KR20060010941A - 리튬 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 서로 다른 분자 크기를 갖는 물질로 이루어지는 절연 가스켓을 구비하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 상부로 돌출된 양극 탭을 구비하는 양극 전극판과, 하부로 돌출된 음극 탭을 구비하는 음극 전극판과, 상기 양극 전극판 및 음극 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터가 다수회 권취되어 형성된 전극 조립체와; 상기 전극 조립체가 결합되도록 소정 공간을 갖는 원통형 측면판이 형성되고, 상기 원통형 측면판의 하부에는 하면판이 형성되며, 상부는 상기 전극 조립체를 수납하기 위하여 개구된 원통형 케이스과; 상기 원통형 케이스의 상부에 결합되는 동시에, 상기 양극 탭이 접합되는 캡 조립체와; 상기 원통형 케이스에 주입된 전해액과; 상기 원통형 케이스와 상기 캡 조립체 사이의 경계부를 밀봉시키고, 상기 원통형 케이스와 상기 캡 조립체를 전기적으로 절연시켜 주며, 서로 다른 분자 크기를 갖는 적어도 두가지 이상의 물질로 이루어진 절연 가스켓을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 특징으로 한다.
이차 전지, 가스켓
Description
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 제조 방법에 의하여 제조 되는 원통형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 사시도.
도 1b는 도 1a의 1a-1a 라인에 따른 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 이차 전지에 사용되는 절연 가스켓을 제조하는 방법을 위한 도면.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100; 원통형 리튬 이차 전지 110; 전극 조립체
111; 양극 탭 113; 음극 전극판
115; 양극 전극판 114, 116; 절연 플레이트
117; 음극 탭 120; 원통형 케이스
121; 측면판 122; 하면판
123; 크리핑부 124; 비딩부
130; 캡 조립체 131; 안전 벤트
132; 인쇄 회로 기판 133; 양성 온도 소자
134; 양극 캡 140; 절연 가스켓
150; 전해액 200; 사출 성형 장치
210; 절연 가스켓 원료 220; 원료 투입구
230; 가열실 240; 피스톤
250; 금형
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 다른 분자 크기를 갖는 물질로 이루어지는 절연 가스켓을 구비하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 상기 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단 위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 상기 원통형 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 원통 형태로 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 결합되는 원통형 케이스과, 상기 케이스를 막아 상기 전극 조립체의 이탈을 억제하는 캡 조립체와, 상기 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 원통형 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 원통 형태로 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
그런 다음, 상기 전극 조립체를 원통형의 케이스에 넣은 후, 상기 전극 조립체의 음극 탭을 상기 원통형 케이스의 하부면에 용접 등의 방법을 통하여 접합하고, 상기 전극 조립체가 이탈하지 않도록 상기 전극 조립체 상부인 케이스의 소정 영역을 비딩(beading)하고, 상기 원통형의 케이스에 전해액을 주입한다.
그런 다음, 상기 원통형 케이스 상단을 크리핑(criping) 및 비이딩(beading)하고, 절연 가스켓을 상기 크리핑 및 비이딩이 이루어진 부분의 사이에 삽입하고, 캡 조립체를 결합하고 고정하여 원통형 리튬 이차 전지를 완성한다.
한편, 상기 절연 가스켓은 폴리프로필렌(PP)을 원료로 하여 사출 성형을 통하여 절연 가스켓을 형성한다.
그러나, 상기 절연 가스켓은 분자 크기가 비교적 큰 폴리프로필렌으로 이루어져, 분자 사이의 갭(gap) 및 상기 원통형 케이스와 절연 가스켓 혹은 상기 캡 조립체와 절연 가스켓 사이의 경계면을 통하여, 이차 전지의 전해액 및 이차 전지의 내부에서 발생하는 가스가 샐 우려가 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 상기 절연 가스켓을 형성한 후, 상기 절연 가스켓 외부면에 타르 코팅층을 형성하여 상기 원통형 케이스와 절연 가스켓 혹은 상기 캡 조립체와 절연 가스켓 사이의 경계면을 밀봉하는 방법이 도입되었다.
그러나, 상기한 바와 같은 방법은 상기 타르 코팅층 형성을 위하여, 브라운 아스팔트(Blown Asphalt)를 용질로 하여 타르를 포함하는 유기 용매를 형성한 후, 상기 타르를 포함하는 유기 용매를 상기 절연 가스켓에 코팅하여 타르 코팅층을 형성하는 별도의 공정을 수행하여 이루어진다.
