KR20150113479A - 이차전지 - Google Patents

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KR20150113479A
KR20150113479A KR1020140037420A KR20140037420A KR20150113479A KR 20150113479 A KR20150113479 A KR 20150113479A KR 1020140037420 A KR1020140037420 A KR 1020140037420A KR 20140037420 A KR20140037420 A KR 20140037420A KR 20150113479 A KR20150113479 A KR 20150113479A
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Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 셀과 전극을 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체를 수납하는 파우치; 및 상기 파우치의 일부분을 감싸는 부분 커버 케이스;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 전극조립체가 수납되는 파우치의 외면에 부분 커버 케이스를 장착하여 외부 충격 등에 의한 안전성 및 전지 내부에서 발생한 가스에 의해 전지가 부풀어 오르는 스웰링 현상 등이 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

Description

이차전지{Secondary battery}
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극조립체를 수납하는 파우치의 일부분을 감싸는 부분 커버 케이스가 구비되는 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 전지는 분리막(separator)에 의해 서로 분리되는 양극(cathode or positive electrode)과 음극(anode or negative electrode) 및 상기 두 전극 사이에 이온 전달을 가능하게 하는 전해질을 포함하여 전기 에너지를 공급할 수 있는 것이다.
이러한 전지는 한번 사용 후 폐기되는 일차전지(일반 전지)와, 충전을 통해 재사용이 가능한 이차전지로 구분된다.
근래에는 휴대폰, 노트북, PDA 등과 같은 휴대용 전자기기들의 보급으로 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 이차전지의 수요량이 급증하고 있으며, 이에 따라 이차전지의 성능이 점차 개선되어 대량 생산되고 있다.
이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있다. 이 중에서 리튬이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수 개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 전지와 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머전지로 구분할 수 있다. 그리고 리튬이온 폴리머전지는 고분자 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬이온 폴리머전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자전해질을 사용하는 리튬이온 폴리머전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다.
따라서, 두 전극과 분리막, 전해질을 필름으로 만든 파우치에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
한편 파우치형 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치 외장재 내부에 충방전이 가능한 전극조립체가 내장된 상태로 밀봉되고, 전극조립체와 전기적으로 연결된 전극리드(양극리드/음극리드)가 파우치 외장재의 실링부 외측으로 일부 돌출되어 외부단자와 접속되는 구조로 되어 있다.
파우치 외장재는 수지층과 금속층으로 구성된 라미네이트 시트로서, 주된 재료가 강도가 비교적 약한 고분자수지층인바, 이러한 파우치 외장재를 포함하는 파우치형 이차전지에 있어서 외부 충격 등에 의한 안전성 및 전지 내부에서 발생한 가스에 의해 전지가 부풀어 오르는 스웰링 현상 등이 문제된다.
예컨대, 종래의 파우치 외장재는 본체 역할을 하는 하부케이스와 덮개 역할을 하는 상부케이스가 동일한 두께 및 재질로 형성되어 있다. 이때, 부드러운 재질의 파우치 외장재를 사용할 경우 수납부의 포밍 등 파우치 외장재의 성형에 있어서는 유리하지만 외부 충격에 대한 안전성이 문제되고, 반대로 강도 높은 파우치 외장재를 사용할 경우 외부 충격에 대한 안전성은 보장되지만 파우치 외장재의 성형이 어려운 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제2011-0055254호 대한민국 등록특허공보 제10-1191635호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전극조립체가 수납되는 파우치의 외면에 부분 커버 케이스를 장착하여 외부 충격 등에 의한 안전성 및 전지 내부에서 발생한 가스에 의해 전지가 부풀어 오르는 스웰링 현상 등이 문제를 해결할 수 있는 기술을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이차전지는 셀과 전극을 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체를 수납하는 파우치; 및 상기 파우치의 일부분을 감싸는 부분 커버 케이스;를 포함한다.
그리고 상기 파우치는 내부에 전극조립체 수용공간이 형성되고 가장자리 부분에는 케이스 날개부가 수평방향으로 돌출형성되는 상, 하부 케이스로 구성되되, 상기 상, 하부 케이스는 대칭장착되면서 케이스 날개부는 결합될 수 있다.
