KR20190049206A

KR20190049206A - 이차 전지 및 이차 전지용 절연판

Info

Publication number: KR20190049206A
Application number: KR1020170144795A
Authority: KR
Inventors: 신항수; 김도균; 정상석; 이병구; 김찬배
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2019-05-09
Also published as: EP3598524A4; EP3598524A1; CN110462874B; JP6927629B2; US11450910B2; EP3598524B1; US20200106060A1; JP2020522092A; WO2019088524A1; KR102288850B1; CN110462874A

Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 양극, 음극, 분리막을 권취 또는 적층한 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 상부 또는 하부에 적어도 하나 배치되는 절연판; 및 상기 전극 조립체, 상기 절연판 및 전해액을 전지 케이스에 수납하고 캡 조립체에 의하여 밀봉되는 이차 전지에 있어서, 상기 절연판은, 원반 고리 형상으로 형성되고, 경질 재질을 포함하여 제조되는 주변부; 및 상기 주변부의 내주면으로부터 내측으로 연장 형성되고, 고내열성 원단으로 제조되는 중심부를 포함한다.

Description

이차 전지 및 이차 전지용 절연판{The Secondary Battery And The Insulator For Secondary Battery}

본 발명은 이차 전지 및 이차 전지용 절연판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지 캔의 내부에 용이하게 전해액을 추가로 주액하며, 전지의 내부구조가 공기 중에 노출되지 않아, 전극의 산화 및 전해액이 변질을 방지할 수 있는 이차 전지 및 이차 전지용 절연판에 관한 것이다.

물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하는 전지(Cell, Battery)는 각종 전자 기기로 둘러싸여 있는 생활 환경에 따라, 건물로 공급되는 교류전원을 획득하지 못하거나 직류전원이 필요할 경우 사용된다.

이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학 전지인 일차 전지와 이차 전지가 일반적으로 많이 사용되는데, 일차 전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지이다. 즉, 전류에 의해 소재에 대한 환원 반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화 반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성된다.

일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.

리튬 이차 전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)이 적층되어 형성된다. 그리고 이들의 재료는 전지수명, 충방전 용량, 온도특성 및 안정성 등을 고려하여 선택된다. 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로부터 음극의 흑연 전극으로 삽입(Intercalation) 및 탈리(Deintercalation)되는 과정이 반복되면서, 리튬 이차 전지의 충방전이 진행된다.

일반적으로 양극/분리막/음극의 3층 구조, 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 5층 구조로 적층된 단위 셀들이 모여, 하나의 전극 조립체가 된다. 전극 조립체는 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤 형(Jelly-Roll Type)과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형(Stack Type) 등으로 분류된다. 그리고 이러한 전극 조립체는 특정 케이스에 수용된다.

이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 형태가 일정하지 않은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 형태가 일정한 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.

이러한 캔 형(Can Type) 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 케이스가 다각면체의 형상을 가지는 각 형(Prismatic Type), 케이스가 원기둥의 형상을 가지는 원통형(Cylinder Type) 등으로 분류된다.

도 1은 종래의 원통형 이차 전지(2)의 부분 단면도이다.

일반적으로 원통형 이차 전지(2)는 도 1에 도시된 바와 같이, 원통형 전지 캔(12), 전지 캔(12)의 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체(13), 전지 캔(12)의 상부에 결합되는 캡 조립체(11), 캡 조립체(11)를 장착하기 위해 전지 캔(12)의 선단에 마련된 비딩부(14) 및 전지를 밀봉하기 위한 크림핑부(15)를 포함한다.

캡 조립체(11)는 전지 캔(12)의 개방부를 밀봉하고 양극 단자를 형성하는 탑 캡(111), 전지 내부의 온도 상승시 저항이 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(112), 비정상 전류로 인하여 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하고 내부의 기체를 배기하는 안전 벤트(113), 특정 부분을 제외하고 안전 벤트(113)를 CID 필터(115)로부터 전기적으로 분리시키는 CID 가스켓(114), 양극에 연결된 양극 리드(131)가 접속되고 전지 내의 고압 발생 시 전류를 차단하는 CID 필터(115)가 순차적으로 적층된 구조를 가진다.

그리고 캡 조립체(11)는 크림핑 가스켓(116)에 장착된 상태로 전지 캔(12)의 비딩부(14)에 설치된다. 따라서, 정상적인 작동 조건에서 전극 조립체(13)의 양극은 양극 리드(131), CID 필터(115), 안전 벤트(113) 및 PTC 소자(112)를 경유하여 탑 캡(111)에 연결되어 통전을 이룬다.

