KR100870461B1 - Secondary Battery of Improved Stability Containing Adhesive Resin of Low Melting Point - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전지 케이스의 내면과 전극 조립체의 양측면 및/또는 하단면 사이의 이격 부위에 저융점 접착성 수지가 개재되어 있는 것으로 구성되어 있는 이차전지를 제공한다. 본 발명의 이차전지는, 전지의 낙하 또는 외부 충격이 전지 상부에 가해지더라도, 전극 조립체의 이동을 억제하여 전극 리드 또는 전극 탭과 전극 조립체의 접촉에 의한 쇼트를 방지할 수 있고, 또한 전지 구성요소들의 조립 상태의 항상성을 향상시켜 그러한 외력에 의한 전지 고장의 가능성을 현격히 줄일 수 있는 장점을 가진다.The present invention provides a secondary battery comprising a low melting adhesive resin interposed between a space between an inner surface of a battery case and both side surfaces and / or a bottom surface of an electrode assembly. In the secondary battery of the present invention, even if a drop or external impact of the battery is applied to the upper part of the battery, the movement of the electrode assembly can be suppressed to prevent a short due to contact between the electrode lead or the electrode tab and the electrode assembly, and also the battery component. By improving the homeostasis of the assembly state of these, there is an advantage that can significantly reduce the possibility of battery failure by such an external force.
Description
도 1은 일반적인 파우치형 폴리머 이차전지의 구성 모식도이다;1 is a schematic view of the configuration of a general pouch-type polymer secondary battery;
도 2는 도 1의 전지에서 전지 케이스 내면과 전극 조립체의 상단면 사이의 이격 부위에서 전극 탭들과 전극 리드의 구성 상태를 보여주는 모식도이다;FIG. 2 is a schematic view showing the configuration of electrode tabs and electrode leads at a spaced apart region between an inner surface of a battery case and an upper surface of an electrode assembly in the battery of FIG. 1;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 접착성 수지가 이격 부위에 개재되어 있는 파우치형 전지의 투시도이다.3 is a perspective view of a pouch-type battery in which an adhesive resin is interposed at a spaced apart portion according to one embodiment of the present invention.
도면의 주요 부호에 대한 설명Description of the main symbols in the drawings
100: 파우치형 폴리머 이차전지100: pouch-type polymer secondary battery
200: 전지 케이스200: battery case
300: 전극 조립체300: electrode assembly
302, 304: 전극 탭302 and 304: electrode tab
312, 314: 전극 리드312 and 314: electrode leads
400, 410: 전극리드400, 410: electrode lead
500: 접착성 수지500: adhesive resin
본 발명은 저융점 접착성 수지에 의해 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이차전지의 전지 케이스 내면과 양극/분리막/음극으로 이루어진 전극 조립체의 양측면 및/또는 하단면과 선택적으로 상단면 사이의 이격 부위 등에 저융점 접착성 수지를 개재함으로써, 전지가 낙하되거나, 전지 상부에 외부 충격이 가해지더라도, 전극 조립체의 이동을 억제하여 전극 리드 또는 전극 탭와 전극 조립체의 접촉에 의한 내부 쇼트를 방지하고 전지 구성요소들의 결합상태 등 항상성(恒常性)을 향상시켜, 전지의 안전성을 개선한 이차전지를 제공한다.The present invention relates to a secondary battery having improved safety by a low melting point adhesive resin, and more particularly, to both sides and / or bottom surfaces of an electrode assembly including an inner surface of a battery case of a secondary battery and an anode / separator / cathode. By interposing the low melting point adhesive resin to the spaced part between the top surfaces, even if the battery is dropped or an external impact is applied to the upper part of the battery, the movement of the electrode assembly is suppressed and the internal short caused by the contact between the electrode lead or the electrode tab and the electrode assembly. The present invention provides a secondary battery that improves the safety of the battery by preventing the defects and improving the homeostasis of the battery components.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for secondary batteries as an energy source is rapidly increasing, and accordingly, a lot of researches on batteries that can meet various demands have been conducted.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성의 리튬 코발트 폴리머 전지와 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.Typically, there is a high demand for square and pouch type batteries that can be applied to products such as mobile phones with a thin thickness in terms of shape of the battery, and lithium such as lithium cobalt polymer battery with high energy density, discharge voltage and safety in terms of materials. The demand for secondary batteries is high.
