KR20080066314A - Secondary battery having top insulator combined with jelly-roll type electrode assembly - Google Patents

Secondary battery having top insulator combined with jelly-roll type electrode assembly Download PDF

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Abstract

A secondary battery including a top insulation member coupled to a jelly-roll assembly is provided to cause the top portion of the jelly roll assembly to be pressurized against the insulation member, thereby inhibiting deformation of the jelly-roll assembly and preventing internal short. A secondary battery comprises a jelly-roll assembly(100) including a cathode(200), an anode(400) and a separator interposed therebetween, a battery casing for housing the jelly-roll assembly, and an insulation member(top insulation member)(500) mounted to the top of the jelly-roll assembly, wherein the bottom surface of the top assembly is coupled to the top of the jelly-roll assembly by way of thermal plastic deformation.

Description

상부 절연체가 젤리-롤에 결합되어 있는 이차전지 {Secondary Battery Having Top Insulator Combined with Jelly-Roll Type Electrode Assembly}Secondary Battery Having Top Insulator Combined with Jelly-Roll Type Electrode Assembly}

도 1은 종래기술의 원통형 전지에서 젤리-롤의 상단에 상부 절연체가 탑재된 상태의 부분 단면도이다;1 is a partial cross-sectional view of an upper insulator mounted on top of a jelly-roll in a cylindrical battery of the prior art;

도 2는 도 1의 원통형 전지에서 상부 절연체에 의해 젤리-롤의 상단이 눌린 상태의 부분 단면도이다;FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the top of the jelly-roll pressed by the upper insulator in the cylindrical battery of FIG. 1; FIG.

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 상부 절연체가 젤리-롤의 상단에 결합되어 있는 상태의 부분 단면도이다.3 is a partial cross-sectional view of the upper insulator coupled to the top of the jelly-roll in accordance with one embodiment of the present invention.

본 발명은 상부 절연체가 젤리-롤에 결합되어 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 전지케이스에 내장되어 있고 상기 젤리-롤의 상단에 절연성의 부재('상부 절연체')가 탑재되어 있는 이차전지로서, 상기 상부 절연체의 하단면은 열적 소성변형에 의해 젤리-롤의 상단에 결합되 어 있는 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a secondary battery in which an upper insulator is coupled to a jelly roll, and more particularly, a jelly / roll having a cathode / separation membrane / cathode structure is embedded in a battery case and has an insulating property on top of the jelly roll. A secondary battery in which a member ('top insulator') is mounted, the bottom surface of the upper insulator relates to a secondary battery coupled to the top of the jelly-roll by thermal plastic deformation.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for batteries as energy sources is rapidly increasing, and accordingly, many studies on batteries that can meet various demands have been conducted.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. According to the shape of the battery case, secondary batteries are classified into cylindrical batteries and rectangular batteries in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can, and pouch-type batteries in which the electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet. .

또한, 이차전지는 충방전이 가능한 발전소자로서, 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) 등의 유닛 셀들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다. In addition, the secondary battery is a power generator capable of charging and discharging, and may be classified according to the structure of the electrode assembly having a cathode / separation membrane / cathode structure, and typically, a separator having a long sheet-shaped cathode and an anode interposed therebetween. Jelly-roll (wound) electrode assembly having a structure wound in a closed state, stack-type electrode assembly in which a plurality of positive and negative electrodes cut in units of a predetermined size are sequentially stacked with a separator therebetween, predetermined units And a stack / foldable electrode assembly having a structure in which unit cells, such as a bi-cell or a full cell, are stacked with the positive and negative electrodes of the positive electrode and the negative electrode interposed therebetween.

그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어서, 각형 또는 원통형 전지케이스에 탑재되는 전극조립체로 널리 사용되고 있다. Among them, the jelly-roll type electrode assembly has an advantage of easy manufacturing and high energy density per weight, and thus is widely used as an electrode assembly mounted in a rectangular or cylindrical battery case.

이러한, 각형 또는 원통형 이차전지에서 젤리-롤형 전극조립체의 상단에는 탑 캡, 전극리드 등과의 절연성을 확보하기 위하여, 젤리-롤의 수평단면 형상에 대 응하는 절연성의 부재(일명, '상부 절연체(top insulator)'라 함)가 탑재되어 있다. 그러나, 전지셀이 낙하되거나 전지셀의 상단에 충격이 가해지는 경우, 이러한 상부 절연체에 의해 젤리-롤의 상단부가 눌리면서 전극간 단락, 전극과 캔의 단락 등이 유발되는 문제점이 존재한다. 이러한 문제점을 도면을 참조하여 이하에서 설명한다. In the rectangular or cylindrical secondary battery, an insulating member corresponding to the horizontal cross-sectional shape of the jelly-roll in order to secure insulation with a top cap and an electrode lead is formed on the top of the jelly-roll type electrode assembly. top insulator)). However, when the battery cell is dropped or an impact is applied to the top of the battery cell, there is a problem that the upper end of the jelly-roll is pressed by such an upper insulator, causing short-circuits between electrodes, short-circuits between electrodes and cans, and the like. This problem is described below with reference to the drawings.

도 1에는 종래기술의 원통형 전지에서 젤리-롤의 상단에 상부 절연체가 탑재된 상태의 부분 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 원통형 전지에서 상부 절연체에 의해 젤리-롤의 상단이 눌린 상태의 부분 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.1 is a partial cross-sectional view schematically showing the upper insulator is mounted on the top of the jelly-roll in the cylindrical battery of the prior art, Figure 2 is a top of the jelly-roll by the upper insulator in the cylindrical battery of Figure 1 A partial sectional view of this pressed state is schematically shown.

