KR102147416B1 - 2차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에서 발생하는 가스에 의한 스웰링 현상을 개선하기 위한 2차 전지에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전극 조립체와 전해액을 내부에 수용한 수용부 및 상기 수용부의 상측에 위치하며, 상기 수용부와 연통하여 상기 수용부에서 발생하는 가스를 내부에 저장하는 가스 저장부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

2차 전지{SECONDARY BATTERY}

본 발명은 2차 전지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 내부에서 발생하는 가스에 의한 스웰링 현상을 개선하기 위한 2차 전지에 관한 것이다.

물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(cell, battery)는 각종 전기전자 기기로 둘러싸여 있는 생활환경에 따라, 건물로 공급되는 교류전원을 획득하지 못할 경우나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.

이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학전지인 일차전지와 이차전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 또한, 이차전지는 전류와 물질 사이의 산화환원과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지로서, 전류에 의해 소재에 대한 환원반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성되게 된다.

리튬 2차전지는 전해질 형태에 따라 리튬금속전지, 리튬이온전지, 리튬파우치형 전지로 나눌 수 있다.

여기서 리튬 파우치형 전지는 전해질이 고체 또는 젤 형태이기 때문에 불의의 사고로 전지가 파손되어도 전해질이 밖으로 새어 나가지 않아 발화하거나 폭발할 우려가 거의 없어 안정성이 확보되고 에너지 효율이 높다는 장점이 있다.

또한, 견고한 금속 외장을 사용할 필요가 없고, 용도에 따라 다양한 크기와 모양으로 제조할 수 있으며, 3mm이하 두께로 제작이 가능하고 무게도 30% 이상 줄일 수 있으며, 대량생산 및 대형전지 제조가 가능하다.

이런 이유로 리튬 파우치형 전지는 현재 상용화되어 다양한 분야에서 사용되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0065587호에는 종래의 안전성이 개선된 파우치형 이차전지가 공지되어 있다.

이러한 종래의 파우치 전지는 내부에서 발생하는 가스를 예측 가능한 방향으로 배출할 수 있게 하여 안전성을 확보하고자 하였다.

하지만, 2차 전지 충방전 과정에서 전지 내부에서 발생하는 가스가 파우치 내부에 쌓이면서 전지가 부풀어 오르는 스웰링(swelling)이 발생하는데, 이 경우 스웰링에 의해 파우치 내부의 전극조립체 또는 파우치형 2차 전지 자체가 초기 설계에서 구현된 구조에서 이탈하는 문제점이 발생하였다.

특히, 2차 전지가 모듈로 구성되는 경우, 전지 셀이 스웰링 되면 최초의 위치를 잡아주는 고정 프레임(frame)으로부터 벗어나 위치를 이탈하는 문제가 있었다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 파우치 내부에 스웰링을 유발하는 가스를 보관할 수 있는 별도의 공간을 형성하는 2차 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 2차 전지는 전극 조립체와 전해액을 내부에 수용한 수용부 및 상기 수용부의 상측에 위치하며, 상기 수용부와 연통하여 상기 수용부에서 발생하는 가스를 내부에 저장하는 가스 저장부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명의 2차 전지는 모듈로 구성되며 고정 프레임에 의해 최초의 위치가 고정되는 2차 전지로써, 전극 조립체와 전해액을 내부에 수용한 수용부; 및 상기 수용부와 연통하여 상기 수용부에서 발생하는 가스를 내부에 저장하는 공간인 가스 저장부; 를 포함하고, 하나의 파우치에서 상기 수용부는 하측에 위치하고 상기 가스 저장부는 상측에 위치하도록 구비되고, 상기 가스 저장부의 일측면에는 수용부 측으로 경사가 점점 낮아지도록 가이드부가 형성되어 상기 수용부에서 발생한 가스와 함께 상기 가스 저장부로 유입된 전해액은 중력에 의해 상기 수용부로 유입이 유도되며, 상기 가스 저장부에는 가스가 일정 압력 이상으로 상승하면 절개되어 상기 가스를 외부로 배출하도록 노치부가 형성되어, 상기 고정 프레임에 고정된 위치에서 벗어나지 않도록 형상이 유지된다.

상기 가스 저장부에 유입되는 전해액을 상기 수용부로 유도하도록 상기 가스 저장부의 일측면에 경사지게 형성되는 가이드부를 포함할 수 있다.

상기 가이드부는 상기 수용부 측으로 경사가 점점 낮아질 수 있다.

상기 수용부와 상기 가스 저장부와의 사이에 연통된 가스 유로를 포함할 수 있다.

상기 가이드부의 경사가 낮은 하단은 상기 가스 유로와 연결될 수 있다.

상기 가스 저장부는 상기 가스의 압력에 의해 절개 가능하게 형성되어 상기 가스를 상기 가스 저장부의 외부로 배출하는 노치부를 포함할 수 있다.

상기 노치부는 상기 가스 저장부의 상단측에 형성될 수 있다.

상기 수용부와 상기 가스 저장부가 함께 하나의 파우치에 구비될 수 있다.

