KR20160023038A - 냉각 성능이 개선된 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 상태에서 지면을 기준으로 높이 방향으로 적층된 구조의 전극 적층체가 전지 캔의 내부에 밀봉된 상태로 내장되어 있고, 상기 전지 캔은 중공부가 형성되어 있는 관 형상으로 형성되어 있고, 상기 전극 적층체는 상기 전지 캔의 형상에 대응하는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

냉각 성능이 개선된 전지셀 {A Battery cell Having Improved Cooling Performance}
본 발명은 냉각 성능이 개선된 전지셀에 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, 전극 적층체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 적층체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 이 중, 원통형 전지는, 형상적인 특징에 기인하여, 다양한 디바이스에 적용되어 사용되고 있다.
일반적으로 원통형 전지에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 후, 권심을 기준으로 권취한 젤리-롤 형태로 이루어진다.
이러한, 젤리-롤 형태의 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
그러나, 원통형 전지는 중대형 전지로 제작될 경우, 원통형 전지의 중심부의 열이 외부로 배출되기 어려운 구조이므로, 반복적인 충방전을 수행는 경우, 중심부로부터 발열이 촉진되어 이차전지의 수명이 단축될 수 있고, 나아가 이차전지의 발화 또는 폭발의 원인이 될 수 있다.
따라서, 원통형 전지의 전반적인 냉각 효율성을 크게 개선할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 상단에서 하단까지 연통된 중공구조로 이루어진 전극 적층체 및 이에 대응하는 구조의 전지 캔을 구성함으로써, 전지셀 내부의 열순환이 원활히 진행되어 전반적인 냉각 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 전극 적층체의 전극 팽창을 전체 면적에 균일하게 가압할 수 있도록 전극의 면적 대비하여 지면을 기준으로 상하로 길게 적층되어 있는 전극 적층체 및 이에 대응하는 구조의 전지 캔을 구성함으로써, 전극의 팽창을 효과적으로 제어하여 전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉각 성능이 개선된 전지셀은,
양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 상태에서 지면을 기준으로 높이 방향으로 적층된 구조의 전극 적층체가 전지 캔의 내부에 밀봉된 상태로 내장되어 있고,
상기 전지 캔은 중공부가 형성되어 있는 관 형상으로 형성되어 있고, 상기 전극 적층체는 상기 전지 캔의 형상에 대응하는 형상으로 이루어진 구조일 수 있다.
따라서, 냉매가 상기 전지셀의 외부 및 중공부를 통해 동시에 유동하여 열순환이 원활히 이루어질 수 있으므로 전지 내부의 발열을 효과적으로 제거할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 적층체는 지면을 기준으로 높이 방향('장축')으로 적층된 길이가 상기 높이 방향에 수직인 수평 방향('단축')의 길이보다 상대적으로 큰 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 전극의 팽창을 전체 면적에 균일하게 가압할 수 있도록 전극의 면적 대비하여 지면을 기준으로 상하로 길게 적층되어 있는 전극 적층체와 이에 대응하는 형상의 전지 캔을 구성함으로써, 전극의 팽창을 효과적으로 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은, 전지셀의 체적 및 이에 따른 발열량을 고려하여 설정할 수 있으며, 예를 들어, 전지셀 상단면의 면적 대비 5% 내지 80%의 크기로 형성될 수 있다.
상기 전지 캔은 열전도성 및 전기전도성이 좋은 소재라면 한정되지 않으나, 상세하게는SUS(stainless use steel), 니켈(nickel), 구리(Cu), 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 외부 입출력 단자들이 전지캔의 일측 단부 또는 양측 단부로 돌출되어 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 구조에서, 상기 전지셀은, 전극 적층체의 양극들을 연결하여 양극 입출력 단자에 접속되는 양극 접속부재와, 전극 적층체의 음극들을 연결하여 음극 입출력 단자에 접속되는 음극 접속부재를 포함하고 있는 구조일 수 있고, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 전지 캔의 내부에 위치하는 구조일 수 있다.
이 경우에, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 전극 적층체의 외면과 전지 캔의 내면 사이의 공간에 위치하는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 각각 금속 판재로 이루어져 있고, 상기 금속 판재는 전극 적층체의 외면에 대면하는 방향으로 위치되어 있는 구조일 수 있다.
