KR101006883B1 - 전해액 흡입성 와셔를 포함하고 있는 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 전극조립체가 내장된 금속 캔의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리에는 전극조립체에 연결된 하나의 단자가 노출될 수 있도록 와셔가 탑재되어 있으며, 상기 와셔는 전기절연성 및 전해액 흡습성을 발휘하도록 구성되어 있는 이차전지를 제공한다.

Description

전해액 흡입성 와셔를 포함하고 있는 전지 {Battery Having Washer of Electrolyte-Absorbing Property}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 상부 구조를 보여주는 단면 모식도이다;

도 2는 도 1의 전지에 사용되는 와셔의 평면 모식도이다;

도 3은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 각형 전지의 분해 사시도이다.

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극조립체가 내장된 금속 캔의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리에는 전극조립체에 연결된 하나의 단자가 노출될 수 있도록 전기절연성 및 전해액 흡습성을 발휘하는 와셔가 탑재되어 있는 이차전지에 관한 것이다.

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-롤형 구조와, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 구조로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

그러나, 스택형 구조 뿐만 아니라 젤리-롤형 전극조립체는 다양한 원인에 의해 내부 단락이 초래되거나 부식성이 높은 전해액이 누출됨으로 인해 전지의 안전성이 심각하게 될 수 있다는 문제점을 가지고 있다.

예를 들어, 전지의 충방전시 젤리-롤형 전극조립체는 반복적인 팽창과 수축을 겪으면서 변형되는 경향이 있고, 이러한 과정에서 응력이 중심부로 집중되어 전극이 분리막을 뚫고 금속 센터 핀에 접촉됨으로써 내부단락이 유발하는 경향이 있다. 상기 내부 단락으로 인한 발열에 의해 유기 용매가 분해되어 가스가 발생하 고, 전지 내의 가스압 상승에 의해 전지가 파열될 수 있다. 이러한 전지 내부의 가스압 상승은 외부 충격에 의해 내부 단락이 발생하였을 때에도 일어날 수 있다.

상기와 같은 전지의 안전성 문제를 해결하기 위하여, 원통형 전지 또는 각형 전지의 캡 어셈블리에는 안전벤트, PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자 또는 PCM, 전류차단소자(Current Interrupt Device: CID) 등의 안전 소자들이 다수 설치되어 있고, 이들 안전 소자들은 다양한 원인에 의해 손상될 수 있는 전지의 안전성을 일부 해결하고 있다.

그러나, 원통형 전지 또는 각형 전지의 경우 고온 환경에 노출되거나 또는 내부 단락 및 기타 원인으로 인하여 전지셀의 내압이 상승하면, 안전소자인 안전벤트의 정상적인 작동에 의해 전해액이 누액되거나, 기타 재료 불량 및 공정 불량 등의 이유로 전해액이 누액될 가능성이 있고, 전지셀 외부로부터 물리적 충격을 받는 경우, 전지셀 변형에 의해 전해액이 누액되는 경우가 발생한다.

전해액이 누액되면, 전지셀의 부식 또는 전지팩의 PCM과 같은 전자소자에 부식을 초래해서 단락이 발생하게 되며, 이는 전지팩의 안전성에 문제를 야기한다.

이와 관련하여, 한국 등록특허 제0624919호에서 이차전지는 제 1, 2전극, 세퍼레이터가 권취된 전극조립체 및 전해액을 수용하는 캔과, 캔의 상측을 커버하며 중심부에 제 1, 2전극 중 어느 하나와 연결된 전극단자가 삽입되고, 일측에는 안전벤트가 형성된 캡 플레이트를 포함하는 캡 어셈블리와, 전극단자의 상면과 연결되어 전극단자와 외부단자를 연결하는 전극리드선 및 캡 조립체의 상측에 설치되어 캡 플레이트와 전극리드선을 절연시킴과 아울러, 안전벤트의 위치를 노출시키는 노 출부를 갖는 와셔를 포함하도록 구성하여, 안전벤트의 위치가 노출됨에 따라 이차전지를 생산하는 공정 진행 중에 이미 설치된 와셔를 제거하여 안전벤트의 위치를 확인하는 번거로움을 방지하는 방법을 개시하고 있다.

그러나, 상기 기술에서 전지에 적용하는 와셔는 전지셀에 이상이 없는 상태에서 단순히 양극단자와 음극단자 간의 쇼트방지만을 목적으로 사용되고 있고, 전해액의 누액 발생에 따른 문제점을 해결하지 못하므로, 전지의 안전성을 확보할 수 없다는 문제점을 가지고 있다.

