KR20160106845A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20160106845A
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Abstract

본 발명의 일 측면은 초소형 직경의 핀 타입으로 형성되고, 설정된 체적에서 에너지 밀도를 높이는 이차 전지를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 세퍼레이터를 개재하여 중심에 배치되는 제1전극의 외주에 제2전극을 권취하여 형성되는 전극 조립체, 상기 전극 조립체와 전해액을 내장하고 상기 제2전극에 전기적으로 연결되는 케이스, 상기 제1전극에 전기적으로 연결되어 상기 케이스의 외부로 인출되는 터미널, 및 상기 터미널과 상기 케이스의 개구 사이에 배치되어 상기 개구를 밀폐하는 개스킷을 포함한다.

Description

이차 전지 {RECHARGEABLE BATTERY}
본 기재는 초소형 직경의 핀 타입으로 형성되는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 크기 및 용량에 따라 소형인 원통형 전지와 각형 전지 및 대형의 각형 전지 등으로 구분될 수 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요에 따라 에너지원으로써 소형 원통형 및 소형 각형 이차 전지에 대한 수요가 증가되고 있다.
일반적으로 이차 전지는 세퍼레이터(separator)의 양면에 전극을 배치하여 젤리롤(Jelly Roll) 형태로 권취하여 형성되는 전극 조립체, 전극 조립체를 내장하는 케이스, 및 케이스의 개방 측을 밀폐하는 캡 조립체를 포함한다.
모바일 기기의 발달로 인하여, 수 mm 직경을 가지는 터치 펜 및 스타일러스 펜과 같은 주변 기기가 개발되어 사용되고 있다. 이와 같은 초소형 직경의 기기에 사용될 이차 전지가 개발되어 있지 않다.
또한, 초소형 직경의 이차 전지에 종래의 전극 조립체를 적용하는 경우, 센터핀에 음극, 세퍼레이터 및 양극을 권취하므로 전극 조립체의 부피가 증가하게 된다. 따라서 이차 전지는 설정된 체적에서 낮은 에너지 밀도를 가지게 된다.
본 발명의 일 측면은 초소형 직경의 핀 타입으로 형성되는 이차 전지를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 측면은 설정된 체적에서 에너지 밀도를 높이는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 세퍼레이터를 개재하여 중심에 배치되는 제1전극의 외주에 제2전극을 권취하여 형성되는 전극 조립체, 상기 전극 조립체와 전해액을 내장하고 상기 제2전극에 전기적으로 연결되는 케이스, 상기 제1전극에 전기적으로 연결되어 상기 케이스의 외부로 인출되는 터미널, 및 상기 터미널과 상기 케이스의 개구 사이에 배치되어 상기 개구를 밀폐하는 개스킷을 포함한다.
상기 제2전극은 상기 제1전극의 외주에 1턴 내지 2턴 미만으로 권취될 수 있다.
상기 제1전극은 메쉬 부재의 통 또는 기둥에 활물질을 코팅하여 형성될 수 있다.
상기 제1전극은 상기 제2전극에 대응하는 코팅부, 및 상기 개스킷에 대응하는 메쉬 부재로 형성되어 상기 터미널에 연결되는 무지부를 포함할 수 있다.
상기 제1전극은 기공성과 전도성을 가지는 도전 부재에 활물질을 코팅하여 형성될 수 있다.
상기 제2전극은 금속 박판으로 형성되는 집전체에 활물질이 도포된 영역의 코팅부, 및 활물질이 도포되지 않아 집전체가 노출된 영역의 무지부를 포함하며, 상기 무지부는 상기 케이스의 내면에 면접촉되어 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1전극의 직경은 상기 제2전극의 두께보다 크게 설정될 수 있다.
상기 제1전극은 집전체와 활물질로 성형된 3차원 부재로 형성될 수 있다.
상기 제1전극은 다공성을 가지는 기둥으로 형성될 수 있다.
