KR20130043434A - 안전성이 향상된 원통형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단 및 하단에는 각각 상단 절연부재 및 하단 절연부재가 탑재되어 있고, 상기 절연부재들은 상기 젤리-롤의 원주방향에 대한 움직임을 방지할 수 있도록 0.2 이상의 마찰 계수를 가지는 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-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단 및 하단에는 각각 상단 절연부재 및 하단 절연부재가 탑재되어 있고, 상기 절연부재들은 상기 젤리-롤의 원주방향에 대한 움직임을 방지할 수 있도록 0.2 이상의 마찰 계수를 가지는 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.

전극조립체(120)의 상단면에는 판상형 구조의 절연부재(160)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(161)가 형성되어 있다.

또한, 원통형 이차전지(100)의 하단에 위치한 절연부재(170)는 전극조립체(120)의 하단과 케이스(130)의 사이에 위치하고 있으며, 중앙에 개구(171)가 천공되어 있어서, 음극(122)에 부착된 음극 탭(도시하지 않음)이 관통하여 케이스(130)의 하단에 접속된다.

그러나, 이러한 구조의 이차전지는 전지가 낙하되거나 또는 외부 충격이 가해졌을 경우, 젤리-롤이 전지 내부에서 원주 방향으로 움직일 수 있다. 상기 젤리-롤이 원주 방향으로 움직일 경우, 양극과 음극에 반복적으로 스트레스가 발생하며, 이러한 현상에 의해 탭이 끊어지는 전원무감 현상이 발생할 수 있다.

따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 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 젤리-롤의 원주방향에 대한 움직임을 방지시키고 전지의 안전성 및 성능을 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 상단 및 하단에는 각각 상단 절연부재 및 하단 절연부재가 탑재되어 있고, 상기 절연부재들은 상기 젤리-롤의 원주방향에 대한 움직임을 방지할 수 있도록 0.2 이상의 마찰 계수를 가지는 구조로 구성되어 있다.

상기 원통형 이차전지는, 젤리-롤 상단 및 하단에 장착되어 있는 상기와 같은 구조의 절연부재들에 의해, 젤리-롤이 전지 내부에서 유동하는 것을 방지할 수 있으며, 결과적으로 전원무감 현상을 차단하여 안전성을 향상시킬 수 있다.

상기 절연부재는 절연성 소재라면 특별히 제한되지 않고 다양한 소재로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 전기절연성 고분자 수지 또는 전기절연성 고분자 복합체일 수 있으며, 구체적으로, 상기 고분자 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 천연고무 및 합성고무로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 원통형 전지케이스와 각각 대면하는 상단 절연부재의 상면 및 하단 절연부재의 하면은, 젤리-롤과 각각 대면하는 대향면보다 2배 이상 높은 마찰 계수를 가질 수 있다. 즉, 상기 전지케이스와 접하는 절연부재 면들과의 표면 마찰력을 크게 증가시킴으로써, 전지의 전원무감 현상을 미연에 방지할 수 있다.

절연부재의 마찰계수가 0.2 미만이면 상기에서 설명한 바와 같은 효과를 발휘하기 어려우며, 앞서 정의한 바와 같이 0.2 이상인 것이 필요하며 마찰계수의 상한값은 특별히 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 0.3 이상 내지 0.6 이하의 크기일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.4 이상 내지 0.5이하일 수 있다.

또한, 상기 젤리-롤과 각각 대면하는 상단 절연부재의 하면 및 하단 절연부재의 상면은 점착층이 추가로 형성되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 상기 점착층에 의해 전지케이스 내에서 젤리-롤의 유동이 더욱 방지될 수 있다.

상기 점착층은 전지와 화학적 반응을 일으키지 않는 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 아크릴계 접착제, SBR계 접착제 등이 사용될 수 있다.

한편, 상기 절연부재의 마찰 계수를 높이기 위한 방법이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 샌드 블라스팅에 의해 표면의 거칠기를 높일 수 있다.

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 크기의 마찰 계수를 갖는 절연부재를 포함함으로써, 젤리-롤의 원주방향에 대한 움직임을 방지하여 궁극적으로 전지의 안전성 및 성능을 크게 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 원통형 이차전지의 대표적인 단면 모식도이다;
도 2 및 도 3은 도 1의 이차전지에서 사용된 상단 및 하단 절연부재의 평면도이다;
도 4는 도 1 의 이차전지에서 사용된 또 다른 형태의 상단 절연부재의 평면도이다;
도 5는 도 1 의 이차전지에서 사용된 또 다른 형태의 하단 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 상단 절연부재의 평면도가 모식적을 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하단 절연부재의 평면도가 모식적을 도시되어 있다.

이들 도면을 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 상단 절연부재(160a)가 탑재되어 있고, 젤리-롤(120)의 하단에는 하단 절연부재(170a)가 탑재되어 있다.

절연부재들(160a, 170a)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)으로 이루어져 있으며, 원통형 전지케이스(130)와 각각 대면하는 상단 절연부재(160a)의 상면(162) 및 하단 절연부재(170a)의 하면(174)은, 샌드 블라스팅에 의해 표면의 거칠기를 높여 대략 0.4의 마찰계수를 가진다.

또한, 젤리-롤(120)과 각각 대면하는 상단 절연부재(160a)의 하면(164) 및 하단 절연부재(170a)의 상면(172)에는 점착층이 형성되어 있다.

따라서, 이러한 구조의 절연부재(160a, 170a)에 의해 젤리-롤의 유동을 효과적으로 방지시켜, 전지의 전원무감을 미연에 방지할 수 있다.

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 상단 및 하단에는 각각 상단 절연부재 및 하단 절연부재가 탑재되어 있고, 상기 절연부재들은 상기 젤리-롤의 원주방향에 대한 움직임을 방지할 수 있도록 0.2 이상의 마찰 계수를 가지는 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 원통형 전지케이스와 각각 대면하는 상단 절연부재의 상면 및 하단 절연부재의 하면은, 젤리-롤과 각각 대면하는 대향면보다 2배 이상 높은 마찰 계수를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 마찰 계수는 0.3 이상 내지 0.6 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 젤리-롤과 각각 대면하는 상단 절연부재의 하면 및 하단 절연부재의 상면은 점착층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 점착층은 아크릴계 접착제, SBR계 접착제 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 마찰 계수를 높이기 위하여 표면 블라스팅에 의해 표면의 거칠기를 높이는 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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