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, 전극조립체가 금속 캔에 내장되는 이차전지의 제조시, 전기적 절연을 목적으로 이차전지의 캡 어셈블리 상에 탑재되는 와셔를 전해액 흡입성 소재로 만드는 경우, 외부 충격 등에 의해 전지 캔이 손상되면서 전해액이 누출될 때, 전해액을 흡수함으로써 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 전극조립체가 내장된 금속 캔의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리에는 전극조립체에 연결된 하나의 단자가 노출될 수 있도록 와셔가 탑재되어 있으며, 상기 와셔는 전기절연성 및 전해액 흡습성을 발휘하도록 구성되어 있다.

일반적으로, 캡 어셈블리에 장착된 와셔는 기본적으로 전기적 절연상태를 보완하는 역할을 수행하며, 전지셀을 외부의 충격으로부터 보호하고 전지셀 상단에 장착되는 부재들에 대한 기계적 강도를 보완하는 역할도 수행한다. 반면에, 본 발명에 따른 이차전지의 와셔는 전기절연성 및 전해액을 흡수할 수 있는 흡액성 재질로 구성되어 있어서, 상기와 같은 기본적인 역할 이외에, 전해액의 누액이 발생할 때, 이러한 전해액을 흡수함으로써, 전지셀의 부식 및 PCM 등과 같은 전자소자들의 부식으로 인해 초래될 수 있는 전지의 내부단락을 방지하여 전지셀의 안전성을 향상시키는 역할도 병행한다.

본 발명에 있어서, 상기 금속 캔은 원통형 캔일 수도 있고, 각형 캔일 수도 있다. 일 예로, 원통형 캔인 경우, 상기 캡 어셈블리에는 전극조립체에 연결된 양극 돌출 단자가 중앙에 형성되어 있고, 원통형 캔과 캡 플레이트는 상기 양극 단자와 절연된 상태에서 음극 단자를 형성하는 구조일 수 있다.

또 다른 예로서, 각형 캔인 경우, 상기 캡 어셈블리에는 전극단자에 연결된 음극 돌출 단자가 중앙에 형성되어 있고, 각형 캔과 캡 플레이트는 상기 음극 단자와 절연된 상태에서 양극 단자를 형성하는 구조일 수 있다.

상기 와셔는 전해액의 누액을 흡수할 수 있는 흡습성 소재이면 특별히 한정 되지는 않으나, 레이온, 혼방사, 폴리비스코스 및 폴리노직으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 소재로 구성될 수 있으며, 바람직하게는, 폴리노직(Polynosic) 소재로 이루어질 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 와셔가 본질적으로 전해액 흡습성이 있는 소재가 아니더라도, 다공성 구조로 형성되어 있어서 소망하는 흡습성을 발휘할 수도 있다.

상기 와셔의 두께는 그것의 소재에 따라 달라질 수 있으므로 특별히 한정되지는 않으나, 바람직하게는 0.15 내지 0.8 mm일 수 있다. 와셔의 두께는 그것의 기계적 강성, 탄성력 등에 영향을 미치므로, 와셔의 두께가 너무 얇을 경우 소망하는 기계적 강성 등을 나타내지 못하고 약한 외부 충격에 의해서도 파괴될 수 있지만, 반대로, 와셔의 두께가 너무 두꺼우면, 전지의 크기 증가가 현저하여 바람직하지 않다. 따라서, 이러한 점들을 복합적으로 고려하여 상기 범위 내에서 적절히 결정할 수 있다.

캡 어셈블리에 탑재되는 와셔는 다양한 방식으로 해당 부위에 고정될 수 있는 바, 예를 들어, 캡 어셈블리의 클림핑 과정에서 와셔의 외주면을 함께 고정하거나 캔의 외면에 장착되는 열수축성 튜브가 수축되면서 와셔의 외주면을 함께 고정하는 기계적 결합 방식, 와셔의 하면 또는 캡 어셈블리의 상면에 접착제를 부가하여 상호 결합시키는 접착 방식 등이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 전지는 바람직하게는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다. 그러한 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다. 상기 음극은 또한 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.

상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 이러한 분리막으로는 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.

리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 비수 전해액으로는 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

본 발명에 따른 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 삽입하고 거기에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.

양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 양극 활물질로서의 리튬 전이금속 산화물 활물질과 도전재 및 바인더를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 음극 활물질로서 탄소 활물질과 도전재 및 바인더를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 상부 구조를 보여주는 부분 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지에 사용되는 와셔의 평면 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 전지(100)는, 캔(200)의 내부에 발전소자로서의 전극조립체(300)를 삽입하고, 여기에 전해액을 주입하며, 캔(200)의 상단 개구부에 캡 어셈블리(400)를 장착하고, 이와 같이 캡 어셈블리(400)가 장착된 상태에서 캔(200)을 열수축성 튜브(220)에 삽입하여 소정의 열을 가함으로써 제조된다.

