KR102186294B1 - 원통형 이차전지 - Google Patents

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오영주
윤중락
이종규
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Abstract

본 발명은 원통형 이차전지에 관한 것으로, 본 발명의 원통형 이차전지는 내측에 전극조립체가 수납되는 원통형 케이스; 원통형 케이스의 외측 표면에 형성되는 카본 나노 패턴층; 및 카본 나노 패턴층에 형성되는 그래핀층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

원통형 이차전지{Cylindrical shape secondary battery}
본 발명은 원통형 이차전지에 관한 것으로, 특히 원통형 캔의 표면적에 카본 나노 패턴(carbon nano pattern)을 인쇄한 후 카본 나노 패턴을 시드(seed)로 카본 나노 패턴에 그래핀(graphen)을 도포하여 열을 방출하는 표면적을 증가시킴으로써 열 방출을 용이하게 하여 열 안정성을 개선시킬 수 있는 원통형 이차전지에 관한 것에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지는 리튬 이온 이차 전지는 탈리된 리튬 이온이 전해질 내에서 이동하여 음극에 삽입되는 원리를 이용해 전하를 저장한다. 이러한 이차 전지는 조립 구조에 따라 파우치형이나 원통형으로 분류되며, 원통형 이차 전지에 관련된 기술이 특허문헌 1(한국 공개특허공보 제10-2008-0009354호)에 공개되어 있다.
한국 공개특허공보 제10-2008-0009354호는 방열에 의해 안전성이 향상된 원통형 이차 전지에 관한 것으로, 원통형 리튬 이차 전지는 젤리-롤형 전극 조립체가 리튬 전해액과 함께 전지 케이스로서의 금속 캔에 내장되어 있으며, 전지 케이스는 젤리-롤형 전극 조립체의 음극에 접속되어 있고 리튬 전해액과 접하는 내면이 높은 열전도성을 가지는 구리로 도금되어 있는 것으로 구성되어 있다.
한국 공개특허공보 제10-2008-0009354호와 같은 종래의 원통형 이차 전지는 전지 케이스가 전극 조립체의 음극에 접속되어 있고 그 것의 내면에 구리가 도금되어 있으므로, 전지의 내부에서 과열이 발생된 경우에는 전해액과 접하는 구리의 방열 특성을 이용해 안전성을 개선하고 있지만, 열 방출의 표면적 증가가 없는 상태에서는 열 방출의 효율이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
: 한국 공개특허공보 제10-2008-0009354호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 원통형 캔의 표면적에 카본 나노 패턴(carbon nano pattern)을 인쇄한 후 카본 나노 패턴을 시드(seed)로 카본 나노 패턴에 그래핀(graphen)을 도포하여 열을 방출하는 표면적을 증가시킴으로써 열 방출을 용이하게 하여 열 안정성을 개선시킬 수 있는 원통형 이차전지를 제공함에 있다.
본 발명의 원통형 이차전지는 내측에 전극조립체가 수납되는 원통형 케이스; 상기 원통형 케이스의 외측 표면에 형성되는 카본 나노 패턴층; 및 상기 카본 나노 패턴층에 형성되는 그래핀층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 원통형 이차전지는 원통형 캔의 표면적에 카본 나노 패턴(carbon nano pattern)을 인쇄한 후 카본 나노 패턴을 시드(seed)로 카본 나노 패턴에 그래핀(graphen)을 도포하여 열을 방출하는 표면적을 증가시킴으로써 열 방출을 용이하게 하여 열 안정성을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 원통형 이차전지의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 원통형 이차전지의 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 부분확대 단면도,
도 4 내지 도 6은 각각 도 2에 도시된 카본 나노 패턴층의 제조 과정을 나타낸 단면도,
도 7은 도 1에 도시된 원통형 이차전지의 다른 실시예를 나타낸 단면도,
도 8은 도 1 및 도 7에 각각 도시된 전극조립체의 확대 사시도.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 원통형 이차전지는 원통형 케이스(110), 카본 나노 패턴층(120) 및 그래핀층(130)을 포함하여 구성된다.
