KR20190118135A - 히트 파이프를 포함하는 원통형 이차전지 - Google Patents

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KR20190118135A
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cylindrical
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신항수
김도균
정상석
이병국
이병구
민건우
김찬배
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 젤리-롤형 전극조립체, 상기 젤리-롤형 전극조립체를 수용하는 원통형 전지케이스, 상기 원통형 전지케이스의 개방 상면에 위치하는 캡 어셈블리, 및 내부에 위치하는 액체의 상전이에 의해 방열이 이루어지는 히트 파이프를 포함하고, 상기 히트 파이프는 상기 전극조립체의 권회 중심부 및 전극조립체의 상부 중 적어도 일부에서 상기 전극조립체와 접촉된 상태로 위치하거나, 캡 어셈블리에 부착된 상태로 위치하는 원통형 이차전지에 대한 것이다.

Description

히트 파이프를 포함하는 원통형 이차전지 {Cylindrical Secondary Battery Having Heat Pipe}
본 출원은 2018년 4월 9일자 한국 특허 출원 제 2018-0040970 호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 히트 파이프를 포함하는 원통형 이차전지에 대한 것으로서, 전극조립체의 권회 중심부 및 전극조립체의 상부 중 적어도 일부에서 상기 전극조립체와 접촉되도록 위치하는 히트 파이프를 포함하는 원통형 이차전지에 대한 것이다.
IT 기술의 발달과 다양한 형태의 전자제품이 개발됨에 따라 충방전이 가능하여 반복적인 재사용이 가능한 이차전지가 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등의 전자기기 또는 전기 자동차의 전력원으로 널리 사용되고 있다.
특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 상대적으로 높고 고용량 및 고에너지 밀도의 특성을 갖는 바, 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 그 활용도가 급속도로 증가되고 있다.
상기 리튬 이차전지는 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체가, 전해액과 함께 외장재에 수납되어 밀봉되는 구조로 이루어지는 바, 상기 외장재의 형상에 따라 분류될 수 있다.
예를 들어, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.
상기 리튬 이차전지는 충전 및 방전 과정에서 발생하는 발열현상에 의해 전지의 성능이 저하되거나 폭발 사고가 발생할 수 있어 안전성이 문제로 지적되고 있는 바, 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
특허문헌 1은 원통형 전지 캔의 바닥이 만입되어 전지 캔 내부에 위치하는 전극조립체의 권회 중심에 삽입되도록 관 형태의 구조가 형성된 전지 캔과 상기 관 형태의 구조 내부에 온도 검출 수단을 구비하는 이차전지를 개시하고 있다. 상기 온도 검출 수단에 의해 전지의 온도를 전지 외부에서 계측할 수 있는 바, 전지에 이상 발열 발생시 이를 억제할 수 있어 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
그러나, 특허문헌 1은 열 및 압력을 외부에 개방하는 개방 수단이 포함된 구조를 상기 관 형태의 구조에 구비하는 바, 신속하게 열을 배출하는 데에 한계가 있고, 온도 검출 수단뿐 아니라, 검출된 온도를 측정 및 제어하는 장비를 더 포함해야 하는 점에서 구조가 복잡해지는 문제가 있다.
특허문헌 2는 원통형 케이스의 하부와 결합되는 방열 부재를 포함하는 이차전지 및 상기 방열 부재가 결합된 원통형 케이스에 전극조립체가 결합된 구조를 개시한다. 상기 방열 부재는 이차전지의 충방전 중에 발생하는 가스의 이동 경로로써 관통 홀이 형성된 구조를 포함하나, 특허문헌 2는 방열 부재의 소재 특성에 따른 방열이 이루어질 뿐, 방열성을 효과적으로 발휘하는 데에 한계가 있다.
특허문헌 3은 전지팩 및 상기 전지팩 내부에 수납된 원통형 전지 사이 공간에 히트 파이프를 구비하는 노트북 컴퓨터용 배터리 팩을 개시하나, 이와 같은 구조는 전지 내부에서 발생된 열에 의한 온도를 효과적으로 감소시키기에는 간접적인 방법이 될 뿐이라는 문제가 있다.
