KR101087050B1 - 안전성을 향상시키는 절연부재를 포함하고 있는 이차전지 - Google Patents

안전성을 향상시키는 절연부재를 포함하고 있는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지에서 전극조립체 상에 장착되는 절연부재로서, 각형 케이스의 수평 단면 구조에 대응하는 판상형 구조의 절연성 본체를 포함하고 있고, 양측 단부가 상향 돌출되도록 상기 절연성 본체는 상향 절곡되어 있으며, 상기 양측 단부의 하단면에는 완충부재가 부착되어 있는 것으로 구성되어 있는 절연부재 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.

Description

안전성을 향상시키는 절연부재를 포함하고 있는 이차전지 {Secondary Battery Including Insulating Member for Improvement of Safety}
도 1은 일반적인 각형 전지에서 사용되는 상부 절연부재의 사시도이다;
도 2는 각형 전지의 조립과정의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 각형 전지에서 사용되는 하나의 실시예에 따른 절연부재의 모식도이다;
도 4는 도 3의 절연부재의 일측 단부에 완충부재가 부착된 구조의 모식도이다.
본 발명은 안전성을 향상시키는 절연부재를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지에서 전극조립체 상에 장착되는 절연부재로서, 각형 케이스의 수평 단면 구조에 대응하는 판상형 구조의 절연성 본체를 포함하고 있고, 양측 단부가 상향 돌출되도록 상기 절연성 본체는 상향 절곡되어 있으며, 상기 양측 단부의 하단면에는 완충부재가 부착되어 있는 것으로 구성된 절연부재 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
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.
대표적으로 전지의 재료 면에서 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성을 가지는 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높고, 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있고 높은 집적도로 적층되어 제조되는 전지모듈의 전지로도 사용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높다.
이러한 전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다.
특히, 양극, 음극, 및 그 사이에 분리막을 위치시켜 권취한 구조의 젤리-롤형(Jelly-Roll Type) 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지는 구조적 취약성으로 인하여, 낙하, 외부 충격 등과 같은 외력에 의해 내부 단락이 발생할 가능성이 더욱 높다.
이러한 각형 전지는 각형 금속 캔의 내부에 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 젤리-롤형 전극조립체를 장착하고 그것의 개방 상단에 절연부재를 탑재한 후, 그 위에 다시 탑 캡을 용접하고, 탑 캡에 형성되어 있는 전해액 주입구를 통해 전지케이스 내부에 전해액을 주입한 뒤 금속 볼을 이용하여 밀봉하며, 그 위에 안전소자와 보호회로 등을 실장한 뒤, 하우징(외부 케이스)으로 밀봉하여 제조된다.
이러한 구조에서, 각형 전지의 젤리-롤형 전극조립체 상단에 금속 캡과 전극 탭의 접촉을 방지하기 위하여 탑재되는 절연부재의 사시도가 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 절연부재(10)는 전지케이스(도시하지 않음)의 수평 내면 구조에 대응하는 판상 본체(31)와 그것의 양측 단부 부위에 상향 돌출 지지부(32)가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다. 판상 본체(31)에는 전극조립체(도시하지 않음)의 양극과 음극이 각각 삽입될 수 있는 한 쌍의 개구(33)가 형성되어 있다.
절연부재(10)는 양측 단부의 돌출 지지부(32)가 위쪽을 향하도록 전극조립체 상단에 탑재되고, 각형 캔에 젤리-롤형 전극조립체를 삽입한 후, 탑 캡을 캔의 개방 상단부에 용접하여 결합한다. 돌출 지지부(32)는 탑 캡의 하단면에 밀착될 수 있는 높이로 형성되어 있어서, 외력에 의해 전극조립체가 정위치를 이탈하는 것을 방지하게 된다.
그러나, 낙하 등의 강한 외력이 인가되어 전극조립체에 상향력이 가해지면, 돌출 지지부(32)에 대응하는 절연부재(10)의 하단부는 전극조립체의 양측 상단부를 가압하게 되고, 그로 인해 전극이 손상되면서 캔과 전극간의 단락이 유발되는 문제 점을 가지고 있다.
절연성을 목적으로 전극조립체의 상단에 장착되는 절연부재와 관련하여, 일본 특허등록 제3561554호는 각형 이차전지 절연판의 양 단부에 전극조립체의 위치 이탈을 방지하는 하향 돌출된 스페이서를 구비하는 구조를 제시하고 있다. 그러나, 절연판과 일체형으로 성형되어 돌출된 스페이서는 진동 및 낙하 등에 의한 외력의 인가 시 전극조립체와 스페이서 간의 마찰 및 충격에 의해 전극조립체 단부의 전극들이 파손되어 단락이 유발되는 단점을 가지고 있다.
