KR20200065948A - 압전 소자 및 열전 소자를 포함하는 원통형 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 원통형 이차 전지로서, 상기 양극은 양극 탭을 포함하고, 상기 양극 탭의 가장자리에 압전 소자 및 열전 소자가 형성된 원통형 이차 전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 압전 소자 및 열전 소자를 포함하는 원통형 이차 전지에 관한 것이다.
최근, 화석 연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래 생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산 기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장 장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
더욱이, 모바일 기기와 전지 자동차에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 특히, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높다.
이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류된다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극 조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
이러한 전극 조립체들을 사용 목적에 따라, 파우치 케이스, 원통형 캔, 및 각형 케이스 등에 수납하여 전지를 제조한다.
이 중에서, 원통형 전지는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어, 휴대용 컴퓨터에서 전지 자동차에 이르기까지 다양한 기기들의 에너지원으로 사용되고 있다. 상기 에너지 고밀도화 장점을 최대한 활용하기 위해 음극 활물질에 규소의 함량을 증가시킨다. 이때, 규소는 전지의 충방전 과정에서 부피 팽창이 크게 일어나게 되는데, 이는 음극의 반복적인 부피 팽창 과정에서 전지 내부에 많은 응력을 발생시킨다. 규소에 비해서 상대적으로 부피 팽창이 작으나 흑연도 부피 팽창을 하며 응력을 발생시킨다. 특히, 상기 응력은 양극의 단차부에 집중되는 문제점이 있다.
또한, 원통형 전지와 같이 고밀도 및 고용량 전지의 경우 충방전 과정에서 많은 열 에너지가 발생하고 이를 효과적으로 제어해야 하는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 양극 탭에 압전 소자 및 열전 소자를 설치함으로써 음극의 팽창에 의해 발행하는 응력을 전기 에너지로 변환하여 이를 이용하여 열 에너지를 제어할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형 이차 전지는 양극, 음극, 및 분리막을 포함하고, 상기 양극은 양극 탭을 포함하며, 상기 양극 탭의 가장자리에 압전 소자 및 열전 소자가 형성될 수 있다.
상기 양극 탭은 폭 대비하여 길이가 긴 장방형의 띠 형상일 수 있다.
상기 압전 소자 및 상기 열전 소자는 상기 양극 탭의 길이 방향으로 양측 가장자리에 각각 형성될 수 있다.
상기 가장자리에 상기 압전 소자 및 상기 열전 소자가 설치될 수 있는 수납 공간이 형성될 수 있다.
상기 수납 공간은 계단형일 수 있다.
상기 가장자리에는 상기 압전 소자만이 형성될 수 있다.
상기 양극 탭의 중앙 부위에 상기 열전 소자가 형성될 수 있다.
상기 중앙 부위에는 상기 양극 탭의 내부로 만입된 구조의 만입부가 형성될 수 있다.
상기 열전 소자는 상기 만입부에 수납될 수 있다.
상기 압전 소자에 의해 생성된 전기 에너지는 상극 양극 탭을 통해서 상기 열전 소자에 전달될 수 있다.
상기 양극에 둘 이상의 상기 양극 탭들이 형성될 수 있다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 추가 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는 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 음극 활물질은 규소의 함량을 25 퍼센트 이하로 포함할 수 있다.
상기 음극은 음극 탭을 포함하고, 상기 음극 탭의 가장자리에 상기 압전 소자 및 상기 열전 소자가 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 양극 탭에 압전 소자 및 열전 소자를 형성함으로써, 음극의 팽창 과정에서 발행하는 응력을 압전 소자를 이용하여 전기 에너지로 변화시키고, 발생된 전기 에너지를 사용하여 열전 소자를 작동시켜 전지 내부에서 발행한 열 에너지를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 양극 탭에 압전 소자 및 열전 소자가 형성된 것을 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 점선 C에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3의 점선 C에 따른 단면도이다.