캡 어셈블리(400)는 과전류 방지용 PTC 소자(420) 및 내부 압력 저하를 위한 안전벤트(430)를 포함하고 있다. 구체적으로, 캔(200)의 상부 비딩부(210)에 실장되는 기밀유지용 가스켓(450) 내부에, 상단 캡(410)으로의 과전류를 차단하기 위한 PTC 소자(420)와, 내부 압력 저하를 위한 안전벤트(430)가 밀착되어 설치된다. 상단 캡(410)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행한다. 안전벤트(430)는 그것의 하단이 전류차단부재(440) 및 양극리드(310)를 통해 발전소자(300)의 양극에 연결되어 있다.

안전벤트(430)는 도전성의 얇은 판재로서, 그것의 중앙부는 하향 만입부(432)를 형성하고 있고, 만입부(432)의 상절곡 및 하절곡 부위에는 각각 깊이를 달리하는 2 개의 노치들이 형성되어 있다.

와셔(500)는 캡 어셈블리(400)의 상단 캡(410)을 감싸면서 비딩부(210) 상부 에 탑재될 수 있도록 전체적으로 원판 구조로 이루어져 있고, 열수축성 튜브(220)가 수축될 때, 와셔(500)의 외주면을 감싸면서 캡 어셈블리(400)에 대한 와셔(500)의 장착이 이루어진다.

와셔(500)는 양극 단자로서의 상단 캡(410)이 음극 단자로서의 캔(200)과 접촉되면서 내부 단락이 유발되는 것을 방지한다. 또한, 와셔(500)는 전해액 흡습성 소재로 이루어져 있어서, 외부 충격 등에 의해 원통형 캔이 손상되면서 비딩부(210)와 가스켓(450) 사이의 계면을 따라 전해액이 누출될 때 전해액을 흡수하는 역할을 수행한다.

도 3에는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 각형 전지의 분해사시도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 이차전지(101)는 상단이 캔(201), 캔(201)의 내부에 수용되는 전극조립체(301), 캔(201)의 개방 상단에 결합되는 캡 플레이트(600)를 포함하는 캡 어셈블리, 및 캡 플레이트(610)의 상측에 설치되는 와셔(501)를 포함하는 것으로 이루어져 있다.

캔(201)은 대략 직육면체의 금속 소재로서 그 자체가 단자 역할을 수행할 수 있다. 캡 어셈블리는 캡 플레이트(610), 절연부재(640), 단자판(650) 및 전극 단자(620)를 포함하고 있다.

캡 플레이트(610)는 캔(201)의 개방 상단에 대응하는 크기와 형상을 가진 금속판으로 이루어져 있고, 그 중앙에 전극 단자(620)가 삽입되는 제 1 단자 개구(611)가 형성된다.

전극 단자(620)는 제 1 전극탭(311) 또는 제 2 전극탭(321)과 연결되어 음극 단자로 작용하게 된다. 전극 단자(620)가 제 1 단자 개구(611)에 삽입될 때는 전극 단자(620)와 캡 플레이트(610)의 절연을 위해 전극 단자(620)의 외면에는 튜브형의 가스켓(630)이 결합되어 함께 삽입된다.

캡 플레이트(610)의 일측에는 전지 내부의 압력이 상승하거나 폭발될 때 그 압력이 위험 수위의 압력보다 낮은 압력에서 파열되도록 일정 깊이의 홈을 형성하여 그 두께를 얇게 하거나 홀을 형성하여 홀에 박판을 용접하여 밀봉한 안전벤트가 형성되어 있다. 또한, 타측에는 소정 크기의 전해액 주입구(612)이 형성되어 있고, 전해액 주입구(612)은 캡 어셈블리(600)가 캔(101)의 개구에 조립된 후, 전해액을 주입하는 통로가 되며 금속 볼(615)로 밀봉된다.

절연부재(640)는 가스켓(630)과 같이 절연물질로 형성되며 캡 플레이트(610)의 하면에 결합된다. 절연부재(640)에는 캡 플레이트(610)의 제 1 단자 개구(611)에 대응되는 위치에 제 2 단자 개구(641)가 형성되어 있다.

단자판(650)은 절연부재(640)의 하면에 결합되며, 캡 플레이트(610)의 제 1 단자 개구(611)에 대응되는 위치에 전극 단자(620)가 삽입되는 제 3 단자 개구(651)가 형성되어 있다. 따라서, 전극 단자(620)는 가스켓(630)에 의하여 캡 플레이트(610)와 전기적으로 절연되면서 단자판(650)과 전기적으로 연결된다.

