KR101156541B1 - 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비드가 형성된 제1면을 구비하며 상기 비드는 높이(h) 및 폭(w)을 가지며 상기 높이(h) 및 상기 폭(w)은 같은 단위계를 사용하며 상기 폭(w)에 대한 상기 비드의 상기 높이(h)의 비(h/w x 100)는 2% 내지 50%인 케이스; 및 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하며 상기 케이스에 수용되는 전극 조립체를 포함하고, 상기 케이스의 제1면의 서로 반대편에 배치된 양단에 수직이며 중점을 가로지르는 가상선에 대하여 상기 비드는 대칭적으로 형성되며 상기 비드는 각각 상기 양단과 상기 제1면의 중점 사이에 배치되며, 상기 케이스의 표면적을 증가시키기 위하여 상기 비드는 상기 케이스 상에 소용돌이상으로 형성되는 이차전지 및 그 제조방법이 제공된다.

Description

이차전지 및 그 제조방법 {Secondary battery and method for manufacturing the same}
본 발명은 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 이차전지의 케이스 구조에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 컴팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 충방전이 가능한 이차전지를 구비할 수 있다. 이차전지는 또한 전기차 또는 하이브리드차의 구동원으로 사용될 수도 있다.
이차전지는 예를 들어 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-MH)전지, 또는 리튬(Li) 전지 등의 전지가 있다. 이때, 예를 들어 리튬 이차전지는 작동 전압이 약3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 보급이 확산되는 추세이다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
리튬 이온 이차전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취 또는 적측된 전극조립체와, 전극조립체를 수용하는 케이스와, 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등을 구비할 수 있다.
이러한 리튬 이온 이차전지는 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취 또는 적층하여 전극조립체를 제조한다. 이때, 양극 활물질은 리튬(Li)을 포함하는 복합산화물을 주성분으로 하며, 예를 들어 탄산 리튬과 산화 코발트를 1.2:1의 비율로 혼합한 후, 400℃ 내지 1000℃에서 소성하여 형성된 LiCoO2를 사용할 수 있다. 전극조립체를 케이스에 수용하며 케이스에 전해액을 주입하고 밀봉하여 리튬 이차전지를 완성할 수 있다.
리튬 이차전지는 충전을 반복하여 사용하는 중에 전극조립체의 부피가 팽창 및 수축을 반복할 수 있다. 이러한 전극조립체의 팽창 및 수축 작용은 케이스가 팽창하는 스웰링(swelling) 현상을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 및 그 제조방법은 내부 압력을 효과적으로 분산시키고 강성을 증가시키는 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 비드가 형성된 제1면을 구비하며 상기 비드는 높이(h) 및 폭(w)을 가지며 상기 높이(h) 및 상기 폭(w)은 같은 단위계를 사용하며 상기 폭(w)에 대한 상기 비드의 상기 높이(h)의 비(h/w x 100)는 2% 내지 50%인 케이스; 및 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하며 상기 케이스에 수용되는 전극 조립체를 포함하고, 상기 케이스의 제1면의 서로 반대편에 배치된 양단에 수직이며 중점을 가로지르는 가상선에 대하여 상기 비드는 대칭적으로 형성되며 상기 비드는 각각 상기 양단과 상기 제1면의 중점 사이에 배치되며, 상기 케이스의 표면적을 증가시키기 위하여 상기 비드는 상기 케이스 상에 소용돌이상으로 형성되는 이차전지를 제공한다.
상기 비드의 상기 폭(w) 대비 상기 높이(h)의 비(h/w x 100)는 2% 내지 33%일 수 있다. 여기서, 상기 비드의 상기 폭(w) 대비 상기 높이(h)의 비(h/w x 100)는 2.4% 내지 18.8%일 수 있다.
한 개 이상인 N개의 상기 비드가 상기 케이스의 제1면상에 형성되며, 상기 제1면은 제1길이(A)를 가지며 상기 N개의 비드는 상기 제1길이에 대하여 수직한 방향으로 연장되며 상기 제1길이(A)에 대한 상기 비드의 개수(N)의 비(N/A x 100)는 2% 내지 24%일 수 있다.
상기 N개의 비드는 제1 선형비드 세트를 구성하며, 상기 제1 선형비드 세트에 수직이며 N'개의 상기 비드를 가지는 제2 선형비드 세트가 상기 제1면 상에 형성되며 상기 제1면은 제2길이(B)를 가지며 상기 N'개의 비드는 상기 제2길이(B)에 수직이며 제2 길이(B)에 대한 상기 제2 선형비드 세트의 상기 비드의 개수(N')의 비(N'/B(mm) x 100)는 2% 내지 24%일 수 있다.
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본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 단부와 상기 제1 단부의 반대편에 배치된 제2 단부를 구비하는 제1면을 포함하는 케이스; 및 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하며 상기 케이스에 수용되는 전극 조립체를 포함하며 상기 제1 단부와 상기 제2 단부에 수직이며 상기 제1 단부와 상기 제2 단부의 중심을 가로지르는 가상선에 대하여 대칭적으로 상기 제1면에 비드가 형성되고, 상기 비드는 상기 제1면의 중심을 둘러싸게 형성되며, 상기 비드를 둘러싸며 동심원을 이루는 적어도 하나의 추가 비드가 더 형성된 이차전지를 제공한다.
상기 비드는 제1 선형비드로 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이로 연장되며 상기 비드는 높이(h) 및 폭(w)을 가지며 상기 비드의 폭(w) 대비 높이(h)의 비(h/w X 100)는 2% 내지 50%일 수 있다.
상기 이차전지는 상기 제1 선형비드에 수직하게 연장되는 제2 선형비드를 더 구비할 수도 있다.
