KR20020076156A - 필름형 외장체를 구비한 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 에너지 밀도면에서 뿐만 아니라 강도면에서 우수한 필름형 외장체를 구비한 전지를 제공하는 것이다. 본 발명은 전극체를 수용하는 필름형 외장체를 구비한 배터리를 개시하고 있으며, 외장체는 필름이 접혀 포개져서 형성되고, 전극체는 적어도 하나의 양극판 및 음극판이 이들 전극판 사이에 끼워져 적어도 하나의 직사각형 외면을 갖는 격리판과 함께 적층되어 형성되며, 상기 전지는 양극판의 적어도 하나의 코너(corner)에 대응하는 직사각형 외면의 영역을 덮도록 전극체에 부착된 보강시트를 포함한다. 이러한 구성에 의해, 외장체의 코너로의 낙하충격이 보강재에 의해 흡수되어, 양전극이 격리판을 파열시키는 것을 방지하므로 음극판과의 전기적인 단락을 방지한다. 본 발명은 음극판 및 양극판이 밴드형이고 음극판이 양극판보다 광폭이며, 전극체가 양극판 및 음극판과 이들 사이에 끼워진 격리판과 함께 감음으로써 형성된 나선형 전극체일 때 특히 효율적이다.

Description

필름형 외장체를 구비한 전지{BATTERY HAVING A FILM-TYPE CASING}
본 발명은 필름형 외장체를 구비한 폴리머 전지와 같은 전지의 강도를 향상시키는 기술에 관한 것이다.
최근에, 이동전화, 휴대용 오디오장치, 디지털 카메라 및 개인 휴대 정보단말기(PDA)와 같은 소형 전자장치의 광범위한 확산에 따라, 얇고 경량이면서 높은 에너지 밀도를 갖는 전지에 대한 요구가 급속히 증가하고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해, 슬림(slim) 직사각형 평행 육면체의 필름형 외장체를 구비한 리튬 이온 폴리머 전해질 전지와 같은 전지가 제공되어 왔다(여기에서, 사용된 용어 "슬림"은 수 ㎜ 정도를 말한다). 더욱 명확하게 말하자면, 그러한 전지는 슬림 직사각형 평행 육면체로 형성되어 신축적인 매우 얇은 필름이 접혀 포개져서 구성된 외장체에 수용된 전극체를 구비한 새로운 형태의 전지이다. 그러한 전지는 매우 슬림 및 경량이면서 비교적 에너지 밀도가 클 수 있다. 이러한 이유로, 그러한 전지에 대하여 전술한 얼마간의 소형 전자장치의 전도 유망한 전원으로서의 기대가 높아지고 있다.
통상적으로, 외장체가 신축적이기 때문에, 필름형 외장체를 구비한 전지는 예컨대, 낙하했을 때 쉽게 변형(예컨대, 측면 상의 만곡 또는 누름에 의한 오목해짐)된다. 필름형 외장체가 변형될 때, 그에 수용된 전극체도 또한 종종 변형되어 전기적인 단락을 일으킬 가능성이 있다.
이러한 문제를 처리하기 위한 하나의 해결방법은 낙하의 충격을 흡수하기 위해 전지의 하부에 가소성형 보강판을 부착하는 것이다. 그러나, 이러한 보강판은 이 보강판이 전지 내에서 점유하는 공간으로 인해 에너지 밀도를 감소시킨다.
전술한 바와 같이, 필름형 외장체를 구비한 전지에 관하여 해결해야 할 문제점이 여전히 남아 있다.
본 발명의 목적은 에너지 밀도면에서 뿐만 아니라 강도면에서 우수한 필름형 외장체를 구비한 전지를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예와 관련된 리튬 이온 폴리머 전지의 부분적인 횡단면도.
도 2는 도 1에 도시되어 있는 전지의 횡단면도.
