KR20030084153A - 리튬이차전지 - Google Patents

Abstract

리튬이차전지를 개시한다. 본 발명은 상부케이스;와, 이와 결합되며 두께가 다른 하부케이스;와, 상하부 케이스의 공간부에 수용되고, 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 전지부;와, 각 극판으로부터 인출된 전극탭;을 포함하는 것으로서, 스웰링 현상이 심하게 발생하는 부분의 케이스 두께의 강도를 보강하게 됨에 따라 스웰링 현상으로 인한 케이스 외형의 변형을 미연에 방지하게 된다.

Description

리튬이차전지{Lithium secondary battery}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전류를 생성하는 전지부를 감싸면서 밀봉하여 전지의 외형을 이루는 케이스의 구조를 개선한 리튬이차전지에 관한 것이다.

이차전지는 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 니켈-카드뮴전지, 니켈-메탈하이드라이드전지, 니켈-수소전지, 리튬이차전지등을 들 수 있다.

이중에서, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V이상으로서, 전자기기의 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나, 니켈-메탈하이드라이드전지에 비하여 3배나 우수하고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있다.

이러한 리튬이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체전해질전지와, 고분자전해질전지로 분류할 수 있다. 일반적으로, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다.

리튬이차전지는 다양한 형태로 제조가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬이온전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형과, 최근들어 각광받는 리튬폴리머전지에 주로 사용되는 파우치형을 들 수 있다. 리튬폴리머전지는 유연성을 지닌 소재로 제조되어 그 형상이 비교적 자유롭고, 안정성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다고 할 수 있다.

도 1은 한국특허공개번호 제2001-86992호에 개시된 리튬이차전지(10)를 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 리튬이차전지(10)는 양극판(11), 세퍼레이터(12), 음극판(13)순으로 배치된 전지부(14)와, 상기 전지부(14)를 감싸서 밀봉하는 파우치형의 케이스(15)와, 상기 전지부(14)의 각 극판(11)(13)과 전기적으로 연결되어 상기 케이스(15) 밖으로 소정길이 노출되는 전극단자(16)를 포함한다.

상기 케이스(15)는 도 2에 도시된 바와 같은 적층구조를 가지고 있다. 즉, 상기 케이스(15)는 전지부(14)에 대하여 최내층으로부터 열접착층(15a), 금속층(15b), 최외각층(15c)이 순차적으로 적층된 구조를 가진다.

상기 열접착층(15a)은 고분자 수지인 변성 폴리플로필렌, 예컨대, CPP(casted polypropylene)이고, 상기 금속층(15b)은 알루미늄층이고, 상기 최외각층(15c)은 고분자 수지인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)인 것이 바람직하다.

또한, 상기 케이스(15)는 상부케이스의 두께 t1과, 하부케이스의 두께 t2는 실질적으로 동일하다.

이러한 케이스(15)를 가지는 종래의 리튬이차전지(10)는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

첫째, 전지 내부의 압력이 증가시 케이스가 부풀어 오르는 스웰링 현상으로 인하여 케이스의 외형이 변형된다. 이러한 변형으로 인하여, 케이스는 형상을 유지하지 못하게 된다.

둘째, 전지부가 수용되는 케이스내의 가장자리를 따라서 조립공정시 외력에 의하여 긁히게 되는등 강도에 취약하다.

셋째, 조립공정을 통하여 조립된 전지를 세트화시키기 위하여 전지팩에 장착시 외부로 노출되는 케이스 일면과, 전지팩의 내부에 접촉하는 케이스의 타면이 동일한 두께를 가지고 있는데, 외부로 노출되는 케이스의 일면은 다른 부분에 비하여 상대적으로 강도보강이 필요하다.

넷째, 동일한 두께를 가지는 금속층의 내외면에 고분자 수지를 형성하여 케이스를 제조하게 되므로, 제조공정이 복잡하고, 이에 따른 제조원가가 상승하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 서로 다른 두께를 가지는 금속재의 케이스내에 전지부를 장착하게 되어서, 스웰링 현상을 억제함과 동시에 강도를 보강한 리튬이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 리튬이차전지를 도시한 분리사시도,

도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 단면도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지를 도시한 분리사시도,

도 4는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

30...리튬이차전지31...양극판

32...세퍼레이터33...음극판

34...전지부35...케이스

36...양극탭37...음극탭

38...상부케이스39...하부케이스

40...접착부재310...보호테이프

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 리튬이차전지는,

상부케이스;

상기 상부케이스와 결합하여 내부공간이 마련되고, 상기 상부케이스와 두께가 다른 하부케이스;

상기 상하부 케이스의 공간부에 수용되고, 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 전지부; 및

상기 양극 및 음극판으로부터 각각 인출된 전극탭;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 어느 하나의 케이스의 두께(T1)에 대한 다른 하나의 케이스의 두께(T2)의 상대적인 두께비는 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

<수학식 1>

1 ≤ T1/T2 ≤ 10

게다가, 상기 상부 또는 하부 케이스의 두께(T)는 공히 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

<수학식 2>

25㎛ ≤ T ≤5000㎛

더욱이, 상기 상하부 케이스는 박판의 금속재로 된 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 케이스는 상기 공간부에 수용된 전지부의 가장자리를 따라 상부 및 하부케이스가 접촉하여 밀폐되는 면을 제공하고, 상기 전극탭이 인출되는 밀폐면에는 접착부재가 형성된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 접착부재가 형성된 밀폐면에는 열융착으로 상기 상하부 케이스를 밀폐하고, 다른 밀폐면에는 용접으로 밀폐한 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬이차전지를 상세하게 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지(30)를 도시한 것이고, 도 4는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 전지(30)는 전지부(34)와, 상기 전지부(34)가 수용되는 케이스(35)를 포함한다.

