KR20070097852A - 리튬 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 극성이 서로 다른 두 전극과, 상기 두 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하며 젤리 롤 타입으로 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 내부에 수납되고, 상부측에 지지부를 갖는 캔; 및 상기 캔에 밀봉 접합되는 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 삽입되는 절연부재를 구비하여 상기 캔과 다른 극성을 갖는 단자를 포함하는 캡조립체를 포함하여 구성하며, 상기 지지부는 캔의 두께가 두껍게 형성되어 이루어짐으로써 금속 재질로 형성된 캔이 이상 충전시 발생되는 스웰링 현상을 방지하며, 특히 하단부가 구속된 전극 조립체가 수납되는 캔의 상부측에서 발생되는 스웰링 현상을 억제함으로써 전지의 안정성을 극대화시키는 효과가 있다.
리튬 이차 전지, 캔, 스웰링
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 리튬 이차 전지의 사시도.
도 2는 도 1의 분해사시도.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 캔의 단면도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 ; 리튬 이차 전지 110 ; 전극 조립체
111 ; 양극판 112 ; 음극판
113 ; 세퍼레이터 120 ; 캔
121 ; 장변측 측면 122 ; 단변측 측면
123 ; 하면 124 ; 상단개구부
125 ; 지지부 140 ; 캡 조립체
150 ; 단자
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지의 스웰링(swelling) 현상을 억제하고, 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 리튬 이온 이차 전지는 양극 활물질이 부착된 양극 전극판, 음극 활물질이 부착된 음극 전극판 및 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터이 젤리 롤(jelly roll) 형태로 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 결합되는 캔, 상기 캔을 막아 상기 전극 조립체의 이탈을 억제하는 캡 조립체 및 상기 캔 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이온 이차 전지는 양극 활물질이 부착된 양극 전극판, 음극 활물질이 부착된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 젤리 롤(jelly roll) 형태로 권취하고, 이를 각형의 캔에 넣은 후 상부에 캡 조립체를 용접하여 밀봉한다.
이후, 전해액을 주입한 후, 충전 및 검사를 수행하여 베어 셀(bare cell)을 완성하며, 이어서 상기 베어 셀에 각종 안전소자를 부착한 후 조립 및 검사하여 통상의 배터리 팩을 완성한다.
한편, 이러한 리튬 이온 이차 전지는 정전압/정전류 충전법을 사용하기 때문에 충전기에서 충전 전압이 정확하게 제어되면 과충전 현상은 없다. 그러나, 충전기가 파손되거나 오동작하여 이상 충전을 하는 경우가 있으며, 이러한 경우에는 양극 활물질 예를 들면, 코발트산리튬(LiCoO2)의 전위가 지속적으로 올라가는 특성으 로 인해 전지 전압이 계속 상승하고, 또한 이상 발열 현상이 발생한다.
이러한 현상에 대한 안전대책으로는 PTC(Positive Temperature Coefficiency) 소자를 내장하거나, 셧다운(shut down) 기능이 있는 세퍼레이터를 채택할 수 있고, 이 외에 가스 발생에 의해 작동하는 안전변(safety vent)을 구비할 수 있다. 여기서, 리튬 이온 이차 전지의 안전변은 통상 캔의 바닥면 또는 캡 조립체에 형성된 좀더 얇은 영역을 지칭하며, 이는 가스 발생으로 스웰링이 심할 경우 파열되며 그 가스를 배출하는 역할을 한다.
상기 가스 발생은 코발트산리튬(LiCoO2)과 같은 양극 활물질의 형성을 위해 탄산리튬(Li 2 CO3)을 사용하는데, 이것을 화학량론보다도 과승으로 첨가하기 때문에 일어나는 현상이다. 즉, 이 과승으로 첨가된 탄산리튬은 미반응 상태로 양극 활물질인 코발트산리튬 중에 잔류하고 있다가, 이상 충전에 의해 전지 전압이 높게 되고 발열하면 탄산리튬이 분해되어 탄산가스를 발생한다. 이러한 탄산가스의 발생에 의해 통상 캔이 과도하게 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생하며, 이 스웰링 현상이 심하면 안전변이 작동하게 된다.
또한, 전지 충방전에 의해 전극의 활물질 부피가 달라지면서 전극 조립체가 팽창하는 스웰링 현상도 일어날 수 있다.
이러한 스웰링 현상은 캔의 단변의 중심 부근이 안쪽으로 수축되고, 장변의 중심은 바깥으로 과도하게 부풀어 오르게 된다.
그런데, 종래 젤리 롤 타입으로 권취된 전극 조립체는 캔의 상단개구부에 전 극 조립체의 삽입을 용이하게 실시하기 위하여 전극 조립체의 하단부에 테이프 등의 접착부재를 부착하여 실제의 두께보다 얇은 상태로 삽입하게 된다. 따라서 전극 조립체의 상부측이 하부측보다 두께가 두껍고, 상부측이 접착부재에 의해 규제되고 있지 않은 상태이기 때문에 스웰링 현상에 의한 수축 및 팽창이 보다 활발하게 발생되는 문제가 있다.
