KR100846913B1 - 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지 - Google Patents

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Abstract

권선 조립형 리튬 이온 2차 전지는 양극, 음극 및 분리막에 의해 권선화된 전극 코어와 전해질, 전지 용기로 구성된다. 전지 용기 내부에는 전극 코어로 구성된 하나 이상의 전극 유닛이 있으며, 전극 유닛의 상/하 단부에는 양극 및 음극 전류 집전자의 터미널 리드가 연결된다. 커버 보드의 양의 터미널 및 음의 터미널과 커버 보드의 외부는 패스터너로 만들어진 전류 집전체와 연결된다. 전극 코어체와 커버 보드 사이에는 분리링이 있다. 리튬 이온 2차 전지의 이러한 종류는 높은 안정성 및 방전율을 가지는 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지를 제공하다. 또한 제조기술을 단순화시키고, 우수한 에너지 밀도, 우수한 기계적 성질 및 우수한 안정성을 갖는 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지를 제공한다.
양극, 음극, 전극 코어, 분리막, 전극 홀더, 권선 조립형, 리튬 이온전지

Description

권선 조립형 리튬 이온 2차 전지 {Winding assembly type lithium ion secondary power batteries}
이 출원은 중국특허출원번호 200420095240.6을 갖는 2004년 11월 11일에 출원된 "권선 조립 리튬 이온 2차 전지"로 칭하는 중국특허출원을 우선권 주장하며, 이 중국출원은 참조로서 여기에 통합된다.
본 발명은 리튬 이온 2차 전지에 관한 것이며, 특히 권선 조립형의 전극 플레이트를 갖는 리튬 이온 2차 전지에 관한 것이다.
현재, 리튬 이온 2차 전지는 일반적으로 권선 조립 구조를 가지며, 그 제조기술은 저 용량 전지에서 상대적으로 단순하다. 고용량 및 고전력 리튬 이온 전지의 연구 및 개발에서, 적층-플레이트-분배(stacking-plate-distribution) 구조의 사용은 긴 전극 플레이트, 많은 권선의 어려움 및 좁은 방열 면적과 같은 결점을 극복하기 시작했다. 그러나 이러한 종류의 전지 구조를 사용하는 데 있어서 실제 제조기술은 상대적으로 복잡하며, 작동하기 어렵고, 생산품의 수율은 개선되어야 한다. 게다가, 전지의 용량과 체적의 증가에 따라 이러한 전지의 안전성 문제가 널리 인식되고 중요하게 받아들여진다. 전지가 낙하, 진동과 다른 큰 힘의 충격을 겪기 때문에, 전지의 전극이 움직이면 양극 및 음극 플레이트가 손상될 수 있다. 이 것은 전지의 내부 단락을 일으키며, 나아가 열 발생과 전지폭발과 같은 일련의 안전 문제를 초래한다. 중국특허 CN2433737은 적층분배구조의 전극 플레이트를 사용하는 리튬 이온 전지형태를 개시하였다. 전지에서 전극 플레이트의 양 단부는 스테인리스 스틸 보드 또는 니켈 보드에 의해 연결되고 고정되었다. 비록 이러한 종류로 된 구조의 사용에서 어느 정도의 개선점이 있다고 할지라도, 그 제조 기술은 여전히 복잡하다. 연결부 및 고정부의 무게가 상대적으로 크고 원재료 및 가공비용이 매우 비싸며 전지에 잠재적인 안전문제를 초래하는 이동을 견뎌야 하는 상황에서 이 장치를 전지의 외부 용기에 부착하는 것은 여전히 어렵다. 그러므로, 안전하고 제조가 쉬운 전극 코어를 포함하는 새로운 전지 구조를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 높은 안전성과 우수한 고 방전율을 갖기 위해 리튬 이온 2차 전지용 권선 조립형 전극 코어를 제공하는 것이다.
본 발명의 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지는, 양극, 음극 및 분리막이 감싸진 전극 코어(권선 조립형으로 알려진 전극 코어), 전해질 그리고 전지 용기를 포함한다. 그 특징은 다음과 같다. 전지 용기 내부에 적어도 하나의 작은 전극 그룹으로 형성된 적어도 하나의 큰 전극 그룹이 있으며, 이것은 복수의 전극 코어로부터 형성된다. 전극 유닛 내 전극 코어 그룹의 모든 양극 및 음극 코어의 전류 집전체의 터미널 리드(terminal lead)들 각각은 상/하 단부로 통한다. 커버 보드의 양극 및 음극 터미널과 커브 보드의 바깥면은 패스터너(fastener)를 통하여 양극 또는 음극용 전류 집전체의 터미널 리드에 연결된다. 전지의 전극 코어 그룹과 전지의 커버 보드 사이에는 분리 링(seperation ring)이 있다.
