KR102116941B1 - 외력으로 인한 전극조립체 손상을 억제할 수 있는 인슐레이터 어셈블리를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 원통형 전지캔에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 전극조립체의 상단 및 하단 중의 적어도 하나에 장착되어 절연성 담보와 전해액 유통 경로를 제공하는 인슐레이터 어셈블리(insulator assembly)를 포함하고; 관성으로 인한 전극조립체의 상하 유동 시, 전지캔 내면과 전극조립체 사이에 유발되는 압력을 완화시킬 수 있도록, 상기 인슐레이터 어셈블리가 관성에 대한 반작용으로 탄성 수축 및 복원되는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

외력으로 인한 전극조립체 손상을 억제할 수 있는 인슐레이터 어셈블리를 포함하는 이차전지 {Secondary Battery Comprising Insulator Assembly Capable of Suppressing Damage to Electrode Assembly Caused by External Force}
본 발명은 외력으로 인한 전극조립체 손상을 억제할 수 있는 인슐레이터 어셈블리를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
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 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 원통형 이차전지(1000)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(1200)의 상 하단에 절연성 플레이트를 장착한 상태로 상기 전극조립체(1200)를 원통형 전지캔(1300)에 수납하고, 원통형 전지캔(1300) 내에 전해액을 주입한 후에, 원통형 전지캔(1300)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(1400)을 결합하여 제작한다.
전극조립체(1200)는 양극(1210)과 음극(1220), 및 이들 사이에 분리막(1230)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(1500)이 삽입되어 있다. 센터 핀(1500)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(1500)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동 시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
한편, 원통형 이차전지가 상하로 유동할 때, 이에 대응하여 전극조립체가 원통형 전지캔 내부에서 상하로 운동하게 되는데, 여기서 관성력에 의해 전극조립체의 상단 또는 하단이 전지캔 내면에 압박될 수 있다.
이와 같은 압박 발생 시, 전극조립체의 상단과 하단의 구조가 짓눌리거나 변형되면서, 내부 저항의 급격한 증가를 유발하거나 양극, 음극간 접촉으로 인한 단락을 유발할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 본 발명의 목적은 전극조립체와 전지캔 내면에 대한 절연이 가능하면서도 탄성 수축 및 복원이 가능한 인슐레이터 어셈블리를 포함하는 이차전지를 제공하는 것으로, 본 발명의 발명자들은 이러한 인슐레이터 어셈블리가 전지캔 내면과 전극조립체 사이에 유발되는 압력을 완화시킴으로써, 전극조립체의 상단과 하단의 구조가 짓눌리거나 변형되는 문제를 일거에 해소할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 이차전지는, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 원통형 전지캔에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서,
상기 전극조립체의 상단 및 하단 중의 적어도 하나에 장착되어 절연성 담보와 전해액 유통 경로를 제공하는 인슐레이터 어셈블리(insulator assembly)를 포함하고;
관성으로 인한 전극조립체의 상하 유동 시, 전지캔 내면과 전극조립체 사이에 유발되는 압력을 완화시킬 수 있도록, 상기 인슐레이터 어셈블리가 관성에 대한 반작용으로 탄성 수축 및 복원되는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지는, 전극조립체가 전지캔 내부에서 상하 운동하더라도, 인슐레이터 어셈블리가 전극조립체의 운동에 대응하여 탄성 수축할 수 있고, 결과적으로 인슐레이터 어셈블리를 수축시킨 관성력 만큼, 전지캔 내면과 전극조립체 사이에 유발되는 압력이 낮아지므로, 전극조립체 유동에 따른 짓눌림이나 변형 등을 상당히 완화할 수 있다.
