KR20020042449A

KR20020042449A - 개선된 열 전달을 위한 2차 리튬 배터리 구성

Info

Publication number: KR20020042449A
Application number: KR1020010074177A
Authority: KR
Inventors: 쟝젱밍; 아로라판카지
Original assignee: 로버트 에이치. 해머3세; 셀가드 인코포레이티드
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2002-06-05
Also published as: TW522590B; SG109960A1; CA2358806A1; US20020064706A1; CN1356739A; JP2002208439A; US6716552B2; EP1211746A1

Abstract

본 발명은 2차 리튬 배터리에 관한 것이다. 배터리는 음극, 양극, 전극들 사이에 샌드위칭된 격리판, 격리판에 스며들어 전극들과 유체 소통하는 전해질, 및 전극, 격리판 및 전해질을 함유하도록 적합한 금속 패키지를 포함한다. 전극 중 하나는 패키지와 열 접촉한다.

Description

개선된 열 전달을 위한 2차 리튬 배터리 구성{A SECONDARY LITHIUM BATTERY CONSTRUCTION FOR IMPROVED HEAT TRANSFER}

기술분야

본 발명은 2차 리튬 배터리의 구성에 관한 것이다.

발명의 배경

리튬 이온 또는 2차 리튬 배터리가 공지되어 있다. 참조: Linden, D., Ed., Handbook of Batteries 2^ndEdition, McGraw Hill Inc., New York, NY(1995), Chapter 36; and Besenhard, J. O. Ed., Handbook of Battery Material, Wiley-VCH Verlag GmbH, New York, NY(1999). 이러한 배터리는 휴대용 전자 장치, 예를 들면: 랩톱 컴퓨터, 휴대폰 등을 위한 최신 기술의 전원이다. 이러한 배터리가 우수한 안전성 기록을 가지지만, 이러한 안전성을 개선시키고자 하는 노력이 진행중이다.

안전성은 예를 들어 열 폭주 상황에서 발생하는 전지 파괴의 위협에서 나온다. 전지 성분, 전해질 및 리튬 함유 전극은 밀봉된 금속 캔에 포장된다. 열 폭주시, 전해질과 리튬 전극의 온도를 점화 온도 이상으로 상승시킬 수 있는 열이 전지내에서 발생한다. 참조: Hatchard, T.D. et al, "Importance of Heat Transfer by Radiation in Li-ion Batteries during Thermal Abuse," Electrochemical and Solid State Letters, vol. 3, no. 7, pages 305-308 (2000).

열 폭주는 다수의 다양한 상황에서 발생할 수 있지만, 중요하게는 "남용" (또는 "열 남용")에서 발생한다. 남용은 "네일 침입" 시험, "파괴" 시험, 및 "단락" 시험을 포함한 다수의 표준 시험에 의해 정성분석된다. 예를 들어 문헌[참고: UL1642 - Standard for Lithium Batteries (Underwriters Laboratories Inc., 1st Edition 10/1985 and 2nd Edition 11/1992); and "Guideline for Safety Evaluation on Secondary Lithium Cells," Japan Storage Battery Association,Tokyo, Japan (1995)]을 참조하라. 초기에 언급된 두 시험에서, 전지는 애노드와 캐소드의 접촉에 의해 물리적으로 손상되어(단락) 열 폭주를 야기한다. 후자 시험에서, 애노드와 캐소드는 외부로 전기적으로 커플링되어(단락) 열 폭주를 야기한다.

단락된 배터리에서, 국지화된 열 스팟이 전지내에 형성하기 시작한다. 이러한 열은 단계적인 열 생성 상승 상황(열 생성은 예를 들어 초단위로 빠르다)을 만드는 전지내에서 진행되는 (전해질에 의해 애노드와 캐소드간의) 화학적 반응을 촉진하는 데 이는 잠재적인 불리한 결과이므로 피해져야 한다. 잠재적인 불리한 결과와 전지 밖으로 열 전달의 중요성이 공지되어 있다. 참조: Hatchard, Ibid. Hatchard에서, 패키지(캔)의 외부상의 라벨은 캔으로부터 열 전달을 개선시키기 위해 사용된다. 라벨은 캔의 내부 온도를 조절하는 데 이용된다.

