KR20010045056A - Lithium secondary battery for facilitating the emission of internal heat - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지반응시 발생하는 열을 방출하는 방열구조가 개선된 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly, to a lithium secondary battery having an improved heat dissipation structure for releasing heat generated during a battery reaction.
리튬이온 전지는 기본적으로는 박판형태의 양극판 및 음극판을 그 사이에 세퍼레이터를 개재함으로써 절연시킨 채로 적층하여 전극조립체를 형성하고 여기에 전해액을 주입하여 케이스에 밀봉함으로서 형성된다. 양극판은 알루미늄 포일(foil) 등의 집전체에 소정 두께로 양극활물질층을 균일하게 코팅하여 제조하고, 음극판은 구리 포일 등의 집전체에 소정 두께로 음극 활물질층을 균일하게 코팅하여 제조한다. 여기서, 양극/음극 활물질층은 양극/음극 활물질,도전제,결합제 등을 성분으로 하여 형성되는데, 양극 활물질로는 LiMn2O4, LiNiO2 또는 LiCoO2 등을 사용하고 음극활물질로는 그래파이트 또는 카본 등을 사용하며, 도전제로는 카본 블랙 등이 사용되고 결합제로는 폴리비닐알콜, 메틸 셀룰로오즈, 카르복시메틸 셀룰로오즈, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리비닐리덴플루오라이드 등과 같은 불소계 폴리머 중에서 하나 이상을 선택하여 사용한다.A lithium ion battery is basically formed by laminating a thin plate-shaped positive electrode plate and a negative electrode plate with insulation therebetween with a separator therebetween to form an electrode assembly and injecting an electrolyte solution therein to seal the case. The positive electrode plate is manufactured by uniformly coating a positive electrode active material layer on a current collector such as aluminum foil with a predetermined thickness, and the negative electrode plate is prepared by uniformly coating a negative electrode active material layer on a current collector such as copper foil with a predetermined thickness. Here, the positive electrode / negative electrode active material layer is formed by using a positive electrode / negative electrode active material, a conductive agent, a binder, etc., the positive electrode active material is used LiMn 2 O 4, LiNiO 2 or LiCoO 2 and the like, graphite or carbon is used as the negative electrode active material, Carbon black and the like are used as the conductive agent and at least one selected from fluorine-based polymers such as polyvinyl alcohol, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, polyethylene glycol, and polyvinylidene fluoride is used.
이와 같은 전지는 전원을 필요로 하는 기기의 형상에 따라 여러 가지로 제조가능하지만, 그 대표적인 것으로 원통형, 각형 또는 단추형 등이 있다.Such a battery can be manufactured in various ways depending on the shape of the device requiring a power source, but the typical battery includes a cylindrical, square or button type.
통상적으로 원통형의 전지는 상기 전극 조립체를 롤(roll)의 형태로 나선상으로 감아서 원통형의 코어 조립체(core assembly)를 형성하고, 이것을 원통형의 케이스내에 삽입하고 밀봉하여 제조된다. 그리고 케이스의 상부에는 캡을 마련하고 이것을 상기 코어 조립체의 양극판과 연결함으로써 양극을 이루고, 상기 코어 조립체의 음극판은 케이스의 내면과 접촉되도록 함으로써 음극을 형성하여 상기 원통형 전지를 제조한다. 이와 같은 구조를 갖는 원통형 리튬 이차전지는 롤구조체의 최외단부의 음극판과 케이스의 내부가 직접적으로 접촉되어 전류가 흐르게 된다. 그리고 이러한 원통형 전지는 케이스와 캡이 소정의 외부 전기회로에 접속됨으로써 전류를 공급하게 된다.Typically, a cylindrical battery is manufactured by spirally winding the electrode assembly in the form of a roll to form a cylindrical core assembly, which is inserted into a cylindrical case and sealed. The upper part of the case is provided with a cap and connected to the positive electrode plate of the core assembly to form a positive electrode, and the negative electrode plate of the core assembly forms a negative electrode by contacting the inner surface of the case to manufacture the cylindrical battery. In the cylindrical lithium secondary battery having such a structure, the negative electrode plate of the outermost part of the roll structure and the inside of the case are in direct contact with each other so that current flows. In this cylindrical battery, the case and the cap are connected to a predetermined external electric circuit to supply current.