본 발명에서 상기 인슐레이터 어셈블리는,
판상 구조이고, 고분자 섬유들의 직포 구조로 이루어진 적어도 하나의 제 1 절연판;
판상 구조이고, 고분자 섬유들의 부직포 구조로 이루어진 적어도 하나의 제 2 절연판; 및
판상 구조이고, 고분자 섬유들의 부직포 또는 직포 구조로 이루어져 있으며, 복수의 개구들이 천공되어 있는 적어도 하나의 제 3 절연판;으로부터 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 고분자 섬유들은 다양한 소재로 형성될 수 있으며, 예를 들어 폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리에틸 렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리프로필렌(polypropylene: PP), 폴리테트라 플루오로 에틸렌(polytetrafluoro ethylene: PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(polyvinylidine fluoride: PVdF), 폴리염화 비닐(polyvinylchloride: PVC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 형성될 수 있으 나 이들에 한정되지는 않는다.
상기 인슐레이터 어셈블리는 또한, 전극조립체 상단에 장착되는 제 1 인슐레이터, 및 전극조립체 하단에 장착되는 제 2 인슐레이터를 포함할 수 있다.
상기 제 1 인슐레이터는, 전극조립체의 상단으로의 전해액 주액이 가능하도록, 전해액에 대한 유통로를 제공할 수 있으며 이러한 이유로, 복수의 개구를 포함하는 제 3 절연판을 포함할 수 있으며, 제 3 절연판들 각각의 개구들이 서로 연통된 상태로, 제 3 절연판들이 적층된 구조일 수 있다.
상기 제 1 절연판의 경우, 전극조립체의 전극 리드의 도출이 가능하도록, 제 3 절연판의 개구와 중첩되지 않는 위치에 개구가 형성되어 있을 수 있다.
상기 제 1 인슐레이터의 상세한 구조는, 부직포 구조의 제 3 절연판들 복수 개가 상하로 중첩되도록 적층된 적층체 상단과 하단 각각에, 제 1 절연판이 적층된 구조일 수 있고, 더욱 상세하게는 상기 제 1 인슐레이터는 제 3 절연판들 각각의 부직포 섬유들이 서로 얽히면서 결합되어 있고, 제 1 절연판은 인접한 제 3 절연판에 열융착으로 접합되어 있으며; 상기 결합된 부직포들을 중심으로 공간이 형성되어 있을 수 있다.
이러한 구조에 기반하여, 전극조립체의 상향 유동 시,
상기 공간이 제거되면서 제 3 절연판들이 서로에 대해 근접하는 형태로 제 1 인슐레이터가 수직 단면상으로 수축되며;
상기 제 1 인슐레이터의 수축은, 전극조립체의 상향 유동을 제동하고 전극조립체 상단에 인가되는 압력의 일부를 흡수할 수 있다.
여기서, 상기 제 3 절연판들은 서로가 열융착으로 접합되어 있지 않은 점에 주목해야 한다.
이러한 구조에서는, 제 3 절연판들이 각각 독립적인 형태를 유지하므로, 서로 얽힌 부직포 사이에 충분한 공간을 제공할 수 있으며, 이러한 이유로 제 1 인슐레이터의 수축 범위를 증가시킬 수 있으며, 외력이 제거되면, 얽혀 있는 부직포의 얽힘이 복원되면서 제 1 인슐레이터가 탄성적으로 복원될 수 있다.
반면에 제 1 절연판과 제 3 절연판은 서로 열융착되면서, 융착 된 섬유들이 돌기를 형성하여, 전해액 주입 시, 상기 돌기들이 전해액의 유동을 유도할 수 있다.
상기 각각의 절연판들에는 부직포가 형성하는 미세 기공들을 포함하고 있으며, 이 미세 기공은, 이물(異物)은 통과하지 못하되, 전해액의 통과가 가능한 100마이크로미터 내지 200마이크로미터의 크기를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 전해액 주입 시 전해액만 제 1 인슐레이터의 미세 기공들을 통해 젤리-롤 내에 주입되므로, 수백 마이크로미터 크기 이상의 이물들이 젤리-롤 내로 유입될 염려가 없고, 이러한 이물들을 선별하여 제거하는 공정을 생략할 수 있어서 제조 공정성을 크게 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명에서는 제 1 인슐레이터가 복수의 절연판들이 적층된 다층 구조인 바, 각각의 절연판들에서 이물들이 여과되면서 최종적으로 이물이 전극조립체에 도달하는 현상이 거의 유발되지 않음에 주목해야 한다.