이와 같이, 전지 내부의 온도 증가를 완화하여 안전성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
일본 공개특허공보 제2001-313078호 (2001.11.09) 한국 공개특허공보 제2006-0111841호 (2006.10.30) 한국 공개특허공보 제2010-0131694호 (2010.12.16)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원통형 이차전지 내부에 단독으로 사용 가능한 방열 수단을 구비함으로써 이차전지의 사용 중에 발생하는 열을 효과적으로 배출할 수 있는 원통형 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형 이차전지는, 젤리-롤형 전극조립체, 상기 젤리-롤형 전극조립체를 수용하는 원통형 전지케이스, 상기 원통형 전지케이스의 개방 상면에 위치하는 캡 어셈블리, 및 내부에 위치하는 액체의 상전이에 의해 방열이 이루어지는 히트 파이프를 포함하고, 상기 히트 파이프는 상기 전극조립체의 권회 중심부 및 전극조립체의 상부 중 적어도 일부에서 상기 전극조립체와 접촉된 상태로 위치하거나, 캡 어셈블리에 부착된 상태로 위치하는 구조일 수 있다.
상기 히트 파이프는, 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권회 중심에 위치하는 직선부, 및 상기 젤리-롤형 전극조립체의 상부에 위치하는 곡선부로 이루어질 수 있다.
상기 직선부의 길이는 상기 젤리-롤형 전극조립체의 길이보다 짧을 수 있다.
상기 곡선부는 상기 직선부에서 연장된 구조로서 상기 원통형 전지케이스의 내측면과 대응되는 라운딩 형태의 개곡선(open curve) 형태로 이루어질 수 있다.
상기 히트 파이프의 상부에 위치하는 제1절연부재의 하면에는 상기 히트 파이프의 일부가 안착되도록 히트 파이프의 외형과 대응되는 형태의 오목부가 형성될 수 있다.
상기 히트 파이프의 곡선부와 상기 전극조립체의 상면 사이에는 제2절연부재가 개재될 수 있다.
상기 히트 파이프는, 상기 직선부에 증발부가 형성되고 상기 곡선부의 끝단부에 응축부가 형성되는 구조일 수 있다.
상기 히트 파이프는, 열전도성이 높은 금속 소재의 외관, 상기 외관의 내측면에 위치하는 모세관 구조물, 및 상기 모세관 구조물을 채우고 있는 휘발성 물질을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 히트 파이프의 외관은 구리, 알루미늄, 스테인리스, 세라믹 및 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 휘발성 물질은 물, 메탄올, 아세톤 및 수은으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 히트 파이프의 외경은 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취 중심 내경과 대응되는 크기로 이루어질 수 있다.
상기 캡 어셈블리에 부착된 상태로 위치하는 히트 파이프는 선형 또는 링형 구조로 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 이차전지는 전지 내부에 위치하는 방열 부재로서, 내부의 중공에 위치하는 액체의 상전이에 의해 방열이 이루어지는 히트 파이프를 포함하는 바, 상기 히트 파이프의 단독 사용으로 방열 기능을 발휘할 수 있으므로, 좁은 전지 내부 공간을 효율적으로 이용할 수 있다.
또한, 열전달 속도가 기존의 구리관에 비해 수백배 이상 빠르고 열전도율이 높은 히트 파이프를 전지 내부 및 외부에 장착하기 때문에 이차전지 내부에서 발생하는 열을 신속하게 배출할 수 있는 바, 가열에 의한 이차전지의 성능 저하를 방지할 수 있고, 안전성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
도 1은 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 히트 파이프가 전극조립체에 결합된 상태의 측면도이다.
도 3은 도 1의 히트 파이프와 제1절연부재의 확대도이다.
도 4는 히트 파이프 직선부의 수직 단면도이다.
도 5는 다른 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 사시도이다.
도 6은 히트 파이프의 외관 및 수직 단면 사진이다.
