KR20080005624A - 외부충격에 대해 우수한 안전성을 제공하는 이차전지용안전부재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지용 전극조립체의 양면에 부착되는 한 쌍의 시트형 안전부재로서, 각각의 안전부재는 양극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 A)와 음극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 B) 및 상기 두 금속시트 사이에 개재되는 절연시트로 이루어져 있고, 양측 안전부재의 하단은 상호 연결되어 있으며, 상기 하단 연결부에는 전극조립체의 하단 형상에 대응하는 구조의 충격완화용 부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 안전부재를 제공한다.

Description

외부충격에 대해 우수한 안전성을 제공하는 이차전지용 안전부재 {Safety Kit for Secondary Battery Providing Excellent Safety against External Impact}
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 안전부재의 분해 사시도이다;
도 3은 도 2의 안전부재가 조립된 상태로 장착되어 있는 전극조립체의 사시도이다.
본 발명은 외부충격에 대해 우수한 안전성을 제공하는 이차전지용 안전부재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차전지용 전극조립체의 양면에 부착되는 한 쌍의 시트형 안전부재로서, 각각의 안전부재는 양극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 A)와 음극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 B) 및 상기 두 금속시트 사이에 개재되는 절연시트로 이루어져 있고, 양측 안전부재의 하단은 상호 연결되어 있으며, 상기 하단 연결부에는 전극조립체의 하단 형상에 대응하는 구조 의 충격완화용 부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 안전부재를 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 적은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 증가하고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시 도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는 다수의 전극 탭들(311, 321)이 연장되어 있는 전극조립체(300), 전극 탭들(311, 321)에 용접되어 있는 전극리드(410, 420), 및 상기 전극조립체(300)를 수용하는 전지케이스(200)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(300)는 분리막이 개재된 상태에서 양극(310)과 음극(320)이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 양극(310)과 음극(320)으로부터 연장된 전극 탭들(311, 321)은 예를 들어, 용접 등에 의해, 일부가 전지케이스(200)의 외부로 노출되는 전극리드(410, 420)에 각각 전기적으로 연결된다. 전극리드(410, 420)의 상하면 일부에는 전지케이스(200)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(430)이 부착되어 있다. 케이스(200)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(300)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다.
이러한 이차전지(100)는 전극조립체(300)의 하단 양측의 모서리부(350)와 그에 대응하는 케이스(200)의 모서리가 취약하므로, 당해 부위에 강한 충격이 가해지거나 전지가 모서리 방향으로 낙하되는 경우, 쉽게 변형되어 내부 단락이 유발될 가능성이 매우 높다.
한편, 안전성 측면에서 이차전지의 문제점들 중 다른 하나는, 외부로부터 침상체 등의 물체가 전지를 압박하거나 그것을 관통하였을 경우, 양극과 음극이 접촉 하면서 단락이 유발되고, 이러한 단락시 많은 열이 발생하면서 발화 내지 폭발에까지 이를 수 있다는 점이다.
따라서, 낙하 등의 외부충격 및 침상 관통에 따른 전지의 안전성 저하를 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 상대적으로 취약한 전지의 하단부에, 그것과 대응하는 구조로서 기계적 강성이 우수하고 완충성이 높은 부재를 부착할 경우, 충격 또는 낙하 등과 같은 외력의 인가시 유발되는 내부 단락을 효과적으로 방지하여, 궁극적으로 전지의 안전성을 한층 더 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 그러한 충격완충용 부재가 부착된 안전부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 침상체의 압박 또는 관통시 미세 단락을 유발하여 전지의 발화 및 폭발을 예방할 수 있는 안전부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 안전부재를 포함하는 것으로 구성된 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 안전부재는, 이차전지용 전극조립체의 양면에 부착되는 한 쌍의 시트형 안전부재로서, 각각의 안전부재는 양극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 A)와 음극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 B) 및 상기 두 금속시트 사이에 개재되는 절연시트로 이루어져 있고, 양측 안전부재의 하단은 상호 연결되어 있으며, 상기 하단 연결부에는 전극조립체의 하단 형상에 대응하는 구조의 충격완화용 부재가 부착되어 있는 것으로 구성되어 있다.
이차전지는 우수한 성능에도 불구하고 앞서 설명한 바와 같이 안전성 측면에서 단점을 가지고 있다. 예를 들어, 외부로부터 침상체 등의 물체가 전지를 압박하거나 그것을 관통하게 되면, 양극과 음극이 접촉되면서 단락이 유발되고, 이러한 단락시 전극 활물질들의 반응에 의해 온도가 급격히 상승하게 된다. 특히, 전기전도성이 낮은 리튬 전이금속 산화물 등의 양극 활물질은 단락시 많은 열을 발생시키므로 발화 내지 폭발에까지 이를 수 있다.