상기 집전체는 금속 섬유사로 형성되고, 상기 제1전극은 상기 집전체와 입자상의 활물질을 혼합한 후 압착하여 형성될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 세퍼레이터를 개재하여 중심에 배치되는 제1전극의 외주에 제2전극을 권취하여 전극 조립체를 형성하므로 초소형 직경의 핀 타입의 이차 전지를 제공할 수 있다.
제1전극이 다공성을 가지는 메쉬 부재 또는 3차원 부재로 형성되어 그 내부에 전해액을 수용하면서 동시에 제2전극과 이온 교환 면적을 넓게 형성하므로 이차 전지의 설정된 체적에서 에너지 밀도를 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에 적용되는 전극 조립체를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3에 적용되는 메쉬 부재에 활물질을 코팅한 상태를 도시한 부분 사시도이다.
도 5는 도 2에 적용되는 전극 조립체에서 세퍼레이터를 제외한 상태의 횡단면도이다.
도 6은 도 2에 적용되고 변형된 전극 조립체에서 세퍼레이터를 제외한 상태의 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 8은 집전체와 활물질로 성형되어 도 7에 적용되는 3차원 부재를 나타내는 단면도이다
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 이차 전지(1)는 수mm 직경의 핀 타입으로 형성되며, 예를 들면 2~5mm의 직경으로 형성될 수 있다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 제1실시예의 이차 전지(1)는 충전 및 방전 작용하는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)와 전해액을 내장하는 케이스(30), 전극 조립체(10)에 연결되어 케이스(30)의 외부로 인출되는 터미널(40), 및 터미널(40)과 케이스(30)의 개구 사이에 개재되는 개스킷(50)을 포함한다.
전극 조립체(10)는 세퍼레이터(13)를 개재하여 중심에 배치되는 제1전극(11, 예를 들면, 음극)의 외주에 제2전극(12, 예를 들면, 양극)을 권취하여 형성된다. 또한 도시하지 않았으나. 제1, 제2전극이 양, 음극으로 형성될 수도 있다.
도 3은 도 2에 적용되는 전극 조립체를 분해하여 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3에 적용되는 메쉬 부재에 활물질을 코팅한 상태를 도시한 부분 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 음극(11)은 기공성과 전도성을 가지는 도전 부재에 활물질을 코팅하여 형성된다. 예를 들면, 음극(11)은 메쉬 부재(113)로 통 또는 기둥을 형성하고, 통 또는 기둥에 활물질(114)을 코팅하여 형성된다.
일례로써, 메쉬 부재(113)는 구리의 원통으로 형성되어, 외주에 세퍼레이터(13)와 양극(12)의 권취를 용이하게 한다. 또한 메쉬 부재(113)는 전극 조립체(10)의 중심에 배치되어 전극 조립체(10)의 변형에 저항하는 기계적 강도를 제공하며, 종래의 이차 전지에서 센터핀 작용을 겸한다.
음극(11)은 길이 방향을 따라(도 2에서 상하 방향) 코팅부(111)와 무지부(112)를 설정한다. 코팅부(111)는 양극(12)에 대응하며 메쉬 부재(113)에 활물질(114)을 도포하여 형성된다. 무지부(112)는 활물질이 도포되지 않아 노출된 메쉬 부재(113)로 형성된다.
무지부(112)는 개스킷(50)에 대응하여 터미널(40)에 전기적으로 연결된다. 터미널(40)은 무지부(112)를 설정하는 메쉬 부재(113)에 억지 끼움으로 결합되거나 용접될 수도 있다. 구리의 메쉬 부재(113)와의 견고한 용접을 위하여, 터미널(40)은 구리로 형성될 수 있다.
양극(12)은 금속 박판(예를 들면, Al 포일)으로 형성되는 집전체의 일면에 활물질이 도포된 영역의 코팅부(121), 및 활물질이 도포되지 않아 집전체가 노출된 영역으로 설정되는 무지부(122)를 포함한다.
