KR20180028311A - 전지케이스의 외형 변형이 적은 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 전극조립체 수납부에 내장되어 있는 전지셀로서, 전극조립체의 전극 탭들은 전극리드에 결합되어 탭-리드 결합부를 형성하고; 상기 탭-리드 결합부가 형성되어 있는 전극조립체의 단부와 전지케이스의 전극조립체 수납부 사이 공간에는, 전기절연성이고 복수의 기공을 포함하는 케이스 지지부재가 장착되어 있으며; 상기 케이스 지지부재는 탭-리드 결합부와 전지케이스 사이의 공간을 지지하면서 전지케이스의 외형 변형을 억제하는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

전지케이스의 외형 변형이 적은 전지셀 {Battery Cell with Less Modification of External Form of Battery Case}
본 발명은 전지케이스의 외형 변형이 적은 전지셀에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
모바일 기기들이 경박화되어 감에 따라 그에 사용되는 전지셀들 역시 더욱 가볍고 얇은 구조가 요구되고 있다. 또한, 중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 전지셀이 요구되어 있다.
이러한 측면에서, 각형 전지, 파우치형 전지 등의 사용량이 최근 증가하고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
도 1에는 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 다수의 전극 탭들(32, 34), 전극 탭들(32, 34)에 용접되어 있는 전극 리드(40, 41), 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(30)는 분리막이 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 구조물이다. 전극 탭들(32, 34)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극 리드(40, 41)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(32, 34)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 전지케이스(20)는 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(30)의 경우, 다수의 양극 탭들(32)과 다수의 음극 탭들(34)이 전극 리드(40, 41)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(20) 내부 상단은 전극조립체(30)로부터 이격되어 있다.
이러한 전극조립체(30)는 전해액과 함께 전지케이스(20)에 수납되고, 전지케이스(20)는 전극조립체(30)가 내장되어 있는 수납부 내의 공기를 제거하는 진공 공정을 거쳐 밀봉 처리된다.
한편, 전극조립체(30)의 전극판로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 전극 탭들(31, 32)은, 예를 들어, 용접에 의해 일체로 결합된 융착부의 형태로 전극 리드(40, 41)들에 각각 연결된다. 전극 리드(40, 41)는 전극 탭 융착부가 연결되어 있는 대향 단부가 전지케이스(20) 외부로 노출된다.
여기서, 전극 탭들(31, 32)이 일체로 결합되어 융착부를 형성함으로 인해, 전지케이스(20)의 내부 상단은 전극조립체(30)의 상단면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 있다.
따라서, 전지가 그것의 상단, 즉 전극 리드(40, 41) 쪽으로 낙하되거나 이차전지의 상단면에 물리적인 외력이 가해지는 경우에, 전극조립체(300)가 전지케이스(20)의 내면 상단으로 이동되거나 또는 상단이 짓눌려져서, 융착부가 파손되거나 융착부의 전극 탭들(31, 32) 또는 전극 리드(40, 41)가 전극조립체(30) 방향으로 밀리면서 상호 반대되는 전극판과 접촉되어 내부 단락을 유발할 수 있다.
또한, 전지케이스(20)가 진공 공정에 의해, 내부 공기를 제거하는 공정을 진행하는 경우, 융착부가 위치한 전지케이스(20)의 내부 상단 공간으로 전지케이스가 수축되면서, 전지케이스에 다수의 주름이 발생할 수 있다.
