KR101752869B1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

이차 전지의 성능에 영향을 미치지 않으면서 관통 테스트에 대한 안전성을 확보할 수 있는 리튬 이차 전지가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 리튬 이차 전지로서, 상기 리튬 이차 전지의 외형을 구성하는 케이스; 상기 케이스 내에 위치하는 전극 조립체; 및 상기 케이스 내에 위치하고 상기 전극 조립체의 상측 및 하측 중 적어도 하나에 배치되며, 그 내부에 절연 물질을 수용하는 백을 포함하는, 리튬 이차 전지가 제공된다.

Description

리튬 이차 전지{LITHIUM SECONDARY CELL}
본 발명의 실시예들은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 이차 전지의 성능에 영향을 미치지 않으면서 관통 테스트에 대한 안전성을 확보할 수 있는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
재충전이 가능한 이차 전지 중 차세대 동력원으로 주목받는 리튬 이차 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자연방전이 일어나는 정도가 작고, 매우 가벼워 노트북, 카메라, 핸드폰 등과 같은 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. 이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화시스템, 그리고 자동차, 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 일반적으로는, 전해액(electrolytic solution)의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와, 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 분류된다. 또한, 이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있으며, 크게 원통형, 각형(prismatic), 파우치형으로 분류될 수 있다.
또한, 통상적으로 리튬 이차 전지는 집전체에 양극 활물질이 코팅된 양극판, 집전체에 음극 활물질이 코팅된 음극판, 및 이 양극판과 음극판 사이에 배치되어 리튬 이온의 이동만을 가능하게 하면서 쇼트는 방지하는 분리막으로 구성되는 전극 조립체; 이 전극 조립체를 수용하는 케이스; 이 케이스 내측에 수용되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 구성된다.
특히, 파우치형 리튬 이차 전지는 알루미늄 케이스보다 현저히 가볍고 가요성인 파우치 포장재로 케이스가 구성되어, 각형 리튬 이차 전지에 비하여 높은 에너지 밀도(energy density)를 가질 수 있다.
한편, 전극 조립체는, 긴 시트형의 양극판과 음극판을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 권취형 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극판과 음극판을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 적층형 전극조립체, 및 소정 단위의 양극판과 음극판을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트를 이용하여 일 방향으로 또는 지그재그 방향으로 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체로 분류될 수 있다. 이와 같은 전지부는 젤리(Jelly)를 와인딩한 형상과 유사하여 일반적으로 젤리 롤(Jelly Roll)이라 불린다.
또한, 파우치형 이차 전지의 경우에, 케이스의 일 단부 또는 2개의 대향 단부 또는 서로 2 개의 인접하는 단부에 양극 탭 및 음극 탭이 케이스로부터 돌출되도록 마련된다. 이 양극 탭 및 음극 탭은 리드 등을 통해서 케이스 내부의 양극판 및 음극판과 전기적으로 연결된다.
이러한 이차 전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 이차 전지의 안전성을 향상시키는데 있다. 예를 들어, 리튬 이차 전지는 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의한 발열로 인해 전해질 분해 반응과 열폭주 현상이 발생할 경우, 전지 내부의 압력이 급격히 상승하여 전지의 폭발이 유발될 수 있다. 특히, 리튬 이차 전지의 내부 단락은 날카로운 물체가 이차 전지의 외부 케이스를 뚫고서 내부의 전극판을 관통하는 직접적인 충격에 의해서 일어날 수 있다.
이때, 단락된 양극판과 음극판에서는 각 전극판에 저장되어 있던 높은 전기 에너지가 순식간에 도전되므로 과충전이나 과방전과 같은 다른 안전 사고와 달리 폭발의 위험이 높다. 폭발은 단순히 이차전지가 파손되는 것 이외에 사용자에게 치명적인 피해를 가할 수 있으므로, 이차 전지 설계자는 내부 단락에 의한 폭발 현상으로부터 안전성을 확보할 수 있도록 다양한 측면에서 이차 전지 설계 기술을 개발할 필요가 있다.
