KR20180031160A

KR20180031160A - 2차 전지

Info

Publication number: KR20180031160A
Application number: KR1020160119147A
Authority: KR
Inventors: 김남원
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-09-19
Filing date: 2016-09-19
Publication date: 2018-03-28

Abstract

본 발명은 스웰링으로 인한 전극조립체의 변형을 방지할 수 있는 2차 전지에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 음극, 분리막, 양극이 권취된 젤리롤형 전극조립체, 상기 전극조립체에서 전극 탭이 부착된 측 단부인 상기 전극조립체의 상단부에 마련되며, 상기 전극조립체의 상부의 변형을 방지하는 변형방지부 및 상기 전극조립체를 수용하는 케이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

2차 전지{SECONDARY BATTERY}

본 발명은 2차 전지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 스웰링으로 인한 전극조립체의 변형을 방지할 수 있는 2차 전지에 관한 것이다.

물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(cell, battery)는 각종 전기전자 기기로 둘러싸여 있는 생활환경에 따라, 건물로 공급되는 교류 전원을 획득하지 못할 경우나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.

이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학전지인 일차전지와 이차전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 또한, 이차전지는 전류와 물질 사이의 산화환원과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지로서, 전류에 의해 소재에 대한 환원반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성되게 된다.

한편, 이차 전지 중 리튬이온 전지는 양극 도전 포일과 음극 도전 포일에 각각 활물질을 일정한 두께로 코팅하고, 상기 양 도전 포일 사이에는 분리막이 개재되도록 하여 대략 젤리 롤(jelly roll) 내지는 원통 형태로 다수 회 권취하여 제작한 전극 조립체를 원통형 또는 각형 캔, 파우치 등에 수납하고 이를 밀봉 처리하여 제작된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2007-0034220호에는 캡 조립체 및 이를 채용한 각형 2차 전지가 개시되어 있다.

종래의 2차 전지는 각형 캔부재에 전극조립체를 수용한다.

그런데 이와 같은 종래의 2차 전지는 충방전을 진행하는 동안 전극에서 스웰링(Swelling)이 발생하여 전극조립체가 부풀어 올라 양음극 미반응이 생성됨에 따라 전지 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 충방전 중에 스웰링으로 전극조립체가 부풀어오르는 반응을 억제하여 미반응 구간을 극소화할 수 있는 2차 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지는 음극, 분리막, 양극이 권취된 젤리롤형 전극조립체, 상기 전극조립체에서 전극 탭이 부착된 측 단부인 상기 전극조립체의 상단부에 마련되며, 상기 전극조립체의 상부의 변형을 방지하는 변형방지부 및 상기 전극조립체를 수용하는 케이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 전극조립체 상단부의 반대편인 상기 전극조립체의 하단부에 부착되는 바텀테이프를 더 포함하고, 상기 변형방지부는 상기 전극조립체의 하단부가 벌어지는 것을 방지하기 위하여 상기 바텀테이프가 상기 전극조립체의 하단부에 작용하는 압력과 상호 대응하는 크기의 압력을 상기 전극 조립체의 상단부가 벌어지는 것을 방지하도록 상기 전극조립체의 상단부에 가할 수 있다.

상기 케이스는 일단에 상기 전극조립체를 내부에 수용하기 위한 개구부를 형성하고, 상기 변형방지부는 상기 케이스에 수용된 상기 전극조립체에서 상기 개구부를 향하는 단부에 마련될 수 있다.

상기 변형방지부는 상기 전극 탭에 향하는 방향에 수직한 방향으로 상기 전극조립체의 양단부에 부착되는 절연부재일 수 있다.

상기 변형방지부는 상기 전극조립체의 상단부 일부에 부착되는 절연부재일 수 있다.

상기 변형방지부는 복수 개일 수 있다.

상기 변형방지부는 상기 전극조립체의 양측 라운드부에 인접하게 각각 부착될 수 있다.

