KR100995076B1

KR100995076B1 - 이차 전지

Info

Publication number: KR100995076B1
Application number: KR1020080137228A
Authority: KR
Inventors: 이동현; 전상은; 하시모토타츠야; 유석윤; 이치영
Original assignee: 에스비리모티브 주식회사
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2010-11-18
Also published as: JP5186647B2; US20100167113A1; KR20100078854A; CN101771169B; US8460810B2; EP2204871A1; EP2204871B1; CN101771169A; JP2010157503A

Abstract

본 발명에 따른 이차 전지는 전극군이 팽창할 때, 전극군에 작용하는 응력을 최소화하기 위해서 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하며 권취된 전극군과 상기 전극군이 내장되는 공간을 갖는 케이스를 포함하며, 상기 전극군은 권취된 상태에서 제일 바깥 쪽에 배치된 외면과 제일 안쪽에 배치된 내면을 갖고, 상기 전극군의 외면에는 굴곡된 오목부가 형성된다.

이차 전지, 전극군, 오목부, 볼록부, 완충 공간

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극군의 구조를 개선한 이차 전지에 관한 것이다.

이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 하나의 셀로 이루어진 저용량 이차 전지의 경우, 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용된다. 복수개의 셀이 팩 형태로 연결된 대용량 이차 전지는 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있다.

그리고 이러한 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 직렬로 연결되어 대용량의 이차 전지 모듈을 구성하게 된다.

이차 전지는 양극과 음극이 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 위치하는 전극군과 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스, 케이스를 밀폐하는 캡 조립 체를 포함한다.

양극 및 음극은 일 방향으로 길게 이어진 띠 형상으로 이루어지고, 길이 방향 일측 단부에 활물질이 도포되지 않은 무지부가 형성된다.

원통형 이차 전지의 경우, 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재한 상태에서 원통 형상의 코어를 중심으로 나선형으로 권취하여 전극군은 대략 원통 형상을 이룬다. 이때, 양극 무지부와 음극 무지부는 서로 다른 방향을 향하도록 배치된다.

음극 무지부에는 음극 집전판이 부착되고, 양극 무지부에는 양극 집전판이 부착되며, 음극 집전판은 케이스와 전기적으로 연결되고, 양극 집전판은 캡 조립체와 전기적으로 연결되어 외부로 전류를 유도하게 된다.

이차 전지가 충전과 방전을 되풀이 함에 따라, 전극군은 팽창과 수축을 반복하게 되는데, 이에 따라 전극군과 케이스 사이 및 전극군과 코어 사이에 응력이 증가하는 현상이 발생한다. 케이스와 전극군 사이에는 공간의 여유가 있어서 응력이 발생하더라도 어느 정도 완충할 수 있지만, 전극군과 코어는 사이에는 공간이 거의 없으므로 상대적으로 큰 응력이 발생한다. 물론 전극군과 케이스 사이에도 전극군이 과다하게 팽창하면 응력이 점점 증가하게 된다.

전극군에 응력이 집중되면, 전극군이 눌려져서 전극군 내에 위치하는 전해액이 전극군 밖으로 이동하게 되는데, 이에 따라 충전과 방열 효율이 저하되고 이차 전지의 출력이 감소하는 문제가 발생한다. 이러한 문제는 고출력 이차 전지의 수명과 성능 평가에 있어서 치명적인 결점으로 작용한다.