도 3은 제 1 실시예의 변형예를 나타내는 부분적인 횡단면도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예와 관련된 전지의 부분적인 횡단면도.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예와 관련된 전지의 부분적인 횡단면도.
본 발명의 상기 목적은 필름이 접혀 포개어져 구성된 외장체에 수용된 전지에 의해 달성되며, 이러한 전지는 적어도 하나의 양극판 및 적어도 하나의 음극판으로 형성된 전극체와, 상기 전극판 사이에 끼워져 적어도 하나의 직사각형 외면을 갖는 격리판과, 상기 전극체에 부착되어 양극판의 적어도 하나의 코너에 대응하는 직사각형 외면의 영역을 덮는 보강시트를 포함한다.
여기에서, 본 발명은 상기 음극판 및 양극판은 밴드형이고, 상기 음극판은 양극판보다 광폭이며, 상기 전극체는 (1) 양극판 및 음극판을 이들 사이에 끼워진 격리판과 함께 감고, (2) 직사각형 외면을 형성하도록 상기 감겨진 전극판을 원주 방향으로 가압함으로써 형성된 나선형 전극체일 때 특히 효율적이다.
또한, 보강시트는 전극체의 가장 바깥쪽 층을 형성하는 전극판의 와인딩 단부를 보호하는 와인드 패스너로서 또한 기능할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 양극판이 전극체의 외면을 형성할 때 특히 효율적이다.
본 발명의 이들 및 다른 목적, 이점 및 특징은 본 발명의 특정 실시예를 예시하는 첨부한 도면과 관련하여 서술된 이하의 설명으로부터 명백해진다.
1. 제 1 실시예
1-1. 폴리머 전지의 구조
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비수성 전해질 전지인 리튬 이온 폴리머 전지(이하, "전지(1)"라고 함)를 도시한 부분적인 횡단면도이다. 도 2는 전지(1)를 도시한 횡단면도(x 방향으로 외장체(10)의 측면 근처의 y-z 평면을 따른 횡단면도)이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 전지(1)는 양 측면이 접혀진 외장체를 구비한다. 외장체(10) 내에는 폴리머 전해질로 구성된 전극체(20)가 수용된다. 전지(1)는 알루미늄으로 만들어진 양극판 단자(11) 및 외장체(10)의 상부방향으로(y 방향으로) 전극체(20)로부터 분리 연장하는 니켈로 만들어진 음극판 단자(12)를 또한 구비한다.
특히, 외장체(10)는 반으로 접혀진 고정 길이(100 ㎛의 두께)를 갖고 소정 폭으로 절단된 스트립(strip)형 폴리프로필렌/알루미늄/폴리프로필렌 적층 필름으로 구성되어 있다. 접혀진 시트의 양 측면은 이후 엔벨로프(envelope) 형태로 되도록 가열가압 접착된다. 그 결과, 전극체(20)가 외장체(10) 내에서 밀봉된다.
전극체(20)는 나선형 전극을 형성하도록 양전극(21) 및 음전극(23)과 이들 사이에 끼워진 격리판(22)과 함께 감고, 이어서 직사각형(특히, 얇은 직사각형 평행 육면체 형상)을 형성하도록 나선형 전극을 편평하게 가압함으로써 구성된다. 전극체(20)에는 겔 폴리머 전해질이 주입된다.
전극체(20)는 정확한 직사각형이 아닌 것을 의미하는 곡면의 측면을 갖는다. 여기에서 사용된 용어 "직사각형"은 그러한 형상을 포함한다.
양극판(21)은 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2)가 도포되어 있는 알루미늄 호일(foil)로 구성된다.
음극판(23)은 흑연 분말이 도포된 구리 호일로 구성된다.
