KR20070047652A - 리튬 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원하는 출력과 용량을 위해 조전지를 구성함에 있어서 2개 이상의 단전지용 원통형 전지를 하나의 조전지로 구성하는 대신, 2개 이상의 단전지용 원통형 전지를 묶은 사이즈로 하나의 리튬 이차전지로 제조함으로써, 복수개의 단전지용 원통형 전지로 구성할 때 발생하는 데드 볼륨(dead volume)을 없애 용량과 에너지 밀도가 향상될 뿐만 아니라, 각각의 단전지용 원통형 전지를 사용하는 경우에 비해 전압, 용량 등의 체크 횟수가 줄어들어 공정을 감소할 수 있는 리튬 이차전지에 관한 것이다.

리튬 이차전지, 단전지, 조전지, 데드볼륨, 대용량

Description

리튬 이차전지{Lithium rechargeable battery}

도 1a는 일반적인 원통형 리튬 이차전지의 수직 단면도

도 1b는 도 1a의 원통형 리튬 이차전지 2개로 구성된 조전지 중에서 베어셀만 도시한 부분 평면도

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 대용량 리튬 이차전지의 개념을 도시한 평면도

도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 대용량 리튬 이차전지의 분해 사시도

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

200 - 조전지 300 - 대용량 리튬 이차전지

310 - 전극조립체 312 - 양극판

313 - 세터레이터 314 - 음극판

340 - 캔 341 - 하면판

342 - 측면판 350 - 캡조립체

본 발명은 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원하는 출력과 용 량을 위해 조전지를 구성함에 있어서 2개 이상의 단전지용 원통형 전지를 하나의 조전지로 구성하는 대신, 2개 이상의 단전지용 원통형 전지를 묶은 사이즈로 하나의 리튬 이차전지로 제조함으로써, 복수개의 단전지용 원통형 전지로 구성할 때 발생하는 데드 볼륨(dead volume)을 없애 용량과 에너지 밀도가 향상될 뿐만 아니라, 각각의 단전지용 원통형 전지를 사용하는 경우에 비해 전압, 용량 등의 체크 횟수가 줄어들어 공정을 감소할 수 있는 리튬 이차전지에 관한 것이다.

일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는, 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.

도 1a는 일반적인 원통형 리튬 이차전지의 수직 단면도를 나타내며, 도 1b는 도 1a의 원통형 리튬 이차전지 2개로 구성된 조전지 중에서 베어셀만 도시한 부분 평면도를 나타낸다.

원통형 리튬 이차전지(100)는, 도 1a를 참조하면, 전극조립체(110)와, 상기 전극조립체(110)와 전해액을 수용하는 원통형 캔(130)과, 상기 원통형 캔(130) 상부에 조립되어 상기 원통형 캔(130)을 밀봉하며 상기 전극조립체(110)에서 발생되는 전류를 외부 장치로 흐르게 하는 캡조립체(150)를 포함하여 형성된다.

상기 전극조립체(110)는 양극집전체의 표면에 양극활물질층이 코팅된 양극판(112)과 음극집전체의 표면에 음극활물질층이 코팅된 음극판(114)과 상기 양극판(112) 및 음극판(114) 사이에 위치하여 상기 양극판(112)과 음극판(114)을 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터(113)가 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다. 상기 양극판(112)은, 도면에는 상세히 도시되지 않았지만, 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극집전체와, 그 양면에 코팅된 양극활물질층을 포함하고 있다. 상기 양극판(112)의 양 말단에는 양극활물질층이 형성되지 않은 양극집전체 영역, 즉, 양극무지부가 형성된다. 상기 양극무지부의 일단에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 형성되며, 전극조립체(110)의 상부로 일정 길이 돌출되는 양극 탭(116)이 접합되어 있다. 또한, 상기 음극판(114)은 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극집전체와, 그 양면에 코팅된 음극활물질층을 포함하고 있다. 상기 음극판(114)의 양 말단은 음극활물질층이 형성되지 않은 음극집전체 영역, 즉 음극무지부가 형성된다. 상기 음극무지부의 일단에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 형성되며, 전극조립체(110)의 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(118)이 접합되어 있다. 더불어 상기 전극조립체(110)의 상부 및 하부에는 각각 캡조립체(150) 또는 원통형 캔(130)과의 접촉을 방지하기 위한 절연 플레이트(116, 118)가 더 포함되어 형성될 수 있다.

