KR20170001281A - 내부 공간 활용을 극대화할 수 있는 비정형 구조의 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

내부 공간 활용을 극대화할 수 있는 비정형 구조의 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스 Download PDF

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KR20170001281A
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Abstract

본 발명은 충방전이 가능한 이차전지로서, 지면에 대한 평면 형상이 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 외주변들을 포함하고 있는 구조의 본체부(body portion); 및 상기 본체부와 일체인 상태로 제 1 외주변의 양측 단부로부터 외향 연장되어 있고, 말단에 한 쌍의 전극 리드들이 돌출되어 있는 단자부들(terminal portions);를 포함하는 이차전지를 제공한다.

Description

내부 공간 활용을 극대화할 수 있는 비정형 구조의 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스 {Secondary Battery of Irregular Structure Capable of Maximizing Interior Space Occupancy, and Device Having the Same}
본 발명은 내부 공간 활용을 극대화할 수 있는 비정형 구조의 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
특히, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 이차전지, 각형 이차전지, 파우치형 이차전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 이차전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로, 파우치형 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해질이 밀봉되어 있는 전지를 칭한다. 전지케이스에 수납되는 전극조립체는 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 복합형(스택/폴딩형)의 구조로 이루어져 있다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.
전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(30)의 경우, 다수의 양극 탭들(40)과 다수의 음극 탭들(50)이 전극리드(60, 70)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(20) 내부 상단은 전극조립체(30)로부터 이격되어 있다.
그러나, 최근 슬림한 타입 또는 곡선과 굴곡된 다양한 형상이 적용된 디바이스에 대응하여 새로운 형태의 이차전지가 요구되고 있다.
특히, 소형이며 무선으로 사용하는 디바이스의 경우, 내부 공간의 협소하므로, 디바이스 내부에 형성되어 있는 구조물 또는 내부에 배치되는 다수의 부재, 예를 들어 회로 또는 결합 부재들에 의해 이차전지의 장착을 위한 공간이 매우 제한적이다.
또한, 상기 디바이스의 경우, 협소한 내부 공간에 다수의 부재들과 이차전지가 배치되어 이들이 서로 간섭하거나 충돌할 수 있고, 그에 따라 디바이스의 안정성과 내구성이 낮은 단점이 있다.
따라서, 디바이스의 다양한 형상 및 소형인 경우에도, 디바이스의 내부 공간을 최대한 활용하여 상기 문제점을 해소할 수 있는 이차전지에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 내부 공간 활용을 극대화할 수 있도록 비정형 구조로 이루어진 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는
충방전이 가능한 이차전지로서,
지면에 대한 평면 형상이 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 외주변들을 포함하고 있는 구조의 본체부(body portion); 및
상기 본체부와 일체인 상태로 제 1 외주변의 양측 단부로부터 외향 연장되어 있고, 말단에 한 쌍의 전극 리드들이 돌출되어 있는 단자부들(terminal portions);
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지는, 일반적인 파우치형 이차전지와 달리, 전극 리드들이 돌출되어 있는 단자부들이 본체부로부터 연장되어 있는 구조로 이루어져 있는 바, 단자부들 사이 또는 단자부들 측부 측에 공간이 형성되고, 이 공간을 활용하여 협소한 내부 공간을 가지는 디바이스에 장착되기 용이한 장점을 가진다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단자부는, 양극 리드가 장착되어 있는 제 1 단자부와, 음극 리드가 장착되어 있는 제 2 단자부를 포함하고 있고;
상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부는 본체부의 제 1 외주변에 일체로 연속되어 있는 구조로 이루어져 있다.
여기서, 상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부는 제 1 외주변에 대해 수직으로 외향 연장되어 있는 구조일 수 있다.
제 1 단자부 및 제 2 단자부는 또한, 서로 대면하는 제 1 변들과, 상기 제 1 변들에 대향하는 제 2 변들을 포함하고 있고;
상기 제 2 변들의 사이 거리는 제 1 외주변의 길이 대비 50% 내지 100%일 수 있다.