또한, 전기 자동차(EV) 또는 하이브리드 자동차(HEV)에 적용되는 이차 전지는 빠른 충전과 방전을 수행하게 되는데, 빠른 충전과 방전에도 출력이 저하되지 않는 것은 무엇보다 중요하다. 그러나 충전과 방전을 빠르게 진행하면, 상기한 바와 같이 전극군이 더욱 빠르게 팽창하여 출력이 현격하게 감소되는 문제가 발생한다. 이러한 문제는 전극군과 코어 사이의 응력이 증가하기 때문인데, 응력이 집중된 부분에 수명 열화가 발생하여 이차 전지의 수명이 감소된다. 또한, 응력이 완화되지 못하면 세퍼레이터가 가압되어 이온을 전달하는 역할을 제대로 수행하지 못하게 되어 출력이 저하된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전극군이 팽창하더라도 전극군에 작용하는 응력을 최소화할 수 있는 이차 전지를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하며 권취된 전극군과 상기 전극군이 내장되는 공간을 갖는 케이스를 포함하며, 상기 전극군은 권취된 상태에서 제일 바깥 쪽에 배치된 외면과 제일 안쪽에 배치된 내면을 갖고, 상기 전극군의 외면에는 굴곡된 오목부가 형성된다.

상기 오목부를 형성하는 외면과 반대 방향을 향하는 외면에는 돌출된 볼록부 가 형성되고, 상기 전극군은 굴곡되어 상기 케이스에 삽입될 수 있다. 또한, 상기 양극 및 상기 음극은 활물질이 도포되지 아니한 무지부를 포함하고, 상기 무지부는 일방향으로 이어져 형성되며, 상기 무지부는 굴곡될 수 있다.

상기 오목부에는 상기 전극군의 일측 단부가 삽입될 수 있으며, 상기 전극군은 외면이 서로 마주하는 대향부를 구비할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 이차 전지는 상기 오목부와 접하도록 설치된 지지봉을 포함할 수 있다.

상기 케이스는 원통형으로 이루어지고, 상기 내면은 접혀질 수 있으며, 상기 전극군의 외면은 서로 맞닿은 접면부를 가질 수 있다.

또한, 상기 전극군은 C자 형상으로 굴곡되거나 외면이 나선형으로 말려질 수 있으며, 상기 전극군의 외면 사이에는 제1 완충 공간이 형성되고, 상기 전극군의 내면 사이에는 제2 완충 공간이 형성될 수 있다.

상기 전극군의 외면 둘레 길이는 상기 케이스의 둘레 길이보다 더 크게 형성될 수 있으며, 상기 전극군의 외면은 접혀져서 서로 맞닿도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 케이스는 각형으로 이루어 질 수 있으며, 상기 전극군의 내면에는 인장력이 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하며 권취된 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 공간을 갖는 케이스를 포함하며, 상기 전극군은 제일 외측에 배치된 외면과 제일 안쪽에 배치된 내면을 포함하고, 상기 전극군의 외면 사이에는 완충 공간이 형성될 수 있다. 또한, 상기 완충 공간에는 전극군의 일측 단부가 삽입될 수 있 다.

전극군을 굴곡시켜서 케이스에 삽입하면, 전극군과 케이스 사이 및 전극군 사이에 완충 공간이 형성되어 전극군이 팽창할 때에도 응력의 발생을 최소화할 수 있다. 이에 따라 전극군 내부의 전해액이 배출되는 것을 방지할 수 있으며, 응력의 집중으로 인한 전극군의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 열화를 방지함으로써 이차 전지의 출력이 감소하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 이차 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.

또한, 전극군의 두께를 종래에 비하여 작게 형성함으로써 내면과 외면 사이의 거리가 감소하고 이에 따라 내측에서 발생된 열을 외측으로 용이하게 전달함으로써 이차 전지의 방열 효율이 향상된다.

또한, 전극군이 접혀지거나, 굽혀지면 내면에 인장력이 작용하므로 전극군 내에 코어를 설치하지 않더라도 전극군의 내면이 변형되는 것을 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 절개 사시도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 양극(112)과 음극(113)이 세퍼레이터(114)를 사이에 두고 위치하는 전극군(110)과, 전해액과 함께 전극군(110)을 수용할 수 있도록 일측 선단에 개구부가 형성된 케이스(120)를 포함한다. 그리고 케이스(120)의 개구부에는 케이스(120)를 밀봉하는 캡 조립체(140)가 개스킷(144)을 매개로 설치된다.

보다 구체적으로 설명하면, 케이스(120)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 이루어진다.