격리판(22)은 0.03 ㎜의 두께를 갖는 다공성 폴리에틸렌으로 구성된다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 전극체(20)는 y 방향으로 음극판(23)이 양극판(21)보다 길고, 격리판(22)이 음전극(23)보다 길게 구성되어 있다. 이러한 구조는 음극판(23)의 면적이 양극판(21)의 면적보다 크게 하기 위함이다. 이러한 구조에 의해, 음극판(23)은 충전 시에 양극판(21)으로부터 Li 이온을 충분히 흡수함으로써, 수지형 결정(dendrite)의 발생을 억제시킨다. 참조번호 105는 양극판(21)의 가장 바깥쪽 단부를 보호하기 위한 와인드 패스너 테이프(wind-fastener tape)를 나타낸다.
전극체(20)에 주입되는 폴리머 전해질은 예컨대, 이하와 같이 제조된다. 먼저, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트가 1:10의 비율로 EC/DEC 혼합물(질량비 30:70)과 혼합된다. 그 혼합물에 1 ㏖/1의 LiPF6를 첨가하면, 결과적인 혼합물은 겔 형태로 되도록 열 중합이 가해진다.
양극판(21) 및 음극판(23)에는 각각 양극판 단자(11) 및 음극판 단자(12)가 외장체(10)의 외부로 노출되는 방식으로 부착된다. 양극판 단자(11) 및 음극판 단자(12)는 각각 전극체(20)를 수용하는 외장체(10)의 밀봉부(102)에 대응하는 위치에서 밀봉을 위해 변성 폴리프로필렌(103 및 104)에 의해 감겨진다. 밀봉부(102)는 변성 폴리프로필렌(103 및 104)에 대응하는 위치에 가열가압 접착되어 외장체(10)가 기밀 밀봉된다.
이러한 제 1 실시예의 특징은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 폴리올레핀계 물질로 만들어진 보강시트(S1 및 S2)가 양 측면을 따라서 전극체(20)의 가장 바깥쪽 표면 상에 부착되는 것이다. 이들 보강시트(S1 및 S2)는 전극체(20)의 4개의코너에 대하여 양극판(21)의 에지부 뿐만 아니라 격리판(22)의 노출부를 덮는 방식으로 가장 바깥쪽 표면 상에서 전극체(20)(또는 등가적으로 양극판(21))에 부착된다. 이들 보강시트(S1 및 S2)를 제공하는 이유는 이하와 같다.
1-2. 제 1 실시예의 효과
필름형 외장체를 구비한 전지는 종종 예컨대, 바닥에 충돌했을 때, 금속성 외부 캔(can)으로 외장된 전지보다 더욱 쉽게 변형된다. 필름형 외장체가 변형될 때, 그 내부에 수용된 전극체도 또한 변형되기 쉬우므로, 단락을 일으킬 가능성이 있다. 본 발명의 발명자에 의해 상당한 연구가 진행된 후, 그러한 단락은 배터리의 한 코너가 바닥에 충돌할 때, 결국 그 충격이 전극체를 구성하는 가장 바깥쪽 전극판의 한 코너가 격리판을 파열시키게 할 때, 발생하기 쉽다는 것이 밝혀졌다. 이것은 특히 양극판이 전극체를 구성하는 가장 바깥쪽 전극판으로 배치될 때 발생하기 쉽다. 그런 경우에, 음극판이 격리판을 통해 전극체의 코너에 위치되어 있으므로, 단락이 발생하기 쉽다. 더욱이, 전극체가 편평하게 되도록 가압될 때, 전극판은 전극체의 길이 방향 측면을 따라 휘어지며, 이것이 종종 만곡부의 코너를 날카롭게 만든다. 그러한 환경 하에서, 코너에 대한 충격은 그러한 날카롭게 만들어진 부분이 격리판을 파열시키기 쉽게 하고, 결국 단락이 발생되게 한다.