여기서, 상기 제 1 변들 중의 어느 하나와 제 1 단자부 및 제 2 단자부의 제 1 변들 사이에 위치한 제 1 외주변이 이루는 면적의 제 1 외부 공간(first extra space)이 제 1 단자부 및 제 2 단자부의 제 1 변들 사이에 형성될 수 있으며, 본 발명에 따른 이차전지는 상기 외부 공간을 활용함으로써, 기타 부재들이 내부 공간에 배치되거나, 디바이스의 내부 공간이 협소하고 복잡한 구조로 이루어진 경우에도 장착이 용이하도록 구성되어 있다.
예를 들어, 상기 제 1 외부 공간에는, 인쇄회로기판을 포함하는 보호회로 모듈, 충격 완화 부재, 디바이스의 일부 부위 및 디바이스의 회로 부재에서 선택되는 적어도 하나 이상이 배치될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지는, 일반적인 판상형 이차전지에서 전극 단자가 돌출되어 불필요하게 낭비되는 공간을 활용하기 위하여, 제 1 단자부들과 제 2 단자부들을 본체부로부터 일체로 연장시킨 구조로 이루어져 있고, 이 단자부들이 연장되면서 형성되는 공간, 즉, 상기 제 1 외부 공간에 기타 부재들과 디바이스의 내부에 형성된 구조물이 배치될 수 있으므로, 디바이스의 내부에서의 공간 낭비가 최소화될 수 있다.
이러한 외부 공간은 상기 제 1 단자부들과 제 2 단자부들의 제 2 변 측에도 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 단자부의 제 2 변과 상기 제 1 단자부의 제 2 변 측에 위치한 제 1 외주변이 이루는 면적의 제 2 외부 공간이 제 1 단자부의 제 2 변 측에 형성되어 있고, 및/또는 상기 제 2 단자부의 제 2 변과 상기 제 2 단자부의 제 2 변 측에 위치한 제 1 외주변이 이루는 면적의 제 3 외부 공간이 제 2 단자부의 제 2 변 측에 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 이차전지에서, 외부 공간은 제 1 단자부의 제 2 변에 형성된 제 2 외부 공간, 제 2 단자부의 제 2 변에 형성된 제 3 외부 공간 및 제 1 단자부와 제 2 단자부 사이에 형성된 제 1 외부 공간의 최대 3개의 외부 공간을 포함할 수 있으며, 경우에 따라서 제 1 외부 공간 하나로 구성될 수도 있고, 제 2 외부 공간 또는 제 3 외부 공간 중 어느 하나와 제 1 외부 공간을 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이차전지는, 상기 제 1 외부 공간, 제 2 외부 공간 및 제 3 외부 공간 중의 적어도 하나에, 인쇄회로기판을 포함하는 보호회로 모듈, 충격 완화 부재, 디바이스의 일부 부위 및 디바이스의 회로 부재에서 선택되는 적어도 하나 이상이 배치될 수 있으며, 상술한 구조적 특징을 제 1 외부 공간, 제 2 외부 공간 및 제 3 외부 공간을 통해 구현할 수 있다.
상기 외부 공간들의 형성은 상기 제 1 단자부와 제 2 단자부의 크기 및 이들 단자부의 제 2 변들 사이의 거리에 기인하며, 상기 거리의 길이가 제 1 외주변의 길이 대비 50% 미만인 경우, 제 1 단자부와 제 2 단자부가 매우 근접하게 위치하므로 제 1 외부 공간 활용이 어려운 단점이 있다.
또한, 제 1 단자부와 제 2 단자부의 제 2 변들이 제 1 외주변으로부터 벗어나지 않도록, 상기 제 2 변들 사이 거리는 제 1 외주변의 길이 대비 최대 100%일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부는 제 1 외주변 길이 대비 10% 내지 100%의 길이로 제 1 외주변으로부터 연장될 수 있다.