이와 같은 원통형 전지는 원통형의 코어 조립체의 최외각 음극판이 전지 케이스와 직접 접촉하기 때문에 종래의 최외각 세퍼레이터가 차지하는 공간과 음극 탭이 차지하는 공간만큼의 여유공간을 확보할 수 있었다. 그러나, 전지 내부의 발열은 300℃ 미만의 범위에서 음극보다는 양극에서 보다 많이 일어나게 되므로 전지의 안전성 측면에서 전지의 방열구조를 개선할 필요가 있다.In such a cylindrical battery, since the outermost negative electrode plate of the cylindrical core assembly is in direct contact with the battery case, it is possible to secure a space equal to the space occupied by the conventional outermost separator and the space occupied by the negative electrode tab. However, since heat generation inside the battery occurs more at the positive electrode than at the negative electrode in the range of less than 300 ℃, it is necessary to improve the heat dissipation structure of the battery in terms of safety of the battery.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 방열구조가 개선되고 안전성있는 리튬 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is devised to solve the above problems, and an object thereof is to provide a rechargeable lithium battery with improved heat dissipation structure.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 사시도이다.1 is a perspective view of a cylindrical lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 리튬 이차전지에 삽입되는 원통형의 코어조립체를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a cylindrical core assembly inserted into a cylindrical lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention.
도 3은 본발명의 다른 실시예에 따른 삼각형 리튬이차전지의 사시도이다.3 is a perspective view of a triangular lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention.
〈 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 〉〈Explanation of the Signs of Major Parts of Drawings〉
10. 원통형 리튬 이차전지 30.삼각형 리튬이차전지10. Cylindrical lithium secondary battery 30.Triangle lithium secondary battery
13. 원통형 리튬 이차전지의 케이스 130.삼각형 리튬이차전지의 케이스13. Case of cylindrical lithium secondary battery 130. Case of triangular lithium secondary battery
11a,111a.양극판 11c,111c.음극판11a, 111a.anode plate 11c, 111c.anode plate
11b,111b.세퍼레이터 11,111. 코어조립체11b, 111b. Separator 11,111. Core Assembly
17.하부절연부재 15.코어17. Lower insulation member 15. Core
23.캡조립체 19.비딩부23. Cap assembly 19. Beading part
23a.캡 23b.캡커버23a.cap 23b.cap cover
23c.러버벤트 23'. 관통홀23c.Rubber Vent 23 '. Through hole
21.개스킷 21a.함몰부21.Gasket 21a.Recessed
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 리튬이차전지는 케이스, 상기 케이스에 양극판/세퍼레이터/음극판/세퍼레이터가 적층되어 감긴 코어조립체, 상기 코어조립체에 주입되는 전해액, 상기 양극판과 전기적으로 통전되는 양극단자 및 상기 음극판과 전기적으로 통전되는 음극단자를 구비하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 양극단자는 양극판과 전지케이스가 직접 접촉하여 형성되고, 상기 음극단자는 상기 양극단자와 절연되어 캡과 음극판이 연결됨으로써 형성된다. 여기서, 상기 양극판의 양극집전체와 전지케이스가 직접 접촉하여 양극단자를 구비하는 원통형 리튬 이차전지가 제공될 수 있다.In order to achieve the above object, a lithium secondary battery according to an aspect of the present invention includes a case, a core assembly in which a cathode plate / separator / cathode plate / separator is stacked and wound on the case, an electrolyte injected into the core assembly, and the cathode plate and the electrical In a lithium secondary battery having a positive electrode terminal and a negative electrode terminal electrically connected to the negative electrode plate, the positive electrode terminal is formed by direct contact between the positive electrode plate and the battery case, the negative electrode terminal is insulated from the positive electrode terminal and the cap and It is formed by connecting the negative plate. Here, a cylindrical lithium secondary battery may be provided in which the positive electrode current collector and the battery case of the positive electrode plate are in direct contact with the positive electrode terminal.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 일측면에 따른 일 실시예로서 원통형 리튬 이차전지를 설명하고자 한다.Hereinafter, a cylindrical lithium secondary battery will be described as an embodiment according to an aspect of the present invention with reference to the accompanying drawings.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예로서 리튬이차전지(10)는 원통형의 코어 조립체(11), 가스켓(21), 캡조립체(23), 케이스(13), 상부/하부 절연부재(17)를 구비한다.1, as an embodiment of the present invention, the lithium secondary battery 10 includes a cylindrical core assembly 11, a gasket 21, a cap assembly 23, a case 13, and an upper / lower insulating member ( 17).