상기 전지부(34)는 양극판(31)과 음극판(33)과, 그 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터(32)를 구비한다. 상기 전지부(34)는 양극판(31), 세퍼레이터(32), 음극판(33)순으로 배치되어 있다.

상기 양극판(31)은 금속박판으로 된 양극집전체와, 양극집전체의 적어도 일면에 코팅되는 양극활물질층을 구비한다. 상기 음극판(33)은 금속박판으로 된 음극집전체와, 상기 음극집전체의 적어도 일면에 코팅되는 음극활물질층을 구비한다.

리튬이차전지의 경우에는 양극집전체로는 알루미늄박판을 사용하고, 음극집전체로는 구리박판을 사용한다. 그리고, 양극활물질층은 리튬계산화물과 같은 양극활물질과, 바인더, 도전재, 가소제등이 함유된 혼합물이고, 음극활물질층은 탄소재와 같은 음극활물질과, 바인더, 가소제등이 함유된 혼합물이다.

상기 전지부(34)의 각 극판에는 양극탭(35)과, 음극탭(36)이 각각 전기적으로 연결되어 있다. 상기 양극 및 음극탭(35)(36)의 외면 일부에는 보호테이프(310)가 감싸져 있다. 상기 보호테이프(310)는 상기 전지부(34)가 케이스(35)의 공간부(300)에 수용된 다음에 케이스(35)를 열융착시 양극 및 음극탭(36)(37)이 케이스(35)의 밀폐면(35a)과 접촉하는 부분에서의 밀폐성을 강화시키기 위해서 부착된다.

상기 케이스(35)는 상부케이스(38)와, 상기 상부케이스(38)와 결합하는 하부케이스(39)를 구비한다.

상기 케이스(35)는 상부 및 하부케이스(38)(39)가 결합하여 파우치형의 외형을 이루고, 결합시 상기 전지부(34)가 수용되는 내부공간(300)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 상부 및 하부케이스(38)(39)는 상호 분리되어 있을 수도 있고, 적어도 일 가장자리가 일체로 연결될 수도 있을 것이다. 또한, 상기 상부 및 하부케이스(38)(39)가 접촉하는 부분에는 상기 전지부(34)를 외부로부터 보호하기 위하여 적어도 하나 이상의 밀폐면(35a 내지 35d)이 제공되어 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 케이스(35)는 상부 및 하부케이스(38)(39)의 두께가 상호 다르고, 단일의 소재로 제조된데 있다.

보다 상세하게는 다음과 같다.

상기 상부케이스(38)의 두께(T2)는 하부케이스(39)의 두께(T1)와 비교하여 볼 때 상대적인 두께비가 하기 식을 만족하고 있다.

1 ≤ T1/T2 ≤ 10

즉, 상기 상부케이스(38)의 두께에 비하여 하부케이스(39)의 두께가 상대적으로 두껍다. 이는 상기 하부케이스(39)가 외부로 노출되는 부분, 예컨대 전지팩과 조립되는 면이므로 조립과정에서 파손이 발생할 가능성이 큰 부분이고, 전지의 이상유무시 스웰링 현상으로 내압이 작용하는 면이기도 하다. 이러한 부분에 해당되는 케이스(35)를 다른 부분보다 두껍게 형성하게 되면, 외력이나 전지자체의 영향을 최소화시킬 수 있다. 이때, 하부케이스(39)에 대한 상부케이스(38)의 두께비가 1보다 작을 경우에는 외부에 노출되는 하부케이스(39)보다 그 반대쪽에 해당되는 상부케이스(38)가 두꺼운 경우이고, 10보다 클 경우에는 필요이상으로 하부케이스(39)가 두꺼워지는 경우이므로 부적절하다고 할 수 있다.

그리고, 상술한 상대적인 두께비를 가지는 케이스(35)의 두께(T)는 공히 하기식을 만족하는게 바람직하다.

25㎛ ≤ T ≤5000㎛

즉, 상기 케이스(35)는 상부 및 하부케이스(38)(39)가 공히 25 마이크로미터보다 크고, 5000 마이크로미터보다 작은 두께를 가지도록 형성되어 있다. 상기 케이스(35)가 25 마이크로미터보다 작게 되면, 성형성 확보에 어려움이 있다. 또한, 상기 케이스(35)가 5000 마이크로미터보다 크게 되면, 경박단소화를 추구하는 전지 케이스로서는 문제점이 있다고 할 것이다.

