KR20120025573A

KR20120025573A - 이차 전지

Info

Publication number: KR20120025573A
Application number: KR1020120016948A
Authority: KR
Inventors: 김영창
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-03-15

Abstract

본 발명은 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 캔, 및 전극 조립체의 일단부와 일단부에 대향하는 타단부 상에 배치되는 절연부를 구비하며, 절연부는, 캔 내부에 충진된 액체를 흡수하는 성분과 액체를 흡수하지 않는 성분이 혼합되어 이루어지며, 절연부는 캔 내부에 충진된 액체를 흡수함으로써 부피가 팽창하며, 절연부는 상하로 그 부피가 팽창하는 것을 특징으로 하는 이차 전지에 관한 것이다.

Description

이차 전지{Second battery}

본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.

일반적으로 이차 전지는 센터핀이 결합된 원통 형태의 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 결합되는 원통 형태의 캔과, 상기 캔 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동이 가능하도록 하는 전해액과, 상기 캔의 일측에 결합되어 상기 전해액의 누액을 방지하고, 전극 조립체의 이탈을 방지하는 캡 조립체 등으로 이루어져 있다. 이러한 이차 전지는 통상 그 용량이 2000~4000mA 정도이기 때문에, 주로 대용량의 전력이 필요한 노트 피씨(note PC), 디지털 카메라, 캠코더 등에 장착되고 있다. 일례로 이러한 이차 전지는 다수개가 필요한 개수만큼 직렬 또는 병렬로 연결되고, 또한 보호회로가 장착된 채 소정 형태의 하드팩(hard pack)으로 조립되어 상기 전자기기에 전원용으로 결합되어 이용된다. 또한, 이러한 이차 전지의 제조 방법은 음극 활물질이 코팅된 음극판, 세퍼레이터 및 양극 활물질이 코팅된 양극판을 함께 적층한 후, 봉 형태의 권취축에 일단을 결합한 후, 대략 원통 형태로 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 이어서, 상기 전극 조립체에 센터핀을 결합한 후, 이를 원통형 캔에 삽입한다. 이어서, 상기 원통형 캔에 전해액을 주입하고, 캡 조립체를 상기 원통형 캔의 상부에 결합함으로써, 원통 형태의 리튬 이온 전지를 완성한다. 한편, 이러한 이차 전지는 과충전시 폭발 및 발화 현상을 방지하기 위해, 과충전에 의한 내부 압력 증가시 형태가 변형되는 안전 벤트, 상기 안전 벤트의 형태 변경에 의해 전류가 차단되는 회로 기판이 설치되고 있다. 통상 상기 안전 벤트 및 회로 기판은 총칭하여 CID(Current Interrupt Device)라고도 하며, 이는 캡 조립체의 한 구성 요소가 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 주된 과제는 전극 조립체의 유동을 최소화시켜서 이차 전지의 진동 문제를 개선시키는데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 캔; 및 상기 전극 조립체의 일단부와 상기 일단부에 대향하는 타단부 상에 배치되는 절연부;를 구비하며, 상기 절연부는, 상기 캔 내부에 충진된 액체를 흡수하는 성분과 상기 액체를 흡수하지 않는 성분이 혼합되어 이루어지며, 상기 절연부는 상기 캔 내부에 충진된 액체를 흡수함으로써 부피가 팽창하며, 상기 절연부는 상하로 그 부피가 팽창하는 것을 특징으로 하는 이차 전지를 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 액체를 흡수하는 성분은 PET(Polyethylen terephthalate) 또는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)로 이루어질 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 액체를 흡수하지 않는 성분은 PP(Polypropylene) 또는 PE(polyethylene)로 이루어질 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 캔; 상기 캔의 상부면에 결합된 캡 조립체; 및 상기 전극 조립체와 상기 캡 조립체 사이에 배치되는 제1 절연부; 및 상기 전극 조립체와 상기 캔 사이에 배치되는 제2 절연부;를 구비하며, 상기 제1 절연부 또는 상기 제2 절연부는 상기 액체를 흡수하는 성분과 상기 액체를 흡수하지 않는 성분이 혼합되어 형성되며, 상기 제1 절연부 또는 상기 제2 절연부는 상기 캔 내부에 충진된 액체를 흡수하여 그 부피가 팽창하며, 상기 제1 절연부 또는 제2 절연부는 상기 전극 조립체와 상기 캡 조립체가 배열된 방향으로 그 부피가 팽창하며, 상기 제1 절연부 또는 상기 제2 절연부는 상기 캔 내부에 충진된 액체를 흡수하여 그 부피가 팽창하여 상기 전극 조립체의 상기 캔 내부에서의 유동을 방지하는 것을 특징으로 이차전지를 제공한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전극 조립체의 유동을 최소화시켜서 이차 전지가 진동하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 개략적 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II'에 따른 개략적 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 원통형 리튬 이온 전지의 개략적 분해 사시도이다.
도 4는 캡 조립체의 다른 실시 예를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 이차 전지(100)를 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 이차 전지의 개략적 사시도 이다. 도 2는 도 1의 II-II'에 따른 개략적 단면도이다. 도 3은 도 1의 개략적 분해 사시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 센터핀(120), 캔(140) 및 캡 조립체(150)를 구비할 수 있다.