그리고 본 실시예에 따른 케이스(120)의 형상은 전극군(110)이 위치하는 내부 공간을 가진 원통형으로 이루어진다. 캡 조립체(140)를 케이스(120)에 끼운 후, 클램핑하여 캡 조립체(140)를 케이스(120)에 고정시키게 되는데, 이 과정에서 케이스(120)에는 비딩부(123)와 클램핑부(125)가 형성된다.

본 실시예에 따른 전극군(110)은 양극(112)과 세퍼레이터(114) 및 음극(113)이 적층된 후, 와류상으로 감겨져 형성된다. 양극(112)의 상단에는 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부(112a)가 형성되어 양극 집전판(160)과 전기적으로 연결된다. 또한, 음극(113)의 하단에는 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 무지부(113a)가 형성되어 음극 집전판(170)과 전기적으로 연결된다.

음극(113)은 구리 또는 알루미늄으로 이루어진 집전체에 음극 활물질이 도포된 구조로 이루어지고, 양극(112)은 알루미늄 등으로 이루어진 집전체에 양극 활물질이 도포된 구조로 이루어진다.

음극 활물질은 음극 활물질은 탄소계 활물질, 실리콘계 활물질 또는 티타늄계 활물질로 이루어질 수 있으며, 양극 활물질은 탄소계 활물질, 니켈계 활물질, 망간계 활물질, 코발트계 활물질, 3원계 활물질 또는 Olivine계 활물질로 이루어질 수 있다.

본 실시예에서는 양극 집전판(160)이 상부에 위치하고 음극 집전판(170)이 하부에 위치하는 것을 예로서 설명하나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 양극 집전판(160)이 하부에 위치하고 음극 집전판(170)이 상부에 위치할 수도 있다.

캡 조립체(140)는 돌출된 외부 단자(143b)와 배기구(143a)가 형성된 캡 업(143)과, 캡 업(143)의 아래에 설치되며 설정된 압력 조건에서 파단되어 가스를 방출할 수 있도록 노치(142b)가 형성된 벤트 플레이트(142)를 포함한다. 벤트 플레이트(142)는 설정된 압력 조건에서 전극군(110)과 캡 업(143)의 전기적 연결을 차단하는 역할을 한다.

캡 업(143)과 벤트 플레이트(142)의 사이에는 양성온도소자(positive temperature coefficient element)(141)가 설치되는 바, 양성온도소자(141)는 일정 온도를 넘으면 전기저항이 거의 무한대까지 커지는 장치로서, 이차 전지(100)가 정해진 값 이상의 온도가 되었을 때, 충전 및 방전 전류의 흐름을 차단시키는 역할을 한다.

벤트 플레이트(142)의 중앙에는 아래로 돌출된 볼록부(142a)가 형성되며 볼록부(142a)의 하면에는 서브 플레이트(147)가 용접으로 부착된다.

벤트 플레이트(142)와 서브 플레이트(147) 사이에는 캡 다운(146)이 설치되 는데, 캡 다운(146)은 원판 형태로 이루어지며, 중앙에는 볼록부(142a)를 끼움할 수 있도록 홀이 형성된다. 캡 다운(146)과 벤트 플레이트(142) 사이에는 절연부재(145)가 설치되어 캡 다운(146)과 벤트 플레이트(142)를 절연하며 절연부재(145)의 중앙에도 볼록부(142a)가 삽입될 수 있도록 홀이 형성된다. 이에 따라 벤트 플레이트(142)의 볼록부(142a)가 홀들을 통과하여 서브 플레이트(147)와 용이하게 접합될 수 있다.

서브 플레이트(147)는 볼록부(142a)와 캡 다운(146)에 각각 용접되며, 캡 다운(146)은 리드부재(132)를 통해서 전극군(110)과 전기적으로 연결된다.