또한 상기 부분 커버 케이스는 절연재질로 형성되고, 상기 부분 커버 케이스는 전극조립체를 수납하는 파우치의 전극조립체 수용공간 부분만 감싸도록 형성될 수 있다.
여기서 상기 부분 커버 케이스는 전, 후가 개방되고, 내부에는 수용공간이 형성되며, 양 측면에는 날개 수용공간이 구비된 날개부가 대칭형성될 수 있다.
또한 상기 부분 커버 케이스의 수용공간과 날개 수용공간은 파우치보다 크게 형성될 수 있다.
또한 상기 부분 커버 케이스의 내면에는 전극조립체에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있도록 열 배출홈이 형성될 수 있다.
또한 상기 부분 커버 케이스의 내면에는 전극조립체에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있도록 열전달판이 장착될 수 있다.
또한 상기 부분 커버 케이스의 외면에는 간격을 두고 방열 돌기가 길이방향으로 돌출형성될 수 있다.
또한 상기 부분 커버 케이스를 구성하는 날개부의 날개 수용공간에는 파우치를 고정할 수 있도록 고정구가 장착될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 전극조립체가 수납되는 파우치의 외면에 부분 커버 케이스를 장착하여 외부 충격 등에 의한 안전성 및 전지 내부에서 발생한 가스에 의해 전지가 부풀어 오르는 스웰링 현상 등이 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
또한 파우치의 외면에 장착되는 부분 커버 케이스를 통해 전지의 작동시 발생하는 열을 외부로 방출하여 전지의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 이차전지를 나타낸 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 이차전지를 나타낸 단면도.
도 4 내지 7은 본 발명에 따른 이차전지를 구성하는 부분 커버 케이스의 다른 실시 예를 나타낸 도면.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 도 1은 본 발명에 따른 이차전지를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이차전지를 나타낸 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 이차전지를 나타낸 단면도이고, 도 4 내지 7은 본 발명에 따른 이차전지를 구성하는 부분 커버 케이스의 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
본원발명인 이차전지(10)는 셀과 전극을 포함하는 전극조립체(20)와, 상기 전극조립체(20)를 수납하는 파우치(40)와, 상기 파우치(40)의 일부분을 감싸는 부분 커버 케이스(50) 등으로 구성된다.
상기 전극조립체(20)는 단위 셀의 조립체로 이루어지고, 상기 단위 셀은 양극 활물질이 코팅된 양극판과 음극 활물질이 코팅된 음극판 및 상기 양극판과 음극판을 전기적으로 분리하는 분리막을 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 분리막은 폴리올레핀계 분리막이나 상기 올레핀계에 유기 복합층 또는 무기 복합층이 형성된 복합 분리막 등이 사용되고, 상기 양극 활물질과 음극 활물질은 양극판과 음극판의 어느 한쪽 표면 또는 양쪽 표면에 코팅된다.
또한 인접하는 단위 셀 사이에는 전기적 절연을 위한 분리막이 개재된다. 이때 상기 단위 셀은 최 외곽 전극의 극성이 동일한 바이 셀 구조 또는 최 외곽 전극의 극성이 서로 반대인 풀 셀 구조로 형성될 수 있다.
그리고 상기 전극조립체(20)는 단위 셀의 적층 방식에 따라 여러 가지 구조를 형성될 수 있는데 즉, 상기 전극조립체(20)는 단순 스택 구조, 스택/폴딩형 구조, 젤리-롤구조 등으로 형성될 수 있다.
이를 좀더 보충설명하면, 상기 단순 스택 구조는 복수의 단위 셀을 순차적으로 적층시킨 구조를 나타내고, 상기 스택/폴딩형 구조는 복수의 단위 셀을 띠 형태의 분리막 위에 일정한 간격으로 배치시킨 후 어느 한쪽 방향으로 말아서 폴딩된 분리막 사이사이에 단위 셀을 삽입한 구조를 나타내며, 상기 젤리-롤 구조는 띠 형상으로 단위 셀을 만들고 단위 셀을 일정한 방향으로 말아 놓은 구조를 나타낸 것이다.
다음으로 상기 전극조립체(20)는 각각의 극판으로부터 연장된 서로 다른 극성을 갖는 전극 탭(21, 22)이 장착된다.