본 발명에 따르면, 파우치의 수용부 상측의 가스 저장부에 가스를 보관할 수 있게 하여 파우치 내부 가스에 의한 수용부 스웰링 현상을 방지하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 가스 저장부에 가이드부를 형성하여 저장되는 가스와 함께 유입되는 전해액을 수용부로 배출하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 가스를 외부로 배출할 수 있는 노치부를 가스 저장부에 형성하여 가스 저장부의 압력이 비정상적으로 증가하여 폭발 등의 사고가 발생하는 것을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 2차 전지를 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2차 전지의 주요부를 나타내기 위해 도 2의 내부를 도시한 내부 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차 전지에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 2차 전지를 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 정면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2차 전지의 주요부를 나타내기 위해 도 2의 내부를 도시한 내부 구성도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 2차 전지는 전극 조립체(3)와 전해액을 내부에 수용한 수용부(110) 및 상기 수용부(110)의 상측에 위치하며, 상기 수용부(110)와 연통하여 상기 수용부(110)에서 발생하는 가스를 내부에 저장하는 가스 저장부(120)를 포함한다.

전극 조립체(3)는, 예를 들어, 양극 활물질이 도포된 양극과 음극 활물질이 도포된 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 복수 회 적층하여 제작할 수 있다.

다만, 본 발명은 이에 한하지 않으며, 전극 조립체(3)는 양극과 세퍼레이터 및 음극을 적층한 적층체를 젤리 롤 형태로 권취하여 제작할 수도 있다.

양극은 알루미늄 판일 수 있으며, 양극 활물질이 도포된 양극 활물질부와, 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부를 포함할 수 있다.

양극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMnO4와 같은 리튬 함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물일 수 있다.

양극 활물질부는 예를 들어, 알루미늄 판의 적어도 어느 한 면의 일부에 양극 활물질을 도포하여 형성하며, 양극 활물질이 미 도포된 알루미늄 판의 나머지 부분이 양극 무지부가 될 수 있다.

음극은 구리 판일 수 있으며, 음극 활물질이 도포된 음극 활물질부와 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 무지부를 포함할 수 있다.

음극 활물질은, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유와 같은 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금 등일 수 있다.

음극 활물질부는 예를 들어, 구리 판의 적어도 어느 한 면의 일부에 음극 활물질을 도포하여 형성하며, 음극 활물질이 미 도포된 구리 판의 나머지 부분이 음극 무지부가 될 수 있다.

세퍼레이터는 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리스틸렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 기재에 폴리비닐리덴 플로우라이드-헥사플로로프로필렌 공중합체(PVDF-HFP co-polymer)를 코팅함으로써 제조될 수 있다.

전해액은 전극 조립체에서 리튬 이온의 이동을 원활하게 하는데, 예를 들면, 비수성 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.

리튬염은 유기 용매에 용해되어, 이차전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진 시킬 수 있다.

리튬염의 예로는, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수), LiCl, LiI, 및 리튬 비스옥살레이트 보레이트(lithium bisoxalate borate) 등의 일종 또는 이종 이상을 지지(supporting) 전해염으로 포함하는 것을 들 수 있다.

전해액에서 리튬염의 농도는, 용도에 따라 변화될 수 있는 것으로, 통상적으로는 0.1M 내지 2.0M 범위 내에서 사용할 수 있다.

또한, 유기 용매는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질의 역할을 하는 것으로서, 그 예로는, 벤젠, 톨루엔, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠(iodobenzene), 1,2-디이오도벤젠, 1,3-디이오도벤젠, 1,4-디이오도벤젠, 1,2,3-트리이오도벤젠, 1,2,4-트리이오도벤젠, 플루오로톨루엔, 1,2-디플루오로톨루엔, 1,3-디플루오로톨루엔, 1,4-디플루오로톨루엔, 1,2,3-트리플루오로톨루엔, 1,2,4-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 1,2-디클로로톨루엔, 1,3-디클로로톨루엔, 1,4-디클로로톨루엔, 1,2,3-트리클로로톨루엔, 1,2,4-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 1,2-디이오도톨루엔, 1,3-디이오도톨루엔, 1,4-디이오도톨루엔, 1,2,3-트리이오도톨루엔, 1,2,4-트리이오도톨루엔, R-CN(여기에서, R은 탄소수 2 내지 50의 직쇄상, 분지상 또는 고리상 구조의 탄화 수소기로서, 상기 탄화수소기는 이중결합, 방향족 고리 또는 에테르 결합 등을 포함할 수 있다), 디메틸포름아마이드, 디메틸아세테이트, 크실렌, 사이클로헥산, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 사이클로헥사논, 에탄올, 이소프로필 알콜, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 디메톡시에탄, 1,3-디옥솔란, 디글라임, 테트라글라임, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 감마-부티로락톤, 설포란(sulfolane), 발레로락톤, 데카놀라이드 또는 메발로락톤의 일종 또는 이종 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

수용부(110)와 가스 저장부(120)는 하나의 파우치(100)의 내부에 함께 구비될 수 있다.