전극 조립체(13)의 상단 및 하단에는 각각 절연판(26)이 배치된다. 이 때 상단에 배치되는 절연판(26)은 전극 조립체(13)와 캡 조립체(11) 사이를 절연하고, 하단에 배치되는 절연판(미도시)은 전극 조립체(13)와 전지 캔(12)의 바닥부 사이를 절연한다.

한편, 리튬 이차 전지는 충방전 사이클이 반복되는 동안, 전극의 표면과 전해액 간의 부반응으로 인하여, 양극과 음극의 결정 구조가 붕괴되고 전해액 역시 고갈되어 수명이 감소한다. 특히 전해액 고갈에 의한 리튬 이온의 이동성 저하는 내부 저항 증가를 야기하여 셀은 급격히 성능이 저하되게 된다. 따라서, 이차 전지의 내부에 전해액을 추가로 주액하여 이차 전지의 성능 저하를 완화하는 동시에 사용 기간을 연장시키는 연구가 활발히 진행 중이다.

그런데 종래의 원통형 이차 전지의 경우에는, 상기 절연판(26)의 재질이 절연성을 가지면서, 내전해액성을 가지며 펀칭 가공성이 우수한, 예를 들어 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지로 제조되었다. 따라서, 전해액을 추가로 주액하기 위해서는, 전지 캔(12)을 물리적 방법으로 오픈 한 뒤에 상기 절연판(26)을 외부로 탈착하여 주사기로 주액 후 재실링하는 방법이 있다. 그러나, 이러한 방법은 전지의 내부구조가 공기 중에 노출되어 전극의 산화 및 전해액이 변질될 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위한 추가적인 비용이 소모되는 문제가 있었다.

일본공개공보 제2000-348771호 일본공개공보 제2002-231314호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 캔의 내부에 용이하게 전해액을 추가로 주액하며, 전지의 내부구조가 공기 중에 노출되지 않아, 전극의 산화 및 전해액이 변질을 방지할 수 있는 이차 전지 및 이차 전지용 절연판을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 절연판은 원반 고리 형상으로 형성되고, 경질 재질을 포함하여 제조되는 주변부; 및 상기 주변부의 내주면으로부터 내측으로 연장 형성되고, 고내열성 원단으로 제조되는 중심부를 포함한다.

또한, 상기 중심부는, 원반 형상으로 형성되고, 상기 주변부와 동일한 중심축을 공유할 수 있다.

또한, 상기 주변부 및 상기 중심부는, 일체로 형성될 수 있다.

또한, 상기 주변부 및 상기 중심부는, 인서트 사출 성형으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 중심부가 인서트되고, 상기 경질 재질이 사출 성형되어 주변부를 형성할 수 있다.

또한, 상기 경질 재질은, 페놀 수지를 포함할 수 있다.

또한, 상기 고내열성 원단은, 유리 섬유를 포함할 수 있다.

또한, 상기 주변부는, 내경이 외경의 50% 내지 95%일 수 있다.

또한, 상기 주변부는, 상기 경질 재질로 제조되는 제1층; 및 상기 고내열성 원단으로 제조되는 제2층이 적층되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2층 및 상기 중심부는, 일체로 제조되어 원반 형상으로 형성될 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 양극, 음극, 분리막을 권취 또는 적층한 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 상부 또는 하부에 적어도 하나 배치되는 절연판; 및 상기 전극 조립체, 상기 절연판 및 전해액을 전지 케이스에 수납하고 캡 조립체에 의하여 밀봉되는 이차 전지에 있어서, 상기 절연판은, 유리 섬유를 기재로 하여, 무기 첨가제를 포함한 페놀 수지가 적층되어 형성되며, 원반 고리 형상으로 형성되고, 상기 페놀 수지를 포함하는 재질로 제조되는 주변부; 및 상기 주변부의 내주면으로부터 내측으로 연장 형성되고, 상기 유리 섬유를 포함하는 재질로 제조되는 중심부를 포함하고, 상기 유리 섬유, 상기 페놀 수지 및 상기 무기 첨가제의 구성 비율은, 상기 유리 섬유가 55~70wt%, 상기 페놀 수지가 25~40wt%, 상기 무기 첨가제는 5~20wt%이며, 상기 절연판의 두께는, 0.3~0.65mm이다.