양극(12)의 무지부(122)는 권취 방향으로 설정된 폭을 가지고 음극(11)의 길이 방향을 따라 전극 조립체(10)의 길이 방향으로 형성된다. 따라서 무지부(122)는 설정된 폭으로 케이스(30)의 내면에 면접촉되어 전기적으로 연결된다.
터미널(40)은 음극(11)에 연결되고, 케이스(30)는 양극(12)에 연결된다. 따라서 음극(11)의 메쉬 부재(113) 및 터미널(40)은 구리로 형성되고, 양극(12)의 집전체는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 음극(11)은 별도의 음극탭을 구비하지 않고, 메쉬 부재(113)로 형성되는 무지부(112)를 터미널(40)에 직접 연결하고, 양극(12)은 별도의 양극탭을 구비하지 않고 무지부(122)를 케이스(30)의 내면에 직접 접촉한다. 따라서 음극(11) 및 양극(12)의 부품 수가 감소될 수 있고, 이차 전지(1)의 제조 공정이 단순해질 수 있다.
또한 음극(11)은 메쉬 부재(113)의 원통으로 형성되어 전극 조립체(10)의 중심에 배치되므로 종래의 센터핀에 음극을 권취하는 구조에 비하여 센터핀을 제거할 수 있다. 따라서 전극 조립체(10)의 체적이 감소되고, 또한 이차 전지(1)의 설정된 체적에서 에너지 밀도가 높아질 수 있다.
음극(11)은 메쉬 부재(113)에 활물질(114)을 코팅하여 형성되므로 메쉬 부재(113)를 통하여 음극(11)의 내외로 전해액이 유통될 수 있고, 메쉬 부재(113)의 내부에도 활물질(114)이 코팅될 수 있다. 즉 전극 조립체(10) 내에서 전해액의 양이 충분하고, 음극(11)에서 양극(12)과의 이온 교환 면적이 넓게 형성되므로 에너지 밀도가 더욱 높아질 수 있다.
음극(11)의 직경(D)은 양극(12)의 두께(t) 보다 크게 설정된다. 즉 음극(11)이 전극 조립체(10)의 중심에 배치되어, 음극(11)과 양극(12)의 대응 면적이 제한되는 경우에도, 음극(11)의 직경(D)은 이차 전지(1)에서 필요한 용량을 가질 수 있게 한다.
도 5는 도 2에 적용되는 전극 조립체에서 세퍼레이터를 제외한 상태의 횡단면도이다. 도 5를 참조하면, 음극(11)이 전극 조립체(10)의 중심에 배치되고, 양극(12)은 음극(11)의 외주에 2턴 미만으로 권취되어 있다. 이 경우, 음극(11)은 둘레 전 영역에서 양극(12)과 마주할 수 있다.
도 6은 도 2에 적용되고 변형된 전극 조립체에서 세퍼레이터를 제외한 상태의 횡단면도이다. 도 6을 참조하면, 음극(101)이 전극 조립체(100)의 중심에 배치되고, 양극(102)은 음극(101)의 외주에 1턴으로 권취되어 있다. 이 경우, 양극(102)은 최소의 크기로 음극(101)의 둘레에서 마주할 수 있다.
도 5 및 도 6에서와 같이, 음극(11, 101)이 전극 조립체(10, 100)의 중심에 배치되는 경우, 양극(102)은 1턴으로만 권취될 수도 있다(도 6 참조). 이 경우, 양극(102)의 양단이 벌어질 수 있고, 이 경우 음극(101)의 외주 일부는 양극(102)과 대응하지 않는 영역을 발생시킬 수 있다. 이 경우, 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
양극(12)이 음극(11)의 1턴 이상 2턴 미만 권취하므로 음극(11)의 둘레 전 영역이 양극(12)과 대응한다(도 5 참조). 따라서 에너지 밀도 저하가 방지될 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 케이스(30)는 전극 조립체(10)를 외부로부터 삽입할 수 있도록 일측에 개구를 형성하고, 원통형 전극 조립체(10)를 수용하도록 원통형으로 형성된다. 케이스(30)는 이차 전지(1)를 초소형 직경의 핀 타입으로 형성하며, 그 외경을 설정한다.