도 7은 실시예 및 비교예에서 측정한 CFD 해석 자료이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형 이차전지는, 젤리-롤형 전극조립체, 상기 젤리-롤형 전극조립체를 수용하는 원통형 전지케이스, 상기 원통형 전지케이스의 개방 상면에 위치하는 캡 어셈블리, 및 내부의 중공에 위치하는 액체의 상전이에 의해 방열이 이루어지는 히트 파이프를 포함하고, 상기 히트 파이프는 상기 전극조립체의 권회 중심부 및 전극조립체의 상부 중 적어도 일부에서 상기 전극조립체와 접촉된 상태로 위치하거나, 캡 어셈블리에 부착된 상태로 위치하는 구조일 수 있다.
일반적으로 이차전지는 충전 과정 및 방전 과정에서 발생하는 열이 외부로 배출되지 못하여 전지의 온도가 증가할 수 있는 바, 전지 내부의 온도 증가는 전해액의 분해 반응에 의한 가스 증가 등 부반응을 더욱 활발하게 할 수 있다. 이는 전지의 온도를 더욱 상승시키는 원인이 되고 결과적으로 전지의 내압 증가가 가속화되면서 전지의 폭발 내지 발화를 야기할 수 있다.
그러나, 이차전지의 정상적인 사용 과정에서도 저항에 의한 온도 증가가 필연적인 바, 본원 발명과 같이 전지 내부의 온도증가를 억제시키기 위하여, 히트 파이프를 적용할 수 있다.
상기 히트 파이프는 그 내부의 중공에 위치하는 액체의 기화에 의한 흡열 과정 및 액화에 의한 발열 과정이 반복적 연속적으로 이루어지는 원리로 방열이 이루어진다.
구체적으로, 상기 히트 파이프의 열원부에 위치하는 액체가 가열되어 기화되면서 열에너지를 흡수하고, 상기 기체는 저온의 냉각부로 이동하여 액화되면서 열에너지를 배출할 수 있다. 이와 같이 냉각된 액체는 다시 열원부로 이동하여 상기와 같은 과정이 반복적으로 이루어진다.
즉, 온도 변화에 따라 액체의 기화 및 액화가 반복적으로 이루어지는 상전이 현상을 이용하여 방열이 이루어지기 때문에 냉각 장치와 같은 부재가 추가적으로 필요하지 않고, 열전도율이 높은 히트 파이프를 사용하기 때문에 히트 파이프의 전체적인 크기가 작더라도 높은 방열성을 발휘할 수 있다.
또한, 상기 히트 파이프가 적용된 이차전지의 방열 특성을 높이기 위하여 상기 히트 파이프는 열원이 되는 전극조립체의 외면과 적어도 일부가 접촉된 상태로 위치하는 것이 바람직하다.
상기 히트 파이프의 구조는 전극조립체의 외면과 접촉하거나 인접하게 위치하여 열전달이 효율적으로 이루어질 수 있는 구조라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는, 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권회 중심에 위치하는 직선부, 및 상기 젤리-롤형 전극조립체의 상부에 위치하는 곡선부로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 히트 파이프가 전극조립체의 권회 중심에만 위치하거나, 또는 전극조립체의 상면에만 위치하는 경우에 비하여, 상기와 같이 직선부 및 곡선부를 모두 포함하기 때문에, 전극조립체와의 접촉면을 넓힐 수 있으므로, 방열 특성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 직선부는 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권회 중심부에 삽입되는 구조인 점을 고려할 때, 전극조립체의 길이보다 길게 형성되는 경우에는 불필요하게 낭비되는 부분이 생길 수 있으며, 전극조립체의 길이와 대응되는 길이로 형성되는 경우에는 전지케이스 밑면과 가까운 직선부의 끝단이 전지케이스의 밑면에 접촉하면서 단락이 일어날 수 있는 바, 상기 직선부의 길이는 상기 전극조립체의 길이보다 짧게 형성되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 직선부의 길이는 상기 젤리-롤형 전극조립체의 길이보다 짧게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 직선부의 길이는 상기 젤리-롤형 전극조립체의 길이를 기준으로 10% 내지 90%로 형성될 수 있는 바, 상기 직선부의 길이가 상기 전극조립체의 길이의 10% 보다 짧은 경우에는 전극조립체와 접촉되는 부분이 좁기 때문에 방열 효과를 충분히 얻을 수 없고, 90% 보다 길게 형성되는 경우에는, 전지케이스의 밑면과의 접촉을 방지하기 위하여 전극조립체와 전지케이스 사이에 절연부재를 추가할 필요가 생길 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 곡선부는 상기 직선부에서 연장된 구조로서 상기 원통형 전지케이스의 내측면과 대응되는 라운딩 형태의 개곡선(open curve) 형태로 이루어질 수 있다.
