KR101684359B1 - Battery Cell of Vertical Stacking Structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직 적층 구조의 전지셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 전극조립체는 지면에 평행한 면(수평면)을 따라 전극판들이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 전극판들의 일측에 각각 형성되어 있는 전극 탭들이 전극단자에 연결되어 있으며, 상기 전극조립체의 높이는 전극판들의 일 변의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.More particularly, the present invention relates to a battery cell in which an electrode assembly having a structure including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is embedded in a battery case, The electrode assembly has electrode plates sequentially stacked along a plane (horizontal plane) parallel to the paper surface, electrode taps formed at one side of the electrode plates are connected to electrode terminals, The length of the battery cell being greater than the length of one side.
Description
본 발명은 수직 적층 구조의 전지셀에 관한 것이다.The present invention relates to a battery cell having a vertically stacked structure.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.BACKGROUND ART [0002] In recent years, rechargeable secondary batteries have been widely used as energy sources for wireless mobile devices. In addition, the secondary battery is attracting attention as an energy source for electric vehicles, hybrid electric vehicles, and the like, which is proposed as a solution for air pollution in existing gasoline vehicles and diesel vehicles using fossil fuels. Therefore, the types of applications using secondary batteries are diversifying due to the advantages of secondary batteries, and it is expected that secondary batteries will be applied to many fields and products in the future.
이러한 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다. 일반적으로, 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 분류되며, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.Such a secondary battery may be classified as a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, or a lithium polymer battery depending on the configuration of an electrode and an electrolytic solution. The amount of the lithium ion polymer battery Is growing. 2. Description of the Related Art Generally, a secondary battery includes a cylindrical battery and a prismatic battery in which an electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can according to the shape of a battery case, and a pouch type battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch- , And an electrode assembly embedded in the battery case is a power generation device that includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator structure sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and is capable of charging and discharging. The electrode assembly includes a long sheet-like positive electrode coated with an active material, A jelly-roll type which is wound with a separator interposed therebetween, and a stacked type in which a plurality of positive electrodes and negative electrodes of a predetermined size are sequentially stacked with a separator interposed therebetween.
도 1에는 종래의 스택형 이차전지가 도시되어 있다.1 shows a conventional stacked secondary battery.
도 1을 참조하면, 각형 이차전지(10)는 음극단자의 역할을 이루는 각형 전지케이스(20)의 내부로, 시트형의 양극, 음극 및 분리막이 적층되어 있는 전극조립체가 삽입되어 있다.Referring to FIG. 1, the prismatic
전지케이스(20)는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체(21)와, 이러한 케이스 본체(21)의 개방 상단에 음극단자(40)가 설치된 케이스 캡(22)이 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 양극단자는 음극단자(40)와 전기적으로 절연된 케이스 본체(21) 또는 케이스 캡(22) 자체일 수 있다.The
이와 같은 각형 이차전지(10)를 제조하기 위해서는, 우선 케이스 본체(21)의 내부로 전극조립체(30)를 삽입하고, 케이스 캡(22)을 케이스 본체(21)의 개구부에 안착시킨 후, 그것의 접착면 부위를 레이저 용접으로 밀봉한다. 그런 다음, 전지케이스(20)의 내부로 전해액을 주입하게 되는 바, 전해액 주입은 케이스 캡(22)의 일측부위에 형성되어 있는 주입구(23)를 통해 이루어진다. 상세하게는, 주입구(23)로 전해액을 주입한 후, 주입구(23)에 알루미늄 등으로 만들어진 볼 부재를 끼워지고, 별도의 금속 박판을 볼 부재(60) 위로 안착시켜 주입구(23)를 전체적으로 막은 상태에서 레이저 용접을 통해 밀봉한다.In order to manufacture such a prismatic
스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만 제조과정이 번잡하고, 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.The stacked electrode assembly has a structure in which a plurality of positive electrode and negative electrode unit members are sequentially stacked and has a merit that it is easy to obtain a rectangular shape. However, the manufacturing process is troublesome and the shortcoming is caused when the electrode is pushed when a shock is applied have.