상기 원통형 캔(140)은 상기 원통형 전극조립체(110)가 수용될 수 있는 소정 공간이 형성되도록 일정 직경을 갖는 원통형 측면판(142)과 상기 원통형 측면판(142)의 하부를 밀폐하는 하면판(141)을 포함하여 형성되며, 상기 원통형 측면판 (142)의 상부는 상기 전극조립체(110)를 삽입하기 위하여 개구(開口)되어 있다. 상기 원통형 캔(130)의 하면판(131) 중앙에 상기 전극조립체(110)의 음극 탭(118)이 접합됨으로써, 상기 원통형 캔(130) 자체는 음극 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 원통형 캔(130)은 일반적으로 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성된다. 더불어 상기 원통형 캔(130)은 상부의 개구에 결합되는 상기 캡조립체(150)의 상부를 압박하도록 상단에서 내부로 휘어진 크리핑(clipping)부(146)가 형성된다. 또한, 상기 원통형 캔(130)은 상기 크리핑부(146)로부터 하방으로 상기 캡조립체의 두께에 대응되는 거리만큼 이격된 위치에 상기 캡조립체(150)의 하부를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(beading)부(144)가 더 형성되어 있다.

상기 캡조립체(150)는 안전밴트(152), 전류차단수단(153)과 이차보호소자 (154)및 캡업(156)을 포함하여 형성된다. 상기 안전밴트(152)는 판상으로 중앙에 하부로 돌출되는 돌출부가 형성되어 상기 캡조립체(150)의 하부에 위치하며, 이차전지의 내부에서 발생한 압력에 의하여 돌출부가 상부 방향으로 변형하게 된다. 상기 안전밴트(152)의 하면 소정위치에는 전극조립체(110)의 양극판(112) 및 음극판(114) 중에서 한 전극판 예를 들어, 양극판(112)에서 인출한 양극탭(116)이 용접되어 상기 안전밴트(152)와 전극조립체(110)의 양극판(112)이 전기적으로 연결된다. 여기서 양극판(112) 및 음극판(114) 중 나머지 전극판, 예를 들어 음극은 도시하지 않은 탭 혹은 직접 접촉 방식에 의해 캔(130)과 전기적으로 연결된다.

한편, 조전지(150)는, 도 1b를 참조하면, 다양한 전압과 용량을 필요로 하는 전기/전자기기에 적용하기 위해 2개 이상의 단전지(100)가 직렬 혹은 병렬연결되어 제조된다. 이 경우, 각 단전지(100)는 조전지(150)를 이루기 위해 필요로 하는 전압, 출력, 용량 등이 개별로 체크되어야 하므로 공정이 복잡해진다는 문제점이 있다. 또한, 조전지(150)는 복수개의 단전지(100)가 횡으로 배치되어 형성되는 경우, 각 단전지(100)가 원통형이기 때문에 발생하는 빈 공간인 데드 볼륨(D)이 존재하게 된다. 이렇게 데드 볼륨(D)이 존재하는 경우, 조전지(150)는 전체적으로 볼 때 데드 볼륨(D)에 해당하는 양 만큼 용량이 감소하게 된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 원하는 출력과 용량을 위해 조전지를 구성함에 있어서 2개 이상의 단전지용 원통형 전지를 하나의 조전지로 구성하는 대신, 2개 이상의 단전지용 원통형 전지를 묶은 사이즈로 하나의 리튬 이차전지로 제조함으로써, 복수개의 단전지용 원통형 전지로 구성할 때 발생하는 데드 볼륨(dead volume)을 없애 용량과 에너지 밀도가 향상될 뿐만 아니라, 각각의 단전지용 원통형 전지를 사용하는 경우에 비해 전압, 용량 등의 체크 횟수가 줄어들어 공정을 감소할 수 있는 리튬 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 리튬 이차전지는 횡단면 상에서 2개의 대향하는 단변이 반원형으로 형성되고, 다른 2개의 장변이 상기 반원의 지름의 배수로 이루어지는 직선 형상으로 형성되어 전체적으로 스타디움(stadium) 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 리튬 이차전지는 적어도 2개의 단전지를 서로 횡방향으로 배치 하고 전기적으로 접속하여 이루어지는 조전지의 형상에 대응하도록 하나의 외형으로 형성되는 것일 수 있다. 또한, 상기 단전지는 원통형 리튬 이차전지일 수 있다.