이러한 전지케이스의 주름은, 이차전지의 충방전에 따른 전극조립체(30)의 수축 및 팽창에 대응하여, 함께 수축 및 신장되고, 이 과정이 반복될 경우, 주름 부위가 쉽게 마모되어, 갈라지거나 찢어질 수 있고, 그에 따라, 전해액이 누수되거나, 이물이 유입되는 심각한 안전성 문제를 야기할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 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, 탭-리드 결합부가 형성되어 있는 전극조립체의 단부와 전지케이스의 전극조립체 수납부 사이 공간에 케이스 지지부재를 장착된 구조에 기반하여, 전지케이스의 외형 변형이 억제될 수 있는 전지셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전지셀은,
전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 전극조립체 수납부에 내장되어 있는 전지셀로서,
전극조립체의 전극 탭들은 전극리드에 결합되어 탭-리드 결합부를 형성하고;
상기 탭-리드 결합부가 형성되어 있는 전극조립체의 단부와 전지케이스의 전극조립체 수납부 사이 공간에는, 전기절연성이고 복수의 기공을 포함하는 케이스 지지부재가 장착되어 있으며;
상기 케이스 지지부재는 탭-리드 결합부와 전지케이스 사이의 공간을 지지하면서 전지케이스의 외형 변형을 억제하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 이차전지의 낙하, 외부 충격의 인가 등에 의한 내부단락은 전지의 폭발 또는 발화의 주된 원인으로 작용할 수 있는 바, 이는 낙하 또는 충격 인가시 전극조립체가 이동하면서 양극과 음극이 접촉되고, 그러한 접촉 저항부에서의 통전 전류에 의한 높은 저항열 때문이다. 상기 저항열로 인하여 전지 내부온도가 임계치 이상으로 상승하게 되면, 양극 활물질의 산화물 구조가 붕괴되어 열폭주 현상이 발생하게 되며, 이로 인해 전지의 발화 또는 폭발이 발생할 수 있다.
반면에, 본 발명에 따른 전지셀은 탭-리드 결합부가 형성되어 있는 전극조립체의 단부와 전지케이스 수납부 사이 공간에 케이스 지지부재가 장착되어 있는 바, 이차전지가 낙하되거나 외부에 충격이 가해지더라도 전극조립체를 전지케이스 상에 고정시킴과 동시에, 전극조립체의 이동을 억제할 수 있다.
또한, 전지케이스의 상단에 외력이 인가되는 경우에도, 케이스 지지부재가 탭-리드 결합부를 지지하여, 전지케이스 상단과 함께 탭-리드 결합부가 짓눌리는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라, 탭-리드 결합부가 파손되거나, 전극 탭이 반대 전극판과 접촉하여 발생하는 안전성 문제를 방지할 수 있다.
더욱이, 전지케이스의 밀봉 과정에서, 진공 공정을 수행하더라도, 케이스 지지부재는 탭-리드 결합부가 위치한 전지케이스의 단부가 수축되는 것을 방지하고, 그에 따라 주름과 같은 불량이 발행하는 것을 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 탭-리드 결합부에서 전극 탭들은 전극조립체의 전극으로부터 돌출되어 있는 복수의 전극 탭들이 용접에 의해 일체로 결합된 용착부를 포함하고, 상기 용착부의 단부에 전극리드가 결합되어 있는 구조일 수 있다.
여기서, 상기 탭-리드 결합부는,
용착부가 전극조립체의 양면 중 일면에 대해 30도 내지 80도의 각도로 상향 절곡되어 있는 제 1 절곡부;
상기 제 1 절곡부로부터 연장되어 있으며, 제 1 절곡부와 10도 내지 60도의 내각을 이루도록 하향 절곡되어 있는 제 2 절곡부;
전극리드에서, 상기 제 2 절곡부의 단부에 결합되어 있는 결합부; 및
상기 전극리드의 결합부로부터 연장되어 있고, 제 1 절곡부에 대해 수직을 이루도록 절곡된 상태로, 일부가 전지케이스 외부로 돌출된 리드부;
를 포함할 수 있다.
이와 같은 탭-리드 결합부의 구조는 제 1 절곡부와 제 2 절곡부가 전반적으로 'V'자 형상을 형성하는 바, 본 발명에서는 이러한 탭-리드 결합부를 V-forming형 탭-리드 결합부라 정의하고, 제 1 절곡부와 제 2 절곡부를 V-forming부라 지칭한다.
이러한 탭-리드 결합부는 양극 탭-리드 결합부 및 음극 탭-리드 결합부를 포함하고, 양극 탭-리드 결합부 및 음극 탭-리드 결합부는 전극조립체의 일측 단부에 나란히 형성되어 있을 수 있다.
상기 전지셀은 상기 양극 탭-리드 결합부로부터 음극 탭-리드 결합부를 가로지르는 형태로, 케이스 지지부재가 전극조립체 수납부 내면에 장착되어 있을 수 있다.
