KR20170040930A

KR20170040930A - 이차전지

Info

Publication number: KR20170040930A
Application number: KR1020150140203A
Authority: KR
Inventors: 황창묵; 김명훈; 장혜림
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-04-14
Also published as: KR102498959B1

Abstract

전극조립체; 전극조립체와 접촉하고, 전해액을 수용하는 격실이 내부에 형성되며, 격실의 격벽에 형성된 공급공 및 공급공을 통해 외측으로 돌출되는 버튼을 포함하는 전해액패드; 및
전극조립체, 전해액패드 및 전해액을 수용하는 케이스를 포함하는, 이차전지를 제공한다.

Description

이차전지{SECONDARY BATTERY}

본 발명은 이차전지에 관한 것이다.

소형의 전자 기기의 전원으로서 이용되고 있는 리튬 이온 전지에서는, 양극 집전체 및 음극 집전체 각각에 활성물질을 도포한 후에, 그 사이에 세퍼레이터(separator)에 적층하여 권취한 젤리롤(jelly-roll) 전극 조립체를 전지 케이스 내에 수납하고 전해액을 주입하여 밀폐한 것이 이용되고 있다. 이러한 이차전지의 형태에서는 젤리롤 전극 조립체에 전해액이 잘 공급되는 것이 배터리의 내구성에 있어서 매우 중요하다. 따라서, 전해액의 공급을 효율적으로 실시하기 위하여 다양한 형태의 전극조립체를 이용한 이차전지가 개발되고 있다. 하지만 충전과 방전시에 적절한 전해액을 공급하는 것은 여전히 기술적인 문제로 남아있으며, 팽창정도에 따라 공급하는 전해액의 양을 조절하는데 어려움이 있다. 이러한 현실은 이차전지의 수명에 악영향을 끼치고 열화정도를 가속화하므로 내구성을 저하시키는 원인이 된다.

대한민국 공개특허공보 제2015-0014637호 (2015.02.09)　

본 발명의 실시예들은 이차전지가 충/방전 시에 팽창하여 발생하는 압력을 완화하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명의 실시예들은 이차전지에 발생하는 압력을 완화함과 동시에 전극체로 전해액의 유입을 효율적으로 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예들은 이차전지의 팽창정도에 따라 전해액의 공급양을 달리 하여 열화정도의 속도를 낮추는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극조립체; 전극조립체와 접촉하고, 전해액을 수용하는 격실이 내부에 형성되며, 격실의 격벽에 형성된 공급공 및 공급공을 통해 외측으로 돌출되는 버튼을 포함하는 전해액패드; 및 전극조립체, 전해액패드 및 전해액을 수용하는 케이스를 포함하는, 이차전지를 제공할 수 있다.

그리고 버튼을 지지하는 탄성부재를 더 포함하고, 탄성부재는 적어도 하나 이상의 버튼을 지지할 수 있다.

버튼이 복수 개 형성될 수 있고, 전해액패드의 외측으로 돌출되는 버튼의 길이가 상이하게 형성될 수 있다.

버튼이 다단부로 형성되고, 상기 다단부의 단부는 상기 단부가 연장형성되는 길이방향에 대하여 수직방향의 단면적이 상기 전해액패드의 외측에 가까운 단부가 더 작게 형성될 수 있다.

다단부의 형성되는 단부는 전해액패드의 외측에 인접하는 단부가 내측에 인접하는 단부보다 단부의 길이가 짧게 형성될 수 있다.

격실의 수는 단부의 수와 대응되고, 격벽은 단부가 연장형성된 길이방향으로 간격을 유지하며 형성되며, 간격은 전해액패드의 외측면에 가까운 격벽 간의 간격이 전해액패드의 내측면에 가까운 격벽간의 간격보다 작게 형성될 수 있다.

