KR102484705B1

KR102484705B1 - 이차전지

Info

Publication number: KR102484705B1
Application number: KR1020170120533A
Authority: KR
Inventors: 김대규; 고성귀
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2023-01-03
Also published as: KR20190032058A

Abstract

본 발명의 일 측면은 전극 조립체의 스웰링이나 변형을 흡수 및 억제하고, 전극 조립체의 권취 중심에 위치하는 전극의 단락 및 손상을 방지하는 이차전지를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 제1세퍼레이터, 제1전극, 제2세퍼레이터 및 제2전극을 권취하여 형성되는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 내장하는 케이스, 및 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되고 상기 케이스 개구에 절연 상태로 결합되는 캡 조립체를 포함하며, 상기 전극 조립체는 권취 중심에 배치되어 전해액에 의하여 팽윤되는 팽윤 부재를 더 포함한다.

Description

이차전지 {RECHARGEABLE BATTERY}

본 기재는 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극과 세퍼레이터를 권취하여 형성되는 전극 조립체를 가지는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 수요와 기술 개발에 따라 에너지원으로써 이차전지에 대한 수요가 증가되고 있다. 예를 들면, 원통형 이차전지는 충전 및 방전 작용하는 전극 조립체, 전극 조립체를 내장하는 케이스, 및 전극 조립체에 전기적으로 연결되어 케이스의 개구 측을 밀폐하는 캡 조립체를 포함한다.

일례를 들면, 전극 조립체는 세퍼레이터(separator)의 양면에 전극을 배치하고, 전극과 세퍼레이터를 젤리롤(Jelly Roll) 형태로 권취하여 형성되며, 권취된 중심에 원통형 파이프로 형성되는 센터 핀을 구비한다.

센터 핀은 내부 가스의 흐름 통로를 형성하여, 충전 및 방전시 내부에서 발생되는 내부 가스를 캡 조립체 측으로 유도한다. 그러나 센터 핀은 설정된 직경을 가지며, 세퍼레이터를 보호할 수 있도록 전극 조립체의 권취 중심과 마찰 없이 자유 상태로 삽입되어야 한다.

따라서 전극 조립체는 권취 중심에 센터 핀의 조립을 위한 공간을 반드시 확보하여야 한다. 전극 조립체의 중심에 확보되는 센터 핀의 설치 공간은 전극 조립체의 용량을 저하시킨다.

또한, 충전 및 방전에 따른 전극 조립체의 스웰링(swelling) 및 변형(deform) 시, 센터 핀은 권취 중심에서 물리적으로 저항하여 중심에 위치하는 전극을 단락(short circuit) 또는 손상시킬 수 있다.

본 발명의 일 측면은 전극 조립체의 스웰링이나 변형을 흡수 및 억제하고, 전극 조립체의 권취 중심에 위치하는 전극의 단락 및 손상을 방지하는 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 제1세퍼레이터, 제1전극, 제2세퍼레이터 및 제2전극을 권취하여 형성되는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 내장하는 케이스, 및 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되고 상기 케이스 개구에 절연 상태로 결합되는 캡 조립체를 포함하며, 상기 전극 조립체는 권취 중심에 배치되어 전해액에 의하여 팽윤되는 팽윤 부재를 더 포함한다.

상기 팽윤 부재는 상기 제1세퍼레이터와 상기 제2세퍼레이터 중 적어도 어느 하나의 일면에 설치될 수 있다.

상기 팽윤 부재는 상기 전극 조립체의 권취 중심에서 0.5~2턴으로 권취될 수 있다.

상기 팽윤 부재는 권취 중심에서 상기 제1세퍼레이터의 일면에 부착되는 제1팽윤 필름, 및 권취 중심에서 상기 제2세퍼레이터의 일면에 부착되는 제2팽윤 필름을 포함할 수 있다.

상기 전극 조립체의 권취 중심에서, 상기 제1팽윤 필름은 상기 제1세퍼레이터의 내면에 배치되고, 상기 제2팽윤 필름은 상기 제2세퍼레이터의 외면에 배치될 수 있다.

상기 제1팽윤 필름은 상기 제1세퍼레이터의 폭 방향 전체에 걸쳐 배치되고, 상기 제2팽윤 필름은 상기 제2세퍼레이터의 폭 방향 전체에 걸쳐 배치될 수 있다.

