서 발생하는 가스를 외부로 방출함으로써 전지가 부풀어 오르는 스웰링 현상을 방지할 수 있다. 한편, 상기 멤브레인(244b)은 외부의 수분이 전지 내로 유입되는 것은 차단한다.

상기 단자통공(241)에는 전극단자(230)가 삽입되며, 상기 전극단자(230)의 외면에는 상기 캡플레이트(240)와의 전기적 절연을 위한 튜브 형상의 가스켓(246)이 설치되어 있다. 상기 캡플레이트(240)의 아랫면에는 절연플레이트(250)가 설치되어 있으며, 상기 절연플레이트(250)의 아랫면에는 터미널플레이트(260)가 배치되어 있다. 상기 전극단자(230)의 저면부는 상기 절연플레이트(250)를 개재시킨 상태에서 상기 터미널플레이트(260)와 전기적으로 연결되어 있다.

상기 캡플레이트(240)의 아랫면에는 상기 양극탭(216)이 용접되어 있다. 상기 터미널플레이트(260)에는 상기 음극탭(217)이 용접됨으로써 상기 전극단자(230)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 양극탭(216) 및 음극탭(217)은 니켈 또는 니켈 합금과 같은 금속재로 이루어지지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.

상기 전극조립체(212)의 상부에는 상기 전극조립체(212)와 캡조립체(220)를 전기적으로 절연시켜 주며, 상기 전극조립체(212)와 양극탭(216)과 음극탭(217)의 위치를 고정시키는 절연 케이스(270)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(270)는 음극탭 인출구(273)를 구비하고 있으며, 절연성 고분자 수지, 예를 들면 폴리프로필렌(polypropylene: PP)으로 이루어진다.

본 발명의 멤브레인 벤트가 각형 리튬 이차 전지에 실시되는 것으로 기재되어 있으나 이차 전지의 형태가 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 양극판과 음 극판 및 상기 두 극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체와, 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스를 포함하는 이차 전지에 있어서, 상기 케이스가 멤브레인 벤트를 포함할 수 있다.

본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 캡플레이트에 형성된 멤브레인 벤트를 통하여 전지 내부에서 발생하는 메탄, 에탄, 프로판, 수소, 이산화탄소, 일산화탄소 등의 가스가 외부로 방출되면서 외부의 수분이 전지 내로 유입되는 것이 차단됨으로써 전지 내부에서 발생하는 가스에 의한 전지의 스웰링 현상을 억제할 수 있다. 또한, 전지 내압이 규정치 이상으로 상승되면 멤브레인 벤트가 파열되어 상기 내압을 감소시킴으로써 전지가 폭발하는 것을 방지할 수도 있다.

Claims (10)

1. 양극판과 음극판 및 상기 두 극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 캔 및 상기 캔의 상단 개구부에 결합되는 캡플레이트를 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서,

   상기 캡플레이트에 멤브레인 벤트부가 형성되며, 상기 멤브레인 벤트부는 그의 상부 또는 하부 또는 그 중간에 멤브레인이 부착되어 이루어지는 멤브레인 벤트를 포함하며, 상기 멤브레인은 미세기공을 가진 폴리머 재질로 이루어지는 멤브레인인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인 벤트는 전지 내부에서 발생하는 가스를 외부로 방출하고 외부의 수분이 전지 내로 유입되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 실리콘 수지로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인은 단층막 또는 다층막 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 멤브레인이 다층막 구조를 갖는 경우, 멤브레인의 다층막 중 최외층막은 플라즈마 표면처리되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 최외층막이 산소 분위기 하에서 플라즈마 표면처리되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인의 폴리머 재질이 충전제를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
10. 삭제

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