또한, 상기 무기 첨가제는, 평균 입경이 상기 유리 섬유의 직경보다 작을 수 있다.

또한, 상기 무기 첨가제는, 알루미나, 실리카, 수산화 알루미늄, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 탄산칼슘으로 이루어진 군에서 적어도 하나 선택되어 포함될 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

전지 캔에 삽입되는 절연판의 중심부가 유리 섬유로 제조되어, 주사기를 이용하여 전지 캔의 내부에 용이하게 전해액을 추가로 주액할 수 있다.

또한, 절연판을 외부로 탈착할 필요가 없어, 전지의 내부구조가 공기 중에 노출되지 않아, 전극의 산화 및 전해액이 변질을 방지할 수 있다.

또한, 절연판의 주변부는 페놀 수지를 포함하여 제조되어, 전지 캔의 내압이 증가하더라도, 비딩부의 파손을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 종래의 원통형 이차 전지의 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연판의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연판의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예 따른 원통형 이차 전지의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연판의 측면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지(1)의 부분 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지(1)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전지 캔(12), 전지 캔(12)의 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체(13), 전지 캔(12)의 상부에 결합되는 캡 조립체(11), 캡 조립체(11)를 장착하기 위해 전지 캔(12)의 선단에 마련된 비딩부(14) 및 전지를 밀봉하기 위한 크림핑부(15)를 포함한다. 이러한 원통형 이차 전지(1)는, 일정한 출력을 안정적으로 제공하는 휴대폰, 노트북, 전기 자동차 등의 전원으로 사용될 수 있다.

전지 캔(12)은 알루미늄, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가질 수 있다. 이러한 전지 캔(12)의 내부 공간에는 상기 전극 조립체(13)와 함께 전해액이 수용된다. 이러한 전지 캔(12)은 원통형으로 형성될 수 있으나, 각형과 같이 원통형 이외의 다양한 형태로 형성될 수도 있다.

전극 조립체(13)는 롤 형태의 넓은 판형을 가진 양극판 및 음극판 등 두 개의 전극판과, 전극판들을 상호 절연시키기 위해 전극판들 사이에 개재되거나 어느 하나의 전극판의 좌측 또는 우측에 배치되는 분리막을 구비한 적층 구조체일 수 있다. 상기 적층 구조체는 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 권취될 수 있고, 소정 규격의 양극판과 음극판이 분리막을 사이에 두고 적층될 수도 있는 등 제한되지 않고 다양한 형태일 수 있다. 두 개의 전극판은 각각 알루미늄과 구리를 포함하는 금속 포일 또는 금속 메쉬 형태의 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조이다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조 도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 용매는 후속 공정에서 제거된다. 전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있다. 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 한 쌍의 리드가 부착된다. 전극 조립체(13)의 상단에 부착되는 양극 리드(131)는 캡 조립체(11)에 전기적으로 연결되고, 전극 조립체(13)의 하단에 부착되는 음극 리드(미도시)는 전지 캔(12)의 하면에 연결된다. 다만 이에 제한되지 않고, 양극 리드(131)와 음극 리드는 모두 캡 조립체(11)를 향하는 방향으로 인출될 수도 있다.

전극 조립체(13)의 상단 및 하단에는 각각 절연판(16)이 배치된다. 이 때 상단에 배치되는 절연판(26)은 전극 조립체(13)와 캡 조립체(11) 사이를 절연하고, 하단에 배치되는 절연판(미도시)은 전극 조립체(13)와 전지 캔(12)의 바닥부 사이를 절연한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 절연판(16)에 대한 자세한 설명은 후술한다.

전지 캔(12)의 중앙에는 젤리 롤 형태로 권취된 전극 조립체(13)가 권출되는 것을 방지하고 이차 전지(1) 내부의 가스의 이동 통로의 역할을 수행하는 센터핀(미도시)이 삽입될 수도 있다.

전지 캔(12) 내에 충진되는 전해액은 이차 전지(1)의 충, 방전 시 전극판의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것으로, 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머를 포함할 수 있다.