상기 팽윤 부재는 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 또는 PVDF에 바인더를 포함하는 필름으로 형성될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 권취 중심에서 팽윤 부재를 구비하여 전해액에 의하여 팽윤 부재를 팽윤시키므로 권취 중심에서 전극 조립체의 스웰링이나 변형을 흡수 및 억제할 수 있다. 또한 전극 조립체의 권취 중심에서 전극의 단락 및 손상이 방지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 단면 사시도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 전극 조립체를 형성하는 세퍼레이터와 전극을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 세퍼레이터와 전극을 맨드릴에 투입하는 권취하는 권취 시작 상태도이다.
도 4는 도 1에 적용되는 전극 조립체의 권취 중심 부분을 확대하여 도시한 횡단면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 자른 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 단면 사시도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예의 이차전지는 충전과 방전 작용하는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)를 내장하는 케이스(20), 및 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결되고 케이스(20)의 개구에 절연 상태로 결합되는 캡 조립체(30)를 포함한다.

도 2는 도 1에 적용되는 전극 조립체를 형성하는 세퍼레이터와 전극을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 세퍼레이터와 전극을 맨드릴에 투입하는 권취하는 권취 시작 상태도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 전극 조립체(10)는 제1세퍼레이터(13), 제1전극(11), 제2세퍼레이터(14) 및 제2전극(12)을 순차적으로 적층 배치하고, 맨드릴(M)로 권취하므로 젤리롤(Jelly Roll) 상태로 형성된다.

구체적으로 도시하지 않았으나, 제1전극(11)과 제2전극(12)은 얇은 금속판(예를 들면, Al과 Cu 또는 Cu와 Al)으로 각각 형성되는 집전체의 양면에 활물질이 도포된 영역의 코팅부(11a, 12a), 및 활물질이 도포되지 않아 집전체가 노출된 영역의 무지부(11b, 12b)를 포함한다.

예를 들면, 제1, 제2전극(11, 12)의 무지부(11b, 12b)는 전극 조립체(10)의 권취 방향에서, 서로 반대측인 선단부와 종단부에 각각 설정된다. 권취 상태에서, 선단부는 전극 조립체(10)의 권취 중심을 형성하고, 종단부는 전극 조립체(10)의 최외곽부를 형성한다.

권취된 상태에서, 제1전극(11)의 무지부(11b)는 권취 중심에서 탭(37)을 통하여 캡 조립체(30)에 연결되고, 제2전극(12)의 무지부(12b)는 권취 외곽에서 케이스(20)의 내벽에 전기적으로 연결된다. 이때, 전극 조립체(10)는 양단에 상, 하측 절연판(42, 43)을 구비하여 케이스(20)에 삽입된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상측 절연판(42)은 권취된 전극 조립체(10)의 상단과 캡 조립체(30)를 전기적으로 절연하고, 하측 절연판(43)은 전극 조립체(10)의 하단과 케이스(20)의 바닥을 전기적으로 절연한다.

케이스(20)는 전극 조립체(10)를 외부로부터 삽입할 수 있도록 일측에 개구를 구비하고, 원통형 전극 조립체(10)를 수용하도록 원통형으로 형성된다. 도시하지 않았으나, 케이스는 각형으로 형성되고 전극 조립체는 각형에 대응하여 삽입되는 형상으로 이루어질 수 있다.

케이스(20)는 제2전극(12)의 무지부(12b)에 연결되어, 이차전지에서 제2전극단자로 작용하며, 제2전극(12)의 무지부(12b), 즉 제2전극(12)의 금속판과 동일한 재질로 형성될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 캡 조립체(30)는 케이스(20)의 개구에 개스킷(41)을 개재하여 결합되므로 케이스(20)와 전기적으로 절연되고, 전극 조립체(10)와 전해액을 수용하는 케이스(20)의 개구를 밀폐한다. 또한, 캡 조립체(30)는 전류차단장치를 통하여 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결된다.

예를 들면, 캡 조립체(30)는 외측에서 케이스(20)의 내측으로 가면서 순차적으로 배치되는, 캡 플레이트(31), 양성 온도 소자(PTC, positive temperature coefficient element)(35), 벤트 플레이트(32), 절연부재(33), 미들 플레이트(36) 및 서브 플레이트(34)를 포함한다.