여기서, 상기 제2 선형비드는 상기 제1 선형비드를 교차하게 형성될 수 있다.
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상기 비드는 연속적으로 형성될 수 있다.
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상기 이차전지는 적어도 두 개의 불연속 비드가 상기 제1면의 중심에 대하여 대칭적으로 배치되도록 더 구비하며 상기 불연속 비드는 상기 비드의 바깥쪽에 형성되어 상기 비드가 상기 제1면의 중심과 상기 불연속 비드 사이에 배치될 수도 있다.
상기 이차전지는 상기 가상선에 대하여 서로 대칭되는 반원 비드를 상기 제1면상에 더 구비할 수도 있다.
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본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차전지는 이차전지의 충, 방전시의 체적 팽창을 보상 및 방지하며 내압의 상승으로 인한 전극조립체의 변형을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1는 이차전지의 개략적 사시도이다.
도 2는 도 1의 실시예에서 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 각 변의 길이가 A, B, C인 케이스의 개략적 사시도이다.
도 4a 비드가 형성되어 단위 면적이 확대된 케이스를 도시한 개략적 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 IVb를 확대한 도면으로 비드의 빗변의 길이를 구하기 위한 개략적 개념도이다.
도 5는 힘의 분산원리를 설명한 개략적 개념도이다.
도 6a는 굽힘응력의 원리를 설명하기 위해 도시한 평평한 평면의 측면도와 정면도이다.
도 6b는 굽힘응력의 원리를 설명하기 위해 도시한 비드가 형성된 구조물의 측면도와 정면도이다.
도 7은 폭(w), 높이(h), 비드각(
Figure 112010056510046-pat00001
), 비드 곡률(r)을 가지는 비드를 도시한 개략적 개념도이다.
도 8a은 직육면체 형상의 케이스에 내압을 적용했을 때 일어나는 응력을 나타낸 개략적 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 실시예에서 나타난 변형량에 대해 도시한 개략적 사시도이다.
도 8c는 케이스의 정면도이다.
도 9a는 본 발명에 따른 일 실시예로 변형량에 대응하여 케이스 일면의 중심으로부터 동심원으로 비드가 형성된 케이스의 개략적 사시도이다.
도 9b는 도 9a 실시예의 IXb-IXb를 따라 취한 단면도이다.
도 10a는 도 9a실시예의 일 변형예로 응력에 대응하여 케이스의 응력 집중점에 비드를 형성한 케이스의 개략적 사시도이다.
도 10b는 도 10a 실시예의 Xb-Xb를 따라 취한 단면도이다.
도 11a는 도 9a실시예의 다른 변형예로 변형량과 응력 집중점에 대응하여 동심원 비드와 선형비드가 형성된 케이스의 개략적 사시도이다.
도 11b는 도 11a 실시예의 XIb-XIb를 따라 취한 단면도이다.
도 12a는 도 9a실시예의 또 다른 변형예로 동심원 비드와 방사선형비드가 형성된 케이스의 개략적 사시도이다.
도 12b는 도 12a 실시예의 XIIb-XIIb를 따라 취한 단면도이다.
도 13a는 비드가 한 개 형성된 본 발명의 다른 실시예의 응력분포를 도시한 개략적 사시도이다.
도 13b는 도 13a의 실시예의 변형량을 도시한 개략적 사시도이다.
도 13c는 도 13a의 실시예의 정면도이다.
도 14a는 도 13a의 실시예의 일 변형예로 비드가 두 개 형성된 케이스의 응력분포를 도시한 개략적 사시도이다.
도 14b는 도 14a의 실시예의 변형량을 도시한 개략적 사시도이다.
도 14c는 도 14a의 실시예의 정면도이다.
도 15a는 도 13a의 실시예의 다른 변형예로 A변과 B변에 비드가 각각 여덟 개 형성된 케이스의 응력분포를 도시한 개략적 사시도이다.
도 15b는 도 15a의 실시예의 변형량을 도시한 개략적 사시도이다.
도 15c는 도 15a의 실시예의 정면도이다.
도 15d는 도 15a의 실시예의 측면도이다.
이제 본 발명에 따른 실시예들을 도면과 함께 설명한다. 그러나 본 발명이 상기 도면에 도시된 실시예에 제한되는 것은 아니며 다른 실시예를 구성할 수 있음은 물론이다. 이하 설명된 실시예들은 당업자가 본 발명에 이를 수 있도록 충분히 개시되어 있다.
도면에는 층 또는 일부 부분이 설명을 명확히 하기 위하여 과장되게 그려질 수도 있다. 또한, 층 또는 구성요소가 다른 층 또는 물질 "위"에 배치되었다는 것은 상기 층 또는 구성요소가 다른 층 또는 물질의 바로 위에 배치되거나 또는 상기 층 또는 구성요소와 다른 층 또는 물질 사이에 다른 물질이 배치될 수도 있다고 해석될 수 있다.
또한, 층이 다른 층 "아래" 배치된다는 것 역시 바로 아래 배치되거나 또는 하나 또는 그 이상의 다른 층이 배치될 수도 있음은 물론이다. 또한, 두 층 "사이"에 배치된다는 것은 두 층 사이에만 배치되거나 두 층 사이에 또 다른 하나 또는 그 이상의 층이 배치될 수도 있음은 물론이다. 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 일컫는다.
이하에서는 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 이차전지(1)의 구조를 먼저 설명한 후 내압을 효과적으로 견디는 케이스(34)의 구조에 대해 설명한다. 도 1에는 이차전지(1)의 사시도가 도시되어 있다. 도 2에는 도 1의 이차전지(1)에서, Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 절단하여 바라본 단면도가 도시되어 있다.