또한, 상기 리튬 이차전지는 하이브리드 자동차용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면에서는 단전지가 원통형 리튬 이차전지인 경우만 도시하였으나, 단전지가 각형 리튬 이차전지인 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 대용량 리튬 이차전지의 개념을 도시한 평면도를 나타내며, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 대용량 리튬 이차전지의 분해 사시도를 나타낸다. 이하에서, 단전지는 원통형 리튬 이차전지의 베어셀 하나를 의미하며, 조전지는 원통형 리튬 이차전지의 베어셀이 복수개 조합되어 전체적으로 하나의 배터리로 사용되는 경우에 해당되는 용어로 사용하기로 한다. 또한, 이하에서 대용량 리튬 이차전지는 단전지 2개에 상당하는 경우에 대하여 설명하였으나, 단전지 3개 이상에 상당하는 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 실시예에 따른 대용량 리튬 이차전지(300)는, 도 2b를 참조하면, 전극조립체(310)와 캔(340) 및 캡조립체(350)를 포함하여 형성된다. 상기 대용량 리튬 이차전지(300)는 횡단면 상에서 2개의 대향하는 단변이 반원형으로 형성되고, 다른 2개의 장변이 상기 반원의 지름의 배수로 이루어지는 직선 형상으로 형성되어 전체적으로 스타디움(stadium) 형상으로 형성된다. 이 때, 상기 대용량 리튬 이차전지(300)는 적어도 2개의 단전지를 서로 횡방향으로 배치하고 전기적으로 접속하여 이루어지는 조전지의 부피에 상응하도록 하나의 외형으로 형성된다.

상기 전극조립체(310)는 양극판(312), 음극판(314), 세퍼레이터(313)를 포함한다. 또한, 상기 전극조립체(310)는 양극탭(316)과 음극탭(318)을 포함하여 형성된다. 이 때, 상기 전극조립체(310)는 통상의 원통형 리튬 이차전지와 달리, 스타디움 형상으로 권취되어 형성된다. 또한, 상기 전극조립체(310)는 단전지용 원통형 리튬 이차전지의 전극조립체의 높이와 동일하게 형성되며, 경우에 따라서는 더 높게 형성될 수도 있음은 물론이다. 상기 전극조립체(310)는 하나의 전극조립체로 형성될 수 있다. 한편, 상기 전극조립체(310)는 도면에 도시하지 않았지만 통상의 원통형 리튬 이차전지에 사용되는 원통형의 전극조립체 복수개가 조합되어 형성될 수도 있다. 즉, 상기 전극조립체(310)는 원통형의 전극조립체가 횡방향으로 조합되고, 이들이 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되어 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 전극조립체(310)는 단전지 두 개를 조합하여 사용하는 경우에 발생하는 데드 볼륨에 전해액이 채워지게 되므로, 충분한 전해액이 주입될 수 있다는 장점이 있다.