도 5는 도 3의 점선 C에 따른 전극 탭의 단면도이다.
도 6는 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 7는 도 3의 점선 C에 따른 전극 탭의 단면도이다.
도 2는 도 1의 점선 C에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3의 점선 C에 따른 단면도이다.
도 5는 도 3의 점선 C에 따른 전극 탭의 단면도이다.
도 6는 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 7는 도 3의 점선 C에 따른 전극 탭의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "단면도"라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면도"라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미한다.
또한,"압전 소자" 및 "열전 소자"의 구조 및 작동 원리는 이미 공지된 기술이므로 이들에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 양극 탭에 압전 소자 및 열전 소자가 형성된 것을 나타낸 평면도이다. 도 2는 도 1의 점선 C에 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 원통형 이차 전지(100)의 양극 탭(101)의 가장자리(A, B)에는 압전 소자(102) 및 열전 소자(103)가 형성되어 있다. 설명의 편의를 위해, 도 1에는 양극(105)이 분리막(도시하지 않음)을 사이에 두고 음극(도시하지 않음)과 함께 권취되기 전 양극 탭(101)이 양극(105)의 무지부(104)에 형성되어 있는 부위를 확대하여 도시하였다.
양극 탭(101)은 폭 대비하여 길이가 긴 장방형의 띠 형상일 수 있다. 길이 방향으로 양측 가장자리(A, B)에 압전 소자(102) 및 열전 소자(103)가 형성될 수 있다. 앞서 설명한 것처럼, 가장자리(A, B)는 원통형 이차 전지(100)의 충방전 과정에서 음극(도시하지 않음)의 반복적 팽창에 의해 발생하는 응력이 집중되는 곳이다. 이러한 응력은 압전 소자(102)을 통해서 전지 에너지로 변화될 수 있다. 그리고, 상기 전지 에너지는 열전 소자(103)를 작동시켜 충반전 과정에서 원통형 이차 전지(100)의 내부에서 발생하는 열 에너지를 흡수할 수 있다. 압전 소자(102)에 의해 생성된 전기 에너지는 다양한 경로를 통해서 열전 소자(103)에 전달 될 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(102)와 열전 소자(103)를 전기적으로 연결하는 금속 연결부(도시하지 않음)을 통해서 상기 전기 에너지가 전달될 수 있다. 한편, 도 1 내지 도 6에 나타난 실시예들에서는 양극 탭(101)을 통해서 압전 소자(102)에 의해 생성된 전기 에너지는 열전 소자(103)로 전달될 수 있다.
특히, 양극 탭(101)이 형성된 부위는 원통형 이차 전지(100)의 충방전 과정에서 전류의 급격한 흐름에 의해 많은 열 에너지가 집중적으로 발생하는 곳이다. 이러한 열 에너지는 열전 소자(103)에 의해 흡수되어 제어될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 평면도이다. 도 4는 도 3의 점선 C에 따른 단면도이다. 도 5는 도 3의 점선 C에 따른 전극 탭의 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 원통형 이차 전지(200)의 양극 탭(101)의 양측 가장자리(A, B)에 압전 소자(102)와 열전 소자(103)가 장착될 수 있는 수납 공간(110, 120)이 형성될 수 있다. 수납 공간(110, 120)의 형태는 특별히 한정되지 않으나, 하나의 예로서, 계단형 단차의 형태로 형성될 수 있다. 압전 소자(102)의 일부 또는 전체가 가장자리(A)의 수납 공간(110)에 형성될 수 있다. 또한, 열전 소자(103)의 일부 또는 전체가 가장자리(B)의 수납 공간(120)에 형성될 수 있다.