도 1 내지 도 2를 참조하면 이차전지(1)는 전극조립체(10), 전극 단자(21, 22), 및 케이스(34)를 구비한다. 이때, 케이스(34)는 전극조립체(10)를 수용하며 전극조립체(10)는 전극 단자(21, 22)를 통해 외부와 전기적으로 연결할 수 있다.
전극조립체(10)는 양극(11), 음극(12), 및 세퍼레이터(13)를 구비한다. 이때, 양극(11) 및 음극(12)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 사이에 개재하여 권취되어 전극조립체(10)를 형성할 수 있다. 이때, 전극조립체(10)는 센터핀을 내측에 배치하고 센터핀을 중심으로 권취할 수도 있고, 또는 양극(11), 세퍼레이터(13), 및 음극(12)을 적층할 수도 있다. 양극(11) 및 음극(12)은 각각 무지부(11a, 12a)와 코팅부(11b, 12b)를 포함할 수 있다. 무지부(11a, 12a)는 박판의 금속 호일로 형성된 집전체에 활물질이 코팅되지 않는 영역일 수 있다. 코팅부(11b, 12b)는 박판의 금속 호일로 형성된 집전체에 활물질이 도포된 영역이다. 전극조립체(10)의 양극 무지부(11a)에는 양극 집전부(40a)가 용접으로 부착될 수 있다. 양극 집전부(40a)는 리드부재(28)를 매개로 양극 단자(21)와 전기적으로 연결될 수 있다. 그에 따라, 양극 단자(21)는 리드부재(28) 및 양극 집전부(40a)를 통하여 전극조립체(10)의 양극(11)과 연결될 수 있다. 음극 집전부(40b)는 리드부재(28)를 매개로 음극 단자(22)와 전기적으로 연결될 수 있다. 그에 따라, 음극 단자(22)는 리드부재(28) 및 음극 집전부(40b)를 통하여 전극조립체(10)의 음극(12)과 연결될 수 있다. 리드부재(28)와 캡플레이트(30) 사이에는 절연을 위한 절연부재(26)가 설치될 수 있다. 리드부재(28)는 집전부(40)에 부착되는 집전 리드부(28b)와 전극 단자(21, 22)에 부착된 단자 리드부(28a)를 포함할 수 있다. 전극 단자(21, 22)는 양극 단자(21) 및 음극 단자(22)를 구비한다. 양극 단자(21) 및 음극 단자(22)는 각각 전극조립체(10)의 양극(11)과 음극(12)에 전기적으로 연결되어 케이스(34)의 외부로 노출될 수 있다.
케이스(34)는 일면에 캡플레이트(30)를 구비할 수 있다. 케이스(34)는 일 면이 개방된 각형 캔 형상을 가질 수 있고 캡플레이트(30)로 케이스(34)의 열린 부분을 봉할 수 있다. 캡플레이트(30)는 전극 단자들(21, 22)이 외부로 돌출되도록 하면서, 케이스(34)를 덮을 수 있다. 케이스(34)와 캡플레이트(30) 사이의 경계가 레이저로 용접되어 전극조립체(10)가 전해액과 함께 수용된 케이스(34)가 밀봉될 수 있다. 캡플레이트(30)는 얇은 판으로 이루어질 수 있다. 또한, 캡플레이트(30)에는 설정된 내부 압력에 따른 파단될 수 있도록 홈이 형성된 벤트 부재(39)가 설치될 수 있다. 여기서, 캡플레이트(30)에는 전해액이 주입되는 전해액 주입구(38a)가 형성될 수 있다. 전해액 주입구(38a)에는 밀봉마개(38)가 끼워져 설치될 수 있다.
이때, 도 1 내지 도 2에는 이차전지(1)를 각형전지로 도시하였으나 이는 이차전지(1)의 일 실시예에 불과하며 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 이차전지(1)는 원통형 이차전지 또는 폴리머형 이차전지일 수 있다. 이때, 각각, 전극조립체(10)는 센터핀을 중심으로 권취하여 구성할 수도 있고, 또는 적층형으로 구성할 수도 있다.
여기서, 이차전지(1)는 충방전을 통해 전극조립체(10)가 팽창 또는 수축하게 될 수 있다. 이러한 전극조립체(10)의 팽창과 수축은 케이스(34)에 물리력으로 작용하고, 이에 따라 케이스(34)는 전극조립체(10)의 변화에 상응하는 물리적 팽창과 수축을 하게 될 수 있다. 이와 같은 전극조립체(10)의 팽창과 수축은 케이스(34)의 외형을 변형시킬 수 있다. 또한 반복적인 전극조립체(10)의 팽창과 수축은 케이스(34)의 변형을 고착화 시킬 수도 있다. 만약 케이스(34)가 변형되어 전극조립체(10)의 부피가 팽창된 상태로 있을 경우 이차전지(1)의 효율은 떨어질 수 있다. 또한, 이러한 충전과 방전이 반복될 경우 기재에 도포된 활물질이 탈락되거나 열화될 수도 있다.
본 발명은 별도의 구성요소를 추가하지 않고 케이스(34)의 형성을 변화시켜 압력을 분산시키고 강성을 증가하는 케이스(34) 구조를 제공한다. 전극조립체(10)의 팽창시 케이스(34)의 응력을 낮추고 변형량을 줄이기 위해서는 케이스(34)는 세가지 요소 즉, 첫째로 케이스(34)의 면적을 증가시키고, 둘째로 내압을 분산시키며, 세번째로 케이스(34)의 강성을 증가시키는 구조를 만족시킬 수 있다. 각 요소에 대해 설명하고 이 세가지 요소를 만족시키는 케이스(34)의 실시예에 대해 설명한다.
