KR20070075941A - 향상된 안전성의 이차전지 - Google Patents

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KR20070075941A
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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 전극조립체의 외주면 중 적어도 1 변에 소정 크기의 만입부 및/또는 돌출부가 형성되어 있고, 전지케이스에는 전극조립체의 상기 만입부 및/또는 돌출부와 맞물릴 수 있는 내면구조가 형성되는 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는 조립과정에서의 불량 발생 및 전지 성능의 저하를 초래하지 않으면서 전지의 낙하, 외부 충격의 인가와 같은 외력 작용시 전극조립체의 밀림 현상을 억제하여 쇼트의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 이차전지의 외부 형상에 따라서는 별도의 부재를 사용하지 않거나 간단한 구조의 부재만을 사용하여 중대형 전지모듈을 효과적으로 제조할 수 있다.

Description

향상된 안전성의 이차전지 {Secondary Battery of Improved Stability}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 조립 과정의 사시도이다;
도 2a 내지 2c는 본 발명의 실시예들에 따라 만입부와 돌출부가 다양한 위치에서 선택적으로 형성되어 있는 전극조립체의 모식도들이다;
도 3은 도 2a의 전극조립체(A)가 장착되는 전지케이스의 평면 모식도이고, 도 4는 그것의 조립 상태의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 모식도이다;
도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 모식적 사시도이다.
본 발명은 향상된 안전성의 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 전극조립체의 외주면 중 적어도 1 변에 소정 크기의 만입부 및/또는 돌출부가 형성되 어 있고, 전지케이스에는 전극조립체의 상기 만입부 및/또는 돌출부와 맞물릴 수 있는 내면구조를 가지고 있어서, 낙하, 외부 충격 등에 이해 전극조립체가 밀리는 현상을 억제하여, 안전성을 확보할 수 있는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 재료면에서 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높고, 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있고 높은 집적도로 적층되어 제조되는 전지모듈의 전지로도 사용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높다. 특히, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 내장시킨 파우치형 전지는 중량이 가볍고 제조가 용이하여 최근 그것의 적용분야 및 수요가 증가하고 있다.
이차전지에서 전지반응이 일어나는 전극조립체는 일반적으로 양극 활물질이 도포된 양극판과 음극 활물질이 도포된 음극판 및 분리막에 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 이차전지의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 젤리-롤형(권취형) 전극조립체와 스택형(적층형) 전극조립체로 구분된다.
적층형 전극조립체를 사용하여 파우치형 전지를 제조하는 경우, 다수의 양극 또는 음극탭들을 전극리드에 연결하여 전지케이스 외부로 돌출시켜 전극단자를 형성하므로, 전지케이스의 내측 상단, 즉, 전극조립체의 상단부에는 상기와 같은 전 극탭-전극리드 연결을 위한 공간이 필요하다. 따라서, 적층형 전극조립체는 상기 공간으로 인해 낙하, 외부 충격 등의 외력이 작용하였을 때, 밀려서 상향 이동하는 경향이 있다. 그러나, 이러한 상향 이동시 전극탭 또는 전극리드(예를 들어, 양극탭 또는 양극리드)가 반대 전극의 전극판(예를 들어, 음극판)에 접하면서 쇼트(내부 단락)를 초래할 수 있다. 내부 단락은 과전류의 통전에 의해 전지의 온도를 상승시키고 급기야는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있으므로, 전지의 안전성 측면에서 매우 심각한 문제점이다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 일부 선행기술은 전극조립체 상단부의 빈 공간에 전극조립체의 이동을 방지하기 위한 물체를 삽입하거나 절연성 수지를 충진한 후 고화시키는 기술 등을 제안하고 있다. 그러나, 상기와 같은 고정물은 삽입 과정에서 전극탭을 손상시키거나 전극탭-전극리드의 연결을 훼손시킬 수 있으며, 절연성 수지는 충진 과정 또는 전지의 작동 중에 전극조립체로 유입되어 전지의 성능을 저하시킬 수 있는 단점이 있다.