이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 일반적으로, 리튬 이차전지는 내부 쇼트, 허용된 전류, 전압을 초과한 충전상 태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격 등과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발을 초래할 수 있다. 그러한 예로서, 특히 폴리머 이차전지는 낙하, 외력의 작용 등과 같은 충격시 내부 쇼트가 발생할 가능성이 존재한다.One of the major research tasks in such secondary batteries is to improve safety. In general, lithium secondary batteries have a high temperature and high pressure inside the battery, which may be caused by abnormal operating conditions of the battery, such as internal shorts, permitted currents, charge states exceeding voltage, exposure to high temperatures, impact from falling, and the like. May cause an explosion of the battery. As such an example, polymer secondary batteries, in particular, have the potential to cause internal shorts during impact such as drops, action of external forces, and the like.
도 1에는 파우치형 폴리머 이차전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.1 illustrates a general structure of a pouch-type polymer secondary battery.
도 1을 참조하면, 파우치형 폴리머 이차전지(100)는, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지 케이스(200) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 고체 전해질 코팅 분리막으로 이루어진 전극 조립체(300)가 그것의 양극 및 음극 탭들(302, 304)과 연결되는 두 전극리드(400, 410)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극 조립체(300)의 경우, 다수의 양극 탭들(302)과 다수의 음극 탭들(304)이 각각 융착되어 전극리드(400, 410)에 함께 결합될 수 있도록, 케이스(200) 내부 상단은 전극 조립체(300)로부터 이격되어 있다. Referring to FIG. 1, the pouch-type polymer
도 2에는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 융착되어 양극 리드에 연결되어 있는 케이스 내부 상단의 부분 확대도가 되어 있다.FIG. 2 is a partially enlarged view of an inner upper end of the case in which the positive electrode tabs are fused in a compact form and connected to the positive electrode lead of the secondary battery of FIG. 1.
도 2를 참조하면, 전극 조립체(300)의 양극 집전체(310)로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 양극 탭들(302)은, 예를 들어, 초음파 융착법에 의해 일체로 결합된 융착부(322)의 형태로 양극 리드(400)에 연결된다. 그러한 양극 리드(400)는 양극 탭 융착부(322)가 연결되어 있는 대향 단부(402)가 노출된 상태로 전지 케 이스(200)에 의해 밀봉된다. 다수의 양극 탭들(302)이 일체로 결합되어 융착부(322)를 형성함으로 인해, 전지 케이스(200)의 내부 상단은 전극 조립체(300)의 상단면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 있고, 융착부(322)의 양극 탭들(302)은 V 자 형상을 이룬다.Referring to FIG. 2, a plurality of
따라서, 전지가 그것의 상단, 즉, 양극 리드(400) 쪽으로 낙하되거나 외부 충격이 인가되어, 전극 조립체(300)가 케이스(200)의 내면 상단쪽으로 이동되게 되면 내부 쇼트를 유발할 수 있다. 즉, 양극 탭(302) 또는 양극 리드(400)가 전극 조립체(300)의 음극 집전판과 접촉될 수 있다. Therefore, when the battery falls to its upper end, that is, toward the
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전극 조립체에서 분리막의 상부 여분을 크게 늘리는 방법이 제시되었다. 그러나, 분리막의 기계적 강도와 탄성은 인가되는 외부 충격에 비해 상대적으로 매우 작기 때문에 소망하는 효과를 발휘하기 어렵다. 또다른 방법으로서, 전지 케이스 내면과 전극 조립체의 상단 사이의 이격 부위에 고체상의 절연체를 삽입하는 방법이 제안되었다. 그러나, 이러한 절연체의 삽입은 전지제조 공정상의 어려움으로 인해 실제로 적용되지 못하고 있다. In order to solve this problem, a method of greatly increasing the upper redundancy of the separator in the electrode assembly has been proposed. However, since the mechanical strength and elasticity of the separator are relatively small compared to the external impact applied, it is difficult to achieve the desired effect. As another method, a method of inserting a solid insulator at a space between the inner surface of the battery case and the top of the electrode assembly has been proposed. However, such insulator insertion has not been practically applied due to the difficulty in battery manufacturing process.
