KR100998848B1 - 외부 충격에 대한 안전성이 향상된 원통형 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극의 권취형 전극조립체('젤리-롤')가 금속 캔에 내장되어 있고, 젤리-롤의 중앙 중공부에는 센터 핀이 삽입되어 있는 원통형 전지로서, 상기 센터 핀은 강한 외부 충격의 인가시 파괴되는 소재의 중공형 본체와, 상기 중공형 본체의 외면을 도포하고 있는 고분자 수지층으로 구성되어 있어서, 강한 외부 충격의 인가시 파괴된 중공형 본체에 의해 젤리-롤의 전극 호일 무지부가 단락되는 것을 특징으로 하는 원통형 전지를 제공하는 바, 이러한 원통형 전지는 강한 외부적 충격이 가해지거나 충격 테스트를 수행한 결과 센터 핀이 파괴되는 경우, 젤리-롤의 전극 호일 무지부가 단락됨으로써 전지의 발화가 발생하지 않고 발열만 일어남으로써, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

외부 충격에 대한 안전성이 향상된 원통형 전지 {Cylindrical Battery of Improved Safety against External Impact}

도 1은 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 종래기술의 원통형 전지의 수직 단면 사시도이다;

도 2는 도 1의 전지에서 직선 A-A에 따른 센터 핀의 수평 단면도이다;

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 센터 핀의 사시도이다;

도 4는 도 3의 센터 핀에서 직선 B-B에 따른 수평 단면도이다.

본 발명은 양극/분리막/음극의 권취형 전극조립체('젤리-롤')가 금속 캔에 내장되어 있고, 젤리-롤의 중앙 중공부에는 센터 핀이 삽입되어 있는 원통형 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 상기 센터 핀은 강한 외부 충격의 인가시 파괴되는 소재의 중공형 본체와, 상기 중공형 본체의 외면을 도포하고 있는 고분자 수 지층으로 구성되어 있어서, 강한 외부 충격의 인가시 파괴된 중공형 본체에 의해 젤리-롤의 전극 호일 무지부가 단락되는 것을 특징으로 하는 원통형 전지를 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

젤리-롤형 전극조립체는 주로 원통형 전지와 각형 전지에 사용되는 바, 도 1에는 젤리-롤형 전극조립체를 포함하고 있는 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 원통형 이차전지(10)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(20) 를 원통형 케이스(30)에 수납하고, 원통형 케이스(30) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(30)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(40)을 결합하여 제작한다.

전극조립체(20)는 양극(21)과 음극(22), 및 분리막(23)을 차례로 적층하여 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(50)이 삽입되어 있다. 센터 핀(50)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 구조를 가지고, 도 2에서와 같이, 수평 단면상 단부(51)가 접하지 않은 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(50)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.

그러나, 센터 핀(50)은 전지의 낙하 및 압착 등 외부충격이 인가되었을 때, 중공형의 내부구조에 변형이 일어나기 쉽고, 그러한 변형에 의해 센터 핀의 접하지 않은 단부(51)가 분리막을 뚫고 전극에 접촉됨으로써 내부단락을 유발할 수 있다.

특히, 원통형 리튬 이차전지가, 예를 들어, 노트북 PC에 사용되는 경우, 대부분 충격 테스트(impact test) 등의 안전성 테스트를 거치는 바, 이러한 충격 테스트를 수행한 결과 센터핀이 변형됨으로써 전지가 발화되는 현상이 발생하여 심각한 문제가 되고 있다. 더욱이, 최근 노트북 PC의 발화 사건이 연이어 발생함에 따라 전지의 안전성에 대한 중요성이 더욱 강조되고 있다.

따라서, 센터 핀의 변형에 의한 내부단락 및 이에 따른 전지의 발화를 효과적으로 방지하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실 정이다.