이들 도면을 참조하면, 분리막이 개재된 상태에서 양극시트와 음극시트를 권취하면, 도면에서와 같이 양극(20)/분리막(30)/음극(40) 구조의 전극조립체(젤리-롤: 10)가 만들어진다. 충방전 과정에서 과잉의 리튬 이온이 음극(40)에서 리튬 금속으로 석출되는 것을 방지하기 위하여, 일반적으로 음극(40)은 양극(20)보다 크게 제작된다. 또한, 충방전 과정에서 전극이 수축 팽창함으로 인해 유발되는 단락을 방지하기 위하여, 일반적으로 분리막(30)은 양극(20) 뿐만 아니라 음극(40)보다 크게 제작된다. 따라서, 젤리-롤(10)의 상단을 기준으로 분리막(30), 음극(40), 양극(20) 순으로 높이가 형성된다. Referring to these drawings, when the positive electrode sheet and the negative electrode sheet are wound while the separator is interposed, the electrode assembly (jelly-roll: 10) having the structure of the anode 20 / separator 30 / cathode 40 as shown in the figure Is made. In order to prevent excess lithium ions from being deposited from the negative electrode 40 to the lithium metal during the charging and discharging process, the negative electrode 40 is generally made larger than the positive electrode 20. In addition, in order to prevent a short circuit caused by contraction and expansion of the electrode in the charge and discharge process, the separator 30 is generally made larger than the anode 20 as well as the cathode 40. Therefore, the height is formed in order of the separator 30, the cathode 40, and the anode 20 based on the top of the jelly-roll 10.

또한, 젤리-롤(10)의 상단에는 캡 어셈블리(도시하지 않음)와의 단락을 방지할 수 있도록 원판 구조의 상부 절연체(50)가 탑재되어 있다. In addition, an upper insulator 50 having a disc structure is mounted on an upper end of the jelly roll 10 to prevent a short circuit with a cap assembly (not shown).

이러한 상부 절연체(50)는 전지셀의 낙하 또는 강한 외력이 전지셀에 인가될 때, 예를 들어, 전지셀의 좌측 상단에서 인가된 외력에 의해 기울어지면서, 양극(20)보다 돌출된 음극(40)을 누르게 되고, 외력을 받은 음극(40)의 상단이 절곡되면서 양극(20)의 상단과 접촉됨으로써, 내부 단락을 유발할 있다. 이러한 내부 단락은 이차전지의 안전성에 심각한 지장을 초래한다.The upper insulator 50 has a negative electrode 40 protruding from the positive electrode 20 while being inclined by the external force applied at the upper left side of the battery cell, for example, when a drop or strong external force of the battery cell is applied. ) Is pressed, and the upper end of the negative electrode 40 subjected to the external force is bent to contact the upper end of the positive electrode 20, thereby causing an internal short circuit. This internal short circuit seriously impairs the safety of the secondary battery.

외부 충격에 의한 젤리-롤의 안정성 문제와 관련하여 다양한 연구들이 수행된 바 있다. 일 예로, 일본 특허출원공개 제1998-125335호에는 외부 충격시 전지의 내부단락을 방지하고 생산성을 향상시키기 위하여, 젤리-롤을 수납한 전지케이스의 바닥면과 전기적으로 연결되어 있고 젤리-롤에서 도출된 리드(lead)판 사이에 리드판과 열용착된 상태로 개재되어 있는 열용착성 절연판을 구비한 전지가 개시되어 있다. Various studies have been conducted regarding the stability problem of jelly-roll by external impact. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1998-125335 discloses an electrical connection with the bottom surface of a battery case in which a jelly roll is stored in order to prevent an internal short circuit of the battery during an external impact and to improve productivity. Disclosed is a battery provided with a heat sealable insulating plate interposed in a state of being thermally welded with a lead plate between the lead plates.

일반적으로, 원통형 또는 각형 전지에서 젤리-롤의 상단 부위는 제조공정상의 한계, 구조적 특징으로 인해, 전지케이스인 금속 캔의 개방에 장착되는 캡 어셈블리 또는 탑 캡으로부터 소정의 간격으로 이격되어 있다. 따라서, 외부 충격 또는 낙하시 유발되는 안전성 문제는 젤리-롤의 하단보다는 상단에서 심각하지만, 상기 출원의 전지 구조는 젤리-롤의 하부에 가해지는외력만을 고려하였을 뿐, 상부에 가해지는 외력 및 상부쪽으로 유발된 전지셀의 낙하에 따른 문제점을 근본적으로 해결하지는 못한다. In general, the top portion of the jelly-roll in cylindrical or rectangular cells is spaced at predetermined intervals from the cap assembly or top cap mounted to the opening of the metal can, which is the battery case, due to manufacturing process limitations and structural features. Therefore, the safety problem caused by external impact or drop is serious at the top rather than the bottom of the jelly-roll, but the cell structure of the application only considers the external force applied to the bottom of the jelly-roll, and the external force and the top applied to the top It does not fundamentally solve the problem caused by the drop of the battery cell caused toward.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need for a technology that can fundamentally solve these problems.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 젤리-롤의 상단에 절연성의 부재('상부 절연체')가 탑재되어 있는 이차전지에서, 상부 절연체의 하단면을 소정의 형태로 젤리-롤의 상단에 결합시킬 경우, 낙하 또는 외부 충격의 인가시에도 젤리-롤의 상단부가 상부 절연체에 의해 눌림으로써 초래되는 젤리-롤의 변형을 억제하여, 내부 단락을 근본적으로 방지할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present application have carried out in-depth studies and various experiments, and in a secondary battery in which an insulating member ('top insulator') is mounted on the top of the jelly roll, the bottom surface of the top insulator is formed in a predetermined form. -When coupled to the top of the roll, it is possible to fundamentally prevent the internal short circuit by suppressing the deformation of the jelly-roll caused by the upper end of the jelly-roll being pressed by the upper insulator even when a drop or an external impact is applied. It has been found and the present invention has been completed.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 전지케이스에 내장되어 있고 상기 젤리-롤의 상단에 절연성의 부재('상부 절연체')가 탑재되어 있는 이차전지로서, 상기 상부 절연체의 하단면은 열적 소성변형에 의해 젤리-롤의 상단에 결합되어 있는 것으로 구성되어 있다. Accordingly, the secondary battery according to the present invention is a secondary battery in which a jelly-roll having a cathode / separation membrane / cathode structure is built in a battery case and an insulating member ('top insulator') is mounted on an upper end of the jelly-roll. The bottom surface of the upper insulator is configured to be coupled to the top of the jelly-roll by thermal plastic deformation.