경우에 따라서는, 상기 미세기공의 크기가 각 절연판들에서 상이하게 구성될 수 있으며, 그에 따라, 각 절연판들에서 다양한 크기의 이물이 걸러질 수 있다.
상기 미세 기공들의 위치, 상호간의 간격은 이물 유입방지, 전해액 주액성 및 가스 배출성을 저해하지 않는 범위 내에서 비제한적이다.
상기 제 1 인슐레이터는 또한, 전극조립체에 대한 완충이 가능하면서도, 가능한 이차전지의 체적 증가를 유발하지 않는 두께로 이루어질 수 있으며, 본 발명에 따른 하나의 실시예에 따른 제 1 인슐레이터의 두께는 1 mm 내지 2 mm일 수 있고, 이 두께 달성을 위해, 2 내지 4개의 제 3 절연판들과, 한 쌍의 제 1 절연판들을 포함할 수 있다.
상기 제 1 인슐레이터의 두께가 1 mm 미만인 경우에는 수축 정도가 적어 전지캔 내면과 전극조립체 사이에 형성되는 압력 강하를 기대할 수 없고, 2 mm를 초과하는 경우에는 전해액의 주입이 원활하게 이루어지지 않는 문제점, 전지케이스의 크기가 상대적으로 크게 설계되어야 하는 점 또는 전극조립체의 체적이 상대적으로 작게 설계되어야 하는 점을 고려하면, 바람직하지 않다.
상기 제 1 인슐레이터를 구성하는 절연판들의 각각의 두께는 제 1 인슐레이터의 상기 두께를 만족할 수 있는 범위로 설계될 수 있으나, 실질적으로 제 1 인슐레이터의 탄성 수축과 복원을 가능하게 하는 제 3 절연판들의 두께가 제 1 절연판들에 대해 상대적으로 두꺼울 수 있으며, 상세하게는 제 3 절연판들 각각의 두께는 0.2 mm 내지 0.5 mm일 수 있고, 상기 제 1 절연판들 각각의 두께는 0.1 mm 내지 0.3 mm일 수 있다.
한편, 상기 제 2 인슐레이터는, 제 2 절연판들이 상하로 중첩되도록 적층된 적층체 상단과 하단 각각에, 제 1 절연판이 적층된 구조일 수 있다.
상기 제 2 인슐레이터의 상세한 구조는, 제 2 절연판들이 상하로 중첩되도록 적층된 적층체 상단과 하단 각각에, 제 1 절연판이 적층된 구조일 수 있고, 더욱 상세하게는 제 2 절연판들 각각의 부직포 섬유들이 서로 얽히면서 결합되어 있고, 제 1 절연판은 인접한 제 2 절연판에 대해 열융착으로 접합되어 있으며; 상기 결합된 부직포들을 중심으로 공간이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
경우에 따라서는 상기 제 1 절연판과 제 2 절연판의 경우, 전극조립체의 전극 리드의 도출이 가능하도록, 개구가 형성되어 있을 수도 있다.
이러한 구조에 기반하여, 전극조립체의 하향 유동 시,
상기 공간이 제거되면서 제 2 절연판들이 서로에 대해 근접하는 형태로 제 2 인슐레이터가 수직 단면상으로 수축되며;
상기 제 2 인슐레이터의 수축은, 전극조립체의 하향 유동을 제동하고 전극조립체 하단에 인가되는 압력의 일부를 흡수할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 절연판들은 서로가 열융착으로 접합되어 있지 않은 점에 주목해야 한다.
