KR20180080909A - 2차 전지 - Google Patents

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KR20180080909A
KR20180080909A KR1020170002024A KR20170002024A KR20180080909A KR 20180080909 A KR20180080909 A KR 20180080909A KR 1020170002024 A KR1020170002024 A KR 1020170002024A KR 20170002024 A KR20170002024 A KR 20170002024A KR 20180080909 A KR20180080909 A KR 20180080909A
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Abstract

본 발명은 전해액에 첨가된 첨가제가 소모되어 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 2차 전지에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전극조립체와 전해액을 수용하는 캔부재, 상기 캔부재의 개구부를 밀봉하는 탑캡 조립체 및 상기 캔부재를 향하는 내측에 위치하도록 상기 탑캡 조립체에 형성되고, 소정의 온도에서 내부의 첨가제를 상기 전해액에 투입하는 첨가부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

2차 전지{SECONDARY BATTERY}
본 발명은 2차 전지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 전해액에 첨가된 첨가제가 소모되어 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 2차 전지에 관한 것이다.
리튬 2차 전지는 전해질 형태에 따라 리튬금속전지, 리튬이온전지, 리튬폴리머 전지로 나눌 수 있다.
여기서 리튬 2차 전지는 견고한 금속 외장을 사용할 필요가 없고, 용도에 따라 다양한 크기와 모양으로 제조할 수 있으며, 3mm 이하 두께로 제작이 가능하고 무게도 30% 이상 줄일 수 있으며, 대량생산 및 대형전지 제조가 가능하다.
이런 이유로 리튬 2차 전지는 현재 상용화되어 다양한 분야에서 사용되고 있다.
2차 전지는 외장을 형성하는 케이스의 내부에 양극, 음극, 분리막이 적층된 전극조립체와 전해액을 수용한다.
그리고 전해액은 용매, 첨가제 및 리튬염으로 구성되어 있으며, 다양한 분야에 사용되는 2차 전지의 요구하는 사양을 만족하기 위해 첨가제를 다양하게 튜닝하여 사용하고 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2004-0009332호에는 리튬 이차 전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 2차 전지가 공지되어 있다.
이러한 종래의 2차 전지는 사이클 또는 고온 등의 특정 테스트를 진행할 시 전해액에 첨가된 첨가제가 소모되어 전지 성능의 저하가 발생되는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 위와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 전해액에 소모된 첨가제를 추가할 수 있는 2차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 2차 전지는 전극조립체와 전해액을 수용하는 캔부재, 상기 캔부재의 개구부를 밀봉하는 탑캡 조립체 및 상기 캔부재를 향하는 내측에 위치하도록 상기 탑캡 조립체에 형성되고, 소정의 온도에서 내부의 첨가제를 상기 전해액에 투입하는 첨가부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탑캡 조립체는 상기 캔부재의 외측에서 절연하기 위해 외부로 노출된 상부 가스켓과, 상기 캔부재의 내측에서 절연하기 위해 내측에 위치한 하부 가스켓을 포함하고,상기 첨가부는 상기 캔부재의 내측에 위치하도록 상기 하부 가스켓에 부착될 수 있다.
상기 첨가부는 외부를 형성하며 소정의 온도에서 분해되는 외부막과, 상기 외부막의 내부에 수용되는 첨가제를 포함할 수 있다.
상기 첨가제는 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate), 비닐에틸렌카보네이트(vinyl ethylene carbonate), 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoro-ethylene carbonate), 숙시닐 니트릴(succinyl nitrile), 1,3-프로판 설폰(1,3-propane sultone), 에틸렌글리콜 비스(프로피오니트릴) 에테르(ethylene glycol　 bis (propionitrile) ether) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 외부막은 염화비닐수지(polyvinyl chloride) 소재일 수 있다.
상기 소정의 온도는 60℃ ~ 80℃일 수 있다.
상기 외부막은 폴리프로필렌(polypropylene) 소재일 수 있다.
상기 소정의 온도는 120℃ ~ 130℃일 수 있다.
상기 첨가부(300)는 0.45mm ~ 0.55mm의 두께(a)로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전해액에서 소모된 첨가제를 보충하여 전지 성능을 유지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 전해액에서 소모된 첨가제를 보충하여 전지 수명을 연장하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 첨가제를 보충하는 온도 범위를 선택할 수 있어 정확한 첨가제 보충이 가능하게 하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 필요한 첨가제를 선택하여 전해액에 보충할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1을 A-A 선을 따라 절개하고 일부 확대하여 탑캡 조립체에 첨가부가 형성된 것을 도시한 일부 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지의 첨가부 만을 내부가 보이도록 도 2에서 B-B 선을 따라 절개하여 도시한 단면도이다.
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 아니되며, 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 균등물들이 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 1을 A-A 선을 따라 절개하고 일부 확대하여 탑캡 조립체에 첨가부가 형성된 것을 도시한 일부 확대 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차 전지의 첨가부 만을 내부가 보이도록 도 2에서 B-B 선을 따라 절개하여 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 2차 전지는 전극조립체와 전해액을 수용하는 캔부재(100), 상기 캔부재(100)의 개구부를 밀봉하는 탑캡 조립체(200) 및 상기 캔부재(100)를 향하는 내측에 위치하도록 상기 탑캡 조립체(200)에 형성되고, 소정의 온도에서 내부의 첨가제(320)를 상기 전해액에 투입하는 첨가부(300)를 포함한다.