본 발명에 따른 이차전지에서, 상부 절연체의 하단면은 젤리-롤의 상단 형상에 대응하여 열적 소성변형에 의해 결합되어 있어서, 전지의 낙하 또는 외부 충격의 인가시에도 상부 절연체에 젤리-롤의 상단부가 눌리면서 발생할 수 있는 젤리-롤의 변형을 억제할 수 있으므로, 전극간 단락 또는 전극과 캔의 단락을 방지할 수 있다. 또한, 종래 젤리-롤과 금속 소재의 전지케이스와의 단락을 방지하기 위해 상대적으로 큰 보호 테이프 등을 부착하였는 바, 경우에 따라서는 이러한 추가적인 공정을 생략할 수 있으므로 제조 공정이 단순화시킴으로써 생산성을 크게 향상시킬 수 있다. In the secondary battery according to the present invention, the lower surface of the upper insulator is coupled by thermal plastic deformation corresponding to the upper shape of the jelly-roll, so that the upper end of the jelly-roll on the upper insulator even when the battery is dropped or an external impact is applied. Since it is possible to suppress the deformation of the jelly-roll that may occur while pressing, the short between the electrodes or the short between the electrodes and the can can be prevented. In addition, in order to prevent short circuit between the jelly-roll and the metal battery case, a relatively large protective tape or the like is attached. In some cases, such an additional process may be omitted, thereby simplifying the manufacturing process to greatly increase productivity. Can be improved.

일반적으로, 상기 상부 절연체가 젤리-롤의 상단에 분리된 상태로 탑재되어 있거나, 접착제 등에 의해 단순히 부착되어 있는 경우에는, 전지의 낙하 또는 외부 충격의 인가시, 예를 들어, 젤리-롤의 상단에서 양극보다 길게 돌출된 음극의 단부가 절곡되는 등의 변형이 일어나게 되며, 이로 인해 양극과 접촉되면서 내부 단락이 발생하게 된다. 그러나, 본 발명에서와 같이, 불균일한 전극조립체 상단에 대응하여 상부 절연체의 하단면이 소성변형되면서 결합되면, 음극 단부의 변형이 일어나기 어렵게 되고, 음극의 변형이 일어나더라도 양극의 단부와 접촉되기는 어렵게 되므로, 음극과 양극의 접촉에 의한 단락이 방지된다. In general, when the upper insulator is mounted on the top of the jelly-roll or simply attached by an adhesive or the like, when the battery is dropped or an external impact is applied, for example, the top of the jelly-roll Deformation such as the end of the negative electrode protruding longer than the positive electrode is generated, such that the internal short circuit occurs while contacting the positive electrode. However, as in the present invention, when the bottom surface of the upper insulator is bonded while being plastically deformed to correspond to the top of the non-uniform electrode assembly, deformation of the negative electrode end is difficult to occur, and even if the negative electrode deformation occurs, it is difficult to contact the end of the positive electrode. Therefore, a short circuit due to contact between the cathode and the anode is prevented.

따라서, 상기 '열적 소성변형'은 가열에 의해 상부 절연체의 적어도 하단면이 전극조립체의 상단 형상에 대응하여 비가역적으로 변형되는 것을 의미한다. 열적 소성변형 과정에서 분리막은 상부 절연체의 하단면에 융착될 수도 있으며, 상대적으로 길게 돌출된 전극(예를 들어, 음극)의 단부가 상부 절연체에 삽입되는 형상이 만들어진다. 경우에 따라서는, 상대적으로 낮은 높이의 전극(예를 들어, 양극)의 단부에 상부 절연체의 일부가 도달할 수 있도록 소성변형이 행해질 수도 있다. Therefore, the 'thermal plastic deformation' means that at least the bottom surface of the upper insulator is irreversibly deformed to correspond to the top shape of the electrode assembly by heating. In the thermal plastic deformation process, the separator may be fused to the bottom surface of the upper insulator, and a shape in which an end of a relatively long protruding electrode (eg, a cathode) is inserted into the upper insulator is formed. In some cases, plastic deformation may be performed so that a portion of the upper insulator can reach the end of the relatively low height electrode (eg, anode).