캡 조립체(11)는 전지 캔(12)의 상단에 형성된 개방부에 결합되어 전지 캔(12)의 개방부를 밀폐시킨다. 이러한 캡 조립체(11)는, 전지 캔(12)의 형태에 따라 원형 또는 각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지 캔(12)이 원통형으로 형성되므로, 이 경우에는 캡 조립체(11)도 이에 대응되는 형상인 원반 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 캡 조립체(11)는 전지 캔(12)의 개방부를 밀봉하고 양극 단자를 형성하는 탑 캡(111), 비정상 전류로 인하여 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하고 내부의 기체를 배기하는 안전 벤트(113) 및 상기 전극 조립체(13)의 양극에 연결된 양극 리드(131)가 접속되고 전지 내의 고압 발생 시 전류를 차단하는 전류차단부재가 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 그리고, 캡 조립체(11)는 크림핑 가스켓(116)에 장착된 상태로 전지 캔(12)의 비딩부(14)에 설치된다. 따라서, 정상적인 작동 조건에서 전극 조립체(13)의 양극은 양극 리드(131), 전류차단부재, 안전 벤트(113) 및 PTC 소자(112)를 경유하여 탑 캡(111)에 연결되어 통전을 이룬다.

탑 캡(111)은 캡 조립체(11)의 최상부에, 상부 방향으로 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성한다. 따라서, 상기 탑 캡(111)은 부하 또는 충전 장치와 같은 외부 장치에 전기적으로 접속될 수 있다. 탑 캡(111)에는 이차 전지(1)의 내부에서 발생한 기체가 배출되는 기체 구멍(1111)이 형성될 수 있다. 따라서, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전극 조립체(13)쪽으로부터 기체가 발생하여 내압이 증가하면, 전류차단부재의 CID 필터(115) 및 안전 벤트(113)가 파열되고, 내부의 기체는 상기 파열된 부분 및 기체 구멍(1111)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 충방전이 더 이상 진행되지 않고 이차 전지(1)의 안전성을 확보할 수 있다. 이러한 탑 캡(111)은 스테인리스 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속 재질로 제조될 수 있다.

안전 벤트(113)와 접촉되는 탑 캡(111) 부위의 두께는, 외부로부터 인가되는 압력으로부터 캡 조립체(11)의 여러 구성 요소들을 보호할 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 0.3 내지 0.5mm일 수 있다. 탑 캡(111) 부위의 두께가 너무 얇으면 기계적 강성을 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 크기 및 중량 증가에 의해 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있다.

안전 벤트(113)는 비정상 전류로 인하여 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 역할을 하며, 금속 재질일 수 있다. 안전 벤트(113)의 두께는 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 전지 내부의 소정의 고압 발생시 파열되면서 가스 등을 배출할 수 있다면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 0.2 내지 0.6 mm일 수 있다.

전류차단부재(CID, Current Interrupt Device)는 안전 벤트(113)와 전극 조립체(13) 사이에 위치하여, 전극 조립체(13)와 안전 벤트(113)를 전기적으로 접속시킨다. 이러한 전류차단부재는 안전 벤트(113)와 접촉하여 전류를 전달하는 CID 필터(115) 및 일부 영역을 제외하고 상기 CID 필터(115)와 안전 벤트(113) 사이를 공간적으로 분리하여 절연시키는 CID 가스켓(114)을 포함한다.

따라서, 정상적인 상태에서는 전극 조립체(13)로부터 생성된 전류가 양극 리드(131)를 거쳐 CID 필터(115)를 경유하여 안전 벤트(113)로 흐름으로써 이차 전지(1)의 방전이 이루어질 수 있다. 그러나, 비정상 전류로 인하여 이차 전지(1)의 내압이 증가하면, 비정상 전류로 인하여 이차 전지(1)의 내부에서 발생한 기체로 인하여 전지의 내압이 증가하면, 안전 벤트(113)와 CID 필터(114) 사이의 연결이 탈착되거나, CID 필터(114)가 파열된다. 그럼으로써, 안전 벤트(113)와 전극 조립체(13) 사이의 전기적 접속이 차단되어, 안전성을 확보할 수 있다.