전극조립체는 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 수 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.
캔부재(100)는 도 1에서 각형을 일실시예를 들어 설명하였지만, 그 이외에 원통형, 파우치형 등의 2차 전지의 외관을 형성하는 것으로 내부에 수용된 전극조립체와 전해액을 보호할 수 있다.
캔부재(100)는 일단에 개구된 개구부를 형성하여, 전극조립체(100)를 개구된 개구부를 통해 수용하고 개구된 개구부를 탑캡 조립체(200)로 밀봉할 수 있다.
전해액은 예를 들면, 비수성 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.
리튬염은 유기 용매에 용해되어, 2차 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진시킬 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 사용한다.
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.
그리고 전해액에는 첨가제가 참가될 수 있는데, 전해액에 첨가되는 첨가제는 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate), 비닐에틸렌카보네이트(vinyl ethylene carbonate), 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoro-ethylene carbonate), 숙시닐 니트릴(succinyl nitrile), 1,3-프로판 설폰(1,3-propane sultone), 에틸렌글리콜 비스(프로피오니트릴) 에테르(ethylene glycol bis (propionitrile) ether) 등 일 수 있다.
탑캡 조립체(200)는 적어도 캔부재(100)의 개구부와 대응되는 크기와 형상을 가질 수 있다.
그리고 탑캡 조립체(200)는 캔부재(100)의 개구부에 밀봉하게 결합되어 캔부재(100)의 외측에 노출되는 상부 가스켓(210)과 상부 가스켓(210)이 캔부재(100)와 마주보는 위치에 형성되는 하부 가스켓(230)을 포함할 수 있다.
하부 가스켓(230)은 캔부재(100) 방향에 형성될 수 있고, 또한 캔부재(100)의 내측에 위치하여 캔부재(100)의 내측에서 절연하는 역할을 할 수 있다.
첨가부(300)는 하부 가스켓(230)에 부착되되, 캔부재(100)의 내측에 위치하도록 캔부재(100) 방향으로 부착될 수 있다.
또한, 첨가부(300)는 하부 가스켓(230)에 복수 개로 부착될 수 있고, 또는 링형, 원형, 각형, 판형 등으로 형성되어 하부 가스켓(230)의 형상 또는 캔부재(100) 내부 형상에 대응되게 할 수 있다.
첨가부(300)는 첨가부(300)의 외부를 형성하며 소정의 온도에서 분해되는 외부막(310)과, 외부막(310)의 내부에 수용되어 외부막(310)이 분해되면 캔부재(100) 내부에 수용된 전해액에 투입되는 첨가제(320)를 포함할 수 있다.
외부막(310)은 염화비닐수지(polyvinyl chloride) 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 소재일 수 있다.
외부막(310)이 염화비닐수지인 경우는 60℃ ~ 80℃의 소정의 온도에서 분해되어 첨가제(320)를 전해액에 투입할 수 있다.
그리고 외부막(310)이 폴리프로필렌인 경우는 120℃ ~ 130℃의 소정의 온도에서 분해되어 첨가제(320)룰 전해액에 투입할 수 있다.
즉, 외부막(310)은 필요한 온도에서 첨가제(320)를 전해액에 투입하기 위해 염화비닐수지(polyvinyl chloride) 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 소재 중 어느 하나를 선택적으로 형성할 수 있다.
첨가제(320)는 캔부재(100) 내부에 수용된 전해액에 첨가된 첨가제에 대응되도록 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate), 비닐에틸렌카보네이트(vinyl ethylene carbonate), 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoro-ethylene carbonate), 숙시닐 니트릴(succinyl nitrile), 1,3-프로판 설폰(1,3-propane sultone), 에틸렌글리콜 비스(프로피오니트릴) 에테르(ethylene glycol　bis (propionitrile) ether) 중 어느 하나 이상을 선택적으로 형성하여 전해액에 첨가된 첨가제가 소모될 때에 보충할 수 있다.
즉, 사이클(cycle), 고온 등의 특정 2차 전지 테스트 등에서 2차 전지에 수용된 전해액의 첨가제가 소모될 때 첨가제가 소모되는 환경을 고려하여 외부막(310)의 소재를 선택적으로 형성하고 전해액에서 소모되는 첨가제의 성분을 고려하여 첨가부(300) 내부의 첨가제(320)를 선택적으로 형성할 수 있다.
또한, 첨가부(300)는 0.45mm ~ 0.55mm의 두께(a)로 형성할 수 있다.
즉, 첨가부(300)가 0.45mm 미만의 두께(a)로 형성되면 외부막(310)에 수용되는 첨가제(320)의 양이 부족하여 전해액에서 소모되는 첨가제를 충분히 보충할 수 없고, 첨가부(300)의 두께(a)가 0.55mm를 초과하면 첨가부(300)의 두께가 너무 두꺼워서 2차 전지의 설계에 영향을 미칠 수 있고 외부막(310) 내부에 필요한 양 이상의 첨가제(320)를 수용할 수 있는 불필요한 공간이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전해액에서 소모된 첨가제를 보충하여 전지 성능을 유지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 전해액에서 소모된 첨가제를 보충하여 전지 수명을 연장하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 첨가제를 보충하는 온도 범위를 선택할 수 있어 정확한 첨가제 보충이 가능하게 하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 필요한 첨가제를 선택하여 전해액에 보충할 수 있는 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.
100: 캔부재
200: 탑캡 조립체
210: 상부 가스켓
230: 하부 가스켓
300: 첨가부
310: 외부막
320: 첨가제