먼저 도 3을 참조하여 케이스(34)가 케이스(34)의 변형을 억제하기 위하여 표면적(S)이 증가된 구조를 가질 수 있음을 설명한다. 여기서, 단위면적(S)은 힘(F)이 미치는 케이스(34)의 표면적을 의미한다. 도 3은 각 변의 길이가 A, B, C인 케이스(34)의 개략적 사시도이다. 도 3을 참조하여 응력에 대해 설명한다. 응력(
Figure 112010056510046-pat00002
)(Stress)은 단위면적당 작용하는 힘을 의미한다. 하기 수학식 1을 참조하여 응력(
Figure 112010056510046-pat00003
)을 정의한다.
Figure 112010056510046-pat00004
여기서, 힘(F)은 예를 들어 전극조립체(10)의 팽창 또는 축소 등에 요인에 의해 케이스(34)에 작용하는 내압을 의미한다. 힘(F)이 발생하는 이유는 이에 제한되지 않으며 케이스(34) 내부의 가스 압력 등 다양한 원인에 의해 힘(F)이 발생할 수 있다.
이때, 수학식 1에 따르면 힘(F)이 일정할 때 응력(
Figure 112010056510046-pat00005
)은 단위면적(S)에 반비례한다. 따라서 일정한 힘(F)에 대하여 단위면적(S)이 크게 되면 응력(
Figure 112010056510046-pat00006
)이 감소한다. 이때, 응력(
Figure 112010056510046-pat00007
)의 크기가 감소한다는 의미는 케이스(34)의 임의의 지점에서 케이스(34)를 변형하려는 단위 면적당 힘(F/S)이 작아진다는 뜻이다. 따라서, 케이스(34)가 내압을 견디며 케이스(34)의 변형을 효과적으로 억제하기 위해서는 단위 면적(S)을 증가시키는 구조를 가질 수 있다. 이때, 케이스(34)의 단위 면적(S)을 증가시켜 케이스(34)의 변형을 억제하는 방법뿐만 아니라 힘(F)의 방향을 분산시켜 케이스(34)의 변형을 억제할 수 있다.
도 4a 및 4b를 참조하여 도 3의 실시예의 단위면적(S)이 증가시키기 위해 요철을 가지는 케이스(34)를 설명한다. 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이 케이스(34)는 단위면적(S)을 증가시키기 위하여 피크의 높이(h)대비 폭(w)의 비가 일정한 범위를 가지는 비드(b)가 케이스(34) 표면 상에 형성될 수 있다. 물론 이때, 피크의 높이(h)대비 폭(w)의 비가 일정하다는 것은 각 비드의 크기가 동일할 것에 제한되지는 않으며 일정한 피크의 높이(h)대비 폭(w)의 비를 가지며 그 크기는 다를 수 있음은 물론이다. 여기서 돌출된 형상의 비드(b)에서 폭(w)은 봉우리에서 봉우리 사이로 측정될 수 있으며, 음각으로 형성된 비드(b)의 경우 폭(w)은 가장자리에서 가장자리 사이로 측정될 수 있다.
또한, 케이스(34)의 한 변의 길이가 A이고, 길이가 A인 한 변상에 N개의 비드(b)가 형성될 경우 형성된 비드(b)의 폭(w)은
Figure 112010056510046-pat00008
이다. 이때, 도 4b는 도 4a에서 형성된 비드(b)의 빗변(x)의 길이를 구하기 위해 도 4a의 IVb를 확대한 도면이다. 도4b에서 비드(b)의 피크의 높이를 h라고 할 때 빗 변의 길이x를 피타고라스의 정리를 이용하여 수학식 2를 유도할 수 있다.
Figure 112010056510046-pat00009
이때, 여기서, 케이스(34)상에는 N개의 비드(b)가 생기므로 단위 면적(S')는 하기 수학식 3을 만족한다.
Figure 112010056510046-pat00010
따라서, 표면적을 넓히기 위해서는 N의 개수와 h가 극한값을 가져야 한다. 그러나 공정상 비드수 N과 높이(h)는 극한값을 가질 수 없으므로 압력 분산과 강성 증가를 통해 비드수(N)와 높이(h)의 범위를 결정한다.
도 5를 참조하여 압력 분산의 원리에 대해 설명한다. 도 5를 참조하면 바닥이 평평한 용기(BF)의 바닥과 비교하여 바닥이 둥근 용기(BR)는 바닥 표면에 미치는 압력을 분산하여 보다 고압에도 견딜 수 있다. 이때, 바닥 표면에 형성된 둥근 비드의 폭과 높이에 따라 내압을 분산하는 정도가 달라질 수 있다. 이때, 비드각(
Figure 112010056510046-pat00011
)이 45˚일 때, 힘의 분산이 최대가 된다. 따라서, 비드각(
Figure 112010056510046-pat00012
)의 범위는 45˚ 이하일 수 있다. 여기서, 비드각(
Figure 112010056510046-pat00013
)이 45˚일 때,
Figure 112010056510046-pat00014
는
Figure 112010056510046-pat00015
이 되므로
Figure 112010056510046-pat00016
는 50% 이하가 됨을 알 수 있다. 이때, 높이(h)와 폭(w)은 같은 단위계로 측정될 수 있으며 예를 들어 밀리미터(mm)를 사용할 수 있다.
