KR20180010389A - 전해액 주입구를 포함하는 원통형 전지 - Google Patents

Abstract

양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 이차전지로서, 캔의 개방 상단부에는 캡 어셈블리가 탑재되어 있고, 캔의 외측면에는 사용자가 전해액을 주입하기 위한 적어도 한 개 이상의 개구부가 천공되어 있으며, 상기 개구부에는 전해액 주입핀이 관통할 수 있는 밀봉부재가 압입되어 외부로부터 밀폐되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

전해액 주입구를 포함하는 원통형 전지 {Cylindrical Battery Having Electrolyte Injection-hole}

본 발명은 전해액 주입구가 형성되어 있는 원통형 캔을 포함하는 이차전지에 관한 것이다.

충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 디바이스의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.

일반적으로, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재한 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 크게 분류된다.

도 1에는 종래의 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 원통형 이차전지(10)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(12)를 원통형 케이스(13)에 수납하고, 원통형 케이스(13) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(13)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자)가 형성되어 있는 캡 어셈블리(14)를 결합하여 제작한다.

전극조립체(12)는 양극(12a)과 음극(12b), 및 이들 사이에 분리막(12c)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(15)이 삽입되어 있다. 센터 핀(15)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(15)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.

이러한 이차전지는, 원통형 케이스 내부에 전극조립체를 수납하고, 전해액을 주입한 후, 활성화 공정을 거치게 되는데, 이차전지는 사용되기 전까지 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 보관된다.

그러나, 리튬 이차전지의 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 장기간 보관되는 경우, 자기방전이 일어날 수 있고, 전해액의 분해 또는 전해액과 전극 사이의 반응으로부터 발생하는 가스로 인해 양극 및 음극 활물질 계면에서의 저항이 증가하게 되는 바, 이로 인해 전지의 수명 성능이 현저히 저하되는 문제가 발생한다.

이러한 문제를 해결하고자, 전해액이나 전극에 첨가제를 부가하는 방법이 있으나, 이러한 첨가제에는 전극에 부동막을 형성하는 물질, 온도 상승시 부피 팽창이 이루어지면서 전극의 저항을 증가시키는 물질 등이 포함되어 있으므로, 부동막 형성시 발생하는 부산물로 인해 전지의 성능이 저하되거나, 전지 내부에서 많은 부피를 차지하게 되어 전지의 용량을 감소시키는 문제점이 존재한다.

따라서, 별도의 첨가제를 부가하지 않고, 이차전지의 사용대기 상태로 보관되는 동안에 전지의 용량 저하 및 전해액의 부반응을 감소시켜 이차전지의 수명을 개선시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은, 전해액 주입을 위한 개구부를 통해 사용자가 원하는 시점에 전해액을 주입할 수 있게함으로써, 활성화 공정을 거친 후, 보관되는 과정에서 발생할 수 있는 전압 강하 및 전해액 부반응을 감소시켜 수명이 개선된 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는,

양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 이차전지로서,

캔의 개방 상단부에는 캡 어셈블리가 탑재되어 있고, 캔의 외측면에는 사용자가 전해액을 주입하기 위한 적어도 한 개 이상의 개구부가 천공되어 있으며, 상기 개구부에는 전해액 주입핀이 관통할 수 있는 밀봉부재가 압입되어 외부로부터 밀폐되어 있는 구조로 이루어져 있다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 제작 과정에서 원통형 캔 내부에 전해액을 주입하지 않고, 사용자가 원하는 시점에 전해액을 주입할 수 있도록 개구부를 형성함으로써, 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 보관되는 경우에 전해액의 부반응(예를 들어, 자기방전 또는 전극 계면에서의 저항 증가)에 의해 전지의 성능이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 이차전지의 수명성능이 전해액의 양에 의해 결정될 수 있다는 사실을 고려할 때, 사용자가 이차전지를 통해 얻고자 하는 출력에 대응하는 만큼의 전해액만을 주입 또는 보충할 수 있으므로, 효율적인 이차전지의 운용이 가능하다.

특히, 상기 개구부에 압입된 밀봉부재는 전해액을 주입하기 위한 통로로 사용이 가능하며, 원통형 캔 내부로 주입된 전해액이 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.