통상적인 2차 리튬 전지에서(원통형 또는 각주형), 애노드와 캐소드간의 미공 격리판 막은 감긴 애노드, 캐소드, 격리판 외부 둘레로 수회 감긴 다음 패키지(캔) 내부에 삽입된다. 격리판의 이러한 부가적인 랩은 절연체(열 및 전기)로 작용한다. 전극은 전극 활성 믹스와 집전장치를 포함한다. 음극(애노드)용 집전장치는 구리 호일이다. 양극(캐소드)용 집전장치는 알루미늄 호일이다. 캔은 철-기본 물질(예, 강철) 또는 알루미늄으로 제조된다. 통상적인 원통형 전지, 예를 들어 18650(18 mm 직경 및 65 mm 길이)에서, 캔의 내부 표면에 가장 가까운 전극은 구리 호일 집전장치를 가진 음극(애노드)이고, 철-기본 물질로 제조된 캔 몸체는 배터리의 음극이지만, 캔의 뚜껑은 양극이다. 통상적인 각주형 전지에서, 두가지 구성이알려져 있다. 첫째, 음극(즉, 구리 집전장치)이 캔(즉, 철-기본)의 내부 표면에 가장 가깝다. 둘째, 양극(즉, 알루미늄 집전장치)이 캔(즉, 알루미늄)의 내부 표면에 가장 가깝다.

도 1은 기존 전지의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 전지의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따라 제조된 전지의 분해 조립도이다.

도 4는 시간에 따른 기존 전지와 본 발명의 전지의 성능(전압 및 온도)의 그래프도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

12: 캔 30: 전지

32: 금속 시이트 36: 젤리 롤

38: 음극 40: 격리판

42: 양극

본 발명을 구체적으로 기재하기 위해 바람직한 도면이 도시되어 있지만; 본 발명은 도시된 정확한 배열 및 구조 장치에 한정되지 않는다.

발명의 상세한 설명

본원에서 언급된 전극, 전해질 및 격리판에 대해, 각각은 통상적인 디자인 또는 구성을 한다. 이러한 정보는 당업자에게 공지되어 있다. 예를 들어 문헌[참고: Linden, D., Ed., Handbook of Batteries 2nd Edition, McGraw Hill Inc., New York, NY(1995), Clip 36, and Besenhard, J.O., Ed., Handbook of Battery Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH (1999), e.g. §2.6, 2.7 등]을 참조하라.

본 발명은 편의상 원통형 전지의 측면에서 기재하고 있지만, 이에 한정되지 않고 각주형 전지에도 적용될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 숫자와 구성요소가 매치된 도면을 참고로 할때,캔(12)을 포함하는 기존 전지(10)는 뚜껑(14)에 의해 폐쇄된다. 격리판(16)은 "젤리 롤" 둘레에 감겨있고 캔(12)의 내부 표면과 접촉한다. 배터리가 감길 때 격리판(16)을 자신에게 중첩시켜 만들어진 시임(18)은 통상적인 테이프 조각(20)에 의해 고정된다.

도 2에서, 본 발명을 구체적으로 설명하고 있다. 전지(30)는 뚜껑(14)으로 봉인된 캔(12)으로 구성된다. 음극 물질 또는 전극 활성 믹스(도시되지 않았지만 일반적임)가 통상적인 방법으로 스프레딩되는 전형적인 구리 호일(즉, 집전장치)인 금속 시이트(32)는 캔(12)의 내부 표면과 열 접촉한다(예를 들어, 직접 물리적 접촉).

