KR20080082240A - Battery pack having polymer electrolyte - Google Patents
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Abstract
Description
도1 및 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 전지팩의 기본 구성을 나타내는 정면도 및 평면도이다. 1 and 2 are a front view and a plan view showing a basic configuration of a polymer battery pack according to an embodiment of the present invention.
도3 및 도4는 본 발명의 다른 실시예에서 폴리머 베어셀을 압착하는 데 사용되는 플레이트의 형태를 나타내는 정면도 및 평면도이다. 3 and 4 are a front view and a plan view showing the shape of the plate used to press the polymer bare cell in another embodiment of the present invention.
본 발명은 비수성 전해질 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나이상의 베어셀로 이루어지는 비수성 전해질 전지팩에 관한 것이다. The present invention relates to a nonaqueous electrolyte battery, and more particularly to a nonaqueous electrolyte battery pack consisting of one or more bare cells.
최근 첨단 전자산업의 발달로 전자장비의 소량화 및 경량화가 가능하게 됨에 따라 휴대용 전자 기기의 사용이 증대되고 있다. 특히, 휴대용 전자 기기의 전원으로 높은 에너지 밀도를 가진 전지의 필요성이 증대되어 리튬 이차 전지의 연구, 개발이 활발하게 진행되어 왔다. 리튬 이차 전지의 대개 양극 활물질로는 리튬 금속 산화물이 사용되고 음극 활물질로는 탄소 또는 탄소 복합체가 사용되고 있다. 활물질을 적당한 두께와 길이로 집전체에 도포하거나 또는 활물질 자체를 필름 형상으 로 하여 절연체인 세퍼레이터와 함께 적층하거나 적층, 권취하여 전극군을 만든 다음, 캔, 파우치 또는 이와 유사한 용기에 넣은 후, 전해액을 주입하여 이차 전지를 제조한다.Recently, with the development of the high-tech electronic industry, it is possible to reduce the weight and weight of electronic equipment, thereby increasing the use of portable electronic devices. In particular, the need for a battery having a high energy density as a power source for portable electronic devices has increased, and research and development of lithium secondary batteries has been actively conducted. Lithium metal oxide is generally used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, and carbon or a carbon composite material is used as a negative electrode active material. The active material is applied to the current collector with a suitable thickness and length, or the active material itself is formed into a film, laminated, laminated, or wound together with the separator, which is an insulator, to form an electrode group, and then placed in a can, pouch, or similar container, and then the electrolyte solution. To prepare a secondary battery.
소형 경량, 박형화가 요구되는 휴대형 전자 기기에서의 필요에 따라서, 그 전원으로 많이 사용되는 리튬 이차전지는 더욱 박형화되고, 형상 자유도가 향상될 것이 요청된다. 이런 요구에 따라 형태에 대한 융통성이 강화된 파우치형 케이스의 리튬 이차 전지가 개발되어 사용되고 있다. According to the needs of portable electronic devices requiring small size, light weight, and thinness, lithium secondary batteries that are frequently used as power sources are required to be further thinned and shape freedom is improved. According to this demand, a lithium secondary battery of a pouch type case having enhanced form flexibility has been developed and used.
파우치형 리튬 이차전지는 박형화 및 형상자유도 측면에서 유리하지만 케이스의 강도가 떨어져 캔형 리튬 이온 전지와 유사하게 케이스 내에 비수계인 유기전해액을 채워넣을 경우, 전해액의 누출이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다. 유기전해액의 누출은 단순히 전지의 기능의 종료 내지는 오염의 문제를 넘어서 발화가능성을 높여 안전성의 문제를 일으킨다. 따라서, 파우치형 리튬 이차전지에서는 전해액이 흐르지 않는 전해질을 사용하는 것이 바람직하게 된다. The pouch type lithium secondary battery is advantageous in terms of thinning and shape freedom, but has a problem in that when the non-aqueous organic electrolyte is filled into the case similar to the can type lithium ion battery, the strength of the case is low, so that leakage of the electrolyte is likely to occur. Leakage of organic electrolytes causes problems of safety by increasing the possibility of ignition beyond the problem of battery termination or contamination. Therefore, in the pouch type lithium secondary battery, it is preferable to use an electrolyte in which no electrolyte flows.