따라서, 절연부재의 구조를 간단히 변경함으로써 외력에 의한 전극조립체의 내부단락을 방지하여, 전지의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 각형 전지케이스에 내장되어 있는 전극조립체 상단에 장착되는 절연부재의 양측 단부가 상향 돌출되도록 절곡하고, 양측 단부 하단면에 완충부재를 부착하는 경우, 간단한 구조의 변경으로도 낙하 등의 외부충격으로부터 전극조립체에 전달되는 충격량을 완충부재가 흡수하고 전지의 내부 단락을 방지하여 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지에서 전극조립체 상에 장착되는 절연부재로서, 각형 케이스의 수평 단면 구조에 대응하는 판상형 구조의 절연성 본체를 포함하고 있고, 양측 단부가 상향 돌출되도록 상기 절연성 본체는 상향 절곡되어 있으며, 상기 양측 단부의 하단면에는 완충부재가 부착되어 있는 것으로 구성되어 있다.
일반적으로, 절연부재는 전극조립체의 상단에 탑재됨으로써 전극조립체와 탑 캡 사이에 설치되어, 전극조립체의 전극들과 탑 캡의 바람직하지 못한 전기적 접촉을 방지하는 절연 역할을 수행한다. 반면에, 본 발명에 따른 절연부재는 양측 단부에 완충부재를 포함하고 있어서, 상기와 같은 기본적인 역할 이외에, 전극조립체에 대한 외부 충격을 완화시켜 전극이 손상되는 것을 방지하고, 캔과 전극간의 단락 발생을 예방함으로써 전지의 안전성을 향상시키는 역할도 병행한다.
또한, 상기 판상형 구조의 절연성 본체는 금속 캔의 내면에 대응하는 형상을 가지면서 전극조립체의 상부를 전체적으로 감싸고 있으므로 전지에 대한 외부로부터의 충격을 완화시키고, 상기 절연성 본체의 양측 단부는 절연성 본체를 기준으로 상향으로 돌출되어 있어서 탑 캡과 전극조립체 사이를 안정적으로 지지하게 되어 전지의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 절연부재에서 양측 단부의 돌출된 높이는, 바람직하게는, 각형 캔 의 개방 상단부에 장착되는 탑 캡에 도달할 수 있는 길이에 대응하는 것으로 이루어져 있다. 즉, 절연부재의 양측 단부는 탑 캡과 전극조립체의 이격 거리에 대응하는 높이로 돌출되어 있어서, 외력 또는 낙하 등으로 인해 전극조립체가 상향으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
이러한, 상기 절연성 본체는 완만한 경사 구조로 상향 절곡되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로, 절연성 본체의 양측 단부는 경사가 완만하게 절연성 본체를 기준으로 상부 방향으로 절곡되어 있어서, 도 1에서와 같이 종래의 절연성 본체의 양측 단부가 상부 방향으로 수직 절곡되도록 이루어진 것과 비교하여 절연성 본체에 인가되는 외부로부터 충격을 보다 유연하게 흡수할 수 있다.
