KR20120066916A - 우수한 제조 공정성과 안전성의 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에는 판상 구조의 절연부재가 탑재되어 있고, 상기 절연부재는 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 천공되어 있는 개구와, 전해액이 투과될 수 있도록 절연부재의 전면에 형성되어 있는 직경 100 ㎛ 이하의 다수의 기공들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

우수한 제조 공정성과 안전성의 이차전지 {Secondary Battery of Excellent Productability and Safety}
본 발명은 우수한 제조 공정성과 안전성을 가진 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에는 절연부재가 탑재되어 있고, 상기 절연부재는 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 천공되어 있는 개구와, 전해액이 투과될 수 있도록 절연부재의 전면에 형성되어 직경 100 ㎛ 이하의 다수의 기공들을 포함하고 있는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
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. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조인 스택/폴딩형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 종래의 원통형 이차전지의 구조가 도 1에 도시되어 있으며, 원통형 이차전지에서 일반적으로 사용되는 절연부재가 도 2 및 도 3에 평면도로서 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 전지케이스(130)에 수납하고, 전지케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 캡 어셈블리(140)를 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122) 및 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
또한, 전극조립체(120)의 상단면에는 판상형 구조의 절연부재(180a)가 장착되는 바, 가스가 배출될 수 있고 전극조립체(120)의 양극 탭(142)이 캡 어셈블리(140)의 캡 플레이트(145)에 연결될 수 있도록, 중앙에 센터 핀(150)의 관통구(151)와 연통되는 개구(181a)가 형성되어 있다.
그러나, 젤리-롤 상단에 위치하는 절연부재(180a)는 전지의 주액 공정에서 전해액이 전지 내부로 침투하는 경로를 차단하고 있는 구조물이다. 그로 인해, 센터 핀(150)과 연통되는 개구(181a)와, 절연부재(180a)가 위치하지 않는 부위를 통해서만 전해액이 전지 내부로 침투하게 되므로, 주액 공정에 많은 시간이 소요되고 결과적으로 생산성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
이러한 주액 공정시 전해액의 침투 경로를 원활하게 하기 위하여, 도3과 같이 일부 절연부재(180b)에는 개구(181b) 주변에 다수의 관통구(182b)가 형성되어 있는 구조가 제안되기도 한다.
그러나, 이러한 구조는 전지의 안전성 측면에서 심각한 문제를 가지고 있는 것으로 확인되었다. 즉, 캡 어셈블리(140), 전지케이스(130) 등의 제조 및/또는 조립 과정에서 발생한 금속 분말 등과 같은 도전성 불순물 입자들이, 절연부재(180b)에 천공되어 있는 관통구들(182b)를 통해 전극조립체(120)로 유입되어, 단락을 유발시키거나 전지의 수명 특성을 현저히 떨어뜨리는 단점을 초래할 수 있다.
따라서, 전기적 안전성을 유지하면서, 전해액에 대한 주액 공정성을 향상시킬 수 있는 이차전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 신규한 구조의 절연부재에 의해 전해액의 침투성을 향상시키고 전지의 안전성, 성능 및 제조 공정성을 개선할 수 있는 구조의 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에는 판상 구조의 절연부재가 탑재되어 있고, 상기 절연부재는 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 천공되어 있는 개구와, 전해액이 투과될 수 있도록 절연부재의 전면에 형성되어 있는 직경 100 ㎛ 이하의 다수의 기공들을 포함하는 구조로 구성되어 있다.
상기 원통형 이차전지는, 젤리-롤 상단에 장착되어 있는 상기와 같은 구조의 절연부재에 의해, 전해액의 주입시 절연부재의 전면에 걸쳐서 전해액의 침투가 가능하므로 주액성이 크게 향상되고, 상대적으로 큰 직경의 관통구를 포함하는 종래기술의 절연부재와 비교할 때 쇼트의 발생을 방지할 수 있으므로 매우 바람직하다. 이러한 사실은 이후 설명하는 실험 결과를 통해서도 확인할 수 있다.