상기 변형방지부는 상기 전극조립체의 상단부 전체를 커버하는 절연부재일 수 있다.

상기 변형방지부는 메시(mesh) 형상일 수 있다.

상기 변형방지부는 절연 테이프일 수 있다.

본 발명에 따르면, 스웰링으로 인해 전극조립체가 부풀어 오르는 것을 억제하여 전극조립체의 변형을 방지하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 충방전 중에 전극조립체의 미반응 구간을 극소화하여 전지 성능을 향상하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 전해액의 함침을 균일하게 하여 전지 성능을 향상하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 전극조립체의 상하 균형을 균일하게 유지하여 2차 전지의 외관을 우수하게 하면서 안전성을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체와 변형방지부를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체와 변형방지부를 도시한 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차 전지에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지는 음극, 분리막, 양극이 권취된 젤리롤형 전극조립체(10), 상기 전극조립체(10)에서 전극 탭이 부착된 측 단부인 상기 전극조립체(10)의 상단부에 마련되며, 상기 전극조립체(10)의 상부의 변형을 방지하는 변형방지부(100) 및 상기 전극조립체(10)를 수용하는 케이스(200)를 포함한다.

전극조립체(10)는 양극 활물질이 도포된 양극과 음극 활물질이 도포된 음극과 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 복수 회 적층하고, 양극과 분리막 및 음극을 적층한 적층체를 젤리 롤 형태로 권취한 젤리롤형으로 제작할 수도 있다.

양극은 알루미늄 판일 수 있으며, 양극 활물질이 도포된 양극 유지부와, 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부를 포함할 수 있다.

양극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMnO4와 같은 리튬 함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물일 수 있다.

양극 유지부는 예를 들어, 알루미늄판의 적어도 어느 한 면의 일부에 양극 활물질을 도포하여 형성하며, 양극 활물질이 미 도포된 알루미늄판의 나머지 부분이 양극 무지부가 될 수 있다.

양극 무지부에는 양극 전극 탭이 부착될 수 있다.

음극은 구리 판일 수 있으며, 음극 활물질이 도포된 음극 유지부와 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 무지부를 포함할 수 있다.

음극 무지부에는 음극 전극 탭이 부착될 수 있다.

음극 활물질은, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유와 같은 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금 등일 수 있다.

음극 유지부는 예를 들어, 구리판의 적어도 어느 한 면의 일부에 음극 활물질을 도포하여 형성하며, 음극 활물질이 미 도포된 구리판의 나머지 부분이 음극 무지부가 될 수 있다.

분리막은 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리스틸렌(PS), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 기재에 폴리비닐리덴 플로우라이드-헥사플로로프로필렌 공중합체(PVDF-HFP co-polymer)를 코팅함으로써 제조될 수 있다.

케이스(200)는 캔(can), 파우치(pouch) 등 일 수 있는데, 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 캔을 예를 들어 설명한다.

케이스(200)는 일단에 개구된 개구부(210)를 형성하여, 전극조립체(10)를 개구된 개구부(210)를 통해 수용하고 개구된 개구부(210)를 캡부재(201)로 밀봉할 수 있다.

전극조립체(10)의 상단부는 전극조립체(10)를 케이스(200)의 내부에 수용한 상태에서 케이스(200)의 개구부(210) 측에 위치한 전극조립체(10)의 단부일 수 있다.

따라서 전극조립체(10)의 상단부에 마련된 변형방지부(100)는 케이스(200)의 개구부(210) 측을 향하는 전극조립체(10)의 단부에 마련될 수 있다.

