KR20120111082A - 안전성이 향상된 원통형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤형 전극조립체('젤리-롤')이 전지 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 권취 단부를 포함하는 외면에는 실 테이프(seal tape)가 부착되어 있으며, 상기 실 테이프는 전해액과의 반응에 의해 겔(gel)화 되는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

안전성이 향상된 원통형 이차전지 {Cylindrical Secondary Battery of Improved Safety}
본 발명은 안전성이 향상된 원통형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 젤리-롤형 전극조립체('젤리-롤')이 전지 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 권취 단부를 포함하는 외면에는 실 테이프(seal tape)가 부착되어 있으며, 상기 실 테이프는 전해액과의 반응에 의해 겔(gel)화 되는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 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.
또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형 전극조립체, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell) 등의 유닛 셀들을 분리필름에 의해 권취되어 있는 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
일반적으로, 원통형 전지는 젤리-롤형 전극조립체를 원통형 금속 케이스에 수납하여 제조된다.
이러한 젤리-롤형 전극조립체(이하에서는, "젤리-롤"로 약칭하기도 함)를 사용하여 전지를 제조할 때에는, 양극/분리막/음극의 적층체를 둥글게 권취하여 젤리-롤의 형태를 유지하기 위하여 최외곽 종단부를 PP(폴리프로필렌) 소재의 실 테이프(seal tape)로 고정시킨 뒤 전지케이스, 즉, 금속 캔에 수납하고, 전해액을 주입한 다음, 전지케이스의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극단자)가 형성되어 있는 탑 캡을 결합하여 제작한다.
그러나, 이러한 구조의 이차전지는 전지가 낙하되거나 또는 외부 충격이 가해졌을 경우, 젤리-롤이 전지 내부에서 상하로 움직이면서 젤리-롤의 상부 또는 하부가 압박되므로, 이러한 현상에 의해 젤리-롤의 시트가 변형되어 단락이 유발될 수 있다.
또한, 이차전지의 특성상 충방전을 거듭하는 과정에서 젤리-롤은 팽창과 수축을 반복하게 된다. 이 때 젤리-롤 외곽 부위에서 팽창과 수축의 영향을 가장 많이 받으며, 이로 인하여 전극이 끊어지는 단선 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 실 테이프가 전해액과의 반응에 의해 겔화되어 전지케이스에 대한 마찰력 증가에 의해 젤리-롤의 유동을 방지할 수 있는 안전성이 향상된 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤형 전극조립체('젤리-롤')이 전지 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 권취 단부를 포함하는 외면에는 실 테이프(seal tape)가 부착되어 있으며, 상기 실 테이프는 전해액과의 반응에 의해 겔(gel)화 되는 구조로 이루어져 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 젤리-롤은 양극/분리막/음극의 적층체를 둥글게 권취하여 최외곽 단부를 실 테이프로 고정함으로써 양극, 음극 및 분리막이 권취된 상태로 유지되는 구조로 제조되는 바, 본 발명에서는, 젤리-롤의 외곽에 부착되는 실 테이프가 전해액과 반응하면서 겔화되는 소재로 이루어져 있다. 이에 따라, 완성된 전지에서 전해액에 의해 실 테이프가 겔화되어, 전지셀의 충방전 시 팽창 및 수축에 의해 젤리-롤 외곽부 전극이 받는 힘을 완화시켜 줌으로써 젤리-롤의 외곽부 단선을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 겔화된 소재로 인한 마찰력 증가에 의해 젤리-롤의 상하 이동을 억제하여 외부 충격(낙하 및 진동)에서 셀을 보호할 수 있다.
상기 전지 캔은, 예를 들어, 원통형의 캔일 수 있으며, 원통형 이차전지는 분리막이 개재된 상태의 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하여, 상기 실 테이프가 부착되어 있는 젤리-롤을 원통형 캔에 삽입하고 전해액을 주입한 후 캔을 밀봉함으로써 제조될 수 있다.
경우에 따라서는, 둥글게 권취한 젤리-롤에 실 테이프를 부착한 후 납작하게 압축하여, 각형 캔에 삽입한 구조의 각형 이차전지로 제조될 수 있음은 물론이다.
상기 실 테이프는 젤리-롤의 권취 단부를 포함하는 외주면을 감싸면서 부착되며, 그것의 길이는 전지 내부에서의 점유 공간을 최소화하는 길이로 제조되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 실 테이프의 길이가 너무 짧으면, 전지 캔 내면에 대하여 겔화된 실 테이프의 완충 효과 및 마찰력 증가가 크지 않아 소망하는 효과를 기대하기 어려울 수 있다. 반대로, 실 테이프가 너무 길면, 전지 캔 내부에서의 점유 공간이 필요 이상으로 커지므로 동일한 전지 캔 규격에서 용량 저하를 초래할 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 상기 실 테이프의 길이는 젤리-롤의 외주면 길이를 기준으로 바람직하게는 50 내지 90%의 크기로 제조될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 60 내지 80%의 크기로 제조될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 실 테이프는 테이프 형태의 필름 기재와, 젤리-롤에 접촉되는 면에서 상기 필름 기재 상에 도포되어 있는 점착층으로 이루어져 있고, 상기 겔화는 필름 기재에서 일어날 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 실 테이프는 20 내지 50 ㎛ 두께의 필름 기재와 2 내지 10 ㎛ 두께의 점착층으로 이루어질 수 있다. 상기 실 테이프의 두께가 너무 얇으면, 실 테이프의 겔화에 따른 효과가 발휘되기 어려울 수 었으며, 반대로 두께가 너무 두꺼우면, 그 만큼 젤리-롤의 두께가 증가하여 전지케이스에 삽입 시 공정성 저하로 인한 젤리-롤 손상이 크거나 동일 규격의 크기에서 용량 저하를 초래할 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 점착층은 전지와 화학적 반응을 일으키지 않는 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 아크릴계 접착제, SBR계 접착제 등이 사용될 수 있다.