전해액이 흐르지 않게 하기 위해서는 두 전극 사이에 세퍼레이터의 역할을 겸하도록 자체가 완전한 고체인 전해질을 사용하거나, 폴리머 기재에 전해질 용액을 함침시킨 혹은 고체 전해질에 가소제로서 유기 용매를 함침시킨 겔형 폴리머 전해질 등을 사용하여 전지를 구성할 수 있다. 이러한 고체 전해질 전지 가운데 전해질에 폴리머가 사용되는 경우의 전지를 흔히 폴리머전지라고 호칭한다.In order to prevent the electrolyte from flowing, use a solid electrolyte itself to serve as a separator between the two electrodes, or a gel polymer electrolyte impregnated with an electrolyte solution in a polymer substrate or an organic solvent as a plasticizer in a solid electrolyte. Can be used to construct a battery. Among such solid electrolyte batteries, a battery in which a polymer is used in an electrolyte is often referred to as a polymer battery.
폴리머 전지는 비교적 작은 소형 전자 기기의 얇은 두께를 가진 전원으로 많이 개발되고 이용되고 있으나, 한편으로, 대용량 고출력 전지의 용도로 다수의 폴 리머 베어셀이 결합된 폴리머 전지팩도 개발되고 있다. Polymer batteries have been widely developed and used as a power source having a relatively small thickness of small electronic devices, but on the other hand, polymer battery packs in which a plurality of polymer bare cells are combined for the use of high-capacity high-output batteries have also been developed.
파우치형의 폴리머 전지에서는 케이스가 전극 조립체에 주는 압력이 미약하므로 전극조립체의 적층 권취가 풀어져 전극 및 세퍼레이터 사이의 밀착성 정도가 약화되기 쉽고, 여러가지 원인으로 전극조립체가 변형되면서 전극조립체를 이루는 양극, 음극 및 폴리머 전해질층 사이의 접촉이 느슨해지거나 틈이 생기기 쉽다. 이런 경우, 전체적으로 이온이 전도되는 면적이 줄어들어 이온전도도가 작아지고, 부분적으로 이온전도도의 차이가 발생하여 덴드라이트가 발생할 염려도 높아질 수 있다. 또한, 해당 부분은 충방전 활동에 참여하지 못하여 전체 전지 용량의 감소를 가져올 수 있다. 따라서, 폴리머 전지에서 고율 충방전 특성이 나빠지거나 수명 특성이 열화되는 문제가 생기기 쉽다.In the pouch-type polymer battery, the pressure applied to the electrode assembly by the case is weak, so that the stacking of the electrode assembly is loosened, and thus the adhesion between the electrode and the separator is weakened, and the electrode assembly is deformed for various reasons to form the positive and negative electrodes. And the contact between the polymer electrolyte layers is likely to be loose or cracked. In this case, the area in which ions are conducted as a whole may be reduced, and thus the ion conductivity may be reduced, and the difference in ion conductivity may occur, and thus, dendrites may be increased. In addition, the part may not participate in the charging and discharging activities, which may lead to a decrease in the total battery capacity. Therefore, a problem arises in that a high rate charge / discharge characteristic deteriorates or a lifetime deteriorates in a polymer battery.
이런 문제를 해결하기 위해 미국특허등록 5,981,107 등에서는 극판과 세퍼레이터 사이에 수지 접착층, 바인더층을 형성하는 방법이 제시된 바 있다. 그러나, 이들 접착층이나 바인더층은 통상 이온전도도가 낮아 내부 이온전도 저항을 증가시키는 문제가 있다. 또한 이들 접착층이나 바인더층으로 전지의 용량 증가와 관계없는 물질이 추가로 들어가 전지 부피당 전기 용량 혹은 전지 질량당 전기 용량을 저하시키는 문제가 있었다. In order to solve this problem, U.S. Patent No. 5,981,107 and the like have been proposed a method of forming a resin adhesive layer and a binder layer between the electrode plate and the separator. However, these adhesive layers and binder layers usually have a problem of increasing internal ion conductivity resistance because of low ion conductivity. In addition, the adhesive layer or binder layer further contains a substance that is not associated with an increase in the capacity of the battery, thereby causing a problem of lowering the electric capacity per battery volume or electric capacity per battery mass.
