KR20010061302A - 각형(角形) 캔을 이용한 리튬이온 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각형(角形) 리튬이온 전지의 외부 케이스로 사용되는 캔의 단면 구조를 외부 모서리는 직각으로 처리하고 내부 모서리는 곡률 반경을 주어 곡선으로 처리한 전지의 외부 케이스를 사용하여 제작한 리튬이온 이차 전지를 제공한다. 이러한 캔을 각형 리튬 이온 전지 제조에 적용하여 캔의 개구부를 덮개로 용접시 가로, 세로 및 곡선인 세단계의 용접 공정을 가로 및 세로 용접 공정의 두 단계로 단축하였으며, 내부적으로 전지 캔 내부의 곡선 처리에 의하여 젤리 롤(jelly roll)과 전지 캔 내부 모서리와의 정합도를 높여 전지 충,방전에 따른 젤리 롤의 찌그러짐과 음극 전극 표면에서의 부분적인 리튬 금속 석출을 균일하게 함으로써 안전성이 향상된 전지를 제공한다.

Description

각형(角形) 캔을 이용한 리튬이온 전지{Li-ION BATTERY WITH PRISMATIC CAN HOUSING}

본 발명은 각형(角形) 캔을 이용한 리튬이온 전지에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 내부 모서리는 곡선으로 되고 외부 모서리는 직각으로 된 리튬이온 전지에 관한 것이다.

휴대용 전자 기기에 적용되어 왔던 전지가 니켈 수소 전지에서 리튬이온 전지로 바뀌면서 주류로 등장하였던 원통형 리튬이온 전지가, 좀더 작고 얇은 휴대용 전자 기기에 적용하기 위하여 각형 리튬이온 전지로 급격히 바뀌어가고 있다.

이와 같은 종래 각형 리튬이온 전지는, 전지 덮개 밀봉에 프레스 공정 한 단계만을 적용한 원통형 전지에 비하여, 모서리 부분이 곡선으로 되어있어서 덮개 밀봉을 위하여 가로, 세로 및 곡선 부위의 세 단계 공정을 거쳐야만 하였다. 또한 외부 모서리와 내부 모서리가 동일한 곡률 반경을 갖게 되어 있는 구조로 인하여 전지 내부의 젤리 롤과 캔 모서리간에 곡률 반경의 불일치를 초래하게 되었다. 젤리 롤과 캔 모서리간 곡률 반경의 불일치는 계속된 충,방전에 의해 젤리 롤의 변형을 초래하게 되어 전지 안전성에도 영향을 끼치게 되었다.

본 발명의 목적은 각형 캔 외부 및 내부의 곡률 반경에 차별을 두어, 우선 캔 외부의 각 모서리는 직각화 하여 종래 전지 조립의 캔 덮개 용접 단계에서 가로, 세로, 및 곡선 용접의 세 단계를 거치는 공정을 가로, 세로 용접의 두 단계 공정으로 단축하고, 또한 캔 내부 모서리는 곡선으로 처리하여 젤리 롤과 캔 내부 모서리의 정합성을 높여서 충,방전에 따른 젤리 롤 부피 변화를 최소화하여 음전극 표면의 불균일한 리튬 금속 석출을 방지함으로써 리튬이온 전지의 안전성을 향상시키는 데에 있다.

도 1은 각형 리튬이온 이차 전지의 구조도.

도 2는 종래의 리튬이온 전지에 사용되는 각형 캔의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 각형 캔의 단면도

도 4a는 종래의 각형 캔에 적용한 젤리 롤 및 음극 전극 표면을 나타낸 도면.

도 4b는 본 발명의 각형 캔에 적용한 젤리 롤 및 음극전극 표면을 나타낸 도면.

도 5는 일반 캔을 사용한 각형 전지와 본 발명의 각형 캔을 사용한 경우의 파괴 시험 결과를 나타낸 그래프.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11 : 각형 캔 뚜껑

12 : 양극 단자

13 : 젤리 롤

14 : 각형 캔

도 1은 양극에 리튬 코발트 산화물 활물질, 음극에 탄소계 활물질을 사용한 각형 리튬이온 전지의 구조도이다.

도 2는 종래 각형 리튬이온 전지 캔의 단면도로써 캔 외부 및 내부의 곡률 반경이 동일하다.

도 3은 본 발명의 각형 캔의 단면도이다.

종래 각형 캔의 경우 캔 내부 및 외부의 곡률 반경이 동일한데 비하여 본 발명의 각형 캔은 캔 내부에 곡률 반경을 주어 곡선으로 제작하고 외부는 직각으로 제작하였다. 캔 외부를 직각으로 제작함으로써 캔 덮개를 덮은 후 레이저 용접 단계에서 가로 세로 두 단계의 공정으로 처리할 수 있다. 그러나 종래 각형 캔의 경우 캔 내부 및 외부의 곡률 반경을 동일하게 적용함으로 써 캔 뚜껑을 덮은 후 모서리 부분의 레이저 용접을 위하여 모서리 부분의 곡률 반경에 맞게 용접기가 회전하는 공정 또는 캔이 회전하는 공정이 필요하였다. 또한 계속적인 충,방전으로 인한 젤리 롤의 팽창 수축으로 인하여 캔 모서리부분과 인접한 젤리 롤 부분의 일부가 찌그러지고, 또한 리튬 금속이 불균일 석출하였다. 이를 막기 위하여 본 발명에서는 캔 내부를 곡선 처리하여 젤리 롤의 곡률 반경과 근접한 곡률 반경을 주어 충방전에 따른 젤리 롤의 팽창 수축을 억제하는 역할을 함으로써 리튬이온 전지의 안정성을 향상시켰다.