상기 케이스 지지부재는 그것이 장착되는 전극조립체 수납부 내면의 폭 대비 80% 내지 100%의 길이로 이루어진 일 직선의 바(bar) 형상일 수 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는,
제 1 만입부가 형성되어 있는 케이스 본체; 및
상기 케이스 본체의 일측 단부로부터 연장되어 있거나 케이스 본체에 대해 독립적인 부재로 이루어져 있으며, 제 2 만입부가 형성되어 있는 케이스 커버;를 포함하고,
상기 케이스 본체와 케이스 커버가 밀착되도록 대면한 상태에서, 제 1 만입부와 제 2 만입부는 전극조립체가 수납되는 전극조립체 수납부를 형성하며, 상기 제 1 절곡부와 제 2 절곡부가 제 1 만입부 상에 위치하여, 제 1 만입부의 외형 변형이 완화될 수 있다.
상기 구조의 전지셀은 두 개의 만입부들이 전극조립체를 감싸는 구조인 바, 상대적으로 전극조립체의 두께를 두껍게 설계할 수 있는 장점이 있다.
이는 전지케이스에 만입 구조를 형성 할 때, 최대로 만입시킬 수 있는 깊이에 한계가 있기 때문으로, 상기 전지케이스는 상하 구분된 케이스 본체와 케이스 커버에 각각 만입부들이 형성되어 있고, 상기 두 개의 만입부들이 수납부를 형성하므로, 만입부 하나가 수납부를 이루는 전지케이스와 비교하여 수납부의 총 깊이 및 공간의 체적이 큰 장점이 있다.
다만, 이러한 전지케이스를 포함하는 전지셀에서는, V-forming부가 위치되지 않는 만입부의 상단 내면과 전극조립체 사이가 이격되어 있어, 외력의 인가 시, 상기 만입부가 내측으로 압입되기 용이한 구조인 점에서 단점이 있다.
이에 본 발명에 따른 전지셀은 제 1 절곡부와 제 2 만입부 사이의 공간에 케이스 지지부재가 장착되어 있고;
제 2 만입부에 외력이 인가될 때, 상기 케이스 지지부재는 제 1 절곡부에 지지되는 형태로 제 2 만입부가 제 1 절곡부 방향으로 압입되는 것을 억제하도록 구성되어 있다.
여기서, 상기 제 2 만입부의 수직 단면상의 깊이는, 전극조립체의 두께 대비 20% 내지 40%이며;
상기 제 2 만입부 깊이 방향을 기준으로, 케이스 지지부재 최대 길이는 제 2 만입부의 깊이 대비 90% 내지 100%일 수 있다.
즉, 제 2 만입부는 제 1 만입부의 깊이 보다 작은 크기로 이루어져 있으며, 이는 제 2 만입부 내면과 전극조립체 사이에 형성되는 공간의 크기를 최소화하기 위함이다.
마찬가지로, 상기 케이스 지지부재 역시, 제 2 만입부 내면과 전극조립체 사이에 형성되는 공간을 최대한 충진하도록, 상기 범위 내에서 그 크기가 설계될 수 있다.
다만, 상기 케이스 지지부재가 제 1 절곡부에 밀착되도록 고정되어 있는 경우, 탭-리드 결합부에서 저항이 증가할 수 있는 바, 상기 케이스 지지부재는 제 1 절곡부 및 결합부에 대해 소정의 거리로 이격된 상태로 제 2 만입부의 내면에 고정되어 있을 수 있으며, 상세하게는 CPP(cast polypropylene) 테이프가 케이스 지지부재에 부착된 상태에서 제 2 만입부의 내면에 부착되면서 다공성 케이스 지지부재가 전극조립체 수납부 내면에 고정되어 있을 수 있다.
이 구조로서, 케이스 지지부재는 제 2 만입부에 외력이 인가되더라도, 제 2 만입부가 압입될 정도의 외력이 인가되지 않는다면, 제 1 절곡부에 밀착되지 않을 수 있다.
이를 위해 상기 소정의 거리는, 제 1 절곡부와 제 2 만입부 내면 간 거리가 최대인 지점의 길이 대비 1% 내지 5%일 수 있다.