또한, 전극조립체(301)의 상면에는 전극조립체(301)와 캡 어셈블리(610)를 전기적으로 절연시키기 위해 전극조립체(301)의 상단을 커버하는 탑 인슐레이터(Top Insulator: 660)가 탑재되고, 전극 단자(620)는 전극 리드선(도시하지 않 음)과 연결되어 외부단자와 연결된다.

여기서, 전극 단자(620)가 제 2 전극탭(321)과 연결되면, 캡 플레이트(610)는 제 1 전극탭(311)과 연결되므로 전극 단자(620)와 연결되는 캡 플레이트(610)와 절연되어야 한다. 따라서, 캡 플레이트(610)의 상측, 즉, 캡 플레이트(610)와 전극 단자(620) 사이에는 와셔(501)가 설치된다.

와셔(501)는 전기 절연성고 전해액을 흡수할 수 있는 흡입성 소재로 이루어져 있으며, 중심부에 전극 리드선(도시하지 않음)과 연결되는 전극 단자(620)가 노출되도록 전극단자홀(511)이 형성되어 있다. 와셔(501)의 일측에는 안전벤트가 노출되는 노출부로서 안전벤트홀(521)이 형성되고, 타측에는 전해액 주입구(612)가 개방되도록 주입홀(531)이 형성되어 있다.

따라서, 다양한 원인에 의해 전해액이 캔(201)의 외부로 누출되더라도 와셔(501)에 의해 바로 흡수되므로, 예를 들어, 전지(101)의 상단에 장착되는 PCM(도시하지 않음) 등을 부식시켜 내부 단락이 초래되는 것을 방지할 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]

Ni을 도금한 SPCE(냉간압연강판)을 사용하여 상단 캡 및 원통형 캔을 제작하고, 원통형 캔에 전극조립체를 장착한 다음, 도 1에서와 같이 전해액 흡입성 소재 인 폴리노직(Polynosic) 재질로 만들어진 와셔를 캡 어셈블리의 상단 캡을 감싸면서 비딩부 상단에 탑재 및 접착하고, 열수축성 튜브로 캔의 외면을 감싸면서 캡 어셈블리의 상단부를 밀봉하여 원통형 이차전지를 제조하였다.

[비교예 1]

전해액에 대해 흡습성이 없는 폴리페닐렌 에테르(Polyphenylene ether) 소재의 와셔를 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.

[실험예 1]

실시예 1에서 제조된 30 개의 전지들과 비교예 1에서 제조된 30 개의 전지들을 도립시킨 상태에서, 셀 내부에 30 kgf의 압력을 가하였을 때, 전해액의 누액이 발생한 전지의 수와 누액된 전해액이 캔 외부로 흘러나오는 전지의 수를 확인하였다. 그 결과가 하기 표 1에 개시되어 있다.

<표 1>

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들과 비교예 1의 전지들은 상기 압력 조건에서 대략 유사한 개수의 전지들에서 전해액의 누액 현상이 확인되었으나, 실시예 1의 전지들은 모든 전지들에서 전해액이 외부로 누출되지 않은 반면에, 비교예 1의 전지들은 대부분의 전지들에서 전해액의 외부 누출이 확인되었다. 이는 전해액이 누액된 경우라 하더라도, 본 발명의 전지에서는 와셔에서 전해액을 흡수함으로써, 전해액이 캔의 외부로 누출되지 않았기 때문이다.

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

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 이차전지는 캡 어셈블리의 제조시 절연성의 흡습성이 있는 와셔를 사용함으로써, 전극조립체와 캡 어셈블리를 절연시키고, 전지 전해액의 누액으로 인한 전지셀의 부식 및 PCM의 부식이 발생하는 것을 예방하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 전극조립체가 내장된 금속 캔의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리에는 전극조립체에 연결된 하나의 단자가 노출될 수 있도록 와셔가 탑재되어 있으며, 상기 와셔는 전기절연성 및 전해액 흡습성을 발휘하도록 구성되어 있고 0.15 내지 0.8 mm의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 캔은 원통형 캔이며, 상기 캡 어셈블리에는 전극조립체에 연결된 양극 돌출 단자가 중앙에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 캔은 각형 캔이며, 상기 캡 어셈블리에는 전극단자에 연결된 음극 돌출 단자가 중앙에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 와셔는, 레이온, 혼방사, 폴리비스코스 및 폴리노직으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 전해액 흡습성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 와셔는 폴리노직(Polynosic) 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 와셔는 다공성 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 와셔는 접착 방식 또는 기계적 결합 방식으로 캡 어셈블리의 상단면에 고정되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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