이러한 구조에서는, 제 2 절연판들이 각각 독립적인 형태를 유지하므로, 서로 얽힌 부직포 사이에 충분한 공간을 제공할 수 있으며, 이러한 이유로 제 2 인슐레이터의 수축 범위를 증가시킬 수 있으며, 얽혀 있는 부직포로 인한 제 2 인슐레이터의 탄성 복원을 가능하게 한다.
상기 제 2 인슐레이터는, 전극조립체에 대한 완충이 가능하면서도, 가능한 이차전지의 체적 증가를 유발하지 않는 두께로 이루어질 수 있으며, 본 발명에 따른 하나의 실시예에 따른 제 2 인슐레이터의 두께는 2 mm 내지 5 mm일 수 있고, 이 두께 달성을 위해, 5 내지 10개의 제 2 절연판들과, 한 쌍의 제 1 절연판들을 포함할 수 있다.
상기 제 2 인슐레이터의 경우, 완전히 밀폐된 전지캔의 바닥 면과 전극조립체 사이에 위치하는 바, 탑 캡과 전극조립체 상단 사이에 공간이 형성되어 있는 제 1 인슐레이터와 비교하여, 상대적으로 두꺼운 두께로 이루어질 수 있는 것이다.
상기 제 2 인슐레이터의 두께가 2 mm 미만인 경우에는 수축 정도가 적어 전지캔 내면과 전극조립체 사이에 형성되는 압력 강하를 기대할 수 없고, 5 mm를 초과하는 경우에는 전지케이스의 크기가 상대적으로 크게 설계되어야 하는 점 또는 전극조립체의 체적이 상대적으로 작게 설계되어야 하는 점을 고려하면, 바람직하지 않다.
상기 제 2 인슐레이터를 구성하는 절연판들의 각각의 두께는 제 1 인슐레이터의 상기 두께를 만족할 수 있는 범위로 설계될 수 있으나, 실질적으로 제 2 인슐레이터의 탄성 수축과 복원을 가능하게 하는 제 2 절연판들의 두께가 제 1 절연판들에 대해 상대적으로 두꺼울 수 있으며, 상세하게는 제 2 절연판들 각각의 두께는 0.2 mm 내지 0.5 mm일 수 있고, 상기 제 1 절연판들 각각의 두께는 0.1 mm 내지 0.3 mm일 수 있다.
본 발명에서 상기 전극조립체는, 폭 대비 길이가 긴 시트형의 양극, 분리막, 음극이 순차적으로 중첩된 상태에서, 일측 단부로부터 타측 단부 방향으로 권취된 젤리-롤일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 상기 젤리-롤에 리튬 함유 전해액을 함침시켜 제조되는 리튬 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
상기 양극은 양극 활물질과 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등을 이 포함하는 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
한편, 상기 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있는 리튬염 함유 비수계 전해액이 바람직하다. 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FPC(Fluoro-Propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 본 발명에 따른 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등 모바일 기기뿐만 아니라, 우수한 수명 특성과 안전성 등을 고려할 때, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치 등에 바람직하게 사용될 수 있다.
이러한 리튬 이차전지, 이를 단위전지로 포함하는 중대형 전지모듈 및 디바이스의 구조와 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 전극조립체가 전지캔 내부에서 상하 운동하더라도, 인슐레이터 어셈블리가 전극조립체의 운동에 대응하여 탄성 수축할 수 있고, 결과적으로 인슐레이터 어셈블리를 수축시킨 관성력 만큼, 전지캔 내면과 전극조립체 사이에 유발되는 압력이 낮아지므로, 전극조립체 유동에 따른 짓눌림이나 변형 등을 상당히 완화할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 원통형 이차전지의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 모식도이다;
도 3 내지 도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제 1 인슐레이터의 모식도들이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제 2 인슐레이터의 모식도이다;
도 7에는 종래의 이차전지와 본 발명에 따른 이차전지를 비교한 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 이차전지(100)는, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체(110)와 전해액이 인슐레이터 어셈블리(131, 132)와 함께 원통형 전지캔(120)에 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(110)는, 폭 대비 길이가 긴 시트형의 양극, 분리막, 음극이 순차적으로 중첩된 상태에서, 일측 단부로부터 타측 단부 방향으로 권취된 젤리-롤 구조이고, 전지캔(120)은 젤리-롤의 형상에 대응하는 수납부가 구비된 하단 캔(124) 및 하단 캔(124)의 상부에서 결합되는 탑 캡(122)으로 구성되어 있다.
