KR101763626B1 - 안전성 향상을 위한 구조의 도전부재를 포함하고 있는 전지셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 집전체의 일면 또는 양면에 활물질이 각각 도포되어 있는 양극과 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 단위셀들, 및 상기 단위셀들을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며;
상기 단위셀의 양극단자에 전기적으로 연결되는 전도성 플레이트(A)와 단위셀의 음극단자에 전기적으로 연결되는 전도성 플레이트(B), 및 상기 전도성 플레이트들(A, B) 사이에 개재되는 절연 플레이트를 포함하는 도전부재가, 상기 전극조립체의 내부에 하나 이상 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.
상기 단위셀의 양극단자에 전기적으로 연결되는 전도성 플레이트(A)와 단위셀의 음극단자에 전기적으로 연결되는 전도성 플레이트(B), 및 상기 전도성 플레이트들(A, B) 사이에 개재되는 절연 플레이트를 포함하는 도전부재가, 상기 전극조립체의 내부에 하나 이상 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.
Description
본 발명은 안전성 향상을 위한 구조의 도전부재를 포함하고 있는 전지셀에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
또한, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지셀과 파우치형 전지셀에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
전지셀은 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 사용되기도 한다.
그런데, 앞서 설명한 파우치형 이차전지는 기계적 강성이 작은 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있으므로, 외부충격, 낙하 등에 의하여 쉽게 변형되고, 그러한 변형시 내부단락이 유발될 가능성이 매우 높다는 문제점이 있으므로, 이를 해결하기 위한 방안이 요구되고 있다.
또한, 전지의 낙하, 진동 등과 더불어, 빈번하게 발생하는 침상체 관통시의 내부 단락에 의한 전류의 급격한 흐름 및 전지의 발화 또는 폭발을 방지하고, 보다 효율적인 방법으로 전지의 안전성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 단위셀의 전극단자에 각각 연결된 전도성 플레이트(A)와 전도성 플레이트들(A, B) 및 이들 사이에 개재되는 절연 플레이트를 포함하는 특정한 도전부재가 전극조립체의 내부에 하나 이상 포함될 경우, 전지셀의 안전성을 높이며, 효율적인 전지셀 제조 공정을 이룰 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
집전체의 일면 또는 양면에 활물질이 각각 도포되어 있는 양극과 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 단위셀들, 및 상기 단위셀들을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며;
상기 단위셀의 양극단자에 전기적으로 연결되는 전도성 플레이트(A)와 단위셀의 음극단자에 전기적으로 연결되는 전도성 플레이트(B), 및 상기 전도성 플레이트들(A, B) 사이에 개재되는 절연 플레이트를 포함하는 도전부재가, 상기 전극조립체의 내부에 하나 이상 포함되어 있는 구조로 이루어져 있다.
즉, 본 발명의 따른 전지셀은, 하나 이상의 특정한 도전부재를 전극조립체의 내부에 포함함으로써, 외부충격, 낙하, 및 침상 도체의 관통에 의한 단락을 효율적으로 도전부재로 유도하여, 전지셀의 발화와 폭발을 방지함으로써 전지셀의 안전성을 높일 수 있으며, 또한 효율적인 전지셀 제조 공정을 이룰 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전지셀의 구성에 대해 더욱 자세히 설명하도록 한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전도성 플레이트(A)는 활물질이 도포되어 있지 않은 알루미늄 호일이고, 상기 전도성 플레이트(B)는 활물질이 도포되어 있지 않은 구리일 수 있다.
상기 단위셀의 분리막은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있고, 특히 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자 및 바인더 고분자로 이루어진 활성층이 도포되어 있을 수 있다.
상기 도전부재는, 그것의 형상이 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 평면 형상이 단위셀과 동일한 것일 수 있다.
또한, 상기 절연 플레이트는 전극조립체의 분리막보다 작은 열수축성을 가진 비다공성 소재로 이루어질 수 있다. 절연 플레이트와 대면하고 있는 전도성 플레이트들(A, B)에 전극 활물질이 도포되어 있지 않기 때문에 다공성 구조를 가질 필요는 없지만, 경우에 따라서는 다공성 구조이어도 무방하다. 또한, 소재의 열수축성이 작음으로써, 고온 조건에서 전도성 플레이트들(A, B)의 접촉에 의한 단락을 방지하는 것이 좋다.
본 발명에서, 상기 전도성 플레이트(A, B)는 단위셀의 집전체의 두께 대비 110% 내지 200%의 두께로 이루어질 수 있다. 이는, 침상 도체의 관통시, 전도성 플레이트(A, B)와 침상 도체의 접촉 부위가 단위셀의 집전체와 침상 도체의 접촉 부위보다 넓을 경우, 단락에 의한 전류의 흐름을 전도성 플레이트 쪽으로 유도하여 전지의 발화 또는 폭발을 방지할 수 있기 때문이다.