상기 거리가, 상기 범위 미만인 경우에는, 아주 작은 외력에도, 케이스 지지부재와 제 1 절곡부가 밀착되면서 저항 증가를 유발할 수 있으므로 바람직하지 않고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 제 2 만입부가 압입된 상태에서 케이스 지지부재가 제 1 절곡부에 지지되므로, 본 발명이 의도한 효과를 담보할 수 없다.
본 발명에서, 상기 케이스 지지부재는 원통형, 다각 기둥 및 적어도 일면이 곡면으로 이루어진 비정형 기둥에서 선택되는 하나의 형상일 수 있다.
상기 케이스 지지부재를 이루는 소재는, 전기절연성을 가지는 소재라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌부틸레이트, 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 케이스 지지부재는 또한, 기공 내에 전극조립체에 함침되지 않은 잉여 전해액이 함유될 수 있다.
이러한 특징에 기반하여, 전지셀은 잉여 전해액에 의해 외면 형상이 울퉁불퉁해지는 결함 발생이 현저히 감소될 수 있다.
경우에 따라서는 상기 기공 내에 난연성 액상제가 함유될 수도 있다.
한편, 본 발명의 전지셀은 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.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 수납부에 대한 전극조립체의 장착 후 열융착에 의해 밀봉될 수 있다.
상기 리드부와 전지케이스의 접촉부위에는 절연필름이 부착되어 있으며, 절연필름은 전지케이스와 함께 열융착될 수 있다.
본 발명의 전극조립체는 예를 들어, 복수의 전극판들을 분리막이 개제된 상태로 적층된 스택형 구조, 또는 둘 이상의 전극판들이 적층된 복수의 풀셀 또는 바이셀 등의 단위셀들이 분리필름 상에 배열된 상태로 권취된 구조의 스택/폴딩형 구조 등일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 탭-리드 결합부가 형성되어 있는 전극조립체의 단부와 전지케이스 수납부 사이 공간에 케이스 지지부재가 장착되어 있는 바, 이차전지가 낙하되거나 외부에 충격이 가해지더라도 전극조립체를 전지케이스 상에 고정시킴과 동시에, 전극조립체의 이동을 억제할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지셀의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 측면 모식도이다;
도 3은 도 2에 따른 전지셀의 상부 모식도이다;
도 4는 도 2의 A부위에 대한 수직 단면을 확대한 모식도이다;
도 5는 케이스 지지부재의 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 2과 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 측면 모식도와 상부 모식도가 도시되어 있다.
또한, 도 4에는 도 1의 A부위의 수직 단면을 확대한 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지셀(100)은 전극조립체(120), 전해액, 전지케이스(110) 및 케이스 지지부재(200)를 포함한다.
전지케이스(110)는 제 1 만입부(113)가 형성되어 있는 케이스 본체(111) 및 케이스 본체(111)의 일측 단부로부터 연장되어 있고, 제 2 만입부(114)가 형성되어 있는 케이스 커버(112)를 포함한다.
전극조립체(120)는 케이스 본체(111)와 케이스 커버(112)가 밀착되도록 대면한 상태에서, 제 1 만입부(113)와 제 2 만입부(114)가 형성하는 수납부 내측에 전해액과 함께 전극조립체(120)가 수납되어 있다.
여기서, 전극조립체(120)의 전극 탭들에 결합된 전극리드(130)가 전지케이스(110) 외측으로 돌출된 상태에서, 전지케이스(110)의 외주 부위들이 열융착에 의해 밀봉되면서 전지셀(100)로 구성된다.
전극조립체(120)는 양극 탭-리드 결합부(132)(150) 및 음극 탭-리드 결합부(132)(160)를 포함하며, 양극 탭-리드 결합부(132)(150) 및 음극 탭-리드 결합부(132)(160)는 전극조립체(120)의 일측 단부에 나란히 형성되어 있다.
케이스 지지부재(200)는 양극 탭-리드 결합부(132)(150)로부터 음극 탭-리드 결합부(132)(160)를 가로지르는 형태로, 케이스 지지부재(200)가 전극조립체(120) 수납부 내면에 장착되어 있다.