인슐레이터 어셈블리(131, 132)는 전극조립체(110)의 상단에 장착되는 제 1 인슐레이터(131)와 전극조립체(110)의 하단에 장착되는 제 2 인슐레이터(132)로 구성되어 있다.
제 1 인슐레이터(131)와 제 2 인슐레이터(132)는 각각, 전극조립체(110)의 상단과 하단을 절연시킴과 동시에, 전극조립체(110)로의 전해액 유통 경로를 제공한다.
이러한 인슐레이터들은 도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같은 다층 구조로 인하여, 전극조립체(110)가 전지캔(120) 내부에서 상하 운동하더라도, 전극조립체(110)의 운동에 대응하여 탄성 수축 및 복원되도록 구성되어 있다.
이에 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제 1 인슐레이터(131)와 제 2 인슐레이터(132)가 도시된 도 3 내지 도 6을 참조하여 이들의 구조를 이하에 상세하게 설명한다.
먼저, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 제 1 인슐레이터(131) 어셈블리는 고분자 섬유들의 부직포 구조로 이루어진 제 3 절연판들(203a, 203b, 203c) 3개가 상하로 중첩되도록 적층된 적층체 상단과 하단 각각에, 고분자 섬유들의 직포 구조로 이루어진 제 1 절연판(201a, 201b)이 적층된 구조로 이루어져 있다.
제 3 절연판에는 전해액에 대한 유통로를 제공하기 위한 복수의 개구들(203d)이 천공되어 있고, 제 3 절연판들(203a, 203b, 203c) 각각의 개구들(203d)이 서로 연통된 상태로, 제 3 절연판들(203a, 203b, 203c)이 적층되어 있다.
제 1 절연판(201a, 201b)의 경우, 전극조립체(110)의 전극 리드의 도출이 가능하도록, 제 3 절연판들(203a, 203b, 203c)의 개구(203d)와 중첩되지 않는 위치에 개구(201c)가 형성되어 있다.
제 1 인슐레이터(131)는 제 3 절연판들(203a, 203b, 203c) 각각의 부직포 섬유들(210)이 서로 얽히면서 결합되어 있고, 제 1 절연판(201a, 201b)은 인접한 제 3 절연판들(203a, 203c)에 열융착으로 접합되어 있으며; 상기 결합된 부직포들(210)을 중심으로 공간이 형성되어 있을 수 있다.
따라서, 전극조립체(110)의 상향 유동 시, 공간이 제거되면서 제 3 절연판들(203a, 203b, 203c)이 서로에 대해 근접하는 형태로, 즉, 도 3에 도시된 제 1 두께(H1)로부터 제 2 두께(H2)까지 제 1 인슐레이터(131)가 수축된다. 이러한 원리로, 제 1 인슐레이터(131)는 전극조립체(110)의 상향 유동을 제동하고 전극조립체(110) 상단에 인가되는 압력의 일부를 흡수할 수 있다.
특히, 본 발명에서 제 3 절연판들(203a, 203b, 203c)은 서로가 열융착으로 접합되어 있지 않고, 단순히 부직포들(210)이 얽혀있는 결합 구조인 바, 제 3 절연판들(203a, 203b, 203c)이 각각 독립적인 형태를 유지하면서 서로 얽힌 부직포들(210) 사이에 충분한 공간이 형성되고, 이러한 이유로 제 1 인슐레이터(131)의 수축 범위를 증가시킬 수 있으며, 얽혀 있는 부직포(210)로 인한 제 1 인슐레이터(131)의 탄성 복원을 가능하게 한다.