본 발명은 상기 문제점을 저감시키기 위한 것으로, 파우치 케이스를 가지는 폴리머 베어셀을 구비하여 이루어지는 폴리머 전지팩에서 내부 전류의 흐름이 약화되는 것을 방지하고, 수명 특성의 저하를 방지하기 위한 구조를 제시하는 것을 목 적으로 한다.The present invention is to reduce the above problems, in the polymer battery pack comprising a polymer bare cell having a pouch case to prevent the internal current flow is weakened, to provide a structure for preventing the deterioration of life characteristics The purpose.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폴리머 전지팩은 파우치형 케이스를 가지는 폴리머 베어셀 적어도 하나를 상호 간격 조절장치를 통해 결합되는 적어도 두 개의 판재(플레이트) 사이에 설치하여 이루어진다. The polymer battery pack of the present invention for achieving the above object is made by installing at least one polymer bare cell having a pouch-type case between at least two plates (plates) coupled through the mutual gap adjusting device.
본 발명에서 두 판재는 열전도성이 좋은 재질 가령, 금속 재질로 이루어질 수 있다. In the present invention, the two plates may be made of a material having good thermal conductivity, for example, a metal material.
본 발명에서 판재는 폴리머 베어셀의 넓은 면과 닿는 부분에서 전체적으로 평편한 상태를 이루는 구조체라는 의미이고 반드시 전체가 얇고 넓게 형성될 필요는 없다.In the present invention, the plate means a structure that forms a flat state as a whole in contact with the wide surface of the polymer bare cell and does not necessarily have to be formed thin and wide in its entirety.
본 발명에서 폴리머 전지팩은 복수 개의 폴리머 베어셀이 이용되는 경우에 베어셀 사이마다 하나의 혹은 복수 개의 폴리머 베어셀 사이에 적당한 간격으로 판재를 설치하고, 양 단에 하나씩 판재를 설치하여 각 판재와 판재 사이에 위치하는 베어셀을 압착하도록 형성될 수 있다. In the present invention, in the case where a plurality of polymer bare cells are used, the polymer battery pack is provided with a plate at an appropriate interval between one or a plurality of polymer bare cells between each bare cell, and a plate is provided at each end to provide each plate and It may be formed to compress the bare cell located between the plate material.
한편, 폴리머 베어셀의 팽창수축에 적절히 대응 가능하도록, 폴리머 베어셀을 압착하는 판재가 스프링 등의 완충재를 통해 상기 간격 조절 장치와 팩 내에 결합될 수도 있다. 가령, 판재 가운데 적어도 하나는 상기 간격 조절 장치에서 완충재를 통해 일정 범위에서 이동 가능하게 설치되어 상기 폴리머 베어셀의 용적 변화에 따라 상기 판재 사이의 간격이 변동되도록 이루어질 수 있다.On the other hand, in order to properly cope with the expansion and contraction of the polymer bare cell, the plate material for compressing the polymer bare cell may be coupled to the gap adjusting device and the pack through a buffer material such as a spring. For example, at least one of the plate may be installed to be movable in a predetermined range through the buffer in the gap adjusting device so that the gap between the plate is varied according to the volume change of the polymer bare cell.
본 발명에서 상호 간격 조절 장치는 각 판재에 형성되는 나사 구멍과, 이들 구멍을 관통하며 표면에 나사산이 형성되는 로드와, 각 판재의 나사 구멍이 형성된 부분에 설치되는 너트, 스크류, 볼트 머리가 될 수 있다.In the present invention, the mutual gap adjusting device may be a screw hole formed in each plate, a rod penetrating these holes and a thread formed on the surface thereof, and a nut, screw, and bolt head installed at a portion where the screw hole of each plate is formed. Can be.