원통형의 코어조립체(11)는 박판상의 양극판(11a)/세퍼레이터(11b)/ 음극판(11c)/세퍼레이터(11b)가 도 2에 도시된 바와 같이 코어(15)를 중심으로 나선형으로 감긴 롤구조체가 되어 도1에 도시된 바와 같은 케이스(13)내에 삽입된다.The cylindrical core assembly 11 has a roll structure in which a thin plate-shaped positive plate 11a / separator 11b / negative plate 11c / separator 11b is spirally wound about the core 15 as shown in FIG. 2. And inserted into the case 13 as shown in FIG.
상기 박판상의 구조체는 본발명의 기술분야에서 통상적으로 사용되는 방법 예컨데, 전극판과 세퍼레이터의 라미네이팅방법에 의하여 제조될수 있다. 그리고, 상기 전극판은 알루미늄, 아연 또는 동판 등으로 이루어진 집전체를 준비하고 상기 집전체의 일면 또는 양면에 전극활물질층을 코팅하거나 라미네이팅하여 제작된다.The thin plate-like structure may be manufactured by a method commonly used in the art, for example, a laminating method of an electrode plate and a separator. The electrode plate is prepared by preparing a current collector made of aluminum, zinc, or copper, and coating or laminating an electrode active material layer on one or both surfaces of the current collector.
양극집전체의 양면에 양극활물질층을 코팅하는 경우에는, 양극집전체와 전지의 케이스(13)의 사이에 양극활물질층이 개재하는 구조가 된다. 그러나, 상기 양극판(11a)의 제조시에 양극판(11a)과 전지 케이스(13)가 접촉하는 최외각부분에 양극활물질층을 코팅하지 않음으로써, 전지의 코어(15)를 중심으로 나선형으로 감긴 롤구조체의 양극집전체가 케이스(13)와 직접 접촉되도록 하거나 또는, 상기 양극집전체의 일면에만 전극활물질층을 코팅하여 양극판(11a)을 제작하고, 상기 양극판(11a)과 세퍼레이터를 적층하여 전지의 코어를 중심으로 나선형으로 권취함으로써, 롤구조체의 양극 집전체가 케이스(13)와 직접 접촉되도록 할 수 있다.When the positive electrode active material layers are coated on both sides of the positive electrode current collector, the positive electrode active material layer is interposed between the positive electrode current collector and the case 13 of the battery. However, the roll wound around the core 15 of the battery is spirally wound by not coating the cathode active material layer on the outermost part where the positive electrode plate 11a and the battery case 13 are in contact with each other when the positive electrode plate 11a is manufactured. The positive electrode current collector of the structure is brought into direct contact with the case 13 or the electrode active material layer is coated on only one surface of the positive electrode current collector to fabricate the positive electrode plate 11a, and the positive electrode plate 11a and the separator are laminated. By spirally winding the core, the positive electrode current collector of the roll structure can be brought into direct contact with the case 13.