원통형 케이스(110)는 내측에 전극조립체(10)가 수납되고, 카본 나노 패턴층(120)은 원통형 케이스(110)의 외측 표면에 형성되며, 그래핀층(130)은 카본 나노 패턴층(120)에 형성된다.
본 발명의 원통형 이차전지의 전극조립체(10)는 도 2 및 도 8에서와 같이 원통형 케이스(110)의 내측에 수납되며, 전극조립체(10)의 상세한 구성은 하나 이상의 양극박(11), 하나 이상의 음극박(12) 및 하나 이상의 분리막(13)을 포함하여 구성되며, 이러한 하나 이상의 양극박(11), 하나 이상의 음극박(12) 및 하나 이상의 분리막(13)은 각각 중공 보빈(10a)을 이용해 젤리 롤형(jelly roll shape)으로 권취되어 조립된다.
전극조립체(10)의 하나 이상의 양극박(11)은 각각 재질이 알루미늄이 사용되며, 각각은 캡조립체(112)의 전극리드(electrode lead)(112a)와 연결되어 전기적으로 도통된다. 이러한 하나 이상의 양극박(11)은 각각 일측이나 타측 표면에 각각 양극 전극물질(11a)이 도포되며, 양극 전극물질(11a)은 LCO(LiCoO2)나 LMO(LiMn2O4)가 사용된다. 하나 이상의 음극박(12)은 각각 양극박(11)과 마주대하도록 각각 위치되어 적층되고, 각각의 재질은 알루미늄이 사용되며, 각각은 원통형 금속캔(111)에 연결되어 서로 전기적으로 도통된다. 이러한 하나 이상의 음극박(12)은 각각 일측이나 타측 표면에 각각 음극 전극물질(12a)이 도포되며, 음극 전극물질(12a)은 그래파이트(graphite), 하드 카본(hard carbon) 및 소프트 카본(soft carbon) 중 하나가 사용된다. 하나 이상의 분리막(13)은 각각 양극박(111)과 음극박(112) 사이에 각각 배치된다.
원통형 케이스(110)의 실시예는 도 1 및 도 2에서와 같이 원통형 금속캔(cylindrical shape metal can)(111)과 캡(cap)조립체(112)를 포함하여 구성된다.
원통형 금속캔(111)은 일단이 개방되도록 형성되며 내측에 전극조립체(10)가 수납되며 외측 표면에 카본 나노 패턴층(120)이 형성된다. 원통형 금속캔(111)은 내측 표면에 절연성 재질층(111a)이 형성되며 일측에 전극조립체(10)의 일측의 끝단이나 캡조립체(112)를 각각 지지하는 비드(bead)(111b)가 형성되고 외측 표면에 카본 나노 패턴층(120)이 형성된다. 절연성 재질층(111a)의 재질은 각각 수지, 실리콘 및 고무 중 하나가 사용되며, 전극 조립체(10)와 원통형 금속캔(111)의 내측 하단은 서로 전기적으로 연결되도록 서로 직접 연결되게 원통형 금속캔(111)의 내측의 표면에 형성된다. 원통형 금속캔(111)은 내측에 전극 조립체(10)의 조립 시 비드(111b)에 의해 지지되는 전극 조립체(10)의 상부와 전기적으로 도통되지 않도록 전극 조립체(10)와 비드(111b) 사이에 보조 가스켓(113a)이 개재된다. 보조 가스켓(113a)의 재질은 수지, 실리콘 및 고무 중 하나가 사용된다.
캡(cap)조립체(112)는 원통형 금속캔(111)의 일측의 끝단에 가스켓(113)을 개재하여 연결되어 원통형 금속캔(111)의 내부가 밀봉되도록 한다. 가스켓(113)의 재질은 수지, 실리콘 및 고무 중 하나가 사용된다. 캡조립체(112)는 원통형 금속캔(111)의 일측의 끝단에 가스켓(113)을 개재하여 연결되어 원통형 금속캔(111)의 내부가 밀봉되도록 하고, 상측에 전극리드(112a)가 돌출되도록 형성되며, 원통형 금속캔(111)과 캡조립체(112)의 재질은 각각 알루미늄이 사용된다. 이러한 캡조립체(112)는 원통형 금속캔(111)의 상단에서 내부로 휘어진 컬링(curling)부(111d)에 의해 지지되어 고정된다.