따라서, 상기한 바와 같은 원통형 리튬 이차 전지는 상기 절연 가스켓을 상기 원통형 케이스의 크리핑 및 비이딩한 부분에 삽입하기 전에 상기 절연 가스켓에 타르 코팅층을 형성하는 별도의 공정이 수반되어, 상기 원통형 리튬 이차 전지의 제조 공정이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 상기 타르를 포함하는 유기 용매는 인체에 유행한 유기 화학물질을 사용하므로, 작업자가 유해한 환경에 노출되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 서로 다른 분자 크기를 갖는 물질로 이루어지는 절연 가스켓을 구비하는 리튬 이차 전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상부로 돌출된 양극 탭을 구비하는 양극 전극판과, 하부로 돌출된 음극 탭을 구비하는 음극 전극판과, 상기 양극 전극판 및 음극 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터가 다수회 권취되어 형성된 전극 조립체와; 상기 전극 조립체가 결합되도록 소정 공간을 갖는 원통형 측면판이 형성되고, 상기 원통형 측면판의 하부에는 하면판이 형성되며, 상부는 상기 전극 조립체를 수납하기 위하여 개구된 원통형 케이스과; 상기 원통형 케이스의 상부에 결합되는 동시에, 상기 양극 탭이 접합되는 캡 조립체와; 상기 원통형 케이스에 주입된 전해액과; 상기 원통형 케이스와 상기 캡 조립체 사이의 경계부를 밀봉시키고, 상기 원통형 케이스와 상기 캡 조립체를 전기적으로 절연시켜 주며, 서로 다른 분자 크기를 갖는 적어도 두가지 이상의 물질로 이루어진 절연 가스켓을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 절연 가스켓은 분자 크기가 작은 물질의 분자가 분자 크기가 보다 큰 물질의 분자 사이의 갭(gap)을 메우는 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 절연 가스켓은 폴리프로필렌과 폴리프로필렌보다 작은 분자 크기를 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 절연 가스켓은 사출 성형에 의하여 형성된 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 제조 방법에 의하여 제조 되는 원통형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 사시도이며, 도 1b는 도 1a의 1a-1a 라인에 따른 단면도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 원통형 리튬 이차 전지(100)는 충ㆍ방전 시 전압차를 발생시키는 원통형의 전극 조립체(110)와, 상기 전극 조립체(110)를 수납하는 대략 원통형의 케이스(120)와, 상기 원통형의 케이스(120) 상부에 조립되어 상기 전극 조립체(110)가 이탈되지 않도록 하는 캡 조립체(130)와, 상기 원통형의 케이스(120)와 상기 캡 조립체(130)를 전기적으로 절연시켜주는 절연 가스켓(140)과, 상기 원통형 케이스(120)에 주입되어 상기 전극 조립체(110) 간에 리튬 이온의 이동이 가능하게 하는 전해액(150)으로 이루어져 있다.
상기 전극 조립체(110)는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판(115), 음극 활물질이 코팅된 양극 전극판(113), 상기 양극 전극판(115) 및 음극 전극판(113) 사이에 위치하여 상기 양극 전극판(115)과 음극 전극판(113)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(114)로 이루어진다. 또한, 상기 양극 전극판(115), 음극 전극판(113) 및 세퍼레이터(114)는 대략 원형으로 권취되어 상기 원통형 케이스(120)에 수납된다. 이때, 상기 양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있다. 음극 활물질는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있다. 또한, 일반적으로 상기 양극 전극판(115)은 알루미늄(Al) 재질, 음극 전극판(113)은 구리(Cu) 재질을 사용하며, 상기 세퍼레이터(114)는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 양극 전극판(115)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 상부로 일정 길이 돌출된 양극 탭(111)이 접합되어 있다. 상기 음극 전극판(113)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(117)이 접합되어 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 더불어 상기 전극 조립체(110)의 상ㆍ하부에는 각각 직접적인 캡 조립체(130) 또는 원통형 케이스(120)과의 접촉을 피하기 위해 상ㆍ하부 절연 플레이트(112, 116)가 더 부착되어 있다.