그리고, 상기 양극판(11a)과 전지 케이스(13)는 직접 접촉하여 통전할 수 있는 구조를 가지기 때문에 상기 전지 케이스(13)는 양극단자의 역할을 하게된다.In addition, since the positive electrode plate 11a and the battery case 13 have a structure capable of directly contacting and energizing, the battery case 13 serves as a positive electrode terminal.
상기 원통형의 코어조립체(11)의 상단과 하단에는 전지의 단락을 방지하고 상기 원통형의 코어조립체(11)를 지지하기 위한 상부절연부재(미도시) 및 하부절연부재(17)가 설치된다. 여기서 상기 절연부재의 재료는 절연성이 있는 수지계통의 폴리프로필렌(PP)이나 폴리비닐클로라이드(PVC) 등이 사용될수 있다.An upper insulating member (not shown) and a lower insulating member 17 are installed at upper and lower ends of the cylindrical core assembly 11 to prevent a short circuit of the battery and to support the cylindrical core assembly 11. The insulating member may be made of an insulating resin-based polypropylene (PP) or polyvinyl chloride (PVC).
상기 케이스(13)의 상부의 오목하게 형성된 비딩부(19)와 형합하는 함몰부(21a)가 형성된 원통형 가스켓(21)이 상부 절연부재위에 설치된다. 상기 가스켓(21)은 원통형 코어 조립체(11)의 음극판(11c)과 전기적으로 통전되는 캡조립체(23)를 상기 케이스(13)로부터 절연하는 기능을 하게 된다. 그리고 상기 가스켓에 캡조립체(23)가 배치된다. 상기 캡조림체(23)는 캡(23a), 캡커버(23b)와 러버벤트(rubber vent;23c)를 구비하는데, 도시되어 있는 바와 같이, 관통공(23')이 형성되어 있는 캡(23a)과 캡커버(23b)에 의하여 형성되는 공간내에서 러버벤트가 삽입되어 있는 구조를 갖는다. 여기서 상기 음극판(11c)과 캡조립체(23)는 음극탭(미도시)에 의하여 전기적으로 통전된다. 따라서, 상기 캡조립체(23)는 음극단자의 역할을 하게 된다.The cylindrical gasket 21 is formed on the upper insulating member is formed with a recess 21a for mating with the concave beading portion 19 of the upper portion of the case (13). The gasket 21 functions to insulate the cap assembly 23 from the case 13 in electrical contact with the negative electrode plate 11c of the cylindrical core assembly 11. The cap assembly 23 is disposed on the gasket. The cap assembly 23 includes a cap 23a, a cap cover 23b, and a rubber vent 23c. As shown, a cap 23a having a through hole 23 'is formed. ) And the rubber vent is inserted in the space formed by the cap cover 23b. Here, the negative electrode plate 11c and the cap assembly 23 are electrically energized by a negative electrode tab (not shown). Thus, the cap assembly 23 serves as a negative terminal.
상기와 같은 구조를 가지는 본 발명의 일측면에 따른 원통형 리튬 이차전지는 원통형의 케이스(13) 내부에 하부 절연부재(17)를 배치하고, 그위에 원통의 코어조립체(11)을 배치한 다음, 그위에 상부 절연부재(15)를 배치하고, 케이스의 비딩부(19)에 형합하는 합몰부(21a)가 형성되어 있는 원통형 가스켓(21)을 삽입한다음, 캡조립체(23)를 고정시키고, 크림프(crimp) 및 프레스 가공을 함으로써 제조된다.Cylindrical lithium secondary battery according to an aspect of the present invention having the structure as described above to arrange the lower insulating member 17 inside the cylindrical case 13, the cylindrical core assembly 11 is disposed thereon, The upper insulating member 15 is disposed thereon, a cylindrical gasket 21 in which a concave portion 21a is formed to be fitted to the beading portion 19 of the case is inserted, and then the cap assembly 23 is fixed. It is manufactured by crimping and pressing.