이와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 전지의 캔 상부측에서 발생되는 스웰링 현상을 억제하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 리튬 이차 전지는 극성이 서로 다른 두 전극과, 상기 두 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하며 젤리 롤 타입으로 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 내부에 수납되고, 상부측에 지지부를 갖는 캔; 및 상기 캔에 밀봉 접합되는 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 삽입되는 절연부재를 구비하여 상기 캔과 다른 극성을 갖는 단자를 포함하는 캡조립체를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 지지부는 캔의 두께가 두껍게 형성되어 이루어진다.
상기 지지부는 상기 캔 전체 두께의 50％ 이상 범위의 두께로 형성되거나, 또는 상기 캔의 하부측 부위보다 10 내지 30％ 범위 만큼 두껍게 형성되며, 상기 지지부의 종방향 길이(L2)는 상기 캔의 전체 종방향 길이(L1)의 1/2 이상으로 형성 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 지지부는 상기 캔의 측면에서 내측으로 요입되게 형성되거나, 또는 상기 캔의 측면에서 외측으로 돌출되게 형성될 수 있으며, 이러한 두 조건을 동시에 만족하면서 형성될 수도 있음은 물론이다.
이하, 상기 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 리튬 이온 이차 전지(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 리튬 이온 이차 전지(100)의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 리튬 이온 이차 전지는 전압차를 발생시키는 전극 조립체(110)와, 상기 전극 조립체(110)가 수납되어 상단 개구부가 형성된 직육면체의 캔(120)과, 상기 캔(120)의 상단 개구부에 조립되어 상기 전극 조립체(110)가 이탈되지 않도록 하는 캡 조립체(140)와, 상기 캔(120) 내부에 주입되어 전극 조립체(110) 간에 이온 이동이 가능하게 하는 전해액으로 이루어져 있다.
상기 전극 조립체(110)는 양극 활물질이 부착된 양극판(111), 음극 활물질이 부착된 음극판(112) 및 양극판(111)과 음극판(112) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(113)으로 이루어져 있으며, 상기 양극판(111), 음극판(112) 및 세퍼레이터(113)는 대략 젤리 롤 형태로 권취되어 캔(120)에 수납되어 있다. 여기서, 상기 양극판(111)은 알루미늄(Al) 포일, 상기 음극판(112)은 구리(Cu) 포일, 상기 세퍼레이터(113)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 이러한 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 양극판(111)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극 리드(114)가 용접되어 있고, 상기 음극판(112)에도 상부로 일정 길이 돌출된 음극 리드(115)가 용접되어 있다. 상기 양극 리드(114)는 알루미늄(Al) 재질, 상기 음극 리드(115)는 니켈(Al) 재질일 수 있으나, 본 발명에서 이러한 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 캔(120)은 서로 마주보는 장변을 갖는 측면(121)과 단변을 갖는 측면(122) 및 하면(123)으로 이루어지고, 상단에는 개구부(124)가 형성된 직육면체의 형태로 형성된다. 상기 캔(120)은 통상 알루미늄(Al), 철(Fe), 합금 또는 이의 등가물로 형성 가능하며, 상기 캔(120)에는 상기 양극 리드(114)가 용접되어 캔(120) 자체가 양극 역할을 한다.
상기 캔(120)의 상부에는 순차적으로 절연 케이스(131), 단자 플레이트(132), 절연 플레이트(133)가 결합되고, 상기 절연 케이스(131), 단자 플레이트(132) 및 절연 플레이트(133)는 통공(131a,132a,133a)이 각각 형성되어 있다.
상기 캡 조립체(140)는 상기 캔(120)에 레이저 용접되어 있으며, 이는 대략 판상의 캡 플레이트(141)가 구비되고, 상기 캡 플레이트(141)의 중앙에는 일정 크기의 통공(141a)이 형성되어 있고, 그 측부에는 전해액 주입을 위한 전해액 주입구(141b)가 형성되어 있다. 또한, 상기 캡 플레이트(141)의 통공(141a)에는 절 연 가스켓(142)이 결합되고, 상기 절연 가스켓(142)에는 음극 단자(150)가 결합되어 있다. 물론, 상기 음극 단자(150)는 상기 음극 리드(115)와 용접되어 방전 또는 충전시 음극 역할을 할 수 있도록 되어 있다. 더불어, 상기 캡 플레이트(141)의 전해액 주입구(141b)에도 전해액 주입 후, 그 전해액이 외부로 유출되지 않도록 마개(143)가 결합되어 있다.
한편, 도시되지 않은 전해액은 충방전시 전지 내부의 양극 및 음극에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온의 이동 매체 역할을 하며, 이는 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도로서, 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명 일 실시예에 의한 리튬 이차 전지(100) 중 캔(120)은 장변을 갖는 측면(121)(122)에서 캔(120)을 상부측과 하부측으로 구분하여 측면(121)(122)의 상부측의 두께를 하부측의 두께 보다 더 두껍게 형성(d1>d2)한다. 이때, 하부측 보다 두껍게 형성되는 상부측이 캔의 스웰링에 의해 팽창을 억제하기 위한 지지부(125)로서 형성되는 것이다.