캡 플레이트(31)는 최종적으로 제1전극(11)의 무지부(11b)에 연결되어 이차전지에서 제1전극단자로 작용한다. 캡 플레이트(31)는 케이스(20)의 외부로 돌출되는 돌출부(31a)와 돌출부(31a)의 측방으로 개방되어 내부 가스를 배출하는 배기구(31b)를 구비한다.

실질적으로, 전류차단장치는 벤트 플레이트(32), 서브 플레이트(34) 및 이들의 연결부로 형성된다. 이 연결부는 벤트 플레이트(32)와 서브 플레이트(34)의 용접으로 형성될 수 있다.

전류차단장치의 일측을 형성하는 벤트 플레이트(32)는 캡 플레이트(31)의 내측에 설치되어, 전류차단장치의 다른 일측을 형성하는 서브 플레이트(34)에 전기적으로 연결된다.

또한, 벤트 플레이트(32)는 중심에 벤트(32a)를 포함한다. 벤트(32a)는 이차전지의 내부 압력이 설정 조건에 이르면, 파손되어 내부 가스를 방출하면서 서브 플레이트(34)와의 전기적 연결을 차단한다.

예를 들면, 벤트(32a)는 벤트 플레이트(32)의 중심에서 케이스(20)의 내측을 향하여 돌출 형성된다. 벤트 플레이트(32)는 벤트(32a) 주위에 벤트(32a)의 파손을 안내하는 노치(32b)를 구비한다.

내부 가스가 발생되어 케이스(20)의 내부 압력이 상승하여 설정치에 이르면, 노치(32b)가 미리 파손된다. 따라서 이차전지의 내부 가스는 파손된 벤트 플레이트(32)의 벤트(32a) 및 캡 플레이트(31)의 배기구(31b)를 통하여 외부로 배출된다. 이로써, 이차전지의 폭발이 방지될 수 있다. 벤트(32a)의 파손으로 벤트 플레이트(32)와 서브 플레이트(34)의 연결부가 분리되면, 전극 조립체(10)와 캡 플레이트(31)는 전기적으로 서로 분리된다.

양성 온도 소자(35)는 캡 플레이트(31)와 벤트 플레이트(32) 사이에 설치되어, 이차전지의 내부 온도에 따라, 캡 플레이트(31)와 벤트 플레이트(32) 사이에서 전류 흐름을 단속할 수 있다.

내부 온도가 설정된 온도를 초과하는 상태에서, 양성 온도 소자(35)는 무한대까지 커지는 전기 저항을 가진다. 이로 인하여, 양성 온도 소자(35)는 캡 플레이트(31)와 벤트 플레이트(32) 사이에서 충전 또는 방전 전류의 흐름을 차단할 수 있다.

서브 플레이트(34)는 절연부재(33)를 사이에 두고 벤트 플레이트(32)와 마주하여, 벤트(32a)에 전기적으로 연결된다. 미들 플레이트(36)는 절연부재(33)와 서브 플레이트(34) 사이에 배치된다. 벤트(32a)는 절연부재(33)와 미들 플레이트(36)의 중심에 형성되는 관통구들을 통하여 케이스(20)의 내측으로 돌출되어 서브 플레이트(34)에 연결된다.

따라서 미들 플레이트(36)는 서브 플레이트(34) 및 벤트(32a)에 전기적으로 연결된다. 또한, 미들 플레이트(36)는 탭(37)에 용접으로 연결되고, 탭(37)은 권취 중심에서 제1전극(11)의 무지부(11b)에 용접으로 연결된다.

결국, 제1전극(11)의 무지부(11b)는 탭(37), 미들 플레이트(36), 서브 플레이트(34), 벤트(32a), 벤트 플레이트(32) 및 양성 온도 소자(35)를 순차적으로 경유하여 캡 플레이트(31)에 전기적으로 연결된다. 따라서 캡 플레이트(31) 및 돌출부(31a)는 이차전지에서 제1전극단자로 작용한다.

한편, 상측 절연판(42)은 전극 조립체(10)와 서브 플레이트(34) 사이에 배치되어, 전극 조립체(10)를 서브 플레이트(34) 또는 미들 플레이트(36)에 대하여 전기적으로 절연하고, 전극 조립체(10)를 케이스(20)에 대하여 전기적으로 절연한다.

탭(37)은 제1전극(11)의 무지부(11b)에 연결되어 상측 절연판(42)의 관통홀(42a)을 통하여 미들 플레이트(36)에 연결된다. 예를 들면, 캡 조립체(30)에서 탭(37)과 미들 플레이트(36)의 연결 및 벤트(32a)와 서브 플레이트(34)의 연결은 용접으로 이루어질 수 있다.