전극군(110)에 집전된 전류는 리드부재(132), 캡 다운(146), 및 서브 플레이트(147)를 순차적으로 거쳐서 벤트 플레이트(142)로 전달되며, 벤트 플레이트(142)는 캡 업(143)과 접합되어 캡 업(143)의 외부 단자(143b)로 전류가 전달된다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극군을 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 횡단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 전극군(110)은 상기한 바와 같이 권취하여 형성되는데, 귄취된 전극군(110)은 제일 외측에 형성된 외면(115)과 제일 안쪽에 형성된 내면(116)을 포함한다.

전극군(110)은 최초 권취릴 등에 의하여 감겨지고, 권취릴이 내부에서 제거된 후, 납작하게 가압된다. 이러한 전극군(110)의 외면의 둘레는 종래의 전극군에 비하여 크게 형성되며, 두께는 상대적으로 얇게 형성된다. 본 실시예에 따른 전극군(110) 외면의 둘레 길이는 케이스(120)의 둘레 길이 보다 크게 형성된다.

이와 같이 형성된 전극군(110)은 대략 C자 형태로 굽어져 케이스(120)에 삽입되는데, 이에 따라 전극군(110)의 외면(115)에는 굴곡되어 오목하도록 이루어진 오목부(117)가 형성되며 오목부(117)와 반대 방향을 향하는 외면(115)에는 말려져 볼록하게 돌출된 볼록부(118)가 형성된다. 오목부(117)에서 외면(115)이 서로 마주하는 부분이 형성되며, 마주하는 외면(115) 사이에는 제1 완충 공간(115a)이 형성된다.

제1 완충 공간(115a)에는 전극군(110)을 지지하는 지지봉(130)이 삽입되는데, 지지봉(130)은 전극군(110)이 굽어진 형상을 유지할 수 있도록 전극군(110)을 케이스(120) 쪽으로 가압 지지한다. 지지봉(130)은 원통 형상으로 이루어지며, 내측에는 지지봉(130)을 길이 방향으로 관통하는 중공부(135)가 형성된다.

또한, 내면(116)도 외면과 동일하게 굽어져 형성되는데, 볼록하게 튀어나온 부분에서 서로 마주하는 내면(116)은 접하며, 양쪽 단부(119)에는 내면(116)이 이격되어 제2 완충 공간(116a)이 형성된다.

전극군(110)에 있어서 양쪽 단부(119)라 함은 전극군(110)이 권취된 후 납작하게 눌려졌을 때 형성되는 둘레의 모서리와 이에 인접한 부분을 의미한다. 이 단부에서 내면은 거의 180도로 접혀진다. 전극군(110)은 납작하게 눌려진 후, 양쪽 단부(119)가 마주보도록 굽혀진 상태에서 케이스(120)에 삽입된다. 따라서 양쪽 단부(119) 사이에 위치하는 중앙부분이 굽어져 오목부(117)를 형성하며, 양쪽 단부(119)는 서로 이격되어 제1 완충 공간(115a)의 입구를 형성한다. 본 실시예에서는 양쪽 단부(119)가 이격된 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것 은 아니며, 양쪽 단부(119)는 서로 맞닿아 있을 수도 있다.

전극군(110)의 중앙 쪽에는 외면(115)에 의하여 이 제1 완충 공간(115a)이 형성되고, 양쪽 단부에는 내면(116)으로 인하여 제2 완충 공간(116a)이 형성된다. 이에 따라 전극군(110)이 팽창할 때, 이러한 완충 공간들(115a, 116a)에서 팽창된 전극군(110)을 수용할 수 있으므로 전극군(110)에 응력이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

통상적인 원통형 전지에서는 외면은 케이스의 내면 형상과 대응되는 대략 원형으로 형성되며, 이에 따라 전극군의 외면에는 항상 볼록하게 형성되고, 오목한 부분을 갖지 않는다.

그러나 본 실시예와 같이 전극군(110)의 둘레를 케이스(120)의 둘레보다 더 크게 권취하고 이를 눌러서 납작하게 한 다음, 굴곡시켜서 케이스(120)에 삽입하면, 전극군(110)과 케이스(120) 사이 및 전극군(110) 사이에 완충 공간(115a, 116a)이 형성되어 전극군이 팽창하더라도 전극군(110)에 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 이차 전지(100)의 출력이 저하되는 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 이차 전지의 열화를 방지하여 수명이 향상된다.