더욱이, 상기 밀봉부재가 고무, 실리콘 수지 등과 같은 탄성 소재로 이루어지는 경우, 전해액의 주입을 위해 관통된 주입핀이 발출되는 과정에서, 원통형 캔 내부에 주입된 전해액이 외부로 토출되지 않도록 할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 원통형 캔의 외측면에는 그것과 일체를 이루며 개구부의 내측 방향으로 연장되어 밀봉부재의 외주면을 지지하는 둘레 지지부가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조에서, 밀봉부재의 외주면이 둘레 지지부에 의해 지지됨에 따라, 밀봉부재는 개구부에 안정적으로 장착될 수 있고, 특히, 이차전지의 사용 중에 전지 내부에서 발생하는 가스로 인해 밀봉부재에 응력이 집중되는 경우, 밀봉부재가 개구부로부터 이탈되지 않도록 할 수 있다.

상기 개구부는, 원통형 캔이 지면으로부터 길이 방향으로 직립된 상태에서, 전해액이 주입된다고 할 때, 예를 들어, 상기 개구부는 지면으로부터 원통형 캔 길이 대비 40% 내지 90%의 높이를 가지는 위치에 형성되어 있을 수 있다.

이때, 상기 개구부의 형성 위치가 원통형 캔 길이 대비 40% 미만인 경우에는, 전해액을 주입하는 과정에서 관통된 주입핀과 밀봉부재 사이에 이격된 틈으로부터 소량의 전해액이 누출될 수 있으므로 바람직하지 않다. 또한, 개구부의 형성 위치가 원통형 캔 길이 대비 90%를 초과한다면, 전해액을 주입하는 과정에서 개방형 캔의 상단부에 장착된 캡 어셈블리와 접촉하여 문제를 일으킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 개구부가 캡 어셈블리의 하단과 전극조립체의 상단 사이에 존재하는 공간에 대응하는 원통형 캔의 외측면에 위치할 수 있다.

상기 개구부는 0.5 내지 1.0 mm의 직경을 가지는 원 형상으로 천공되어 있을 수 있다.

그러나, 상기 개구부의 형상은, 예를 들어, 평면상으로 다각형 구조, 적어도 하나의 외주변이 라운드인 비정형 구조, 또는 반원, 반 타원 등의 곡선형 구조일 수도 있으며, 밀봉부재가 용이하게 압입 및 장착될 수 있는 구조라면, 상기의 형태들만으로 한정되는 것은 아니다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 개구부를 제외한 케이스의 외면 전체에 절연성 코팅이 도포되거나 라벨이 부착되어 있을 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 원통형 이차전지를 제조하는 방법을 제공한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 이차전지를 제조하는 방법은,

(a) 원통형 캔의 외측면에 전해액을 주입하기 위한 적어도 한 개 이상의 개구부를 천공하는 과정;

(b) 상기 개구부에 전해액 주입핀이 관통할 수 있는 밀봉부재를 압입하는 과정;

(c) 상기 원통형 캔의 내부에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 수납하고, 캔의 개방 상단부에 캡 어셈블리를 탑재하는 과정; 및

(d) 사용자가 전해액 주입핀을 밀봉 부재에 관통시켜 캔 내부에 전해액을 주입하는 과정;

을 포함할 수 있다.

그러나, 반드시 상기 과정(a), 과정(b) 및 과정(c)이 순차적으로 수행되는 것만으로 본 발명이 제한되는 것은 아니며, 과정(c)이 과정(b)보다 먼저 수행될 수 있고, 이러한 제조방법 역시 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.

또한, 상기 제조방법에서,

상기 과정(d) 이후에, 전극조립체에 전압을 인가하여 활성화시키는 과정을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지에서, 상기 양극/분리막/음극의 구조는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 이들 각각의 시트를 권회식(winding type) 또는 적층식(stacking type)으로 원통형 뿐만 아니라 각형 케이스에 삽입한 형태일 수 있다.