전극 유닛은 몇 개의 직사각형 전극 홀더에 의해 형성된 박스 모양의 유닛이다. 직사각형의 전극 홀더는 몇 개의 전극 코어들을 가지고 있는 하나의 전극 코어 그룹을 제자리에 포함한다.
본 발명의 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지는 과학적인 디자인, 합리적인 구조를 가지며 다음과 같은 장점을 구비한다.
(1) 권선 조립형 전극 코어를 사용함으로써, 종래의 적층형태의 전극 코어에서 많은 전극 코어 플레이트를 사용함에 따라 초래되는 잠재적인 문제를 줄일 수 있다. 이것은 제조 기술을 단순화하고, 권선형 구조를 사용하는 전지의 결점 즉, 긴 전극 플레이트, 권선화의 어려움, 작은 방열 면적, 전지의 방열의 불편함, 전지의 낮은 고율방전성과 같은 결점을 개선한다.
(2) 단단하게 전극 코어들을 부착하는 전극 유닛을 사용한다. 유닛의 연결 매커니즘이 매우 단순하고 편리하며 유닛 각각의 단일 직사각형 전극 홀더가 하나의 전극 코어 그룹을 포함하기 때문에, 전극 코어를 확실하게 부착할 수 있으며, 전극 코어의 움직임을 효율적으로 방지할 수 있다. 이러한 방식에서는, 전지가 낙하하거나 흔들릴 때 양극 및 음극 플레이트의 뒤틀림으로부터 초래되는 전지의 내부 단락을 피할 수 있고, 전지의 기계적인 특성을 개선할 수 있다.
(3) 전극 유닛은 높은 온도에 대한 저항성이 강하고 전지에 안정한 폴리에틸렌(polyethylene),폴리프로필렌(polypropylen),폴리에테르마이드(polyetheramide), 알콜실 플루오르수지(alkoxyl fluororesin), 에폭시 수지(epoxy resin)와 같은 가벼운 물질로 구성된다. 게다가 유닛을 가공하기 위한 제조기술은 단순하고 편리하며 저비용이고 이중절연효과를 가지는데, 그것은 전지의 안전성을 개선 시킨다.
(4) 전류 집전체의 터미널 리드와 전극 터미널은 병렬로 연결되는데, 이는 전류 집전체의 터미널 리드가 용기 외부에 확장되는 것이 요구되고 커버 보드에 단단히 고정된 종전의 직렬 연결 방식을 변경한 것이다. 그러므로 전류 집전체 터미널 리드의 길이는 상당히 줄어들며, 이에 따라 전지의 유효공간을 확보하고, 전지의 에너지 밀도를 개선한다.
(5) 상대적으로 넓은 전류 집전체 터미널 리드와 이중전극터미널 구조를 가지기 때문에, 전지는 큰 전류 전도 면적과 작은 접촉 저항을 가지므로, 결과적으로 우수한 고율방전성을 가지게 된다.
본 발명의 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지의 상세한 구조는 다음의 도면 및 상세한 실시예에서 보여질 것이다.
도 1은 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지의 전극 유닛구조의 실시예의 다른 측면들을 도시한 측면도이다.
도 2는 도 1의 전극 유닛의 직사각형 전극 홀더 측면 벽에 형성된 오목 노치(9)를 도시한 확대도이다.
도 3은 도 1의 전극 유닛의 직사각형 전극 홀더 측면 벽에 형성된 볼록 커넥터 구조(10)를 도시한 확대도이다.
도 4는 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지의 전극 코어체의 구조를 도시한 도 면이다.
도 5는 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지의 또 다른 도면이다.
도 6은 전극 코어를 도시한 도면이다.
도 7(a) 내지 도 7(b)는 큰 전극 그룹의 조립을 도시한 도면이다.
도 8은 큰 전극 그룹을 도시한 도면이다.