또한, 전극군(110)의 두께를 종래에 비하여 작게 형성함으로써 내면(116)과 외면(115) 사이의 거리가 감소하고 이에 따라 내측에서 발생된 열을 외측으로 용이하게 전달함으로써 이차 전지(100)의 방열 효율이 향상된다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(200)는 전극군(210) 의 형상을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 전극군(210)은 굽어져 형성되는데, 전극군(210)은 제일 외측에 형성된 외면(215)과 제일 안쪽에 형성된 내면(216)을 포함한다.

따라 전극군(210)의 외면(215)에는 말려져 함몰된 오목부(217)가 형성되며 오목부(217)와 반대 방향을 향하는 외면(215)에는 말려져 볼록하게 튀어나온 볼록부(218)가 형성된다.

전극군(210)이 권취된 후 판 형상으로 납작하게 눌려지며, 이에 따라 둘레 면에는 두 개의 단부(212, 213)가 형성되는데, 제1 단부(212)의 안쪽에 굽혀진 오목부(217)가 형성되고, 오목부(217)에 제2 단부(213)가 삽입된 상태에서 케이스(120)에 삽입된다.

오목부(217)를 이루는 외면(215)과 제2 단부(213)를 형성하는 외면(215)은 서로 대향하게 되며, 제2 단부(213)가 오목부(217)에 삽입되기 위해서 제2 단부(213)와 오목부(217) 사이에는 접혀진 굴곡부(214)가 형성된다.

전극군(210)의 외면은 오목부(217)를 형성하는 부분에서 한번 굽혀지고, 굴곡부(214)에서 한번 더 굽혀져 외면이 나선형으로 말려진다. 이에 따라 전극군(210)은 오목부(217)와 반대 방향을 향하는 외면(215)에서 제1 볼록부(218)를 갖고, 굴곡부(214)와 반대 방향을 향하는 외면에 제2 볼록부(219)를 갖는다.

제2 볼록부(219)와 제2 단부(213)를 잇는 외면(215)은 제1 단부(212)와 오목부(217)를 잇는 외면과 맞닿아 접면부(230)를 형성한다. 이와 같은 전극군(210)에 있어서 전극군(210)의 외면은 서로 마주하는 대향부(215a)를 갖는다.

내면(216)의 양쪽 단부에는 내면(216)이 이격된 제2 완충 공간(216a)이 형성되고 굴곡부(214)에서 외면(215)이 서로 이격되어 있는 바, 이 외면(215) 사이에 제3 완충 공간(214a)이 형성된다. 또한, 제2 볼록부(219)는 상기 케이스(220)의 내면에서 이격되는 바, 제2 볼록부(219)와 케이스(220)의 내면 사이에 제4 완충 공간(219a)이 형성된다.

본 실시예와 같이 권취된 전극군(210)의 외면(215)을 두번 굽혀서 형성하면, 케이스(220) 내에서 전극군(210)의 점유율을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 단위 부피 당 출력을 향상시킬 수 있다. 또한, 제2 완충 공간(216a)과 제3 완충 공간(214a)을 형성하여 팽창하는 전극군(210)에 큰 응력이 작용하는 것을 방지하여 이차 전지(200)가 열화되거나, 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제4 완충 공간(219a)을 형성함으로써 전극군(210)이 팽창할 때, 제2 단부가 제4 완충 공간(219a) 쪽으로 이동할 수 있으며, 이에 따라 전극군(210)이 가압되어 응력이 증가하는 것을 방지할 수 있다.

접면부(230)에서 전극군(210)의 외면(215)이 맞닿아 있더라도 전극군(210)이 더 굽혀져 제3 완충 공간(214a)으로 이동할 수 있으며, 이에 따라 전극군(210)이 팽창할 때, 응력이 증가하는 것을 방지할 수 있다.