즉, 전극조립체의 상부측 외부로 연장된 직선부는 전극조립체의 상면과 만나도록 수직 절곡된 상태에서 상기 히트 파이프의 곡선부의 일측 끝단과 연결되고, 상기 곡선부는 상기 원통형 전지케이스의 내측면 내지 젤리-롤형 전극조립체의 외주변과 대응되는 곡선 형태로 이루어질 수 있다. 다만, 상기 히트 파이프에서 고온부와 저온부가 형성되어 이들 간에 열전달 물질이 이동하면서 열교환이 이루어지는 구조인 경우에는, 상기 곡선부의 타측 끝단은 상기 직선부에서 연장된 곡선부의 일측 끝단과 인접하게 위치하지만 서로 접촉하지 않고 이격된 상태로 위치할 수 있다.
일반적인 원통형 이차전지의 경우 전극조립체와 전극조립체 상부에 바로 절연부재가 위치하는 것과 달리, 본원 발명은 전극조립체와 절연부재 사이에 히트 파이프의 곡선부가 위치하는 바, 상기 히트 파이프의 두께로 인하여 전지의 용량이 저하될 수 있는 문제가 있다. 이와 같은 용량 저하의 문제를 방지하기 위하여 상기 히트 파이프의 상부에 위치하는 제1절연부재의 하면에는 상기 히트 파이프의 일부가 안착되도록 히트 파이프의 외형과 대응되는 형태의 오목부가 형성될 수 있다. 따라서, 상기 히트 파이프의 적어도 일부가 상기 오목부에 안착됨으로써 히트 파이프의 두께 상승분을 감소시킬 수 있다.
상기 전극조립체의 분리막은 양극 및 음극보다 크기 때문에 양극 및 음극의 외주변에서 연장된 분리막 잉여부가 젤리-롤형 전극조립체의 상면 및 하면에 존재하고, 상기 분리막 잉여부에 의해 상기 전극조립체와 히트 파이프의 곡선부 간의 접촉을 차단할 수 있다. 그러나, 상기 분리막이 수축되는 경우에는 양극 및/또는 음극이 노출되어 히트 파이프의 곡선부와 접촉될 수 있는 문제가 있다.
이에, 상기 히트 파이프의 절연성을 확보하기 위하여 상기 히트 파이프의 곡선부와 상기 전극조립체의 상면 사이에는 제2절연부재가 추가로 개재될 수 있다.
상기 히트 파이프는, 일측 끝단은 열에너지를 흡수하는 열원부이고, 타측 끝단은 열에너지를 방출하는 냉각부로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 상기 직선부에 열원부가 위치하여 히트 파이프의 냉매를 증발시키는 증발부가 형성되고, 상기 곡선부의 끝단부에 냉각부가 위치하여 증발된 냉매를 액화시키는 응축부가 형성될 수 있다.
즉, 전극조립체에서 발생하는 열이 집중되는 전극조립체의 권회 중심에 위치하는 히트 파이프의 중심부에서는 열에너지를 흡수하고, 전극조립체의 상면에 위치하여 상대적으로 온도가 낮은 히트 파이프의 곡선부에서는 열에너지를 방출하는 방식으로, 전지의 온도 증가를 억제할 수 있다.