도 6에는 제 2 인슐레이터(132)의 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면 제 2 인슐레이터(132)는 판상 구조이고, 고분자 섬유들의 부직포 구조로 이루어진 제 2 절연판들(303a, 303b, 303c, 303d, 303e) 5개가 상하로 중첩되도록 적층된 적층체 상단과 하단 각각에, 판상 구조이고, 고분자 섬유들의 직포 구조로 이루어진 제 1 절연판(301a, 301b)이 적층된 구조로 이루어져 있다.
보다 구체적으로, 제 2 인슐레이터(132)는 제 2 절연판들(303a, 303b, 303c, 303d, 303e) 각각의 부직포 섬유들(310)이 서로 얽히면서 결합되어 있고, 제 1 절연판(301a, 301b)은 인접한 제 2 절연판(303a, 303e)에 대해 열융착으로 접합되어 있으며; 상기 결합된 부직포들(310)을 중심으로 공간이 형성되어 있다.
도면에 도시하지는 않았지만, 경우에 따라서는 제 1 절연판(301a, 301b)과 제 2 절연판들(303a, 303b, 303c, 303d, 303e)에 개구가 형성되어 있을 수도 있다.
이러한 구조에 기반하여, 제 2 인슐레이터(132)는 전극조립체(110)의 하향 유동 시, 부직포들(310)이 형성하는 공간이 제거되면서 제 2 절연판들(303a, 303b, 303c, 303d, 303e)이 서로에 대해 근접하는 형태로, 즉, 도 6에 도시된 제 3 두께(H3)로부터 제 4 두께(H4)까지 제 2 인슐레이터(132)가 수축된다.
제 2 인슐레이터(132)의 수축은, 전극조립체(110)의 하향 유동을 제동하고 전극조립체(110) 하단에 인가되는 압력의 일부를 흡수할 수 있다.
제 1 인슐레이터(131)와 마찬가지로, 제 2 인슐레이터(132)는 제 2 절연판들(303a, 303b, 303c, 303d, 303e)이 서로 열융착으로 접합되어 있지 않은 바, 제 2 절연판들(303a, 303b, 303c, 303d, 303e)이 각각 독립적인 형태를 유지하며 서로 얽힌 부직포(310) 사이에 충분한 공간을 형성한다.
상기 이유로 제 2 인슐레이터(132)의 수축 범위가 증가될 수 있다.
도 7에는 종래의 이차전지와 본 발명에 따른 이차전지를 비교한 모식도가 도시되어 있다.
도 7을 도 2 내지 도 6과 함께 참조하면, 종래의 이차전지(10)는 본 발명의 인슐레이터 어셈블리(131, 132)를 포함하지 않는 바, 전극조립체가 원통형 전지캔 내부에서 상하로 운동하는 경우, 관성에 의해 전극조립체의 상단이나 하단이 전지캔(에 대해 압박되며, 따라서 전극조립체의 상단과 하단의 구조가 짓눌리거나 변형되는 문제점이 있다.
