KR20080044696A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20080044696A
KR20080044696A KR1020060114064A KR20060114064A KR20080044696A KR 20080044696 A KR20080044696 A KR 20080044696A KR 1020060114064 A KR1020060114064 A KR 1020060114064A KR 20060114064 A KR20060114064 A KR 20060114064A KR 20080044696 A KR20080044696 A KR 20080044696A
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Abstract

본 발명은 전극군의 중공부에 센터핀을 용이하게 삽입시키고, 아울러 전극군의 변형을 방지할 수 있도록 구성된 이차 전지에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극의 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하고 중공부를 가지고 형성된 전극군과, 상기 전극군과 전해액이 수용된 케이스와, 상기 중공부에 배치되는 센터핀을 포함하며, 아울러 상기 센터핀은 금속봉과, 상기 금속봉의 둘레에 형성된 폴리머층을 포함한다. 여기서 상기 폴리머층은 상기 금속봉에 코팅 처리되어 형성될 수 있고, 또한 상기 폴리머층은 상기 금속봉에 나선형으로 감겨 형성될 수도 있다. 한편, 상기 센터핀은 상기 중공부에 배치되고, 나선형의 원기둥 형태로 형성될 수 있다.
이차 전지, 전극군, 센터핀, 금속봉, 폴리머층

Description

이차 전지{Rechargeable battery}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 센터핀의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지에 적용되는 센터핀을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지에 적용되는 센터핀을 도시한 사시도이다.
도 5A 및 도 5B는 도 4에 도시된 센터핀의 팽창 전과 팽창 후의 상태를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 참조 부호의 설명>
100 : 이차 전지 110 : 전극군
112 : 음극 113 : 세퍼레이터
114 : 양극 130 : 케이스
133 : 하부 절연판 135 : 상부 절연판
140 : 캡 조립체 141 : 캡
143 : 캡 커버 145 : 절연성 가스켓
147 : 러버벤트 149 : 양극탭
150. 250, 350 : 센터핀 155, 255 : 금속봉
157: 폴리머층 116: 중공부
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극군의 변형을 방지할 수 있도록 개선된 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable batteries)는 화학에너지와 전기에너지간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지이다. 최근 휴대용 무선전자 제품들의 개발이 증가되고 있으며, 아울러 이들 제품들의 소형화 및 경량화를 위해, 에너지 밀도가 높은 이차 전지의 필요성도 증대되고 있다.
널리 사용되는 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 그리고 리튬 이차 전지 등이 있는데, 특히 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로서, 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지의 작동 전압보다 3배나 높고, 더욱이 단위 중량당 에너지 밀도도 높아 휴대용 전자 기기의 전원용으로 급속하게 신장되는 추세이다.
이러한 이차 전지는 휴대용 전화기(cellular phone), 개인용 컴퓨터(personal computer) 및 캠코더(camcorder)와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기를 비롯하여, 하이브리드 전기 자동차(hybrid electric vehicles) 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 이차 전지는 양극과 음극이 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 위치하는 전극군(electrode assembly)과, 상기 전극군이 수용되는 공간을 가지는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트를 포함하여 구성된다. 여기서 상기 이차 전지는 전극군과 케이스 등의 형태에 따라 여러 가지 형상으로 제조될 수 있으며, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 및 파우치형 등이 있다.
이중 원통형 이차 전지는, 우선 음극, 세퍼레이터 및 양극을 순차적으로 적층하고 이 적층물의 일단에 중심막대를 결합한 후 상기 적층물을 대략 원통 형태로 감아 전극군을 형성하고, 다음으로 상기 전극군을 케이스에 삽입시키고 이 전극군으로부터 상기 중심막대를 분리한 후, 상기 케이스에 캡 조립체를 설치하는 단계를 거쳐 완성된다.
한편, 상기한 원통형 이차 전지의 제조 과정에서 원통형으로 형성된 전극군으로부터 상기한 중심막대를 분리하게 되면 상기 전극군의 중앙에 중공부가 형성된다. 따라서 상기 중공부에는, 실질적인 이차 전지의 충, 방전 작용시 상기 전극군이 팽창되어 예기치 않은 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해, 대략 봉형태의 센터핀이 삽입된다.