기타 방법으로서, 일본 특허출원공개 제2001-325945호와 제2002-175790호에는 각각 전지 케이스의 내면과 전극 조립체의 상단 사이의 이격 부위에 에폭시 수지나 아크릴 수지 등의 절연성 수지나 폴리올레핀의 접착성 수지를 충진하여 전극 탭, 전극 리드 등의 단자부를 피복하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 상기 이격 부위에 용융 수지를 충진하는 과정에서 단자부의 전기적 결합부위가 손상될 수 있으며, 전지의 충방전 과정에서 수지로 피복된 전극 단자부에 열이 축적되어 바람직 하지 못한 고열을 유발할 수 있는 문제점이 있다.As another method, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2001-325945 and 2002-175790 disclose insulating resins such as epoxy resins and acrylic resins or adhesive resins of polyolefins at the spaced apart portions between the inner surface of the battery case and the upper end of the electrode assembly, respectively. Has been proposed to cover terminal portions such as electrode tabs and electrode leads. However, the process of filling the molten resin in the separation portion may damage the electrical coupling portion of the terminal portion, the heat accumulated in the electrode terminal portion coated with the resin during the charge and discharge of the battery may cause undesirable high heat There is this.
따라서, 보다 효율적으로 방법으로 전지의 안전성을 담보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need for a technology capable of more efficiently securing the battery safety.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어 온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
본 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이차전지의 낙하 또는 외부 충격의 인가에 의한 내부 쇼트가 주로 전극 조립체의 이동에 의해 유발된다는 사실을 확인하고, 전지 케이스 내면과 전극 조립체의 양측면 및/또는 하단면 사이, 또는 선택적으로 전지 케이스 내면과 전극 조립체의 상단면 사이의 이격 부위에 접착성 수지를 개재하여 전극 조립체를 전지 케이스의 내부공간에 고정시키는 경우, 전극 조립체의 이동이 억제되어 전지의 낙하 또는 외부의 물리적 힘이 가해지더라도 내부 쇼트를 방지할 수 있고, 전지 구성요소들의 결합 상태 등을 안정적으로 유지함으로써, 궁극적으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.After extensive research and various experiments, the inventors have found that the internal short-circuit caused by the drop of the secondary battery or the application of an external shock is mainly caused by the movement of the electrode assembly, and the inner surface of the battery case and the both sides of the electrode assembly. And / or movement of the electrode assembly is restrained when the electrode assembly is fixed to the internal space of the battery case through the adhesive resin between the bottom surfaces or, optionally, between the inner surface of the battery case and the upper surface of the electrode assembly. The present invention finds that even if the battery is dropped or an external physical force is applied, internal short can be prevented and the battery components can be stably maintained, thereby ultimately improving the safety of the battery. It came to the following.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 전지 케이스의 내면과 전극 조립체의 양측면 및/또는 하단면 사이의 이격 부위에 저융점 접착성 수지를 개재하여 전극 조립체를 전지 케이스의 내면에 고정시키는 것으로 구성되어 있다.Accordingly, the secondary battery according to the present invention is configured to fix the electrode assembly to the inner surface of the battery case through a low melting adhesive resin at a space between the inner surface of the battery case and both side surfaces and / or the lower surface of the electrode assembly. have.
상기 접착성 수지는 전지의 낙하, 외부 충격 등과 같은 외력의 작용시 전극 조립체의 이동을 억제하여, 전극 조립체가 전극 탭 또는 전극 리드에 접촉함으로써 발생하는 내부 쇼트를 방지하여 전지의 안전성을 향상키는 역할을 한다. 또한, 접착성 수지는 전지 구성요소들의 결합 상태 및 케이스내 장착 상태 등 전지 구성요소들의 항상성(恒常性)을 향상시켜 외력에 의해 전지의 파손을 방지하는 역할도 한다. The adhesive resin suppresses the movement of the electrode assembly when an external force such as a drop of the battery or an external impact is applied, thereby preventing internal short circuit caused by the electrode assembly contacting the electrode tab or the electrode lead, thereby improving battery safety. Play a role. In addition, the adhesive resin improves the homeostasis of the battery components such as the bonded state of the battery components and the mounting state of the case, thereby preventing breakage of the battery by external force.
본 발명의 이차전지에서 접착성 수지는 전극 탭, 전극 리드 등의 단자부에 직접 가해지지 않으므로 앞서 설명한 바와 같은 단자부의 손상 가능성, 충방전 과정에서의 열축적 가능성 등의 문제점을 유발하지 않는다. In the secondary battery of the present invention, the adhesive resin is not directly applied to terminal parts such as electrode tabs and electrode leads, and thus does not cause problems such as the possibility of damage to the terminal parts as described above and the possibility of thermal accumulation in the charging / discharging process.