상기 구조에서, 상기 실 테이프에 전해액이 함침될 때, 주로 필름 기재의 물리적 성상이 점착성이 있는 형태로 변화되는 구조일 수 있다. 즉, 전해액과 실 테이프가 반응할 때, 실 테이프의 필름 기재와 점착층이 섞이면서 실 테이프 전체가 점착성이 있는 겔 상태로 변하게 된다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 전지 캔 내에서 젤리-롤의 유동이 상기 필름 기재의 겔화에 의한 점착성에 의해 더욱 방지될 수 있다. 이에 따라, 젤리-롤과 전지 캔 내면 사이의 공간을 점착성이 있는 겔로 채우므로, 전지 캔 내부에서 젤리-롤의 자유로운 이동을 막고, 또한 외부 충격에 대해 일종의 완충 부재의 역할을 함으로써 젤리-롤을 보호할 수 있다.
한편, 상기 실 테이프의 소재는 필름 기재가 전해액과 반응하여 겔화될 수 있는 소재라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트를 포함하는 것일 수 있다.
상기 전지는 가격 효율성이 높고 큰 전기용량을 가진 원통형 리튬 이차전지가 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 실 테이프가 전해액과의 반응에 의해 겔화되어, 젤리-롤과 전지 캔 내면 사이의 공간을 점착성이 있는 겔로 채우므로, 전지 캔 내부에서 젤리-롤의 자유로운 이동을 막고, 외부 충격에 대해 완충 부재의 역할을 함으로써 단선, 낙하, 및 진동에서 젤리-롤을 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 수직 단면도이다;
도 2는 실 테이프의 겔화를 나타내는 사진이다;
도 3은 도 1의 원통형 전지의 내부에 수납되는 젤리-롤의 사시도이다;
도 4는 도 1의 A-A부위를 나타내는 수평 단면 모식도이다;
도 5는 도 1의 실 테이프의 측면도이다;
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 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 수직 단면 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 실 테이프의 겔화를 나타내는 사진을 나타내고 있다.
이들 도면을 참조하면, 원통형 전지(100)는 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤(110)이 전지 캔(120)에 내장되어 있는 이차전지로서, 실 테이프(130)는 전해액에 함침되어 있는 상태로 젤리-롤(110)의 외주면을 감싸면서 부착되어 있으며, 도 2와 같이 실 테이프(130)가 전해액과 반응하여 겔(gel)화 된다.
도 3에는 도 1의 원통형 전지의 내부에 수납되는 젤리-롤의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 1의 A-A부위를 나타내는 수평 단면 모식도가 도시되어 있으며, 도 5에는 도 1의 실 테이프의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 2와 함께 참조하면, 실 테이프(130)는 젤리-롤(110)의 권취 단부(112)를 포함하는 외면에 부착되며, 젤리-롤(110)의 외주면의 길이를 기준으로 대략 70%의 크기로 부착되어 있다.
실 테이프(130)는 테이프 형태로서 20 ㎛ 두께의 필름 기재(134)와, 젤리-롤(110)에 접촉되는 면에서 필름 기재(134) 상에 도포되어 있는 5 ㎛ 두께의 점착층(132)으로 이루어져 있다.
또한, 실 테이프(130)의 소재는 셀룰로오스 아세테이트를 포함하며, 점착층(132)은 아크릴계 접착제를 포함한다.
이러한 실 테이프(130)의 겔화는 주로 필름 기재(134)에서 일어나며, 구체적으로, 전해액이 함침될 때, 필름 기재(134)의 물리적 성상이 점착성이 있는 형태로 변화되며, 전지 캔(120) 내에서 젤리-롤(110)의 유동이 필름 기재(134)의 겔화에 의한 점착성에 의해 방지된다.
따라서, 실 테이프(130)는 젤리-롤(110)의 권취 상태를 고정시킴과 동시에 측면방향의 충격으로부터 젤리-롤(110)을 보호할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (10)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤형 전극조립체('젤리-롤')이 전지 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 권취 단부를 포함하는 외면에는 실 테이프(seal tape)가 부착되어 있으며, 상기 실 테이프는 전해액과의 반응에 의해 겔(gel)화 되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 캔은 원통형 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 실 테이프는 젤리-롤의 외주면의 길이를 기준으로 50 내지 90%의 크기로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 실 테이프는 테이프 형태의 필름 기재와, 젤리-롤에 접촉되는 면에서 상기 필름 기재 상에 도포되어 있는 점착층으로 이루어져 있고, 상기 겔화는 필름 기재에서 일어나는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 실 테이프는 10 내지 30 ㎛ 두께의 필름 기재와 2 내지 10 ㎛ 두께의 점착층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 점착층은 아크릴계 접착제, SBR계 접착제 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 실 테이프에 전해액이 함침될 때, 필름 기재의 물리적 성상이 점착성이 있는 형태로 변화되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 전지 캔 내에서 젤리-롤의 유동이 상기 필름 기재의 겔화에 의한 점착성에 의해 방지되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 실 테이프의 소재는 셀룰로오스 아세테이트를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 원통형 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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