앞서 정의한 바와 같이, 본 발명의 전지셀에서 전극조립체는 단위셀들이 순차적으로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 3 이상의 홀수인 n개의 단위셀들이 순차적으로 적층되어 있고, 도전부재가 제 1 단위셀과 제 n 단위셀 사이의 임의의 위치에 포함되어 있는 구조일 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 전극조립체는 단위셀들이 긴 시트형의 분리 필름상에 위치한 상태에서 순차적으로 권취되어 있는 구조일 수도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 3 이상의 홀수인 n개의 단위셀들을 폭 대비 긴 길이의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 중심부에 위치하고 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 전극조립체의 최외각에 각각 위치하도록, 제 1 단위셀부터 제 n 단위셀로 순차적으로 권취한 구조로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 제 1 단위셀과 제 2 단위셀 사이에는 권취 전 분리필름 상에서 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위가 형성되어 있으며, 상기 도전부재는 2개 이상의 개수로 포함되어 있고 제 1 단위셀과 제 n-1 단위셀 사이의 임의의 위치할 수 있다. 도전부재들이 2개 이상의 개수로 포함됨으로써 1개의 도전부재가 포함될 때보다 본 발명에서 의도한 효과를 극대화할 수 있다.
이러한 2개 이상의 도전부재들은 다양한 위치에 포함될 수 있는 바, 하나 바람직한 예에서, 2개 이상의 도전부재들 중의 적어도 하나는 제 1 단위셀과 제 2 단위셀 사이에 위치할 수 있다.
바람직하게는, 상기 2개 이상의 도전부재들은 상호 인접하여 위치함으로써, 침상 도체의 관통시 더욱 효과적으로 안전성을 향상시키는 것으로 확인되었다.
또 다른 예로서, 상기 전극조립체는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤 구조일수 있으며, 상기 젤리-롤의 권취 구조 내부에 도전부재가 위치되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 구조는 젤리-롤의 권취 개시 부위에 도전부재를 위치시킴으로써, 용이하게 제작될 수 있다.
상기 전지케이스는 원통형 또는 각형 캔, 및 상기 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡을 포함하는 구조로 이루어질 수 있으며, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는, 예를 들어, 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 파워 툴, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있지만, 이들 만으로 한정되지 않음은 물론이다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 따른 전지셀은 하나 이상의 특정한 도전부재를 전극조립체의 내부에 포함함으로써, 전지셀의 안전성을 높이며, 효율적인 전지셀 제조 공정을 이룰 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도전부재의 수직 단면 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체에 침상 도체가 관통된 형태를 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 5는 도 4의 전극조립체를 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립를 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체에 침상 도체가 관통된 형태를 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다;
도 5는 도 4의 전극조립체를 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립를 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도전부재(100)의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 도전부재(100)은 단위셀의 양극단자에 전기적으로 연결(도시하지 않음)되는 전도성 플레이트(A)와 단위셀의 음극단자에 전기적으로 연결(도시하지 않음)되는 전도성 플레이트(B)를 포함하고 있고, 이들 사이에 절연 플레이트(101)이 개재되어 있다. 전도성 플레이트(A)는 활물질이 도포되어 있지 않은 알루미늄 호일이고, 전도성 플레이트(B)는 활물질이 도포되어 있지 않은 구리 호일로 이루어져 있다.
도 2는 도전부재(100)을 포함하는 전극조립체(200)에 침상 도체가 관통한 형태를 나타내는 모식도이다.
도 2을 참조하면, 단위셀(210)은 집전체의 일면 또는 양면에 활물질이 각각 도포되어 있는 양극(211)과 음극(212), 및 양극(211)과 음극(212)사이에 개재되는 분리막(213)으로 구성되어 있다.
도전부재(100)은 평면 형상이 단위셀(210)과 동일하며, 절연 플레이트(101)는 전극조립체의 분리막(213)보다 작은 열수축성을 가진 비다공성 소재로 이루어져 있다.
전도성 플레이트(A, B)는 단위셀 집전체의 두께 대비 110% 내지 200%의 두께로 이루어져 있다.
이러한 전극조립체(200)를 침상 도체(50)가 관통하는 경우, 전도성 플레이트(A, B)와 침상 도체(50)의 접촉 부위(a, b)가 단위셀(210)의 집전체와 침상 도체의 접촉 부위(c, d)보다 넓어서, 단락을 전도성 플레이트(A, B)쪽으로 더욱 효율적으로 유도하고, 발생한 열을 더욱 많이 분산시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다.