바람직한 예에서, 전지 케이스 내면과 전극 조립체의 하단면 사이의 이격 부위와, 전지 케이스 내면과 전극 조립체의 양측면 사이의 이격 부위에 각각 접착성 수지를 개재하여 전극 조립체를 더욱 견고하게 전지 케이스 내면에 고정할 수 있다.In a preferred embodiment, the electrode assembly is more firmly fixed to the inner surface of the battery case through an adhesive resin on the spaced portion between the inner surface of the battery case and the bottom surface of the electrode assembly and the spaced portion between the inner surface of the battery case and both sides of the electrode assembly. can do.
경우에 따라서는, 전지 케이스 내면과 전극 조립체의 상단면 사이의 이격 부위 중 전극 탭, 전극 리드 등의 단자부 이외의 부위에 접착성 수지를 더 개재할 수도 있다.In some cases, the adhesive resin may be further interposed in portions other than the terminal portions such as the electrode tabs and the electrode leads among the separation portions between the inner surface of the battery case and the upper surface of the electrode assembly.
상기 저융점 접착성 수지는, 전지의 구성요소들, 특히 전해질과 반응성이 없는 수지로서, 분리막의 소재보다 낮은 융점을 가진 것이 바람직하다. 또한, 상기 수지는 파우치형 전지 케이스가 전극 조립체와 맞닿는 면에 형성되어 있는 접착층 의 용융 접착 온도보다 낮은 융점을 가진 것이 바람직하다.The low-melting adhesive resin, a resin that is not reactive with the components of the battery, especially the electrolyte, it is preferable to have a lower melting point than the material of the separator. In addition, the resin preferably has a melting point lower than the melt adhesion temperature of the adhesive layer formed on the surface of the pouch type battery case in contact with the electrode assembly.
이러한 저융점 전기절연성 수지의 예로는 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지 등을 들 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다.Examples of such low melting point electrically insulating resins include, but are not limited to, polypropylene resins, polyethylene resins, silicone resins, acrylic resins, and the like.
상기 접착성 수지의 개재 과정은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 전지 케이스 내면의 해당 부위에 미리 도포된 후 전극 조립체를 케이스 내부에 안착시켜 형성할 수 있고, 또는 전극 조립체를 케이스에 안착시킨 후 당해 수지를 해당 부위에 충진하여 형성할 수도 있다.The interposition of the adhesive resin may vary. For example, the adhesive resin may be formed by pre-coating a corresponding portion of the inner surface of the battery case, and then seating the electrode assembly inside the case, or after mounting the electrode assembly on the case. The resin can also be formed by filling the site.
접착성 수지는 전지 케이스의 내면과 전극 조립체 사이의 해당 이격 부위의 일부에 개재될 수도 있고 또는 전체에 개재될 수도 있다. 바람직하게는, 당해 수지를 충진하여 상기 이격 부위 전체에 개재할 수 있다.The adhesive resin may be interposed in a part of the spaced apart portion between the inner surface of the battery case and the electrode assembly or may be interposed in its entirety. Preferably, the resin may be filled and interposed in the whole separation part.
상기 전극 조립체는, 집전체 상에 활물질이 각각 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 고체 전해질이 도포되어 있는 분리막을 위치시키고 이를 감아 원통형 구조로 만든 후 두께 방향으로 압축한 젤리-롤형 전극 조립체와, 양극/분리막/음극이 순차적으로 적층되어 있는 스택형 전극 조립체일 수 있다. The electrode assembly comprises a jelly-roll electrode assembly, which is placed in a cylindrical structure after placing a separator in which a solid electrolyte is applied between a positive electrode and a negative electrode to which an active material is applied, respectively, on a current collector to form a cylindrical structure, and a positive electrode. It may be a stacked electrode assembly in which the separator / cathode is sequentially stacked.
상기 젤리-롤형 전극 조립체는 양 측면의 에너지 밀도가 기타 부위보다 높으므로, 이 경우 접착성 수지는 전지 케이스의 내면과 전극 조립체의 양측면 사이의 이격 부위의 개재될 때 더욱 바람직하다.Since the energy density of both sides of the jelly-roll type electrode assembly is higher than that of other portions, the adhesive resin is more preferable in this case when the spaced portion between the inner surface of the battery case and both sides of the electrode assembly is interposed.