상기 양극판(342)은 화학 반응에 의해 발생한 전자를 모아서 외부 회로로 전달시키는 양극집전체, 리튬 이온이 흡장 또는 탈리할 수 있는 양극활물질이 상기 양극집전체의 일면 또는 양면에 코팅된 양극활물질부, 양극집전체 중 양극활물질부가 형성되지 않아 양극집전체가 외부로 노출된 양극무지부를 구비한다. 상기 양극탭(316)은 양극무지부의 일측 단부에 부착되어 안전밴트(352)의 하면에 용접된다.

상기 음극판(314)은 화학 반응에 의해 발생한 전자를 모아서 외부 회로로 전달시키는 음극집전체, 리튬 이온이 흡장 또는 탈리할 수 있는 음극활물질이 상기 음극집전체의 일면 또는 양면에 코팅된 음극활물질부, 음극집전체 중 음극활물질부가 형성되지 않아 음극집전체가 외부로 노출된 음극무지부를 구비한다. 상기 음극탭(318)은 음극무지부의 일측 단부에 부착된다. 상기 음극탭(318)은 대략 캔(340)의 하면(341) 중앙부분에 용접된다. 상기 양극탭(316)과 음극탭(318)은 저항용접에 의해 용접되며, 용접부위에는 쇼트와 발열을 방지하기 위해 라미네이션 테이프가 부착될 수 있다. 여기서, 상기 양극탭(316)과 음극탭(318)의 용접 방식을 한정하는 것은 아니다.

상기 세퍼레이터(313)는 리튬 이온을 통과시킬 수 있는 다공성 막으로 구성된다. 상기 세퍼레이터(313)는 양극판(312)과 음극판(314) 사이에 개재되어 쇼트를 방지하며, 고온에서는 셧 다운(shut down)되어 리튬 이온이 통과되지 못하도록 한다.

상기 캔(340)은 측면판(342)과 하면판(341)을 포함하며, 상단은 개구된 상태로 형성된다. 상기 캔(340)은 비딩부(344)를 포함하여 형성된다. 이 때, 상기 캔(340)은 통상의 원통형 리튬 이차전지와 달리, 스타디움 형상으로 형성된다. 또한, 캔(340)은 단전지용 원통형 리튬 이차전지의 캔의 높이와 동일하게 형성되며, 경우에 따라서는 더 높게 형성될 수도 있음은 물론이다. 또한, 상기 캔(340)은 횡단면 상에서 2개의 대향하는 단변이 반원형으로 형성되고, 다른 2개의 장변이 상기 반원의 지름의 배수로 이루어지는 직선 형상으로 형성된다. 따라서, 상기 캔(340) 내부 에 주입되는 전해액의 양도 단전지용 원통형 리튬 이차전지의 경우보다 증가하게 된다.

상기 캡조립체(350)는 안전밴트(352)와 전류차단수단(353)과 이차보호소자 (354)및 캡업(356)을 포함하여 형성된다. 이 때, 상기 캡조립체(350)는 상기 캔(340)의 상단개구부를 밀봉할 수 있도록 캔(340)의 평면 형상에 대응되는 스타디움형상으로 형성된다.