캡 조립체(11)는 안전 벤트(113)와 탑 캡(111) 사이에 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient element, 112)를 더 포함할 수도 있다. PTC 소자(112)는 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 증가하여 전류를 차단한다. 즉, PTC 소자(112)는, 정상적인 상태에서는 탑 캡(111)과 안전 벤트(113)를 전기적으로 연결시킨다. 그러나 비정상 상태, 예를 들어 온도가 비정상적으로 상승 할 때에는, PTC 소자(112)는 탑 캡(111)과 안전 벤트(113) 간의 전기적 연결을 차단시킨다. 이러한 PTC 소자(112)의 두께 역시 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면 0.2 내지 0.4mm일 수 있다. PTC 소자(112)의 두께가 0.4mm 보다 두꺼우면 내부 저항이 상승하고, 전지의 크기를 증가시켜 동일 규격 대비 전지 용량을 감소시킬 수 있다. 반대로, PTC 소자(112)의 두께가 0.2mm 보다 얇으면, 고온에서 전류 차단 효과를 발휘하기 어렵고 약한 외부 충격에 의해서도 파괴될 수 있다. 따라서, PTC 소자(112)의 두께는 이러한 점들을 복합적으로 고려하여 상기 두께 범위 내에서 적절히 결정될 수 있다.

이와 같은 캡 조립체(11)를 포함하는 이차 전지(1)는, 전동드릴 등과 같은 파워툴의 동력원으로 사용되는 경우에는 순간적으로 높은 출력을 제공할 수 있고 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격에 대해서도 안정적일 수 있다.

전지 캔(12)의 상부에는 외측에서 내측으로 절곡된 비딩부(14)가 형성된다. 비딩부(14)는 상기 탑 캡(111), PTC 소자(112), 안전 벤트(113) 및 전류차단부재가 적층된 캡 조립체(11)를 전지 캔(12)의 상단에 위치시키고, 전극 조립체(13)의 상하 방향의 이동을 방지한다.

상기 기술한 바와 같이, 캡 조립체(11)는 크림핑 가스켓(116)에 장착된 상태로 전지 캔(12)의 비딩부(14)에 설치된다. 크림핑 가스켓(116)은 양단이 개방된 원통형의 형태를 가지며, 전지 캔(12)의 내부를 향하는 일측 단은 도 2에 도시된 바와 같이, 중심축을 향해 대략 수직으로 1차 절곡된 후, 다시 전지 캔(12)의 내부를 향해 대략 수직으로 2차 절곡되어 비딩부(14)에 안착된다. 그리고 크림핑 가스켓(116)의 타측 단은, 최초에는 중심축과 평행한 방향으로 연장되어 있다. 그러나, 추후에 캡 조립체(11)를 결합하고 전지 캔(12)의 상단 외벽을 가압하여 크림핑부(15)를 형성하는 공정이 진행되면, 크림핑부(15)의 형상을 따라 함께 대략 수직으로 절곡되어 중심축을 향한다. 따라서, 크림핑 가스켓(116)의 내주면은 캡 조립체(11), 외주면은 전지 캔(12)의 내주면에 밀착된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연판(16)의 평면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 절연판(16)은, 도 3에 도시된 바와 같이 전체적으로 원반 형상을 가지며, 중심부(161) 및 주변부(162)를 포함한다.

중심부(161)는 원반 형상을 가지며, 고내열성 원단을 포함하는 재질로 제조된다. 특히 유리 섬유(Glass Fiber)를 포함하는 재질로 제조되는 것이 바람직하다. 유리 섬유는 유리를 백금로에 용융한 후, 직경이 작은 홀을 통해 인출하여 긴 섬유 형태로 제조한 것이다. 내열성, 내구성,　흡음성, 전기 절연성이 뛰어나고 녹슬지 않으며, 가공이 쉬워 건물　단열재, 공기 여과재, 전기 절연제 등으로 주로 사용된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연판(16)의 중심부(161)는, 이러한 유리 섬유들이 씨실과 날실로 서로 교차한 직물의 원단을 타발하여 형성된다. 그럼으로써, 내열성 및 절연성이 우수하고, 유리 섬유들의 조직 사이로 첨예한 주사기가 용이하게 침투할 수 있으므로, 전해액 주입이 용이할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리 섬유의 직경은 대략 4 내지 15μm인 것이 바람직하다.

주변부(162)는 원반 고리 형상을 가지며, 경질 재질을 포함하여 제조된다. 특히, 페놀 수지(Phenolic Resin)를 포함하는 재질로 제조되는 것이 바람직하다.

