KR20120086270A - 원통형 이차전지 - Google Patents

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KR20120086270A
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Abstract

제1 전극과 제2 전극 및 이들 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 함께 권취된 젤리-롤형 전극 조립체에 있어서, 상기 권취된 젤리-롤형 전극 조립체 중심부의 상기 제1 전극 무지부의 적어도 일면에 융점이 130℃ 이상인 고분자 수지 필름을 포함하는 전극 테이프가 부착되어 있는 젤리-롤형 전극 조립체; 상기 젤리-롤형 전극 조립체의 중앙에 삽입된 센터 핀; 상기 전극 조립체 및 센터 핀을 수용하는 캔; 상기 캔의 상단 개구부에 결합하여 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체; 및 상기 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓을 포함하는 원통형 이차전지가 제시된다.

Description

원통형 이차전지{Cylindrical-type secondary battery}
본 발명은 원통형 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극에 융점이 130℃ 이상인 고분자 수지 테이프를 부착한 내열성이 향상된 젤리-롤형 전극 조립체를 포함하는 원통형 이차전지에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터로 구성된 단위 셀이 적층 또는 권취된 구조로 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 케이스에 내장되고, 그 내부에 전해액이 주입 또는 함침됨으로써 구성된다.
이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 폴딩형 전극 조립체(젤리-롤)와, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 세퍼레이터가 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 전극 조립체로 분류된다. 그 중, 젤리-롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이러한 젤리-롤형 전극 조립체를 구비한 이차전지에 분리막으로 통상적으로 사용되는 폴리올레핀계 다공성 기재는 재료적 특성과 연신을 포함하는 제조공정 상의 특성으로 인하여 100℃ 이상의 온도에서 극심한 열 수축 거동을 보이게 된다. 특히 TD(transverse direction) 방향 (횡방향)으로의 장력(tension)이 상대적으로 약한 코어부에서는 그 변형의 정도가 커서 가열시에 분리막이 양극의 무지부의 끝단에서 열수축이 과도하게 발생하고, 이로 인하여 양극의 엣지 테이프(edge tape)의 탈착 현상이 발생하게 되므로, 음극의 무지부와의 접촉되어 발화 가능성이 높아진다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서, 내열성이 향상된 젤리-롤형 전극 조립체를 구비한 원통형 전지의 개발이 여전히 요구되고 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 용이하게 제조할 수 있는 내열성이 향상된 젤리-롤형 전극 조립체를 구비한 원통형 이차전지의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면은,
제1 전극과 제2 전극 및 이들 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 함께 권취된 젤리-롤형 전극 조립체에 있어서, 상기 권취된 젤리-롤형 전극 조립체 중심부의 제1 전극 무지부의 적어도 일면에 융점이 130℃ 이상인 고분자 수지 필름을 포함하는 전극 테이프가 부착되어 있는 젤리-롤형 전극 조립체;
상기 젤리-롤형 전극 조립체의 중앙에 삽입된 센터 핀;
상기 전극 조립체 및 센터 핀을 수용하는 전지 캔;
상기 전지 캔의 상단 개구부에 결합하여 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체; 및
상기 전지 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓을 포함하는 원통형 이차전지가 제공된다.
상기 융점이 130℃ 이상인 고분자 수지 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아미드, 폴리스티렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리테트라메틸렌테레프탈레이트, 폴리비닐알콜, 폴리비닐카바졸, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 및 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자로 이루어질 수 있다.
상기 전극 테이프가 고분자 수지 필름의 일면 또는 양면에 접착층을 구비할 수 있다.
상기 전극 테이프는 제1 전극 무지부의 양면에 부착될 수 있다.
상기 전극 테이프는 제1 전극 무지부의 일면 및 상기 무지부의 일면과 대향하는 세퍼레이터의 일면 양쪽에 부착될 수 있다.
상기 전극 테이프는 권취된 젤리-롤형 전극 조립체 중심부의 상기 제1 전극 무지부의 끝단부로부터 6 내지 10mm에 해당되는 위치까지의 표면에 부착될 수 있다.
상기 전극 테이프는 10 내지 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 센터 핀은 스테인레스 스틸, 구리, 탄탈륨, 티탄, 알루미늄, 니오비움, 아연, 주석, 산화탄탈륨, 산화티탄, 산화알루미늄, 산화니오비움, 산화아연, 산화주석, 산화구리, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 및 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 센터 핀이 중공 구조를 가질 수 있다.
상기 세퍼레이터는 폴리올레핀계 다공성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 폴리올레핀계 다공성 기재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극은 양극이고, 제2 전극은 음극일 수 있다.
