KR20210014311A - 코인형 이차전지 - Google Patents

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KR20210014311A
KR20210014311A KR1020190092195A KR20190092195A KR20210014311A KR 20210014311 A KR20210014311 A KR 20210014311A KR 1020190092195 A KR1020190092195 A KR 1020190092195A KR 20190092195 A KR20190092195 A KR 20190092195A KR 20210014311 A KR20210014311 A KR 20210014311A
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positive electrode
battery
coin
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정창문
홍지준
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주식회사 루트제이드
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Abstract

본 발명에 따른 코인형 이차전지는, 내부에 수납공간을 구비하는 제1 전지케이스; 상기 제1 전지케이스의 수납공간에 전해액과 함께 밀봉 수납되는 전극조립체; 및 상기 전극조립체와 전해액을 밀봉하도록 상기 제1 전지케이스와 체결되는 제2 전지케이스;를 포함하며, 상기 제1 전지케이스의 측벽의 내면에는 상기 전극조립체와 상기 제1 전지케이스의 단락을 방지하는 절연재가 형성될 수 있다.

Description

코인형 이차전지 {COIN TYPE SECONDARY BATTERY}
본 발명은 코인형 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지케이스 중 캔 모양 케이스의 측벽 내면의 전체 또는 일부분에 절연성 부재를 형성하여, 양극과 음극의 다수 적층체로 구성된 전극조립체를 포함하는 이차전지의 절연성을 개선하고 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 코인형 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 코인형 이차전지(10)는 복수개의 양극(50)과 음극(60)이 분리막(40)을 사이에 두고 교대로 적층되어 형성된 전극조립체(70)와, 전극조립체(70)를 밀봉 수납하는 외장 케이스(20,30)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 외장 케이스(20,30)는 전극조립체(70)를 수용하는 캔(20) 및 캔(20)의 개방된 상부를 차단하거나 덮는 캡(30)을 포함하여 구성될 수 있다. 캔(20)은 음극 단자를 겸하는 금속제의 전지케이스이고, 캡(30)은 양극 단자를 겸하는 금속제의 전지케이스이다. 캔(20)과 캡(30)에 의해서 형성되는 내부 공간에 전극조립체(70)와 전해액(미도시)이 밀봉 수납될 수 있다. 외장 케이스(20,30)의 체결부분에는 가스켓(11, Gasket)이 끼워진다.
전극조립체(70)는 캔(20)에서부터 캡(30)을 향해 음극(60)/분리막(40)/양극(50)/분리막(40)이 교대로 또는 순서대로 적층되어 형성될 수 있다. 여기서, 전극조립체(70)는 음극 단자를 겸하는 캔(20)의 내면에 접하도록 적층되는 음극(60), 양극 단자를 겸하는 캡(30)의 내면에 접하도록 적층되는 양극(50)을 포함할 수 있다.
양극(50)은 양극활물질(미도시)이 도포되지 않으며 양극집전체(미도시)에서 돌출 형성된 양극 무지부(59)를 포함하고, 음극(60)은 음극활물질(미도시)이 도포되지 않으며 음극집전체(미도시)에서 돌출 형성된 음극 무지부(69)를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성된 코인형 이차전지(10)는 전극조립체(70)의 양극(50) 및 음극(60)이 외장 케이스(20,30)와 전기적으로 연결되어야 제 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 코인형 이차전지(10)를 제조하기 위해서는, 양극(50)에서 돌출 형성된 양극 무지부(59)는 양극 단자를 겸하는 캡(30)의 내면과 전기적으로 연결되어야 하고, 음극(60)에서 돌출 형성된 음극 무지부(69)는 음극 단자를 겸하는 캔(20)의 바닥 내면과 전기적으로 연결되어야 한다.
여기서, 캔(20)과 캡(30) 내에서 양극 무지부(59)와 음극 무지부(69)는 서로 마주 보는 위치에서 외장 케이스와 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 적층된 다수개의 양극(50)의 양극 무지부(59)들을 모두 한 군데 모아서 캡(30)의 내면에 초음파 용접 등을 하여 양극(50)과 캡(30)을 전기적으로 연결하게 된다. 마찬가지로, 적층된 다수개의 음극(60)의 음극 무지부(69)들을 모두 한 군데 모아서 캔(20)의 바닥 내면에 초음파 용접 등을 하여 음극(60)과 캔(20)을 전기적으로 연결하게 된다.