도 3을 참조하면, 전극조립체(300)는 5개의 단위셀들(310, 320, 330, 340, 350)이 순차적으로 적층되어 있고, 2개의 도전부재들(100, 100-1)이 단위셀(310)과 단위셀(320), 단위셀 (340)과 단위셀( 350)사이에 각각 위치해 있다.
도 4와 5는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전극조립체와 이 제조 방법을 나타낸 모식도이다.
전극조립체(400)는 단위셀들(410, 430, 440, 460, 470)이 긴 시트형의 분리 필름(480)상에 위치한 상태에서 순차적으로 권취되어 있다.
전극조립체(400)는 5개의 단위셀들(410, 430, 440, 460, 470)을 폭 대비 긴 길이의 분리필름(480)상에 위치시킨 상태에서, 단위셀(410)이 단위셀들(410, 430, 440, 460, 470)의 적층 방향을 기준으로 전극조립체(400)의 중심부에 위치하고 단위셀(460) 및 단위셀(470)이 전극조립체의 최외각에 각각 위치하도록, 단위셀(410)부터 단위셀(470)로 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있다.
이때, 단위셀(410)과 도전부재(100) 사이에는 권취 전 분리필름(480) 상에서 단위셀(410)의 크기에 상응하는 이격 부위(481)가 형성되어 있고, 2개의 도전부재(100, 100-1)가 포함되어 있으며, 단위셀(410)과 단위셀(430), 단위셀(440)과 단위셀(460) 사이에 각각 위치하고 있다.
끝으로, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체를 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다.
도 6을 참조하면, 전극조립체(500)는 긴 시트형의 양극(511)과 음극(512)을 분리막(513)이 개재된 상태에서 권취하고, 이렇게 권취하여 제작된 젤리-롤의 권취 구조 내부에 도전부재(100)가 위치한다.
이때, 젤리-롤의 권취 개시 부위(E)에 도전부재(100)가 위치한다.
이러한 구조에 의해, 하나 이상의 도전부재(100, 100-1)가 전극조립체(200, 300, 400, 500)의 내부에 포함될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (22)
- 집전체의 일면 또는 양면에 활물질이 각각 도포되어 있는 양극과 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 단위셀들, 및 상기 단위셀들을 포함하는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 장착되어 있으며;
상기 단위셀의 양극단자에 전기적으로 연결되는 전도성 플레이트(A)와 단위셀의 음극단자에 전기적으로 연결되는 전도성 플레이트(B), 및 상기 전도성 플레이트들(A, B) 사이에 개재되는 절연 플레이트를 포함하는 도전부재가, 상기 전극조립체의 내부에 하나 이상 포함되어 있고,
상기 절연 플레이트는 전극조립체의 분리막보다 작은 열수축성을 가진 비다공성 소재로 이루어져 있으며,
상기 전도성 플레이트(A, B)는 단위셀 중의 집전체의 두께 대비 110% 내지 200%의 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지셀. - 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 플레이트(A)는 활물질이 도포되어 있지 않은 알루미늄 호일이고, 상기 전도성 플레이트(B)는 활물질이 도포되어 있지 않은 구리 호일인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 3 항에 있어서, 상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자 및 바인더 고분자로 이루어진 활성층이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 도전부재는 평면 형상이 단위셀과 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 단위셀들이 순차적으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 8 항에 있어서, 상기 전극조립체는 3 이상의 홀수인 n개의 단위셀들이 순차적으로 적층되어 있고, 도전부재가 제 1 단위셀과 제 n 단위셀 사이의 임의의 위치에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 단위셀들이 긴 시트형의 분리 필름상에 위치한 상태에서 순차적으로 권취되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 10 항에 있어서, 상기 전극조립체는 3 이상의 홀수인 n개의 단위셀들을 폭 대비 긴 길이의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 중심부에 위치하고 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 전극조립체의 최외각에 각각 위치하도록, 제 1 단위셀부터 제 n 단위셀로 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 단위셀과 제 2 단위셀 사이에는 권취 전 분리필름 상에서 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위가 형성되어 있으며, 상기 도전부재는 2개 이상의 개수로 포함되어 있고 제 1 단위셀과 제 n-1 단위셀 사이의 임의의 위치에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 12 항에 있어서, 상기 2개 이상의 도전부재들 중의 적어도 하나는 제 1 단위셀과 제 2 단위셀 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 12 항에 있어서, 상기 2개 이상의 도전부재들은 상호 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 15 항에 있어서, 상기 젤리-롤의 권취 구조 내부에 도전부재가 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 15 항에 있어서, 상기 젤리-롤의 권취 개시 부위에 도전부재가 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 원통형 또는 각형 캔, 및 상기 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡을 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 8 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 21 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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