페놀 수지는 페놀류(페놀,　크레졸,　크실레놀,　레조르시놀 등)와 알데히드류(포름알데히드,　아세트알데히드,　푸르푸랄)를 축합하여 형성된 열경화성 합성 수지이다. 내열성, 내수성, 내화학성, 전열성이 우수하여, 전기 절연제, 접착제 등으로 주로 사용된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연판(16)의 주변부(162)는, 이러한 페놀 수지가 포함됨으로써 내열성 및 전열성이 우수하다. 또한, 열경화성이므로 온도가 증가하여도 두께가 불균일하게 되거나 변형되는 것을 방지할 수 있고, 전지 캔(12)의 내압이 증가하더라도 전지 캔(12)의 강도가 취약한 비딩부(14)에 강도를 보강할 수 있다.

상기 페놀 수지에는 무기 첨가제가 더 첨가될 수도 있다. 따라서, 페놀 수지가 가열될 때 수축 또는 변형을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다. 이러한 무기 첨가제는 평균 입경이 유리 섬유의 가닥의 직경보다 작은 것이 바람직하다. 그럼으로써, 주변부(162)를 제조할 때 용융 상태의 페놀 수지가 경화되면서, 첨가된 상기 무기 첨가제가 유리 섬유에 의해 저항을 받지 않아, 주변부(162)의 두께가 균일하고 표면이 평평하게 제조될 수 있다. 이러한 무기 첨가제는, 알루미나, 실리카, 수산화알루미늄, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 탄산칼슘 중에서 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

이와 같이 제조된 절연판(16)에서, 유리 섬유, 페놀 수지 및 무기 첨가제의 구성 비율이 각각, 유리 섬유는 55~70wt％, 페놀 수지는 25~40wt％, 무기 첨가제는 5~20wt％인 것이 바람직하다.

지금까지 기술한 절연판(16)은, 전극 조립체의 상부에 배치되는 상부 절연판(16)뿐만 아니라, 전극 조립체의 하부에 배치되는 하부 절연판(16)일 수도 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 상부 절연판(16)은 상기 기술한 절연판(16)이고, 하부 절연판(16)은 내전해액성을 가지며 펀칭 가공성이 우수하여 종래부터 사용되는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지로 제조되는 등 다양하게 형성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연판(16)의 측면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 절연판(16)은 도 4에 도시된 바와 같이, 주변부(162) 및 중심부(161)를 포함하고, 주변부(162)와 중심부(161)는 일체로 형성된다. 그리고, 주변부(162)가 중심부(161)의 외주면에서 반지름 방향으로 연장되어 형성되므로 두께를 증가시키지 않는다.

주변부(162)는 경질 재질로 제조되어, 전지 캔(12)의 비딩부(14)의 강도를 보강한다. 이러한, 주변부(162)는 상면 및 하면이 평평하며, 원반 고리 형상을 가져 중심에 홀이 타공된다. 그리고, 타공된 홀의 내주면에, 중심부(161)가 내측으로 연장되어 형성된다. 이러한 주변부(162)의 두께는 예를 들어 0.3 내지 0.65 mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 소재 및 구조 등에 따라 다양한 두께를 가질 수 있다.

중심부(161)는 주변부(162)의 내측으로, 즉 상기 타공된 홀의 내주면으로부터 반지름 방향으로 연장되어 형성된다. 따라서, 중심부(161)는 원반 형상을 가질 수 있다. 그리고, 중심부(161)는 주변부(162)와 동일한 중심축을 공유할 수 있다.

이러한 주변부(162)와 중심부(161)는 인서트 사출을 통해 성형되어, 일체형으로 형성될 수 있다. 즉, 유리 섬유로 형성된 직물의 원단을 타발하여 인서트로 삽입하고, 주변부(162)가 되는 페놀 수지를 주물로써 용융하고 사출하여 성형할 수 있다. 만약 주변부(162)와 중심부(161)가 용이하게 분리가 가능하다면, 주변부(162)와 중심부(161)의 분리된 간극 사이로 전해액이 누출될 수 있다. 또한, 절연이 되지 않아, 양극 및 음극이 서로 접촉하여 단락(쇼트, Short)될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연판(16)과 같이, 주변부(162)와 중심부(161)가 일체형으로 형성됨으로써 절연을 유지하고 단락을 방지할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 압축 성형, 이송 성형 등 주변부(162)와 중심부(161)가 일체형으로 형성될 수 있다면 다양한 방법으로 성형될 수 있다.