이들 탭-리드 결합부(132)(150, 160)에서 전극 탭들은 전극조립체(120)의 전극으로부터 돌출되어 있는 복수의 전극 탭들이 용접에 의해 일체로 결합된 용착부(140)를 포함하고, 용착부(140)의 단부에 전극리드(130)가 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.
탭-리드 결합부(132) 각각은, 용착부(140)가 전극조립체(120)의 양면 중 일면에 대해 대략 30도의 각도로 절곡되어 있는 제 1 절곡부(142), 제 1 절곡부(142)로부터 연장되어 있으며, 제 1 절곡부(142)와 대략 60도의 내각을 이루도록 절곡되어 있는 제 2 절곡부(144), 전극리드(130)에서, 제 2 절곡부(144)의 단부에 결합되어 있는 결합부(132); 및 전극리드(130)의 결합부(132)로부터 연장되어 있고, 제 1 절곡부(142)에 대해 수직을 이루도록 절곡된 상태로 일부가 전지케이스(110) 외부로 돌출된 리드부(134)를 포함한다.
여기서, 제 1 절곡부(142)와 제 2 절곡부(144)는 전지케이스(110)의 제 1 만입부(113) 상에 위치하게 되며, 이에 따라 제 1 만입부(113)에 외력이 인가되는 경우에도, 제 1 만입부(113)의 외형 변형이 제 1 절곡부(142)와 제 2 절곡부(144)에 의해 일부 완화될 수 있다.
반면, 제 2 만입부(114)에는 탭-리드 결합부(132)가 위치하지 않는 바, 상대적으로 외력에 대해 압입되기 용이하다.
이에 본 발명에서는 제 1 절곡부(142)와 제 2 만입부(114) 사이의 공간에 케이스 지지부재(200)가 장착되어 있으며, 제 2 만입부(114)에 외력이 인가될 때 케이스 지지부재(200)가 제 1 절곡부(142)에 지지되면서 제 2 만입부(114)가 제 1 절곡부(142) 방향으로 압입되는 것을 억제할 수 있다.
다만, 케이스 지지부재(200)가 제 1 절곡부(142)에 밀착되도록 고정되어 있는 경우, 탭-리드 결합부(132)에서 저항이 증가할 수 있는 바, 본 발명에서 케이스 지지부재(200)는 제 1 절곡부(142) 및 결합부(132)에 대해 소정의 거리로 이격된 상태로 제 2 만입부(114)의 내면에 고정되어 있다.
상기 고정은 CPP(cast polypropylene; 210) 테이프가 케이스 지지부재(200)에 부착된 상태에서 제 2 만입부(114)의 내면에 부착되면서 케이스 지지부재(200)가 전극조립체(120) 수납부 내면에 고정되는 것으로 달성된다.
CPP 테이프(210)는 상기와 같이, 케이스 지지부재(200)를 제 2 만입부(114) 내면에 고정시키는 동시에, 그것의 일부가 전지케이스(110)의 케이스 본체(111)와 케이스 커버(112) 사이에서, 이들의 외주 부위와 함께 열융착되면서 전지케이스(110)에 고정될 수 있다.
한편, 도 5에는 본 발명의 케이스 지지부재의 모식도가 도시되어 있다,
도 5를 참조하면, 케이스 지지부재(200)에는 나노미터 내지 마이크로미터 단위의 직경을 가지는 미세 기공들(220)이 형성되어 있으며, 이 기공들(220) 내에 전해액가 함유되어 있다.