이때, 용기의 안쪽으로 돌출한 바닥이 둥근 용기(BR)의 경우 용기의 부피 팽창을 보상하는 역할을 할 수도 있다. 즉, 용기가 구부러질 수 있는 재질로 구성되어 있을 경우, 내압에 의해 용기가 팽창하면 안으로 돌출된 요철이 바깥쪽 방향으로 돌출되며 용기 내부의 부피를 증가시켜 용기가 깨지거나 터지는 등의 결과를 막을 수도 있다. 이와 같은 원리 역시 케이스(34)에 적용 가능 하다. 즉, 케이스(34) 안쪽으로 돌출된 요철은 케이스(34) 내부의 압력이 높아질 경우 케이스(34) 바깥쪽으로 돌출되어 케이스(34) 내부의 압력을 보상해줄 수 있기 때문에 케이스(34)가 폭발하거나 깨어지는 것을 방지할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 굽힘응력(Bending Stress)의 원리를 설명하는 개념도이다. 도 6a는 평평한 평면의 측면도와 정면도이며, 도 6b는 비드(b)가 형성된 구조물의 측면도와 정면도이다. 도 7은 폭(w), 높이(h), 비드각(
Figure 112010056510046-pat00017
), 비드 곡률(r)을 가지는 비드를 도시한 개략적 개념도이다. 이때, 화살표는 굽힘응력을 나타내고 있다. 굽힘응력은 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010056510046-pat00018
수학식 4에서
Figure 112010056510046-pat00019
는 굽힘 응력,
Figure 112010056510046-pat00020
은 굽힘 모멘트(Bending Moment), c는 중심축에서 최대 응력이 발생하는 바깥 표면까지의 거리,
Figure 112010056510046-pat00021
는 관성 모멘트(Moment of Inertia)이다. 수학식 4에서 알 수 있듯이 굽힘 응력과 관성 모멘트는 반비례 관계이므로 관성모멘트(I)를 증가시킴으로 굽힘 응력을 줄일 수 있다. 평평한 평면에서 관성모멘트(I)를 증가시키기 위해 비드(b)를 형성하게 되면 굽힘 응력을 감소시킬 수 있다. 즉, 케이스(34) 표면에 굽힘 응력을 감소시키기 위해 비드(b)를 형성할 수 있다.
이때, 굽힘응력을 결정하는 파라미터는 도 7에서 비드(b)의 폭(w), 비드(b)의 높이(h), 비드각(
Figure 112010056510046-pat00022
), 비드 곡률(r)이며 또한, 케이스(34)상에 형성되는 비드(b)의 위치와 방향도 영향을 미친다. 여기서, 비드각(
Figure 112010056510046-pat00023
)은 45˚이하이다. 또한, 비드 곡률(r)은 반원일 때 힘의 분산을 최대로 하므로 지름이 비드의 폭(w)일 때 최대값을 가진다(
Figure 112010056510046-pat00024
).
본 발명에 따르면, 각 파라미터들은 아래 표 1의 값을 만족시킬 때, 케이스(34)의 구조는 보다 효과적으로 내압을 견디는 구조가 된다. 즉, 아래 표1을 만족시키는 범위에서 케이스(34)는 내압을 효과적으로 분산하며, 강성을 증가시킬 수 있다.
파라미터 범위
폭 대비 높이 %(
Figure 112010056510046-pat00025
)		 0~50%
한 변의 길이 대비 비드 개수 (
Figure 112010056510046-pat00026
)		 2%~24%
비드 개수(N) 1~10
비드각(
Figure 112010056510046-pat00027
)		 0<
Figure 112010056510046-pat00028
45˚
비드 곡률(r) 0<r
Figure 112010056510046-pat00029
Figure 112010056510046-pat00030
이때, 폭 대비 비드의 높이 비는 0%내지 50%의 범위를 가질 수 있으며 더 좁게는 2% 내지 33%의 범위를 만족시킬 수 있다. 이때, 비드의 개수 역시 제한을 가질 필요는 없으나 좁게는 1내지 10개의 비드 수를 가질 수 있다.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c를 참조하여 케이스(134)상에 형성되는 비드(b)의 위치와 방향에 대해 설명한다. 도 8a은 직육면체 형상의 케이스(134)에 내압을 적용했을 때 일어나는 응력을 나타낸 개략적 사시도이다. 도 8b는 도 8a의 실시예에서 나타난 변형량에 대해 도시한 개략적 사시도이다. 도 8c는 케이스(134)의 정면도이다. 이때, 도 8a에서 색깔이 짙은 곳은 응력이 집중되는 곳을 의미하며, 도 8b에서 색깔이 짙은 곳은 변형량이 큰 곳을 나타낸다. 도 8a를 참조하면, 케이스(134)상에 응력이 집중되는 지점(S1 , S2 , S3 , S4)은 장방형 상에 상하좌우 대칭으로 나타남을 알 수 있다. 따라서, 케이스(134)상에 응력을 분산시키기 위하여 비드(b)는 좌우 대칭, 또는 상하 대칭, 또는 좌우상하 대칭으로 구성할 수 있다. 또한, 비드(b)의 형성은 연속적으로 형성될 필요는 없으며, 변형량 또는 응력이 집중되는 곳에 부분적으로 배치하여 변형량 또는 응력을 분산시킬 수 있다. 또한, 도 8b를 참조하면, 변형량은 케이스(134)의 원점을 중심으로 동심원형상으로 집중될 수 있다. 또한, 변형량은 중심 및, X축 또는 Y축의 시작점에 집중될 수도 있다. 변형량을 억제하기 위하여 케이스(134)의 원점을 중심으로 비드를 동심원으로 형성할 수도 있다.
이하, 도 9a, 도 9b, 도 10a, 도 10b, 도 11a, 도 11b, 도 12a, 도 12b를 참조하여 비드(b)의 형상 및 형성위치를 설명하고 또한, 도 13a, 도 13b, 도 13c, 도 14a, 도 14b, 도 14c, 도 15a, 도 15b, 15c, 15d를 참조하여 비드(b)의 수(N)및 폭(w) 대비 높이(h)의 비(
Figure 112010056510046-pat00031
)에 따른 변형량 변화를 설명한다.