변형방지부(100)는 전극조립체(10)의 상단부에 마련되어 2차 전지의 충방전을 진행하는 동안 스웰링(swelling)으로 전극조립체(10)가 부풀어오르는 반응을 억제하여 미반응 구간을 극소화할 수 있는데, 이로써 전지 성능을 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체와 변형방지부를 도시한 사시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 변형방지부(100)는 전극 탭(11)이 향하는 방향에 수직한 방향(L)으로 전극조립체(10)의 상측 양단부에 부착되는 복수 개의 절연부재일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형방지부(100)는 전극조립체(10) 상단부의 양측 라운드부(130)에 인접하도록 각각 부착될 수 있다.

이와 같이 변형방지부(100)는 전극조립체(10)의 상단부 일부에 형성될 수 있다.

전극조립체(10)의 상단부에 부착된 변형방지부(100)는 전극조립체(10)의 상단부에 부착되어 전극조립체(10)의 상단부가 벌어지지 못하도록 압력을 가할 수 있다.

또한, 전극조립체(10)는 하단부에 바텀(bottom)테이프(110)를 더 포함할 수 있다.

바텀테이프(110)는 변형방지부(100)의 반대편에 형성되도록 전극조립체(10)의 상단부의 반대편인 전극조립체(10)의 하단부에 부착될 수 있다.

바텀테이프(110)는 전극조립체(10)의 하단부에 부착되어 전극조립체(10)의 하단부가 벌어지는 것을 방지할 수 있다.

변형방지부(100)가 전극조립체(10)의 상단부에 가하는 압력에 상호 대응하는 크기의 압력을 바텀테이프(110)가 전극조립체(10)의 하단부에 가하여 전극조립체(10)의 상부와 하부에 균일한 압력이 작용하도록 할 수 있다.

이 경우 전극 조립체 상부와 하부의 균형이 잘 맞을 수 있다.

또한, 바텀테이프(110)는 전극조립체(10)의 하단부에 부착되어 전극조립체(10)의 상단부에 부착된 변형방지부(100)와 상호 대응되게 형성됨에 따라 전극조립체(10)의 상부와 하부의 형상을 균형되게 할 수 있다.

그 결과 2차 전지의 외관을 우수하게 하면서도 안전성을 향상시키는 효과를 가질 수 있다.

더불어 바텀테이프(110)와 변형방지부(100)에 의해 전극조립체(10)의 상하부가 균형 잡힌 형태를 유지하는 경우 전극조립체(10) 상부와 하부에 전해액의 함침이 균일하게 이루어질 수 있다.

균일한 함침이 이루어질 경우 2차 전지의 성능향상을 도모하는 효과가 있다.

전해액은 전극조립체에서 리튬 이온의 이동을 원활하게 하는데, 예를 들면, 비수성 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.

리튬염은 유기 용매에 용해되어, 이차전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진 시킬 수 있다.

리튬염의 예로는, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)3, Li(CF3SO2)2N, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수), LiCl, LiI, 및 리튬 비스옥살레이트 보레이트(lithium bisoxalate borate) 등의 일종 또는 이종 이상을 지지(supporting) 전해염으로 포함하는 것을 들 수 있다.

전해액에서 리튬염의 농도는, 용도에 따라 변화될 수 있는 것으로, 통상적으로는 0.1M 내지 2.0M 범위 내에서 사용할 수 있다.