또, 상기 전지 캔은 수지층 및 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 구조일 수 있고, 하나의 예에서, 상기 전지 캔은 높은 강도와 전기 전도성을 가지는 금속 소재로 이루어진 금속 캔일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명에 따르면, 경우에 따라, 금속 판재로 형성된 상기 음극 접속부재가 형성되어 있으므로, 상기 전지 캔을 고분자 물질로 이루어진 소재로 형성시킬 수 있으며, 예를 들어, 플라스틱이 바람직하게 사용될 수 있다. 따라서, 일반적으로 전지 캔 자체를 음극으로 사용하는 종래의 구조와 달리, 전지 캔을 고분자 소재의 절연성 물질로 형성시킬 수 있으므로 전지 캔의 형상을 다양하게 구현할 수 있고 재료비 절감 및 절연성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 상기 전극 적층체는 젤리-롤형 구조, 스택형 구조, 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조의 전극 적층체를 수납하여 제조할 수 있다.
상기 젤리-롤형 구조, 스택형, 스택/폴딩형, 및 라미네이션/스택형의 구조에 대해 상술하면 다음과 같다.
우선, 젤리-롤형 구조의 전극 적층체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조할 수 있다.
스택형 구조의 전극 적층체는, 각각의 금속 집전체에 전극 합제를 코팅한 뒤 건조 및 프레싱한 후 소정의 크기로 절취한 양극판과 음극판 사이에 상기 양극판과 음극판에 대응하는 소정의 크기로 절취한 분리막을 개재시킨 후 적층함으로써 제조할 수 있다.
스택/폴딩형 구조의 전극 적층체는, 양극과 음극이 대면하는 구조로, 둘 이상의 극판들이 적층되어 있는 유닛셀들을 둘 이상 포함하고, 중첩되지 않은 형태로 하나 이상의 분리필름으로 유닛셀들을 권취하거나, 또는 유닛셀의 크기로 분리필름을 절곡하여 유닛셀들 사이에 개재함으로써 제조될 수 있다.
라미네이션/스택형 구조의 전극 적층체는, 각각의 금속 집전체에 전극 합제를 코팅한 뒤 건조 및 프레싱하고 소정의 크기로 절취한 후, 하부로부터 순차적으로 음극, 음극의 상부에 분리막, 그리고 양극, 그리고 그 상부에 분리막을 적층하여 제조할 수 있다.
상기 전극 적층체의 형상은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 수평 방향의 단면 형상이 원형, 타원형 또는 다각형 구조일 수 있다.
경우에 따라, 상기 전극 적층체는 수평 방향의 단면 형상이 직사각형 또는 정사각형 구조일 수 있음은 물론이다.
또, 본 발명에 따른 전지셀은 상기와 같은 전극 적층체가 전지 캔에 장착되어 있는 것이라면 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다.
리튬 이차전지를 포함하여 전지셀의 구성, 구조, 제조방법 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩과, 상기 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 구체적으로, 노트북, 휴대폰, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, GPS 시스템, 캠코더, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력저장 장치 등로 이루어진 것 일 수 있다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각 성능이 개선된 전지셀 은, 상단에서 하단까지 연통된 중공구조로 이루어진 전극 적층체 및 이에 대응하는 구조의 전지 캔을 구성함으로써, 전지셀 내부의 열순환이 원활히 진행되어 전반적인 냉각 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.
또, 전극 적층체의 전극 팽창을 전체 면적에 균일하게 가압할 수 있도록 전극의 면적 대비하여 지면을 기준으로 상하로 길게 적층되어 있는 전극 적층체 및 이에 대응하는 구조의 전지 캔을 구성함으로써, 전극의 팽창을 효과적으로 제어하여 전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 사시도이다;
도 2는 도 1의 A-B의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 적층체를 이루는 단위셀의 사시도이다;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도이다;
도 5는 도 4의 전극 적층체를 이루는 단위셀의 사시도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 A-B의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 적층체를 이루는 단위셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지셀은 다수개의 단위셀들(170)이 적층된 구조의 전극 적층체(100) 및 전극 적층체(110)가 내부에 삽입되어 밀봉되는 구조의 전지케이스(110)를 포함하여 구성되어 있다.
전지케이스(110)는 중앙 부위에 중공부(300)가 형성되어 있는 관 형상으로 형성되어 있고, 전극 적층체(100)는 이에 대응하는 형상으로 형성되어 있다.