먼저, 도 9a, 도 9b, 도 10a, 도 10b, 도 11a, 도 11b, 도 12a, 도 12b를 참조하여 케이스(234)상에 형성되는 비드(b)의 형성 위치를 설명한다.
도 8a를 먼저 참조하면, 변형량의 크기는 직육면체 케이스(134)일 면의 중심(xy좌표에서 원점)에 동심원으로 변화된다. 또한, 응력의 변화는 일 면의 중심(xy좌표에서 원점)에서 각 네 변에 각각 대응되는 지점(S1, S2, S3, S4)에 집중된다. 따라서, 비드(b)의 형성 위치는 이에 대응하여 일 면의 중심에 동심원으로 형성되거나, 또는 응력이 집중되는 지점에 대응하여 형성되거나, 또는 동심원과 응력 집중점에 대응하여 형성할 수 있다.
도 9a는 본 발명에 따른 일 실시예로 변형량에 대응하여 케이스(234) 일면의 중심으로부터 동심원으로 비드(b)가 형성된 케이스의 개략적 사시도이다. 도 9b는 도 9a 실시예의 IXb-IXb를 따라 취한 단면도이다. 이때, 비드(b)는 응력 집중점 또는 변형량의 변위에 대응한 형상을 가진 동심원 비드(ccb), 선형 비드(lb), 방사형 비드(rb)등이 형성될 수 있고, 비드(b)가 형성되는 위치에 따라 모서리 비드(cb) 및 비드(b)의 기능에 따른 보충적 비드(ab)를 형성할 수 있다.
도 9a 및 도 9b와 같이 케이스(234)의 일면 중심으로부터 동심원을 가지는 동심원 비드(ccb)가 형성될 수 있다. 이때, 케이스(234)의 각 모서리부에 모서리 비드(cb)를 추가로 형성할 수도 있다. 또한, 케이스(234)에 비드(b)가 형성되는 면이 정사각형이 아닐 경우 동심원 비드(ccb)형성 후 남는 부분에 남은 형상을 따라 보충적 비드(ab)의 형성도 가능하다. 도 10a 및 도 10b와 같이 도 8a에서 응력변화가 집중되는 지점(S1, S2, S3, S4)에 대응하여 비드(b)를 형성할 수도 있다. 도 10a는 도 9a실시예의 일 변형예로 응력에 대응하여 케이스(334)의 응력 집중점에 비드(b)를 형성한 케이스의 개략적 사시도이다. 도 10b는 도 10a 실시예의 Xb-Xb를 따라 취한 단면도이다. 도 10a는 케이스(334) 일면의 중심으로부터 응력변화가 집중되는 지점, 즉 중심과 중심으로부터 각 네 변에 수선의 발을 내린 지점을 연결한 직선상에 형성할 수 있다. 이와 같이 직육면체의 케이스(334)에서 응력 집중점은 x축 또는 y축 상에 형성되므로 비드를 x축 또는 y축 상에 중심이 오도록 형성 할 수 있다. 이때, 비드(b)의 형상은 도 10a에 제한되지 않으며 선형 또는 비선형의 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 도 11a, 및 도 11b와 같이 변형량의 변화와 응력집중점에 모두 대응하도록 비드(b)를 형성할 수 있다. 도 11a는 도 9a실시예의 다른 변형예로 변형량과 응력 집중점에 대응하여 동심원 비드(ccb)와 선형비드(lb)가 형성된 케이스의 개략적 사시도이다. 도 11b는 도 11a 실시예의 XIb-XIb를 따라 취한 단면도이다. 도 11a에는 중앙과 각 변에 가깝게 동심원 비드(ccb)를 형성하고 동심원 사이 응력 집중점에 선형 비드(lb)를 형성하였다. 또한 각 모서리에는 모서리 비드(cb)를 형성할 수 있다. 이때, 비드(b)의 형상은 제한되지 않으며 다양한 형성을 구성할 수 있다. 예를 들어, 도 12a는 도 9a실시예의 또 다른 변형예로 동심원 비드(ccb)와 방사선형비드(rb)가 형성된 케이스의 개략적 사시도이다. 도 12b는 도 12a 실시예의 XIIb-XIIb를 따라 취한 단면도이다. 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 비드(b)는 방사형 비드(rb)등 다양하게 형성할 수 있다. 단, 이러한 비드(b)는 응력을 분산시키기 위하여 케이스(534)의 일 평면상 원점을 중심으로 x축 대칭, y축 대칭, 또는 원점 대칭이 되도록 형성할 수 있다.
표 2는 도 3의 실시예, 도 9a의 실시예 및 도 12a의 실시예의 응력량 및 변형량을 비교한 도표이다.
도 3 도 9a 도 12a 및 도 12b
응력량(MPa) 22.98 0.07 0.84
응력량 감소(%) - 99% 96%
변형량(mm, displacement) 2.9 0.495 1.909
변형량 감소(%) - 83% 34%
표 2를 참조하면, 도 9a의 실시예 및 도 12a의 실시예가 변형을 가하지 않은 도 3의 실시예와 비교하여 응력량과 변형량이 현저하게 감소되었음을 알 수 있다. 또한, 도 9a의 실시예와 도 12a의 실시예를 비교하면, 도 9a의 실시예에서 응력량과 변형량의 감소가 더 많이 발생함을 알 수 있다. 이때, 도 9a 및 도 12a는 폭이 2mm이며, 깊이가 0.8mm인 최소한 한 개의 동심원비드(ccb)가 공통적으로 형성되었으나 응력량과 변형량에서 차이가 발생한다. 그 이유 중 하나로, 도 9a의 실시예는 도 12a의 실시예와 비교하여 추가적인 동심원비드(ccb)가 더 형성된 것에 반하여, 도 12a는 방사형 비드(rb)가 추가적으로 형성되었음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 복수 개의 동심원비드(ccb)가 케이스의 일면에 형성될 경우 응력량 및 변형량을 현저히 감소시키는데 효율적임을 알 수 있다.