따라서, 전지 조립과정에서의 불량 발생 및 전지 성능의 저하를 방지하면서 적층형 전극조립체의 밀림 현상을 억제할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 적층형 전극조립체에서 그것의 적어도 1 변에 만입부 및/또는 돌출부를 형성하고 이들과 맞물리 수 있는 내면구조를 전지케이스에 형성하여 전지를 조립할 경우, 조립과정에서의 불량 발생 및/또는 전지 성능의 저하를 초래하지 않으면서, 외력에 대해 전극조립체의 밀림 현상을 방지하여 전지의 안전성을 담보할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
또한, 상기 만입부 및 돌출부가 전지케이스의 내면 뿐만 아니라 외면에도 형성되는 경우에는 그러한 외면 구조가 전지셀 상호간의 결속 부위로 사용되어 중대형 전지팩의 제조를 더욱 용이하게 함을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 전극조립체의 외주면 중 적어도 1 변에 소정 크기의 만입부 및/또는 돌출부가 형성되어 있고, 전지케이스에는 전극조립체의 상기 만입부 및/또는 돌출부와 맞물릴 수 있는 내면구조가 형성되는 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지는 전지의 조립과정에서 전극조립체의 외주면 만입부 및/또는 돌출부가 전지케이스 내면구조의 만입부 및/또는 돌출부와 맞물리면서 고정되어, 낙하, 충격 등의 외력이 가해지더라도 전극조립체가 그것의 상부쪽으로 움직이는 것(밀림 현상)을 억제하여, 앞서 설명한 바와 같은 내부 단락을 방 지할 수 있다.
일부 선행기술들 중에는 전극조립체의 외주면을 만입형 또는 돌출형으로 만드는 예가 개시되어 있지만(일본 특허등록 제3531552호, 일본 특허출원공개 제1998-027602호, 일본 특허출원공개 제1997-259859호 등 참조), 본 발명에서와 같이 전지케이스의 내면에도 그에 상응하는 구조를 형성하여 이들이 상호 맞물리면서 고정되는 기술은 전혀 알려져 있지 않다.
상기 적층형 전극조립체는 소정 크기의 다수의 양극판 및 음극판들이 분리막이 개재된 상태로 순차적으로 적층되어 있는 구조의 전극조립체로서, 양극판과 음극판의 양면에는 전극활물질들이 도포되어 있다. 그러한 전극판의 형상은 다양할 수 있으며, 대략 사각형 구조의 전극판이 많이 사용되고 있다.
본 발명의 이차전지에서는 이러한 전극조립체의 외주면 중 적어도 1 변에 소정 크기의 만입부 및/또는 돌출부가 형성되어 있다. 예를 들어, 대략 사각형 구조의 전극판들로 구성된 전극조립체는 그것의 외주면이 4 변을 이루므로, 상기 만입부 및/또는 돌출부는 4 변 중의 1 변 또는 2 변 이상에 형성된다. 이 경우, 만입부 및/또는 돌출부는 전극탭이 형성되어 있는 변(상단 변)을 기준으로 그것의 양 측변에 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 이들이 상단 변 또는 하단 변에 형성될 수도 있고, 양 측변 중 1 측변에만 형성될 수도 있음은 물론이다. 본 발명에서 전극조립체의 외주면 변은 그것의 모서리를 포함하는 개념으로서, 만입부와 돌출부는 4 변으로 이루어진 전극조립체에서 4 곳 모서리 중의 하나 또는 둘 이상에 형성될 수도 있다.
만입부 및 또는 돌출부는, 예를 들어, 전류 집전체로서의 금속 호일에 전극활물질을 도포한 후 다이 등을 사용하여 전극판으로 재단할 때 함께 형성할 수 있다.
만입부와 돌출부의 형상은 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 삼각형, 사각형, 반원형 등 다양할 형태일 수 있으며, 그것의 모서리 등 단부를 완만하게 만들 수도 있다.
만입부와 돌출부의 크기는 외력 인가시 전극조립체의 이동을 방지할 수 있는 크기라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 변의 길이에 대해 10 내지 50%의 폭과 5 내지 30%의 깊이(또는 높이)일 수 있다.
이러한 전극조립체의 만입부 또는 돌출부에 대응하여 전지케이스의 내면에도 그에 상응하는 구조의 만입부 또는 돌출부가 형성되어 있다.
전지케이스 내면구조 상의 만입부와 돌출부는 크게 두 가지 방식 중의 하나의 방식으로 형성할 수 있다. 첫 번째는 전지케이스 자체를 변형하여 만입부 또는 돌출부를 형성하는 방식이고, 두 번째는 전지케이스 내측면에 만입부 또는 돌출부가 형성된 고정부재를 설치하는 방식이다. 상기 고정부재는 삽입에 의해 전지케이스 내측면에 고정되는 프레임 구조물이거나, 또는 전지케이스 내측면의 일부에 결합 또는 접착시킨 소형 구조물의 형태일 수 있다. 제조공정 측면에서, 전지케이스 자체를 변형하여 만입부와 돌출부를 형성하는 전자의 방식이 더욱 바람직하다.