본 발명에서 폴리머 베어셀 양측의 두 판재 및 상호 간격 조절 장치는 바이스와 같은 형태로 이루어질 수도 있다. In the present invention, the two plates and the mutual gap adjusting device on both sides of the polymer bare cell may be formed in the form of a vise.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도1 및 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 전지팩의 기본 구성을 나타내는 정면도 및 평면도이다. 1 and 2 are a front view and a plan view showing a basic configuration of a polymer battery pack according to an embodiment of the present invention.
도1 및 도2와 관련하여, 두 개의 폴리머 베어셀(20,30)이 전단 및 후단의 두 플레이트(210,230) 사이에 대면적면이 서로 평행하도록 설치된다. 그리고 두 폴리머 베어셀(20,30) 사이에는 별도의 플레이트(220)가 설치된다. 각각의 직사각형 플레이트의 4개의 모서리에는 홀이 형성되어 있고 이들 플레이트의 홀이 정렬된 상태에서 표면에 나사산이 형성된 볼트(110,120)가 홀을 관통한다. 홀에 접하도록 플레이트 하나당 하나의 위치 고정 수단이 설치되고, 위치 고정 수단으로는 볼트 머리(111,121,131,141) 너트(113,115,123,125) 혹은 스크류가 이용될 수 있다. 1 and 2, two polymer
폴리머 베어셀은 통상의 방법으로 형성할 수 있다. 가령, 파우치형 리튬 폴리머 전지를 형성하기 위해, 미리 전극조립체가 수용될 홈을 형성하거나 형성하지 않은 파우치에 전해질을 포함하여 전극조립체를 넣고, 전극탭 일부가 외부로 노출 되도록 파우치의 열린 부분을 실링하고, 일정 온도 이상으로 폴리머화를 실시하여 겔 폴리머 전해질을 형성하고, 초기 충방전을 실시하는 방법 등으로 형성할 수 있다. 겔 폴리머 전해질은 폴리머 물질의 모노머나 올리고머, 리튬염, 가소제 용매에 폴리머화를 위한 에너지를 가하여 형성할 수 있다. 필요에 따라 겔 폴리머 전해질을 형성하기 위해 개시제를 첨가할 수 있다. 이때, 폴리머화는 본 발명의 폴리머 전지팩의 형태로 폴리머 베어셀과 이들을 압착하는 플레이트 및 플레이트 간격 조절 장치가 결합된 상태에서 이루어질 수 있다.The polymer bare cell can be formed by a conventional method. For example, in order to form a pouch type lithium polymer battery, an electrode assembly including an electrolyte is placed in a pouch in which a groove for accommodating the electrode assembly is formed or not formed in advance, and an open portion of the pouch is sealed to expose a portion of the electrode tab to the outside. The gel polymer electrolyte may be formed by polymerizing at a predetermined temperature or more, and formed by a method of performing initial charge and discharge. The gel polymer electrolyte may be formed by applying energy for polymerization to monomers, oligomers, lithium salts, and plasticizer solvents of the polymer material. If necessary, an initiator may be added to form a gel polymer electrolyte. In this case, the polymerization may be performed in a state in which the polymer bare cell and the plate and the plate gap adjusting device are bonded to each other in the form of the polymer battery pack of the present invention.
전극조립체의 양극 및 음극은 집전체 표면에 활물질 슬러리를 도포하여 건조 압연하여 형성할 수 있다. 양극 및 음극 어느 한 쪽 표면에 겔 폴리머층이 적층 형성될 수 있다. 전극조립체는 이러한 전극을 적층 권취하여 형성할 수 있다. 활물질로는 리튬이온을 인터카레트, 디인터칼레이트할 수 있는 물질이 통상적이며, 양극활물질로는 코발트산리튬, 니켈산리튬, 망간산리튬 등이 음극으로는 흑연 등이 많이 사용된다. The positive electrode and the negative electrode of the electrode assembly may be formed by coating and rolling the active material slurry on the surface of the current collector. The gel polymer layer may be laminated on either of the anode and the cathode. The electrode assembly may be formed by laminating such electrodes. As an active material, a material capable of intercarting and deintercalating lithium ions is common. Lithium cobalt, lithium nickelate, lithium manganate, and the like are used as a cathode.