Claims (9)

  1. 전극조립체와 전해액을 수용하는 캔부재(100);
    상기 캔부재(100)의 개구부를 밀봉하는 탑캡 조립체(200); 및
    상기 캔부재(100)를 향하는 내측에 위치하도록 상기 탑캡 조립체(200)에 형성되고, 소정의 온도에서 내부의 첨가제(320)를 상기 전해액에 투입하는 첨가부(300); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탑캡 조립체(200)는 상기 캔부재(100)의 외측에서 절연하기 위해 외부로 노출된 상부 가스켓(210)과, 상기 캔부재(100)의 내측에서 절연하기 위해 내측에 위치한 하부 가스켓(230)을 포함하고,
    상기 첨가부(300)는 상기 캔부재(100)의 내측에 위치하도록 상기 하부 가스켓(230)에 부착되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 첨가부(300)는,
    외부를 형성하며 소정의 온도에서 분해되는 외부막(310)과,
    상기 외부막(310)의 내부에 수용되는 첨가제(320)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 첨가제(320)는 비닐렌 카보네이트(vinylene carbonate), 비닐에틸렌카보네이트(vinyl ethylene carbonate), 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoro-ethylene carbonate), 숙시닐 니트릴(succinyl nitrile), 1,3-프로판 설폰(1,3-propane sultone), 에틸렌글리콜 비스(프로피오니트릴) 에테르(ethylene glycol　 bis (propionitrile) ether) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 외부막(310)은 염화비닐수지(polyvinyl chloride) 소재인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 소정의 온도는 60℃ ~ 80℃인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 외부막(310)은 폴리프로필렌(polypropylene) 소재인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 소정의 온도는 120℃ ~ 130℃인 것을 특징으로 하는 2차 전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 첨가부(300)는 0.45mm ~ 0.55mm의 두께(a)로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지.
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