[도면의 주요 참조 부호의 설명]
1-전지의전극 코어체; 2-전지 용기;
3-전극 코어; 4-전극 코어 그룹(또한 작은 코어 그룹); 5-전극 유닛; 6-직사각형 전극 홀더 7-홀더의 연결 구멍; 8-돌출 커넥터;
9-볼록 커넥터; 10-오목 노치;
11-막대 개방부; 12-전류 집전체의 터미널 리드;
13-연결 구멍; 14-커버 보드;
15-양의 터미널; 16-음의 터미널;
17-수평 스크루; 18-수평 너트;
19-분리 링; 20-큰 전극 그룹
권선 조립형 리튬 이온 2차 전지는 전지 전극 코어체(1)와, 전해질과 전지 용기(2)로 구성된다. 상기 전지 전극 코어체(1)는 한 개 이상의 전극 유닛(5)으로 구성되며, 전극 유닛(5) 각각은 다수의 권선형 전극 코어를 담고 있는 4개의 전극 홀더로 형성된다.
상기 전극 유닛(5)은, 도 1의 (a), (b), (c) 및 (d)에서 도시된 바와 같이, 4개의 동일한 표준 직사각형 전극 홀더(6)로 구성된다. 직사각형 전극 홀더(6)의 한쪽 측면 벽에는 연결 구멍(7)이 있다. 직사각형 전극 홀더(6)의 다른 쪽 벽은 직사각형 전극 홀더(6)의 측면 벽의 연결 구멍(7)과 매칭되는 돌출 커넥터(또는 택)(8)가 있다. 모든 직사각형 전극 홀더(6)의 얇은 측면 벽에는 서로 매칭되는 볼록 커넥터(10)와 오목 노치(9)(도 2 내지 도 3에서 도시된 바와 같다)가 있다. 직사각형 전극 홀더(6)의 양쪽 단부에는 막대 개방부(11)가 있다. 작은 전극 그룹(4)은 4개의 직사각형 전극 홀더(6) 내부에 각기 형성된다. 서로 매치되는 직사각형 전극 홀더(6)의 각 측면 벽의 연결 구멍(7), 돌출 커넥터(8), 볼록 커넥터(10), 오목 노치(9)를 사용하여 직사각형 전극 홀더(6)가 전극 코어 그룹(4)을 감싸 전극 유닛을 만들 수 있고, 궁극적으로 전극 코어체(1)를 만들 수 있다. 모든 전극 코어(3)의 양쪽 단부에 형성된 양극 및 음극 전류 집전체의 터미널 리드(12)는 전극 유닛(6) 내에 설치되고, 전극 유닛(5)의 상/하 단부에서 병렬 막대 개방부로 통한다. 양극 및 음극용 전류 집전체의 터미널 리드(12) 위에는 연결 구멍(13)이 있다. 전지 전극 코어체(1)의 양쪽 단부의 양극 및 음극용 전류 집전체 터미널 리드(12)는 두 부분으로 나누어진다. 상대적으로 커버 보드의 바깥쪽에 있는 커버 보드(14), 양극 터미널(15) 및 음극 터미널(16)은, 이에 매치되는 수평 스크루(17), 수평 너트 및 터미널 리드(12) 위의 연결 구멍에 의해, 전지 전극 코어체(1)로 통합된다. 전지 전극 코어체(1)는 전지 용기(2) 내에 삽입된다. 전지 전극 코어체(1) 와 전지 커버 보드(12) 사이에는 분리 링(19)이 있다. 전지 용기(2)에는 전해질이 주입된다.
본 실시 예에서, 전극 코어(3)에 대한 양극 및 음극용 전류 집전체의 터미널 리더(12)의 폭 비는 0.5이다.
전극 유닛은 다수의 직사각형 전극 홀더들로 구성된다. 직사각형 전극 홀더의 한쪽 측면 벽에는 연결 구멍이 있다. 또 다른 쪽 측면 벽에는 다른 직사각형 전극 홀더의 측면 벽의 연결 구멍에 매칭되는 돌출 커넥터가 있다. 직사각형 전극 홀더의 측면은 서로 매치되는 이러한 연결 조립 부품을 가지고 있다. 상기 연결 구조에 의해 직사각형 전극 홀더를 조립하여 박스 모양의 전극 유닛을 형성한다. 두 개의 유닛은 중앙에서 그들을 단단히 함으로써 서로 단단하게 연결될 수 있다. 공정은 매우 쉽고 단순하며, 위치에 따라 전극 코어를 효과적으로 포함할 수 있다.