도면의 위쪽으로는 폴리머 베어셀의 전극탭(21,23,33)이 폴리머 베어셀의 케이스를 구성하고 있는 파우치를 통과하여 드러나 있다. 이들 전극탭(21,23,33)은 폴리머 전지팩의 필요에 따라 폴리머 베어셀을 직렬 혹은 병렬로 연결하도록 별도의 단자(미도시)에 접속되고, 이들 별도의 단자들은 폴리머 전지팩의 충방전을 관리하는 기판 형태의 보호회로 모듈(미도시)에 연결될 수 있다. Above the figure, the
플레이트는 평판형태로 폴리머 베어셀의 전극조립체와 겹치도록 형성되며, 금속판과 같이 기계적 강도와 열전도도가 높은 재료로 이루어지는 것이 바람직하 다. 열전도도가 높은 경우, 각각의 폴리머 베어셀에서 발생하는 열을 쉽게 외부로 방출하도록 하는 방열판의 역할을 하여 폴리머 전지팩 전체의 안전성을 높일 수 있다. The plate is formed to overlap the electrode assembly of the polymer bare cell in the form of a flat plate, preferably made of a material having high mechanical strength and thermal conductivity, such as a metal plate. When the thermal conductivity is high, it can act as a heat sink to easily dissipate heat generated from each polymer bare cell to the outside to increase the safety of the entire polymer battery pack.
본 실시예에서는 베어셀은 2개가 사용되지만, 베어셀은 하나로 이루어지거나, 수십개가 나란히 설치될 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 베어셀 사이에는 베어셀 마다 별도로 압력조절을 할 수 있도록 플레이트가 설치되지만, 단순히 전후 방향으로 정렬된 베어셀의 전단 및 후단에만 플레이트가 설치되어 전체 베어셀을 두 개의 플레이트로 압착시키는 형태로 사용될 수도 있다. In the present embodiment, two bare cells are used, but the bare cells may be formed as one, or dozens may be installed side by side. In addition, in this embodiment, a plate is installed between the bare cells so that pressure can be adjusted separately for each bare cell, but only the front and rear ends of the bare cells aligned in the front-rear direction are installed so that the entire bare cell is divided into two plates. It may also be used in the form of compression.
본 실시예에서 베에셀은 베어셀에 압력을 가하는 플레이트는 팩 내에서 볼트 머리나 너트, 스크류 등에 의해 위치가 상대적으로 고정되지만, 너트와 플레이트, 볼트 머리와 플레이트 사이에는 완충작용을 하는 스프링 등의 부재가 설치되어 팩 내에서의 플레이트의 위치가 가변될 수도 있다. 가령, 폴리머 베어셀의 음극 물질이 흑연과 같이 충방전시에 용적의 변화가 큰 물질로 된 경우에는 판재 사이의 간격이 완전히 고정되어 있다면 이런 용적변화에 의해 충전시 플레이트의 베어셀에 대한 압력은 극적으로 증가하게 된다. 이런 압력이 강해지면 베어셀의 내부 구조에서 폴리머 전해질이나 기재에 기계적 손상이 발생할 수 있고, 내부 단락 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 베어셀에 대한 압력이 강해져 충방전 작용이 원활하게 이루어지지 않을 수도 있다. In this embodiment, the Bessel is a plate that pressurizes the bare cell is relatively fixed position by the bolt head, nut, screw, etc. in the pack, but the spring and the like buffering between the nut and the plate, bolt head and plate The member may be installed to vary the position of the plate within the pack. For example, if the negative electrode material of the polymer bare cell is made of a material with a large volume change during charge and discharge, such as graphite, if the gap between the plates is completely fixed, the pressure on the bare cell of the plate during charge is reduced. It will increase dramatically. If the pressure increases, mechanical damage may occur to the polymer electrolyte or the substrate in the internal structure of the bare cell, and problems such as an internal short circuit may occur. In addition, the pressure on the bare cell is increased, the charge and discharge action may not be made smoothly.