이러한 구조를 통해서, 다양한 형상 및 부피의 압전 소자(102) 및 열전 소자(103)가 양극 탭(101)에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 충방전 과정에서 발생하는 D 방향의 응력에 의해 압전 소자(102) 및 열전 소자(103)가 양극 탭(101)에서 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 여기서, D 방향은 지면을 기준으로 양극(105)이 형성된 면과 평행한 방향에서 양극 탭(101)의 길이 방향에 수직인 방향을 의미한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 평면도이다. 도 7은 도 6의 점선 C에 따른 전극 탭의 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 원통형 이차 전지(300)의 양극 탭(101)의 가장자리(A, B)에는 압전 소자(102)가 형성되고, 양극 탭(101)의 중앙 부위에 열전 소자(103)가 형성될 수 있다.
앞서 설명한 것처럼, 가장자리(A, B)는 원통형 이차 전지(300)의 충방전 과정에서 음극(도시하지 않음)의 반복적 팽창에 의해 발생하는 응력이 집중되는 곳이다. 따라서, 가장자리(A, B)에 압전 소자(102) 만을 설치하여 더 많은 전지 에너지를 확보할 수 있다. 그리고, 상기 전지 에너지로 열전 소자(103)을 작동시켜 고용량 및 고출력의 원통형 이차 전지(300)에서 발생하는 높은 열 에너지를 용이하게 제어할 수 있다.
양극 탭(101)의 양측 가장자리(A, B)에는 압전 소자(102)가 장착될 수 있는 수납 공간(110, 120)이 형성될 수 있다. 수납 공간(110, 120)의 형태는 특별히 한정되지 않으나, 하나의 예로서, 계단형 단차의 형태로 형성될 수 있다. 압전 소자(102)의 일부 또는 전체가 가장자리(A, B)의 수납 공간(110, 120)에 형성될 수 있다.
양극 탭(101)의 중앙 부위에는 열전 소자(103)가 수납될 수 있는 만입부(130)가 형성될 수 있다. 만입부(130)는 양극 탭(101)의 내부로 만입된 구조로 형성될 수 있고, 열전 소자(103)의 일부 또는 전체가 만입부(130)에 수납될 수 있다. 이러한 구조를 통해서, 다양한 형상 및 부피의 열전 소자(103)가 양극 탭(101)에 적용될 수 있다. 또한, 열전 소자(103)가 양극 탭(101)에 접촉하는 면적을 최대화하여 양극 탭(101)에서 발생하는 열 에너지가 열전 소자(103)에 신속히 전달되어 냉각될 수 있다.
변형 예로서, 앞서 설명한 압전 소자(102)와 열전 소자(103)는 음극 탭(도시하지 않음)에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (11)
- 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 원통형 이차 전지로서, 상기 양극은 양극 탭을 포함하고, 상기 양극 탭의 가장자리에 압전 소자 및 열전 소자가 형성된 원통형 이차 전지.
- 제1항에 있어서,
상기 양극 탭은 폭 대비하여 길이가 긴 장방형의 띠 형상인 원통형 이차 전지. - 제2항에 있어서,
상기 압전 소자 및 상기 열전 소자는 상기 양극 탭의 길이 방향으로 양측 가장자리에 각각 형성된 원통형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 가장자리에 상기 압전 소자 및 상기 열전 소자가 설치될 수 있는 수납 공간이 형성된 원통형 이차 전지. - 제4항에 있어서,
상기 수납 공간은 계단형인 원통형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 가장자리에는 상기 압전 소자만이 형성된 원통형 이차 전지. - 제6항에 있어서,
상기 양극 탭의 중앙 부위에 상기 열전 소자가 형성된 원통형 이차 전지. - 제7항에 있어서,
상기 중앙 부위에는 상기 양극 탭의 내부로 만입된 구조의 만입부가 형성된 원통형 이차 전지. - 제8항에 있어서,
상기 열전 소자는 상기 만입부에 수납된 원통형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 압전 소자에 의해 생성된 전기 에너지는 상기 양극 탭을 통해서 상기 열전 소자에 전달되는 원통형 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 음극은 음극 탭을 포함하고, 상기 음극 탭의 가장자리에 상기 압전 소자 및 상기 열전 소자가 형성된 원통형 이차 전지.
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