카본 나노 패턴층(120)은 도 1 내지 도 3에서와 같이 다수개의 카본 나노 패턴(121)을 포함하여 구성되고, 다수개의 카본 나노 패턴(121)은 각각 원통형 케이스(110)의 외측 표면에 형성되며, 다수개의 카본 나노 패턴(121)은 각각 CNT(carbon nano tube)나 CNF(carbon nano fiber)가 사용된다. 이러한 다수개의 카본 나노 패턴(121)은 각각 원통형 케이스(110) 즉, 원통형 금속캔(111)의 외주면에 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치되게 형성되고, 각각은 폭(D1)이나 두께(D2)가 10 내지 200㎚가 되게 형성된다. 즉, 다수개의 카본 나노 패턴(121)은 각각 하나 이상의 CNT나 CNF로 형성된다.
그래핀층(130)은 도 1 내지 도 3에서와 같이 다수개의 그래핀(131)을 포함하여 구성되며, 다수개의 그래핀(131)은 각각 다수개의 카본 나노 패턴(121)에 각각 연결되게 형성되며, 각각의 두께(D3)는 10 내지 50㎚가 되게 형성된다. 즉, 다수개의 카본 나노 패턴(121)은 각각 다수개의 그래핀(131)이 각각 연결되게 형성된다.
본 발명의 원통형 이차전지의 일 실시예는 전술한 것과 같이 원통형 케이스(110)의 외주면에 다수개의 카본 나노 패턴(121)을 형성하고, 다수개의 카본 나노 패턴(121)을 각각 시드(seed)로 하여 각각에 다수개의 그래핀(131)을 연결하도록 형성함으로써 열전도도가 높은 다수개의 카본 나노 패턴(121)과 다수개의 그래핀(131)으로 원통형 케이스(110)의 외주면의 표면적을 증가시켜 열 방출을 용이하게 함으로써 열 안정성을 개선시킬 수 있다. 여기서, 본 발명의 원통형 이차전지에 관련된 정보를 입력시 레이저 마킹 방법을 이용해 다수개의 카본 나노 패턴(121)과 다수개의 그래핀(131)이 형성된 원통형 케이스(110)의 외주면에 직접 입력하여 기록할 수 있다.
본 발명의 원통형 이차전지의 다른 실시예는 도 7에서와 같이 본 발명의 원통형 이차전지에 관련된 정보의 입력을 보다 용이하게 하거나 외부 절연 필요 시 슬리브(sleeve)(140)가 포함되어 구성된다.