이와 같이, 종래의 이차전지는 전극판의 수직방향으로 팽창이 일어나며 팽창 방향으로 적절한 가압에 의해 그 효율성을 높이고 성능을 향상시킬 수 있지만, 적층 높이 대비 상대적으로 매우 넓은 면적을 가지는 전극판을 적층하여 전극면의 팽창 방향으로 균일하게 가압하기 어렵다는 문제점이 있으며, 이는 대용량 및 고전압 전지셀을 제조하는데 제약이 된다.As described above, the conventional secondary battery expands in the vertical direction of the electrode plate and improves the efficiency and performance by appropriately pressing in the expansion direction. However, electrode plates having a relatively large area relative to the stack height are stacked There is a problem in that it is difficult to press uniformly in the expansion direction of the electrode surface, which is a limitation in manufacturing a large capacity and high voltage battery cell.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the prior art and the technical problems required from the past.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전극조립체의 높이가 전극판의 일 변의 길이보다 큰 형태로 구성되어 전극판들의 부피팽창을 효과적으로 제어하는 구조로서, 전지셀 내부에서 발생된 가스방출이 용이하고, 전극 활물질을 특정 물질을 사용하여 대용량 및 고전압으로 안전성이 확보되는 전지셀을 제공하는 것이다.More specifically, it is an object of the present invention to provide a structure in which the height of the electrode assembly is larger than the length of one side of the electrode plate, thereby effectively controlling the volume expansion of the electrode plates, And to provide a battery cell in which safety is ensured with a large capacity and a high voltage by using a specific material for an electrode active material.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직 적층 구조의 전지셀은,According to an aspect of the present invention, there is provided a battery cell having a vertically stacked structure,
양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서,1. A battery cell in which an electrode assembly having an anode, a cathode, and a separator interposed between the anode and the cathode is embedded in a battery case,
상기 전극조립체는 지면에 평행한 면(수평면)을 따라 전극판들이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 전극판들의 일측에 각각 형성되어 있는 전극 탭들이 전극단자에 연결되어 있으며,The electrode assembly has electrode plates sequentially stacked along a plane (horizontal plane) parallel to the paper surface. The electrode tabs formed on one side of the electrode plates are connected to the electrode terminals,
상기 전극조립체의 높이는 전극판들의 일 변의 길이보다 큰 구조로 구성되어 있다.The height of the electrode assembly is larger than the length of one side of the electrode plates.
즉, 본 발명에 따른 수직 적층 구조의 전지셀은, 전극조립체의 높이가 전극판의 일 변의 길이보다 큰 구조로 구성되어 전극판들의 부피팽창을 효과적으로 제어하고 전지셀 내부에서 발생된 가스방출이 용이하여, 특정한 물질을 사용하여 대용량 및 고전압을 제공하여 전지셀의 성능 및 품질을 향상시켜 안전성을 확보할 수 있는 효과를 제공한다.That is, the battery cell of the vertical laminated structure according to the present invention has a structure in which the height of the electrode assembly is larger than the length of one side of the electrode plate, effectively controlling the volume expansion of the electrode plates, Thus, it is possible to provide a large capacity and a high voltage by using a specific material, thereby improving the performance and quality of the battery cell and ensuring safety.
상기 전지케이스는 각형의 금속 케이스일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라, 상기 전지케이스는 각형의 플라스틱 케이스일 수 있다.The battery case may be a rectangular metal case, but is not limited thereto. In some cases, the battery case may be a rectangular plastic case.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극판은 평면상으로 단변과 장변을 가진 직사각형 구조이고, 상기 전지케이스는 전극판의 단변 길이의 3배 이상 내지 장변 길이의 1.5배 이상인 높이를 가질 수 있다.In one specific example, the electrode plate is rectangular in plan view with a short side and a long side, and the battery case may have a height that is at least three times the short side length of the electrode plate and at least 1.5 times the long side length.
하나의 예에서, 상기 전극판은 평면상으로 정사각형 구조이고, 상기 전지케이스는 전극판의 일변 길이의 1.5배 이상인 높이를 가질 수 있다.In one example, the electrode plate has a square shape in plan view, and the battery case may have a height of 1.5 times or more of the length of one side of the electrode plate.
또 다른 예에서, 상기 전극판은 평면상으로 원형 구조이고, 상기 전지케이스는 전극판의 직경의 1.5배 이상인 높이를 가질 수 있다.In yet another example, the electrode plate may have a planar, circular structure, and the battery case may have a height that is at least 1.5 times the diameter of the electrode plate.
이 경우에, 상기 전지케이스는 지면에 대해 전극판들이 수직 적층된 기둥 형태일 수 있다.In this case, the battery case may be in the form of a column in which electrode plates are vertically stacked with respect to the ground.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 다수의 양극 탭들이 하나의 양극단자에 접속되어 있고, 다수의 음극 탭들이 하나의 음극단자에 접속되어 있는 구조일 수 있다.In one specific example, the electrode assembly may have a structure in which a plurality of positive electrode tabs are connected to one positive electrode terminal, and a plurality of negative electrode tabs are connected to one negative electrode terminal.