한편, 본 발명은, 상기 이차전지를 포함하는 전지팩 및 이러한 전지팩을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공한다. 이러한 전지팩 및 디바이스의 구조, 그것의 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 제작 과정에서 원통형 캔 내부에 전해액을 주입하지 않고, 사용자가 원하는 시점에 전해액을 주입할 수 있도록 개구부를 형성함으로써, 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 보관되는 경우에 전해액의 부반응, 예를 들어, 자기방전 또는 전극 계면에서의 저항 증가에 의해 전지의 성능이 저하되는 등의 문제점들이 해소될 수 있다.

도 1은 종래의 원통형 이차전지의 단면 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 외측면에 개구부가 형성되어 있는 모식도이다;
도 3은 도 2의 원통형 이차전지의 개구부에 밀봉부재를 압입하는 과정의 부분 확대도이다; 및
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 이차전지의 개구부에 밀봉부재가 압입되어 있는 상태의 부분 확대도이다.

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 원통형 이차전지의 외측면에 개구부가 형성되어 있는 구조가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2의 원통형 이차전지의 개구부에 밀봉부재를 압입하는 과정을 부분 확대한 모식도가 도시되어 있다.

도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 원통형 캔(100)의 상단부에는 캡 어셈블리(101)가 탑재되어 있고, 원통형 캔(100)의 외측면에는 지면으로부터 높이가 L인 위치에 개구부(110)가 형성되어 있으며, 밀봉부재(130)는 화살표 방향(A-B)을 삽입 방향으로 하여 개구부(110)에 압입된다.

도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 이차전지의 개구부에 밀봉부재가 압입된 상태를 부분적으로 확대한 모식도가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 원통형 캔(200)의 외측면에는 그것과 일체를 이루면서 개구부(210)의 내측 방향으로 연장되어 밀봉부재(230)를 지지하는 둘레 지지부(220)가 형성되어 있으며, 밀봉부재(230)는, 둘레 지지부(220)의 후면측에 밀착된 상태로 개구부(210)에 결합되어 있다.

밀봉부재(230)는 그것의 외주면이 둘레 지지부(220)에 의해 지지되어짐으로써 안정적인 결합 상태를 유지할 수 있고, 원통형 캔(200) 외부의 충격으로부터 밀봉부재(230)를 보호하는 것이 가능하므로 밀봉력을 더욱 향상시킬 수 있다.

더욱이, 원통형 캔(200) 내부에서 발생하는 가스로 인해 밀봉부재(230)에는 바깥측 방향으로 응력이 작용하게 되는데, 이때, 상기 둘레 지지부(220)가 밀봉부재(230)의 외주면을 지지함으로써, 밀봉부재(230)가 개구부(210)로부터 이탈되지 않도록 한다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (6)

1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 이차전지로서,
   캔의 개방 상단부에는 캡 어셈블리가 탑재되어 있고, 캔의 외측면에는 사용자가 전해액을 주입하기 위한 적어도 한 개 이상의 개구부가 천공되어 있으며, 상기 개구부에는 전해액 주입핀이 관통할 수 있는 밀봉부재가 압입되어 외부로부터 밀폐되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부재는, 관통된 주입핀이 발출되었을 때, 원통형 캔 내부에 주입된 전해액이 외부로 토출되지 않도록 고무 또는 실리콘 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 개구부는 지면으로부터 원통형 캔 길이의 40% 내지 90%의 높이를 가지는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 개구부는 직경이 0.5 내지 1.0 mm 의 직경을 가지는 원 형상으로 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 개구부를 제외한 케이스의 외면 전체에 절연성 코팅이 도포되거나 라벨이 부착되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 이차전지를 제조하는 방법으로서,
   (a) 원통형 캔의 외측면에 전해액을 주입하기 위한 적어도 한 개 이상의 개구부를 천공하는 과정;
   (b) 상기 개구부에 전해액 주입핀이 관통할 수 있는 밀봉부재를 압입하는 과정;
   (c) 상기 원통형 캔의 내부에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 수납하고, 캔의 개방 상단부에 캡 어셈블리를 탑재하는 과정; 및
   (d) 사용자가 전해액 주입핀을 밀봉 부재에 관통시켜 캔 내부에 전해액을 주입하는 과정;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조 방법.

Images