그런데, 도 2 및 도 3을 참조하면, 양극(50)과 음극(60)의 평면 모양이 원형이 아니라 트랙(track) 모양임을 알 수 있다. 즉, 양극(50)의 경우는 양극 무지부(59)가 돌출 형성되는 부분과 그 반대 부분이 직선부(58)로 되어 있고, 음극(60)의 경우도 음극 무지부(69)가 돌출 형성되는 부분과 그 반대 부분이 직선부(68)로 형성되어 있다. 도 2에서 도면 부호 “90”은 전극조립체(70)의 적층 상태를 고정하는 결속부재이다.
전극조립체(70) 내에 적층된 양극(50) 또는 양극 무지부(59)가 음극 단자를 겸하는 캔(20)의 내면과 닿게 되면 단락이 발생하여 전지의 온도가 상승하여 전지가 폭발할 수 있다. 따라서, 양극(50) 또는 양극 무지부(59)가 캔(20)의 내면과 접촉하는 것을 방지하기 위해서 양극(50)에 직선부(58)가 형성되어 있다. 또한, 전극조립체(70)를 형성하기 위해서 양극(50)과 교대로 적층되어야 하는 음극(60)과 양극(50)과 동일한 형태를 가지는 것이 필요하다.
이와 같이, 가장자리의 일부분에 직선부(58,68)가 형성된 양극(50) 및 음극(60)을 다수개 교대로 적층하여 형성된 전극조립체(70)를 캔(20)의 내부에 수납하면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 캔(20)과 직선부(58,68)는 일정한 거리(D1,D2) 만큼 이격된다. 이와 같이 직선부(58,68)와 캔(20)을 일정한 거리(D1,D2) 만큼 이격시키기 때문에 양극(50) 또는 양극 무지부(59)가 캔(20)의 내면과 접촉하여 단락을 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 일정한 거리(D1,D2) 만큼 이격된 상태에서도 양극(50)이 캔(20)의 내면과 접촉할 수가 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 캔(20)의 내경 보다 전극조립체(70)의 크기(직경)가 작기 때문에 캔(20)의 내부에서 전극조립체(70)가 움직일 가능성이 있고, 전극조립체(70)가 움직이다 보면 양극(50) 또는 양극 무지부(59)가 캔(20)의 내면과 접촉할 수도 있다.
또한, 캔(20)의 내부 수납 공간은 완전한 원형인 반면에 양극(50)과 음극(60)은 평면 모양이 완전한 원형이 아니기 때문에 원형인 전극을 사용하는 경우 보다 전지의 에너지 밀도가 작아지는 문제도 있다.
본 출원인은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명을 제안하게 되었다.
한국등록특허 제10-1690688(등록공고일: 2016.12.28.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전지케이스 중 전극조립체가 수납되는 전지케이스의 측벽 내면에 절연재를 코팅하거나 절연처리를 함으로써 양극과 전지케이스의 접촉으로 인한 단락 발생을 확실하게 차단할 수 있는 코인형 이차전지를 제공한다.
본 발명은 평면 모양이 원형 또는 원형에 가까운 양극 및 음극을 사용함으로써 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있는 코인형 이차전지를 제공한다.
상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 코인형 이차전지는, 내부에 수납공간을 구비하는 제1 전지케이스; 상기 제1 전지케이스의 수납공간에 전해액과 함께 밀봉 수납되는 전극조립체; 및 상기 전극조립체와 전해액을 밀봉하도록 상기 제1 전지케이스와 체결되는 제2 전지케이스;를 포함하며, 상기 제1 전지케이스의 측벽의 내면에는 상기 전극조립체와 상기 제1 전지케이스의 단락을 방지하는 절연재가 형성될 수 있다.
상기 전극조립체는 순서대로 적층된 양극, 분리막, 음극 및 분리막을 포함하며, 상기 절연재는 상기 양극과 상기 제1 전지케이스의 접촉에 의한 단락 발생을 방지할 수 있다.
상기 제1 전지케이스는 외부기기와의 전기적 연결을 위한 음극 단자이고, 상기 제2 전지케이스는 외부기기와의 전기적 연결을 위한 양극 단자이다.