상기 제1 전극은 음극이고, 제2 전극은 양극일 수 있다.
상기 캡 조립체는 상기 전지 캔의 개방단을 밀봉하는 탑 캡(top cap); 상기 탑 캡에 접촉되도록 배치된 PTC 소자; 및 일면은 상기 PTC 소자에 접촉되고 타면의 일부가 상기 가스켓에 접촉되도록 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트;를 구비할 수 있다.
세퍼레이터의 장력이 상대적으로 약한 젤리-롤형 전극 조립체의 중심부에서는 세퍼레이터의 변형의 정도가 커서 전지의 발열시에 열수축이 과도하게 발생하게 되고, 세퍼레이터의 열수축으로 인하여 노출되는 전극 무지부들 간의 접촉에 의한 단락으로 인하여 발화가 발생할 수 있다. 따라서, 전극 무지부에 내열성 및 절연성이 우수한 전극 테이프를 사용하여 전지의 발열에 따른 세퍼레이터의 열수축으로 인하여 노출되는 전극 무지부들 간의 직접적인 접촉을 방지하여 단락으로 인하여 발생할 수 있는 발화를 예방할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 제1 전극 무지부에 전극 테이프를 부착하지 않은 젤리-롤형 전극 조립체의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지에 구비되는 제1 전극 무지부에 전극 테이프가 부착된 젤리-롤형 전극 조립체의 단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 제1 전극 무지부에 전극 테이프를 부착하지 않은 젤리-롤형 전극 조립체의 권취전 분해도이다.
도 4a는 도 3의 C 부분의 제1 전극 무지부의 노출 현상을 나타내는 사진이다.
도 4b는 도 3의 B 부분의 세퍼레이터의 열수축 현상을 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지에 구비되는, 제1 전극 무지부의 양면에 전극 테이프가 부착된 젤리-롤형 전극 조립체의 권취전의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지에 구비되는, 제1 전극 무지부와 제1 세퍼레이터 사이, 및 제2 전극 무지부와 제2 세퍼레이터 사이의 양쪽으로 전극 테이프가 각각 부착된 젤리-롤형 전극 조립체의 권취전의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지의 단면도이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지의 핫박스 테스트 결과를 나타내는 사진이다
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 이하 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
일반적으로 종래 기술에 따른 원통형 전지 등에 사용되는 젤리-롤형 전극 조립체는 양극과 음극 및 세퍼레이터를 적층하고 권취하여 젤리-롤형 전극 조립체를 제조하게 된다. 이러한 전극 조립체는 도 1에 나타내었다.
도 1을 참고하면, 권취하여 제조된 젤리-롤형 전극 조립체(100)는 제1 전극 무지부(30)와 세퍼레이터(10)가 권취된 중심부(core)를 구비하고 있고, 상기 중심부에는 센터 핀(40)이 삽입되어 있다. 이러한 젤리-롤형 전극 조립체(100)는 충전 또는 사용과정 중에서 열이 발생하게 되는 경우에는, 일반적으로 연신하여 제조하게 되는 상기 세퍼레이터(10)는 열수축이 일어나게 되며, 제1 전극 무지부(30)는 제2 전극 무지부와 접촉될 수 있어 단락에 따른 화재 등의 위험이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 일 측면에 따르면,
제1 전극과 제2 전극 및 이들 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 함께 권취된 젤리-롤형 전극 조립체에 있어서, 상기 권취된 젤리-롤형 전극 조립체 중심부의 상기 제1 전극 무지부의 적어도 일면에 융점이 130℃ 이상인 고분자 수지 필름을 포함하는 전극 테이프가 부착되어 있는 젤리-롤형 전극 조립체;
상기 젤리-롤형 전극 조립체의 중앙에 삽입된 센터 핀;
상기 전극 조립체 및 센터 핀을 수용하는 캔;
상기 캔의 상단 개구부에 결합하여 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체; 및
상기 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓을 포함하는 원통형 이차전지가 제공된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지에 구비되는 젤리-롤형 전극 조립체가 도시되어 있다. 즉, 제1 전극과 제2 전극 및 이들 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 함께 권취된 젤리-롤형 전극 조립체(200)는 상기 권취된 젤리-롤형 전극 조립체 중심부의 상기 제1 전극 무지부(30)의 적어도 일면에는 융점이 130℃ 이상인 고분자 수지 필름을 포함하는 전극 테이프(31)의 일면이 맞닿아 부착되어 있고, 상기 중심부에는 센터 핀(40)이 삽입되어 있다.