버튼은 전해액패드의 양면으로 돌출될 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지는 충/방전 시에 팽창으로 인해 발생하는 압력을 완화할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 이차전지는 충/방전 시에 발생하는 압력을 완화함과 동시에 전극체로 전해액의 유입을 효율적으로 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지는 팽창정도에 따라 전해액의 공급양을 달리 하여 열화정도의 속도를 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 설명하기 위한 분해사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 버튼을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 전해액패드 배치를 설명하기 위한 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체 팽창시 전해액패드를 설명하기 위한 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 적층형 배치를 설명하기 위한 도면
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 버튼을 설명하기 위한 도면
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 버튼을 설명하기 위한 도면
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체 팽창시 버튼의 작동구조를 설명하기 위한 도면

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.

그리고 본 발명의 일 실시예는 버튼(110) 및 공급공(130) 등을 원형 또는 특정한 모양으로 예시하였지만 이에 한정되지 않고 버튼(110)및 공급공(130) 등의 형상은 다양하게 변형되어 실시가능하다. 여기서는 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 편의상 버튼(110) 및 공급공(130) 등의 형상을 원형 또는 특정한 모양으로 도시하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 설명하기 위한 분해사시도이다. 본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 전해액패드(100), 전극조립체(200), 케이스(300)를 포함한다.

케이스(300) 내부에는 전해액패드(100), 전극조립체(200) 및 전해액(1)이 위치될 수 있고, 전해액패드(100)에는 전극조립체(200)를 마주하는 면에 돌출되는 버튼(110)이 위치할 수 있다. 여기서 버튼(110)은 전해액패드(100)에서 전극조립체(200)를 마주하는 측에 형성되는 공급공(130)을 통하여 전해액패드(100)의 외측으로 일부 돌출될 수 있다. 도 1에서는 전극조립체(200) 하나와 전극조립체(200)를 양측에서 대향하고 있는 한 쌍의 전해액패드(100)를 도시하였지만, 전극조립체(200)는 적층형으로 다수 개 마련될 수 있고 그에 따른 전해액패드(100)의 배치는 다양하게 변형될 수 있다.

전해액패드(100)에 위치되는 버튼(110)은 전극조립체(200)와 맞닿은 상태로 케이스(300) 내부에 수용되고, 충전과 방전시에 팽창하는 전극조립체(200)의 팽창력에 의하여 버튼(110)이 돌출된 만큼 전해액패드(100) 내부로 버튼(110)이 이동될 수 있다. 전해액패드(100) 내부로 이동하는 버튼(110)의 구조는 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 버튼(110)을 설명하기 위한 도면이다. 버튼(110)은 도 1에 예시한 바와 같이 전해액패드(100)의 일면에 위치되어 전해액패드(100)의 외부로 돌출될 수 있고, 전해액패드(100)의 양면에 위치되어 외측으로 돌출될 수 있다. 도 2a는 도 1에서 예시한 전해액패드(100)의 일면에 위치되어 외측으로 돌출될 수 있는 버튼(110)이며, 버튼(110)의 내측면은 탄성부재(150)와 연결되어 지지될 수 있다. 탄성부재(150)는 일측이 버튼(110)의 내측면과 연결되고, 타측은 전해액패드(100)의 내측면에 지지될 수 있다.

그리고 도 1에서 예시한 바와는 달리, 버튼(110)이 전해액패드(100)의 양면에 위치되어 외측으로 돌출 가능하도록 형성되는 경우는 도 2b와 같이 형성될 수 있다. 한 쌍의 버튼(110)의 내측면이 마주하고 있고 탄성부재(150)의 양 끝이 마주하는 내측면에 연결될 수 있다.

여기서, 도 2a와 도 2b의 버튼(110)은 전해액패드(100)의 외측을 향하는 면이 전극조립체(200)와 접촉하는 면이 될 수 있다. 버튼(110)은 전해액패드(100) 외측을 향하는 면보다 내측을 향하는 면의 지름이 어 크게 형성되는 원뿔대 형상으로 형성될 수 있다. 원뿔대의 경사면에 해당하는 면은 전해액패드(100)의 공급공(도 3의 130)과 접촉될 수 있다. 이 때, 전극조립체(200)가 충전과 방전을 반복하여 팽창할 때 발생하는 팽창력이 버튼(110)에 전달되어 버튼(110)을 지지하는 탄성부재(150)가 수축될 수 있으므로, 버튼(110)이 전해액패드(100) 내측으로 이동되며 버튼(110)의 주위로 공급공(도 3의 130)이 형성될 수 있다. 내측으로 이동한 버튼(110)에 의해 전해액패드(100) 내부의 격실(104)에 수용되어 있는 전해액(1)이 개방된 공급공(도 3의 130)을 통하여 외측으로 공급될 수 있다. 따라서, 공급공(도 3의 130)을 통해 외측으로 공급되는 전해액(1)은 전극조립체(200)와 접촉하게 될 수 있다.