중심부(161)의 직경은, 주변부(162)의 외경의 50% 내지 95%인 것이 바람직하다. 그럼으로써, 전해액의 추가 주액이 용이하면서, 전지 캔(12)의 내압이 증가하더라도 비딩부(14)의 파손을 방지할 수 있다. 그리고, 중심부(161)의 직경은, 주변부(162)의 내경과 대응된다. 여기서 주변부(162)의 내경과 대응된다는 것은, 동일하거나 어느 정도 차이가 있더라도 그 차이가 오프셋의 범위 내라는 것을 의미한다. 따라서, 중심부(161)가 주변부(162)에 일체형으로 형성되어, 용이하게 분리되지 않을 수 있다.

상기 기술한 바와 같이, 중심부(161)는 유리 섬유로 제조되어, 유리 섬유들의 조직 사이로 첨예한 주사기가 용이하게 침투함으로써, 전해액 주입이 용이할 수 있어야 한다. 따라서, 중심부(161)의 두께는 주변부(162)의 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 예를 들어, 중심부(161)의 두께는 0.01 내지 0.2mm일 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 중심부(161)의 두께가 주변부(162)의 두께와 동일할 수도 있는 등 다양한 두께를 가질 수 있다.

상기 기술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 중심부(161)는 주변부(162)의 내측으로 연장되어 형성된다. 즉, 주변부(162)는 중심부(161)의 외주면에서 반지름 방향으로 연장되어 형성된다. 이 때, 주변부(162)와 중심부(161)는 동일 평면상에 위치할 수 있다. 즉, 주변부(162)의 상면과 중심부(161)의 상면이 동일 평면상에 위치하거나, 주변부(162)의 하면과 중심부(161)의 하면이 동일 평면상에 위치할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 중심부(161)의 두께가 주변부(162)의 두께보다 얇으므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 중심부(161)의 상면은 주변부(162)의 상면보다 하방에, 중심부(161)의 하면은 주변부(162)의 하면보다 상방에 위치할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전지(1a)의 부분 단면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연판(16a)의 측면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 절연판(16)은, 주변부(162)가 하나의 층으로 형성되었으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연판(16a)은, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 주변부(162a)가 복수의 층이 적층되어 형성된다. 이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연판(16a)에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연판(16)과 동일한 내용은 설명을 생략한다. 다만, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 권리범위를 제한하기 위함이 아니다.

제1 층(1621a)은 경질 재질, 특히 페놀 수지를 포함하는 재질로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 주변부(162a)의 제1 층(1621a)은, 본 발명의 일 실시예에 따른 주변부(162a)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 따라서, 주변부(162a)의 제1 층(1621a)에는 무기 첨가제가 더 첨가될 수도 있고, 이러한 무기 첨가제는, 알루미나, 실리카, 수산화알루미늄, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 탄산칼슘 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 무기 첨가제는 평균 입경이 유리 섬유의 가닥의 직경보다 작은 것이 바람직하다.

제2 층(1622a)은 고내열성 원단, 특히 유리 섬유로 제조된 직물의 원단으로 형성될 수 있다. 즉, 주변부(162a)의 제2 층(1622a)은 중심부(161a)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 이러한, 주변부(162a)의 제2 층(1622a)과 중심부(161a)는 처음부터 일체로 제조된 후, 가상의 경계(A)를 기준으로 구분될 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고, 주변부(162a)의 제2 층(1622a)과 중심부(161a)는 물리적으로 분할되거나 별도로 제조되어 서로 연결되어 형성될 수도 있는 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다.

제1 층(1621a)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 층(1622a)의 상부에 적층되는 것이 바람직하다. 따라서, 전지 캔(12)의 비딩부(14)를 지지하여, 비딩부(14)의 강도를 보강할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 제2 층(1622a)이 제1 층(1621a)의 상부에 적층될 수도 있다. 나아가, 임의의 재질로 제조되는 제3 층이 더 적층될 수도 있다. 이러한 제3 층은 최상층 또는 최하층에 적층될 수도 있으며, 제1 층(1621a)과 제2 층(1622a)의 사이에 적층될 수도 있다.