이와 같이 캔(120)의 상부측의 두께(d1)를 하부측의 두께(d2)를 더 두껍게 형성하여 지지부(125)를 형성하는 것은 캔(120) 내부에 삽입되는 전극 조립체(110)의 하단부가 테이프(160) 등과 같은 접착부재에 의해 전극 조립체(110)가 구속되기 때문이다. 이처럼 하단부가 구속되어 두께를 얇아진 상태에서 전극 조립체(110)는 캔(120)의 상단개구부(124)를 통해 보다 용이하게 삽입이 가능해지게 된다.
이처럼 측면(121)(122)에 형성된 지지부(125)에 의하여 테이프(160)에 의해 구속되지 않은 전극 조립체(110)의 상부측에서 스웰링 발생시 캔(120)의 상부측이 더욱 팽창되는 현상을 억제하게 된다.
상기 지지부(125)의 두께는 전체 캔 체적의 적어도 50％ 이상의 범위를 갖도록 형성된다. 또는, 측면(121)(122)에서 지지부(125)의 두께(d1)가 캔의 하부측 두께(d2)보다 10 내지 30％ 범위 내에서 두껍게 형성된다. 즉, 캔 측면(121)(122)의 두께가 통상 0.2∼0.4mm이므로, 최소 0.2mm를 기준으로 할 때, 지지부(125)는 약 0.23∼0.25mm의 두께를 갖는 것이다. 이때, 지지부(125)의 종방향 길이(L2)는 전체 측면의 종방향 길이(L1)의 1/2 이상이 되게 형성된다.
이처럼 캔(120)에 상부측에 형성되는 지지부(125)의 두께(d1)에 의하여 전체 캔의 용량이 줄어드는 것을 감안하여 캔의 하부측의 두께(d2)를 통상의 캔 두께보다 얇게 형성할 수도 있다. 이러한 경우에는 전지의 용량이 감소되지 않는 상태로 스웨링 방지 효과를 거두게 된다.
도 3에 도시한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 지지부(125)는 캔(120)의 측면(121)의 외측으로 돌출되는 형태로 형성되는데, 지지부의 형상을 이에 한정할 필요는 없다.
즉, 본 발명의 다른 실시예로서, 도 3과 동일한 방향에서 절개한 단면도인 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 지지부(125)가 캔(120)의 측면(121)의 내측으로 요입되게 형성될 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 지지부(125)를 캔의 측면(121)(122)의 내외측으로 돌출 및 요입되는 형상으로 형성될 수도 있다. 다만, 이러한 지지부(125)의 경우에도 상술한 실시예들과 유사한 두께의 범위 내에서 형성함으로써 스웰링시 캔의 상부측 측면부위의 팽창을 억제할 수 있어야 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 리튬 이차 전지의 작용을 설명한다.
이상 충전에 의해 전지 전압이 높게 되어 탄산리튬이 분해되면서 발생되는 탄산가스의 발생에 의해 통상 캔이 과도하게 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생된다. 이러한 스웰링 현상은 캔의 단변을 갖는 측면의 중심 부근이 안쪽으로 수축되고, 장변을 갖는 측면의 중심은 바깥으로 과도하게 부풀어 오르게 되어 전지의 성능에 영향을 미치게 된다. 그리고 전극 조립체(110)의 하부측에 테이프(160)가 부착되어 있는 경우에는 특히 전극 조립체(110)의 캔 측면들의 상부측의 팽창 및 수축 현상이 보다 극심하게 발생된다.
이때, 본 발명에 의한 리튬 이차 전지는 캔(120)의 측면(121)(122)의 상부측에 지지부(125)가 형성되어 있기 때문에 캔의 상부측 측면(121)(122)에서의 팽창 또는 수축되는 현상을 억제하게 되어 전지의 성능을 향상시키게 되는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 리튬 이온 이차 전지에 의하면, 금속 재질로 형성된 캔이 이상 충전시 발생되는 스웰링 현상을 방지하며, 특히 하단부가 구속된 전극 조립체가 수납되는 캔 측면의 상부측에서 발생되는 스웰링 현상을 억 제함으로써 전지의 안정성을 극대화시키는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
Claims (8)
- 극성이 서로 다른 두 전극과, 상기 두 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하며 젤리 롤 타입으로 권취된 전극조립체;상기 전극조립체가 내부에 수납되고, 상부측에 지지부를 갖는 캔; 및상기 캔에 밀봉 접합되는 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 삽입되는 절연부재를 구비하여 상기 캔과 다른 극성을 갖는 단자를 포함하는 캡조립체를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 지지부는 캔의 두께가 두껍게 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 지지부는 상기 캔 전체 체적의 50％ 이상 범위가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 지지부는 상기 캔의 하부측 부위보다 10 내지 30％ 범위 만큼 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 지지부의 종방향 길이(L2)는 상기 캔의 전체 종방향 길이(L1)의 1/2 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 지지부는 상기 캔의 측면에서 내측으로 요입되게 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 지지부는 상기 캔의 측면에서 외측으로 돌출되게 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 전극 조립체는 하단부가 접착부재에 의해 구속된 것을 특징을 하는 리튬 이차 전지.
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2006
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