상기 절연부재는 절연성 소재라면 특별히 제한되지 않고 다양한 소재로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 전기절연성 고분자 수지 또는 전기절연성 고분자 복합체로 일 수 있으며, 구체적으로, 상기 고분자 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 천연고무 및 합성고무로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 절연부재는 소재 자체의 특성 또는 시트의 형태적 특성으로 인해 전해액이 용이하게 침투될 수 있도록, 경우에 따라서는 다공성의 부직포 구조일 수도 있다.
상기 절연부재의 기공은, 앞서 설명한 바와 같이, 절연부재 본연의 기능인 전기적 절연 상태를 제공하면서 전해액의 주입시 전해액이 통과할 수 있는 크기를 가진다. 이에 따라, 본 발명에 따른 절연부재는 상대적으로 미세한 크기의 기공을 포함하고 있는 바, 상기에 정의한 바와 같이, 직경 100 ㎛ 이하의 기공들로 이루어져 있다.
본 발명자들이 확인한 바로는 기공의 크기가 직경 100 ㎛를 넘어서는 경우, 전지의 조립공정 중에 캡 어셈블리, 전지케이스 등으로부터 발생한 미세한 금속 입자 등이 절연부재의 기공을 통해 젤리-롤로 들어가 쇼트가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.
바람직하게는 상기 기공이 전해액에 대해 높은 투과율을 제공할 수 있도록, 예를 들어 10 ㎛ 이상 내지 100 ㎛ 이하일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 기공들은 상호 동일한 간격으로 절연부재의 전면에 걸쳐 형성되어 있는 구조일 수 있다.
여기서, 상호 동일한 간격은 예를 들어 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 크기일 수 있으며, 상기 간격은 결과적으로 절연부재 상에 천공되어 있는 기공들 사이의 간격을 의미하기도 한다.
상기 절연부재의 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm 크기를 가지는 것이 바람직하다. 상기 절연부재의 두께가 너무 얇은 경우에는 절연부재 본연의 전기적 절연 기능을 충분히 발휘하기 어려울 수 있으며, 반대로, 너무 두꺼운 경우에는 동일 규격의 전지케이스에서 젤리-롤의 크기 감소를 유발하여 전지 용량이 줄어들므로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 이차전지는 상기 젤리-롤에 리튬 함유 전해액을 함침시켜 제조되는 리튬 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 전원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등 모바일 기기뿐만 아니라, 우수한 수명 특성과 안전성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치 등에 바람직하게 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 소정 크기 이하의 다수의 기공들이 전면에 형성되어 있는 절연부재를 포함함으로써, 쇼트의 발생을 방지하면서 절연부재 전체에 걸쳐 전해액이 투과되어 궁극적으로 전지의 안전성, 성능 및 수명특성과 전지의 제조 공정성을 크게 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 원통형 이차전지의 대표적인 단면 모식도이다;
도 2는 도 1의 이차전지에서 사용된 절연부재의 평면도이다;
도 3은 도 1 의 이차전지에서 사용된 또 다른 형태의 절연부재의 평면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 절연부재의 평면도이다.
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 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 절연부재의 평면도가 모식적을 도시되어 있다.
도 4를 도 1과 함께 참조하면, 이차전지(100)는 양극(121), 분리막(123)음극(122) 구조의 젤리-롤(120)이 원통형 전지케이스(130)에 장착되어 있는 구조로서, 젤리-롤(120)의 상단에는 판상 구조의 절연부재(180c)가 탑재되어 있다.
절연부재(180c)는 대략 0.4 mm의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)으로 이루어져 있으며, 일측에 개구(181c)가 천공되어 있고, 직경 10 내지 30 ㎛의 다수의 기공들(182c)이 상호 동일한 간격으로 절연부재(180c)의 전면에 걸쳐 형성되어 있다.