도 3을 참조하여, 본 발명 전지(30)는 분해 조립도로 설명되어 있다. 젤리 롤(36)은 음극(38)이 격리판(40) 또는 양극(42)보다 긴 것을 제외하고 통상적인 방식으로 제조된다. 이에 따라, 젤리 롤이 완전히 감기면, 음극(38)의 구리 집전장치(32)를 볼 수 있다. 이러한 젤리 롤(36)은 캔(12) 안으로 삽입되어, 전극(38)의 집전장치(32)는 캔(12)의 내부 표면과 열 접촉한다. 탭(44)은 공지된 방식으로 캔(12)에 용접될 수 있어 우수한 전기 접촉을 제공하며, 이는 탭(46)이 뚜껑(14)에 용접되어 우수한 전기 접촉을 제공하는 것과 유사하다. 각주형 전지에서, 구리 집전장치는 캔과 접촉하거나 알루미늄 집전장치가 캔과 접촉한다.

집전장치(32)는 우수한 열 전도체로서, 젤리 롤(36)의 내부에서 발생한 열을 금속 캔(12)의 외부 표면으로 효율적으로 전달할 수 있다.

열 수송에서 개선점은 도 4를 참고로 가장 잘 이해된다. 도 4에서, 기존 전지와 본 발명 전지의 성능(전압 및 온도)이 구체적으로 설명되어 있다. 좌측 수직 축은 시간(초, 수평 축)에 따른 전압(볼트)을 나타낸다. 오른쪽 수직 축은 시간(초, 수평 축)에 따른 온도(℃)를 나타낸다.

기존의 전지 성능은 라인(50, 52 및 54)에 설명되어 있다. 라인(50)은 전지에 네일 침투(예, 시험법 UL1642)시킨 후, 시간에 따른 전압을 설명하고 있다. 라인(52)은 시간에 따른 젤리 롤의 중심 온도를 설명하고 있다. 라인(54)은 시간에 따른 캔의 외부 표면 온도를 설명하고 있다. 전압(50)이 떨어질 때 두 온도 라인이 상승하지만, 내부 온도(52)는 외부 온도(54)에 비해 좀더 급격히 상승함을 주목하라. 라인(52)과 (54)간의 차이는 열이 전지로부터 충분히 방산되지 않았음을 보여준다. 플라스틱 절연체인 격리판(16)이 캔(12)과 접촉하는 도 1을 기억하라.

본 발명 전지 성능은 라인 (60), (62), 및 (64)를 이용하여 구체적으로 설명하고 있다. 라인(60)은 전압이고, 라인(52)은 내부 온도이며, 라인(64)은 외부 온도이다. 라인(62)과 (64)간의 차이가 기존 전지에서 보여준 차이보다 작음을 주목하라. 본 발명 전지의 작은 온도 차는 집전장치가 캔과 열 접촉할 때 열이 전지로부터 보다 잘 방산됨을 보여준다.

본 발명은 본 발명의 속성에서 벗어남이 없이 기타 구체적인 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위를 나타내는 상기 상세한 설명이 아니라 첨부된 청구항을 참조해야 한다.

본 발명의 2차 리튬 배터리는 열 전달을 개선시킨다.

Claims

음극,

양극,

상기 전극들 사이에 샌드위칭된 격리판,

격리판에 스며들어 상기 전극들과 유체 소통하는 전해질, 및

전극, 격리판 및 전해질을 함유하도록 적합한 금속 패키지를 포함하고, 상기 전극 중 하나가 패키지와 열 접촉하는 2차 리튬 배터리.
음극, 양극, 상기 전극들 사이에 샌드위칭된 격리판, 격리판에 스며들어 상기 전극들과 유체 소통하는 전해질, 및 전극, 격리판 및 전해질을 함유하도록 적합한 금속 패키지를 구비한 재충전식 리튬 배터리에 있어서,

전극 중 하나가 패키지와 열 접촉되는 개선된 배터리.