도 4a 및 도 4b는 종래의 각형 캔 및 본 발명의 각형 캔에 적용한 젤리 롤 및 음극의 표면 비교이다. 즉, 도 4a는 종래의 각형 캔에 적용한 젤리 롤 및 음전극 표면이고, 도 4b는 본 발명의 각형 캔에 적용한 젤리 롤 및 음전극 표면이다.

도 5는 일반 캔을 사용한 각형 전지와 본 발명이 적용된 각형 캔을 사용한 경우의 파괴 시험 결과이다.

도 4와 도 5는 이하의 실시 예에서 상세히 설명될 것이다.

이하에서 본 발명을 실시 예를 통하여 더욱 상세히 설명하지만, 실시 예는 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니며, 당업자들은 본 발명의 정신을 훼손함이 없이 본 발명의 균등물이 채용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

실시예 1

양극에 리튬 코발트 산화물, 음극에 탄소 활물질을 사용한 전극을 올레핀계 전해막으로 분리한 젤리 롤을 제작하였다. 이것을 도 2에서와 같은 캔 내부 및 외부의 곡률 반경이 0.6 mm이며, 크기는 폭 34 mm 높이 48 mm 두께 8.3 mm의 각형(角形) 캔에 삽입한 후, 에틸렌카보네이트(EC), 디에틸렌카보네이트(DEC), 리튬염(LiPF6)으로 구성된 전해액을 주입하고, 캔 덮개를 덮은 다음 가장자리를 레이저 용접하여 각형 리튬이온 전지를 제작하였다.

실시예 2

실시예 1과 같은 양극 및 음극으로 이루어진 젤리 롤을 도 2에서와 같이 캔 내부 모서리 부분은 곡률 반경 0.3 mm이며 외부는 직각인 모서리를 갖도록 하여 실시 예 1과 같은 크기의 각형 캔에 넣은 다음 실시 예 1과 동일한 전해액을 주입한 후 캔 덮개를 덮고 가장자리를 레이저 용접하여 각형 리튬이온 전지를 제조하였다.

실시예 3

실시예 1 및 실시예 2에서 제작한 각형 리튬이온 전지를 충,방전 시험기를 이용하여 충방전 조건 1/2C로 50회 충,방전을 실시하였으며, 50회 충,방전이 완료된 후 충전 1/2C로 1회 더 실시한 후, 전지를 분해하여 젤리 롤의 외관 상태 및 젤리 롤의 모서리 부분의 전극 표면을 관찰하였다. 실시 예 1에서 사용된 모서리 내외에서 동일한 곡률 반경을 갖는 캔과 실시 예 2에서 사용된 본 발명의 캔을 적용한 경우의 젤리 롤 및 음극 표면을 관찰한 결과는 도 4와 같다. 동일 곡률 반경의 캔에 적용된 젤리 롤의 경우 모서리 부분의 전극이 찌그러져 있었으며 젤리 롤을 펼쳐본 결과 모서리 부분의 음극 전극 표면의 색이 불균일하게 황동색을 나타내었다. 이와 반대로 본 발명의 캔인 경우 젤리 롤의 외관은 찌그러짐이 없음을 확인하였으며 음전극 표면은 황동색이 균일하게 분포하고 있음을 확인하였다.

실시예 4

실시예 3에서와 같이 각형 전지를 제조하여 충,방전을 실시한 후 전지의 안전성을 확인하기 위하여 UL1642 규격에 의한 충격 시험을 실시하였다. 충격 시험은 높이 60 cm 위치에서 중량 9 kg인 물체를 낙하시켜 전지의 가운데에 충격을 가하여 내부 단락이 발생하도록 하였다. 실시예 1의 전지와 실시예 2의 전지의 안전판(vent)이 작동되는 시간을 비교한 결과, 도 5에서와 같이 본 발명이 적용된 캔을 사용한 실시예 2의 전지가 안전판 작동 시간이 1 분 이상 지연되거나 작동되지 않는 것으로 보아 동일한 외부 충격에 인한 내부 단락으로 발생되는 가스 발생량이 감소함을 알 수 있었다.

본 발명에 따른 리튬이온 전지는 종래의 가로, 세로 및 곡선 세 단계의 용접 공정을 가로 및 세로의 두 단계 용접 공정으로 단축하였으며, 내부적으로 전지 캔 내부의 곡선 처리에 의하여 젤리 롤(jelly roll)과 전지 캔 내부 모서리와의 정합도를 높여 전지 충,방전에 따른 젤리 롤의 찌그러짐과 음극 전극 표면의 부분적인 리튬 금속의 석출을 균일하게 함으로써 전지 안정성을 향상시켰다.

Claims (5)

1. 양극에 리튬 코발트 산화물 활물질, 음극에 탄소계 활물질을 사용하는 젤리롤(jelly roll)을 포함하는 리튬이온 전지의 외곽부를 구성하는 각형(角形) 캔에 있어서, 캔의 외부 형태는 사각형이며, 캔의 내부 형태는 가로와 세로가 교차하는 모서리 부위에서 일정한 곡률 반경을 갖는 각형(角形) 캔.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 캔의 내부 모서리의 곡률 반경은 0.3 mm에서 0.8 mm인 각형 캔.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 캔이 스텐레스강, 니켈 도금강, 알루미늄 합금강으로 된 각형 캔.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 캔의 내부 모서리가 롤(roll) 형태의 내용물과 정합되는 각형 캔.
5. 제 1 항에 있어서,

   외부 형태는 거의 직각의 모서리를 갖는 사각형이며, 내부 형태는 모서리 부위에서 일정한 곡률 반경을 갖는 사각형 형태인 각형 캔을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지.