전지케이스 상의 만입부와 돌출부는 전극조립체의 만입부 및 돌출부와 그것의 형상 및 크기가 완전히 일치해야 하는 것은 아니며, 전극조립체의 밀림현상으로 인한 내부 단락을 방지할 수 있는 정도의 형상 및 크기이면 무방하다.
상기 전지케이스는 다양한 소재로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 금속, 고분자 수지, 금속층과 수지층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트 등을 들 수 있다. 그 중에서도 라미네이트 시트 구조의 전지케이스가 특히 바람직하다.
이차전지를 구성하는 기타 성분들, 즉, 전극활물질을 포함하는 전극 합제의 성분들, 분리막, 전해질 등의 성분과 이들의 제조방법 등은 당업계에 알려져 있으므로, 그에 대한 설명은 본 발명에서 생략한다.
본 발명에 따른 이차전지는 특히 고출력 대용량의 중대형 전지모듈을 제조할 때 단위전지로서 바람직하게 사용될 수 있다. 즉, 전지케이스의 만입부 또는 돌출부가 전지케이스 자체의 변형에 의해 형성된 경우, 그러한 만입부 또는 돌출부는 전지셀(단위전지)들을 상호 결합시키는 결속부위로서 사용될 수 있다.
구체적으로, 전지셀의 1 측변에 만입부가 형성되어 있고, 대향 측변에 돌출부가 형성되어 있으며, 상기 돌출부가 만입부에 삽입될 수 있는 크기를 가질 때, 제 1 전지셀의 만입부에 제 2 전지셀의 돌출부를 삽입하여 결합을 이룰 수 있다. 이러한 결합방식은 전지셀을 측면 상으로 배열하여 전지모듈을 구성할 때 바람직하며, 측면 방향 및 두께 방향으로 다수의 전지셀들을 적층할 때에는 상기 결속부위가 두께 방향으로 적층된 두 개의 전지셀들에 의해 상호 연결될 수 있도록 배열할 수도 있다.
경우에 따라서는, 만입부 또는 돌출부들이 동축 상에 위치하도록 두께 방향으로 다수의 전지셀들을 적층하고 상기 만입부 또는 돌출부에 전지모듈 제조용 프 레임 부재를 결합시켜 전지모듈을 구성할 수도 있다.
이러한 중대형 전지모듈은 특히 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로 바람직하게 사용될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 조립 과정의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 이차전지(100)는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스(300)에 적층형 전극조립체(200)가 내장되는 구조로 이루어져 있다.
우선, 전극조립체(200)는 대략 사각형 구조의 다수의 양극판 및 음극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있으며, 상단에 각각의 전극판으로부터의 전극탭들(210, 212)이 전극리드(220, 222)에 연결되어 있다. 전극리드(220, 222)에는 전기절연성의 필름(230)이 부착되어 있다. 전극조립체(200)의 양 측변에는 소정 크기의 만입부(240)가 서로 대칭적으로 형성되어 있다.
파우치형 케이스(300)는 전극조립체(200)가 안착되는 수납부(312)가 형성되어 있는 본체(310) 및 그것의 하단에 일체로 연결되어 있는 덮개(320)로 이루어져 있다. 수납부(312)에는 전극조립체(200)의 만입부(240)에 대응하는 돌출부(330)가 형성되어 있다.
따라서, 전극조립체(200)가 케이스(300)에 안착되었을 때, 만입부(240)에 돌 출부(330)가 삽입되면서 고정되어, 조립 완료된 전지(100)가 낙하되는 등의 외력을 받더라도 전극조립체(200)의 밀림현상을 억제하여 내부 단락을 방지할 수 있다.
도 2a 내지 2c에는 본 발명의 실시예들에 따라 만입부와 돌출부가 다양한 위치에서 선택적으로 형성되어 있는 전극조립체의 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 우선 전극조립체(A)는 전극탭(210)이 형성되어 있는 상단 변(201)에 대해 일측 측변(202)에 돌출부(250)가 형성되어 있고 대향 측변(203)에 만입부(240)가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(B)는 양 측변(202, 203)에 각각 돌출부(250)가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 전극조립체(C)는 한쪽 측변(202)에만 두 개의 돌돌출부(250)가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
또한, 전극조립체(D)는 하단 변(204)에만 돌출부(250)이 형성되어 있는 구조로 이루어져 있고, 전극조립체(E)는 일측 측변(202)과 하단 변(204)에 각각 돌출부(250)가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
본 발명에 따른 이차전지에서 전극판의 구조는 상기 예시적인 구조들 이외에 기타 구조들도 가능할 수 있음은 물론이며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
도 3에는 도 2a의 전극조립체(A)가 장착되는 전지케이스의 평면 모식도이고, 도 4는 그것의 조립 상태의 모식도이다.