전극 코어를 적층한 후에, 전극 홀더의 상부 및 하부 끝단에 위치한 복수의 병렬 막대 개방부는 전류 집전체의 터미널 리드에 경로를 제공한다.
전극 홀더는 안정된 물리적, 화학적 성질을 가지는 가벼운 물질로 만들어진다. 그것은 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에테르마이드(polyetheramide), 알콜실 플루오르수지(alkoxyl fluororesin), 에폭시 수지(epoxy resin) 또는 복수 물질의 복합물과 같은 물질로 만들어질 수 있다.
전극 코어의 폭에 대한 전류 집전체의 터미널 리드의 폭의 비는 0.01 내지 1이며, 바람직한 실시예에서는 0.25 내지 1이다. 매우 낮은 비율에서, 전지는 그 성능에 영향을 미치는 전류 전도 면적이 작다. 매우 높은 비율에서 전극 코어는 조립 하기 힘들고, 전류 집전체의 터미널 리드를 쉽게 손상시킬 수 있다.
본 실시예에서, 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지의 양극 플레이트에 대한 제조 공정은 다음과 같다. PVDF를 NMP용액에 용해하고, LicoO2과 블랙 아세틸렌을 상기 용액에 추가하고, 그리고 페이스트를 형성하도록 적절하게 혼합한다. 이 페이스트의 조성은 LicoO2 : 블랙 아세틸렌 : PVDF가 92 : 4 : 4이다. 다음에 상기 페이스트는 20㎛의 알루미늄 포일에 평탄하게 코팅되고 120℃에서 건조한 후 평탄화하면 120㎛ 두께의 양극 플레이트를 얻는다. 다음 양의 전극 플레이트의 단부 가장자리의 코팅층을 20mm폭의 알루미늄 포일을 노출하도록 제거한다.
음극 플레이트에 대한 제조 공정은 다음과 같다. PVDF를 NMP용액에 용해하고, 상기 용액에 인공 흑연을 첨가한 후 페이스트를 만들도록 적절하게 혼합한다. 이 페이스트는 인공흑연 : PVDF가 95 : 5이다. 상기 페이스트를 20㎛의 구리 포일에 코팅하고 120℃에서 건조한 후 평탄화하면 120㎛ 두께의 음극 플레이트를 얻는다. 그 다음 음의 전극 플레이트의 단부 가장자리 코팅층을 20mm의 폭의 구리 포일을 노출하도록 제거한다.
도 1 내지 도 3, 및 도 6 내지 도 8에 도시된 것처럼, 상기 양극 및 음극은 전극 코어(3)를 형성하기 위해 마이크로 공극 폴리프로필렌막(micro-pore polypropylene membrane)에 의해 감싸진다. 복수의 전극 코어들은 작은 전극 그룹(4)을 형성한다. 도 7의 (a)를 참조하면, 직사각형 전극 홀더의 좌측 및 우측 홈(slot)에서, 양극 및 음극 전류 집전체와 각 전극 코어(3) 각 단부의 터미널 리 드는 전극 유닛 상부 및 하부에서 막대 개방부를 통한 경로를 가진다. 도 7의 (b)에 도시된 전극 유닛의 얇은 측면 벽 위에, 연결 볼록 커넥터(10)와 연결 오목 노치(9)는, 도 8에 도시된 큰 전극 그룹(20)을 형성하기 위해 대응하여 연결된다. 큰 전극 그룹 2개를 연결구멍(7)과 돌출 커넥터(8)를 사용하여 연결하면 도 4에 도시된 전극 코어체(1)가 형성된다.
상기의 양극 및 음극 플레이트와 마이크로 공극 폴리프로필렌막을 전극 코어(3)를 얻기 위해 권선화한다.
전지를 조립한 후에 전지 용기에 EC와 DMC가 1:1인 혼합용매에 LiPF6 1mol/dm3의 농도로 용해시킨 전해질을 주입하고, 밀봉하여 20Ah 리튬 이온 전지를 제조한다.
실시예에 따른 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지의 특성 테스트는 다음과 같다.
1. 방전 특성 테스트(Discharge property test)
0.5CmA 전류를 사용하여 4.2V로 충전한다. 전압이 4.2V에 도달한 후에 전지를 일정한 전압으로 충전한다. 컷오프 전류를 0.05CmA로 줄이고, 5분 동안 놓아둔 후 0.5CmA전류에서 3.0V까지 방전하고, 다음 전지의 초기 용량과 내부 저항을 테스트한다.