이와 같이 형성되는 캡 조립체(30)는 케이스(20)에 전극 조립체(10)를 삽입한 상태에서, 개스킷(41)을 개재하여 케이스(20)의 개구에 끼워지고, 클림핑(crimping) 공정을 통하여 케이스(20)의 개구에 고정될 수 있다.

비딩 공정을 통하여 케이스(20)의 개구 인접측에 비딩부(21)가 형성되고, 클림핑 공정을 통하여 비딩부(21)에 연결되는 클림핑부(22)가 형성된다. 즉 이차전지에서 케이스(20)는 비딩부(21)와 클림핑부(22)를 포함한다.

비딩부(21)는 케이스(20)에 전극 조립체(10)를 수용한 상태에서 케이스(20)의 상측에서 케이스(20)의 직경 방향 중심으로 함몰되는 구조로 이루어져, 전극 조립체(10)의 상하 유동을 방지한다.

클림핑부(crimping)(22)는 직경 방향에서 상대적으로 비딩부(21)보다 돌출되는 구조로 비딩부(21)에 연결되어, 개스킷(41)을 개재하여 캡 조립체(30)의 외주면과 이 외주면에 연결되는 상면 및 하면을 잡아준다.

다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 전극 조립체(10)는 권취 중심에 배치되어 전해액에 의하여 팽윤되는 팽윤 부재(50)를 더 포함한다. 팽윤 부재(50)는 제1세퍼레이터(13)와 제2세퍼레이터(14) 중 적어도 어느 하나의 일면에 설치될 수 있다.

팽윤 부재(50)는 전극 조립체(10)의 권취 중심에 배치되어 케이스(20)에 전극 조립체(10)와 전해액을 삽입한 상태에서 전해액을 흡수하여 팽윤되는 성질을 가진다. 따라서 전극 조립체(10)를 케이스(20)에 삽입할 때, 팽윤 부재(50)는 팽윤되지 않은 상태를 유지하고, 삽입 후, 전해액을 주입하게 되면 권취 중심에서 팽윤 상태를 유지하게 된다.

일례로써, 팽윤 부재(50)는 전해액을 흡수하여 팽윤되는 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 또는 PVDF에 바인더를 포함하는 필름으로 형성될 수 있다. 또한, 팽윤 부재(50)는 전극 조립체(10)의 권취 중심에서 0.5~2턴(turn)으로 권취될 수 있다.

권취 중심에서 팽윤 부재(50)가 0.5턴 미만으로 권취되는 경우, 전해액과 접촉되어 완전한 팽윤이 일어나는 경우에도, 권취 중심에서 스웰링이나 변형을 흡수 및 억제하는 데 있어서 충분한 성능을 가지지 못할 수 있다.

또한, 권취 중심에서 팽윤 부재(50)가 3턴 이상 권취되는 경우, 중심부에서 전해액과의 접촉 부족으로 인하여 부분적으로 불완전한 팽윤이 일어나게 된다. 이로 인하여, 팽윤 부재(50)는 권취 중심에서 스웰링이나 변형을 흡수 및 억제하는 데 있어서 충분한 성능을 발휘하지 못할 수 있다.

일례로써, 팽윤 부재(50)는 권취 중심에서 제1세퍼레이터(13)의 일면에 부착되는 제1팽윤 필름(51), 및 권취 중심에서 제2세퍼레이터(14)의 일면에 부착되는 제2팽윤 필름(52)을 포함한다.

도 4는 도 1에 적용되는 전극 조립체의 권취 중심 부분을 확대하여 도시한 횡단면도이고, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 자른 단면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 전극 조립체(10)의 권취 중심에서, 제1팽윤 필름(51)은 제1세퍼레이터(13)의 내면에 배치되고, 제2팽윤 필름(52)은 제2세퍼레이터(14)의 외면에 배치된다.

즉, 권취 전, 제1팽윤 필름(51)은 제1세퍼레이터(13)의 내면에 부착되고, 제2팽윤 필름(52)은 제2세퍼레이터(14)의 외면에 부착되어, 맨드릴(M)의 회전으로 권취된다.