상기 히트 파이프는, 열전도성이 높은 금속 소재의 외관, 상기 외관의 내측면에 위치하는 모세관 구조물, 및 상기 모세관 구조물을 채우고 있는 휘발성 물질을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 히트 파이프는 내부가 뚫려 있는 파이프 형태의 외관을 포함하고, 상기 파이프의 내측면에는 매쉬(mesh) 또는 그루브(groove) 형태의 모세관 구조물이 있으며, 상기 모세관 구조물에는 휘발성 물질이 가득 채워져 있는 구조일 수 있다.
상기 히트 파이프의 외관 및 상기 모세관 구조물 사이에는 상기 휘발성 물질이 채워진 공간이 형성될 수 있으며, 또는 별도의 휘발성 물질의 공간 없이 상기 모세관 구조물에 상기 휘발성 물질이 채워진 구조일 수 있다.
상기 히트 파이프의 열원부에서 가열된 휘발성 물질은 기화되어 상기 파이프 중심에 있는 통로를 통해 냉각부로 이동하고, 상기 냉각부에 있던 휘발성 물질은 응축되고 상기 열원부에서 휘발성 물질이 기화되면서 빠져나간 공간을 채우기 위해 상기 모세관 구조물 형태의 윅(wick)을 통하여 열원부로 환류되는 방식으로 순환이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 히트 파이프의 외관은 구리, 알루미늄, 스테인리스, 세라믹 및 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있고, 상기 휘발성 물질은 물, 메탄올, 아세톤 및 수은으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
또는, 히트 파이프의 구조는 상기에 설명한 바와 달리, 열원부에서 가열된 휘발성 물질이 이동하는 통로가 파이프의 외측에 위치하고, 냉각부에서 응축된 유체가 환류되는 윅이 파이프 내부 중심에 위치하는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 히트 파이프는 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취 중심에서 접촉하는 면적이 넓은 것이 바람직한 바, 상기 히트 파이프의 직선부 외경은 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취 중심 내경보다 작거나 또는 대응되는 크기로 이루어질 수 있다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 원통형 이차전지의 캡 어셈블리에 히트 파이프가 부착된 상태로 위치할 수 있는 바, 구체적으로, 상기 캡 어셈블리를 구성하는 탑 캡의 내측면 또는 외측면에 히트 파이프가 부착될 수 있다.
이와 같은 구조일 때, 상기 히트 파이프는 선형 또는 링형 구조로 이루어질 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본원의 원통형 이차전지는 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체(130), 전극조립체(130)의 권취 중심부를 관통하는 구조를 포함하는 히트 파이프(120), 전극조립체를 수납하는 전지케이스(140) 및 전지케이스(140)의 개방 상단에 위치하며 전지케이스를 밀봉하는 캡 어셈블리(110)를 포함한다.
히트 파이프는 전극조립체(130)의 권취 중심 내부로 연장되는 직선부(121) 및 전극조립체(130)의 상부에 위치하는 곡선부(122)를 포함하는 구조로 이루어지고, 히트 파이프(120)의 상부에는 제1절연부재(151)가 위치하며, 히트 파이프(120)와 전극조립체(130) 사이에는 제2절연부재(152)가 위치하여 히트 파이프(120)와 전극조립체(130) 간의 절연성을 확보할 수 있다.
다만, 도 1에 도시된 바와 달리, 제2절연부재(152)는 선택적으로 포함되지 않을 수 있다.
도 2는 도 1의 히트 파이프가 전극조립체에 결합된 상태의 측면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(130)상단에 접하도록 히트 파이프의 곡선부(122)가 위치하고, 히트 파이프의 직선부(121)는 전극조립체의 중심부 빈 공간에 삽입된 상태로 위치한다.
히트 파이프의 직선부 길이(h2)는 전극조립체(130)의 길이(h1) 보다 짧게 형성되는 바, 예를 들어, 전극조립체의 길이(h1)를 기준으로 10% 내지 90%로 형성될 수 있다.
히트 파이프의 곡선부 외경(w2)은 전극조립체의 외경(w1)보다 작게 도시되어 있는 바, 도시된 바와 같이 히트 파이프의 곡선부 외경(w2)이 전극조립체의 외경(w1)보다 작게 형성될 수 있으며, 또는, 동일한 크기로 이루어질 수 있다.