여기서 상기 전극 탭(21, 22)은 극판과 동일한 재질로 형성되면서 동일한 극성을 갖는 전극 리드(31, 32)와 용접을 통해 결합된다.
즉 상기 전극 탭(21, 22)은 양극에 해당하는 양극 탭(21)은 양극 리드(31)와 결합되고 음극에 해당하는 음극 탭(22)은 음극 리드(32)와 결합되는 것이다.
상기 전극조립체(20)를 수납하는 파우치(40)는 상, 하부 케이스(41, 42)로 분리구성되면서 대칭장착된다.
그리고 상기 상, 하부 케이스(41, 42)는 내부에 전극조립체(20)를 수용하는 전극조립체 수용공간(43)이 대칭형성되며 가장자리 부분에는 케이스 날개부(44)가 수평방향으로 돌출형성된다.
이때 상기 전극조립체(20)가 수용되는 상, 하부 케이스(41, 42)의 전극조립체 수용공간(43)은 프레스(press) 가공 등을 통하여 함몰형성되는 것이 바람직하다.
여기서 상기 파우치(40)를 구성하는 상, 하부 케이스(41, 42)에 대하여 좀더 보충설명하면, 상기 상, 하부 케이스(41, 42)는 절연역할을 하는 절연막(45)과, 상기 상, 하부 케이스(41, 42)를 밀봉하기 위하여 가열 압착할 때 녹아 밀봉이 될 수 있도록 하는 열접착막(46) 및 상기 절연막(45)과 상기 열접착막(46) 사이에 수분침투를 막기 위하여 금속으로 이루어진 금속막(47)으로 이루어진다.
여기서 상기 절연막(45)은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하므로 기계적 강도가 우수한 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등으로 이루어지고 상기 금속막(47)은 통상 알루미늄으로 형성된다.
또한 상기 열접착막(46)은 열접착특성을 가져 접착제로서 역할을 하는 것으로 폴리올레핀계수지층으로 이루어지는 것이 바람직하며 주로 C-PP(Casted Polypropylene)이 사용된다.
그리고 상기 파우치(40)는 절연막(45), 금속막(47), 열접착막(46)이 차례로 적층되는 상, 하부 케이스(41, 42)를 열접착막(46)이 마주보도록 배치한 후 가열압착 방식에 의해 파우치(40)를 밀봉하게 된다.
상기 파우치(40)의 일부분을 감싸는 부분 커버 케이스(50)는 외부 충격 등에 의한 안전성 및 전지 내부에서 발생한 가스에 의해 전지가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 등을 방지할 수 있도록 절연처리가 된 금속이나 전기가 통하지 않는 절연재질로 형성된다.
그리고 상기 부분 커버 케이스(50)는 도시된 도 1 내지 3과 같이 전, 후가 개방되고, 내부에는 수용공간(51)이 형성되며, 양 측면에는 날개 수용공간(53)이 구비된 날개부(52)가 대칭형성된다.
즉 상기 부분 커버 케이스(50)는 내부에 형성되는 수용공간(51)과 날개 수용공간(53)을 이용하여 전극조립체(20)가 수용되는 파우치(40)의 상, 하부 케이스(41, 42)와 케이스 날개부(44)의 일부분을 감싸도록 한 것이다.
이때 상기 부분 커버 케이스(50)는 스웰링을 방지하면서도 열을 외부로 신속하게 배출할 수 있도록 전극조립체(20)를 수납하는 파우치(40)의 전극조립체 수용공간(43)만을 감싸는 것이 바람직하다.
더불어 상기 부분 커버 케이스(50)를 구성하는 수용공간(51)과 날개 수용공간(53)은 전지의 작동시 전극조립체(20)와 파우치(40)가 부풀어 오르는 것을 고려하여 상기 파우치(40)보다 크게 형성된다.
다음으로 상기 부분 커버 케이스(50)는 도시된 도 4 내지 7과 같이 구성될 수 있으며 이를 구체적으로 살펴보면 하기와 같다.
먼저 도시된 도 4의 부분 커버 케이스(50)는 내면에 전극조립체(20)에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있도록 열 배출홈(54)이 형성되는 예를 나타낸 것이다.
