KR101714167B1 - 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 특히 양극과 음극을 절연시키는 분리막이 양극판 및 음극판과 함께 권취되는 젤리롤과; 상기 젤리롤이 삽입되며, 하부에는 전해액이 충진되는 냉각부가 구비되고, 내벽에는 상기 젤리롤과 소정간격의 공간을 형성하는 공간부가 구비되는 하우징 형상의 캔과; 상기 캔을 관통하여 상기 젤리롤의 양극판 및 음극판에 부착되어 전기적으로 연결되게 하는 양극탭 및 음극탭으로 구성되어, 별도의 히트파이프를 사용하지 않으므로 배터리 시스템의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며, 배터리 내부에 저장된 전해액을 통해 냉각 기능을 수행할 수 있게 하여 상품성을 향상시키고 이로 인해 배터리 셀의 내구 수명을 연장시키는 동시에 배터리 시스템의 구조가 간단하여 작업성을 향상시킬 뿐만 아니라 부품수 감소로 인해 제작 비용을 저감시키는데 효과가 있도록 하는 것이다.

Description

이차전지{Secondary cell}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 특히 이차전지의 배터리 냉각 성능을 향상시키고 시스템 구조를 간소화시키기 위한 이차전지에 관한 것이다.

일반적으로 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 전지로서, 니켈 카드뮴(Ni-Cd)전지, 니켈 수소(Ni-MH)전지, 리튬 및 리튬 이온(Li-ion)전지, 폴리머 리튬전지(PLI)등으로 분류되고 있으며, 그 적용되는 외형에 따라 원통형 전지와 각형 전지, 전극 젤리롤을 파우치에 수납하는 파우치형 전지로 구분된다.

이러한 이차전지는 종류에 따라 다소 차이가 있지만, 각형 이차전지의 경우, 일반적으로 집전체의 양면에 활물질을 도포 충전하고 이를 건조 및 롤 프레싱한 후 소정의 크기로 절단하여 형성된 양극판 또는 음극판의 사이에 세퍼레이터를 개재하고 함께 권취한다.

이때, 양극판과 음극판을 세퍼레이터와 교대로 겹친 상태에서 타원형의 권취용 맨드릴을 이용하여 나선형으로 권취하고, 권취된 전극 젤리롤의 최외곽부는 음극판을 1회 정도 더 권취한 상태에서 테이프에 의해 마감 처리된다.

이러한 타원형의 전극 젤리롤을 형성한 후 이를 프레싱하여 전해액과 함께 각형 캔의 내부에 삽입하고 그 상부에 절연체를 개재하여 캡 조립체를 밀봉 설치하여 제조되고 있다.

한편, 전지모듈을 구성하는 전지셀들이 충방전 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다.

충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있기 때문에, 고출력 대용량의 전지모듈에는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 구조가 필요하다.

이와 관련하여 종래에는 이차전지에 히트파이프가 구비되도록 하여 열 흡수를 통해 냉각이 가능하게 했다.

그러나, 종래의 히트파이프를 이용한 이차전지는 양극/분리막/음극의 여러 층을 통과하여 히트파이프까지 열전달이 진행되기까지는 그 속도가 느리며, 냉각성능이 저하되고, 히트파이프 설치로 인해 배터리 시스템이 복잡해지는 문제점이 있었다.

특허 1 : 미국 공개특허 2014-0318746

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 이차전지에 관한 것으로서, 특히 이차전지의 배터리 냉각 성능을 향상시키고 시스템 구조를 간소화시키기 위한 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명은 양극과 음극을 절연시키는 분리막이 양극판 및 음극판과 함께 권취되는 젤리롤과; 상기 젤리롤이 삽입되며, 하부에는 전해액이 충진되는 냉각부가 구비되고, 내벽에는 상기 젤리롤과 소정간격의 공간을 형성하는 공간부가 구비되는 하우징 형상의 캔과; 상기 캔을 관통하여 상기 젤리롤의 양극판 및 음극판에 부착되어 전기적으로 연결되게 하는 양극탭 및 음극탭;을 포함함으로써 달성된다.

상기 젤리롤 외부에는 상기 캔 내벽과 절연을 유지하기 위한 절연체가 구비되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 캔 내부에 구비되는 상기 냉각부와 상기 공간부는 상호 연통되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 캔의 냉각부에 구비된 전해액이 모세관 현상에 의해 상기 공간부를 따라 이동하여 상기 젤리롤과 상기 캔 접촉 시 상기 젤리롤에서 발생하는 열에 의해 상기 공간부를 따라 이동하는 전해액을 기화시키고, 기화되면서 발생하는 기화열에 의해 상기 젤리롤이 냉각되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 캔 내부에서 기화된 전해액은 상기 냉각부에 응축되어 재사용되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 젤리롤 하부 측면에는 상기 젤리롤을 냉각시키는 냉각핀이 추가로 구비되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 냉각부 상면에는 다수의 홈이 형성되되, 상기 홈의 저면에는 마이크로 섬유가 구비되고, 상기 마이크로 섬유 상부로는 증발 공간이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 마이크로 섬유는 구리 및 탄소로 성형되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 분리막은 리튬이온을 통과시킬 수 있도록 다공 구조로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 양극과 음극을 절연시키며, 다공 구조로 이루어진 분리막이 양극판 및 음극판과 함께 권취되는 젤리롤과; 상기 젤리롤이 삽입되며, 하부에는 전해액이 충진되는 냉각부가 구비되고, 내벽에는 상기 젤리롤과 소정간격의 공간을 형성하는 공간부가 상기 냉각부와 연통되어 상기 냉각부에 구비된 전해액이 모세관 현상에 의해 상기 공간부를 따라 이동하여 상기 젤리롤에서 발생하는 열에 의해 상기 공간부를 따라 이동하는 전해액을 기화시키고, 기화되면서 발생하는 기화열에 의해 상기 젤리롤이 냉각되게 하는 하우징 형상의 캔과; 상기 캔을 관통하여 상기 젤리롤의 양극판 및 음극판에 부착되어 전기적으로 연결되게 하는 양극탭 및 음극탭;을 포함함으로써 달성된다.