상기 절연재는, 상기 양극의 양극집전체 또는 양극 무지부와 상기 제1 전지케이스의 접촉을 방지할 수 있다.
상기 절연재는, 상기 제1 전지케이스의 측벽의 내면 중 적어도 일부에 형성되거나 상기 양극의 양극 무지부와 마주 보는 내면에 형성될 수 있다.
상기 절연재는, 상기 제1 전지케이스의 측벽의 내면에 코팅되거나 필름 형태로 형성되며, PET(Polyethylene terephthalate, 폴리에틸렌 테레프탈레이트) 또는 EVA(Ethylene-Vinyl Acetate, 에틸렌비닐 아세테이트)를 포함하는 폴리머로 마련될 수 있다.
상기 제1 전지케이스, 상기 제2 전지케이스 및 상기 전극조립체는 평면 모양이 원 모양으로 형성될 수 있다.
다수개로 마련되는 상기 양극의 양극 무지부들은 하나로 정리된 상태에서 상기 제2 전지케이스의 내면에 용접되거나 전기적으로 연결되고, 다수개로 마련되는 상기 음극의 음극 무지부들은 하나로 정리된 상태에서 상기 제1 전지케이스의 내면에 용접되거나 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 절연재는, 상기 제1 전지케이스의 측벽의 내면에 형성되되 상기 제1 전지케이스의 바닥에서부터 소정 높이까지만 형성될 수 있다.
상기 제1 전지케이스와 상기 제2 전지케이스 사이에 마련되어 상기 제1 전지케이스와 상기 제2 전지케이스를 절연시키는 가스켓을 포함하며, 상기 절연재는 상기 제1 전지케이스의 바닥에서부터 상기 가스켓의 일단 사이에 형성되거나 상기 양극의 양극 무지부들 중 가장 외측에 위치하는 양극 무지부의 높이에 대응하도록 상기 제1 전지케이스의 측벽의 내면에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 코인형 이차전지는 전극조립체가 수납되는 전지케이스의 측벽 내면에 절연재를 형성하거나 절연 처리를 함으로써 양극의 양극집전체 또는 양극 무지부가 전지케이스의 내면과 접촉하는 것을 차단하고 단락 발생을 확실하게 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 코인형 이차전지는 평면 모양이 원형 또는 원형에 가까운 양극 및 음극을 사용하기 때문에 동일한 직경을 가지는 종래의 코인형 이차전지 보다 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 코인형 이차전지는 전지케이스의 측벽 내면 전체가 아니라 내면의 일부분에만 절연재를 형성하거나 절연 처리를 하기 때문에, 전지케이스의 내부 구조를 복잡하게 만들지 않으며, 절연재가 형성되거나 절연 처리된 전지케이스를 쉽게 제조할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 코인형 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 이차전지의 내부를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 따른 이차전지의 양극과 음극을 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4에 따른 이차전지의 양극과 음극을 도시한 평면도 및 단면도이다.
도 6은 도 4에 따른 이차전지에 사용되는 제1 전지케이스를 도시한 부분 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 코인형 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 코인형 이차전지를 도시한 단면도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 이차전지를 도시한 단면도, 도 5는 도 4에 따른 이차전지의 양극과 음극을 도시한 평면도 및 단면도, 도 6은 도 4에 따른 이차전지에 사용되는 제1 전지케이스를 도시한 부분 사시도, 도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 코인형 이차전지를 도시한 단면도, 도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 코인형 이차전지를 도시한 단면도이다.
이하에서 설명하는 본 발명에 따른 코인형 이차전지(100,200,300)는 리튬이온 이차전지를 포함하며 동전 모양 또는 버튼 모양의 금속제 외장 케이스로 이루어지는 전지이다. 따라서, 전지의 외관(평면 모양)은 원형이며 얇은 두께를 가지는 전지이다. 또한, 코인형 이차전지(100,200,300)의 내부에 구비되는 전극조립체를 구성하는 분리막, 절연성 부재, 양극집전체 및 양극활물질, 음극집전체 및 음극활물질, 전해액 등은 한국 등록특허 제10-1168650호 또는 한국 등록특허 제10-1168651호에 개시된 전극조립체 및 리튬이차전지에 사용되는 것과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이하에서 설명하는 본 발명에 따른 코인형 이차전지(100,200,300)에 사용되는 전극조립체(170,270,370)는 다수개의 전극체를 적층(stack)한 형태이다.