도 5a는 종래 기술에 따른 원통형 전지를 CT(computer tomography) 촬영한 사진이고, 도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 CT 촬영한 사진이며, 도 5c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지를 CT 촬영한 사진이다.

도 5a에 도시된 바와 같이 종래의 원통형 전지는 케이스 내에 전극군의 점유율은 높으나, 전극군의 내측 및 외측에 공간이 거의 없어서 전극군이 팽창할 때, 전극군에 큰 응력이 작용할 수 밖에 없는 구조이다.

그러나, 도 5b와 도 5c에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따르면 전극군 사이에 완충 공간이 형성되어 팽창하는 전극군을 수용할 수 있으며, 이에 따라 전극군에 작용하는 응력을 최소화할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예와 종래의 원통형 전지의 용량 스루풋(capacity throughput)에 따른 출력(fractional power)을 나타낸 그래프이다. 용량 스루풋이라 함은 누적된 충전과 방전 용량을 의미하는 것으로서, 도 6은 충전과 방전을 되풀이 함에 따라 전극군의 열화로 인한 출력의 저하 정도를 나타낸다.

도 6에 도시된 바와 같이 비교예인 도 5a의 종래 원통형 전지는 용량 스루풋이 2.4kAh에서 출력이 거의 40%까지 저하되었다. 이는 전극군이 팽창하여 전극군 내부의 전해액이 스퀴즈 아웃(squeeze out)되고 전극군이 열화되어 성능이 급격하게 저하된 것을 의미한다. 출력이 지나치게 저하되어 비교의 의미가 없고, 전지 출력 성능이 요구조건 이하로 저하되었기 때문에 2.4kAh에서 비교예에 대한 실험을 중단 하였다.

이에 반하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지는 용량 스루풋이 14.4kAh에 도달하더라도 출력의 저하가 약 15%에 불과할 정도로 양호하게 작동하였다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지는 용량 스루풋이 7.2kAh에서는 80% 이상의 출력을 유지하였으나, 용량 스루풋이 14.4kAh일 때는 출력이 거의 50%까지 저하되었다. 그러나 제2 실시예에 따른 이차 전지도 종래의 이차 전지에 비하여 출력이 저하되는 속도는 크게 형상된 것을 알 수 있다.

본 실험에서는 제1 실시예에 따른 이차 전지가 가장 우수한 성능을 보였으며, 목표치 보다 더 우수한 성능을 보였다.

한편, 도 7은 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예와 종래의 원통형 전지의 용량 스루풋(capacity throughput)에 따른 용량(fractional capacity)을 나타낸 그래프이다. 도 7은 충전과 방전을 되풀이 함에 따라 전극군의 열화로 인한 용량의 저하 정도를 나타낸다.

용량은 도 6의 실험에서 측정하였으며, 종래의 비교예인 종래의 원통형 전지는 용량 스루풋이 2.4kAh일 때, 용량이 90%까지 급격하게 저하되었다. 비교예를 2.4kAh까지 측정한 것은 전지의 용량 열화 수준이 요구 조건 이하로 저하되었기 때문이다.

이에 반하여 제1 실시예에 따른 이차 전지는 용량 스루풋이 14.4kAh에 이르기까지 용량이 90% 이상을 유지하였으며, 제2 실시예에 따른 이차 전지는 용량 스루풋이 14.4kAh에 이르기까지 용량이 80% 이상으로 유지되었다.

도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 및 제2 실시예에 따른 이차 전지는 종래의 이차 전지에 비하여 열화를 방지하여 용량 및 출력의 저하를 충분히 방지할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 9는 도 8에서 Ⅸ-Ⅸ선을 따라 잘라 본 단면도이다.

도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 이차 전지(300)는 양극(311)과 음극(312) 사이에 절연체인 세퍼레이터(313)를 개재하여 귄취된 전극군(310)과, 전극군(310)이 내장되는 케이스(340)와, 전극군(310)과 전기적으로 연결되는 양극 단자(321), 음극 단자(322), 및 케이스(340)의 개구부에 결합된 캡 플레이트(350)를 포함한다.