그런데 여기서 센터핀의 직경이 전극군의 중공부 직경과 같거나 크게 형성될 경우, 상기 중공부에 상기 센터핀을 삽입하는 작업이 어려워질 뿐만 아니라, 상기 센터핀에 의해 전극군이 파손될 수 있다.
따라서 종래에는 센터핀이 전극군의 중공부에 용이하게 삽입되도록, 상기 센 터핀의 직경이 상기 중공부의 직경보다 작게 형성되는 경우가 많았는데, 이 경우에는 상기 센터핀이 중공부에 삽입되고 나서 상기 센터핀과 전극군의 내측면 사이에 일정한 간격이 존재하게 된다.
이와 같이, 센터핀과 전극군 사이에 일정 간격이 존재하게 되면, 이차 전지의 충, 방전 과정이나 계속된 이차 전지의 사용으로 전극군에 열이 축적되어 상기 전극군이 중공부를 향해 팽창하는 것을 막을 수 없다는 문제가 발생한다. 이처럼 전극군의 변형이 초래되면, 전극군의 양극 및 음극이 변형되어 양자간의 단락이 발생할 수 있고, 이는 곧 이차 전지의 불량을 유발한다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전극군의 중공부에 센터핀을 용이하게 삽입시키고, 아울러 상기 센터핀으로 인하여 상기 전극군이 상기 중공부를 향해 팽창되어 변형되는 것을 방지할 수 있도록 구성된 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극의 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하며, 중공부를 가지고 형성된 전극군; 상기 전극군과 전해액이 수용된 케이스; 및 상기 중공부에 배치되는 센터핀을 포함하며, 상기 센터핀은 금속봉과, 상기 금속봉의 둘레에 형성된 폴리머층을 포함한다.
상기 폴리머층은 폴리머가 상기 금속봉에 코팅 처리되어 형성될 수 있고, 또한 상기 폴리머층은 폴리머가 상기 금속봉에 나선형으로 감겨 형성될 수도 있다.
상기 센터핀은 상기 중공부에 배치되고, 나선형의 원기둥 형태로 형성될 수 있다. 여기서 상기 센터핀은 폴리머로 이루어질 수 있다.
상기 폴리머에 상기 전해액이 함침될 수 있다.
상기 이차 전지는 원통형 리튬 이차 전지일 수 있다.
상기 금속봉은 철, 구리, 니켈, 니켈합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중에서 선택된 것일 수 있다.
그리고 상기 센터핀이 상기 중공부에 삽입되기 전, 상기 센터핀의 직경은 상기 중공부의 직경보다 작게 형성될 수 있다. 이후, 상기 폴리머층 및 폴리머는 전해액이 함침되어 팽창된다.
여기서 상기 폴리머는 폴리우레탄 아실레이트계(Polyurethane acrylate), 폴리에틸렌 옥사이드 아실레이트계(Polyethylene oxide acrylate), 폴리 아크리로니트릴계(poly acrylonitrile, PAN), 폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly vinylidene fluoride, PVdF), 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide, PEO), 폴리카보네이트계(Polycarbonate), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
한편 본 명세서 및 도면에서 동일한 구성요소는 동일한 부호를 가진다. 그리 고 일반적으로 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지(100)의 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 센터핀(150)의 사시도이다. 이 이차 전지(100)는 리튬 이온 이차 전지로 이루어지나 본 발명이 반드시 이 리튬 이온 이차 전지로 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이차 전지(100)는 크게 전극군(110)과, 케이스(130)와, 캡 조립체(140)와, 센터핀(150)을 포함한다. 여기서 상기 센터핀(150)은 금속봉(155)과, 이를 감싸는 폴리머층(157)으로 이루어진다.