이러한 열적 소성변형에 의한 젤리-롤 상단/상부 절연체 하단면의 결합은 다양한 방법으로 달성될 수 있다. Coupling of the jelly-roll top / top insulator bottom surface by such thermal plastic deformation can be accomplished in various ways.

하나의 바람직한 예에서, 상기 젤리-롤 상단에 대한 상부 절연체 하단면의 결합은, 상부 절연체의 하단면이 용융(melting)되면서 젤리-롤의 상단에 열융착됨으로써 달성될 수 있다. In one preferred example, the coupling of the upper insulator bottom surface to the top of the jelly-roll may be accomplished by thermally fusion to the top of the jelly-roll while the bottom surface of the upper insulator is melted.

상기 용융은 물질의 상태가 고상에서 액상으로 변화되는 것을 의미하는 바, 상부 절연체의 하부 또는 상부 절연체 전체를 그것의 융점 전후의 온도로 가열하여 소망하는 열융착을 수행할 수 있다. The melting means that the state of the material is changed from the solid phase to the liquid phase, and thus, the lower or upper insulator of the upper insulator may be heated to a temperature before and after its melting point to perform a desired heat fusion.

상기 열융착을 위한 상부 절연체의 소재는 전체가 하나의 소재로 구성될 수도 있고, 부분적으로 다른 소재로 구성될 수도 있다. The material of the upper insulator for thermal fusion may be composed entirely of one material, or part of another material.

예를 들어, 상부 절연체를 단면상의 상부와 하부로 나누어, 상부는 열적 소성변형을 위한 가열시에도 그 형상을 유지할 수 있는 소정의 강성(Rigidity)과 높은 융점을 가진 소재로 구성하고, 하부는 상대적으로 낮은 융점을 가진 소재로 구성하여, 하부 소재의 융점으로 열을 인가할 때, 상부 절연체의 하단면이 젤리-롤 상단의 형상에 대응하여 소성 변형되면서 열융착 되도록 할 수 있다. For example, the upper insulator is divided into upper and lower parts on the cross section, and the upper part is made of a material having a predetermined rigidity and high melting point that can maintain its shape even when heated for thermal plastic deformation, and the lower part is relatively By forming a material having a low melting point, when the heat is applied to the melting point of the lower material, the lower surface of the upper insulator may be thermally fused while plastic deformation corresponding to the shape of the top of the jelly-roll.

상기 열융착을 위한 소재의 융점은 60 내지 80℃의 온도범위에 있는 것이 바람직하다. 소재의 융점이 60℃ 보다 낮으면, 전지의 작동 상태의 온도에 근접하여, 전지의 작동 상태에서 액상으로 변하여 젤리-롤에 영향을 줄 수 있으므로 바람직하지 않다. 반면에, 소재의 융점이 80℃ 보다 높으면, 용융을 위한 가열시 상부 절연체와 함께 온도가 상승할 수 있는 젤리-롤에서 전극 활물질 등의 열화를 초래할 수 있으므로 바람직하지 않다.Melting point of the material for the thermal fusion is preferably in the temperature range of 60 to 80 ℃. If the melting point of the material is lower than 60 ° C., it is not preferable because the temperature of the material is close to the temperature of the operating state of the battery, and it may turn into a liquid phase in the operating state of the battery and affect the jelly-roll. On the other hand, if the melting point of the material is higher than 80 ° C, it is not preferable because it may cause deterioration of the electrode active material or the like in the jelly-roll which may rise in temperature with the upper insulator upon heating for melting.

이러한 소재는 젤리-롤의 화학적 성질에 영향을 미치지 않으면서 상기 온도 범위에 용융된 후, 젤리-롤 상단의 형상에 대응하는 형상으로 변형됨과 동시에 냉각되어 젤리-롤 상단에 결합될 수 있는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 cis-1,4-Polyisoprene, trans-1,4-Polyisoprene, cis-1,4-Polyisoprene, Poly(ethylene adipate)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.Such a material can be melted in the above temperature range without affecting the chemical properties of the jelly-roll, and then deformed into a shape corresponding to the shape of the jelly-roll top and cooled and bonded to the jelly-roll top. It is not particularly limited, preferably one or two or more selected from the group consisting of cis-1,4-Polyisoprene, trans-1,4-Polyisoprene, cis-1,4-Polyisoprene, Poly (ethylene adipate) .

젤리-롤 상단에 상부 절연체의 하단면을 결합시키는 또 다른 바람직한 예로는, 상부 절연체의 하단면이 연화(softening)되면서 젤리-롤 상단의 형상에 대응하여 소성 변형되는 구성을 들 수 있다.Another preferred example of coupling the bottom surface of the upper insulator to the top of the jelly-roll may include a configuration in which the bottom surface of the top insulator is softened and plastically deformed to correspond to the shape of the top of the jelly-roll.

상부 절연체 하단면의 연화는 용융과 마찬가지로 열적 소성변형이 가능할 수 있는 하나의 예이지만, 일반적으로 소재의 융점 보다 낮은 온도에서 고상의 물질이 가열에 의해 부드러운 상태로 변화되는 상태를 의미한다. 이와 같이, 부드러운 상태로 변화된 상부 절연체 하단면은 젤리-롤의 상단 형상에 대응하는 형상으로 변화되면서 젤리-롤 상단에 결합될 수 있다. Softening of the lower surface of the upper insulator is one example in which thermal plastic deformation may be possible as in melting, but generally refers to a state in which the solid material is changed to a soft state by heating at a temperature lower than the melting point of the material. As such, the lower surface of the upper insulator changed into a soft state may be coupled to the top of the jelly-roll while being changed into a shape corresponding to the top shape of the jelly-roll.