따라서, 다수의 미세기공들(182c)에 의해, 전해액의 주입시 절연부재(180c)의 전면에 걸쳐서 전해액이 침투하므로 주액성이 크게 향상되고, 쇼트의 발생을 미연에 방지할 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]
폴리프로필렌을 사용하여 두께가 0.4 mm이고, 도 4와 같이, 가로 6mm, 세로 2.5 mm의 사각형 모양의 개구가 일측에 천공되어 있고, 직경이 10 내지 30 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 10 내지 30 ㎛의 균일한 간격으로 전면에 균일하게 분포되어 있는 절연부재를 제조하였다. 그런 다음, 센터 핀에 의해 양극/분리막/음극이 권취되어 있는 구조의 젤리-롤 상단에 상기 절연부재를 탑재하고, 전지의 조립 과정에서 일반적으로 발생하는 미세 금속 분말들을 상기 절연부재 상에 위치시킨 상태로, 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 이차전지를 제작하였다.
[실시예 2]
직경이 100 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 120 ㎛의 균일한 간격으로 전면에 균일하게 분포되어 있는 절연부재를 준비한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.
[비교예 1]
도 2와 같이, 다수의 기공들을 포함하지 않은 점을 제외하고는, 상기실시예 1과 동일한 방법으로 절연부재 및 이차전지를 제작하였다.
[비교예 2]
도 3과 같이, 다수의 미세 기공들 대신에 직경이 2.5 mm인 3개의 관통구들이 형성된 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.
[비교예 3]
직경이 150 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 120 ㎛의 균일한 간격으로 전면에 균일하게 분포되어 있는 절연부재를 준비한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1 내지 3에서 각각 제작된 이차전지에 대한 전해액 함침 실험을 실시하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 전해액 함침 실험은 1M LiPF6의 카보네이트계 전해액을 상기에서 제작된 원통형 전지케이스에 주입한 후 젤리-롤의 함침률이 100%가 되는데 소요되는 시간을 측정하였고, 이러한 과정을 4회 반복하여 평균값을 얻었다.
또한, 상기에서 제작된 이차전지의 개방 상단에 캡 어셈블리를 용접하여 각각 10 개씩을 제작하고, 충방전 실험을 진행하여 단락 여부를 확인하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure pat00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2의 전지들은 전해액의 함침 시간이 비교예 1에 비해 현저히 단축되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 절연부재에 형성되어 있는 다수의 미세기공에 의해, 전해액이 효과적으로 투과하였음을 알 수 있다.
비교예 2의 전지는 비교예 1의 전지에 비하여 함침성이 향상되지만 단락률이 상대적으로 커지며, 비교예 3의 전지 역시 실시예 1 및 2에 비견되는 함침성을 보여주고 있지만, 단락률이 상대적으로 큼을 알 수 있다. 이는 상대적으로 큰 기공을 통해 금속 분말이 통과하여 젤리-롤의 내부에서 단락이 유발되기 때문인 것으로 확인되었다.
한편, 비교예 1의 전지는, 그것에 장착되는 절연부재에 실시예 1 및 2에서와 같은 미세 기공들이 천공되어 있지 않음에도 불구하고, 실시예 1 및 2의 전지들에 비해 더 높은 단락률을 보여 준다. 이러한 높은 단락률은, 실시예 1 및 2의 전지들에서는 금속 분말들이 미세 기공 상에 걸치면서 이동이 억제됨에 반하여, 비교예 1의 전지에서는 절연부재의 매끈한 표면에서 이동이 자유로워, 개구 또는 절연부재의 외주면을 통해 젤리-롤로 이동되기 때문인 것으로 생각된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에는 판상 구조의 절연부재가 탑재되어 있고, 상기 절연부재는 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 천공되어 있는 개구와, 전해액이 투과될 수 있도록 절연부재의 전면에 형성되어 있는 직경 100 ㎛ 이하의 다수의 기공들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 전기절연성 고분자 수지 또는 전기절연성 고분자 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 천연고무 및 합성고무로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 부직포 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재의 기공은 전해액의 주입시 전해액이 통과될 수 있는 크기를 가진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 절연부재의 기공은 10 ㎛ 이상 내지 100 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 기공들은 상호 동일한 간격으로 절연부재의 전면에 걸쳐 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재의 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm 크기인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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