이와 관련하여, 일본 등록특허 제3807528호는 바닥이 있는 원통형의 전지캔과 상기 전지캔 내에 수납된 양극판과 음극판을 분리막을 이용하여 적층하고, 권취한 극판군, 전해액과 상기 권취한 극판군 중 중공내에 배치된 센터핀과, 센터핀의 상부에 있는 안전판 기구와 전지 캔에 밀폐하여 이루어진 원통형 이차전지에 있어서, 센터핀을 원통 내부의 통상 공간을 적어도 2 개의 통상 공간에 구획 형성한 격벽(칸막이벽)으로 이루어진 원통형 이차전지에 대한 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 도전성 재료인 센터핀의 다양한 형상을 주어, 전극 외부로부터의 충격시 첨단부를 형성하여 전극 호일을 파단시켜 단락을 유발시키는 측면에서는 일부 효과가 있으나, 센터핀의 외부에 고분자층으로 이루어진 보호막이 형성되어 있지 않아서 외부의 잔잔한 충격에도 센터핀이 파쇄되기 쉬운 문제점이 있다.

한편, 일본 특허출원공개 제1999-204130호, 제1997-270251호 및 제2003-092148호, 일본 등록특허 제3613407호, 한국 특허출원공개 제2003-043745호, 제2006-037843호 등에는 상기 구조를 일부 변형한 센터 핀들이 제시되어 있다.

그러나, 이러한 센터 핀들은 그 나름의 장점을 가지기는 하지만, 앞서 설명한 바와 같은 문제점들을 모두 해결하지는 못하는 것으로 확인되었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 강한 외부 충격의 인가시 파괴는 소재의 중공형 본체와, 상기 중공형 본체의 외면을 도포하고 있는 고분자 수지층으로 센터 핀을 구성할 경우, 잔 충격에는 고분자 수지층으로 이루어진 보호막에 의해 중공형 본체의 파괴를 막고, 강한 외부 충격시에는 중공형 본체가 파괴되면서 젤리-롤 코어 부위의 전극 호일 무지부의 국부적인 단락을 유도하여, 전지의 발화 또는 폭발을 억제함으로써, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 원통형전지는, 양극/분리막/음극의 권취형 전극조립체('젤리-롤')가 금속 캔에 내장되어 있고, 젤리-롤의 중앙 중공부에는 센터 핀이 삽입되어 있는 원통형 전지로서, 상기 센터 핀은 강한 외부 충격의 인가시 파괴되는 소재의 중공형 본체와, 상기 중공형 본체의 외면을 도포하고 있는 고분자 수지층으로 구성되어 있어서, 강한 외부 충격의 인가시 파괴된 중공형 본체에 의해 젤리-롤의 전극 호일 무지부가 단락되는 것으로 구성되어 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형전지에서 센터 핀은 강한 외부 충격의 인가시 파괴되는 소재로 이루어진 중공형 본체와 상기 중공형 본체의 외면을 감싸고 있는 고분자 수지층을 포함하는 것으로 구성되어 있으므로, 외부적 충격, 예를 들어, 노트북 PC용 원통형 전지에 대한 충격 테스트(impact test)시 가해지는 강한 충격에 의해 센터 핀이 변형되는 경우, 중공형 본체가 파괴되면서 젤리- 롤 코어 부위의 전극 호일 무지부를 국부적으로 단락시키고, 외부로부터의 잔충격에는 중공형 본체의 외면에 도포된 고분자 수지층에 의해 중공형 본체의 파괴를 방지함으로써 전지의 발화또는 폭발을 방지할 수 있다. 또한, 중공형 본체에 의해 형성된 중공부는 충방전시의 발생되는 가스의 분출 통로로서의 역할을 수행함으로써, 특히 고온 내지 고압 등의 가혹한 조건에서 전극조립체가 발화하는 현상을 방지할 수 있으므로, 궁극적으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