일반적으로 전극 무지부에 부착되는 전극 테이프는 고온 노출시 열수축에 따른 탈착 현상이 일어나고, 또한 젤리-롤의 중심부의 장력의 감소로 세퍼레이터의 TD 방향 (횡방향)의 열수축이 일어날 수 있다. 그 결과, 고온 노출시 전극 테이프의 열수축에 의한 제1 전극의 무지부의 노출 부분과 세퍼레이터의 열수축에 의한 이와 대향하는 제2 전극의 노출에 의한 내부 단락 발생으로 발화 등의 위험성이 존재할 수 있다.
이러한 문제점의 근본 원인은 전극 테이프의 열수축에서 비록되는 것이므로, 종래의 폴리프로필렌 재질의 전극 테이프는 130℃에서 열수축이 발생하여, 130℃ 이상의 고온 노출시 발화 위험성이 제기된다.
도 3은 종래 기술에 따른 제1 전극의 무지부에 전극 테이프를 부착하지 않은 젤리-롤형 전극 조립체의 권취전 분해도이다.
도 3에 따르면, 제1 전극 코팅부(120) 및 제2 전극 코팅부(130)의 사이에 세퍼레이터(110)가 배치되어 있고, 제1 전극 무지부(121)의 상에 폴리프로필렌 재질의 전극 테이프(122)가 부착되어 있다.
이렇게 준비된 전극 조립체를 젤리-롤형으로 권취하여 이차전지에 적용한 경우, 이차전지가 130℃ 이상의 고온에 노출시 전술한 바와 같이 전극 테이프(122)의 열수축 현상이 일어나서 전극 무지부가 노출되어 A 영역에서 단락이 발생할 수 있다. 이러한 전극 테이프(122)의 열수축에 의한 제1 전극 무지부(121)의 노출 현상이 일어나는 C 영역은 도 4a에 도시되어 있고, 또한, 이차전지의 고온 노출에 따른 세퍼레이터(110)의 열수축 현상이 일어나는 B 영역은 도 4b에 도시되어 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극 테이프는 융점이 130℃ 이상인 고분자 수지 필름을 구비함으로써, 130℃ 이상의 고온 노출시에도 열수축 현상을 방지할 수 있게 된다.
상기 고분자 수지 필름은 130℃ 이상, 또는 130 내지 400℃, 또는 150 내지 350℃의 융점을 가짐으로써, 원통형 전지가 상당히 고온에 노출시에도 열안정성을 나타낼 수 있는 고분자라면 제한 없이 사용될 수 있다. 이러한 예로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아미드, 폴리스티렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리테트라메틸렌테레프탈레이트, 폴리비닐알콜, 폴리비닐카바졸, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 및 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자가 적용될 수 있으나, 여기에 한정되지는 않는다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 테이프로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지를 포함하여 이루어지는 전극 테이프가 사용될 수 있으며, PET 수지는 에틸렌글리콜과 테레프탈레이트산에서 합성된 가장 대표적인 폴리에스테르의 하나이고, 융점이 250?260℃로 상당히 높고 내열성 및 절연성이 우수한 재료이다. 이러한 PET 테이프로는 상용화된 다양한 PET 테이프를 사용할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 적합한 것을 선택하여 사용할 수 있다.
그리고, 특별히 제한하는 것은 아니지만, 상기 전극 테이프는 권취된 중심부의 상기 제1 전극 무지부의 끝단부로부터 6 내지 10mm에 해당되는 위치까지의 표면에 부착되어 있을 수 있으며, 이는 전지의 발열에 의해서 세퍼레이터가 열수축되는 경우에는 6 내지 10mm 정도로 수축될 수 있고, 이러한 세퍼레이터의 열수축에 의해서 제1 전극 무지부의 노출이 일어날 수 있기 때문이다. 상기 전극 테이프는 10 내지 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극 테이프는 제1 전극 무지부의 일면 뿐만 아니라, 양면에도 부착될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지에 구비되는, 제1 전극의 무지부의 양면에 전극 테이프가 부착된 젤리-롤형 전극 조립체의 권취전의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 세퍼레이터(210)의 양 측면에 제1 전극 코팅부(220)와 제1 전극 무지부(221)로 이루어진 제1 전극과, 제2 전극 코팅부(230)와 제2 전극 무지부(231)로 이루어진 제2 전극이 배치되어 있다. 이때, 상기 제1 전극 무지부의 양면에 전극 테이프(222, 222')가 모두 부착될 수 있다.