이하에서는 도 4 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 코인형 이차전지(100,200,300)에 대해서 자세하게 설명한다.
우선, 도 4 내지 도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(100)가 도시되어 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(100)는, 내부에 수납공간을 구비하는 제1 전지케이스(120), 제1 전지케이스(120)의 수납공간에 전해액(미도시)과 함께 밀봉 수납되는 전극조립체(170) 및 전극조립체(170)와 상기 전해액을 밀봉하도록 제1 전지케이스(120)와 체결되는 제2 전지케이스(130)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 전지케이스(120,130)는 금속제 외장케이스로서 원형의 평면모양을 가진다. 제1 및 제2 전지케이스(120,130)를 결합할 경우 얇은 두께의 전지케이스가 된다.
제1 전지케이스(120)는 상부가 개방된 입구를 가지며 이러한 입구를 제2 전지케이스(130)가 밀폐하게 된다. 제1 전지케이스(120)와 제2 전지케이스(130)의 체결부분은 크림핑(Crimping) 또는 코킹(Caulking) 가공에 의해 형성된 시일(seal) 구조를 가질 수 있다.
제1 전지케이스(120)와 제2 전지케이스(130)의 체결부분에는 가스켓(110, Gasket)이 끼워진다.
제2 전지케이스(130)를 평평한 원판 모양을 가지는 반면에 제2 전지케이스(120)는 내부에 수납공간이 있는 형태를 가진다. 경우에 따라서는 제1 전지케이스(120)를 캔(Can)이라고 하고 제2 전지케이스(130)를 캡(Cap)이라고도 한다.
도 6을 참조하면, 제1 전지케이스(120)는 원판 모양의 바닥(121) 및 바닥(121)의 가장자리에 수직으로 절곡된 측벽(122)을 포함할 수 있다. 측벽(122)은 바닥(121)과 일체로 형성될 수도 있고, 별개로 형성된 뒤 용접 등에 의해서 접합될 수도 있다. 측벽(122)은 제1 전지케이스(120)의 두께방향으로 형성되며 링 또는 반지 모양을 가진다.
제1 전지케이스(120)와 제2 전지케이스(130)로 형성되는 내부의 수납 공간에는 전극조립체(170) 및 비수전해질이 밀봉 수납될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 전지케이스(120)의 수납공간에 밀봉 수납되는 전극조립체(170)는 순서대로 적층된 양극(150), 분리막(140), 음극(160) 및 분리막(140)을 포함할 수 있다. 전극조립체(170)는 다수개의 양극(150)과 음극(160)이 분리막(140)을 사이에 두고 교대로 적층되는 형태를 가진다.
도 5(a)는 양극(150)의 평면도, (b)는 음극(160)의 평면도, (c)는 (a)의 절단선 A-A에 따른 단면도, (d)는 (b)의 절단선 B-B에 따른 단면도이다.
여기서, 양극(150)과 분리막(140)은 일체로 형성될 수 있다. 도 5(c)를 참조하면, 양극(150)은 절연성 부재(155) 및 분리막(140)으로 된 공간 내에 위치하는데, 이러한 형태의 양극을 포케팅(Pocketing) 양극(150)이라고 하며, 인캡슐레이션 양극(Encapsulation positive electrode)이라고 부를 수도 있다.
전극조립체(170)의 적층체를 구성하는 포케팅 양극(150)은, 양극집전체(151), 양극집전체(151)의 양면에 도포되거나 형성된 양극활물질(152), 양극집전체(151)의 가장자리에서 돌출 형성된 양극 무지부(159)를 제외하고 양극집전체(151)의 가장자리를 둘러싸도록 마련되는 절연성 부재(155) 및 양극활물질(152)과 절연성 부재(155)를 덮도록 절연성 부재(155)의 상면 및 하면에 위치하는 분리막(140)을 포함할 수 있다.
절연성 부재(155)는 그 상하면에 위치하는 분리막(140)과 접착되도록 접착 성분을 가지는 절연성 고분자 필름(Polymer film)의 형태로 마련될 수 있다. 예를 들면, 절연성 부재(155)는 가열 가압에 의해서 위아래의 분리막(140)과 접합될 수 있다.