전극 호일의 무지부는 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 단부 부위를 의미하는 바, 본 발명에 따르면, 강한 충격의 인가시 파괴된 센터 핀이 이러한 무지부를 우선적으로 단락시킨다. 전극 호일에 도포되는 양극 활물질은 일반적으로 저항이 높은 리튬 전이금속 산화물로 이루어져 있으므로, 이러한 양극 활물질이 음극 활물질과 접촉되면서 단락이 유발되면, 많은 발열을 초래하여 전지의 발화 내지 폭발을 초래할 수 있다. 반면에, 높은 전기전도성의 양극 무지부의 호일과 음극 무지부의 호일이 상호 접촉되면서 단락이 유발되면, 낮은 저항에 기초한 통전에 의해 상기와 같은 큰 발열을 초래하지 않는다. 따라서, 본 발명은 이러한 무지부의 선택적인 단락 유발에 의해 전지의 안전성을 향상시킨다.

상기 중공형 본체의 소재는 전기가 잘 통하는 도전성 소재라면 특별히 제한되지는 않으며, 바람직하게는 전기 전도율이 높은 소재일 수 있다.

또한, 상기 중공형 본체의 소재는 강한 외부 충격의 인가시 파괴되고,전극 호일 무지부를 관통할 수 있는 파편이 만들어질 수 있는 유리기재 또는 탄소기재로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 상기 유리기재는 도전성 유리기재로 구성될 수 있 다.

상기 중공형 본체는 외경이 2 내지 4 mm이고, 두께는 센터 핀의 전체 반경을 기준으로 10 내지 20%의 크기로 이루어지는 것이 바람직하다.

외경 자체가 센터 핀의 전체 크기를 의미하므로, 상기 외경이 너무 클 경우에는 전지의 용량이 작아지고, 반대로 외경이 너무 작을 경우에는 센터 핀의 기계적 강성이 작아지므로 바람직하지 않다.

상기 중공형 본체의 두께는 소정의 기계적 강도를 유지하면서 충방전 및 작동시 발생되는 가스를 적절히 배출할 수 있는 범위에서 조절할 수 있는 바, 센터 핀의 전체 반경을 기준으로 20 내지 40%의 크기인 것이 바람직하다. 상기 두께의 크기가 너무 작은 경우에는, 소정의 기계적 강도를 발휘할 수 없을 수 있으며, 반대로 두께의 크기가 너무 큰 경우, 외부의 강한 충격에도 상기 중공형 본체가 파괴되지 않을 수 있으므로 바람직하지 않다.

상기 고분자 수지층의 소재는 내구성 및 충격 흡수성을 발휘할 수 있는 소재라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 폴리우레탄, 폴리아크릴, ABS 수지 등이 사용될 수 있다. 이들 수지는 단독 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 상기 중공형 본체가 유리 재질일 경우 고분자 코팅이 용이하도록 경우에 따라서는, 이러한 고분자 수지층이 다공성 구조로 이루어질 수도 있다. 이러한 다공성 구조는, 소정 크기 이하의 외부 충격에 대해서는 다공성 구조 내부의 기공에서 충격을 적절히 흡수함으로써 우수한 내충격성을 발휘할 수 있으며, 외부로부터의 잔 충격(갖은 미소 충격들)에는 센터 핀의 변형이 거의 일어나지 않거나 아주 미세한 변형 만이 일어남으로써, 작은 크기의 충격이나 잔 충격에 대해서는 센터 핀의 변형에 의한 단락을 방지할 수 있다.