반면에, 상술한 인슐레이터 어셈블리(131, 132)를 포함하는 본 발명에 따른 이차전지(100)는, 전극조립체(110)가 전지캔(120) 내부에서 상하 운동하더라도, 인슐레이터 어셈블리(131, 132)가 전극조립체(110)의 운동에 대응하여 탄성 수축할 수 있고, 결과적으로 인슐레이터 어셈블리(131, 132)를 수축시킨 관성력 만큼, 전지캔(120) 내면과 전극조립체(110) 사이에 유발되는 압력이 낮아지므로, 전극조립체(110) 유동에 따른 짓눌림이나 변형 등을 상당히 완화할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 원통형 전지캔에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서,
    상기 전극조립체의 상단 및 하단 중의 적어도 하나에 장착되어 절연성 담보와 전해액 유통 경로를 제공하는 인슐레이터 어셈블리(insulator assembly)를 포함하고;
    상기 인슐레이터 어셈블리는,
    판상 구조이고, 고분자 섬유들의 직포 구조로 이루어진 적어도 하나의 제 1 절연판;
    판상 구조이고, 고분자 섬유들의 부직포 구조로 이루어진 적어도 하나의 제 2 절연판; 및
    판상 구조이고, 고분자 섬유들의 부직포 또는 직포 구조로 이루어져 있으며, 복수의 개구들이 천공되어 있는 적어도 하나의 제 3 절연판;
    으로부터 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하며,
    전극조립체 상단에 장착되는 제 1 인슐레이터, 및 전극조립체 하단에 장착되는 제 2 인슐레이터를 포함하고,
    관성으로 인한 전극조립체의 상하 유동 시, 전지캔 내면과 전극조립체 사이에 유발되는 압력을 완화시킬 수 있도록, 상기 인슐레이터 어셈블리가 관성에 대한 반작용으로 탄성 수축 및 복원되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 인슐레이터는, 부직포 구조의 제 3 절연판들 복수 개가 상하로 중첩되도록 적층된 적층체 상단과 하단 각각에, 제 1 절연판이 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 3 절연판들 각각의 두께는 0.2 mm 내지 0.5 mm이고, 상기 제 1 절연판들 각각의 두께는 0.1 mm 내지 0.3 mm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 인슐레이터는 2 내지 4개의 제 3 절연판들과, 한 쌍의 제 1 절연판들을 포함하고, 두께가 1 mm 내지 2 mm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 인슐레이터는 제 3 절연판들 각각의 부직포 섬유들이 서로 얽히면서 결합되어 있고, 제 1 절연판은 인접한 제 3 절연판에 열융착으로 접합되어 있으며;
    상기 결합된 부직포들을 중심으로 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 전극조립체의 상향 유동 시,
    상기 공간이 제거되면서 제 3 절연판들이 서로에 대해 근접하는 형태로 제 1 인슐레이터가 수직 단면상으로 수축되며;
    상기 제 1 인슐레이터의 수축은, 전극조립체의 상향 유동을 제동하고 전극조립체 상단에 인가되는 압력의 일부를 흡수하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 인슐레이터는, 제 3 절연판들 각각의 개구들이 서로 연통된 상태로, 제 3 절연판들이 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 인슐레이터는, 제 2 절연판들이 상하로 중첩되도록 적층된 적층체 상단과 하단 각각에, 제 1 절연판이 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 절연판들 각각의 두께는 0.2 mm 내지 0.5 mm이고, 상기 제 1 절연판 각각의 두께는 0.1 mm 내지 0.3 mm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 인슐레이터는 5 내지 10개의 제 2 절연판들과, 한 쌍의 제 1 절연판들을 포함하고, 두께가 2 mm 내지 5 mm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 인슐레이터는 제 2 절연판들 각각의 부직포 섬유들이 서로 얽히면서 결합되어 있고, 제 1 절연판은 인접한 제 2 절연판에 대해 열융착으로 접합되어 있으며;
    상기 결합된 부직포들을 중심으로 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 13 항에 있어서, 전극조립체의 하향 유동 시,
    상기 공간이 제거되면서 제 2 절연판들이 서로에 대해 근접하는 형태로 제 2 인슐레이터가 수직 단면상으로 수축되며;
    상기 제 2 인슐레이터의 수축은, 전극조립체의 하향 유동을 제동하고 전극조립체 하단에 인가되는 압력의 일부를 흡수하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는, 폭 대비 길이가 긴 시트형의 양극, 분리막, 음극이 순차적으로 중첩된 상태에서, 일측 단부로부터 타측 단부 방향으로 권취된 젤리-롤인 것을 특징으로 하는 이차전지.






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