전극 조립체(10)를 내장한 상태에서, 양극(12)의 무지부(122)는 케이스(30)에 전기적으로 연결된다. 예를 들면, 전극 조립체(10)의 외주에 배치되는 양극(12)의 무지부(122)는 케이스(30)의 내면에 접촉으로 연결될 수 있다. 즉 전극 조립체(10)를 케이스(30) 내부에 삽입함으로써 양극(12)의 무지부(122)는 케이스(30)의 내면에 전기적으로 연결된다.
일례로써, 양극(12)의 집전체 및 무지부(122)는 알루미늄으로 형성되고, 케이스(30)는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸로 형성될 수 있다. 무지부(122)가 케이스(30)의 내면에 면접촉되므로 용접하는 경우와 달리, 무지부(122)와 케이스(30)의 재질이 상이한 경우에도 전기적 연결이 효과적으로 유지될 수 있다.
따라서 케이스(30)는 양극(12)의 무지부(122)에 연결되어, 이차 전지(1)에서 양극 단자로 작용한다. 터미널(40)은 음극(11)의 무지부(112)에 연결되고 케이스(30)의 외부로 연장되어, 음극 단자로 작용한다.
도시하지 않았으나, 제1, 제2전극이 양, 음극으로 형성되는 경우, 케이스는 음극의 무지부에 연결되어, 이차 전지에서 음극 단자로 작용하고, 터미널은 양극의 무지부에 연결되어 케이스의 외부로 연장되어, 양극 단자로 작용할 수 있다.
개스킷(50)은 터미널(40)과 케이스(30)의 개구 사이에 개재되어 터미널(40)과 케이스(30)를 전기적으로 절연시키고, 전극 조립체(10)와 전해액을 수용하는 케이스(30)을 밀폐한다.
개스킷(50)은 케이스(30)의 개구에 끼워진 후, 클림핑(crimping) 공정을 통하여 케이스(30)의 개구에 고정되어 이차 전지(1)를 이루게 된다. 이때, 케이스(30)는 개구 측에 케이스(30)의 직경 방향의 중심으로 함입되는 비딩부(31)를 형성한다.
비딩부(31)는 서로 밀착되는 터미널(40)과 음극(11) 무지부(112)의 측방에서 직경 방향 중심으로 함입 형성된다. 따라서 케이스(30)의 비딩부(31)가 개스킷(50)을 압축하는 상태에서, 터미널(40)과 무지부(112) 및 비딩부(31)의 체결력이 더욱 강화될 수 있다. 일례로써, 개스킷(50)은 고무 마개로 형성될 수 있다.
이하에서 본 발명의 제2실시예에 대하여 설명하며, 제1실시예와 비교하여 동일 구성에 대한 설명을 생략하고, 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지의 단면도이고, 도 8은 집전체와 활물질로 성형되어 도 7에 적용되는 3차원 부재를 나타내는 단면도이다
도 7 및 도 8을 참조하면, 제2실시예의 이차 전지(2)에서, 음극(21)은 집전체(213)와 활물질(214)로 성형된 3차원 부재로 형성된다. 즉 음극(21)은 다공성을 가지는 기둥으로 형성될 수 있다.
집전체(213)는 도전성을 가지는 금속 섬유사로 형성된다. 음극(21)을 형성하는 3차원 부재는 집전체(213)와 입자상의 활물질(214)을 혼합한 후 압착하여 형성될 수 있다.
다공성 기둥으로 형성되는 음극(21)은 전극 조립체(210)의 중심에 배치되어 전극 조립체(210)의 변형에 저항하는 기계적 강도를 제공하며, 종래의 센터핀 작용을 겸한다.
음극(21)은 길이 방향을 따라 코팅부(211)와 무지부(212)를 설정한다. 코팅부(211)는 양극(22)에 대응하며 혼합된 집전체(213)와 활물질(214)의 압착 성형체로 형성된다. 무지부(212)는 활물질이 혼합되지 않고 압착된 집전체(213)로 형성된다.