이들 도면을 참조하면, 전지케이스(300)는 전극조립체(A)의 돌출부(250: 도 2a)에 대응하여 일측 측벽에 만입부(340)의 내면구조가 형성되어 있고, 만입부 (240a: 도 2a)에 대응하여 대향 측벽에 돌출부(330)의 내면구조가 형성되어 있다. 이러한 만입부(340)와 돌출부(330)는 전지케이스(200) 자체의 변형에 의해 형성되므로, 전지케이스(200)의 외면을 기준으로 할 때에는 만입부(340)는 돌출부로서 돌출부(330)는 만입부로서 표현될 수도 있다.
케이스(300)에 장착된 전극조립체(A)는 그것의 돌출부(250) 및 만입부(240)가 전지케이스 내면구조의 만입부(340) 및 돌출부(330)와 맞물림으로써 고정된다. 따라서, 외력이 인가되더라도 전극조립체(A)는 상향 이동하지 않으므로, 전극조립체(A)의 상단부 공간(S)에서의 쇼트 발생을 방지할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 전지모듈(400)은 도 2a의 전극조립체(A)가 각각 내장된 도 4에서와 같은 전지셀들(100)이 측면 방향으로 배열되어 있는 구조로 이루어져 있다. 각각의 전지셀들(100)은 양 측변에 외면상으로 돌출부(150)와 만입부(140)를 포함하고 있으며, 돌출부(150)는 만입부(140)에 삽입될 수 있는 크기를 가진다. 따라서, 연속적으로 배열된 전지셀들(100)은 만입부(140)에 대한 돌출부(150)의 삽입으로 인해 별도의 결합 부재를 사용하지 않고도 기계적인 체결을 이룰 수 있다.
도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식도로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 전지모듈(401)은 도 1에서와 같은 전지셀들(100)이 두께 방향으로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다. 각각의 전지셀(100)은 양 측변에 외면상으로 만입부(140)가 형성되어 있으므로, 이들을 순차적으로 적층하였을 때, 만입부(140)에 두께 방향으로 긴 홈을 형성한다. 따라서, 그러한 홈에 대응하는 그루브(412)가 형성되어 있는 전지팩 제조용 프레임 부재(410)를 결합시켜 전지모듈(401)을 제조할 수 있다.
이상 본 발명에 따른 일부 예들을 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 조립과정에서의 불량 발생 및 전지 성능의 저하를 초래하지 않으면서 전지의 낙하, 외부 충격의 인가와 같은 외력 작용시 전극조립체의 밀림 현상을 억제하여 쇼트의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 이차전지의 외부 형상에 따라서는 별도의 부재를 사용하지 않거나 간단한 구조의 부재만을 사용하여 중대형 전지모듈을 효과적으로 제조할 수 있다.

Claims (11)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 전극조립체의 외주면 중 적어도 1 변에 소정 크기의 만입부 및/또는 돌출부가 형성되어 있고, 전지케이스에는 전극조립체의 상기 만입부 및/또는 돌출부와 맞물릴 수 있는 내면구조가 형성되는 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 대략 사각형 구조의 전극판들로 구성되어 있으며, 상기 만입부 및/또는 돌출부는 4 변 중의 1 변 또는 2 변 이상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 만입부 및/또는 돌출부는 전극탭이 형성되어 있는 변(상단 변)을 기준으로 그것의 양 측변에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부와 돌출부는 삼각형, 사각형 또는 반원형의 형태인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부와 돌출부의 크기는 변의 길이에 대해 10 내지 50%의 폭과 5 내지 30%의 깊이(또는 높이)인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스 내면구조 상의 만입부와 돌출부는 전지케이스 자체를 변형하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스 내면구조 상의 만입부와 돌출부는 전지케이스 내측면에 만입부 또는 돌출부가 형성된 고정부재를 설치하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 단위전지의 1 측변에 만입부가 형성되어 있고, 대향 측변에 돌출부가 형성되어 있으며, 상기 돌출부가 만입부에 삽입될 수 있는 크기를 가지고, 제 1 단위전지의 만입부에 제 2 단위전지의 돌출부를 삽입하여 다수의 단위전지들을 측면 상으로 배열하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  11. 제 9 항에 있어서, 단위전지의 만입부 또는 돌출부들이 동축 상에 위치하도록 두께 방향으로 다수의 단위전지들을 적층하고, 상기 만입부 또는 돌출부에 전지 모듈 제조용 프레임 부재를 결합시켜 구성되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
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