이에, 새로운 설계 기술이 적용되어 양산된 이차 전지는 내부 단락으로 인한 폭발 방지 설계가 얼마나 잘 이루어졌는지 평가하는 안전성 평가 시험을 거치게 된다. 이러한 안전성 평가 시험은 이차 전지를 핀과 같은 날카로운 물체로 관통시켜서 내부 단락을 유발한 후 안전성이 보장되는지 여부를 확인한다. 종래의 이차 전지의 경우에는 관통 안전성 항목 테스트를 통과하기 위하여 전극 조립체 내의 분리막을 변경하거나 포일(foil) 류의 방열판을 추가하는 방식을 사용하였다. 다만, 분리막을 변경하거나 포일 류를 추가하는 경우에는, 이차 전지 내의 저항이 증가하고 그에 따라 전지의 성능에 영향을 미치게 될 수 있다.
한국공개특허공보 제10-2004-0033120호(2004.04.21)
본 발명의 실시예들은, 이차 전지의 성능에 영향을 미치지 않고 안전성을 확보할 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 관통 안전성 테스트를 통과하여 안전성을 확보할 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 리튬 이차 전지로서, 상기 리튬 이차 전지의 외형을 구성하는 케이스; 상기 케이스 내에 위치하는 전극 조립체; 및 상기 케이스 내에 위치하고 상기 전극 조립체의 상측 및 하측 중 적어도 하나에 배치되며, 그 내부에 절연 물질을 수용하는 백을 포함하는, 리튬 이차 전지가 제공된다.
상기 백은 상기 전극 조립체의 상측 및 하측에 배치될 수 있다.
상기 절연 물질은 접착성을 갖는 물질일 수 있다.
상기 절연 물질은 액상 실리콘(silicon), 액상 에폭시(epoxy) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 백은 상기 전극 조립체의 상면 또는 하면의 적어도 일부를 커버할 수 있는 면적을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 분리막의 변경이나 포일 류의 추가 없이 전극 조립체의 상하측에 절연 물질을 수용하는 백을 배치함으로써, 전지 성능에 영향을 미치지 않으면서 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 전극 조립체의 상하측에 절연 물질을 수용하는 백을 배치함으로써, 관통핀이 이차 전지를 관통하더라도, 전극 조립체에서 양극판 및 음극판 간의 단락이 발생하지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 절연 물질이 접착성을 가짐으로써, 관통핀이 전극 조립체를 관통하는 동안 절연 물질이 관통핀의 외부에 부착된 상태를 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 리튬 폴리머 이차 전지의 단면도
도 2는 관통핀이 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 백을 통과하는 상태를 나타내는 단면도
도 3은 관통핀이 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 전극 조립체에 도달한 상태를 나타내는 단면도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 리튬 이차 전지(10)의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 이차 전지(10)는 이차 전지(10)의 외형을 이루는 케이스(100), 케이스(100) 내에 위치하며 양극, 음극 및 분리막으로 구성되는 전극 조립체(120), 및 전극 조립체(120)의 상하부에 위치하고 그 내부에 절연 물질(140)을 수용하는 백(bag)(130)을 포함할 수 있다. 이차 전지(10)는 캔(can)형 이차 전지 혹은 파우치(pouch)형 이차 전지일 수 있다.
케이스(100)는 외부로부터 이차 전지(10) 내부를 보호하기 위한 것으로서, 특히 외부의 수분이 전지 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
전극 조립체(120)는 양극판과 음극판이 교대로 배치되고, 양극판과 음극판의 사이와 최상 및 최하부에는 분리막이 배치되는 방식으로 형성될 수 있다.
백(130)은 케이스(100) 내에 위치할 수 있으며, 전극 조립체(120)의 상측 및/또는 하측에 배치될 수 있다. 이차 전지(100)의 일측에서부터 관통핀(50)이 침입하는 경우에는, 관통핀(50)이 전극 조립체(120)에 도달하기 전에 백(130)을 먼저 통과할 수 있다. 관통핀(50)이 백(130)을 통과하면서 백(130)에 수용된 절연 물질(140)이 관통핀(50)의 외부에 도포됨으로써 관통핀(50)이 전기적으로 절연된 상태로 될 수 있다. 따라서, 절연 물질(140)이 도포된 상태의 관통핀(50)이 전극 조립체(120)에 도달하더라도 관통핀(50)에 의해서 전극 조립체(120) 내부의 단락이 발생하지 않기 때문에 전극 조립체(120)가 폭발하는 등의 위험이 발생하지 않고 이차 전지(10)의 안전성을 확보할 수 있다.