또한, 상기 전극 테이프는 고분자 수지 필름의 일면뿐만 아니라, 양면에도 접착층을 구비할 수 있다.
그 결과, 상기 전극 테이프는 제1 전극 무지부의 일면 및 상기 무지부의 일면과 대향하는 세퍼레이터의 일면 양쪽에 부착되어, 전극 무지부가 노출되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 세퍼레이터의 TD 방향의 열수축을 억제하는 기능을 함께 발휘할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 전극 코팅부(420)와 제1 전극 무지부(421)를 구비한 제1 전극과, 제2 전극 코팅부(430)와 제2 전극 무지부(431)를 구비한 제2 전극 사이에 제1 세퍼레이터(410)가 개재되고, 또한 상기 제2 전극 상에 제2 세퍼레이터(411)가 배치되어 있다.
이때, 제1 전극 테이프와 제2 전극 테이프는 양면에 접착층을 구비함으로써, 제1 전극테이프는 제1 전극의 무지부 및 이와 대향하는 제1 세퍼레이터의 일면의 양쪽에 부착되고, 제2 전극 테이프는 제2 전극의 무지부 및 이와 대향하는 제2 세퍼레이터의 일면의 양쪽에 부착되어, 전극 무지부의 노출 방지와 세퍼레이터의 열수축 방지의 효과가 발현될 수 있다.
이때, 상기 세퍼레이터는 폴리올레핀계 다공성 기재를 포함하여 이루어진 것을 사용할 수 있으며, 이러한 폴리올레핀계 다공성 기재로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등을 사용할 수 있다.
상기 제1 전극은 양극이며 제2 전극은 음극일 수 있으며, 또한 제1 전극은 음극이며 제2 전극은 양극일 수 있다.
상기 젤리-롤형 전극 조립체는 제1 전극 무지부의 적어도 일면에 전극 테이프를 부착한 제1 전극을 준비하고, 제2 전극 및 이들 전극 사이에 세퍼레이터를 개재하고 적층하고 권취하여 젤리-롤형 전극 조립체를 제조하게 된다.
상기 양극과 음극의 양 전극은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질을 전극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다.
상기 전극활물질 중 양극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
음극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등과 같은 리튬 흡착물질 등이 바람직하다. 양극 전류집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 전류집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지의 단면도이다
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지는 젤리-롤형 전극 조립체(510), 상기 전극 조립체의 중앙에 삽입된 센터 핀(550), 상기 전극 조립체(510) 및 센터 핀(550)을 수용하는 전지 캔(520), 상기 전지 캔(520)의 상단 개구부에 결합하여 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체(530), 및 상기 전지 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓(560)을 포함한다.
상기 센터 핀은 전극 조립체를 젤리-롤 형으로 권취할 때 권심에 삽입되어 권취를 보다 용이하게 하고, 또한. 상기 전극 조립체를 고정 및 지지하는 작용을 한다.
상기 센터 핀은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 SUS 재질의 스틸 금속 소재로 이루어질 수 있으며, 전지의 낙하 및 압착 등 외부충격이 인가되었을 때, 중공형의 내부구조에 변형 방지 목적을 위하여, 유연한 재질의 금속, 금속산화물 또는 폴리머로 형성될 수도 있다.
따라서, 이러한 센터 핀은 스테인레스 스틸, 구리, 탄탈륨, 티탄, 알루미늄, 니오비움, 아연, 주석, 산화탄탈륨, 산화티탄, 산화알루미늄, 산화니오비움, 산화아연, 산화주석, 산화구리, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 및 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있으나, 여기에 한정되지는 않는다.
상기 센터 핀은 중공 구조를 가질 수 있으며, 이 경우, 이차전지의 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용할 수 있다.
이때, 상기 캡 조립체(530)를 장착하기 위해 전지 캔(520)의 선단에 마련된 비딩부(540) 및 전지를 밀봉하기 위한 클림핑 부위(541)를 구비한다.
상기 젤리-롤 형 전극 조립체(510)는, 양극(511)과 음극(512) 사이에 세퍼레이터(513)가 개재된 상태로 젤리-롤 형태로 권취된 구조이며, 양극(511)에는 양극 탭(511a)이 부착되어 통상적으로 캡 조립체(530)에 접속되고, 음극(512)에는 음극 탭(512a)이 부착되어 전지 캔(520)의 하단에 접속된다.