여기서, 제 1 단자부 및 제 2 단자부의 연장 길이는 서로 상이하거나 동일할 수 있으며, 상기 단자부들의 연장 길이가 제 1 외주변에 대해 10% 미만인 경우, 상술한 외부 공간의 활용이 용이하지 않은 바, 바람직하지 않고, 상기 단자부들의 연장 길이가 제 1 외주변에 대해 100%를 초과하는 경우, 본체부에 대해 상대적으로 폭이 좁은 제 1 단자부와 제 2 단자부는 기계적 강성 또한 상대적으로 낮은 바, 반복적인 이차전지의 충방전에 의한 스웰링(swelling) 현상에 더욱 취약할 뿐만 아니라, 외부 충격으로 본체부로부터 파단되어 단락될 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부 각각의 폭은 상이하거나 동일할 수 있으며, 상세하게는 상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부 각각의 폭은 제 1 외주변의 길이 대비 10% 내지 30%일 수 있다.
상기 폭이 제 1 외주변의 길이 대비 10%미만인 경우, 전극 리드를 제 1 단자부 및 제 2 단자부에 장착하는 공정이 까다로울 뿐만 아니라, 단자부들의 기계적 강성이 낮아 외력에 대해 변형 또는 파단될 수 있으므로 바람직하지 않다. 또한, 상기 폭이 제 1 외주변의 길이 대비 30%를 초과하는 경우, 상기 제 1 외부 공간의 면적이 좁아, 효율적인 공간 활용이 제한되어 바람직하지 않다.
한편, 본 발명의 이차전지는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고;
상기 전극조립체는, 본체부와 단자부가 형성하는 형상에 대응하는 형상의 복수의 전극 판들이, 각각 분리막이 개재된 상태에서, 지면을 기준으로 상향 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다.
여기서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트일 수 있으며, 이 때, 상기 이차전지에서, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 외주변들은 평면 형상에서 이차전지의 외면을 이루는 전지케이스의 변들일 수 있다.
상기 이차전지에서 본체부의 외형은 구체적으로, 제 1 외주변의 양측 단부가 제 2 외주변 및 제 3 외주변에 각각 직각으로 연결되어 있고, 상기 제 1 외주변의 양측 단부에 각각 대향하는 제 2 외주변의 단부와 제 3 외주변의 단부 사이에 제 4 외주변이 연결된 구조로 이루어질 수 있다.
상기 이차전지는 또한, 곡면을 포함하는 디바이스의 구조에 대응하여 외주변들이 곡선을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 외주변을 제외한 나머지 제 2, 제 3 및 제 4 외주변들이 상호 연결되는 모서리 부위들 중에서, 적어도 하나의 모서리 부위는 라운드 코너(round corner) 형상으로 이루어질 수 있다.
이러한 구조는 디바이스의 모서리 부위에 곡선 또는 라운드 처리된 형태에 대응하여 장착되기 용이한 장점을 가질 뿐만 아니라, 일반적인 형상의 이차전지, 즉 정육각형 형태의 이차전지와 비교하여, 디바이스의 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있어, 이차전지의 안정적인 장착과 다양한 구조의 디바이스에 적용될 수 있는 장점이 있다.
이와는 다르게, 상기 제 1 외주변에 대향하는 제 4 외주변이 곡선으로 이뤄질 수 있다.
상기 곡선은 곡률 반경이 일정한 반원형 곡선 또는 곡률 반경이 단부측과 중심 측이 서로 다른 곡선일 수 있다.
본 발명의 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 적어도 하나 이상 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 단일 이차전지로 구성될 수 있고, 이와는 다르게 다수의 이차전지들을 직렬 연결, 병렬 연결, 또는 직렬과 병렬 연결을 혼합한 구조로 연결하여 구성될 수 있으며, 이차전지를 외력으로부터 보호하기 위한 외장 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 외면의 적어도 한 곳 이상에 곡면 구조를 포함하는 전기 장치일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 디바이스는, 곡면 구조를 포함하는 다양한 디자인으로 설계될 수 있고, 디바이스의 곡면 구조 형상과 일치하는 외형을 포함하는 이차전지를 내부에 탑재하고 있으므로, 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있어, 종래의 전기 디바이스에 비해 더욱 안정적이고 확대된 전기적 용량을 유지하면서도 다양한 디자인 구조와 콤팩트한 구조의 디바이스를 제공할 수 있다.