반면에, 상기 안전부재가 전극조립체의 양면에 부가되어 있으면, 상기와 같은 침상체에 의한 전극조립체의 압박 또는 관통시 안전부재의 금속시트들이 우선적으로 접촉되어 단락을 유발하여 통전을 이루게 된다. 그러나, 안전부재의 금속시트에는 전극 활물질이 도포되어 있지 않으므로, 단락에 의한 발열량이 상대적으로 매우 낮으므로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이러한 우선적 단락이 가능할 수 있도록, 앞서 설명한 바와 같이, 안전부재 는 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 두 개의 금속시트들이 절연시트가 개재된 상태로 각각 전지의 양극단자와 음극단자에 연결되어 있다.
본 발명에서, 상기 안전부재의 두 금속시트는 전극조립체의 양극 및 음극을 구성하는 집전체와 동일한 소재일 수 있는 바, 예를 들어, 상기 시트 A는 활물질이 도포되어 있지 않은 알루미늄 호일이고, 상기 시트 B는 활물질이 도포되어 있지 않은 구리 호일일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 안전부재는 침상체 등의 물체에 의한 전극조립체의 압박 또는 관통시, 활물질이 도포되어 있지 않고 각각 양극 및 음극에 전기적으로 연결되어 있는 금속시트들이 우선적으로 접촉하여 미세 단락을 유발함으로써, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 두 금속시트들은 상기 양극 단자 및 음극 단자에 용이하게 연결될 수 있도록 다양한 구조를 가질 수 있는 바, 예들 들어 이들 금속시트들의 일측에 돌출 탭이 형성되어 있는 구조일 수도 있다. 이때, 상기 각각의 돌출 탭들은 상기 양극 단자 및 음극 단자에 대응하는 위치에서 형성되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 전극조립체에서 평면상 양극 단자가 오른쪽으로 편향되어 돌출되어 있고 음극 단자가 왼쪽으로 편향되어 돌출되어 있는 경우, 상기 양극 단자에 연결되는 시트 A의 돌출 탭과 음극 단자에 연결되는 시트 B의 돌출 탭은 상기 단자들에 대응하여 각각 오른쪽과 왼쪽으로 편향되어 형성되어 있다.
상기 안전부재의 절연시트는 절연성을 가지며 박막의 형태로 제조될 수 있는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 전극조립체의 분리막과 같이 반드시 미세 다공성 구조일 필요는 없다. 그러나 절연시트의 예로는, 폴리에틸렌 수지, 폴리프 로필렌 수지 등의 일반적인 범용 수 필름과, 내열성이 우수한 고분자 수지 필름 등을 들 수 있다. 상기 절연시트는 시트 A와 시트 B를 효과적으로 절연시키기 위하여, 상기 두 시트들 보다 다소 크게 구성되는 것이 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 양측 안전부재들은 전극조립체의 양면에 각각 부착되는 안전부재들로서, 그것의 시트 A 및/또는 시트 B의 하단에서 상호 연결될 수 있다. 이때, 상기 금속시트의 하단은, 전극조립체의 전극 단자에 연결되는 돌출 탭이 형성되어 있는 상기 일측에 대향하는 타측을 의미하는 바, 안전부재들의 상기 하단 연결부는 전극조립체의 하단면에 대면하는 형상으로 위치하게 된다. 또한, 상기 양측 안전부재들은 각각 별도로 제조되어 상호 연결될 수도 있지만, 그것의 시트 A 및/또는 시트 B가 일체형으로서 제조되는 것이 바람직하다.
상기의 구조에서, 충격완화용 부재는 안전부재의 하단 연결부에서 그것에 대응하는 전극조립체의 적층 하단면에 접하는 부재로서, 전지 내부에서 전해액 등의 물질과 물리적 또는 화학적 반응을 유발하지 않으면서 높은 기계적 강성을 가지거나 또는 완충성을 가진 소재로 이루어질 수 있다. 이러한 소재의 예로는 PET 또는 실리콘 등을 들 수 있다. 또한, 상기 충격완충용 부재는 전극조립체의 하단 형상에 대응하는 구조로서, 예를 들어, 바(bar) 형태의 부재일 수 있다.