전극군(110)은 음극 활물질이 부착된 음극(112)과, 양극 활물질이 부착된 양극(114)과, 상기 음극(112) 및 양극(114)의 사이에 배치되는 세퍼레이트(113)를 포함하여 구성된다.
이러한 전극군(110)은 음극(112), 세퍼레이터(113) 및 양극(114)을 순차적으로 적층하고 이 것의 일단에 중심막대(도시되지 않음)를 결합한 후 대략 원통 형태로 감음으로써 완성된다. 완성된 전극군(110)은 케이스(130)에 삽입되고, 상기 중심막대는 전극군(100)으로부터 분리된다. 이 중심막대의 분리로 인해 발생된 중공부에는 후술할 센터핀(150)이 삽입된다.
케이스(130)는 대략 원통 형태로 내부에 전극군(110)이 수용되는 공간을 구비하고 있다. 이 케이스(130)의 상부는 개방되어 있으며, 이를 통해 전극군(110)이 상기 케이스(130) 내로 삽입된다.
전극군(110)의 음극(112)에 연결되는 음극탭(도시되지 않음)은 상기 케이스(130)의 내측 아랫면에 용접 등에 의해 접합된다. 전극군(110)의 양극(114)에 연결되는 양극탭(149)은 후술할 캡 커버(143)에 연결된다. 그리고 전극군(110)의 상측에는 상부 절연판(135)이 설치되고, 하측에는 하부 절연판(133)이 설치되어, 상기 전극군(110)과 케이스(130)간에 불필요한 전기적 쇼트를 방지한다.
캡 조립체(140)는 캡(141), 캡 커버(143), 상기 캡(141)과 캡 커버(143) 사이에 위치하는 러버벤트(147), 및 절연성 가스켓(145)을 포함하고 있으며, 개방된 케이스(130)의 상부를 밀폐시키는 역할을 맡고 있다. 밀폐된 케이스(130) 내측에는 전해액(도시되지 않음)이 주입되어 있으며, 이는 충, 방전시 음극(112) 및 양극(114)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온의 이동을 가능하게 한다.
본 실시예에서 상기 캡 조립체(140)로는 통상 널리 알려진 캡 조립체가 적용될 수 있는바, 그 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
한편, 센터핀(150) 즉 폴리머층(157)이 코팅된 금속봉(155)은 전극군(110)의 중심에 형성된 중공부에 설치된다. 상기 센터핀(150)은 이차 전지(100)의 충, 방전 중 발생할 수 있는 전극군(110)의 변형을 예방하기 위한 것으로, 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에서 금속봉(155)은 중공의 원기둥 형상으로 제작된다. 이는 전극군(100)에서 생성된 가스의 이동통로가 확보될 수 있도록 하기 위함이다. 그리고 금속봉(155)은 철, 구리, 니켈, 니켈합금 등 다양한 금속에 의해 형성될 수 있다.
이러한 금속봉(155) 둘레에는 일정한 탄력을 가지는 폴리머층(157)이 코팅된 다. 여기서 상기한 구성을 가지는 센터핀(150)이 전극군(110)의 중공부에 삽입되기 전에, 상기 센터핀(150)의 직경은 상기 중공부 직경보다 작게 형성된다.
그러나 상기 센터핀(150)이 전극군(110)의 중공부에 삽입되고 전해액이 함침되면, 상기 센터핀(150)의 폴리머층(157)은 팽창하게 된다.
팽창된 폴리머층(157)은 전극군(110)을 일정한 압력으로 밀게 되고, 이로써 상기 전극군(110)은 케이스(130) 내부에서 견고하게 고정될 수 있다. 아울러, 폴리머층(157)을 구비한 센터핀(150)은 상기한 폴리머층(157)의 팽창력으로 인해 충, 방전시 전극군(110)이 팽창되어 변형되는 것을 억제할 수 있고, 또한 케이스(130) 외부에서 내측으로 발생하는 외부 압력에 의해 전극군(110)이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 역할을 담당하는 센터핀(150)의 폴리머층(157)은 폴리우레탄 아실레이트계(Polyurethane acrylate), 폴리에틸렌 옥사이드 아실레이트계(Polyethylene oxide acrylate), 폴리 아크리로니트릴계(poly acrylonitrile, PAN), 폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly vinylidene fluoride, PVdF), 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide, PEO), 폴리카보네이트계(Polycarbonate), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지에 적용되는 센터핀(250)을 도시한 사시도이다.