상기 절연성 본체의 양측 단부와 전극조립체 사이에 부착되는 완충부재 하단의 높이는 절연성 본체 중 비절곡 부위의 하단면 높이와 동일하거나 그 보다 약간 낮게 형성하는 것이 바람직하다. 이는 탑 캡에 부가적으로 장착되는 하부 가스켓 등에 의해 탑 캡의 하면 중앙 부위가 하향으로 돌출되어 있기 때문이다. 또한, 완충부재 하단의 높이가 비절곡된 부위의 하단면 높이보다 높은 경우, 전극조립체와 완충부재 사이에 이격된 공간이 형성되어 외력으로부터 충격을 흡수하는 완충 효과가 감소될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 완충부재는 전기 절연성 및 전지 내부의 전해액에 대하여 내화학성을 가지며 탄성력이 있는 소재로 이루어져 있으며, 바람직하게는, 고분자 수지의 다공성 구조체로 이루어질 수 있다. 여기서, 다공성 구조체는 기공이 폐쇄형인 구조와 개방형인 구조가 모두 가능하며, 우수한 내충격성을 발 휘하는 폴리에틸렌 스펀지가 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
절연부재에 대한 완충부재의 부착 방식은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 절연부재의 하단면 및/또는 완충부재의 상단면에 접착제를 부가하여 상호 접착시키는 방식으로 달성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 완충부재의 하단면에도 접착제가 부가된 구조일 수 있다. 일반적으로, 전극조립체는 그것의 양측 단부와 중앙 부위를 가압하는 구조의 지그('가압 지그')를 사용하여 캔에 삽입되고, 이러한 과정에서 음극시트 상단을 감싸고 있던 분리막이 가압되어 손상될 수 있으며, 이러한 상태로 캔에 삽입된 전극조립체에 외부 충격이 인가되면, 분리막이 정위치로부터 이탈될 수 있다. 따라서, 상기와 같이 완충부재의 하단면에 접착제를 부가하여 완충부재를 분리막에 결합시키면, 분리막을 고정시킬 수 있어서, 상기와 같은 문제점을 방지할 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 절연성 본체 중 비절곡 부위의 하단면에도 접착제가 부가될 수 있으며, 이 경우, 전극조립체와 절연성 본체를 더욱 견고하게 고정시키고 전지 내부의 전극조립체가 정위치로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 또한 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있고, 전극조립체의 상단에는 상기 절연부재가 탑재되어, 탑 캡에 대한 전기적 절연 상태를 유지하고 있는 구조의 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는, 전지셀의 종류 및 외형에 관계없이 다양하게 적용 가능하며, 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있고, 상기 이차전지를 구성하는 전극조립체 등의 기타 구성요소들은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세 한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이하, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지의 조립과정이 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 각형의 금속 캔(200)의 내부에는 양극(220)과 음극(230)이 상향 돌출된 형태로 전극조립체(210)가 삽입되어 있다. 전극조립체(210)는 양극시트와 음극시트를 분리막을 개재시킨 상태에서 둥글게 권취한 후 각형의 형태로 압축하여 만들어진다.
전극조립체(210)의 상단에는 탑 캡(300)과 전극조립체(210) 사이를 절연시키는 절연부재(100)가 탑재된다. 이러한 탑재 과정에서, 전극조립체(210)의 양극(220)과 음극(230)은 개구(130)에 삽입되어 절연부재(100)로부터 돌출되고, 절연부재(100)가 탑재된 상태에서 탑 캡(300)이 금속 캔(200)의 상단부와 용접에 의해 결합된다.
이러한 조립과정이 완료된 상태에서 전해액 주입구(310)를 통해 전해액을 소정량 주입하고 최초 충전을 행한 후 다시 전해액을 보충한 뒤 전해액 주입구(310)를 밀봉하여 각형 전지를 완성하게 된다.
도 3에는 본 발명의 각형 전지에서 사용되는 하나의 실시예에 따른 절연부재의 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 절연부재의 일측 단부에 완충부재가 부착된 구조의 확대 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 절연부재(100)는 금속 캔(도 2: 200)의 수평 내면 구조에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 양측 단부의 돌출된 부위(110)는 소정의 높이(h)를 가지는 완만한 경사 구조로 상향 절곡되어 있다.
돌출된 부위(110)의 하단면과 전극조립체(도 2: 210) 사이에서, 완충부재(140)가 접착제(142, 144)에 의해 부착됨으로써, 전극조립체(도 2: 210)와 절연성 본체(120) 및 완충부재(140)가 상호간에 견고하게 고정되어, 전지 내부의 전극조립체(도2: 210)가 외력으로부터 정위치를 이탈하게 되는 것을 방지한다.
완충부재(140)는 내충격성, 절연성 및 내화학성을 가지는 소재로서, 고분자 수지의 다공성 구조체 등으로 이루어지며, 전지의 상부로부터의 외부충격 또는 낙하 등에 의해, 도 3의 화살표 방향과 같은 외력이 인가될 때, 절연부재(100)에 의해 전극조립체(도 2: 210)의 해당 부위가 가압되면서, 전극조립체 상의 전극 단부들(도시하지 않음)이 변형되어 단락이 유발되는 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]
1-1. 양극의 제조
양극 활물질로서 LiCoO2 95 중량%, 및 Super-P(도전제) 3 중량% 및 PVdF(결착제) 2 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 양극을 제조하였다.
1-2. 음극의 제조
음극 활물질로서 인조흑연 95.5 중량%, 및 Super-P(도전제) 1.5 중량% 및 PVdF(결착제) 3 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 구리 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다.