즉 상기 부분 커버 케이스(50)는 이차전지의 작동에 따른 전극조립체(20)에서 발생하는 열을 파우치(40)를 통해 전달받은 후 전달받은 열을 외부로 신속하게 배출할 수 있도록 내면에 간극을 두고 길이방향으로 열 배출홈(54)을 형성한 것이다.
그리고 도시된 도 5의 부분 커버 케이스(50)는 내면에 전극조립체(20)에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있도록 열전달판(60)이 장착되는 예를 나타낸 것이다.
즉 상기 부분 커버 케이스(50)는 이차전지의 작동에 따른 전극조립체(20)에서 발생하는 열을 파우치(40)를 통해 전달받은 후 전달받은 열을 외부로 신속하게 배출할 수 있도록 부분 커버 케이스(50)의 판 장착홈(55)에 열전달판(60)을 장착한 것이다.
이때 상기 열전달판(60)는 열전달이 용이한 구리, 알루미늄 등으로 제작된다.
또한 도시된 도 6의 부분 커버 케이스(50)는 외면에 전극조립체(20)에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있도록 방열 돌기(56)가 형성되는 예를 나타낸 것이다.
즉 상기 부분 커버 케이스(50)는 이차전지의 작동에 따른 전극조립체(20)에서 발생하는 열을 파우치(40)를 통해 전달받은 후 전달받은 열을 외부로 신속하게 배출할 수 있도록 상기 부분 커버 케이스(50)의 외면에 간격을 두고 길이방향으로 방열 돌기(56)를 돌출형성한 것이다.
다음으로 도시된 도 7의 부분 커버 케이스(50)는 날개부(52)의 날개 수용공간(53)에 위치하는 파우치(40)를 고정할 수 있도록 고정구(70)가 장착되는 예를 나타낸 것이다.
즉 상기 부분 커버 케이스(50)는 날개부(52)의 날개 수용공간(53)에 전극조립체(20)가 수용되는 파우치(40)를 배치한 후 상기 날개 수용공간(53)에 고정구(70)를 끼움 고정하여 상기 파우치(40)의 움직임을 제한하도록 한 것이다.
여기서 상기 고정구(70)는 여러 가지 형상으로 형성될 수 있으며 본원발명에서는 절연재질로 소정의 두께와 크기를 가지며 완충 기능을 수행할 수 있는 판 형상의 고정구(70)가 장착되는 예를 나타낸 것이다.
상기와 같이 구성되는 이차전지의 실시 예를 참조로 설명하면 다음과 같다.
먼저 단위 셀의 조립체로 이루어지고, 상기 단위 셀은 양극 활물질이 코팅된 양극판과 음극 활물질이 코팅된 음극판 및 상기 양극판과 음극판을 전기적으로 분리하는 분리막을 포함하는 전극조립체(20)를 형성한다.
그리고 상기 전극조립체(20)를 구성하는 각각의 극판으로부터 연장된 서로 다른 극성을 갖는 전극 탭(21, 22)을 장착한 후 상기 전극 탭(21, 22)에 동일한 재질로 형성되면서 동일한 극성을 갖는 전극 리드(31, 32)를 용접결합한다.
다음으로 상기 전극조립체(20)를 절연역할을 하는 절연막(45)과, 밀봉하기 위하여 가열 압착할 때 녹아 밀봉이 될 수 있도록 하는 열접착막(46)과, 상기 절연막(45)과 상기 열접착막(46) 사이에 수분침투를 막기 위하여 금속으로 이루어진 금속막(47)으로 이루어지는 상, 하부 케이스(41, 42)의 전극조립체 수용공간(43)에 수납한 후 가열압착 방식을 이용하여 상기 상, 하부 케이스(41, 42)를 밀봉하여 전극조립체(20)가 수납되는 파우치(40)를 형성한다.
그리고 상기 전극조립체(20)가 수납되는 파우치(40)를 전, 후가 개방되고, 내부에는 수용공간(51)이 형성되며, 양 측면에는 날개 수용공간(53)이 구비된 날개부(52)가 대칭형성되는 부분 커버 케이스(50)의 내부에 삽입하되, 상기 부분 커버 케이스(50)는 내부에 형성되는 수용공간(51)과 날개 수용공간(53)을 이용하여 전극조립체(20)가 수용되는 파우치(40)의 상, 하부 케이스(41, 42)와 케이스 날개부(44)의 일부분을 감싸도록 하면 이차전지(10)의 조립은 완료되는 것이다.