상기 디바이스는 또한, 이차전지의 제 1 외부 공간, 제 2 외부 공간 및 제 3 외부 공간 중의 적어도 하나에, 인쇄회로기판을 포함하는 보호회로 모듈, 충격 완화 부재, 디바이스의 일부 부위 및 디바이스의 회로 부재에서 선택되는 적어도 하나 이상이 위치할 수 있다.
상기 디바이스는 예를 들어 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트 패드, 태블릿 PC, 넷북, 또는 웨어러블 전자기기에서 선택되는 하나의 소형 디바이스일 수 있으나 본 발명의 디바이스가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이와는 달리, 상기 디바이스는 예를 들어, 무선 마우스, 무선 키보드, 무전기 또는 무선 선풍기에서 선택되는 무선 전기 장치일 수 있으나 본 발명의 디바이스가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 일반적인 파우치형 이차전지와 달리, 전극 리드들이 돌출되어 있는 단자부들이 본체부로부터 연장되어 있는 구조로 이루어져 있는 바, 단자부들 사이 또는 단자부들 측부 측에 공간이 형성되고, 이 공간을 활용하여 협소한 내부 공간을 가지는 디바이스에 장착되기 용이한 장점을 가진다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지에 대한 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 모식도이다;
도 3은 도 2의 이차전지를 구성하는 전극조립체의 분해도이다;
도 4는 도 2의 이차전지의 평면 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 모식도이다;
도 6은 도 2 및 도 5와 다른 구조로 이루어진 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 모식도이다.
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 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 이차전지는 전지케이스(140)의 외면인 제 1 외주변(111), 제 2 외주변(112), 제 3 외주변(113) 및 제 4 외주변(114)들을 포함하는 본체부(110) 및 본체부(110)와 일체인 상태로 제 2 외주변(112)과 인접한 제 1 외주변(111)의 일측 단부로부터 외향 연장되어 있고, 말단에 양극 리드(126)가 결합 및 돌출되어 있는 제 1 단자부(122) 및 본체부(110)와 일체인 상태로 제 3 외주변(113)과 인접한 제 1 외주변(111)의 일측 단부로부터 외향 연장되어 있고 음극 리드(128)가 결합 및 돌출되어 있는 제 2 단자부(124)를 포함한다.
여기서 본체부(110)와 제 1 단자부(122) 및 제 2 단자부(124)는 일체형으로서, 이들 구성들은 제 1 외주변(111)을 경계로 구획되는 것이 주목해야 한다.
이와 관련하여, 도 3에는 본 발명에 따른 이차전지에서, 전극조립체의 구성들이 모식적을 도시되어 있다.
도 3을 도 1과 함께 참조하면, 전극조립체(150)는, 본체부(110)와 제 2 단자부(124)가 형성하는 형상에 대응하는 형상의 음극 판(151), 본체부(110)와 제 1 단자부(122)가 형성하는 형상에 대응하는 형상의 양극 판(152) 및 본체부(110), 제 1 단자부(122) 및 제 2 단자부(124)가 형성하는 형상에 대응하는 형상의 분리막(153)을 사이에 두고 적층된 구조로 이루어져 있다.
여기서, 분리막(153)은 양극 판(152) 및 음극 판(151)보다 더 큰 면적을 가지며, 전극조립체(150)는 상기 적층 구조의 양극 판(152)과 음극 판(151) 및 분리막(153)들을 복수 조합하여 더욱 큰 용량과 체적을 가지는 전극조립체로 구성될 수 있다.
이와 같이 양극 판(152)과 음극 판(151) 및 분리막(153)이 적층된 전극조립체(150)는 도 1의 전지케이스에 내장된 상태로 본체부(110)의 제 1 외주변(111)으로부터 제 1 단자부(122) 및 제 2 단자부(124)가 외향으로 연장된 구조를 형성한다.