구체적으로, 이러한 바 형태의 충격완충용 부재는 두 금속시트 중에서 하단이 상호 연결되어 있지 않은 양측의 금속시트(예를 들어, 시트 A) 사이에 위치하면서, 하단이 상호 연결되어 있는 금속시트의 하단 연결부(예를 들어, 시트 B) 상에 부착될 수 있다. 이러한 충격완충용 부재는, 안전부재가 전극조립체의 외면을 감 싸도록 장착될 때, 양측 시트 A의 이격거리에 대응하는 폭을 가지면서 시트 B의 하단 연결부 상에 부착(바람직하게는, 상기 하단 연결부에 대응하는 절연시트 상에 부착)되어 있는 것이 바람직하다. 따라서, 이러한 구조의 충격완충용 부재는 안전부재에 안정적으로 부착될 수 있을 뿐만 아니라, 그것에 의한 안전부재의 두께 증가를 최소화할 수 있다.
상기 충격완충용 부재의 두께는 소재의 종류와 소망하는 내충격성 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 전지의 외형변화에 영향을 미치지 않도록 0.5 내지 4 mm의 크기(두께)로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 전극조립체가 그것의 외면이 상기 안전부재에 의해 감싸인 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 리튬 이차전지를 제공한다.
상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 상기 스택형 구조의 전극조립체는 당업계에 널리 공지되어 있으므로, 본 명세서에서 그에 대한 설명은 생략한다. 상기 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.
상기 안전부재의 금속시트들은 전극조립체의 외면을 감싼 상태에서 전극조립체의 전극 탭들이 연결되어 있는 전극리드에 각각 접속되어 있다. 이때, 전극 탭들은 다양한 방식으로 전극리드에 연결될 수 있으며, 바람직하게는 용접에 의해 더 욱 안정적으로 연결될 수 있으며, 금속시트 또한 그로부터 돌출된 탭을 상기 전극 탭 또는 전극리드에 용접에 의해 연결할 수 있다.
본 발명에 따른 전지는 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 구체적으로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지에 바람직하게 적용될 수 있다. 일반적으로 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스는 금속 캔 형태의 전지케이스에 비해 기계적 강성이 약하지만, 본 발명에 따른 안전부재가 장착되는 경우에는 그러한 취약성을 효과적으로 보완할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 안전부재의 분해 사시도가 도시되어 있으며, 도 3에는 그러한 안전부재가 조립된 상태로 장착되어 있는 전극조립체의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 안전부재(500)는 상호 분리되어 있는 알루미늄 시트(510, 510a)와 일체형의 구리 시트(520)가 절연시트(530)를 사이에 두고 부착되어 있고, 바 형태의 충격완충 부재(540)가 구리 시트(520)의 하단 연결부(523) 상에서 절연시트(530)에 부착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이러한 안전부재(500)는, 도 3에서와 같이, 전극조립체(301)를 감싸는 형태 로 부착될 수 있도록, 구리 시트(520)의 연결부(523)에서 절곡이 행해진 뒤, 양극 탭들(310)과 알루미늄 시트(510, 510a)에서 연장된 돌출 탭들(511, 511a)을 연결하고 음극 탭들(320)과 구리 시트(520)에서 연장된 돌출 탭들(521, 522)을 연결하는 것으로, 전극조립체(301)의 외면에 부착된다. 이때, 안전부재(500)는 연결부(523)에 부착되어 있는 충격완충 부재(540)가 내부에 위치할 수 있도록 절곡되며, 그에 따라, 안전부재(500)가 전극조립체(301)에 부착될 때, 안전부재(500)의 알루미늄 시트(510, 510a)는 각각 전극조립체의 상단면과 하단면에 접하고, 충격완충 부재(540)는 전극조립체(301)의 하측면과 접하게 된다.
다시 도 2를 참조하면, 충격완충 부재(540)는 상호 분리되어 있는 두 알루미늄 시트(510, 510a)의 하단 사이에 삽입되는 형태로 위치하게 되며, 그것의 폭(L1)는 두 알루미늄 시트(510, 510a) 하단 사이의 이격거리(L2)와 대략 동일하거나 약간 작은 정도의 크기를 가진다. 또한, 충격완충 부재(540)는 구리 시트(520)의 하단 연결부(523) 상에 위치하고, 두 알루미늄 시트(510, 510a)는 하단 연결부(523)의 폭만큼 이격되어 있으므로, 결과적으로, 충격완충 부재(540)의 폭(L1)은 두 알루미늄 시트(510, 510a) 사이의 이격거리(L2), 및 연결부(523)의 폭(L3)과 대략 일치하게 된다. 이들의 크기는, 도 3에서 보는 바와 같이, 전극조립체의 두께(L4)와 대략 일치한다.