백(130) 내의 절연 물질(140)은 전기적 절연성을 가지면서 관통핀(50)에 도포된 상태를 유지할 수 있도록 접착성을 가지는 것이 바람직하다. 절연 물질(140)은, 예를 들어, 액상 실리콘(silicon), 액상 에폭시(epoxy)일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 절연성을 지닌 접착 물질은 사용될 수 있다. 다만, 절연 물질(140)이 평상시에 케이스(100) 내의 전해질 등과 혼합되는 것은 바람직하지 않기 때문에, 절연 물질(140)은 백(130)에 의해 케이스(100) 내의 다른 부분과 분리될 수 있다.
또한, 백(130)은 전극 조립체(120)의 상면 및 하면의 적어도 일부를 커버할 수 있는 면적을 가질 수 있다.
백(130)이 전극 조립체(120)의 상하측에 위치하기 때문에, 관통핀(50)이 이차 전지(10)의 어느 쪽에서부터 관통하더라도 관통핀(50)이 전극 조립체(120)에 도달하기 전에 백(130)을 통과할 수 있다. 또한, 복수 개의 이차 전지(10)가 적층되고, 관통핀(50)이 적층된 이차 전지(10)를 차례로 관통하는 경우에도, 상측에 위치하는 이차 전지(10) 내의 백(130)의 절연물질(140)이 도포된 상태의 관통핀(50)이 하측에 위치하는 이차 전지(10)를 관통할 수 있다. 따라서, 복수 개의 이차 전지(10)가 적층된 경우에도 적층된 이차 전지(10) 전체의 안전성을 확보할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(10)에 관통핀(50)이 관통하는 상태를 나타내는 단면도이다. 도 2는 관통핀(50)이 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(10)의 백(130)을 통과하는 상태를 나타내는 단면도이고, 도 3은 관통핀(50)이 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(10)의 전극 조립체(120)에 도달한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 관통핀(50)이 이차 전지(10)의 케이스(100)를 관통하면, 전극 조립체(120)에 도달하기 전에 우선 백(130)을 통과하게 될 수 있다. 백(130) 내에는 절연 물질(140)이 수용되어 있고 절연 물질(140)은 접착성이 있기 때문에, 백(130) 내부를 통과하는 관통핀(50)의 외부에는 절연 물질(140)이 부착될 수 있다. 또한, 절연 물질(140)의 접착성에 의해, 관통핀(50) 외부에 절연 물질(140)이 부착된 채로 관통핀(50)이 전극 조립체(120)에 도달하게 될 수 있다.
도 3을 참조하면, 백(130)을 통과한 이후의 관통핀(50)은 그 외부에 절연 물질(140')이 부착된 채로 있을 수 있다. 절연 물질(140')이 부착된 관통핀(50)이 전극 조립체(120)를 관통하더라도, 관통핀(50)은 절연 물질(140')에 의해 절연되기 때문에, 전극 조립체(120)의 양극판과 음극판 사이에서 단락이 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(10)는 관통에 대한 안전성을 확보할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 실시예를 중심을 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
또한, 본 발명에서 보이는 구성요소들을 공지의 유사한 기능을 수행하는 기술요소로 치환하거나 변형하는 것도 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 명백할 것이다.
따라서, 본 발명의 권리범위는 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 아래의 청구범위에서 보이는 사상 및 그 균등범위까지 미친다.
10 : 이차 전지
50 : 관통핀
100 : 케이스
120 : 전극 조립체
130 : 백(bag)
140 : 절연 물질
140' : 절연 물질(관통핀에 부착)

Claims (5)

  1. 리튬 이차 전지로서,
    상기 리튬 이차 전지의 외형을 구성하는 케이스;
    상기 케이스 내에 위치하는 전극 조립체; 및
    상기 케이스 내에 위치하고 상기 전극 조립체의 상측 및 하측에 배치되며, 그 내부에 절연성 및 접착성을 갖는 절연 물질을 수용하는 백을 포함하고,
    외부 물체가 상기 케이스를 관통하는 경우 상기 외부 물체는 상기 전극 조립체에 도달하기 전에 상기 백에 수용된 상기 절연 물질이 접착되어 도포되는, 리튬 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 물질은 액상 실리콘(silicon), 액상 에폭시(epoxy) 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이차 전지.

  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 백은 상기 전극 조립체의 상면 또는 하면의 적어도 일부를 커버할 수 있는 면적을 가지는, 리튬 이차 전지.
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