이상 도 9a, 도 9b, 도 10a, 도 10b, 도 11a, 도 11b, 도 12a, 및 도 12b에 따른 본 발명의 일 실시예에서는 비드(b)가 케이스(134, 234, 334, 434, 534)상 응력집중과 변형량을 억제하기 위해 형성되는 비드(b)의 형상 및 형성위치를 대해 설명하였다. 이제, 도 13a, 도 13b, 도 13c, 도 14a, 도 14b, 도 14c, 도 15a, 도 15b, 15c, 및 15d에 따른 본 발명의 다른 실시예에서는 비드(b)의 개수(N)및 폭 대비 높이(
Figure 112010056510046-pat00032
)에 따른 변형량 변화를 설명한다. 여기서, 본 발명의 일 실시예와 다른 실시예는 서로 다른 발명이 아니며 동일한 발명의 다른 측면에 대한 설명일 수 있다. 즉, 이하 별도로 설명하지 않았으나 케이스(34)는 일 실시예에 개시된 비드(b)의 형상 및 형성 위치를 가지며 동시에 다른 실시예에서 개시된 비드(b)의 수(N) 및 피크 대비 폭(
Figure 112010056510046-pat00033
)을 가질 수 있음은 물론이다.
도 13a는 비드(b)가 한 개 형성된 본 발명의 다른 실시예의 응력분포를 도시한 개략적 사시도이다. 도 13b는 도 13a의 실시예의 변형량을 도시한 개략적 사시도이다. 도 13c는 도 13a의 실시예의 정면도이다. 도 14a는 도 13a의 실시예의 일 변형예로 비드(b)가 두 개 형성된 케이스(734)의 응력분포를 도시한 개략적 사시도이다. 도 14b는 도 14a의 실시예의 변형량을 도시한 개략적 사시도이다. 도 14c는 도 14a의 실시예의 정면도이다. 도 15a는 도 13a의 실시예의 다른 변형예로 A변과 B변에 비드(b)가 각각 여덟 개 형성된 케이스(834)의 응력분포를 도시한 개략적 사시도이다. 도 15b는 도 15a의 실시예의 변형량을 도시한 개략적 사시도이다. 도 15c는 도 15a의 실시예의 정면도이다. 도 15d는 도 15a의 실시예의 측면도이다.
하기 표 3는 도 13a, 도 13b, 도 13c, 도 14a, 도 14b, 도 14c, 도 15a, 도 15b, 15c, 및 15d에 도시된 본 발명의 다른 실시예 및 그 변형예들의 시뮬레이션을 위한 파라미터들의 값을 보여준다. 여기서, 도 8a 및 도 8b의 실시예는 비드(b)를 형성하지 않은 직육면체의 케이스(34)이며 하기 표 23는 비드(b)가 형성되지 않은 도 8a 및 도 8b의 실시예와 비드(b)가 형성된 도 13a, 도 13b, 도 13c, 도 14a, 도 14b, 도 14c, 도 15a, 도 15b, 15c, 및 15d의 실시예의 변형량 변화를 비교한다.
도 8a, 8b, 8c 도 13a, 13b, 13c 도 14a, 14b, 14c 도 15a, 15b, 15c, 15d
A 34 34 34 34
A변의 N 0 1 2 8
A변의 h(mm) 0 0.8 0.8 0.8
A변의 w(mm) 34 34 17 4.25
A변의
Figure 112010056510046-pat00034
 0% 2.4% 4.7% 18.8%
A변의
Figure 112010056510046-pat00035
 0 2.9% 5.9% 23.5%
B 42 42 42 42
B변의 N 0 0 0 8
B변의 h 0 0 0 0.8
B변의 w 42 42 42 5.25
B변의
Figure 112010056510046-pat00036
 0% 0% 0% 15.2%
B변의
Figure 112010056510046-pat00037
 0% 0% 0% 19%
변형량 2.9 2.8 2.5 2.1
변형량 감소% - 5% 13% 27%
표 3에 따르면, 도 13a, 도 13b, 도 13c의 실시예에 따르면 비드(b)를 형성하지 않은 도 8a, 8b, 8c의 실시예와 비교하여 5%의 변형량이 감소하였다. 도 14a, 도 14b,및 도 14c의 실시예에 따르면 13%의 변형량이 감소하였다. 또한, 도 15a, 도 15b, 15c, 및 15d의 실시예에 따르면 27%의 변형량이 감소하였다. 이와 같이 표 23에 따르면 비드의 개수(N)가 증가할수록 또한, 폭 대비 높이(
Figure 112010056510046-pat00038
)가 증가할수록 변형량 감소가 커진다. 이때, 폭 대비 높이(
Figure 112010056510046-pat00039
)는 0% 내지 50%의 값을 가지며 좁게는 2% 내지 33%의 값을 가질 수 있다. 표 3에 도시된 실험에서 폭 대비 높이(
Figure 112010056510046-pat00040
)는 2.4% 내지 18.8%로 피크 대피 폭 2%내지 33% 이내에 포함되는 범위이다.