2. 고율방전 특성 테스트(High rate discharge property test)
0.5CmA 전류를 사용하여 4.2V로 충전한다. 전압이 4.2V에 도달한 후에 전지 를 일정한 전압으로 충전한다. 컷오프 전류를 0.05CmA로 줄이고, 5분 동안 놓아둔 후 10CmA전류에서 3.0V까지 방전하고, 다음 10CmA와 0.05CmA 방전시 전지의 용량 유지율을 테스트한다.
3. 반 충격 특성 테스트(Anti-shock property test)
전지를 실험 충격 테스트 벤치에 놓는다. 10G 피크 가속도로 전지 두 앞면과 뒷면에 각각 3개의 수직방향으로 20번씩 충격을 가한다. 전압과 내부 저항 파라미터가 갑자기 변하거나 또는 단락이 일어나는지 테스트한다.
전술한 테스트 결과는 다음의 테이블에서와 같다.
초기 방전용량 (Ah) 전지내부저항 (mΩ) C10c/C0 .5c (%) 충격 전후에 전압 및 내부 저항이 갑자기 변하는지 여부 충격 전후에 단락이 일어나는지 여부
예 23 1.8 86.3 아니오 아니오
본 발명은 소정의 바람직한 실시예를 참고하여 기술되었으나, 본 발명은 이러한 실시예에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 오히려 발명자의 의도는 특허청구범위에 반영된 것처럼 최대한 넒은 의미로 이해되고 해석하는 것이다. 그러므로 이러한 특허청구범위는 구체화한 것으로 이해되어야 하고, 상술한 바람직한 실시예 뿐만 아니라 그 분야에서 지식을 가진 자에게 자명한 변경 및 수정도 더 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면 양극, 음극 및 분리막을 권선화 하여 전극 코어를 형성하고, 전극 코어 및 전해질이 전지 용기 내부에 배치되고, 전극 홀더에 의해 몇 개의 전극 코어를 포함함으로써, 높은 안정성 및 방전율을 가지는 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지를 제공하다. 또한 제조기술을 단순화시키고, 우수한 에너지 밀도, 우수한 기계적 성질 및 우수한 안전성을 갖는 권선 조립형 리튬 이온 2차 전지를 제공한다.

Claims (20)

  1. 전극 코어; 상기 전극 코어를 담고 있는 복수의 전극 홀더;및 상기 복수의 전극 홀더에 의해 형성된 적어도 하나의 전극 유닛(unit)을 포함하는 전극 코어체;
    전해질; 및
    상기 전해질과 상기 전극 코어체를 담고 있는 전지 용기
    를 포함하고,
    상기 전극 홀더는 직사각형 모양이며, 양 단부에 막대 개방부를 가지고, 상기 전극 코어는 양 단부에 양극 및 음극 터미널 리드를 가지며, 상기 막대 개방부는 상기 전극 유닛 외부로 상기 각 터미널 단부의 경로를 제공하는 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 코어는 권선 조립형 전극 코어인 전지.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 홀더는 상기 전극 유닛을 형성하기 위해 하나 이상의 전극 홀더와 연결하기 위한 복수의 볼록 커넥터, 오목 노치, 연결 구멍과 돌출 커넥터를 가지는 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 홀더는 상기 전극 유닛을 형성하기 위해 하나의 이상의 전극 홀더와 연결하기 위한 복수의 볼록 커넥터, 오목 노치, 연결 구멍과 돌출 커넥터를 가지는 전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전극 코어의 터미널 리드들은 각각 양의 터미널 및 음의 터미널을 형성하기 위해 고정되는 전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 홀더의 재료는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에테르마이드(polyetheramide), 알콜실 플루오르수지(alkoxyl fluororesin) 및 에폭시 수지(epoxy resin) 중 하나 이상인 전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전극 유닛의 재료는 폴리에틸렌(polyethylene),폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에테르마이드(polyetheramide), 알콜실 플루오르수지(alkoxyl fluororesin) 및 에폭시 수지(epoxy resin) 중 하나 이상인 전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 코어에 대한 상기 전극 코어 티미널 리드의 폭 비가 0.01 내지 1인 전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 코어에 대한 상기 전극 코어 티미널 리드의 폭 비가 0.25 내지 1인 전지.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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