도 3은 도 1의 히트 파이프와 제1절연부재의 확대도이다.
도 3을 참조하면, 제1절연부재(151)의 하면에는 히트 파이프(120)의 곡선부 형태와 대응되는 형태의 오목부가 형성되어 있는 바, 히트 파이프(120)의 곡선부 상면의 적어도 일부가 상기 오목부에 안착됨으로써 상기 곡선부의 두께가 감소되는 효과를 얻을 수 있다.
도 4는 히트 파이프 직선부의 수직 단면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 히트 파이프는 열전도성이 높은 금속 소재의 외관(221), 외관(221)의 내측면에 위치하는 모세관 구조물(222) 및 모세관 구조물을 채우고 있는 휘발성 물질을 포함하고, 모세관 구조물(222)의 내측은 상기 휘발성 물질이 기화되어 이동하는 통로(223)가 된다.
도 4에는 히트 파이프의 외관(221)과 모세관 구조물(222) 사이에 휘발성 물질이 이동할 수 있는 공간이 도시되어 있지 않지만, 필요에 따라 휘발성 물질이 이동하기 위한 공간을 더 포함할 수 있다.
히트 파이프의 일측으로서 전극조립체의 권취 중심부에 위치하는 부분에 열원부가 위치할 수 있는 바, 열원부에서 가열된 휘발성 물질은 기화되어 통로(223)를 통해 타측 방향에 위치하는 냉각부로 이동하고, 상기 냉각부에 있던 휘발성 물질은 응축되어 상기 열원부에서 휘발성 물질이 기화되면서 빠져나간 공간을 채우기 위해 상기 모세관 구조물을 통하여 열원부로 이동하게 된다.
도 5는 다른 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 사시도이다.
도 5를 참조하면, 원통형 이차전지(300)의 상부에 위치하는 탑 캡(311)의 상면에 선형의 히트 파이프(312)가 부착되어 있다. 도 5에 도시된 바와 달리, 히트 파이프는 링 형상으로 이루어질 수 있으며, 탑 캡(311)의 내측면에 선형 또는 링형의 히트 파이프가 부착될 수 있음은 물론이다.
이와 같이, 본원 발명은 원통형 이차전지 내부에 단독으로 사용가능한 히트 파이프가 내장되어 있는 바, 전지 내부에서 발생하는 열을 신속하게 배출할 수 있으므로 전지의 온도 증가를 효율적으로 억제할 수 있다.
이하에서는, 본원 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
양면 코팅 구조의 음극과 양면 코팅 구조의 양극 사이에 분리막을 개재한 상태에서 권취하여 제조한 젤리-롤형 전극조립체를 원통형 전지케이스에 수납하고, 직선형태로 이루어진 히트 파이프를 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권회 중심부에 삽입하여 원통형 이차전지를 제조하였다.
상기 히트 파이프의 외관 및 수직 단면 사진을 도 6에 도시하였는 바, 두께가 0.3mm인 구리 튜브의 외장재를 포함하고, 지름이 2mm이며, 길이는 60mm인 초박막 구조이며, 열전도도는 2,500 W/mK이다. 상기 히트 파이프 내부의 중심에는 응축된 유체를 환류시키는 윅(wick)으로서 지름이 0.05mm인 미세섬유(Fine Fiber)가 위치하고, 외측에는 증발된 유체가 이동하는 통로(Vapor Path)가 형성된다.
상기 원통형 이차전지의 원통형 측면 중심부에서 2 cm의 지름을 갖는 열원을 이용하여 1,300℃의 온도로 200초 동안 가열할 때, 온도 변화를 CFD분석하였고, 그 결과는 도 7과 같다.
<비교예>
상기 실시예에서, 히트 파이프를 적용하지 않은 원통형 이차전지에 대해 동일한 조건으로 가열하며 온도 변화를 CFD분석하였고, 그 결과는 도 7과 같다.
도 7을 참조하면, 비교예의 원통형 이차전지와 실시예의 원통형 이차전지를 비교하면, 실시예의 경우 고온의 범위가 상대가 적게 분포하는 것을 알 수 있다.