특히, 수용부(110)의 상측에 형성되는 가스 저장부(120)는 파우치(100)의 상부에 위치하여 수용부(110)에서 발생하는 가스에 의한 스웰링(swelling) 지점을 전극 조립체(3)가 수용되는 수용부(110)에서 가스가 저장되는 파우치(100) 상부로 이동시켜서 수용부(110)의 형상을 유지함에 따라 초기 설계에서 구현된 전극 조립체(3)의 구조를 유지할 수 있게 한다.

또한, 2차 전지가 모듈로 구성되는 경우, 전지 셀이 스웰링 되는 부위를 전지의 상측으로 이동시킴으로써, 최초에 위치를 잡아주는 고정 프레임(frame)으로부터 전지 셀이 벗어나지 않도록 할 수 있다.

따라서 수용부(110)와 가스 저장부(120)는 가스 유로(123)에 의해 서로 연통되도록 수용부(110)와 가스 저장부(120)와의 사이에는 가스 유로(123)가 형성된다.

가스 유로(123)는 수용부(110)에서 발생하는 가스를 가스 저장부(120)로 유동시키기 위한 것이다.

그리고 가스 저장부(120)는 저면에 가이드부(121)를 형성한다.

가이드부(121)는 경사지게 형성되어 가스 저장부(120)에 가스와 함께 유입되는 전해액을 하측에 위치한 수용부(110)로 이동하도록 유도하는 것이다.

따라서 가이드부(121)는 수용부(110) 측으로 경사가 점점 낮아지게 형성되고 가이드부(121)의 경사가 낮은 최하단부는 가스 유로(123)와 연결되어 전해액이 중력에 의해 수용부(110) 측으로 흘러서 가스 유로(123)를 통해 수용부(110)로 유입되도록 유도한다.

그리고 가스 저장부(120)는 상단측에 가스 저장부(120)에 저장되는 가스의 압력에 의해 절개 가능하게 형성되는 노치부(125)가 구비된다.

노치부(125)는 가스 저장부(120)에 저장되는 가스가 일정 압력 이상이 되면 절개되어 가스 저장부(120) 내부의 가스를 외부로 배출한다.

따라서, 노치부(125)는 가스 저장부(120)의 가스 압력이 비정상적으로 증가하여 발생할 수 있는 2차 전지의 폭발 등의 사고를 예방한다.

특히, 노치부(125)는 가스 저장부(120) 상단측에서 가이드부(121)의 경사가 높은 최상단부의 상측에 형성되어 가스 유로(123)로부터 노치부(125)의 거리를 최대한 멀게 할 수 있다.

즉, 노치부(125)가 절개될 경우 외부환경으로부터 노출된 노치부(125)와 수용부(110)와의 거리를 최대한 멀게 함에 따라 외부의 화학물질 등이 수용부(110)로 유입되어 수용부(110) 내부에 폭발 등이 발생하는 것을 방지하는 효과가 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 파우치의 수용부 상측의 가스 저장부에 가스를 보관할 수 있게 하여 파우치 내부 가스에 의한 수용부 스웰링 현상을 방지하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 가스 저장부에 가이드부를 형성하여 저장되는 가스와 함께 유입되는 전해액을 수용부로 배출하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 가스를 외부로 배출할 수 있는 노치부를 가스 저장부에 형성하여 가스 저장부의 압력이 비정상적으로 증가하여 폭발 등의 사고가 발생하는 것을 방지하는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 2차 전지를 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 실시가 가능하다.

3: 전극 조립체
100: 파우치
110: 수용부
120: 가스 저장부
121: 가이드부
123: 가스 유로
125: 노치부

Claims (8)

1. 모듈로 구성되며 고정 프레임에 의해 최초의 위치가 고정되는 2차 전지에 있어서,
   전극 조립체(3)와 전해액을 내부에 수용한 수용부(110); 및
   상기 수용부(110)와 연통하여 상기 수용부(110)에서 발생하는 가스를 내부에 저장하는 공간인 가스 저장부(120); 를 포함하고,
   하나의 파우치(100)에서 상기 수용부(110)는 하측에 위치하고 상기 가스 저장부(120)는 상측에 위치하도록 구비되고,
   상기 가스 저장부(120)의 일측면에는 수용부(110) 측으로 경사가 점점 낮아지도록 가이드부(121)가 형성되어 상기 수용부(110)에서 발생한 가스와 함께 상기 가스 저장부(120)로 유입된 전해액은 중력에 의해 상기 수용부(110)로 유입이 유도되며,
   상기 가스 저장부(120)에는 가스가 일정 압력 이상으로 상승하면 절개되어 상기 가스를 외부로 배출하도록 노치부(125)가 형성되어,
   상기 고정 프레임에 고정된 위치에서 벗어나지 않도록 형상이 유지되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 수용부(110)와 상기 가스 저장부(120)와의 사이에 연통된 가스 유로(123)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 가이드부(121)의 경사가 낮은 하단은 상기 가스 유로(123)와 연결되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 노치부(125)는 상기 가스 저장부(120)의 상단측에 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
8. 삭제

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