상기 고분자 수지층의 두께는 전지의 충방전이 반복됨에 따라 센터 핀에 가해지는 충격 또는 외부 충격에 대응하여 충격을 완화할 수 있는 범위에서 적절히 조절할 수 있으며, 고분자 수지층의 소재에 따라 달라질 수 있으므로 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 센터 핀의 전체 반경을 기준으로 5 내지 10%의 크기일 수 있다. 다만, 상기 고분자 수지층의 두께가 너무 두꺼울 경우, 상대적으로 전극조립체의 면적을 줄이게 되므로 전지 용량을 저하시키거나 강한 외부 충격에 의하여 파괴되는 중공형 본체의 파편이 젤리-롤 코어 부분의 전극호일 무지부를 단락시키지 못할 수 있고, 반대로, 너무 얇을 경우에는 소망하는 내충격성을 발휘할 수 없으므로 바람직하지 않다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 중공형 본체의 외면에는 파괴시 소정의 날카로운 파편이 생성될 수 있도록 다수의 노치가 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 외부에서 강한 충격이 인가되는 경우, 파괴되는 중공형 본체의 파편을 소망하는 방향 또는 위치로 유도할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 '노치(Notch)'는 재료의 외면에 국부적으로 오목하게 패어있는 부위를 의미하며, 이에 외력을 가하게 되면 다른 부위보다 응력이 집중되어 피로파괴가 일어나게 된다. 예시적으로, 수류탄의 외면에 형성되어있는 'V'자 또는 'U'자 형상의 노치를 들 수 있다.

본 발명에 따른 원통형 이차전지는 다수의 전지셀들을 직렬 및/또는 병렬 방 식으로 연결함으로써 안전성의 문제가 심각하게 대두될 수 있는 고출력 대용량의 중대형 전지모듈에 단위전지로서 바람직하게 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기 원통형 이차전지를 다수 개 적층하여 구성되는 중대형 전지모듈을 제공한다.

일반적으로, 원통형 이차전지를 단위체로서 다수 개 조합하여 고출력 대용량의 중대형 전지모듈을 제조할 수 있으며, 이 경우, 상기 단위체로서의 원통형 이차전지의 조합 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

본 발명에 따른 센터 핀의 예시적인 구조는 도면을 참조하여 이하에서 용이하게 확인할 수 있다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지에 포함되는 센터 핀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 직선 B-B에 따른 수평 단면도가 모식적으로 도시되어 있다. 이하, 상기 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

이들 도면을 참조하면, 센터 핀(100)은 4 mm의 외경(R_C)을 가지며, 강한 외부의 충격을 받으면 파괴되는 소재의 중공형 본체(220)와, 상기 중공형 본체(220)의 외면에, 외부의 잔 충격으로부터 중공형 본체(220)를 보호하기 위한 내구성 성질이 있는 고분자 수지로 얇게 코팅되어 있는 외층(210)을 포함하는 것으로 구성되어 있 다.

중공형 본체(221)는 외부로부터의 강한 충격이 인가될 때 파쇄되어 고분자 코팅층(210)을 관통할 수 있는 도전성 유리의 결정형 재질로 이루어져 있고, 경우에 따라서는, 도 2에서와 같이, 중공형 본체 양 단부가 대면하도록 수평 단면상으로 슬릿 형상의 이격부가 추가로 형성될 수도 있다. 중공형 본체(220)에 의해 형성된 중공 구조(230)를 통해, 전지의 충방전시 또는 전지 내부 단락시 발생한 가스 등이 원활하게 배출될 수 있다. 따라서, 원통형 전지의 내부 압력이 증가하여 안전벤트 및/또는 CID(도시하지 않음)가 작동하게 되므로, 고압 가스의 배출과 전류의 통전을 차단시켜, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있고, 고온 내지 고압 등의 가혹한 환경에서 젤리-롤 전체가 분출하는 현상을 막을 수 있다.