상부 절연체의 연화가 가능한 온도 역시, 앞서 설명한 바와 같은 이유로 인해, 60 내지 80℃의 온도범위에 있는 것이 바람직하다.The temperature at which the upper insulator can be softened is also preferably in the temperature range of 60 to 80 ° C. for the reasons described above.

이러한 소재는 젤리-롤의 화학적 성질에 영향을 미치지 않으면서, 상기 온도 범위에서 연화되어 젤리-롤 상단의 형상에 대응하는 형상으로 변형되면서 결합될 수 있는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 폴리비닐아세탈, 비니온(Vinyon), 메타크릴수지, 페체섬유(pc fiber) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다. Such a material is not particularly limited as long as it is a material which is softened in the above temperature range and can be combined while being deformed into a shape corresponding to the shape of the top of the jelly-roll without affecting the chemical properties of the jelly-roll, preferably It may be one or two or more selected from the group consisting of polyvinyl acetal, Vinion, methacryl resin, peptic fiber (pc fiber) and the like.

상기 열적 소성변형을 위한 가열은 전지의 조립 과정에서 수행할 수도 있고 조립이 완료된 상태에서 수행할 수도 있다. The heating for thermal plastic deformation may be performed in the assembly process of the battery, or may be performed in a state where the assembly is completed.

구체적으로, 전지의 조립 과정 중 상부 절연체를 젤리-롤의 상단에 탑재한 상태에서 수행할 수 있다. 또한, 전지케이스에 젤리-롤을 탑재하고, 그 위에 상기 상부 절연체를 탑재한 후, 캡 어셈블리 등의 전지 상단의 부품을 최종적으로 탑재하여, 밀봉한 다음 외부에서 열을 가함으로써, 상부 절연체의 하단면이 용융 내지 연화되게 하여 젤리-롤의 상단과 결합시킬 수도 있다.In detail, the upper insulator may be mounted on the top of the jelly-roll during the battery assembly process. In addition, by mounting a jelly roll on a battery case, mounting the upper insulator thereon, and finally mounting a component on the top of the battery such as a cap assembly, sealing and applying heat from the outside, the lower end of the upper insulator The face may be melted or softened to bond with the top of the jelly-roll.

경우에 따라서는, 완성된 전지의 작동 중 비정상적인 작동 조건에서 발생하는 열에 의해 열적 소성변형을 수행할 수도 있다. 이 경우, 젤리-롤 상에 절연체가 단지 탑재된 상태로 제조된 이차전지에서, 상부 절연체의 하단면을 완성된 전지의 작동 중 비정상적인 작동 조건에서 발생하는 열에 의해 용융될 수 있는 소재로 구성함으로써, 비정상적인 작동에 의한 전지 내부의 단락이 발생하기 전에, 젤리-롤의 상단과 상부 절연체의 하단면이 결합되게 하여, 단락의 가능성을 줄일 수도 있다. In some cases, thermal plastic deformation may be performed by heat generated under abnormal operating conditions during operation of the finished battery. In this case, in the secondary battery manufactured with the insulator only mounted on the jelly-roll, the lower surface of the upper insulator is made of a material which can be melted by heat generated under abnormal operating conditions during operation of the finished cell, Before a short circuit inside the cell due to abnormal operation occurs, the top of the jelly-roll and the bottom surface of the upper insulator may be coupled, thereby reducing the possibility of a short circuit.

하나의 바람직한 예에서, 상기 상부 절연체를 젤리-롤의 상단에 탑재한 상태에서 열적 소성변형을 위한 가열 중, 젤리-롤의 상단이 변형되지 않는 범위에서 상부 절연체를 가압하여 소성변형을 더욱 용이하게 달성할 수 있다. 이 경우, 상부 절연체의 적어도 일부를 그것의 융점 이상으로 가열하지 않더라도, 상부 절연체의 하단면이 가열에 의해 연화되면서 젤리-롤 상단의 형상에 대응하여 소성 변형이 가능하게 되므로, 상대적으로 낮은 온도에서도 소망하는 소성변형을 달성할 수 있다.In one preferred embodiment, during the heating for thermal plastic deformation while the upper insulator is mounted on the top of the jelly-roll, the upper insulator is pressed in a range where the top of the jelly-roll is not deformed, thereby facilitating plastic deformation more easily. Can be achieved. In this case, even if at least a part of the upper insulator is not heated above its melting point, the lower surface of the upper insulator is softened by heating and plastic deformation is possible corresponding to the shape of the top of the jelly-roll, even at a relatively low temperature. Desired plastic deformation can be achieved.

상기 전지케이스는 각형 또는 원통형의 금속 캔인 것이 바람직한 바, 각형 이차전지 또는 원통형 이차전지는 공통적으로 양극/분리막/음극의 전극조립체를 전지케이스에 탑재한 후 상부 절연체를 탑재하고, 베이스 플레이트(Base Plate)나 캡 어셈블리와 같은 전지 상단 부품을 덮고 밀봉하여 제조된다.Preferably, the battery case is a metal can of a rectangular or cylindrical shape. A rectangular secondary battery or a cylindrical secondary battery has an electrode assembly of a cathode / separation membrane / cathode in a battery case, and then mounts an upper insulator and a base plate. And top cover components such as cap assembly.