또한, 상기 캡 조립체(530)는 상기 전지 캔의 개방단을 밀봉하고, 양극 단자를 형성하는 탑 캡(570), 전지 내부의 온도 상승시 저항이 증가하여 전류를 차단하고, 상기 탑 캡에 접촉되도록 배치된 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(580), 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하고 가스를 배기하며, 일면은 상기 PTC 소자에 접촉되고 타면의 일부가 상기 가스켓에 접촉되도록 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트(590)가 구비된다. 여기에, 양극 탭(511a)이 접속되어 있는 전류차단소자(600) 등이 더 구비될 수 있다. 이러한 캡 조립체(530)는 전지 캔(520) 상단의 개방단에 결합되며, 전지 캔(520)의 비딩부(540)에 장착된다.
상기 전지 캔(510)의 내부에는 젤리-롤형 전극 조립체(510)와 전해액(미도시)가 수용된다.
본 발명의 전극 조립체에서 사용될 수 있는 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (g-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 상기 전해액 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지 조립 전 또는 전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지의 핫박스 테스트(hotbox test) 결과를 나타내는 사진이다
이때, 핫박스 테스트에서는 원통형 이차전지를 5℃/분의 속도로 가열하여, 130℃의 온도에서 1시간 동안 방치하여, 이차전지의 상태를 평가하였다.
핫박스 테스트 결과, 젤리-롤 형 전극 조립체의 중심부의 세퍼레이터의 열수축이 진행되어도(도 8a 참조), 전극 테이프의 열수축이나, 탈착 현상이 일어나지 않아(도 8b 참조), 이차전지의 내부 단락으로 인한 발화 위험성이 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다.
10, 20, 110, 210 : 세퍼레이터 30, 121, 221, 421 : 제1 전극 무지부
31, 122, 222, 222' : 전극 테이프 40, 550 : 센터 핀
100, 200, 510 : 젤리-롤형 전극 조립체
120, 220, 420 : 제1 전극 코팅부 130, 230, 430 : 제2 전극 코팅부
231, 431 : 제2 전극 무지부
410 : 제1 세퍼레이터 411 : 제2 세퍼레이터
511 : 양극 511a : 양극 탭 512 : 음극 512a : 음극 탭
520 : 전지 캔 530 : 캡 조립체 560 : 가스켓
540 : 비딩부 541 : 클림핑 부위 570 : 탑 캡
580 : PTC 소자 590 : 안전 벤트 600 : 전류차단소자

Claims (14)

  1. 제1 전극과 제2 전극 및 이들 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 함께 권취된 젤리-롤형 전극 조립체에 있어서, 상기 권취된 젤리-롤형 전극 조립체 중심부의 상기 제1 전극 무지부의 적어도 일면에 융점이 130℃ 이상인 고분자 수지 필름을 포함하는 전극 테이프가 부착되어 있는 젤리-롤형 전극 조립체;
    상기 젤리-롤형 전극 조립체의 중앙에 삽입된 센터 핀;
    상기 전극 조립체 및 센터 핀을 수용하는 캔;
    상기 캔의 상단 개구부에 결합하여 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체; 및
    상기 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓을 포함하는 원통형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 융점이 130℃ 이상인 고분자 수지 필름이 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아미드, 폴리스티렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리테트라메틸렌테레프탈레이트, 폴리비닐알콜, 폴리비닐카바졸, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 및 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 테이프가 고분자 수지 필름의 일면 또는 양면에 접착층을 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극 테이프가 제1 전극 무지부의 양면에 부착되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극 테이프가 제1 전극 무지부의 일면 및 상기 무지부의 일면과 대향하는 세퍼레이터의 일면 양쪽에 부착되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 테이프가 권취된 젤리-롤형 전극 조립체 중심부의 상기 제1 전극 무지부의 끝단부로부터 6 내지 10mm에 해당되는 위치까지의 표면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 테이프가 10 내지 50 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센터 핀이 스테인레스 스틸, 구리, 탄탈륨, 티탄, 알루미늄, 니오비움, 아연, 주석, 산화탄탈륨, 산화티탄, 산화알루미늄, 산화니오비움, 산화아연, 산화주석, 산화구리, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 및 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센터 핀이 중공 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터가 폴리올레핀계 다공성 기재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 다공성 기재가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자로 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극이 양극이고, 제2 전극이 음극인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극이 음극이고, 제2 전극이 양극인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 캡 조립체가
    상기 케이스의 개방단을 밀봉하는 탑 캡(top cap);
    상기 탑 캡에 접촉되도록 배치된 PTC 소자; 및
    일면은 상기 PTC 소자에 접촉되고 타면의 일부가 상기 가스켓에 접촉되도록 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
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