상기 냉각부 상면에는 다수의 홈이 형성되되, 상기 홈의 저면에는 구리 및 탄소로 성형되는 마이크로 섬유가 구비되고, 상기 마이크로 섬유 상부로는 증발 공간이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 별도의 히트파이프를 사용하지 않으므로 배터리 시스템의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며, 배터리 내부에 저장된 전해액을 통해 냉각 기능을 수행할 수 있게 하여 상품성을 향상시키고 이로 인해 배터리 셀의 내구 수명을 연장시키는 동시에 배터리 시스템의 구조가 간단하여 작업성을 향상시킬 뿐만 아니라 부품수 감소로 인해 제작 비용을 저감시키는데 효과가 있는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 이차전지를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 이차전지에서 캔 내부의 기화상태를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 이차전지에서 냉각부에 형성된 홈을 도시하는 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명의 이차전지에서 냉각부에 형성된 홈의 다른 예를 도시하는 도면.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 이차전지는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 양극판, 음극판 및 분리막이 권취된 젤리롤(100)과, 젤리롤(100)이 삽입되며 냉각부(210)와 공간부(220)가 형성되는 캔(200)과, 젤리롤(100)과 전기적으로 연결되는 양극탭(110) 및 음극탭(120)을 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 젤리롤(100)은 양극과 음극을 절연시키는 분리막이 양극판 및 음극판과 함께 롤 형상으로 권취된다.

이때, 분리막은 리튬이온을 통과시킬 수 있도록 다공 구조로 형성되도록 한다.

캔(200)은 하우징 형상으로 이루어져 젤리롤(100)이 삽입된다. 여기서 본 발명의 이차전지는 각형전지이므로 캔(200) 또한 각형으로 형성되는 것을 기본으로 하지만 적용분야에 따라 원형으로 형성될 수도 있다.

양극탭(110)과 음극탭(120)은 캔(200)을 관통하여 젤리롤(100)의 양극판 및 음극판에 부착되어 집전체에 접촉 또는 접속되어 있어 집전체와 외부와의 전기적 연결이 가능하게 한다.

젤리롤(100) 외부에는 캔(200) 내벽과 절연을 유지하기 위한 절연체(미도시)가 구비되도록 하는 것이 바람직하다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 캔(200) 하부에는 전해액이 충진되는 냉각부(210)가 구비되어 배터리 냉각이 가능하게 하며, 또한 캔(200) 내벽에는 젤리롤(100)의 양측면과 소정간격의 공간을 형성하는 공간부(220)가 구비되도록 하여 전해액이 모세관 현상에 의해 공간부(220)를 따라 이동할 수 있게 함으로써 배터리를 냉각시키는 것이 가능하게 한다.

이때, 캔(200) 하부에 구비되는 냉각부(210)와 내벽 양단에 구비되는 공간부(220)가 상호 연통되도록 한다.

이처럼, 캔(200)의 냉각부(210)에 구비된 전해액이 모세관 현상에 의해 캔(200) 내벽에 형성된 공간부(220)를 따라 이동하여 젤리롤(100)과 캔(200)의 전후면이 접촉하게 될 때 젤리롤(100)에서 발생하는 열이 캔(200) 내벽 양단에 형성된 공간부(220)를 따라 이동하는 전해액을 기화시키고, 이때 기화되면서 발생하는 기화열에 의해 젤리롤(100)이 냉각되도록 한다.

한편, 캔(200) 내부에서 기화된 전해액은 다시 액화되어 냉각부(210)로 전달되도록 하고, 냉각부(210) 전달된 액체는 응축되어 재사용되는 것이 가능하게 한다.

이때, 전해액은 냉각 기능을 향상시키기 위해 일정 비율의 저비점 용매를 사용할 수 있으며, 전해액량은 내구 수명 시 소모되는 양과 냉각 기능 저하를 고려하여 최소량을 설정하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 젤리롤(100) 하부 측면에는 젤리롤(100)을 냉각시키는 냉각핀(미도시)이 구비되도록 하여 냉각 성능을 향상시킬 수 있게 하는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 냉각부(210) 상면에는 다수의 홈(211)이 요철 형상으로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 홈(211)의 형상은 도 3에 도시된 바와 같이 역사다리 형상으로 형성되는 것을 기본으로 하지만 적용분야에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 사다리 형상 또는 도 5에 도시된 바와 같이 원형으로 형성될 수 있게 한다.