본 발명은 또한, 상기 이차전지의 제조 과정에서 젤리-롤의 상단에 탑재되는 절연성의 부재로서, 적어도 하부가 60 내지 80℃의 융점 또는 연화점을 가진 소재로 이루어진 상부 절연체를 제공한다.The present invention also provides an upper insulator made of a material having a melting point or a softening point of at least 60 to 80 ° C. as an insulating member mounted on top of a jelly roll in a secondary battery manufacturing process.

일반적인 이차전지에서 사용되는 상부 절연체가 적어도 100℃ 이상의 융점을 가진 소재로 이루어져 있음을 고려할 때, 본 발명에 따른 상부 절연체는 그 자체로서 신규한 절연체이다. Considering that the upper insulator used in the general secondary battery is made of a material having a melting point of at least 100 ° C. or higher, the upper insulator according to the present invention is a novel insulator by itself.

이러한 상부 절연체는 다양한 구조가 가능하며, 예를 들어, 수직 단면상의 상부와 하부로 나누었을 경우, Such an upper insulator can have various structures, for example, when divided into upper and lower portions on a vertical cross section,

i) 상부는 용융을 위한 가열시에도 그 형상을 유지할 수 있는 소정의 강성과 높은 녹는점을 가진 소재로 이루어져 있고, 하부는 60 내지 80℃의 낮은 온도에서 용융됨으로써 젤리-롤의 상단의 형상에 대응하여 소성변형될 수 있는 소재로 이루어진 구조, i) The upper part is made of a material having a predetermined stiffness and a high melting point that can maintain its shape even when heated for melting, and the lower part is melted at a low temperature of 60 to 80 ° C. to the shape of the top of the jelly-roll. A structure made of a material that can be plastically deformed correspondingly,

ii) 상부는 연화를 위한 가열 시에도 그 형상을 유지할 수 있는 소정의 강성과 높은 연화점을 가진 소재로 이루어져 있고, 하부는 60 내지 80℃의 낮은 온도에서 연화됨으로써 젤리-롤의 상단의 형상에 대응하여 소성변형될 수 있는 소재로 이루어진 구조, ii) The upper part is made of a material having a high softening point and a predetermined stiffness that can maintain its shape even when heated for softening, and the lower part is softened at a low temperature of 60 to 80 ° C. to correspond to the shape of the top of the jelly-roll. Structure made of a material that can be plastically deformed by

iii) 상부 및 하부 모두 60 내지 80℃의 낮은 온도에서 용융되는 소재로 이루어진 구조, 및 iii) a structure consisting of a material which is melted at a low temperature of 60 to 80 ° C. for both the upper and lower parts, and

iv) 상부 및 하부 모두 60 내지 80℃의 낮은 온도에서 연화되는 소재로 이루어진 구조 등을 들 수 있다.iv) a structure composed of a material which is softened at a low temperature of 60 to 80 ° C. in both the upper part and the lower part.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, although described with reference to the drawings according to an embodiment of the present invention, this is for easier understanding of the present invention, the scope of the present invention is not limited thereto.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 상부 절연체가 젤리-롤의 상단 형상에 대응하는 형상으로 결합되어 있는 상태의 부분 단면도가 모식적으로 도시되어 있다. 젤리-롤의 전반적인 구조는 도 1에서와 동일하므로, 이하에서는 본 발명의 특징적인 사항에 대해서만 설명한다. 3 is a partial cross-sectional view of a state in which the upper insulator according to one embodiment of the present invention is coupled in a shape corresponding to the top shape of the jelly-roll. Since the overall structure of the jelly-roll is the same as in FIG. 1, only the features of the present invention will be described below.

도 3을 참조하면, 젤리-롤(100)의 상단에 탑재되어 있는 상부 절연체(500)는 그것의 하단면(510)이 젤리-롤(100)의 상단에 대응하는 형상으로 변형되어 있고, 그러한 변형에 의해 상호 결합 상태를 유지하고 있다.Referring to FIG. 3, the upper insulator 500 mounted on the top of the jelly-roll 100 has its lower surface 510 deformed into a shape corresponding to the top of the jelly-roll 100. The state of mutual coupling is maintained by the deformation.

구체적으로, 상부 절연체(500)의 하단면(510)은 젤리-롤(100) 중 음극(400)의 상단을 감싸면서 대략 양극(200)의 상단에 도달하는 정도로 변형되어 있다. 양극(200) 및 음극(400)과 비교하여 상대적으로 부드러운 소재로 이루어진 분리막(300)은 소성변형 과정에서 상부 절연체(500)의 하단면(510)에 융합된다. Specifically, the bottom surface 510 of the upper insulator 500 is deformed to reach the upper end of the anode 200 while surrounding the upper end of the cathode 400 of the jelly-roll 100. The separator 300 made of a relatively soft material as compared with the anode 200 and the cathode 400 is fused to the bottom surface 510 of the upper insulator 500 during the plastic deformation process.