전극 조립체(110)는 음극판(111), 양극판(112) 및 세퍼레이터(113)를 구비할 수 있다. 여기서, 음극판(111)은 예를 들어, 흑연 등의 음극 활물질이 코팅되어 있다. 양극판(112)은 예를 들어, 코발트산리튬(LiCoO₂)의 양극 활물질이 코팅되어 있다. 이때 세퍼레이터(113)는 음극판(111)과 양극판(112) 사이에 위치되며, 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 역할을 한다. 이때 원통형 캔(140)은 음극판(111), 양극판(112) 및 세퍼레이터(113)를 대략 원기둥 형태로 권취하여 수납할 수 있다. 음극판(111)은 구리(Cu) 포일(foil)일 수 있으며, 양극판(112)은 알루미늄(Al) 포일일 수 있으며, 세퍼레이터(113)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있다. 또한 음극판(111)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(114)이 용접될 수 있고, 양극판(112)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극탭(115)이 용접될 수 있으나, 그 반대도 가능하다. 더불어, 음극탭(114)은 니켈(Ni) 재질, 양극탭(115)은 알루미늄(Al) 재질일 수 있다. 센터핀(120)은 전극 조립체(110)의 대략 중앙에 결합되어 있으며, 이는 전지의 충방전 중 전극 조립체(110)의 변형을 억제하는 역할을 할 수 있다. 이때, 음극판(111), 양극판(112), 세퍼레이터(113), 음극탭(114) 및 양극탭(115)의 재질은 위에 기재된 재질로 한정된 것은 아니며 당업자가 용이하게 변경할 수 있는 것은 본 발명의 보호범위에 속한다.

한편, 원통형 캔(140)은 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄 또는 이의 등가물로 형성 가능하며, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.

캡 조립체(150)는 도 3을 참조하면 가스켓(151), 안전 벤트(152), 회로기판(153), 양성 온도 소자(PTC)(154) 및 양극 캡(155)을 구비할 수 있다. 캡 조립체(150)는 원통형 캔(140)의 상부 측에 배치될 수 있다. 가스켓(151)은 대략 링 형태로 원통형 캔(140)의 일 측에 배치될 수 있다. 이때, 절연성 가스켓(151)에는 양극탭(115)과 접속되는 도전성 안전 벤트(152)가 결합되어 이루어질 수 있다. 여기서, 안전 벤트(152)는 캔(140) 내부의 압력 상승 시 변형되거나 파열되어 회로기판(153)을 파손시키거나 또는 가스를 외부로 방출시키는 역할을 한다. 회로기판(153)은 안전 벤트(152)의 일 측에 배치되어 안전 벤트(152)의 변형 시 파손 또는 파괴되어 전류가 차단된다. 양성 온도 소자(154)는 회로기판(153)의 상부에는 배치되어 과전류시 전류가 차단되는 역할을 한다. 양극 캡(155)은 양성 온도 소자(154)의 일 측에 배치되어 외부에 양극 전압(또는 음극 전압)을 인가할 수 있다. 또한 양극 캡(155)은 가스 배출이 용이하도록 다수의 통공(155a)을 구비할 수 있다. 이러한 안전 벤트(152), 회로기판(153), 양성 온도 소자(154) 및 양극 캡(155)은 모두 절연성 가스켓(151) 내측에 장착되어 있음으로써, 원통형 캔(140)과의 직접적인 쇼트가 방지되도록 되어 있다. 더불어, 회로기판(153)의 표면에는 배선 패턴(153a)이 형성되어 있는데, 이러한 배선 패턴(153a)은 회로기판(153)이 파손되거나 파괴되면 자연스럽게 끊어지도록 되어 있다.

캡 조립체(150)의 구성은 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 양성 온도 소자를 구비하지 않는 실시예도 가능하다. 또 다른 실시예에 따른 캡 조립체(150)가 도 4에 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 캡 조립체(150)는 서브디스크(161), 벤트(162), 캡 다운(163) 및 인슐레이터(164)를 구비할 수 있다. 이때 서브디스크(161)는 센터핀(120)의 상부에 배치될 수 있다. 벤트(162)는 서브디스크(161)와 용접되어 배치될 수 있다. 이때 벤트(162)가 가스의 압력 등에 의하여 변형되면 서브디스크(161)와 벤트(162)가 떨어져 전류가 흐르지 않게 된다. 캡 다운(163)은 서브디스크(161)와 벤트(162) 구조를 유지하는 역할을 한다. 인슐레이터(164)는 캡 다운(163)과 벤트(162) 사이에 배치되어 절연 기능을 수행한다.

