KR101236620B1 - 전해액 보충이 가능한 이차전지 - Google Patents

전해액 보충이 가능한 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해액 보충이 가능한 이차전지를 제공한다. 본 발명에 의한 이차전지는 전극조립체 및 외장재를 포함하며, 상기 외장재에 결합되어 전극조립체에 전해액을 보충할 수 있는 전해액 주입구를 포함한다.
이와 같은 본 발명의 이차전지는 주기적 혹은 간헐적으로 전지 내부에 전해액을 충전할 수 있도록 함으로써 전해액 부족으로 인한 전지의 성능 저하를 방지하고 전지의 수명을 연장시킬 수 있다.

Description

전해액 보충이 가능한 이차전지{Secondary Battery with Means for Supplying Electrolyte}
본 발명은 사용 중 전해액의 보충이 가능하도록 설계된 이차전지에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 전해액의 감소로 인한 전지 기능의 저하를 방지하기 위하여 주기적 또는 간헐적으로 이차전지 내부에 전해액을 보충할 수 있도록 한 리튬 이차전지에 대한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지 수요가 급격히 증가하고 있다.
이차전지는 그것이 사용되는 외부 기기의 종류에 따라, 단일 전지셀의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결한 전지모듈의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지셀 1개의 출력과 용량으로 소정의 기간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD, 소형 PC, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈의 사용이 요구된다.
종래에는 이차전지로서 니켈-카드뮴 전지 또는 수소이온 전지가 사용되었으나, 최근에는 에너지 밀도가 높은 리튬이온 전지 및 리튬폴리머 전지가 많이 사용되고 있다. 이러한 이차전지는 앞에서 설명한 바와 같은 장점으로 인하여 수요가 증가하고 있다.
특히, 상기 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 수요가 증가하고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 양극활물질로 리튬계 산화물, 음극활물질로는 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 이온 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
이러한 리튬 이차전지에서 셀을 장기간 사용할 수 있도록 하려면, 전해액의 장기간 사용은 중요한 이슈가 된다.
그러나, 상기한 바와 같은 이차전지는 전지의 사용 즉, 계속된 충ㆍ방전이 진행됨에 따라 여러 가지 부반응이 발생하게 되고 이에 의해 전해액의 변성이 발생하여 활용 가능한 이차전지의 전해액이 부족하게 되며 이와 같은 현상은 이차전지의 용량 감소나 충전 및 방전시의 출력 저하의 원인이 되어 이차전지의 수명이 감소하게 되는 문제점을 유발한다.
따라서 위와 같이 전해액 감소의 문제를 안고 있는 리튬 이차전지에 있어서, 전지의 사용기간이 길어질수록 전해액의 감소는 점점 커지고, 이는 결국 전지의 성능을 장기적으로 저하시키는 요인이 되는 바, 이차전지의 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 현 시점에서 상기 문제점을 해결하기 위한 연구가 시급히 요구된다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 과제는 주기적 혹은 간헐적으로 전지 내부에 전해액을 충전할 수 있는 전해액 보충이 가능한 이차전지를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 양극, 음극 및 분리막을 구비한 전극조립체, 상기 전극조립체를 감싸는 외장재를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 외장재에는 전극조립체에 전해액을 임의로 보충할 수 있는 전해액 주입구가 구비된 전해액 보충이 가능한 이차전지가 제공된다.
상기 전해액 주입구는 접착테이프에 의해 외장재에 고정된다.
상기 전해액 주입구는 투입된 전해액이 외부로 배출되지 않도록 그 일부가 용접 등의 방법으로 실링 처리되며, 따라서 상기 전해액 주입구는 금속재질로 이루어진다.
상기 전해액 주입구의 외주면에는 소정 간격을 두고 복수의 노치부가 형성된다.
상기 전해액 주입구의 외측에는 캡이 결합되며, 상기 캡은 전해액 주입구에 억지끼움 결합된다.
상기 이차전지는 리튬 이차전지이며, 상기 리튬 이차전지는 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 사용된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 이차전지는 주기적 혹은 간헐적으로 전지 내부에 전해액을 충전할 수 있도록 함으로써 전해액 부족으로 인한 전지의 성능 저하를 방지하고 전지의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 이차전지의 일 실시예를 보인 단면도.
도 2는 도 1의 요부를 상세히 보인 단면도.
이하에서는, 본 발명에 의한 전해액 보충이 가능한 이차전지의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1 및 도 2에에는 각각 본 발명에 의한 이차전지 및 전해액 주입구가 도시되어 있다.
이차전지는 양극활물질이 코팅된 양극, 음극활물질이 코팅된 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치되어 단락을 방지하고 이온의 이동을 가능하게 하는 분리막이 권취된 전극조립체(1)와, 상기 전극조립체(1)를 수용하는 외장재(2)와, 상기 외장재 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 이차전지는, 양극활물질이 코팅되며 양극단자가 연결된 양극, 음극활물질이 코팅되며 음극단자가 연결된 음극 및 분리막을 적층한 후, 이를 권취하여 전극조립체를 제조한다.
그 후, 상기 전극조립체(1)를 외장재(2)에 수용하여 전극조립체(1)가 이탈하지 않도록 하고, 상기 외장재(2)에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 이차전지를 완성한다.