전극 적층체(100)는 전지케이스(110)에 삽입이 용이하도록 전체적으로 단면이 중공부(300)가 형성된 도넛 형태로 형성되어 있다. 구체적으로, 전극 적층체(100)는 상기 도넛 형태의 양극(121), 음극(131) 및 분리막(190)으로 구성된 단위셀들(170)이 지면을 기준으로 상항 방향으로 순차적으로 적층된 구조로 이루어져 있고, 전지케이스(110)에는 외부 입출력 단자들(150, 160)이 전지케이스(110)의 양측 단부로 돌출되어 형성되어 있다.
전지셀에는 전극 적층체(100)의 양극들(121)을 연결하여 양극 입출력 단자(150)에 접속되는 양극리드(120)와 음극(131)들을 연결하여 음극 입출력 단자(160)에 접속되는 음극리드(130)가 전극 적층체(100)의 외면과 전지케이스(110)의 내면 사이의 공간에 형성되어 있다. 구체적으로, 양극 입출력 단자(150)는 중공부(300)의 내면 공간에 형성되어 있으므로, 전극 적층체(100)의 외면에 형성되어 있는 음극 입출력 단자(160)와의 거리가 중공부(300)가 형성되지 않은 구조에 대비하여 단축 및 최소화 되어 전지의 효율이 향상된다.
전극 적층체(100)는 지면을 기준으로 수직 적층 방향의 길이가 수평 방향의 길이보다 상대적으로 크게 형성되어 있다. 마찬가지로, 전지케이스(110)는 전극 적층체(100)가 용이하게 내장되도록 전극 적층체(100)의 형상에 대응하는 관 모양으로 높이 방향(H)이 수평 방향(W)의 길이보다 대략 2 배 이상 크게 형성되어 있고, 중공부(300)의 크기는 전지 케이스(110)의 상단면의 면적 대비 대략 50%의 크기로 형성되어 있다.
따라서, 상기 전극 적층체 및 전지케이스의 중앙부위에 중공부가 형성되어 있으므로, 내부 열 순환을 원활하게 하여 냉각 효율성을 향상시킬 수 있고, 전지 내의 전극들이 팽창하는 경우에도 전극들 상호간의 팽창면이 접촉하며 가압하게 되고, 전극 적층체의 외면과 대응하는 크기의 전지케이스에 의해 구속됨으로써, 전극이 팽창되는 현상을 효과적으로 제어할 수 있다.
도 4에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 전극 적층체를 이루는 단위셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4 및 도 5의 단위셀들(270)은 양극(221), 음극(231) 및 분리막(260)이 순차적으로 적층되어 권취되어 전지 케이스(210)에 내장되어 있는 젤리-롤 형태의 전극 적층체(270)라는 점을 제외하고 앞에서 전술한 도 1 내지 도 2의 전지셀의 구조와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다
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 (18)

  1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 상태에서 지면을 기준으로 높이 방향으로 적층된 구조의 전극 적층체가 전지 캔의 내부에 밀봉된 상태로 내장되어 있고,
    상기 전지 캔은 중공부가 형성되어 있는 관 형상으로 형성되어 있고, 상기 전극 적층체는 상기 전지 캔의 형상에 대응하는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 적층체는 지면을 기준으로 높이 방향('장축')으로 적층된 길이가 상기 높이 방향에 수직인 수평 방향('단축')의 길이보다 상대적으로 큰 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 중공부의 크기는 상기 전지 캔의 상단면의 면적 대비 5% 내지 80%의 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 캔은 SUS(stainless use steel), 니켈(nickel), 구리(Cu), 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 외부 입출력 단자들이 상기 전지 캔의 일측 단부 또는 양측 단부로 돌출되어 형성되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전지셀은, 상기 전극 적층체의 양극들을 연결하여 양극 입출력 단자에 접속되는 양극 접속부재와, 전극 적층체의 음극들을 연결하여 음극 입출력 단자에 접속되는 음극 접속부재를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 전지 캔의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 전극 적층체의 외면과 전지 캔의 내면 사이의 공간에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 각각 금속 판재로 이루어져 있고, 상기 금속 판재는 전극 적층체의 외면에 대면하는 방향으로 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 캔은 수지층 및 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 캔의 소재는 금속 또는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 적층체는 젤리-롤형 구조, 스택형 구조, 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 적층체는 수평 방향의 단면 형상이 원형, 타원형 또는 다각형 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 캔의 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  16. 제 1 항에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 디바이스는 노트북, 휴대폰, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, GPS 시스템, 캠코더, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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