이에 반하여, 상기 전지(1)의 구조에 따르면, 격리판(22)은 전극체(20)의 가장 바깥쪽 층으로 배치되는 양극판(21)의 4개의 코너에 대하여 보강시트(S1 및 S2)로 뿐만 아니라 양극판(21)으로 덮혀진다. 이러한 구조에 의해, 외장체의 코너에 대한 충격이 보강시트에 의해 흡수되어, 양극이 격리판을 파열하는 것을 방지하므로 음극판과의 전기적인 단락을 방지한다. 더욱이, 이 실시예에 따른 폴리머 전지에서는, 보강시트가 비교적 얇은 시트로 만들어져 전극체(20)의 종축면을 따라서만 제공된다. 이것은 어떤 에너지 밀도의 감소를 우수하게 억제하는 효과를 얻는다.
전술한 바와 같은 보강시트(S1 및 S2)는 낙하 충격 및 다른 충격으로 인해 그러한 전지가 내부적으로 쉽게 단락하기 때문에, 나선형 전극체(20)를 구비한 제 1 실시예의 전지와 같은 전지에 도포될 때 특히 효율적이다.
도 2는 이 제 1 실시예에서의 보강시트(S1)만을 나타내고, 보강시트(S2)는 동일한 방식으로 또한 제공된다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예의 변형예의 정면도이다. 도 3에서, 외장체(10)는 내부를 보기 위해 전극체(20)에 대응하는 위치에서 절단되어 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 이 전지는 양극판(21)의 가장 바깥쪽 단부를 보호하기 위한 와인드 패스너 테이프로서 또한 기능을 하는 보강시트(S1 또는 S2)의 일 예이다. 그러한 변형은 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다.
2. 다른 실시예
이하, 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.
2-1. 제 2 실시예
도 4는 제 2 실시예에 따른 전지의 정면 부분 단면도이다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 이러한 전지의 구조는 음극판(23)이 전극체(20)의 가장 바깥쪽 층으로 배치되는 것이다. 본 발명은 그러한 구조를 갖는 전지에 적용될 수 있다. 특히, 이 예에서는, 보강시트(S1 및 S2)가 적어도 음극판(23)을 y 방향으로 완전히덮는(더욱 정확하게는, 도 4에서 격리판(22) 후방의 단인 양극판(23)의 도시하지 않은 단을 적어도 y 방향으로 덮는) 길이 및 배치를 갖는다. 이러한 구조에 의해, 상기 실시예와 동일한 효과가 얻어진다.
각각의 보강시트(S1 및 S2)는 양극판의 상단 및 하단 중 적어도 하나를 y 방향으로 덮도록 배치되는 것으로 충분하다.
2-2. 제 3 실시예
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전지의 정면 부분 단면도이다. 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 이러한 전지의 구조는 보강시트(SA1, SA2, SB1 및 SB2)가 양극판(21)의 y 방향단 뿐만 아니라 격리판(22)의 노출부를 덮는 방식으로 4개의 별개의 점과 같은 전극체(20)의 4개의 코너에 제공되는 것이다. 이러한 구조에 의해, 상기 실시예와 동일한 효과가 얻어진다.
보강시트(SA1, SA2, SB1 및 SB2) 중 하나만을 제공함으로써 어느 정도까지는 상기 효과를 얻어진다. 바람직하게는, 2개의 보강시트(SA2 및 SB2)가 전지의 하부에 제공되고, 더욱 바람직하게는, 4개의 보강시트가 모두 제공된다.
3. 실시예의 성능비교 실험
이하의 전지는 본 발명의 실시예들에 따른 전지로서 제조하였다. 비교예의 전지는 보강시트가 제공되지 않은 것을 제외하고는 동일한 방법으로 제조하였다.