슬리브(140)는 그래핀층(130)의 상측에 배치된다. 즉, 슬리브(140)는 원통형 케이스(110)의 상부와 하부가 노출되게 원통형 케이스(110)를 감싸지게 그래핀층(130)의 상측에 형성된다. 이러한 슬리브(140)는 80 내지 200℃에서 열수축하여 수축율이 5 내지 20％가 되도록 형성되며, 재질은 수지 96 내지 99wt％, 그래핀 0.05 내지 0.5wt％ 및 CNT(carbon nano tube)나 CNF(carbon nano fiber) 0.95 내지 3.5wt％를 혼합하여 형성하며, 상기 수지는 PP(polypropylene)나 PE(polyethylene)가 사용된다. 본 발명의 원통형 이차전지의 다른 실시예에서와 같이 원통형 케이스(110)에 슬리브(140)가 형성되는 경우에도 슬리브(140)에 열전도도가 높은 그래핀과 CNT나 CNF가 혼합되며, 원통형 케이스(110)의 외주면에 다수개의 카본 나노 패턴(121)을 형성하고 다수개의 카본 나노 패턴(121)을 각각 시드(seed)로 하여 각각에 다수개의 그래핀(131)을 연결하도록 형성함으로써 열전도도가 높은 다수개의 카본 나노 패턴(121)과 다수개의 그래핀(131)으로 원통형 케이스(110)의 외주면의 표면적을 증가시켜 열 방출을 용이하게 함으로써 열 안정성을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 원통형 이차전지의 제조 방법을 첨부된 도 4 내지 도 6을 참조하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 원통형 이차전지의 제조 방법 즉, 원통형 금속캔(111)의 외주면에 카본 나노 패턴층(120)과 그래핀층(130)을 형성하는 방법은 먼저, 원통형 금속캔(111)이 형성되며, 원통형 금속캔(111)의 하측의 표면은 절연성 마스킹 부재(도시 않음)을 이용해 커버한 상태에서 도 4에서와 같이 원통형 금속캔(111)의 외주면에 다수개의 절연성 패턴(151)을 포함하는 절연성 패턴층(150)을 형성한다. 즉, 다수개의 절연성 패턴(151) 사이에 카본 나노 패턴(121)이 형성될 공간(152)을 갖는 절연성 패턴층(150)을 형성하며, 절연성 패턴층(150)의 형성방법은 인쇄방법을 이용해 형성한다.
카본 나노 패턴층(120)의 형성방법은 원통형 금속캔(111)의 외주면에 다수개의 절연성 패턴(151)을 포함하는 절연성 패턴층(150)이 형성되면 도 5에서와 같이 전기영동법 등을 이용해 각각 하나 이상의 CNT나 CNF로 형성되는 다수개의 카본 나노 패턴(121)을 포함하는 카본 나노 패턴층(120)을 형성한다. 카본 나노 패턴층(120)이 형성되면 도 6에서와 같이 절연성 패턴층(150)을 제거한 후 카본 나노 패턴층(120)의 제조를 완료한다. 여기서, 카본 나노 패턴(121)에 포함되는 CNT나 CNF의 열전도도는 900 내지 2300W/m.K로 높은 열전도도를 갖는다.
그래핀층(130)은 도 6에서와 같이 카본 나노 패턴층(120)이 형성되면 카본 나노 패턴층(120)이 형성된 원통형 금속캔(111)을 용액 삽입법을 이용해 하나의 카본 나노 패턴(121)에 포함되는 CNT나 CNF에 다수개의 그래핀(131)이 연결되게 형성함으로써 원통형 금속캔(111)의 외주면의 표면적을 증가시킨다. 여기서, 그래핀(131)의 열전도도는 4800 내지 5300 W/m.K가 된다.
이상과 같이 본 발명의 원통형 이차전지는 원통형 캔의 표면적에 열전도도가 높은 카본 나노 패턴(carbon nano pattern)을 인쇄한 후 카본 나노 패턴을 시드(seed)로 카본 나노 패턴에 카본 나노 패턴보다 열전도도가 높은 그래핀(graphen)이 연결되게 형성함으로써 열을 방출하는 표면적을 증가시킴으로써 열 방출을 용이하게 하여 열 안정성을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 원통형 이차전지는 이차전지나 커패시터와 같은 제품의 제조산업 분야에 적용할 수 있다.