이러한 두께를 가지는 케이스(35)는 단일 소재로 된 박판의 금속재로 제조되어 있다. 상기 상부 및 하부케이스(38)(39)는 상호 두께비를 달리한다 하더라도 실질적으로 동일한 소재이다. 상기 케이스(35)의 소재로는 표면에 도금층이 형성된 스틸이나, 스테인레스 스틸인 것이 바람직하다.

또한, 상기 케이스(35)는 전술한 바와 같이 상기 전지부(34)가 수용되는 공간부(300)의 가장자리를 따라서 상부 및 하부케이스(38)(39)가 접촉하여 밀폐되는 면(35a 내지 35d)을 제공하고 있다. 이때, 상기 양극 및 음극탭(36)(37)이 인출되는 제1 밀폐면(35a)에는 접착부재(40)가 개재되어 있다. 상기 접착부재(40)는 고융점의 접착테이프나, 접착성 용액중에서 선택된 어느 하나이다. 제1 밀폐면(35a) 이외의 다른 제2 밀폐면(35b 내지 35d)은 별도의 접착부재(40)가 개재되어 있지 않다.

이에 따라, 상기 제1 밀폐면(35a)측은 금속재의 상부 및 하부케이스(38)(39)와, 그 사이에 고분자수지인 접착부재(40)가 적층된 구조이며, 상기 제2 밀폐면(35b 내지 35d)은 상부 및 하부케이스(38)(39)가 상호 접촉되어 밀폐면을 형성하고 있다.

상기한 같은 밀폐면을 가지게 되므로, 상기 케이스(35)는 각 밀폐면(35a 내지 35d)의 접합방식을 달리한다. 즉, 상기 제1 밀폐면(35a)은 소정의 열과 압력을 가한 열융착에 으하여 상기 상부 및 하부케이스(38)(39)의 대향되는 면의 접합이 가능하고, 상기 제2 밀폐면(35b 내지 35d)은 레이저 용접이나, 초음파 용접등과 같은 용접에 의하여 가능하다고 할 수 있다.

상기와 같은 구조를 가지는 리튬이차전지(30)는 상기 케이스(35)의 공간부(300)내에 전지부(34)를 장착하고, 상기 상부 및 하부케이스(38)(39)의 접합면을 열융착 또는 용접에 의하여 밀폐시키고, 두께가 상대적으로 두꺼운 하부케이스(39)를 외부로 노출시키어 전지팩에 삽입하여 완성하게 된다. 경우에 따라서는, 상기 하부케이스(39)가 강도가 보강되었으므로, 전지팩 기능을 겸할 수도 있을 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명의 리튬이차전지는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 스웰링 현상이 심하게 발생하는 부분의 케이스 두께의 강도를 보강하게 됨에 따라 스웰링 현상으로 인한 케이스 외형의 변형을 미연에 방지하게 된다. 이에 따라, 케이스는 형상을 유지하게 된다.

둘째, 전지부가 수용되는 케이스내의 가장자리를 따라서 외력에 의한 파손을 최소화시킬 수 있다.

셋째, 조립공정을 통하여 전지팩에 장착시 외부로 노출되는 부분의 케이스두께가 두꺼워짐에 따라 손상을 방지할 수 있으며, 그 자체가 전지팩으로서 기능을 겸할 수가 있다.

넷째, 단일 소재의 금속재를 이용하여 케이스의 제조가 가능하게 되므로, 제조공정이 단순화되고, 이에 따른 제조원가가 절감된다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

1. 상부케이스;

   상기 상부케이스와 결합하여 내부공간이 마련되고, 상기 상부케이스와 두께가 다른 하부케이스;

   상기 상하부 케이스의 공간부에 수용되고, 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 전지부; 및

   상기 양극 및 음극판으로부터 각각 인출된 전극탭;을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
2. 제1항에 있어서,

   어느 하나의 케이스의 두께(T1)에 대한 다른 하나의 케이스의 두께(T2)의 상대적인 두께비는 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.

   <수학식 1>

   1 ≤ T1/T2 ≤ 10
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 상부 또는 하부 케이스의 두께(T)는 공히 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.

   <수학식 2>

   25㎛ ≤ T ≤5000㎛
4. 제1항에 있어서,

   상기 상하부 케이스는 박판의 금속재로 된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
5. 제4항에 있어서,

   상기 상하부 케이스는 표면에 도금층이 형성된 스틸인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
6. 제4항에 있어서,

   상기 상하부 케이스는 스테인리스 스틸인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
7. 제1항 또는 제4항에 있어서,

   상기 케이스는 상기 공간부에 수용된 전지부의 가장자리를 따라 상부 및 하부케이스가 접촉하여 밀폐되는 면을 제공하고, 상기 전극탭이 인출되는 밀폐면에는 접착부재가 형성된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
8. 제7항에 있어서,

   상기 접착부재가 형성된 밀폐면에는 열융착으로 상기 상하부 케이스를 밀폐하고, 다른 밀폐면에는 용접으로 밀폐한 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
9. 제7항에 있어서,

   상기 접착부재는 고융점의 접착테이프나, 접착성 용액중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.