상대적으로 돌출된 음극(400)의 단부를 감싸는 형태로 상부 절연체(500)의 하단면이 결합되어 있으므로, 전지의 낙하 또는 외부 충격의 인가시에도 음극(400) 단부의 변형이 유발되지 않거나, 적어도 양극(200)과의 접촉이 방지되므로, 음극(400)과 양극(200)의 접촉에 의한 단락이 초래되지 않는다. Since the bottom surface of the upper insulator 500 is coupled to surround the end of the relatively protruding negative electrode 400, deformation of the end of the negative electrode 400 may not be induced even when the battery is dropped or an external impact is applied, or at least Since the contact with the positive electrode 200 is prevented, a short circuit due to the contact between the negative electrode 400 and the positive electrode 200 is not caused.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are provided to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1]Example 1

양극 활물질로서 LiCoO2 95 중량%, 도전제로서 Super-P 2.5 중량%, 및 바인더로서 PVdF 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하고, 음극 활물질로서 인조흑연 94 중량%, 도전제로서 Super-P 1.5 중량%, 및 바인더로서 PVdF 4.5 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 시트와 구리 시트 상에 각각 코팅, 건조 및 압착하여 양극 및 음극을 제조하였다.95% by weight of LiCoO 2 as a positive electrode active material, 2.5% by weight of Super-P as a conductive agent, and 2.5% by weight of PVdF as a binder were added to N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent to prepare a positive electrode mixture slurry. 94% by weight of artificial graphite as an active material, 1.5% by weight of Super-P as a conductive agent, and 4.5% by weight of PVdF as a binder were added to NMP as a solvent to prepare a negative electrode mixture slurry, and then coated on an aluminum sheet and a copper sheet, respectively. Drying and compacting produced positive and negative electrodes.

상기 양극과 음극 사이에 다공성 분리막(셀가드TM)을 개재시킨 상태에서 둥글게 권취하여 젤리-롤을 제조하였다. A jelly-roll was prepared by winding round in a state in which a porous separator (Celgard TM ) was interposed between the positive electrode and the negative electrode.

그런 다음, 젤리-롤 상에 cis-1,4-polyisoprene 소재의 상부 절연체를 탑재하고, 약 75℃로 가열하면서 열융착시킨 후, 이러한 젤리-롤을 원통형 전지케이스에 내장하고, 1M LiPF6의 카보네이트계 전해질을 함침하여 상단에 CID를 장착하여 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 전지를 제조하였다.A built-in roll in a cylindrical battery case, and 1M LiPF 6 - Then, the jelly-roll was mounted on an upper insulator of cis-1,4-polyisoprene materials, heat-sealed and heated to about 75 ℃, this jelly Impregnating a carbonate-based electrolyte to mount a CID on the top to prepare a cylindrical battery of 18650 standard (diameter 18 mm, length 65 mm).

[실시예 2]Example 2

젤리-롤 상에 cis-1,4-polyisoprene 소재의 상부 절연체를 전극조립체의 상단이 탑재한 후, 약 70℃로 가열하여 연화시킨 상태에서 젤리-롤이 변형되지 않는 범위내에서 가압하여 결합시켰다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.The upper insulator of cis-1,4-polyisoprene material was mounted on the jelly-roll, and then pressed and bonded within a range where the jelly-roll was not deformed while being softened by heating to about 70 ° C. Except for that, a battery was manufactured in the same manner as in Example 1.

[비교예 1]Comparative Example 1

젤리-롤을 원통형 전지케이스에 내장한 후, 폴리프로필렌 소재의 상부 절연체를 젤리-롤 상에 단순히 탑재하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.After embedding the jelly-roll in the cylindrical battery case, a battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the upper insulator made of polypropylene was simply mounted on the jelly-roll.

[비교예 2]Comparative Example 2

접착제를 사용하여 젤리-롤 상에 상부 절연체를 접착시킨 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.A battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the upper insulator was adhered onto the jelly-roll using an adhesive.

[실험예 1]Experimental Example 1

상기 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 만충전 상태의 원통형 전지들 각각 30 개씩에 대해 전지의 수직 방향으로, 무게 9.1 kg 및 직경 15.8 mm 의 봉을 610 25 mm 높이에서 낙하시켜 발화 또는 폭발의 발생 여부를 확인하는 충격 실험을 실시하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.For each of the 30 fully charged cylindrical batteries manufactured in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, a rod having a weight of 9.1 kg and a diameter of 15.8 mm was dropped at a height of 610 25 mm in the vertical direction of the battery. The impact test was performed to confirm the occurrence of fire or explosion, and the results are shown in Table 1.

<표 1>TABLE 1

Figure 112007003108711-PAT00001
Figure 112007003108711-PAT00001

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1과 실시예 2에 따른 모든 전지들은 발열 또는 발화가 일어나지 않은 반면에, 비교예 1에 따른 전지들 중 5 개의 전지들과 비교예 2에 따른 4 개의 전지들에서 발열 또는 발화가 확인되었다.As shown in Table 1, all of the batteries according to Example 1 and Example 2 did not generate heat or ignition, whereas five of the cells according to Comparative Example 1 and four cells according to Comparative Example 2 Fever or fire was observed in the field.

따라서 상부 절연체가 젤리-롤의 상단에 열적 소성과정에 의해 결합되어 있는 본 발명에 따른 전지는, 상부 절연체가 젤리-롤 상단에 단순 탑재되어 있거나, 또는 접착제에 의해 접착되어 있는 전지보다 외부 충격에 대한 크게 안전성이 향상되었음을 알 수 있다. Therefore, the battery according to the present invention, in which the upper insulator is coupled to the top of the jelly-roll by a thermal firing process, is more resistant to external impact than a battery in which the upper insulator is simply mounted on the top of the jelly-roll or adhered by an adhesive. It can be seen that significantly improved safety.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 젤리-롤의 상단에 상부 절연체가 탑재되어 있는 이차전지로서, 상부 절연체의 하단면이 열적 소성변 형에 의해 젤리-롤의 상단에 결합되어 있어서, 낙하 또는 외부 충격의 인가 시에도 상부 절연체에 의해 젤리-롤의 상단부가 눌림으로 인한 변형이 억제되어, 전극간 단락 또는 전극과 캔의 단락을 방지할 수 있으므로 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. As described above, the secondary battery according to the present invention is a secondary battery in which an upper insulator is mounted on an upper end of a jelly roll, and a lower end surface of the upper insulator is coupled to an upper end of a jelly roll by thermal plastic deformation. Even when a drop or an external impact is applied, deformation caused by pressing the upper end of the jelly-roll by the upper insulator is suppressed, thereby preventing short circuit between electrodes or short circuit between the electrode and the can, thereby improving safety. .