그리고 도 2에서 예시한 탄성부재(150)는 스프링인 것으로 도시하였으나, 양 끝이 각각 버튼(110)이나 전해액패드(100) 내측면에 연결되었지만 스프링은 탄성을 가진 고무 러버(rubber)와 같은 부재로 대체될 수 있다. 탄성부재(150)의 탄성계수는 전극조립체(200)의 팽창력에 따른 전해액(1) 공급시점을 고려하여 결정할 수 있다.

도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 전해액패드(100) 배치를 설명하기 위한 도면이다. 케이스(300) 내부에서 전극조립체(200)는 전해액패드(100) 사이에 위치되고 전해액패드(100)와는 버튼(110)을 통하여 접촉하는 형태로 배치될 수 있다.

도 3은 전극조립체(200)가 팽창되기 전의 상태를 도시한 것으로, 버튼(110)이 공급공(130)을 폐쇄하고 있으므로 전해액패드(100) 내부의 전해액(1)은 전극조립체(200)로 공급되지 않고 케이스(300) 내부의 전해액(1)에만 전극조립체(200)가 노출될 수 있다. 이때, 전극조립체(200)가 충전과 방전 시에 팽창하게 되면 젤리롤형의 전극조립체(200)의 특성상 팽창될 수 있다.

도 4를 참조하여 이러한 팽창시에 전극조립체(200)와 전해액패드(100)의 배치를 설명한다. 중앙 부분이 팽창한 전극조립체(200)는 팽창 전에 전극조립체(200)와 접촉되는 버튼(110) 중에 중앙에 위치한 버튼(110)에 먼저 팽창력을 가할 수 있다. 팽창력을 받은 버튼(110)은 탄성부재(150)에 팽창력을 전달하고 탄성부재(150)는 수축하게 된다. 탄성부재(150)가 수축함으로써, 버튼(110)이 전해액패드(100) 내측으로 이동하고 공급공(130)과 버튼(110)사이에 이격틈(135)이 형성될 수 있다. 여기서 공급공(130)과 접촉하는 버튼(110)의 면은 경사면(111)으로 형성될 수 있다.

그리고 이격틈(135)은 전극조립체(200)의 팽창이 중앙부분에서 가장 많이 발생하는 경우, 중앙에 위치한 버튼(110)이 다른 버튼(110)보다 전해액패드(100) 내부로 가장 많은 거리가 이동될 수 있다. 이러한 이동은 공급공(130)을 가장 많이 개방시키게 될 수 있다.

따라서, 전해액패드(100) 내부에 수용된 전해액(1)이 이격틈(135)을 통하여 전해액패드(100)의 외부로 이동하여 전극조립체(200)에 공급될 수 있고, 전해액패드(100)로부터 공급되는 전해액(1)의 양은 중앙부분에서 공급되는 양이 가장 많을 수 있다.