도 4에는 도 1의 이차전지의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 본체부(110)는 제 1 외주변(111) 일측 단부가 제 2 외주변(112)과 직각으로 연결되어 있고, 제 1 외주변(111)의 타측 단부가 제 3 외주변(113)과 직각으로 연결되어 있으며, 제 1 외주변(111)의 양측 단부에 각각 대향하는 제 2 외주변(112)의 단부와 제 3 외주변(113)의 단부 사이에 제 4 외주변(114)이 연결된 형상으로 이루어져 있다.
여기서, 본체부(110)는 제 2 외주변(112)과 제 4 외주변(114)이 서로 연결되는 모서리 부위 및 제 3 외주변(113)과 제 4 외주변(114)이 서로 연결되는 모서리 부위에 라운드 코너(round corner)가 형성되어 있다.
제 1 단자부(122)는 제 2 단자부(124)와 대면하는 제 1 변(122a) 및 제 1 변(122a)에 대향하는 제 2 변(122b)을 포함하고, 제 2 단자부(124)는 제 1 단자부(122)와 대면하는 제 1 변(124a) 및 제 1 변(124a)에 대향하는 제 2 변(124b)을 포함한다.
제 1 단자부(122)와 제 2 단자부(124)의 제 2 변들(122b, 124b)의 사이 거리(W4)는 제 1 외주변(111)의 길이 대비 100%의 길이를 가진다.
제 1 단자부(122) 및 제 2 단자부(124)는 제 1 외주변(111) 길이(W1) 대비 대략 50%의 길이(W5)로 본체부(110)의 제 1 외주변(111)으로부터 수직으로 연장되어 있다.
제 1 단자부(122)는 제 1 외주변(111)의 길이(W1)의 길이 대비 대략 15%의 폭(W2)을 가진다.
제 2 단자부(124)는 제 1 외주변(111)의 길이(W1)의 길이 대비 대략 15%의 폭(W3)을 가진다.
여기서, 이차전지는 제 1 단자부(122)의 제 1 변(122a)의 길이와 제 1 단자부(122)의 제 1 변(122a)과 제 2 단자부(124)의 제 1 변(124a) 사이에 위치한 제 1 외주변(111)의 길이(W1')가 이루는 면적을 가지는 제 1 외부 공간(130, first extra space)이 제 1 단자부(122) 및 제 2 단자부(124)의 제 1 변들(122a, 124a) 사이에 형성되어 있다.
제 1 외부 공간(130)에는, 인쇄회로기판을 포함하는 보호회로 모듈, 충격 완화 부재, 또는 이차전지(100)가 디바이스 내부에 장착될 때, 디바이스의 일부 부위 및 디바이스의 회로 부재에서 선택되는 적어도 하나 이상이 배치되어 디바이스 내부 공간이 효율적으로 활용될 수 있다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 평면도가 모식적을 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 이차전지(200)는 본체부(210)의 제 1 단자부(222)와 제 2 단자부(224)의 제 2 변들(222b, 224b)의 사이 거리(L2)가 제 1 외주변(211)의 총 길이(L1) 대비 대략 70%의 길이(L2)로 서로 이격되어 있으며, 상세하게는 제 1 단자부(222)의 제 2 변(222b)이 제 1 외주변(211)의 단부로부터 제 1 길이(L3)만큼 제 2 단자부(224) 방향으로 이격된 상태로 제 1 단자부(222)가 제 1 외주변(211)으로부터 연장되어 있고, 제 2 단자부(224)의 제 2 변(224b)이 제 1 외주변(211)의 단부로부터 제 2 길이(L4)만큼 제 1 단자부(222) 방향으로 이격된 상태로 제 2 단자부(224)가 제 1 외주변(211)으로부터 연장되어 있다.
또한, 제 1 단자부(222)와 제 2 단자부(224) 사이에 위치한 제 1 외주변(211)은 제 3 길이(L1)를 가진다.
제 1 단자부(222)는 제 1 외주변(211) 길이(L1) 대비 대략 30%의 길이(H1)로 본체부(210)의 제 1 외주변(211)으로부터 수직으로 연장되어 있고, 제 2 단자부(224)는 제 1 외주변(211) 길이(L1) 대비 대략 50%의 길이(H2)로 본체부(210)의 제 1 외주변(211)으로부터 수직으로 연장되어 있다. 즉, 이차전지(200)는 제 1 단자부(222)의 길이(H1)가 제 2 단자부(224)의 길이(H2)보다 짧게 구성되어 있다.