또한, 유기 용매는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질의 역할을 하는 것으로서, 그 예로는, 벤젠, 톨루엔, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠(iodobenzene), 1,2-디이오도벤젠, 1,3-디이오도벤젠, 1,4-디이오도벤젠, 1,2,3-트리이오도벤젠, 1,2,4-트리이오도벤젠, 플루오로톨루엔, 1,2-디플루오로톨루엔, 1,3-디플루오로톨루엔, 1,4-디플루오로톨루엔, 1,2,3-트리플루오로톨루엔, 1,2,4-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 1,2-디클로로톨루엔, 1,3-디클로로톨루엔, 1,4-디클로로톨루엔, 1,2,3-트리클로로톨루엔, 1,2,4-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 1,2-디이오도톨루엔, 1,3-디이오도톨루엔, 1,4-디이오도톨루엔, 1,2,3-트리이오도톨루엔, 1,2,4-트리이오도톨루엔, R-CN(여기에서, R은 탄소수 2 내지 50의 직쇄상, 분지상 또는 고리상 구조의 탄화 수소기로서, 상기 탄화수소기는 이중결합, 방향족 고리 또는 에테르 결합 등을 포함할 수 있다), 디메틸포름아마이드, 디메틸아세테이트, 크실렌, 사이클로헥산, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 사이클로헥사논, 에탄올, 이소프로필 알콜, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 디메톡시에탄, 1,3-디옥솔란, 디글라임, 테트라글라임, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 감마-부티로락톤, 설포란(sulfolane), 발레로락톤, 데카놀라이드 또는 메발로락톤의 일종 또는 이종 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체와 변형방지부를 도시한 사시도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 2차 전지는 변형방지부(100a)가 전극조립체(10)의 상단부 전체를 커버하는 절연부재일 수 있다.

변형방지부(100a)가 전극조립체(10)의 상단부 전체를 커버하게 되면 전극조립체(10)의 상단부 변형을 방지하는 효과를 극대화할 수 있다.

이때, 변형방지부(100a)는 메시(mesh) 형상을 형성하여 전극조립체(10)의 상부를 커버하는 변형방지부(100a)을 통과하여 전극조립체(10)의 상부로 전해액의 함침이 이루어질 수 있도록 할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 스웰링으로 인해 전극조립체가 부풀어 오르는 것을 억제하여 전극조립체의 변형을 방지하는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 2차 전지를 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 실시가 가능하다.

10: 전극조립체
11: 전극 탭
100, 100a: 변형방지부
110: 바텀테이프
130: 라운드부
200: 케이스
201: 캡부재
210: 개구부

Claims

음극, 분리막, 양극이 권취된 젤리롤형 전극조립체(10);
상기 전극조립체(10)에서 전극 탭이 부착된 측 단부인 상기 전극조립체(10)의 상단부에 마련되며, 상기 전극조립체(10)의 상부의 변형을 방지하는 변형방지부(100); 및
상기 전극조립체(10)를 수용하는 케이스(200); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
청구항 1에 있어서,
상기 전극조립체(10) 상단부의 반대편인 상기 전극조립체(10)의 하단부에 부착되는 바텀테이프(110)를 더 포함하고,
상기 변형방지부(100)는 상기 전극조립체(10)의 하단부가 벌어지는 것을 방지하기 위하여 상기 바텀테이프(110)가 상기 전극조립체(10)의 하단부에 작용하는 압력과 상호 대응하는 크기의 압력을 상기 전극조립체(10)의 상단부가 벌어지는 것을 방지하도록 상기 전극조립체(10)의 상단부에 가하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
청구항 1에 있어서,
상기 케이스(200)는 일단에 상기 전극조립체(10)를 내부에 수용하기 위한 개구부(210)를 형성하고,
상기 변형방지부(100)는 상기 케이스(200)에 수용된 상기 전극조립체(10)에서 상기 개구부(210)를 향하는 단부에 마련되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 변형방지부(100)는 상기 전극 탭이 향하는 방향에 수직한 방향(L)으로 상기 전극조립체(10)의 양단부에 부착되는 절연부재인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 변형방지부(100)는 상기 전극조립체(10)의 상단부 일부에 부착되는 절연부재 인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
청구항 5에 있어서,
상기 변형방지부(100)는 복수 개인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
청구항 6에 있어서,
상기 변형방지부(100)는 상기 전극조립체(10)의 양측 라운드부(130)에 인접하게 각각 부착되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 변형방지부(100)는 상기 전극조립체(10)의 상단부 전체를 커버하는 절연부재인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
청구항 8에 있어서,
상기 변형방지부(100)는 메시(mesh) 형상인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 변형방지부(100)는 절연 테이프인 것을 특징으로 하는 2차 전지.