전극조립체(200)의 팽창이 중앙부분이 아닌 그 외의 부분에서 팽창이 일어나는 경우에는 팽창이 일어나는 부분에 버튼(110)을 위치될 수 있도록 형성하여 전해액(1) 공급이 가능하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 적층형 배치를 설명하기 위한 도면이다. 전극조립체(200)는 적층형으로 배열될 수 있다. 다만 전극조립체(200)가 적층형으로 배열될 경우, 전극조립체(200) 사이의 일부 또는 전부에 전해액패드(100)가 위치될 수 있다. 여기서, 전극조립체(200) 사이에 위치되는 전해액패드(100)는 양면으로 돌출되는 버튼(110)이 위치하는 전해액패드(100)이며 도 2b에 도시된 한 쌍으로 이루어진 버튼(110)이 위치되는 전해액패드(100)일 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 버튼(110)을 설명하기 위한 도면이다. 상술한 바와 같이 전극조립체(200)는 중앙부분부터 팽창될 수 있다. 따라서 팽창되는 중앙부분에 접촉하는 버튼(110a)을 다른 버튼(110)보다 전해액패드(100)에서 외측으로 더 돌출되도록 위치시키면 전극조립체(200)가 팽창될 때, 다른 버튼(110)보다도 더 많이 돌출된 버튼(110a)에 접촉될 수 있고, 더 많이 돌출된 버튼(110a)을 우선적으로 전해액패드(100) 내부로 이동시킬 수 있으므로 전해액(1)을 더 짧은 시간에 공급받을 수 있도록 유도할 수 있다.

이러한 전해액(1)을 추가공급하는 방법은, 팽창정도나 팽창위치에 따라 다양하게 변형되어 실시될 수 있고, 변형된 다른 실시예를 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 버튼(110)을 설명하기 위한 도면이다. 버튼(110)은 각각 둘레가 다른 다단으로 형성될 수 있다. 여기서, “둘레”란 버튼(110)의 길이방향에 대해 수직인 단면의 외곽 전체의 길이를 의미한다. 예를 들어, 버튼(110)의 단면이 원형인 경우 원주의 길이일 수 있으며, 이 경우, “둘레가 다른 다단으로 형성”의 의미는 “지름이 다른 다단으로 형성”일 수 있다. 또한, 버튼(110)은 전해액패드(100)의 내측부터 외측방향으로 제3격실버튼(117), 제2격실버튼(116) 및 제1격실버튼(115)을 포함할 수 있다. 각 버튼(115, 116, 117)은 전해액패드(100)의 각 격실(101, 102, 103)을 전극조립체(200)의 팽창정도에 따라 순차적으로 개방하여 전극조립체(200)에 전해액(1)을 공급할 수 있다.

그리고 버튼(110)은 각 버튼(115, 116, 117)이 전해액패드(100)의 내측에서 외측방향으로 연장형성되고 길이가 다르게 형성될 수 있다. 제3격실버튼(117), 제2격실버튼(116) 및 제1격실버튼(115)의 연장형성된 길이는 제3격실버튼(117)가 가장 길고, 제2격실버튼(116)가 제3격실버튼(117)보다 짧게 형성되고, 제2격실버튼(116)보다 짧게 제1격실버튼(115)가 형성될 수 있다. 하지만, 예시한 경우와 같이 버튼(115, 116, 117)에 형성되는 경사의 정도가 동일할 경우에 상술한 내용이 적용되고 버튼(115, 116, 117)에 형성되는 경사각이 상이할 경우에는 이에 해당되지 않을 수 있다.

또한, 제3격실버튼(117)를 수용하는 제3격실(103), 제2격실버튼(116)를 수용하는 제2격실(102) 및 제1격실버튼(115)를 수용하는 제1격실(101)이 형성되고 각 격실을 형성하는 격벽 간의 거리는 각 단부(115, 116, 117)가 연장형성된 길이와 대응될 수 있다.

이러한 구조에서 전극조립체(200)가 팽창될 경우, 제1격실버튼(115)의 돌출부(115a)와 전극조립체(200)가 접촉하여 버튼(110)이 전해액패드(100) 내측으로 이동될 수 있다. 여기서, 돌출부(115a)는 제1격실버튼(115)에 형성되고 공급공(130)을 통하여 전해액패드(100)의 외측면으로 돌출되어 전극조립체(200)와 접촉하는 부분이 될 수 있다.

전극조립체(200)가 더 팽창될수록 버튼(110)은 전해액패드(100) 내부로 더 이동되어 제1공급공(131), 제2공급공(132) 및 제3공급공(130)이 순차적으로 개방되어 전해액(1)이 팽창정도에 따라 공급양을 달리하여 지속적으로 공급될 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체(200) 팽창시 버튼(110)의 작동구조를 설명하기 위한 도면이다. 전극조립체(200)의 팽창정도에 따라 (a), (b), (c), (d)로 구분하여 설명할 수 있다. (a)는 전극조립체(200)가 팽창하기 전의 상태로 버튼(110)에 팽창력이 가해지지 않는 상태이다. 이때는 각 제1격실(101), 제2격실(102) 및 제3격실(103)은 버튼(110)에 의하여 폐쇄되어 있으므로 각 격실(102, 103, 104) 내부의 전해액(1)은 격실(102, 103, 104)에 수용된 상태가 유지될 수 있다.