이를 참조하면, 센터핀(250)은 금속봉(255)의 둘레에 폴리머(257)가 나선형으로 감겨진 구성을 가진다. 금속봉(255)은 도 2에 도시된 금속봉(155)과 동일한 것이 사용될 수 있으므로, 철, 구리, 니켈, 니켈합금 등 다양한 금속에 의해 형성될 수 있다. 그리고 폴리머(257)는 별도의 공정을 통해 띠 상의 필름 형태로 구비되어 금속봉(255)에 감겨짐으로써 폴리머층을 형성한다.
또한, 센터핀(250)이 전극군(110, 도 1참조)의 중공부에 삽입되기 전에, 상기 센터핀(250)의 직경은 상기 중공부의 직경보다 작게 형성된다.
이러한 센터핀(250)이 전극군(110)의 중공부에 삽입되고 전해액을 흡수하게 되면, 상기 센터핀(250)의 폴리머(257)는 팽창한다.
상기 센터핀(250)은, 금속봉(255)의 둘레에 폴리머(257)가 나선형으로 감겨지기 때문에, 제1 실시예에서 보다 더욱 잘 팽창되며, 전극군(110)을 더욱 견고하게 고정시킬 수 있다. 아울러 센터핀(250)은 상기한 폴리머층의 팽창력으로 인해 충, 방전 시 전극군(110)이 팽창되어 변형되는 것을 억제할 뿐만 아니라, 케이스(130, 도 1참조) 외부에서 내측으로 발생하는 외부 압력에 의해 전극군(110)이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지에 적용되는 센터핀(350)을 도시한 사시도이다.
이를 참조하면, 센터핀(350)은 폴리머(357)가 나선형의 원기둥 형태로 형성되어 있음을 알 수 있다. 상술한 실시예들과 달리 금속봉(155, 255)이 없이 폴리머(357)만으로 센터핀(350)이 형성된다. 즉 폴리머(357)는 별도의 공정을 통해 띠 상의 필름 형태로 1차 형성된 이후 나선형으로 감겨져 소정 크기를 가진 센터핀(350)으로 제작된다. 이때 상기 센터핀(350)의 직경은 전극군(110)의 중공부 직 경보다 작게 제작된다. 다만, 상기 센터핀(350)이 전극군(110)의 중공부에 삽입되고 전해액을 흡수하게 되면, 상기 센터핀(350)은 팽창하여 전극군(110)을 일정 압력으로 밀게 된다. 이러한 센터핀(350)은, 폴리머(357)가 나선형으로 감겨지기 때문에, 전해액 흡수 시 팽창이 잘 된다는 특징이 있다.
즉, 팽창된 센터핀(350)은 전극군(110)을 일정 압력으로 밀게 되고, 이로써 상기 전극군(110)은 더욱 견고하게 고정된다. 또한, 상기 센터핀(350)은 폴리머(357)의 팽창력으로 인해 충방전 시 전극군(110)이 팽창되어 변형되는 것을 억제할 수 있고, 아울러 케이스(130, 도 1참조) 외부에서 내측으로 발생하는 외부 압력에 잘 견딜 수 있으므로, 상기 압력에 의해 전극군(110)이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
상기한 제2 실시예 및 제3 실시예에서의 폴리머(257, 357)는 폴리우레탄 아실레이트계(Polyurethane acrylate), 폴리에틸렌 옥사이드 아실레이트계(Polyethylene oxide acrylate), 폴리 아크리로니트릴계(poly acrylonitrile, PAN), 폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly vinylidene fluoride, PVdF), 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide, PEO), 폴리카보네이트계(Polycarbonate), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
한편, 이차 전지 제조 시, 이차 전지의 사용 조건에 따라 적절한 센터핀(150, 250, 350)이 선택될 수 있을 것이다.