따라서 전극 조립체(10)의 중심부에는 제1전극(11)을 사이에 두고 내측에 제1팽윤 필름(51)과 제1세퍼레이터(13)가 배치되고, 외측에 제2세퍼레이터(14)와 제2팽윤 필름(52)이 배치된다.

최소한 종래기술에 비하여, 전극 조립체(10)의 권취 중심에 제1, 제2팽윤 필름(51, 52)이 더 배치되고, 전해액에 의하여 팽윤되는 제1, 제2팽윤 필름(51, 52)이 권취 중심의 스웰링이나 변형에 대하여, 제1, 제2전극(11, 12)을 안정적으로 보호할 수 있다.

제1팽윤 필름(51)은 제1전극(11)의 내측으로 지지되는 제1세퍼레이터(13)의 내면에서 권취 중심을 향하여 팽윤된다. 그리고 제2팽윤 필름(52)은 제1전극(11)의 외측으로 지지되는 제2세퍼레이터(14)의 외면에서 권취 중심에서 외곽을 향하여 팽윤된다.

즉 제1, 제2팽윤 필름(51, 52)은 제1전극(11)을 사이에 두고, 권취 중심과 외곽을 향하여 양 방향으로 팽윤되어, 권취 중심부에서 스웰링이나 변형에 대하여, 저항 및 흡수하는 버퍼 역할을 하게 된다.

따라서 제1, 제2팽윤 필름(51, 52)은 권취 중심에서 제1, 제2전극(11, 12)을 손상시키지 않고, 충방전에 의한 스웰링이나 변형 시, 제1, 제2전극(11, 12)의 단락을 방지할 수 있다.

이를 위하여, 제1팽윤 필름(51)은 제1세퍼레이터(13)의 폭 방향(y축 방향, 도 2 참조) 전체에 걸쳐 배치되고, 제2팽윤 필름(52)은 제2세퍼레이터(14)의 폭 방향 전체에 걸쳐 배치된다.

따라서 제1, 제2팽윤 필름(51, 52)은 권취 중심에서 제1, 제2세퍼레이터(13, 14)의 폭 방향 전체에 걸쳐서, 제1, 제2전극(11, 12)을 손상시키지 않고, 충방전에 의한 스웰링이나 변형 시, 버퍼 역할을 하면서 제1, 제2전극(11, 12)의 단락을 방지할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 전극 조립체 11: 제1전극
11a, 12a: 코팅부 11b, 12b: 무지부
12: 제2전극 13, 14: 제1, 제2세퍼레이터
20: 케이스 21: 비딩부
22: 클림핑부 30: 캡 조립체
31: 캡 플레이트 31a: 돌출부
31b: 배기구 32: 벤트 플레이트
33: 절연부재 34: 서브 플레이트
35: 양성 온도 소자(PTC) 36: 미들 플레이트
37: 탭 41: 개스킷
42, 43: 상, 하측 절연판 50: 팽윤 부재
51, 52: 제1, 제2팽윤 필름 M: 맨드릴

Claims

제1세퍼레이터, 제1전극, 제2세퍼레이터 및 제2전극을 권취하여 형성되는 전극 조립체;
상기 전극 조립체를 내장하는 케이스; 및
상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되고 상기 케이스 개구에 절연 상태로 결합되는 캡 조립체
를 포함하며,
상기 전극 조립체는
권취 중심에 배치되어 전해액에 의하여 팽윤되는 팽윤 부재를 더 포함하고,
상기 팽윤 부재는
상기 전극 조립체의 권취 중심에서,
상기 제1세퍼레이터의 내면에 배치되는 제1팽윤 필름과,
상기 제2세퍼레이터의 외면에 배치되는 제2팽윤 필름을 포함하며,
상기 제1팽윤 필름은 상기 제1전극의 내측에 배치되고,
상기 제2팽윤 필름은 상기 제1전극의 외측에 배치되는 이차전지.
삭제
제1항에 있어서,
상기 팽윤 부재는
상기 전극 조립체의 권취 중심에서 0.5~2턴으로 권취되는 이차전지.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1팽윤 필름은 상기 제1세퍼레이터의 폭 방향 전체에 걸쳐 배치되고,
상기 제2팽윤 필름은 상기 제2세퍼레이터의 폭 방향 전체에 걸쳐 배치되는 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 팽윤 부재는
PVDF(Polyvinylidene fluoride) 또는 PVDF에 바인더를 포함하는 필름으로 형성되는 이차 전지.