그리고 (b)는 전극조립체(200)가 팽창하여 버튼(110)에 팽창력을 전달하는 상태로, 팽창력에 의하여 탄성부재(150)가 수축하여 돌출부(115a)와 제1공급공(131) 사이에 이격틈(135)이 형성되어 제1격실(101)이 개방되고, 제1격실(101) 내부에 수용되어 있는 전해액(1)이 전해액패드(100) 외부로 제1공급공(131)을 통하여 공급될 수 있다.

이어서, (c)는 (b)의 상태보다 전극조립체(200)가 더 큰 팽창력을 전달하는 상태로, 제1격실(101)의 외측 벽면이 제1격실(101)의 내측 벽면과 밀착되고 버튼(110)이 전해액패드(100) 내부로 (b)의 상태보다 더 이동될 수 있다. 이 과정에서 제1격실버튼(115)와 제2공급공(132)간에 이격틈(135)이 형성되어 제2공급공(132)을 통하여 제2격실(102) 내부의 전해액(1)이 전해액패드(100) 외부로 공급될 수 있다.

그리고 (d)는 (c)에 이어서 계속해서 팽창력을 받을 때, (c)과정에서 밀착된 제1격실(101)의 양측격벽과 제2격실(102)의 내측격벽의 거리가 좁아지고 제2격실버튼(116)와 제3격실(103)의 외측 벽면 사이에 이격틈(135)이 형성되어 제3격실(103) 내부에 있는 전해액(1)이 전해액패드(110)외측으로 공급될 수 있다.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 전해액패드
101 : 제1격실
102 : 제2격실
103 : 제3격실
104 : 격실
110 : 버튼
111 : 경사면
115 : 제1격실버튼
115a : 돌출부
116 : 제2격실버튼
117 : 제3격실버튼
130 : 공급공
131 : 제1공급공
132 : 제2공급공
133 : 제3공급공
135 : 이격틈
150 : 탄성부재
200 : 전극조립체
300 : 케이스
1 : 전해액

Claims

전극조립체;
상기 전극조립체와 접촉하고, 내부에 전해액을 수용하는 격실이 형성되며, 상기 격실의 격벽에 형성된 공급공 및 상기 공급공을 통해 외측으로 돌출되는 버튼을 포함하는 전해액패드; 및
상기 전극조립체, 상기 전해액패드를 수용하는 케이스를 포함하는, 이차전지.
청구항 1에 있어서,
상기 버튼을 지지하는 탄성부재를 더 포함하고,
상기 탄성부재는 적어도 하나 이상의 버튼을 지지하는, 이차전지.
청구항 2에 있어서,
상기 버튼이 복수 개 형성될 수 있고, 상기 전해액패드의 외측으로 돌출되는 상기 버튼의 길이가 상이하게 형성되는, 이차전지.
청구항 1에 있어서,
상기 전해액패드는 두 개 이상의 격실을 포함하고, 상기 버튼은 상기 전극조립체의 팽창정도에 따라 상기 격실을 순차적으로 개방하는, 이차전지.
청구항 1 내지 3에 있어서,
상기 버튼은 둘레가 상이한 두 개 이상의 다단으로 형성되고,
상기 다단은 상기 전해액패드의 내측에 인접할수록 둘레가 큰, 이차전지.
청구항 1 내지 3에 있어서,
상기 버튼은 길이가 상이한 두 개 이상의 다단으로 형성될 수 있고,
상기 다단은 상기 전해액패드의 내측에 인접할수록 길이가 긴, 이차전지.
청구항 1에 있어서,
상기 버튼은 상기 전해액패드의 양면으로 돌출되는, 이차전지.