1-3. 전해액의 제조
전해액으로는 1M LiPF6 함유 EC/EMC계 용액을 사용하였다.
1-4. 절연부재의 제조 (1)
도 3에서와 같이 양측 단부가 상향 돌출되는 구조로 판상형 본체를 만들고, 그것의 양측 하단부에 완충부재로서의 PE 스펀지를 부착하여 절연부재를 제조하였다.
1-5. 전지의 제조
분리막으로 셀가드TM을 사용하고, 상기 1-1의 양극과 상기 1-2의 음극 및 상기 분리막을 순서대로 적층하고 권취하여 젤리-롤형 전극조립체를 제조하였다. 상기 젤리-롤형 전극조립체를 각형 전지케이스의 외형에 대응하는 형상으로 압축한 다음, 개구가 형성되어 있는 케이스 내부에 수납하였다. 그런 다음, 1-4에서 제조된 절연부재를 젤리-롤형 전극조립체의 상단면에 탑재하고, 상기 1-3의 전해액을 주입하는 것으로 이차전지를 제조하였다.
[실시예 2]
케이스 내부에 전극조립체를 수납하고, 1-4에서 제조된 절연부재에서 PE 스펀지의 하단면과 판상형 본체의 하단면에 각각 접착제를 부가한 후, 젤리-롤형 전극조립체의 상단면에 접착시키면서 탑재하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 제조하였다.
[비교예 1]
도 1과 같은 종래의 절연부재를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 제조하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서 각각 제조된 20 개의 전지들을 대상으로, 1.5 m의 높이에서 전지의 모서리 방향으로 총 60개의 전지에 대해 전지 낙하 실험을 60 회 수행한 후, 전극의 단락 여부를 확인하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure 112006084482095-pat00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들은 낙하 실험에서 20 개 전지 중 2 개의 전지에서 단락이 확인되었고, 실시예 2의 20 개의 전지들은 모두 단락이 유발되지 않았다. 반면에, 비교예 1의 전지들은 다수의 전지들(8 개)에서 단락이 확인되었다.
즉, 실시예 1의 대부분의 전지들은 전극조립체 상단의 전극 단부가 변형되는 것을 절연부재의 PE 스펀지에 의해 방지함으로써 전지의 단락을 방지할 수 있었고, 특히, 실시예 2의 모든 전지들은, 전극조립체의 분리막이 접착제에 의해 PE 스펀지 하단면과 고정되고 PE 스펀지의 완충 작용에 의해 외력을 효과적으로 흡수함으로써 내부 단락을 방지할 수 있었다.
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 이차전지는 양측 단부의 돌출부위와 전극조립체 사이에 접착제에 의해 완충부재를 부착시킨 구조의 절연부재를 포함하고 있어서, 낙하 등의 외력이 인가시 전극조립체로 전달되는 충격량을 흡수 및 분산시키고, 바람직하게는 전극조립체의 분리막에 대한 접착 구조에 의해, 외력이 인가 또는 전지의 낙하시 전극조립체가 정위치로부터 이탈되어 전극조립체가 손상되면서 발생하는 내부 단락을 미연에 방지함으로써, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지에서 전극조립체 상에 장착되는 절연부재로서, 각형 케이스의 수평 단면 구조에 대응하는 판상형 구조의 절연성 본체를 포함하고 있고, 각형 캔의 개방 상단부에 장착되는 탑 캡에 도달할 수 있는 길이에 대응하는 높이로 양측 단부가 상향 돌출되도록 상기 절연성 본체는 상향 절곡되어 있으며, 상기 양측 단부의 하단면에는 완충부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 절연부재.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 본체는 완만한 경사 구조로 상향 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 절연부재.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 완충부재 하단의 높이는 절연성 본체 중 비절곡 부위의 하단면 높이와 동일하거나 그 보다 약간 낮은 것을 특징으로 하는 절연부재.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 완충부재는 고분자 수지의 다공성 구조체인 것을 특징으로 하는 절연부재.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 다공성 구조체는 폴리에틸렌 스펀지인 것을 특징으로 하는 절연부재.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 완충부재의 하단면에는 접착제가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 절연부재.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 본체 중 비절곡 부위의 하단면에는 접착제가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 절연부재.
  9. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있고 상기 전극조립체의 상단에는 제 1 항에 따른 절연부재가 탑재되어 탑 캡에 대한 전기적 절연 상태를 유지하고 있는 구조의 이차전지.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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