이하 설명에서는 도 1 내지 3의 캡 조립체(150)를 기준으로 설명하지만 이에 제한되지 않으며 센터핀(120)의 기능 및 작동은 도 4에 도시된 캡 조립체(150)에서도 동일하게 작동한다.

도 2를 참조하면, 원통형 캔(140)에는 캡 조립체(150)를 중심으로 캡 조립체(150)의 하부에는 내부로 움푹 파인 비딩부(beading part)(143)가 형성되고, 캡 조립체(150)의 상부에는 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(144)가 형성될 수 있다. 이러한 비딩부(143) 및 크림핑부(144)는 캡 조립체(150)를 원통형 캔(140)에 단단히 고정 및 지지하여 캡 조립체(150) 이탈을 방지하는 역할을 하며, 또한 전해액이 외부로 누액되지 않도록 하는 역할을 한다. 더불어, 원통형 캔(140)의 내측에는 전해액(미도시)이 주입되어 있으며, 이는 충방전 시에 전지 내부의 음극판(111) 및 양극판(112)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 이와 달리 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으나 본 발명의 보호 범위는 이에 한정되는 것이 아니며 전해액의 종류는 다양하게 변형 가능하다.

센터핀(120)은 전극 조립체(110) 중심에 위치할 수 있다. 센터핀(120)은 중공이 형성된 긴 원통형이다. 하지만 센터핀(120)의 구조는 이에 제한되지 않으며 내부가 관통되지 않고 메워져 있는 구조를 구비할 수도 있다. 한편, 이차전지는 급격한 가열 등을 포함하여 다양한 이유로 폭발될 수 있다. 예를 들어, 이차 전지가 과충전 상태가 되면, 전극 조립체(110)의 대략 상부 영역부터 전해액이 증발하여 저항이 증가하기 시작한다. 이때 전극 조립체(110)의 대략 중심 영역부터 변형이 일어나 리튬이 석출되기 시작한다. 또한 전극 조립체(110)의 상부 영역의 저항 증가에 따라 국부적으로 발열이 시작되어 전지 온도도 급상승한다. 이와 같은 상태가 되면, 통상 과충전시 분해되어 가스를 발생하는 사이클로 헥실 벤젠(CHB) 및 바이 페닐(BP)(전해액 첨가제) 등의 작용에 의해 내부 압력이 급격히 증가하며 폭발의 가능성도 있다. 이와 같이 이차전지가 폭발하게 되면 센터핀(120)이 이차전지 폭발에 의해 돌출하게 되면 안전상 심각한 문제점이 발생할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 센터핀(120)의 적어도 일 단이 캔(140) 내측면 또는 캡 조립체(150)와 충돌 시 변형되도록 구성됨으로써 센터핀(120) 충돌 시 그 충격력을 완화하여 센터핀(120)의 돌출을 억제할 수 있다

절연부(117, 116)는 전극 조립체(110)의 일단부와 타단부에 배치될 수 있다. 상세하게는 제1 절연부(117)는 전극 조립체(110)의 상면과 캡 조립체(150) 사이에 배치되며, 제2 절연부(116)는 전극 조립체(110)의 하면과 캡(140) 사이에 배치될 수 있다.

제1 절연부(117)는 전극 조립체(110)와 캡 조립체(150) 사이를 절연시키는 역할을 하며, 제2 절연부(116)는 전극 조립체(110)와 캔(140) 사이를 절연시키는 역할을 할 수 있다.

절연부(117, 116)는 캔(140) 내부에 충진된 액체(예를 들면, 전해액)를 흡수하여 그 부피가 팽창할 수 있다. 절연부(117, 116)는 상하 방향으로 그 부피가 커질 수 있다. 즉, 제1 절연부(117)는 전극 조립체(110)와 캡 조립체(150)가 배열된 방향(상하방향)으로 그 두께(t1)가 팽창할 수 있으며, 제2 절연부(116)는 전극 조립체(110)와 캔(140)이 배열된 방향(상하방향)으로 그 두께(t2)가 팽창할 수 있다.

이에 따라, 부피가 팽창된 제1 절연부(117)는 그 일면이 캔(140)의 비딩부(143)과 접하며, 그 타단면은 전극 조립체(110)의 상부면과 접할 수 있다. 또한, 부피가 팽창된 제2 절연부(116)는 그 일면이 캔(140)의 바닥면과 접하며 그 타단면은 전극 조립체(110)의 하부면에 접할 수 있다.