양극(311) 및 음극(312)은 박판의 금속 호일로 형성된 집전체에 활물질이 도포된 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 영역인 무지부(311a, 312a)를 포함한다. 무지부(311a, 312a)는 양극(311) 및 음극(312)의 길이방향을 따라 양극(311) 및 음극(312)의 측단에 형성된다. 그리고 양극(311) 및 음극(312)은 절연체인 세퍼레이터(313)를 사이에 개재한 후 권취된다.

이러한 전극군(310)의 양극 무지부(311a) 양극 단자(321, 322)가 리드부재(328)를 매개로 전기적으로 연결되고, 음극 무지부(312a)에는 음극 단자(322)가 리드부재(328)를 매개로 전기적으로 연결된다. 리드부재(328)와 캡 플레이트(350)에 사이에는 리드부재(328)와 캡 플레이트를 절연하는 절연부재(326)가 설치된다.

캡 플레이트(350)는 얇은 판으로 이루어지고, 캡 플레이트(350)에는 전해액이 주입되는 전해액 주입구가 형성되며 전해액 주입구에는 밀봉마개(358)가 설치된다. 또한, 캡 플레이트(350)에는 설정된 내부 압력에 따른 파단될 수 있도록 홈이 형성된 벤트부(359)가 설치된다.

캡 플레이트(350)와 단자들(321, 322) 사이에는 상부 개스킷(325)과 하부 개스킷(327)이 개재되어 캡 플레이트(350)와 단자들(321, 322)를 절연시킨다.

하부 개스킷(327)은 단자 홀에 끼워져 설치되며, 상부 개스킷(325)은 캡 플레이트(350) 위에 설치된다. 상부 개스킷(325)의 위에는 체결력을 완충시키는 와셔(324)가 설치된다. 양극 단자(321) 및 음극 단자(322)에는 단자들(321, 322)을 상부에서 지지하는 너트(323)가 설치된다.

도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전극군을 도시한 사시도이다.

도 10을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전극군은 감겨져 형성되는데, 감겨진 후, 납작하게 가압된다. 가압된 전극군(310)은 둘레의 중앙에서 반으로 접혀지는데, 접혀지는 축은 무지부들(311a, 311b)이 이어진 방향과 대략 수직을 이룬다.

전극군(310)은 감겨졌을 때, 제일 외측에 위치하는 외면(315)과 제일 내측에 위치하는 내면(316)을 갖는다. 또한, 전극군(310)이 납작하게 가압되면 대략 판 형상으로 이루어지게 되는데, 전극군(310)은 둘레 방향으로 2개의 단부(319)를 갖게 된다. 이러한 양쪽 단부(319)가 적층 배열되도록 전극군(310)은 접혀지며, 접혀진 부분에는 전극군(310)의 외면(315) 사이에 오목부(314)가 형성된다. 또한, 양쪽 단부(319)에서 오목부(314) 사이에는 전극군(310)의 외면이 맞닿은 접면부(317)가 형성된다.

이와 같이 전극군(310)이 접혀져 형성되면 내면(316)에는 굴곡된 부분에 의하여 인장력이 발생하고 내면(316)이 전극군(310)의 외면(315)과 거의 평행할 수 있도록 당겨진다.

종래의 이차전지는 본 실시예와 같이 접혀지지 않고, 내면이 일자로 형성되는 데, 내부와 외부의 압력 차이 및 내면을 지지하는 구조가 없어서 내면에 주름이 생기는 문제가 발생한다. 내면에 주름이 생기면 양극, 음극, 및 세퍼레이터 사이의 간격이 불균일하게 되고, 이에 따라 전지 내의 이온 이동이 불균일하게 되는 문제가 발생한다.