상기 원통형 케이스(120)는 상기 원통형 전극 조립체(110)가 결합될 수 있도록 소정 공간을 가지며 일정 직경을 갖는 원통형 측면판(121)이 형성되어 있고, 상기 원통형 측면판(121)의 하부에는 그 원통형 측면판(121)의 하부 공간을 막은 하면판(122)이 형성되어 있으며, 상기 원통형 측면판(121)의 상부는 상기 전극 조립 체(110)를 삽입하기 위하여 개구(開口)되어 있다. 한편, 상기 원통형 케이스(120)는 일반적으로 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성되나, 본 발명에서는 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 더불어 상기 원통형 케이스(120)는 상부에서 상기 캡 조립체(130)를 압박하도록 한쪽으로 휘어진 크리핑(criping)부(123)가 형성되고, 하부에서 상부 방향으로 상기 캡 조립체(130)를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(beading)부(124)가 더 형성되어 있다. 또한, 상기 전극 조립체(110)의 음극 탭(117)이 상기 원통형 케이스(120)와 접촉됨으로써, 상기 원통형 케이스(120) 자체는 원통형 리튬 이차 전지의 음극 역할을 수행하게 된다.
상기 캡 조립체(130)는 상기 원통형 케이스(120)의 상기 비딩부(124) 상에 상기 절연 가스켓(140)을 매개로 하여 안착된다. 상기 캡 조립체(130)는 상기 양극 탭(111)이 용접된 동시에, 과충전 또는 이상 발열시 형태가 반전되는 도전성 안전 벤트(131)와, 상기 도전성 안전 벤트(131) 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어, 상기 안전 벤트(131)의 반전시 회로가 끊어지는 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit board, 132)과, 상기 인쇄 회로 기판(132) 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 소정 온도 이상에서 회로가 끊어지는 양성 온도 소자(133)와, 상기 양성 온도 소자(133)의 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어, 실제의 전류를 외부로 인가하는 도전성 양극캡(134)으로 이루어진다.
상기 절연 가스켓(140)은 상기 원통형 케이스의 크리핑부(123)와 비딩부(124)의 사이에 개재되어, 상기 원통형 케이스(120)로부터 상기 캡조립체(130)를 절연시키고, 이차 전지의 충ㆍ방전 시에 발생하는 가스와 전해액(150)이 외부로 누 출되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 상기 절연 가스켓(140)은 서로 다른 분자 크기를 갖는 적어도 두 가지 이상의 물질로 이루어져, 작은 분자 크기를 갖는 물질이 큰 분자 크기를 갖는 물질의 분자 사이의 갭(gap)을 메우고 있는 구조로 이루어진다. 바람직하게는 폴리프로필렌과 상기 폴리프로필렌보다 작은 분자 크기를 갖는 물질로 이루어지며, 상기 폴리프로필렌보다 작은 분자 크기를 갖는 물질이 상기 폴리프로필렌 분사 사이의 갭(gap)을 메우고 있는 구조로 이루어진다. 따라서, 상기 절연 가스켓을 이루는 물질의 분자 사이의 갭(gap)이 줄어들게 되어 분자 사이의 갭을 통하여 리튬 이차 전지(100)의 전해액(150) 및 리튬 이차 전지(100)의 사용 중에 발생하는 가스가 외부로 유출되는 것을 방지하게 된다. 또한, 상기 절연 가스켓(140)은 작은 분자 크기를 갖는 물질이 큰 분자 크기를 갖는 물질의 분자 사이의 갭(gap)을 메우고 있는 구조로 이루어져 있어, 리튬 이차 전지(100)의 사용 중에 압력을 받으면, 상기 작은 분자 크기를 갖는 물질이 상기 절연 가스켓(140)의 표면으로 흘러나와 종래의 타르 코팅층과 같이 상기 원통형 케이스(120)와 캡 조립체(130) 사이를 밀봉하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 전해액(150)은 충ㆍ방전시 전지 내부의 양극 및 음극에서 전기 화학적 반응에 의하여 생성되는 리튬 이온(Li Ion)의 이동 매체 역할을 하며, 이는 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액(150)은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 상기 전해액 물질의 종류를 한정하는 것은 아니다.
한편, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 이차 전지에 사용되는 절연 가스켓을 제조하는 방법을 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 절연 가스켓을 제조하기 위한 사출 성형 장치(200, Injection Molding Apparatus)를 준비한다. 상기 사출 성형 장치(200)는 상기 절연 가스켓 원료(210)를 투입하기 위한 원료 투입구(220)와, 상기 절연 가스켓 원료(210)를 분쇄하기 위한 분쇄 부재(230)와, 상기 원료 투입구(220) 옆에 위치하여 상기 분쇄된 절연 가스켓 원료(210)를 가열하여 용융 상태로 만드는 가열실(240)과, 상기 용융 상태의 절연 가스켓 원료(210)를 전달받아 상기 절연 가스켓 몸체를 형성하는 금형(250)으로 이루어진다.