이때, 상기 외장재의 외부로 전극조립체와 전기적으로 연결된 전극단자(양극단자 및 음극단자)(3)가 돌출된다. 상기 전극단자(3)들은 외장재(2)의 상부 또는 하부에서 일방향으로만 돌출 형성될 수도 있고, 상부 및 하부 모두에서 양방향으로 돌출 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명에서는 이차전지에 사용자가 임의로 전해액을 보충할 수 있도록 전해액 주입구(10)가 구비된다. 즉, 전해액 주입구는 대략 원통형의 몸체를 가지며, 이 그 중앙에는 전해액의 주입 방향으로 주입구멍(11)이 형성된다.
전해액 주입구(10)는 리튬 이차전지의 외장재에 연결 고정된다. 따라서, 전극조립체에 전해액의 보충이 필요할 경우 상기 전해액 주입구(10)를 통해 주기적 또는 간헐적으로 전해액을 보충할 수 있다.
이때, 이차전지는 전지의 사용 즉, 계속된 충ㆍ방전이 진행됨에 따라 여러 가지 부반응이 일어나게 되고 이로 인해 가스가 발생할 수 있으므로, 본 발명에서는 전해액을 보충하기 전에 발생된 가스를 상기 전해액 주입구(10)를 통해 외부로 방출할 수 있다.
한편, 외장재의 재질에 따라 전해액 주입구(10)를 고정하기 위한 수단은 달라질 수 있다. 예컨대, 고분자수지가 주 재료인 파우치 외장재의 경우 전해액 주입구(10)는 접착테이프(14)에 의해 고정될 것이다. 왜냐하면 파우치 외장재와 전해액 주입구(10) 간의 용접 등에 의한 실링은 파우치 외장재에 열변형을 초래할 수 있기 때문이다. 물론, 접착테이프 이외에도 전해액 주입구(10)를 외장재에 고정시킬 수 있는 것이라면 그에 대한 제약은 없다.
상기 전해액 주입구(10)를 통해 전해액을 보충한 이후에는 전지의 내부에서 외부로 전해액이 누출되지 않아야 한다. 이에 따라서, 전해액 주입구(10)의 주입구멍(11)은 용접 등의 방법으로 그 일부를 실링 처리함이 바람직하다. 따라서, 전해액 주입구(10)는 용접이 가능한 금속재질로 형성됨이 바람직하다. 이때, 주입구멍(11)의 실링부(12)는 후술하는 노치부와 노치부 사이가 됨이 바람직하다.
이에 더해서, 본 발명의 전해액 주입구(10)는 외장재의 외측으로 돌출 결합되며, 그 끝단에는 캡(15)이 억지끼움 방식으로 결합되도록 함으로써 외장재(2) 내부로부터의 전해액 누출을 방지하는 한편 외장재 외부로부터의 이물질 유입을 방지할 수 있다.
전해액 주입구(10)는 전해액을 전극집전체(1)에 주입할 수 있다면 외장재(2)의 어느 부위에 결합되어도 무방하다. 다만, 전지의 외관이나 형태에 크게 저해함이 없도록 전극단자(3)가 돌출된 변에 주입구(10) 역시 구비되고, 이 경우 외부로부터의 간섭 등을 초래하지 않도록 전극단자의 길이보다 길지 않게 형성됨이 바람직하다.
한편, 상술한 바와 같이 전해액의 충전이 완료되면 전해액 주입구(10)를 실링 처리함으로써 그 내부를 밀봉하게 되는데, 이후에 다시 전지에 전해액을 충전할 필요가 있을 경우 전해액 주입구(10)의 실링부(12)를 절단해야 한다.
따라서, 전해액 주입구(10)의 외주면에는 실링부(12)의 절단이 용이하도록 소정 간격을 두고 복수의 노치부(13)가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 이차전지 중 에너지 밀도가 높은 리튬 이차전지가 적용되는 것이 바람직하다. 리튬 이차전지는 주로 양극활물질로 리튬계 산화물, 음극활물질로는 탄소재를 사용하고 있다.
또한, 상기 리튬 이차전지는 사용 중 전해액의 충전이 필요할 만큼 전지의 사용량이 높은 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 사용되는 것을 특징으로 하며, 상기 중대형 디바이스는 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기바이크(E-bike), 전기스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템이 적용될 수 있다.
1 ; 전극조립체
2 ; 외장재
3 ; 전극
10 ; 전해액 주입구
11 ; 주입구멍
12 ; 실링부
13 ; 노치부
14 ; 접착테이프
15 ; 캡

Claims (10)

  1. 양극, 음극 및 분리막을 구비한 전극조립체, 상기 전극조립체를 감싸는 외장재를 포함하는 이차전지에 있어서,
    상기 외장재에는 전극조립체에 전해액을 임의로 보충할 수 있는 전해액 주입구가 구비되고,
    상기 전해액 주입구의 외주면에는 복수의 노치부가 형성된 것을 특징으로 하는 전해액 보충이 가능한 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 주입구는 접착테이프에 의해 외장재에 고정되는 것을 특징으로 하는 전해액 보충이 가능한 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 주입구는 그 일부가 실링 처리되는 것을 특징으로 하는 전해액 보충이 가능한 이차전지.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 주입구의 외측에 결합되는 캡을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 보충이 가능한 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 캡은 전해액 주입구에 억지끼움 결합되는 것을 특징으로 하는 전해액 보충이 가능한 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 주입구는 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전해액 보충이 가능한 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전해액 보충이 가능한 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 리튬 이차전지는 중대형 디바이스의 전원인 전지모듈의 단위전지로 사용되는 것을 특징으로 하는 전해액 보충이 가능한 이차전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 중대형 디바이스는 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기바이크(E-bike), 전기스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 전해액 보충이 가능한 이차전지.
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