이와 같이 제조된 절연판(16a)에서, 유리 섬유, 페놀 수지 및 무기 첨가제의 구성 비율이 각각, 유리 섬유는 55~70wt％, 페놀 수지는 25~40wt％, 무기 첨가제는 5~20wt％인 것이 바람직하다. 그리고, 절연판(16a)의 두께는 예를 들어 0.3 내지 0.65 mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 소재 및 구조 등에 따라 다양한 두께를 가질 수 있다. 이러한 절연판(16a)은, 주변부(162a)와 중심부(161a)가 인서트 사출 성형, 압축 성형, 이송 성형 등 다양한 방법으로 성형될 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1, 2: 이차 전지 11: 캡 조립체
12: 전지 캔 13: 전극 조립체
14: 비딩부 15: 크림핑부
16, 26: 절연판 111: 탑 캡
112: PTC 소자 113: 안전 벤트
114: CID 가스켓 115: CID 필터
116: 크림핑 가스켓 131: 양극 리드
161: 중심부 162: 주변부
1111: 기체 구멍

Claims

양극, 음극, 분리막을 권취 또는 적층한 전극 조립체;
상기 전극 조립체의 상부 또는 하부에 적어도 하나 배치되는 절연판; 및
상기 전극 조립체, 상기 절연판 및 전해액을 전지 케이스에 수납하고 캡 조립체에 의하여 밀봉되는 이차 전지에 있어서,
상기 절연판은,
원반 고리 형상으로 형성되고, 경질 재질을 포함하여 제조되는 주변부; 및
상기 주변부의 내주면으로부터 내측으로 연장 형성되고, 고내열성 원단으로 제조되는 중심부를 포함하는, 이차 전지.
원반 고리 형상으로 형성되고, 경질 재질을 포함하여 제조되는 주변부; 및
상기 주변부의 내주면으로부터 내측으로 연장 형성되고, 고내열성 원단으로 제조되는 중심부를 포함하는, 이차 전지용 절연판.
제2항에 있어서,
상기 중심부는,
원반 형상으로 형성되고, 상기 주변부와 동일한 중심축을 공유하는, 이차 전지용 절연판.
제2항에 있어서,
상기 주변부 및 상기 중심부는,
일체로 형성되는, 이차 전지용 절연판.
제4항에 있어서,
상기 주변부 및 상기 중심부는,
인서트 사출 성형으로 형성되는, 이차 전지용 절연판.
제5항에 있어서,
상기 중심부가 인서트되고, 상기 경질 재질이 사출 성형되어 주변부를 형성하는, 이차 전지용 절연판.
제2항에 있어서,
상기 경질 재질은,
페놀 수지를 포함하는, 이차 전지용 절연판.
제2항에 있어서,
상기 고내열성 원단은,
유리 섬유를 포함하는, 이차 전지용 절연판.
제2항에 있어서,
상기 주변부는,
내경이 외경의 50% 내지 95%인, 이차 전지용 절연판.
제2항에 있어서,
상기 주변부는,
상기 경질 재질로 제조되는 제1층; 및
상기 고내열성 원단으로 제조되는 제2층이 적층되어 형성되는, 이차 전지용 절연판.
제10항에 있어서,
상기 제2층 및 상기 중심부는,
일체로 제조되어 원반 형상으로 형성되는, 이차 전지용 절연판.
양극, 음극, 분리막을 권취 또는 적층한 전극 조립체;
상기 전극 조립체의 상부 또는 하부에 적어도 하나 배치되는 절연판; 및
상기 전극 조립체, 상기 절연판 및 전해액을 전지 케이스에 수납하고 캡 조립체에 의하여 밀봉되는 이차 전지에 있어서,
상기 절연판은,
유리 섬유를 기재로 하여, 무기 첨가제를 포함한 페놀 수지가 적층되어 형성되며,
원반 고리 형상으로 형성되고, 상기 페놀 수지를 포함하는 재질로 제조되는 주변부; 및
상기 주변부의 내주면으로부터 내측으로 연장 형성되고, 상기 유리 섬유를 포함하는 재질로 제조되는 중심부를 포함하고,
상기 유리 섬유, 상기 페놀 수지 및 상기 무기 첨가제의 구성 비율은,
상기 유리 섬유가 55~70wt%, 상기 페놀 수지가 25~40wt%, 상기 무기 첨가제는 5~20wt%이며,
상기 절연판의 두께는,
0.3~0.65mm인, 이차 전지.
제12항에 있어서,
상기 무기 첨가제는,
평균 입경이 상기 유리 섬유의 직경보다 작은, 이차 전지.
제12항에 있어서,
상기 무기 첨가제는,
알루미나, 실리카, 수산화 알루미늄, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 탄산칼슘으로 이루어진 군에서 적어도 하나 선택되어 포함되는, 이차 전지.