특히 종래의 각형 전지에서는 전극군의 중심에 전극군을 지지하는 코어를 설치하지 않는데, 코어를 설치하지 아니하면 전극군에 응력이 집중되는 현상을 방지할 수는 있지만 상기한 바와 같이 계면이 불균일해지는 문제는 여전히 남아 있다.

그러나 본 실시예와 같이 전극군(310)을 굴곡시켜서 접으면 전극군(310)의 내면(316)이 변형되어 주름이 발생하는 것을 방지하여 이차 전지의 안정성이 향상된다. 또한, 본 실시예와 같이 전극군(310)을 크게 권취하면, 전극군(310)의 두께가 얇아지고, 내면(316)과 외면(315) 사이의 거리가 감소하므로 내면(316)과 외면(315)의 온도 편차를 감소시킬 수 있다. 이차 전지의 충전과 방전 동안 내부에서 발생한 열을 외부로 용이하게 배출하여야 고온에서 이상 반응이 생기는 것을 방지할 수 있는다. 따라서 본 실시예에 따른 이차 전지(300)는 내부의 열을 외부로 용이하게 방출하여 성능 및 수명이 개선된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범 위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 절개 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극군을 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 횡단면도이다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예와 종래의 원통형 전지의 용량 스루풋(capacity throughput)에 따른 출력(fractional power)을 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예와 종래의 원통형 전지의 용량 스루풋(capacity throughput)에 따른 용량(fractional capacity)을 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.

도 9는 도 8에서 Ⅸ-Ⅸ선을 따라 잘라 본 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 이차 전지 110: 전극군

112: 양극 113: 음극

114: 세퍼레이터 115: 외면

115a: 제1 완충 공간 116: 내면

116a: 제2 완충 공간 117: 오목부

118: 볼록부 119: 단부

120: 케이스 130: 지지봉

140: 캡 조립체 214: 굴곡부

215a: 대향부 230: 접면부

Claims

양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하며 권취된 전극군;

상기 전극군이 내장되는 공간을 갖는 케이스;

를 포함하며,

상기 전극군은 권취된 상태에서 제일 바깥 쪽에 배치된 외면과 제일 안쪽에 배치된 내면을 갖고, 상기 전극군의 외면에는 굴곡된 오목부가 형성된 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 오목부를 형성하는 외면과 반대 방향을 향하는 외면에는 돌출된 볼록부가 형성된 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 전극군은 굴곡되어 상기 케이스에 삽입된 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 양극 및 상기 음극은 활물질이 도포되지 아니한 무지부를 포함하고,

상기 무지부는 일방향으로 이어져 형성되며,

상기 무지부는 굴곡된 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 오목부에는 상기 전극군의 일측 단부가 삽입된 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 전극군은 외면이 서로 마주하는 대향부를 갖는 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 오목부와 접하도록 설치된 지지봉을 포함하는 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 케이스는 원통형으로 이루어지고, 상기 내면은 접혀진 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 전극군의 외면은 서로 맞닿은 접면부를 갖는 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 전극군은 C자 형상으로 굴곡된 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 외면은 나선형으로 말려진 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 전극군의 외면 사이에는 제1 완충 공간이 형성되고, 상기 전극군의 내면 사이에는 제2 완충 공간이 형성된 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 전극군의 외면 둘레 길이는 상기 케이스의 둘레 길이보다 더 큰 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 전극군의 외면은 접혀져서 서로 맞닿는 이차 전지.
제14 항에 있어서,

상기 케이스는 각형인 이차 전지.
제1 항에 있어서,

상기 전극군의 내면에는 인장력이 적용된 이차 전지.
양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하 며 권취된 전극군;

상기 전극군이 내장되는 공간을 갖는 케이스;

를 포함하며,

상기 전극군은 제일 외측에 배치된 외면과 제일 안쪽에 배치된 내면을 포함하고,

상기 전극군의 외면 사이에는 완충 공간이 형성된 이차 전지.
제17 항에 있어서,

상기 완충 공간에는 상기 전극군의 일측 단부가 삽입된 이차 전지.