10: 전극조립체 11: 양극박
12: 음극박 13: 분리막
110: 원통형 케이스 111: 원통형 금속캔
112: 캡조립체 120: 카본 나노 패턴층
121: 카본 나노 패턴 130: 그래핀층
131: 그래핀 140: 슬리브

Claims (10)

  1. 내측에 전극조립체가 수납되는 원통형 케이스;
    상기 원통형 케이스의 외측 표면에 형성되는 카본 나노 패턴층; 및
    상기 카본 나노 패턴층에 형성되는 그래핀층;을 포함하며,
    상기 카본 나노 패턴층은 상기 원통형 케이스의 외측 표면에 다수개의 카본 나노 패턴으로 형성되며, 상기 다수개의 카본 나노 패턴은 각각 CNT(carbon nano tube)나 CNF(carbon nano fiber)가 사용되는 원통형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 케이스는 일단이 개방되도록 형성되며 내측에 전극조립체가 수납되며 외측 표면에 상기 카본 나노 패턴층이 형성되는 원통형 금속캔; 및
    상기 원통형 금속캔의 일측의 끝단에 가스켓을 개재하여 연결되어 원통형 금속캔의 내부가 밀봉되도록 하는 캡조립체;를 포함하는 원통형 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 케이스는 일단이 개방되도록 형성되며 내측에 전극조립체가 수납되며 외측 표면에 상기 카본 나노 패턴층이 형성되는 원통형 금속캔; 및
    상기 원통형 금속캔의 일측의 끝단에 가스켓을 개재하여 연결되어 원통형 금속캔의 내부가 밀봉되도록 하는 캡조립체;를 포함하며,
    상기 원통형 금속캔은 내측 표면에 절연성 재질층이 형성되며 일측에 전극조립체의 일측의 끝단이나 상기 캡조립체를 각각 지지하는 비드(bead)가 형성되고 외측 표면에 상기 카본 나노 패턴층이 형성되며, 상기 캡조립체는 상기 원통형 금속캔의 일측의 끝단에 가스켓을 개재하여 연결되어 원통형 금속캔의 내부가 밀봉되도록 하고, 상측에 전극리드가 돌출되도록 형성되며, 상기 원통형 금속캔과 상기 캡조립체의 재질은 각각 알루미늄이 사용되며, 상기 절연성 재질층과 상기 가스켓의 재질은 각각 수지, 실리콘 및 고무 중 하나가 사용되는 원통형 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 일측이나 타측 표면에 각각 양극 전극물질이 도포되는 하나 이상의 양극박;
    상기 양극박과 마주대하도록 각각 위치되어 적층되며 일측이나 타측 표면에 각각 음극 전극물질이 도포되는 하나 이상의 음극박; 및
    상기 양극박과 상기 음극박 사이에 각각 배치되는 하나 이상의 분리막;을 포함하며,
    상기 하나 이상의 양극박과 하나 이상의 음극박과 상기 하나 이상의 분리막은 각각 젤리 롤형(jelly roll shape)으로 권취되고, 상기 하나 이상의 양극박은 각각 캡조립체의 전극리드와 연결되며 하나 이상의 음극박은 각각 원통형 금속캔에 연결되며, 상기 하나 이상의 양극박과 하나 이상의 음극박의 재질은 각각 알루미늄이 사용되며, 상기 양극 전극물질은 LCO(LiCoO2)나 LMO(LiMn2O4)가 사용되며, 상기 음극 전극물질은 그래파이트(graphite), 하드 카본(hard carbon) 및 소프트 카본(soft carbon) 중 하나가 사용되는 원통형 이차전지.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다수개의 카본 나노 패턴은 각각 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치되게 형성되고, 각각은 폭이나 두께가 10 내지 200㎚가 되게 형성되는 원통형 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀층은 카본 나노 패턴층의 다수개의 카본 나노 패턴에 각각 다수개의 그래핀이 연결되게 형성되는 원통형 이차전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 그래핀층은 두께가 10 내지 50㎚가 되게 형성되는 원통형 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀층의 상측은 슬리브(sleeve)가 배치되고, 상기 슬리브는 원통형 케이스의 상부와 하부가 노출되게 원통형 케이스를 감싸지게 그래핀층의 상측에 형성되는 원통형 이차전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 슬리브는 80 내지 200℃에서 열수축하여 수축율이 5 내지 20％가 되도록 형성되며, 재질은 수지 96 내지 99wt％, 그래핀 0.05 내지 0.5wt％ 및 CNT(carbon nano tube)나 CNF(carbon nano fiber) 0.95 내지 3.5wt％를 혼합하여 형성하며, 상기 수지는 PP(polypropylene)나 PE(polyethylene)가 사용되는 원통형 이차전지.
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