무지부(212)는 개스킷(50)에 대응하여 터미널(40)에 전기적으로 연결된다. 터미널(40)은 무지부(212)를 설정하는 집전체에 억지 끼움으로 결합되거나 용접될 수도 있다. 터미널(40)이 구리로 형성되는 경우, 무지부(212) 및 집전체(213)는 터미널(40)과의 견고한 용접을 위하여 구리로 형성될 수 있다.
또한 음극(21)은 원기둥으로 형성되어 전극 조립체(210)의 중심에 배치되므로 종래의 센터핀에 음극을 권취하는 구조에 비하여 센터핀을 제거할 수 있다. 따라서 전극 조립체(210)의 체적이 감소되고, 또한 이차 전지(2)의 설정된 체적에서 에너지 밀도가 높아질 수 있다.
음극(21)은 금속 섬유사의 집전체(213)에 활물질(214)을 혼합 및 압착하여 형성되므로 집전체(213)의 금속 섬유사들 사이를 통하여 음극(21)의 내외로 전해액이 유통될 수 있고, 집전체(213)의 금속 섬유사들 내부에도 활물질(214)이 압착될 수 있다. 즉 전극 조립체(210) 내에서 전해액의 양이 충분하고, 음극(21)에서 양극(22)과의 이온 교환 면적이 넓게 형성되므로 에너지 밀도가 더욱 높아질 수 있다.
음극(21)의 직경(D2)은 양극(22)의 두께(t2) 보다 크게 설정된다. 즉 음극(21)이 전극 조립체(210)의 중심에 배치되어, 음극(21)과 양극(12)의 대응 면적이 제한되는 경우에도, 음극(21)의 직경(D2)은 이차 전지(2)에서 필요한 용량을 가질 수 있게 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1,2: 이차 전지 10, 100, 210: 전극 조립체
11, 21, 101: 제1전극(음극) 12, 102: 제2전극(양극)
13: 세퍼레이터 30: 케이스
31: 비딩부 40: 터미널
50: 개스킷 111, 121, 211: 코팅부
112, 122, 212: 무지부 113: 메쉬 부재
114, 214: 활물질 213: 집전체
D, D2: 직경 t, t2: 두께

Claims (10)

  1. 세퍼레이터를 개재하여 중심에 배치되는 제1전극의 외주에 제2전극을 권취하여 형성되는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체와 전해액을 내장하고 상기 제2전극에 전기적으로 연결되는 케이스;
    상기 제1전극에 전기적으로 연결되어 상기 케이스의 외부로 인출되는 터미널; 및
    상기 터미널과 상기 케이스의 개구 사이에 배치되어 상기 개구를 밀폐하는 개스킷
    을 포함하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극은
    상기 제1전극의 외주에 1턴 내지 2턴 미만으로 권취되는 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은
    메쉬 부재의 통 또는 기둥에 활물질을 코팅하여 형성되는 이차 전지.
  4. 제5항에 있어서,
    상기 제1전극은
    상기 제2전극에 대응하는 코팅부, 및
    상기 개스킷에 대응하는 메쉬 부재로 형성되어 상기 터미널에 연결되는 무지부를 포함하는 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은
    기공성과 전도성을 가지는 도전 부재에 활물질을 코팅하여 형성되는 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극은
    금속 박판으로 형성되는 집전체에 활물질이 도포된 영역의 코팅부, 및
    활물질이 도포되지 않아 집전체가 노출된 영역의 무지부를 포함하며,
    상기 무지부는
    상기 케이스의 내면에 면접촉되어 전기적으로 연결되는 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1전극의 직경은
    상기 제2전극의 두께보다 크게 설정되는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은
    집전체와 활물질로 성형된 3차원 부재로 형성되는 이차 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1전극은,
    다공성을 가지는 기둥으로 형성되는 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 집전체는 금속 섬유사로 형성되고,
    상기 제1전극은
    상기 집전체와 입자상의 활물질을 혼합한 후 압착하여 형성되는 이차 전지.
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