외부로부터의 잔 충격으로부터 중공형 본체를 보호하는 외층(210)은 소정의 내구성을 나타내는 고분자 수지로 이루어져 있으며, 센터 핀의 두께를 기준으로 5 내지 10%의 두께를 가지고 있어서, 강한 외부 충격의 인가시 파괴되는 중공형 본체의 파편이 전극호일 무지부를 관통하기가 용이하게 된다. 구체적으로, 중공형 본체(220)의 외면에 코팅된 고분자 수지층(210)은 도전성 유리재질로 구성되어 있는 중공형 본체(220)를 외부의 잔 충격으로부터는 보호하고 외부의 강한 충격에는 파괴된 중공형 본체(220)에 의해 관통됨으로써, 전지의 단락 및 이에 따른 발화를 방지할 수 있다. 따라서, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

도 4에서와 같이, 도전성 유리 기재를 둥글게 만들어 외경이 3.8 mm이고 두께는 0.6 mm인 중공형 본체를 제조하였고, 폴리스티렌 수지를 중공형 본체의 외면에 0.2 mm 두께로 코팅함으로써, 중공형 본체와 수지 코팅층으로 이루어진 외경이 4 mm인 센터 핀을 제조하였다. 상기 센터 핀을 전극조립체의 권심에 삽입하여 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 이차전지를 제작하였다.

[비교예 1]

스테인리스 스틸의 판재를 사용하여, 도 2에서와 같이, 중공형 본체가중공형의 원 구조이고 중공형 본체의 외면에 고분자 수지층을 도포하지 않은 센터 핀을 제조하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.

[실험예 1]

실시예 1에서 제조된 전지 10 개와 비교예 1에서 제조된 전지 10 개를 4.2 V 전압에서 충격 실험을 실시하였다. 상기 충격 실험은 4.2 V로 충전된 전지의 중앙 부위에, 직경 15.8 mm 이고 무게가 9.1 kg인 봉 형상의 물체를 610 ± 25 mm의 높이에서 떨어뜨려 발화 또는 폭발의 발생 여부를 확인하는 과정으로 수행되었다.

그 결과, 실시예 1에 따른 모든 전지들은 발화 또는 폭발이 일어나지 않은 반면에, 비교예 1에 따른 전지들 중 3 개의 전지들에서 발화 또는 폭발이 확인되었다. 발화 또는 폭발이 유발된 비교예 1의 전지들을 분해하여 검사한 결과, 센터 핀의 단부가 분리막을 관통하여 젤리-롤의 전극에 접속됨으로써 단락이 유발되었음을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전도성 유리재질의 중공형 본체와, 내구성을 가지는 고분자 수지를 중공형 본체의 외면에 도포한 센터핀을 장착함으로써, 잔 충격에는 고분자 수지층에 의해 중공형 본체의 파괴를 막고, 강한 외부 충격시에는 중공형 본체가 파괴되면서 젤리-롤 코어 부위의 전극 호일 무지부의 국부적인 단락을 유도하여, 전지의 발화 또는 폭발을 억제함으로써, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (9)

1. 양극/분리막/음극의 권취형 전극조립체('젤리-롤')가 금속 캔에 내장되어 있고, 젤리-롤의 중앙 중공부에는 센터 핀이 삽입되어 있는 원통형 전지로서, 상기 센터 핀은 강한 외부 충격의 인가시 파괴되는 소재의 중공형 본체와, 상기 중공형 본체의 외면을 도포하고 있는 고분자 수지층으로 구성되어 있어서, 강한 외부 충격의 인가시 파괴된 중공형 본체에 의해 젤리-롤의 전극 호일 무지부가 단락되며, 상기 중공형 본체는 외경이 2 내지 4 mm 이고, 두께는 센터 핀의 전체 반경을 기준으로 10 내지 20%의 크기인 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 중공형 본체는 도전성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 중공형 본체는 유리기재 또는 탄소기재로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 유리기재는 도전성 유리기재인 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지층은 폴리우레탄, 폴리아크릴 및 ABS 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지층의 두께는 센터 핀의 전체 반경을 기준으로 5 내지 10%의 크기인 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 중공형 본체의 외면에는 파괴시 소정의 날카로운 파편이 생성될 수 있도록 다수의 노치가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
9. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 원통형 전지를 단위전지로서 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지모듈.

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