Claims (14)

양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 전지케이스에 내장되어 있고 상기 젤리-롤의 상단에 절연성의 부재('상부 절연체')가 탑재되어 있는 이차전지로서, 상기 상부 절연체의 하단면은 열적 소성변형에 의해 젤리-롤의 상단에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.A secondary battery in which a jelly-roll having a cathode / separator / cathode structure is built in a battery case and an insulating member ('top insulator') is mounted on an upper end of the jelly-roll, and the bottom surface of the upper insulator is thermally baked. Secondary battery, characterized in that coupled to the top of the jelly-roll by deformation. 제 1 항에 있어서, 상기 젤리-롤 상단에 대한 상부 절연체 하단면의 결합은, 상부 절연체의 적어도 하단면이 용융(melting)되면서 젤리-롤의 상단에 열융착 됨으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.The secondary battery of claim 1, wherein the coupling of the upper insulator bottom surface to the upper end of the jelly roll is achieved by thermally fusion to the top of the jelly roll while at least the bottom surface of the upper insulator is melted. . 제 2 항에 있어서, 상기 상부 절연체의 적어도 하부는 60 내지 80℃의 융점을 가진 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.The secondary battery of claim 2, wherein at least a lower portion of the upper insulator is formed of a material having a melting point of 60 to 80 ° C. 4. 제 3 항에 있어서, 상기 상부 절연체 전체는 60 내지 80℃의 융점을 가진 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.The secondary battery of claim 3, wherein the entire upper insulator is made of a material having a melting point of 60 to 80 ° C. 5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 소재는 cis-1,4-Polyisoprene, trans-1,4-Polyisoprene, cis-1,4-Polyisoprene, 및 Poly(etylene adipate)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.The material of claim 3 or 4, wherein the material is selected from the group consisting of cis-1,4-Polyisoprene, trans-1,4-Polyisoprene, cis-1,4-Polyisoprene, and Poly (etylene adipate). Or secondary battery characterized in that more than two. 제 1 항에 있어서, 상기 젤리-롤 상단에 대한 상부 절연체 하단면의 결합은, 상부 절연체의 하단면이 연화(softening)되면서 젤리-롤 상단의 형상에 대응하여 소성 변형됨으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.The method of claim 1, wherein the coupling of the upper insulator bottom surface to the top of the jelly-roll is achieved by plastic deformation corresponding to the shape of the top of the jelly-roll while the lower surface of the upper insulator is softened. Secondary battery. 제 6 항에 있어서, 상기 상부 절연체 전체 또는 그것의 하부는 60 내지 80℃의 연화점을 가진 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.The secondary battery of claim 6, wherein the entire upper insulator or a lower portion of the upper insulator is made of a material having a softening point of 60 to 80 ° C. 8. 제 7 항에 있어서, 상기 소재는 폴리비닐아세탈, 비니온(Vinyon), 메타크릴수지, 및 페체섬유(pc fiber)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.The secondary battery of claim 7, wherein the material is one or two or more selected from the group consisting of polyvinyl acetal, binyon, methacryl resin, and pc fiber. 제 1 항에 있어서, 상기 열적 소성변형을 위한 가열은 전지의 조립 과정 중 상부 절연체를 젤리-롤의 상단에 탑재한 상태에서 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지. The secondary battery of claim 1, wherein the heating for thermal plastic deformation is performed while the upper insulator is mounted on the top of the jelly-roll during the assembly of the battery. 제 1 항에 있어서, 상기 열적 소성변형을 위한 가열은 전지의 조립 과정 중 전지케이스를 밀봉한 상태에서 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지.The secondary battery of claim 1, wherein the heating for thermal plastic deformation is performed while the battery case is sealed during the assembly of the battery. 제 1 항에 있어서, 상기 열적 소성변형을 위한 가열은 완성된 전지의 작동 중 비정상적인 작동 조건에서 발생하는 열에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지. The secondary battery of claim 1, wherein the heating for thermal plastic deformation is performed by heat generated under abnormal operating conditions during operation of the finished battery. 제 9 항에 있어서, 상기 가열 과정 중, 젤리-롤의 상단이 변형되지 않는 범위에서 상부 절연체를 가압하는 것을 특징으로 하는 이차전지.The secondary battery of claim 9, wherein the upper insulator is pressed in a range in which the upper end of the jelly-roll is not deformed during the heating process. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 각형 또는 원통형의 금속 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지.The secondary battery of claim 1, wherein the battery case is a metal can of a rectangular or cylindrical shape. 이차전지의 제조 과정에서 젤리-롤의 상단에 탑재되는 절연성의 부재로서, 적어도 하부가 60 내지 80℃의 융점 또는 연화점을 가진 소재로 이루어진 상부 절연체.An upper insulator formed of a material having a melting point or a softening point of at least 60 to 80 ° C. as an insulating member mounted on top of a jelly roll in a secondary battery manufacturing process.
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