상기 전극조립체는 수평면을 기준으로 양극단자와 음극단자가 대향하는 양측 단부에 형성되어 있는 구조일 수 있다.The electrode assembly may have a structure in which positive and negative terminals are formed at opposite ends of the electrode assembly facing the horizontal plane.
경우에 따라, 상기 전극조립체는 수평면을 기준으로 양극 단자와 음극 단자가 일측 단부에 함께 형성되어 있는 구조일 수도 있다.In some cases, the electrode assembly may have a structure in which a positive electrode terminal and a negative electrode terminal are formed together at one end portion with respect to a horizontal plane.
이 경우에, 상기 양극단자 및 음극단자는 적층 방향을 기준으로 적층 방향 또는 대향 방향을 향하고 있는 구조일 수 있다. In this case, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal may be structured so as to face the stacking direction or the opposite direction with respect to the stacking direction.
경우에 따라서, 상기 음극단자는 적층 방향을 기준으로 적층 방향을 향하고 양극단자는 대향 방향을 향하고 있는 구조일 수 있다.In some cases, the negative terminal may be oriented in the stacking direction with respect to the stacking direction, and the positive electrode terminal may be oriented in the opposite direction.
본 발명에 따르면, 상기 전극판은 평면 형상이 사각형, 원형 또는 다각형인 구조일 수 있고, 예를 들어, 상기 전극판은 전극 탭들이 위치하는 부분에 대응하여 전극판의 내측으로 오목한 형상의 오목부가 형성되어 있고, 상기 오목부에 전극단자가 위치하는 구조일 수 있다.According to the present invention, the electrode plate may have a rectangular, circular, or polygonal planar shape. For example, the electrode plate may have a concave recessed portion And a structure in which the electrode terminal is located in the concave portion.
오목부의 크기는 탭의 폭 및 길이에 대응하는 형상과 크기로 형성되어 콤팩트한 구조로 조립될 수 있고, 전극조립체를 케이스 내부에 안정적으로 유지할 수 있으므로 케이스 내에서의 이동 방지 및 충격에 의한 손상을 방지하므로 안전성 및 효율성 증대 효과를 함께 달성할 수 있다.Since the size of the recess can be formed in a shape and size corresponding to the width and length of the tab and can be assembled in a compact structure and the electrode assembly can be stably held in the case, So that safety and efficiency increase effects can be achieved at the same time.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극판은 충방전 과정에서 초기 두께의 110% 내지 250%의 범위에서 팽창되는 구조일 수 있다. In one specific example, the electrode plate may be structured such that it is expanded in a range of 110% to 250% of an initial thickness in a charge / discharge process.
상기 전극조립체는 폴딩형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어질 수 있다.The electrode assembly may be of a folding type, a stack type, or a stack / folding type.
구체적인 예에서, 상기 전극조립체에서 음극 활물질은 Si계 물질일 수 있고, 상기 전극조립체에서 양극 활물질은 Mn계 산화물일 수 있다.In a specific example, the negative electrode active material in the electrode assembly may be a Si-based material, and the positive electrode active material in the electrode assembly may be a Mn-based oxide.
본 발명은, 상기 전지셀은 이차전지일 수 있고, 바람직하게는, 리튬 이차전지일 수 있다.In the present invention, the battery cell may be a secondary battery, and preferably a lithium secondary battery.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로 포함하고 있는 전지팩과 상기 전지팩을 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.The present invention also provides a battery pack including the battery cell as a unit cell and a device including the battery pack.
상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The device may be selected from the group consisting of a cell phone, a portable computer, a smart phone, a tablet PC, a smart pad, a netbook, a LEV (Light Electronic Vehicle), an electric vehicle, a hybrid electric vehicle and a power storage device.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.The structure and manufacturing method of such a device are well known in the art, so a detailed description thereof will be omitted herein.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수직 적층 구조의 전지셀은, 전극 조립체를 구성하고 있는 전극판들의 부피팽창을 효과적으로 제어하고 전지셀 내부에서 발생된 가스방출이 용이한 구조의 전지셀을 제공하는 것이다.As described above, the battery cell of the vertical laminated structure according to the present invention provides a battery cell having a structure in which the volume expansion of the electrode plates constituting the electrode assembly is effectively controlled and the gas generated inside the battery cell is easily discharged .