이는, 내부에 히트 파이프가 내장되어 있기 때문에, 열전달이 빠르게 이루어져서 이차전지의 온도 증가를 억제하기 때문이다. 즉, 원통형 이차전지 내부의 국부적인 온도상승시, 상기 히트파이프에 의해 온도 균일화 현상이 빠르게 이루어짐을 확인할 수 있다.
특히, 젤리-롤형 전극조립체의 상부에 히트 파이프를 적용하는 경우에는, 캡 어셈블리에 집중되는 온도 상승에 따른 안전성 문제를 해결할 수 있을 것이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 원통형 이차전지를 사용함으로써, 원통형 이차전지 내부의 온도 증가를 억제함으로써 안전성이 향상됨을 알 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
110 : 캡 어셈블리
120, 312 : 히트 파이프
121, 히트 파이프의 직선부
122 : 히트 파이프의 곡선부
130 : 젤리-롤형 전극조립체
140 : 전지케이스
151 : 제1절연부재
152 : 제2절연부재
w1 : 전극조립체의 외경
w2 : 히트 파이프 곡선부의 외경
h1 : 전극조립체의 길이
h2 : 히트 파이프의 직선부 길이
221: 히트 파이프의 외관
222 : 모세관 구조물
223 : 통로
300: 원통형 이차전지
311: 탑 캡

Claims (12)

  1. 젤리-롤형 전극조립체;
    상기 젤리-롤형 전극조립체를 수용하는 원통형 전지케이스;
    상기 원통형 전지케이스의 개방 상면에 위치하는 캡 어셈블리; 및
    내부에 위치하는 액체의 상전이에 의해 방열이 이루어지는 히트 파이프;
    를 포함하고,
    상기 히트 파이프는 상기 전극조립체의 권회 중심부 및 전극조립체의 상부 중 적어도 일부에서 상기 전극조립체와 접촉된 상태로 위치하거나, 캡 어셈블리에 부착된 상태로 위치하는 원통형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 히트 파이프는, 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권회 중심에 위치하는 직선부, 및 상기 젤리-롤형 전극조립체의 상부에 위치하는 곡선부로 이루어지는 원통형 이차전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 직선부의 길이는 상기 젤리-롤형 전극조립체의 길이보다 짧은 원통형 이차전지.
  4. 제2항에 있어서, 상기 곡선부는 상기 직선부에서 연장된 구조로서 상기 원통형 전지케이스의 내측면과 대응되는 라운딩 형태의 개곡선(open curve) 형태로 이루어진 원통형 이차전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 히트 파이프의 상부에 위치하는 제1절연부재의 하면에는 상기 히트 파이프의 일부가 안착되도록 히트 파이프의 외형과 대응되는 형태의 오목부가 형성되어 있는 원통형 이차전지.
  6. 제2항에 있어서, 상기 히트 파이프의 곡선부와 상기 전극조립체의 상면 사이에는 제2절연부재가 개재되어 있는 원통형 이차전지.
  7. 제2항에 있어서, 상기 히트 파이프는, 상기 직선부에 증발부가 형성되고 상기 곡선부의 끝단부에 응축부가 형성되는 원통형 이차전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 히트 파이프는,
    열전도성이 높은 금속 소재의 외관;
    상기 외관의 내측면에 위치하는 모세관 구조물; 및
    상기 모세관 구조물을 채우고 있는 휘발성 물질;
    을 포함하는 원통형 이차전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 히트 파이프의 외관은 구리, 알루미늄, 스테인리스, 세라믹 및 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지는 원통형 이차전지.
  10. 제8항에 있어서, 상기 휘발성 물질은 물, 메탄올, 아세톤 및 수은으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지는 원통형 이차전지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 히트 파이프의 외경은 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취 중심 내경과 대응되는 크기로 이루어진 원통형 이차전지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 캡 어셈블리에 부착된 상태로 위치하는 히트 파이프는 선형 또는 링형 구조로 이루어진 원통형 이차전지.
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