상기 전해액은 전극조립체에 함침되지 않아 전극조립체의 전기화학반응에 관여하지 않는 잉여 전해액으로서, 전극조립체와 전지케이스 사이에 위치하면서 전지셀의 외면, 더욱 상세하게는 전지셀 상단의 외면을 울퉁불퉁하게 만드는 원인이 되나, 본 발명에서는 잉여 전해액이 케이스 지지부재에 형성된 미세 기공에 함습되면서, 상기한 문제가 해소될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 전극조립체 수납부에 내장되어 있는 전지셀로서,
    전극조립체의 전극 탭들은 전극리드에 결합되어 탭-리드 결합부를 형성하고;
    상기 탭-리드 결합부가 형성되어 있는 전극조립체의 단부와 전지케이스의 전극조립체 수납부 사이 공간에는, 전기절연성이고 복수의 기공을 포함하는 케이스 지지부재가 장착되어 있으며;
    상기 케이스 지지부재는 탭-리드 결합부와 전지케이스 사이의 공간을 지지하면서 전지케이스의 외형 변형을 억제하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 복수의 전극판들이 적층된 구조 또는 둘 이상의 전극판들이 적층된 복수의 단위셀들이 분리필름 상에 배열된 상태로 권취된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 탭-리드 결합부에서 전극 탭들은 전극조립체의 전극으로부터 돌출되어 있는 복수의 전극 탭들이 용접에 의해 일체로 결합된 용착부를 포함하고, 상기 용착부의 단부에 전극리드가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 탭-리드 결합부는,
    용착부가 전극조립체의 양면 중 일면에 대해 30도 내지 80도의 각도로 상향 절곡되어 있는 제 1 절곡부;
    상기 제 1 절곡부로부터 연장되어 있으며, 제 1 절곡부와 10도 내지 60도의 내각을 이루도록 하향 절곡되어 있는 제 2 절곡부;
    전극리드에서, 상기 제 2 절곡부의 단부에 결합되어 있는 결합부; 및
    상기 전극리드의 결합부로부터 연장되어 있고, 제 1 절곡부에 대해 수직을 이루도록 절곡된 상태로, 일부가 전지케이스 외부로 돌출된 리드부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전지케이스는,
    제 1 만입부가 형성되어 있는 케이스 본체; 및
    상기 케이스 본체의 일측 단부로부터 연장되어 있거나 케이스 본체에 대해 독립적인 부재로 이루어져 있으며, 제 2 만입부가 형성되어 있는 케이스 커버;
    를 포함하고,
    상기 케이스 본체와 케이스 커버가 밀착되도록 대면한 상태에서, 제 1 만입부와 제 2 만입부는 전극조립체가 수납되는 전극조립체 수납부를 형성하며,
    상기 제 1 절곡부와 제 2 절곡부가 제 1 만입부 상에 위치하여, 제 1 만입부의 외형 변형이 완화되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 전지셀은 제 1 절곡부와 제 2 만입부 사이의 공간에 케이스 지지부재가 장착되어 있고;
    제 2 만입부에 외력이 인가될 때, 상기 케이스 지지부재는 제 1 절곡부에 지지되는 형태로 제 2 만입부가 제 1 절곡부 방향으로 압입되는 것을 억제하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 케이스 지지부재는 제 1 절곡부 및 결합부에 대해 소정의 거리로 이격된 상태로 제 2 만입부의 내면에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 7 항에 있어서 CPP(cast polypropylene) 테이프가 케이스 지지부재에 부착된 상태에서 제 2 만입부의 내면에 부착되면서 다공성 케이스 지지부재가 전극조립체 수납부 내면에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 소정의 거리는, 제 1 절곡부와 제 2 만입부 내면 간 거리가 최대인 지점의 길이 대비 1% 내지 5%인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 만입부의 수직 단면상의 깊이는, 전극조립체의 두께 대비 20% 내지 40%이며;
    상기 제 2 만입부 깊이 방향을 기준으로, 케이스 지지부재 최대 길이는 제 2 만입부의 깊이 대비 90% 내지 100%인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 지지부재는 기공 내에 전해액 또는 난연성 액상제를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 다공성 케이스 지지부재는 원통형, 다각 기둥 및 적어도 일면이 곡면으로 이루어진 비정형 기둥에서 선택되는 하나의 형상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 탭-리드 결합부는 양극 탭-리드 결합부 및 음극 탭-리드 결합부를 포함하고, 양극 탭-리드 결합부 및 음극 탭-리드 결합부는 전극조립체의 일측 단부에 나란히 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 양극 탭-리드 결합부로부터 음극 탭-리드 결합부를 가로지르는 형태로, 케이스 지지부재가 전극조립체 수납부 내면에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 케이스 지지부재는 그것이 장착되는 전극조립체 수납부 내면의 폭 대비 80% 내지 100%의 길이로 이루어진 일 직선의 바(bar) 형상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체 수납부에 대한 전극조립체의 장착 후 열융착에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
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