한편, 이차전지(200)는 제 1 단자부(222)의 제 2 변(222b)과 제 2 변(222b)이 이격된 길이(L3)가 이루는 면적의 제 2 외부 공간(231)이 제 2 변(222b) 측에 형성되어 있고, 제 2 단자부(224)의 제 2 변(224b)과 제 2 변(224b)이 이격된 길이(L4)가 이루는 면적의 제 3 외부 공간(232)이 제 2 변(224b) 측에 형성되어 있다.
또한, 이차전지(200)는 제 2 단자부(224)의 제 1 변(224a)의 길이(H2)와 제 1 단자부(222)의 제 1 변(222a)과 제 2 단자부(224)의 제 1 변(224a) 사이에 위치한 제 1 외주변(211)의 길이(L1')가 이루는 면적을 가지는 제 1 외부 공간(230)이 제 1 단자부(222) 및 제 2 단자부(224)의 제 1 변들(222a, 224a) 사이에 형성되어 있다.
이러한 구조의 이차전지는 제 1 외부 공간(230) 뿐만 아니라, 제 2 외부 공간(231) 및 제 3 외부 공간(232)에도, 인쇄회로기판을 포함하는 보호회로 모듈, 충격 완화 부재, 또는 디바이스의 일부 부위 및 디바이스의 회로 부재가 배치될 수 있다.
도 6에는 도 2 내지 도 4 및 도 5와 다른 구조로 이루어진 이차전지의 모식도가 도시되어 있다.
도 6를 참조하면, 이차전지(300)는 제 1 단자부(322)의 제 2 변(322b)이 제 1 외주변(311)의 단부로부터 제 1 길이(G2)만큼 제 2 단자부(324) 방향으로 이격된 상태로 제 1 단자부(322)가 제 1 외주변(311)으로부터 연장되어 있다. 반면에, 제 2 단자부(324)의 제 2 변(324b)은 본체부(310)의 제 3 외주변(313)과 일(一)자 형태로 본체부(310)의 제 1 외주변(311)으로부터 연장되어 있다.
즉, 제 1 단자부(322)의 제 2 변(322b) 측에는 제 1 단자부(322)의 제 2 변(322b)과 제 2 변(322b)이 이격된 길이(L3)가 이루는 면적의 제 2 외부 공간(331)이 제 2 변(322b) 측에 형성되어 있지만, 제 2 단자부(324)의 제 2 변(324b)에는 외부 공간이 형성되어 있지 않다.
또한, 이차전지(300)는 제 2 단자부(324)의 제 1 변의 길이(H2)와 제 1 단자부(322)의 제 1 변(322a)과 제 2 단자부(324)의 제 1 변(324b) 사이에 위치한 제 1 외주변(311)의 길이(G1')가 이루는 면적을 가지는 제 1 외부 공간(330)이 제 1 단자부(322) 및 제 2 단자부(324)의 제 1 변들(322a, 324a) 사이에 형성되어 있다.
한편, 이차전지(300)는 제 1 외주변(311)에 대향하는 제 4 외주변(314)이 곡선으로 이루어져 있다.
제 4 외주변(314)의 곡선은 중심부의 곡률 반경(R1)이 단부의 곡률 반경(R2)보다 더 큰 구조로 이루어져 있다.