여기서 상기 이차전지의 조립 순서는 상기와 다르게 구성될 수 있음을 밝힌다.
다음으로 상기와 같이 구성되는 이차전지의 사용상태를 살펴보면 다음과 같다.
평상시 상기 이차전지(10)가 작동되면, 전극과 셀을 포함하는 전극조립체(20)는 전자를 양극 탭(21)과 음극 탭(22)을 이용하여 외부로 전달하거나 공급받게 된다.
그리고 외부 충격 등에 의한 안전성 및 전지 내부에서 발생하는 가스에 의해 이차전지(10)가 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생하게 되면, 상기 전극조립체(20)와 파우치(40)는 부피가 증가하면서 상기 부분 커버 케이스(50)의 내면에 밀착하게 된다.
다음으로 상기 파우치(40)는 전극조립체(20)에서 전달되는 열을 부분 커버 케이스(50)에 전달하고, 상기 부분 커버 케이스(50)는 파우치(40)를 통해 전달되는 열을 외부로 신속하게 배출하여, 스웰링 현상과 함께 전지가 폭발하거나 발화하는 문제점 등을 방지하게 된다.
이와 같이 본원발명인 이차전지는 음극, 양극, 분리막이 위치하는 전극조립체를 감싸는 파우치의 외면에 부분 커버 케이스를 장착하여 전지의 이상 현상에 신속하게 대처할 수 있을 뿐만 아니라 전지의 수명을 증가시킬 수 있는 장점을 얻게 되는 것이다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본원발명인 이차전지를 설명함에 있어 특정형상 및 방향을 위주로 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 이차전지, 20 : 전극조립체, 21 : 양극 탭, 22 : 음극 탭,
31 : 양극 리드, 32 : 음극 리드,
40 : 파우치, 41 : 상부 케이스,
42 : 하부 케이스, 43 : 전극조립체 수용공간,
44 : 케이스 날개부, 45 : 절연막,
46 : 열접착막, 47 : 금속막,
50 : 부분 커버 케이스, 51 : 수용공간,
52 : 날개부, 53 : 날개 수용공간,
54 : 열 배출홈, 55 : 판 장착홈,
56 : 방열 돌기, 60 : 열전달판,
70 : 고정구.

Claims (10)

  1. 셀과 전극을 포함하는 전극조립체;
    상기 전극조립체를 수납하는 파우치; 및
    상기 파우치의 일부분을 감싸는 부분 커버 케이스;를 포함하는 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 파우치는 내부에 전극조립체 수용공간이 형성되고 가장자리 부분에는 케이스 날개부가 수평방향으로 돌출형성되는 상, 하부 케이스로 구성되되, 상기 상, 하부 케이스는 대칭장착되면서 케이스 날개부는 결합되는 이차전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 부분 커버 케이스는 절연재질로 형성되는 이차전지.
  4. 제 1 또는 3항에 있어서,
    상기 부분 커버 케이스는 전극조립체를 수납하는 파우치의 전극조립체 수용공간 부분만 감싸는 이차전지.
  5. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    상기 부분 커버 케이스는 전, 후가 개방되고, 내부에는 수용공간이 형성되며, 양 측면에는 날개 수용공간이 구비된 날개부가 대칭형성되는 이차전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 부분 커버 케이스의 수용공간과 날개 수용공간은 파우치보다 크게 형성되는 이차전지.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 부분 커버 케이스의 내면에는 전극조립체에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있도록 열 배출홈이 형성되는 이차전지.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 부분 커버 케이스의 내면에는 전극조립체에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있도록 열전달판이 장착되는 이차전지.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 부분 커버 케이스의 외면에는 간격을 두고 방열 돌기가 길이방향으로 돌출형성되는 이차전지.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 부분 커버 케이스를 구성하는 날개부의 날개 수용공간에는 파우치를 고정할 수 있도록 고정구가 장착되는 이차전지.
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