또한, 홈(211)의 저면에는 마이크로 섬유(212)가 구비되고, 마이크로 섬유(212) 상부로는 증발 공간(213)이 형성되도록 하여 냉각부(210)에서 모세관 현상이 일어나도록 매개체 역할을 한다.

또한, 마이크로 섬유(212)는 구리 및 탄소로 성형되도록 하는 것이 바람직하다.

이처럼, 본 발명은 양극과 음극을 절연시키며, 다공 구조로 이루어진 분리막이 양극판 및 음극판과 함께 권취되는 젤리롤(100)과, 젤리롤(100)이 삽입되며, 하부에는 전해액이 충진되는 냉각부(210)가 구비되고, 내벽에는 젤리롤(100)과 소정간격의 공간을 형성하는 공간부(220)가 냉각부(210)와 연통되어 냉각부(210)에 구비된 전해액이 모세관 현상에 의해 공간부(220)를 따라 이동하여 젤리롤(100)에서 발생하는 열에 의해 공간부(220)를 따라 이동하는 전해액을 기화시키고, 기화되면서 발생하는 기화열에 의해 젤리롤(100)이 냉각되게 하는 하우징 형상의 캔(200)과, 캔(200)을 관통하여 젤리롤(100)의 양극판 및 음극판에 부착되어 전기적으로 연결되게 하는 양극탭(110) 및 음극탭(120)으로 이루어져, 별도의 히트파이프를 사용하지 않고도 배터리 시스템의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며, 배터리 내부에 저장된 전해액을 통해 냉각 기능을 수행할 수 있게 하여 상품성을 향상시키고 이로 인해 배터리 셀의 내구 수명을 연장시키는 동시에 배터리 시스템의 구조가 간단하여 작업성을 향상시킬 뿐만 아니라 부품수 감소로 인해 제작 비용을 저감시킬 수 있게 한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 젤리롤 110 : 양극탭
120 : 음극탭 200 : 캔
210 : 냉각부 220 : 공간부

Claims (11)

1. 양극과 음극을 절연시키는 분리막이 양극판 및 음극판과 함께 권취되는 젤리롤과;
   상기 젤리롤이 삽입되며, 하부에는 전해액이 충진되는 냉각부가 구비되고, 내벽에는 상기 젤리롤과 소정간격의 공간을 형성하는 공간부가 구비되는 하우징 형상의 캔과;
   상기 캔을 관통하여 상기 젤리롤의 양극판 및 음극판에 부착되어 전기적으로 연결되게 하는 양극탭 및 음극탭을 포함하되;
   상기 냉각부 상면에는 다수의 홈이 형성되되, 상기 홈의 저면에는 마이크로 섬유가 구비되고, 상기 마이크로 섬유 상부로는 증발 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 젤리롤 외부에는 상기 캔 내벽과 절연을 유지하기 위한 절연체가 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 캔 내부에 구비되는 상기 냉각부와 상기 공간부는 상호 연통되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 캔의 냉각부에 구비된 전해액이 모세관 현상에 의해 상기 공간부를 따라 이동하여 상기 젤리롤과 상기 캔 접촉 시 상기 젤리롤에서 발생하는 열에 의해 상기 공간부를 따라 이동하는 전해액을 기화시키고, 기화되면서 발생하는 기화열에 의해 상기 젤리롤이 냉각되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 캔 내부에서 기화된 전해액은 상기 냉각부에 응축되어 재사용되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 젤리롤 하부 측면에는 상기 젤리롤을 냉각시키는 냉각핀이 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 마이크로 섬유는 구리 및 탄소로 성형되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 분리막은 리튬이온을 통과시킬 수 있도록 다공 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
   
10. 양극과 음극을 절연시키며, 다공 구조로 이루어진 분리막이 양극판 및 음극판과 함께 권취되는 젤리롤과;
    상기 젤리롤이 삽입되며, 하부에는 전해액이 충진되는 냉각부가 구비되고, 내벽에는 상기 젤리롤과 소정간격의 공간을 형성하는 공간부가 상기 냉각부와 연통되어 상기 냉각부에 구비된 전해액이 모세관 현상에 의해 상기 공간부를 따라 이동하여 상기 젤리롤에서 발생하는 열에 의해 상기 공간부를 따라 이동하는 전해액을 기화시키고, 기화되면서 발생하는 기화열에 의해 상기 젤리롤이 냉각되게 하는 하우징 형상의 캔과;
    상기 캔을 관통하여 상기 젤리롤의 양극판 및 음극판에 부착되어 전기적으로 연결되게 하는 양극탭 및 음극탭을 포함하되;
    상기 냉각부 상면에는 다수의 홈이 형성되되, 상기 홈의 저면에는 구리 및 탄소로 성형되는 마이크로 섬유가 구비되고, 상기 마이크로 섬유 상부로는 증발 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
11. 삭제

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