다음으로는 본 발명의 작용에 대해 도 4에 도시된 센터핀(350)을 예로 하여 설명하기로 한다.
도 5A 및 도 5B는 도 4에 도시된 센터핀(350)의 폴리머(357)가 팽창되기 전과 팽창된 후의 상태를 나타낸 도면이다. 도 5A는 센터핀(350)이 전극군(110)의 중공부(116)에 삽입된 직후 상태를 나타낸다. 상기 센터핀(350)은 중공부(116)의 직경보다 작은 직경을 가지므로, 상기 중공부(116)에 상기 센터핀(350)이 삽입되는 공정은 간단하고 편리하게 진행될 수 있다.
이후 이차 전지의 케이스 내부로 전해액이 주입되어 상기 센터핀(350)의 폴리머(357)가 전해액을 흡수하게 되면, 도 5B에서와 같이 팽창하게 되고, 팽창된 센터핀(350)은 전극군(110)을 일정한 압력으로 밀게 된다. 이로써 케이스(130, 도 1참조) 및 센터핀(350) 사이에 위치한 전극군(110)은 견고하게 고정될 수 있다. 또한, 이러한 센터핀(350)은 이차 전지의 충, 방전 시 전극군(110)이 중공부(116)를 향해 팽창되어 변형되는 것을 억제할 수 있고, 아울러 케이스(130) 외부에서 내측으로 발생하는 외부 압력에 의해 전극군(110)이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전극군의 중공부에 삽입되는 센터핀이 전해액을 흡수하여 팽창될 수 있는 구성을 가지고 있기 때문에, 케이스 및 센터핀 사이에 위치한 전극군은 견고한 상태로 고정될 수 있다.
또한, 본 발명은 이차 전지의 충, 방전 시 전극군이 팽창되어 변형되는 것을 억제하고, 아울러 케이스 외부에서 내측으로 발생하는 외부 압력에 의해 전극군이 변형되는 것을 방지한다.

Claims (11)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극의 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하며, 중공부를 가지고 형성된 전극군;
    상기 전극군과 전해액이 수용된 케이스; 및
    상기 중공부에 배치되는 센터핀
    을 포함하며,
    상기 센터핀은 금속봉과, 상기 금속봉의 둘레에 형성된 폴리머층을 포함하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차 전지는 원통형 리튬 이차 전지인 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속봉은 철, 구리, 니켈, 니켈합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 이차 전지.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머층에 상기 전해액이 함침된 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 폴리머층은 폴리우레탄 아실레이트계(Polyurethane acrylate), 폴리에틸렌 옥사이드 아실레이트계(Polyethylene oxide acrylate), 폴리 아크리로니트릴계(poly acrylonitrile, PAN), 폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly vinylidene fluoride, PVdF), 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide, PEO), 폴리카보네이트계(Polycarbonate), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 형성된 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머층은 폴리머가 상기 금속봉에 코팅 처리되어 형성된 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머층은 폴리머가 상기 금속봉에 나선형으로 감겨진 이차 전지.
  8. 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극의 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하며, 중공부를 가지고 형성된 전극군;
    상기 전극군과 전해액이 수용된 케이스; 및
    상기 중공부에 배치되고, 나선형의 원기둥 형태로 형성된 센터핀
    을 포함하는 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 센터핀은 폴리머로 이루어진 이차 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 폴리머에 상기 전해액이 함침된 이차 전지.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머는 폴리우레탄 아실레이트계(Polyurethane acrylate), 폴리에틸렌 옥사이드 아실레이트계(Polyethylene oxide acrylate), 폴리 아크리로니트릴계(poly acrylonitrile, PAN), 폴리 비닐리덴 플루오라이드(poly vinylidene fluoride, PVdF), 폴리 에틸렌 옥사이드(poly ethylene oxide, PEO), 폴리카보네이트계(Polycarbonate), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인 이차 전지.
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