예를 들면, 플레이트에는 주변에 홀이 형성되고, 홀을 관통하면서 외면에 나사산이 형성된 로드 및 플레이트 각각의 위치를 한정하기 위한 너트나 스크류 등의 위치 고정 수단이 간격 조절 장치를 이루고, 위치 고정 수단과 플레이트 가운데 적어도 하나의 사이에는 완충재로서 스프링이 설치되는 구성을 생각할 수 있다. 이런 구성에서 스프링 등의 완충 장치를 통해 폴리머 전지팩 내에서 플레이트가 설치된다. 그러므로, 충전시에 베어셀의 용적 증가로 스프링이 압축되면서 혹은 인장되면서 스프링의 복원력에 의해 베어셀에 대한 플레이트의 압력은 점차 커지지만 플레이트 자체가 일부 이동하게 되므로 플레이트 사이의 간격은 늘어나고, 압력의 급격한 증가는 막을 수 있게 된다. For example, the plate is formed with a hole in the periphery, the rod through which the thread is formed on the outer surface and the position fixing means such as nuts or screws for defining the position of each plate forms a gap adjusting device, It is conceivable that the spring is provided as a cushioning material between the and at least one of the plates. In this configuration, the plate is installed in the polymer battery pack through a shock absorber such as a spring. Therefore, as the spring is compressed or tensioned due to the increase of the volume of the bare cell during filling, the pressure of the plate against the bare cell is gradually increased due to the restoring force of the spring, but the plate itself is partially moved, so that the distance between the plates increases, and The sudden increase can be prevented.
도3 및 도4는 본 발명의 다른 실시예에서 폴리머 베어셀을 압착하는 데 사용되는 플레이트의 형태를 나타내는 정면도 및 평면도이다. 3 and 4 are a front view and a plan view showing the shape of the plate used to press the polymer bare cell in another embodiment of the present invention.
도3 및 도4를 참조하면, 폴리머 베어셀을 점선으로 나타내어 폴리머 베어셀이 설치되는 위치와 플레이트(310)의 단차홈(315)과의 관계 혹은 겹치는 형태를 나타낸다. 단차홈은 폴리머 베어셀의 전극탭이 형성된 부분과 겹쳐진다. 따라서 전극탭이 설치되어 두껍게 형성된 전극조립체 부분에 플레이트 압력이 집중되는 것을 막을 수 있다. 결국, 이런 플레이트의 단차홈에 의해 실질적으로 전극조립체의 넓은 외면 전반을 고르게 압착하여 전극조립체의 전극판과 폴리머 전해질 사이의 접촉면적을 늘이고, 전극판 사이의 간격을 좁혀 이온전도성을 높이고, 내부 저항을 낮출 수 있다. 도면의 참조번호 313은 플레이트(310)을 조합하여 베어셀을 압박하기 위해 볼트류 등과 결합되어 함께 사용되는 홀을 나타낸다.3 and 4, the polymer bare cell is indicated by a dotted line to show a relationship or overlapping relationship between the position where the polymer bare cell is installed and the
본 발명에 따르면, 폴리머 베어셀을 채용하는 전지팩에서 전극조립체 전반에 압력을 가하여 전극과 전해질 사이의 접촉면적을 늘리고, 전극 사이의 간격을 줄여 이온전도도를 높임으로써 폴리머 전지팩의 내부저항을 줄일 수 있다.According to the present invention, in a battery pack employing a polymer bare cell, pressure is applied to the entire electrode assembly to increase the contact area between the electrode and the electrolyte, and reduce the internal resistance of the polymer battery pack by increasing the ion conductivity by reducing the gap between the electrodes. Can be.
또한, 본 발명은 전지 내에서 전해질과 전극 사이의 틈이 생겨 충방전에 기여하지 못하는 부분을 이루어 전지 용량을 떨어뜨리고, 덴트라이트 등을 형성시켜 수명을 떨어뜨리는 문제점을 예방할 수 있다. In addition, the present invention can prevent the problem of reducing the battery capacity by forming a gap between the electrolyte and the electrode in the battery does not contribute to charging and discharging, to reduce the battery life by forming a dentite.
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