즉, 제 4 외주변(314)은 단부가 중심부와 비교하여 더 굴곡된 구조로 이루어져 있고, 반대로 중심부는 상대적으로 덜 굴곡된 구조로 이루어져 있다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 충방전이 가능한 이차전지로서,
    지면에 대한 평면 형상이 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 외주변들을 포함하고 있는 구조의 본체부(body portion); 및
    상기 본체부와 일체인 상태로 제 1 외주변의 양측 단부로부터 외향 연장되어 있고, 말단에 한 쌍의 전극 리드들이 돌출되어 있는 단자부들(terminal portions);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고;
    상기 전극조립체는, 본체부와 단자부가 형성하는 형상에 대응하는 형상의 복수의 전극 판들이, 각각 분리막이 개재된 상태에서, 지면을 기준으로 상향 적층되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 외주변의 양측 단부는 제 2 외주변 및 제 3 외주변에 각각 직각으로 연결되어 있고, 상기 제 1 외주변의 양측 단부에 각각 대향하는 제 2 외주변의 단부와 제 3 외주변의 단부 사이에 제 4 외주변이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 외주변을 제외한 나머지 제 2, 제 3 및 제 4 외주변들이 상호 연결되는 모서리 부위들 중에서, 적어도 하나의 모서리 부위는 라운드 코너(round corner) 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 외주변에 대향하는 제 4 외주변이 곡선으로 이뤄진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 단자부는, 양극 리드가 장착되어 있는 제 1 단자부와, 음극 리드가 장착되어 있는 제 2 단자부를 포함하고 있고;
    상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부는 본체부의 제 1 외주변에 일체로 연속되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부는 제 1 외주변 길이 대비 10% 내지 100%의 길이로 제 1 외주변으로부터 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부는 제 1 외주변에 대해 수직으로 외향 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부 각각의 폭은 제 1 외주변의 길이 대비 10% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 단자부 및 제 2 단자부는, 서로 대면하는 제 1 변들과, 상기 제 1 변들에 대향하는 제 2 변들을 포함하고 있고;
    상기 제 2 변들의 사이 거리는 제 1 외주변의 길이 대비 50% 내지 100%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 변들 중의 어느 하나와 제 1 단자부와 제 2 단자부 사이에 위치한 제 1 외주변이 이루는 면적의 제 1 외부 공간(first extra space)이 제 1 단자부 및 제 2 단자부의 제 1 변들 사이에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 단자부의 제 2 변과 상기 제 1 단자부의 제 2 변 측에 위치한 제 1 외주변이 이루는 면적의 제 2 외부 공간이 제 1 단자부의 제 2 변 측에 형성되어 있고, 및/또는 상기 제 2 단자부의 제 2 변과 상기 제 2 단자부의 제 2 변 측에 위치한 제 1 외주변이 이루는 면적의 제 3 외부 공간이 제 2 단자부의 제 2 변 측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 외부 공간, 제 2 외부 공간 및 제 3 외부 공간 중의 적어도 하나에는, 인쇄회로기판을 포함하는 보호회로 모듈, 충격 완화 부재, 디바이스의 일부 부위 및 디바이스의 회로 부재에서 선택되는 적어도 하나 이상이 배치되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 외주변들은 평면 형상에서 이차전지의 외면을 이루는 전지케이스의 변들인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제 1 항에 따른 이차전지를 적어도 하나 이상 포함하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 따른 이차전지를 포함하는 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 디바이스는 외면의 적어도 한 곳 이상에 곡면 구조를 포함하는 전기 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 디바이스는, 이차전지의 제 1 외부 공간, 제 2 외부 공간 및 제 3 외부 공간 중의 적어도 하나에, 인쇄회로기판을 포함하는 보호회로 모듈, 충격 완화 부재, 디바이스의 일부 부위 및 디바이스의 회로 부재에서 선택되는 적어도 하나 이상이 위치하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트 패드, 태블릿 PC, 넷북, 또는 웨어러블 전자기기인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 디바이스는 무선 마우스, 무선 키보드, 무전기 또는 무선 선풍기인 것을 특징으로 하는 디바이스.


KR1020150091039A 2015-06-26 2015-06-26 내부 공간 활용을 극대화할 수 있는 비정형 구조의 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스 KR20170001281A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019124733A1 (ko) * 2017-12-19 2019-06-27 주식회사 엘지화학 전극조립체 및 그 제조방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019124733A1 (ko) * 2017-12-19 2019-06-27 주식회사 엘지화학 전극조립체 및 그 제조방법
US11258073B2 (en) 2017-12-19 2022-02-22 Lg Energy Solution, Ltd. Electrode assembly and method for manufacturing the same

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