이때, 임의의 한 변의 길이X에 대하여 비드의 개수(N)는 예를 들어 적어도 두 가지 방법 중 어느 한 방법을 통해 결정할 수 있다. 첫 번째로는 한 변의 길이 X와 상관없이 1 내지 10개의 비드 개수(N)를 가질 수 있다. 이때, 비드(b)는 표 1의 폭 대비 높이(
Figure 112010056510046-pat00041
)의 범위를 만족하는 형상일 수 있다. 두 번째 방법으로 임의의 한 변의 길이 X에 대하여 한변의 길이 대비 비드 개수(N)의 비(
Figure 112010056510046-pat00042
)를 곱한 값에 근접한 정수 개의 비드 개수(N)를 가질 수 있다. 이때, 표 1을 참조하면, 한 변의 길이 대비 비드 개수(N)의 비(
Figure 112010056510046-pat00043
)는 2% 내지 24%일 수 있다.
이와 같이, 이차전지의 케이스(34)의 형상에 비드(b)를 형성하되 비드(b)의 배치 위치, 비드(b)의 폭(w), 비드(b)의 높이(h), 비드각(
Figure 112010056510046-pat00044
), 비드 곡률(r) 비드(b)의 개수(N) 및 폭 대비 높이의 비(
Figure 112010056510046-pat00045
)를 조절하여 이차전지의 내압을 효과적으로 분산하며 강성을 향상시키는 케이스(34)를 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예들이 개시되었으며 비록 각 요소에 대해 특정 명칭이 사용되었으나 상기 명칭은 일반적이고 묘사적 의미만 가지고 있으며 발명의 범위를 제한하지는 않는다. 따라서 본원 발명의 청구항에 의해 보호되는 본 발명의 보호 범위를 벗어남 없이 본 발명의 실시예들의 다양한 변형예가 가능함을 당업자는 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 이차전지를 이용 및 제조하는 산업에 이용될 수 있다.
1: 이차전지
10: 전극조립체
11: 양극
12: 음극
13: 세퍼레이터
21, 22: 전극 단자
26: 절연부재
28: 리드부재
30: 캡플레이트
34, 134, 234, 334, 434, 534, 634, 734, 834: 케이스
38: 밀봉마개
b:비드
w:폭
h:높이
Figure 112010056510046-pat00046
:비드각
r:비드 곡률

Claims (17)

  1. 비드가 형성된 제1면을 구비하며 상기 비드는 높이(h) 및 폭(w)을 가지며 상기 높이(h) 및 상기 폭(w)은 같은 단위계를 사용하며 상기 폭(w)에 대한 상기 비드의 상기 높이(h)의 비(h/w x 100)는 2% 내지 50%인 케이스; 및
    제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하며 상기 케이스에 수용되는 전극 조립체를 포함하고,
    상기 케이스의 제1면의 서로 반대편에 배치된 양단에 수직이며 중점을 가로지르는 가상선에 대하여 상기 비드는 대칭적으로 형성되며 상기 비드는 각각 상기 양단과 상기 제1면의 중점 사이에 배치되며,
    상기 케이스의 표면적을 증가시키기 위하여 상기 비드는 상기 케이스 상에 소용돌이상으로 형성되는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비드의 상기 폭(w) 대비 상기 높이(h)의 비(h/w x 100)는 2% 내지 33%인 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비드의 상기 폭(w) 대비 상기 높이(h)의 비(h/w x 100)는 2.4% 내지 18.8%인 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    한 개 이상인 N개의 상기 비드가 상기 케이스의 제1면상에 형성되며, 상기 제1면은 제1길이(A)를 가지며 상기 N개의 비드는 상기 제1길이에 대하여 수직한 방향으로 연장되며 상기 제1길이(A)에 대한 상기 비드의 개수(N)의 비(N/A x 100)는 2% 내지 24%인 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 N개의 비드는 제1 선형비드 세트를 구성하며, 상기 제1 선형비드 세트에 수직이며 N'개의 상기 비드를 가지는 제2 선형비드 세트가 상기 제1면 상에 형성되며 상기 제1면은 제2길이(B)를 가지며 상기 N'개의 비드는 상기 제2길이(B)에 수직이며 제2 길이(B)에 대한 상기 제2 선형비드 세트의 상기 비드의 개수(N')의 비(N'/B(mm) x 100)는 2% 내지 24%인 이차전지.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1 단부와 상기 제1 단부의 반대편에 배치된 제2 단부를 구비하는 제1면을 포함하는 케이스; 및
    제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하며 상기 케이스에 수용되는 전극 조립체를 포함하며 상기 제1 단부와 상기 제2 단부에 수직이며 상기 제1 단부와 상기 제2 단부의 중심을 가로지르는 가상선에 대하여 대칭적으로 상기 제1면에 비드가 형성되고,
    상기 비드는 상기 제1면의 중심을 둘러싸게 형성되며,
    상기 비드를 둘러싸며 동심원을 이루는 적어도 하나의 추가 비드가 더 형성된 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 비드는 제1 선형비드로 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이로 연장되며 상기 비드는 높이(h) 및 폭(w)을 가지며 상기 비드의 폭(w) 대비 높이(h)의 비(h/w X 100)는 2% 내지 50%인 이차전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 선형비드에 수직하게 연장되는 제2 선형비드를 더 구비하는 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 선형비드는 상기 제1 선형비드를 교차하게 형성된 이차전지.
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 비드는 연속적으로 형성된 이차전지.
  14. 삭제
  15. 제8항에 있어서,
    적어도 두 개의 불연속 비드가 상기 제1면의 중심에 대하여 대칭적으로 배치되도록 더 구비하며 상기 불연속 비드는 상기 비드의 바깥쪽에 형성되어 상기 비드가 상기 제1면의 중심과 상기 불연속 비드 사이에 배치되는 이차전지.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 가상선에 대하여 서로 대칭되는 반원 비드를 상기 제1면상에 더 구비하는 이차전지.
  17. 삭제
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