상기 스택형 전극 조립체는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82059호에 개시되어 있는 스택킹/폴딩(stacking & folding)형 구조로 이루어진 경우를 포 함한다. 특히, 본 발명은 다수의 전극 탭들을 상호 융착시켜 전극 융착부를 형성한 후 이를 전극 리드에 연결하는 스택형 전극 조립체에 바람직하다.The stacked electrode assembly includes a case in which a stacking / folding type structure disclosed in Korean Patent Application Publication No. 2001-82059 of the present applicant is made. In particular, the present invention is preferred for a stacked electrode assembly in which a plurality of electrode tabs are fused together to form an electrode fusion and then connected to the electrode leads.
상기 전지 케이스는 다양한 형태일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형일 수 있다.The battery case may be in various forms, and preferably may be a pouch type made of an aluminum laminate sheet.
본 발명은 특히 폴리머 이차전지에 바람직하게 사용될 수 있다.The present invention can be preferably used particularly for polymer secondary batteries.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전지 케이스 내면과 전극 조립체 외면 사이의 이격 부위에 접착성 수지가 개재되어 있는 파우치형 전지의 투시도가 모식적으로 도시되어 있다. 3 is a perspective view schematically illustrating a pouch-type battery in which an adhesive resin is interposed between a battery case inner surface and an electrode assembly outer surface according to one embodiment of the present invention.
파우치형 전지에서 전극 조립체(300)는 다수의 양극 탭들(302)과 다수의 음극 탭들(304)이 각각 융착되어 전극 리드(400, 410)에 결합되어 있고, 전극 리드(400, 410)에는 전지 케이스(200)과의 전기적 절연성과 밀봉성을 확보하기 위하여 절연필름(500)이 상하면에 부착되어 있다. In the pouch-type battery, the
전극 조립체(300)가 전지 케이스(200)에 안착된 상태에서, 전극 조립체(300)의 하단(340)과 전지 케이스(200)의 내면 하단(210) 사이에는 하단 이격부(S1)가 존재하고, 전극 조립체(300)의 측면(350)과 전지 케이스(200)의 내면 측부(220) 사이에는 측면 이격부(S2)가 존재한다. 또한, 전극 조립체(300)의 상단(360)과 전지 케이스(200)의 내면 상단(230) 사이에는 상단 이격부(S3)가 존재한다. 따라서, 전지의 낙하 또는 외부 충격의 인가시 전극 조립체(300)가 전지 케이스(200)의 상단쪽으로 이동되어 상단 이격부(S3)에서 전극 탭(302, 304) 또는 전극 리드(400, 410) 등과 접촉되어 내부 쇼트가 일어난다.In the state in which the
따라서, 하단 이격부(S1)에 접착성 수지(500)가 개재되어 전극 조립체(300)를 전지 케이스(200)의 내면 하단(210)에 고정시켜 상기와 같은 전극 조립체(300)의 이동을 억제한다. 또한, 측면 이격부(S2)의 전체 또는 일부에도 접착성 수지(510)가 개재된다. 경우에 따라서는, 상단 이격부(S3)에도 접착성 수지(520)가 추가적으로 개재될 수 있지만, 접착성 수지(520)는 상단 이격부(S3)에서 전극 탭(302, 304) 또는 전극 리드(400, 410) 등에 위치하지 않는 부위에 개재된다.Therefore, the
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art will be able to make various applications and modifications based on the above contents.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 폴리머 이차전지는 전지 케이스 내면과 전극 조립체의 하단 사이의 이격 부위에 저융점 접착성 수지를 개재하여 전극 조립체를 전지 케이스의 내면에 고정함으로써, 전지의 낙하 또는 전지 상부에 가해지는 외부 충격 등에 의해 외력이 가해지더라도, 전극 조립체의 이동을 억제하여 전극 리드 또는 전극 탭과 전극 조립체의 접촉에 의한 쇼트를 방지할 수 있고, 더 나아가 전지 구성요소들의 조립 상태의 항상성(恒常性)을 향상시켜 그러한 외력에 의한 전지 고장의 가능성을 현격히 낮추는 장점을 가진다.As described above, in the polymer secondary battery according to the present invention, the electrode assembly is fixed to the inner surface of the battery case by interposing a low melting point adhesive resin between the inner surface of the battery case and the lower end of the electrode assembly, thereby lowering the battery or the battery. Even when an external force is applied due to an external impact applied to the upper part, the movement of the electrode assembly can be suppressed to prevent a short circuit due to contact between the electrode lead or the electrode tab and the electrode assembly, and furthermore, the homeostasis of the assembled state of the battery components ( It has the advantage of significantly reducing the possibility of battery failure due to such external force.
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