상기한 바와 같은 사출 성형 장치(200)를 이용하여 절연 가스켓 원료(210), 즉, 분자 크기의 차이가 있는 두 가지 이상의 물질, 예를 들면, 폴리프로필렌 및 상기 폴리 프로필렌보다 작은 분자 크기를 갖는 물질을 상기 원료 투입구(220)를 통하여 투입한다.
상기 원료 투입구(220)에 투입된 상기 절연 가스켓 원료(210)는 상기 분쇄 부재(230)에 의하여 분쇄되고, 상기 가열실(230)로 이동된다.
상기 가열실(230)로 이동된 절연 가스켓 원료(210)를 약 200℃로 가열하여 용융시키고, 상기 용융 상태의 절연 가스켓 원료(210)를 상기 절연 가스켓 몸체 형성을 위한 금형(250)으로 주입한다.
그런 다음, 상기 금형(250)에 주입된 용융 상태의 절연 가스켓 원료(210)를 건조시켜 상기 절연 가스켓(140)을 형성한다.
상기한 바와 같이 형성된 절연 가스켓(140)은 분자 크기가 서로 다른 두 가 지 이상의 물질을 혼합한 절연 가스켓 원료(210)를 사용하여 형성하므로, 상기 절연 가스켓 원료(210)가 용융되어 상기 금형(250)에서 절연 가스켓의 형태로 성형되는 과정에서 상기 절연 가스켓 원료(210) 중 분자의 크기가 큰 물질의 분자 사이의 갭(gap)으로 분자 크기가 작은 물질이 채우게 되어 상기 절연 가스켓의 성능이 향상된다.
또한, 상기 절연 가스켓(140)은 상기 리튬 이차 전지(100)의 사용 중에 내부 압력이 상승하여 압력을 받게 되면, 상기 분자의 크기가 작은 물질이 외부로 토출되어 종래의 타르 코팅층과 같이, 상기 절연 가스켓(140)과 원통형 케이스(120) 혹은 절연 가스켓(140)과 캡 조립체(130)의 경계면을 밀봉하는 역할을 수행하게 된다.
상기한 바와 같은 리튬 이차 전지는 그 제조 과정에서 종래와는 달리 절연 가스켓 몸체에 타르를 포함하는 유기 용매를 이용하여 타르 코팅층을 형성하는 공정이 없으므로, 작업자가 유해한 환경에 노출되는 우려가 없다. 또한, 상기 타르 코팅층을 형성하기 위한 공정을 생략할 수 있으므로, 상기 리튬 이차 전지의 생간 공정을 단순화할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 서로 다른 분자 크기를 갖는 물질로 이루어지는 절연 가스켓을 구비하는 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역 으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (4)
- 상부로 돌출된 양극 탭을 구비하는 양극 전극판과, 하부로 돌출된 음극 탭을 구비하는 음극 전극판과, 상기 양극 전극판 및 음극 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터가 다수회 권취되어 형성된 전극 조립체와;상기 전극 조립체가 결합되도록 소정 공간을 갖는 원통형 측면판이 형성되고, 상기 원통형 측면판의 하부에는 하면판이 형성되며, 상부는 상기 전극 조립체를 수납하기 위하여 개구된 원통형 케이스과;상기 원통형 케이스의 상부에 결합되는 동시에, 상기 양극 탭이 접합되는 캡 조립체와;상기 원통형 케이스에 주입된 전해액과;상기 원통형 케이스와 상기 캡 조립체 사이의 경계부를 밀봉시키고, 상기 원통형 케이스와 상기 캡 조립체를 전기적으로 절연시켜 주며, 서로 다른 분자 크기를 갖는 적어도 두가지 이상의 물질로 이루어진 절연 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지 .
- 제 1항에 있어서,상기 절연 가스켓은 분자 크기가 작은 물질의 분자가 분자 크기가 보다 큰 물질의 분자 사이의 갭(gap)을 메우는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 1항에 있어서,상기 절연 가스켓은 폴리프로필렌과 폴리프로필렌보다 작은 분자 크기를 갖는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 1항에 있어서,상기 절연 가스켓은 사출 성형에 의하여 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
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