도 3을 참조하면, 구리 시트(520)의 연결부(523)는 전극조립체(301)의 모서 리부(350)에서 빈번하게 발생하는 단락을 방지하기 위하여, 구리 시트(520)의 기타 부위의 너비(W2)에 비하여 다소 좁은 너비(W1)로 이루어져 있다. 따라서, 전극조립체(301)의 모서리부(350)는 충격완충 부재(540)와 절연시트(530) 만으로 감싸이게 되고, 그로 인해 모서리부(350)에 외력이 인가될 때 더욱 우수한 안전성을 제공할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
도 2에서와 같이, 알루미늄 시트/절연시트/구리 시트 및 PET 바를 포함하는 것으로 구성된 안전부재를 제조한 뒤, 도 3에서와 같이, 상기 PET 바가 전극조립체의 하단에 위치할 수 있도록 전극조립체의 외면에 안전부재를 부착하고, 파우치형 전지케이스에 장착한 다음, 전해액을 주입하고 전지케이스를 밀봉하는 것으로 전지를 제조하였다.
[비교예 1]
PET 바를 포함하지 않고 알루미늄 시트/절연시트/구리 시트만으로 구성된 안전부재를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 2]
안전부재를 전극조립체의 외면에 부착하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 전지들을 대상으로, 모서리 방향으로의 전지 낙하 실험과 침상체의 관통 실험을 수행하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 본 실험에서는 각각 20 개의 전지들에 대해 반복적으로 수행하였고, 모서리 방향의 낙하 실험은 1.5 m의 높이에서 전지의 모서리가 바닥에 부딪히는 방향으로 자유 낙하시켜 수행하였으며, 침상체 관통 실험은 DIA 2 mm 및 속도 1 m/분의 조건으로 수행하였다.
<표 1>
Figure 112006048991359-PAT00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들은 모서리 낙하 실험에서 20 개 전지 모두에서 단락이 유발되지 않았다. 즉, 전극조립체를 감싸고 있는 안전부재의 하단 연결부에 높은 기계적 강성의 PET 바가 설치됨으로써 낙하시의 충격에도 불구하고 전지케이스의 변형 및 전극조립체의 변형을 억제하여 단락을 방지할 수 있었다. 또한, 침상 관통시에는 안전부재의 두 금속시트들이 우선적으로 단락을 유발하여 전지의 온도 상승을 억제함으로써 20 개 전지 모두에서 발화가 일어나지 않았다.
반면에, 비교예 1의 전지는 안전부재로 인해 침상 관통시 발화가 유발되지 않았으나, 모서리 낙하시 전지케이스 및 전극조립체의 해당 부위가 변형되면서 단락이 확인되었다. 비교예 2의 전지는 다수의 전지에서 단락 및 발화가 확인되었고, 더욱이 비교예 1 전지에서의 단락과 비교하여 발열량도 상대적으로 컸다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 안전부재는 충격 또는 낙하 등과 같은 외력의 인가시 유발되는 내부 단락을 효과적으로 방지할 수 있고, 침상체의 압박 또는 관통시 미세 단락을 유발하여 전지의 발화 및 폭발을 예방할 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (8)

  1. 이차전지용 전극조립체의 양면에 부착되는 한 쌍의 시트형 안전부재로서, 각각의 안전부재는 양극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 A)와 음극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 B) 및 상기 두 금속시트 사이에 개재되는 절연시트로 이루어져 있고, 양측 안전부재의 하단은 상호 연결되어 있으며, 상기 하단 연결부에는 전극조립체의 하단 형상에 대응하는 구조의 충격완화용 부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 안전부재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 시트 A는 활물질이 도포되어 있지 않은 알루미늄 호일이고, 상기 시트 B는 활물질이 도포되어 있지 않은 구리 호일인 것을 특징으로 하는 안전부재.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양측 안전부재들은 시트 A 또는 시트 B의 하단이 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 안전부재.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 충격완화용 부재는 높은 기계적 강성의 소재 또는 완충성 있는 소재로 이루어진 바(bar) 형태의 부재인 것을 특징으로 하는 안전부재.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 충격완충용 부재는 0.5 내지 4 mm 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 안전부재.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나에 따른 안전부재가 전극조립체를 감싼 상태로 전지케이스에 밀봉되어 있는 리튬 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 전극조립체이고, 상기 안전부재의 금속시트는 전극조립체의 전극 탭들이 연결되어 있는 전극리드에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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