이와 같이 절연부(117, 116)가 캔(140) 내부에 충진된 액체(예를 들면, 전해액)를 일부 흡수하여 그 부피가 팽창함으로써 캔(140) 내부에서 전극 조립체(110)가 유동할 수 있는 공간을 감소시켜 젤리롤(Jelly Roll) 형태로 감겨 있는 전극 조립체(110)의 수직방향에 있어서의 안정성을 확보할 수 있다.

절연부(117, 116)는 부피 팽창을 위해서 캔(110) 내부에 충진된 액체(예를 들면, 전해액이나 수분)를 흡수할 수 있는 성분과 상기 액체를 흡수하지 않는 성분이 서로 혼합되어 이루어질 수 있다. 상기 액체를 흡수하는 성분은 PET(Polyethylen terephthalate) 또는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)이 있으며, 상기 액체를 흡수하지 않는 성분은 PP(Polypropylene) 또는 PE(polyethylene)가 있을 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(200)는 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 5를 참조하면, 도 5의 이차 전지(200)는 도 1의 이차 전지(100)와 절연부(217, 216)의 구조에 있어서 차이가 있다. 즉, 도 5에 도시된 이차 전지(200)의 절연부(217, 216)는 제1층(217a, 216a)과 제2층(217b, 216b)이 서로 적층되어 형성될 수 있다.

상세하게는, 제1 절연부(217)는 제1층(217a)과 제2층(217b)이 서로 적층되어 형성되며, 제2 절연부(216)는 제1층(216a)과 제2층(216b)이 서로 적층되어 형성될 수 있다. 제1층(217a, 216a)은 상기 액체를 흡수할 수 있는 성분으로 이루어지며, 제2층(217b, 216b)은 상기 액체를 흡수하지 않는 성분으로 이루어질 수 있다.

제1 절연부(217)는 제1층(217a)이 전극 조립체(110)의 상면에 접하도록 배치되며 제2층(217b)이 캡 조립체(150)를 향하도록 배치될 수 있다. 따라서, 제1층(217a)의 일면은 전극 조립체(110)의 상면과 접하며, 제2층(217b)의 일면은 캔(140)의 비딩부(143)와 접할 수 있다.

제2 절연부(216)는 제1층(216a)이 전극 조립체(110)의 하면에 접하도록 배치되며 제2층(216b)이 캔(140)의 바닥면에 접하도록 배치될 수 있다.

변형예로서, 절연부는 상기 액체를 흡수할 수 있는 성분으로 이루어진 제1층과 상기 액체를 흡수하지 않는 성분으로 이루어진 제2층이 서로 교대로 적층된 다수 개의 층으로 이루어질 수 있다. 이 경우에도 제1층은 전극 조립체를 향하여 배치될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 200: 이차 전지 110: 전극 조립체
111: 음극판 112: 양극판
113: 세퍼레이터 114: 음극탭
115: 양극탭 116, 117: 절연부
120: 센터핀 140: 캔
143: 비딩부 144:크림핑부
150: 캡 조립체 151: 가스켓
152: 안전 벤트 153: 회로기판
154: 양성 온도 소자 155: 양극 캡

Claims

전극 조립체;
상기 전극 조립체를 수용하는 캔;
및 상기 전극 조립체의 일단부와 상기 일단부에 대향하는 타단부 상에 배치되는 절연부;를 구비하며,
상기 절연부는, 상기 캔 내부에 충진된 액체를 흡수하는 성분과 상기 액체를 흡수하지 않는 성분이 혼합되어 이루어지며, 상기 절연부는 상기 캔 내부에 충진된 액체를 흡수함으로써 부피가 팽창하며, 상기 절연부는 상하로 그 부피가 팽창하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 액체를 흡수하는 성분은 PET(Polyethylen terephthalate) 또는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 액체를 흡수하지 않는 성분은 PP(Polypropylene) 또는 PE(polyethylene)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
전극 조립체;
상기 전극 조립체를 수용하는 캔;
상기 캔의 상부면에 결합된 캡 조립체; 및
상기 전극 조립체와 상기 캡 조립체 사이에 배치되는 제1 절연부; 및 상기 전극 조립체와 상기 캔 사이에 배치되는 제2 절연부;를 구비하며,
상기 제1 절연부 또는 상기 제2 절연부는 상기 액체를 흡수하는 성분과 상기 액체를 흡수하지 않는 성분이 혼합되어 형성되며, 상기 제1 절연부 또는 상기 제2 절연부는 상기 캔 내부에 충진된 액체를 흡수하여 그 부피가 팽창하며, 상기 제1 절연부 또는 제2 절연부는 상기 전극 조립체와 상기 캡 조립체가 배열된 방향으로 그 부피가 팽창하며, 상기 제1 절연부 또는 상기 제2 절연부는 상기 캔 내부에 충진된 액체를 흡수하여 그 부피가 팽창하여 상기 전극 조립체의 상기 캔 내부에서의 유동을 방지하는 것을 특징으로 이차전지.