또한, 본 발명은 전극조립체의 전극 활물질로서 Si계, Mn계의 특정 물질을 사용함으로써, 대용량 및 고전압의 전지셀을 제공하는 것이다.Further, the present invention provides a large-capacity and high-voltage battery cell by using a Si-based or Mn-based specific material as the electrode active material of the electrode assembly.
도 1은 종래의 통상적인 각형 이차전지의 개략적인 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 수직 적층 구조의 전지셀의 모식도이다;
도 3은 도 2의 전지셀에 수납되는 전극조립체의 개략적인 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직 적층 구조의 전지셀에 수납되는 전극조립체의 개략적인 모식도이다;
도 5는 본 발명에 따른 전극판의 개략적인 모식도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional conventional prismatic secondary battery; FIG.
2 is a schematic view of a battery cell of a vertically stacked structure according to one embodiment of the present invention;
Figure 3 is a schematic diagram of an electrode assembly housed in the battery cell of Figure 2;
4 is a schematic diagram of an electrode assembly housed in a battery cell of a vertically stacked structure according to another embodiment of the present invention;
5 is a schematic diagram schematically showing an electrode plate according to the present invention.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited by the scope of the present invention.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 수직 적층 구조의 전지셀의 모식도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수직 적층 구조의 전지셀의 모식도가 도시되어 있다.FIG. 2 is a schematic view of a battery cell having a vertically stacked structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic view of a battery cell having a vertically stacked structure according to a first embodiment of the present invention. .
도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 전지케이스(120)에는 지면에 대해 양극판들(133) 및 음극판들(135)이 수직 적층되어 있는 전극조립체(130)가 수납되어 있고, 외부로 돌출된 음극단자(150)가 형성된 케이스 캡(122)이 전지케이스(120)의 상단에 장착되어 있다. 전지케이스(120)는 소정의 길이(D)와 폭(W)을 갖고 있으며, 높이(H)는 길이(D)의 1.8배인 기둥 형태로 이루어져 있다.2 and 3, the
전극조립체(130)는 지면에 평행한 면을 기준으로 양극판들(133) 및 음극판들(135)이 순차적으로 적층되어 있는 구조이다.The
다수의 양극 탭들(134) 및 음극 탭들(136)이 양극판들(133) 및 음극판들(135)에 각각 대향하는 방향에 위치한다. 또한, 다수의 양극 탭들(134)이 하나의 양극단자(141)에 접속되어 있고, 다수의 음극 탭들(136)이 하나의 음극단자(140)에 접속되어 있는 구조로 이루어져 있다.A plurality of
음극단자(140) 및 양극단자(141)는 전극판들(133, 135) 및 전지케이스(120)의 형상에 대응하도록 절곡되어 있으며, 음극단자(140)와 양극단자(141)는 전극조립체(130)의 상면 및 하면에 각각 형성되어 있다.The
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직 적층 구조의 전지셀에 수납되는 전극조립체의 모식도가 도시되어 있다.FIG. 4 is a schematic view of an electrode assembly housed in a battery cell of a vertically stacked structure according to another embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 다수의 양극 탭들(234)이 하나의 양극단자(241)에 접속되어 있고, 다수의 음극 탭들(236)이 하나의 음극단자(240)에 접속되어 있다. 이러한 구조는, 도 3과 비교하여, 양극단자(241)와 음극단자(240)가 모두 전극조립체(230)의 상면 부위에 형성되어 있다는 점을 제외하고는 동일하다.4, a plurality of
도 5에는 본 발명에 따른 전극판의 평면 모식도가 도시되어 있다.5 is a plan view of the electrode plate according to the present invention.
도 5를 참조하면, 오목부들(350, 351)이 음극판(333)의 내측으로 오목한 형상으로 형성되어 있고, 음극탭(336)은 오목부(351)가 형성되어 있는 음극판(333)으로부터 음극단자(340)에 접속되어 있다.
5, the
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims.
Claims (23)
상기 전극조립체는 지면에 평행한 면(수평면)을 따라 전극판들이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 전극판들의 일측에 각각 형성되어 있는 전극 탭들이 전극단자에 연결되어 있으며,
상기 전극조립체의 높이는 전극판들의 일 변의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 전지셀.1. A battery cell in which an electrode assembly having an anode, a cathode, and a separator interposed between the anode and the cathode is embedded in a battery case,
The electrode assembly has electrode plates sequentially stacked along a plane (horizontal plane) parallel to the paper surface. The electrode tabs formed on one side of the electrode plates are connected to the electrode terminals,
Wherein a height of the electrode assembly is greater than a length of one side of the electrode plates.
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