본 발명에 따른 원통형 전지는 상기와 같은 일 실시예에 한정되는 것은 아니며, 도3에 도시되어 있는 바와 같이 원통형상 이외의 단면형상을 갖는 리튬이차전지의 제조가 가능하다.Cylindrical battery according to the present invention is not limited to one embodiment as described above, it is possible to manufacture a lithium secondary battery having a cross-sectional shape other than the cylindrical shape as shown in FIG.
도3은 본발명의 다른 실시예에 따른 각형 리튬이차전지의 일부 사시도를 개략적으로 도시한 것이다. 여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.Figure 3 schematically shows a perspective view of a part of a rectangular lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention. Here, the same reference numerals as in the above-described drawings indicate the same members having the same function.
도 3에 도시되어 있는 바와 같은 본발명의 다른 실시예에 따른 각형 리튬이차전지는 각형의 코어 조립체(111), 가스켓(21), 캡조립체(23), 케이스(113), 상부/하부 절연부재(17)를 구비한다. 각형의 코어조립체(111)는 박판상의 양극판(111a)/세퍼레이터(111b )/음극판(111c)/세퍼레이터(111b)가 코어(15)를 중심으로 각형 단면형상으로 감긴 구조체로 되어, 각형의 단면형상을 가진 케이스(113)내에 삽입된다. 그리고 상기 각형 리튬이차전지의 기능 및 제조과정은 도1에 도시된 바와 같은 원통형 리튬이차전지(10)와 크게 다르지 않을 것이므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.The prismatic lithium secondary battery according to another embodiment of the present invention as shown in FIG. 3 has a prismatic core assembly 111, a gasket 21, a cap assembly 23, a case 113, and an upper / lower insulating member. (17) is provided. The square core assembly 111 is a structure in which a thin plate-shaped positive electrode plate 111a / separator 111b / cathode plate 111c / separator 111b is wound around a core 15 in a rectangular cross-sectional shape to form a rectangular cross section. It is inserted into the case 113 having a. In addition, since the function and manufacturing process of the rectangular lithium secondary battery will not be significantly different from the cylindrical lithium secondary battery 10 as shown in FIG. 1, a detailed description thereof will be omitted.
또한, 본 발명의 일측면에 따른 리튬이차전지는 기존의 전기 장치 및 충전기등에 대하여 호환성을 갖도록 하기 위하여 본 발명의 기술분야에서 통상적인 방법에 의하여 양극 및 음극 단자의 구조를 적합화하는 것이 가능하며, 이와같은 변화는 본발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게는 분명할 것이다.In addition, the lithium secondary battery according to an aspect of the present invention can be adapted to the structure of the positive electrode and the negative electrode terminal by a conventional method in the art in order to be compatible with the existing electrical devices and chargers, and the like. Such changes will be apparent to those of ordinary skill in the art.
본 발명의 일측면에 따른 리튬 이차전지에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.According to the lithium secondary battery according to an aspect of the present invention, the following effects can be obtained.
코어 조립체의 최외각 양극판이 전지 케이스와 직접 접촉하기 때문에 종래의 최외각 세퍼레이터가 차지하는 공간과 양극탭이 차지하는 공간만큼의 여유공간만큼의 용량 증대를 감소시키지 않으면서도 전지 내부의 발열 특히, 내부단락과 같은 인위적인 발열이 있는 경우에도 전지 내부의 열을 보다 효율적으로 전지 밖으로 방출할 수 있어 안전성이 확보된다. 또한, 내부발열을 억제함으로써 전극에서의 바인더 등의 분해반응을 미연에 방지할 수 있어 안전성이 향상된다.Since the outermost positive electrode plate of the core assembly is in direct contact with the battery case, heat generation inside the battery, especially internal short circuits, can be reduced without reducing the capacity increase by the space occupied by the conventional outermost separator and the space occupied by the positive electrode tab. Even when artificial heat is generated, heat inside the battery can be more efficiently discharged out of the battery, thereby ensuring safety. In addition, by suppressing internal heat generation, decomposition reactions such as binders in the electrode can be prevented beforehand, thereby improving safety.
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