* 실시예 전지 1(제 1 실시예에 대응)
* 실시예 전지 2(제 2 실시예에 대응)
* 실시예 전지 3(도 3에 도시되어 있는 바와 같은 제 1 실시예의 변형예에대응)
* 비교예 전지 1(가장 바깥쪽 층으로서 음극판을 갖는 전지)
* 비교예 전지 2(가장 바깥쪽 층으로서 양극판을 갖는 전지)
상기와 같은 각각의 형태의 전지를 50개씩 제조하여 1.9 m의 높이에서 낙하시키는 낙하시험을 행하였다. 각 전지에 지그(jig)를 부착하여 전지의 하부가 바닥에 먼저 충돌하게 하였다. 각 전지는 전기적인 단락이 일어날 때까지 낙하시켰다. 낙하횟수의 평균을 각 형태의 전지에 대해 연구하였다. 아래의 표 1은 실험을 통해 얻어진 데이터를 나타낸다.
표 1
실시예 전지 1 실시예 전지 2 실시예 전지 3 비교예 전지 1 비교예 전지 2
단락에 필요한 낙하횟수 22 24 23 12 6
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 전지 1 내지 3은 모두 본 발명의 우수한 성능을 나타내는 비교예 전지의 단락율의 절반 이하인 단락율을 나타냈다. 즉, 본 발명은 에너지 밀도 및 강도면에서 모두 우수한 필름형 외장체를 구비한 전지를 실현하고 있다.
4. 기타 사항
전술한 실시예는 주로 전극체(20)의 가장 바깥쪽 층으로서 양극판(21)을 구비한 전지로 되어 있다. 이것은 양극판(21)이 전극체(20)의 가장 바깥쪽 층으로 배치될 때 내부단락이 비교적 자주 발생하기 때문이다. 본 발명은 상기(제 2 실시예의 구조)와 다른 구조를 갖는 전극체를 구비한 전지에 적절히 적용될 수 있고, 여전히 우수한 효과를 얻는다.
상기 실시예들은 리튬 이온 폴리머 전지에 관한 것이지만, 본 발명은 이들 특정 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 다른 형태의 전극체를 구비한 전지에도 적절히 적용 가능하다.
또한, 보강시트의 재료는 상기 실시예들에 언급된 것에 한정되는 것은 아니다. 가능한 재료의 예는 폴리프로필렌 테이프, 폴리페닐렌 설파이드 테이프 및 폴리이미드 테이프를 포함한다.
더욱이, 상기 실시예들에 사용된 외장체는 적층 필픔으로 만들어진다. 하지만, 본 발명은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 필름형 외장체는 적층 필름과 다른 필름으로 만들어질 수도 있다.
본 발명은 전적으로 첨부한 도면을 참조하여 예로서 나타내고 있지만, 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있음은 당업자에게는 명백하다. 따라서, 그러한 변형 및 수정은 본 발명의 범위를 벗어남 없이 본 발명에 포함된 것으로 간주된다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 에너지 밀도면에서 뿐만 아니라 강도면에서 우수한 필름형 외장체를 구비한 전지를 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 필름형 외장체를 구비한 전지에 있어서,
    적어도 하나의 양극판 및 적어도 하나의 음극판으로 형성된 전극체와, 상기 전극판 사이에 끼워져 적어도 하나의 직사각형 외면을 갖는 격리판과,
    상기 전극체에 부착되어 양극판의 적어도 하나의 코너에 대응하는 직사각형 외면의 영역을 덮는 보강시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극판 및 양극판은 밴드형이고,
    상기 음극판은 양극판보다 광폭이며,
    상기 전극체는 (1) 양극판 및 음극판을 이들 사이에 끼워진 격리판과 함께 감고, (2) 직사각형 외면을 형성하도록 상기 감겨진 전극판을 원주 방향으로 가압함으로써 형성된 나선형 전극체인 것을 특징으로 하는 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극체는 밴드형 양극판 및 밴드형 음극판과 이들 사이에 끼워진 격리판으로 형성된 나선형 전극체이고,
    상기 보강시트는 전극체의 가장 바깥쪽 층을 형성하는 전극판의 와인딩 단부를 보호하는 와인드 패스너로서 더 기능하는 것을 특징으로 하는 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극판은 전극체의 외면을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지.
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