상기 안전밴트(352)는 판상으로 중앙에 하부로 돌출되는 돌출부가 형성되어 상기 캡조립체(350)의 하부에 위치하며, 이차전지의 내부에서 발생한 압력에 의하여 돌출부가 상부 방향으로 변형하게 된다. 상기 안전밴트(352)의 하면 소정위치에는 전극조립체(310)의 양극판(312) 및 음극판(314) 중에서 한 전극판 예를 들어, 양극판(312)에서 인출한 양극탭(316)이 용접되어 상기 안전밴트(352)와 전극조립체(310)의 양극판(312)이 전기적으로 연결된다. 여기서 양극판(312) 및 음극판(314) 중 나머지 전극판, 예를 들어 음극판(314)은, 음극판(314)에서 인출한 음극탭(318)이 베어 셀의 바닥면(341)에 용접되어 캔(340)과 전기적으로 연결된다. 상기 안전 밴트(352)는 캔(340) 내부의 압력 상승시 변형되거나 파열되어 상기 전류차단수단(353)을 파손시키는 역할을 한다. 또한, 상기 안전 밴트(352)의 상부에는 상기 안전 밴트(352)의 변형시 파손되어 전류가 차단되는 전류차단수단(353)이 더 위치되어 있고, 상기 전류차단수단(353)의 상부에는 과전류시 전류가 차단되는 이차보호소자(354)가 위치되어 있다. 더불어, 상기 이차보호소자(354)의 상부에는 외부에 양극 전압 또는 음극 전압을 제공하는 도전성 캡업(356)이 더 위치되어 있다. 또 한, 상기 캡조립체(350)는 가스켓(360)이 더 구비되어 양극 역할을 하는 캡조립체(350)와 음극 역할을 하는 캔(340)을 서로 절연시키게 된다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 대용량 리튬 이차전지의 작용에 대하여 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 대용량 리튬 이차전지(300)는, 도 2b를 참조하면, 전극조립체(310)와 캔(340) 및 캡조립체(350)를 포함하여 형성된다. 상기 대용량 리튬 이차전지(300)는 스타디움 형상으로 형성되므로, 단전지용 원통형 전지 복수개를 횡으로 밀착되게 배열한 경우에 발생하는 데드 볼륨을 메꿔주게 된다. 상기 리튬 이차전지(300)는 줄어든 데드 볼륨의 크기 만큼 전극조립체의 극판 면적이 증가하며, 또한 내부에 주입되는 전해액의 양도 그 만큼 증가하게 된다. 따라서, 상기 리튬 이차전지(300)는 단전지용 원통형 전지를 복수개 사용하는 것보다 용량이 증가하게 된다. 상기 리튬 이차전지(300)는 대용량을 필요로 하는 하이브리드 자동차의 동력원으로 사용될 수 있다. 즉, 하이브리드 자동차는 상기 리튬 이차전지(300)와 연료 전지(Fuel Cell)를 조합하거나, 상기 리튬 이차전지(300)와 내연 기관을 조합하여 동력원으로 사용될 수 있다. 또한, 단전지가 소정의 특성을 요하는 조전지로 사용되기 위해서는 각각의 단전지의 전압, 용량 등을 체크하여야 한다. 이 때, 상기 리튬 이차전지(300)는 하나의 외형으로 형성되므로 복수개의 단전지에 비해 화성 공정에서의 체크 횟수가 감소됨으로써 공정 감소의 효과를 가져올 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따른 리튬 이차전지에 의하면, 원하는 출력과 용량을 위해 조전지를 구성함에 있어서 2개 이상의 단전지용 원통형 전지를 하나의 조전지로 구성하는 대신, 2개 이상의 단전지용 원통형 전지를 묶은 사이즈로 하나의 리튬 이차전지로 제조함으로써, 복수개의 단전지용 원통형 전지로 구성할 때 발생하는 데드 볼륨(dead volume)을 없애 용량과 에너지 밀도가 향상될 뿐만 아니라, 각각의 단전지용 원통형 전지를 사용하는 경우에 비해 전압, 용량 등의 체크 횟수가 줄어들어 공정을 감소할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 횡단면 상에서 2개의 대향하는 단변이 반원형으로 형성되고, 다른 2개의 장변이 상기 반원의 지름의 배수로 이루어지는 직선 형상으로 형성되어 전체적으로 스타디움(stadium) 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 리튬 이차전지는 적어도 2개의 단전지를 서로 횡방향으로 배치하고 전기적으로 접속하여 이루어지는 조전지의 형상에 대응하도록 하나의 외형으로 형성되는 것임을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 단전지는 원통형 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 리튬 이차전지는 하이브리드 자동차용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.

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