양극집전체(151)의 가장자리에서 연장 형성된 양극 무지부(159)에는 양극활물질(152)이 도포되어 있지 않다. 양극 무지부(159)는 절연성 부재(155) 및 분리막(140)으로 둘러싸는 포케팅 공간 내에 위치하지 않고 포케팅 공간의 외부에 마련된다.
도 5(d)를 참조하면, 음극(160)은 음극집전체(161) 및 음극집전체(161)의 양면에 도포되거나 형성된 음극활물질(162)을 포함할 수 있다. 음극집전체(161)의 가장자리에서 연장 형성된 음극 무지부(169)에는 음극활물질(162)이 도포되어 있지 않다.
여기서, 포케팅 양극(150)은 음극(160)에 상응하거나 동일한 크기를 가지도록 형성될 수 있다. 왜냐하면, 포케팅 양극(150) 및 음극(160)이 전극조립체(170)를 구성하기 때문에 이들의 크기 또는 모양은 상응하거나 동일한 것이 바람직하다. 따라서, 포케팅 양극(150)의 가장자리 즉, 절연성 부재(155)의 가장자리와 음극(160)의 가장자리가 일치하도록 마련되는 것이 바람직하다. 절연성 부재(155)가 소정 크기의 폭을 가지기 때문에 음극집전체(161) 보다 양극집전체(151)는 작아야 한다.
포케팅 양극(150)과 음극(160)의 가장자리가 일치하도록 포케팅 양극(150)과 음극(160)을 교대로 적층하여 형성된 전극조립체(170)에 있어서, 양극집전체(151)의 가장자리는 음극집전체(161)의 가장자리 보다 안쪽에 위치하게 된다. 이와 같이, 전극조립체(170)가 적층되었을 때 양극집전체(151)의 가장자리가 음극집전체(161)의 가장자리 보다 안쪽에 있게 되면 정확한 적층상태를 유지하도록 정렬(Alignment)되었다고 할 수 있다.
도 5(a) 및 (b)를 참조하면, 양극집전체(151), 양극활물질(152), 분리막(140), 음극집전체(161), 음극활물질(162)의 평면 모양은 원 모양으로 형성됨을 알 수 있다.
한편, 제1 전지케이스(120)는 외부기기와의 전기적 연결을 위한 음극 단자이고, 제2 전지케이스(130)는 외부기기와의 전기적 연결을 위한 양극 단자이다. 즉, 제1 전지케이스(120)는 음극 단자를 겸하고 제2 전지케이스(130)는 양극 단자를 겸할 수 있다.
제1 전지케이스(120)가 음극 단자로 기능하기 위해서는 전극조립체(170)의 음극(160)들의 음극 무지부(169)들이 제1 전지케이스(120)에 전기적으로 연결되어야 한다. 마찬가지로, 제2 전지케이스(130)가 양극 단자로 기능하기 위해서는 전극조립체(170)의 포케팅 양극(150)들의 양극 무지부(159)들이 제2 전지케이스(130)에 전기적으로 연결되어야 한다.
전극조립체(170)를 구성하는 포케팅 양극(150)은 음극(160)을 사이에 두고 다수개가 상하로 적층되기 때문에 양극 무지부(159)도 다수개가 상하로 적층되는 상태가 된다. 전극조립체(170)를 위에서 바라보면, 다수개의 양극 무지부(159)들은 동일한 위치에 중첩된 상태로 마련된다. 이와 같이 중첩된 다수개의 양극 무지부(159)들을 제2 전지케이스(130)의 내면에 전기적으로 연결해야 한다.
다수개로 마련되는 양극 무지부(159)들은 하나로 정리된 상태에서 제2 전지케이스(130)의 내면에 용접되거나 전기적으로 연결될 수 있다. 중첩된 다수개의 양극 무지부(159)들을 하나로 묶어서 초음파 용접 등으로 제2 전지케이스(130)의 내면에 전기적으로 연결할 수 있다. 다수개의 양극 무지부(159)들을 제2 전지케이스(130)에 용접하기 위해서는 제2 전지케이스(130)의 내면을 향해 양극 무지부(159)들을 접을 필요도 있다. 용접을 하지 않고 양극 무지부(159)들을 제2 전지케이스(130)와 전기적으로 연결할 수도 있다. 예를 들면, 중첩된 다수개의 양극 무지부(159)들을 하나로 묶은 후 꺾어서 제2 전지케이스(130)의 내면과 접촉하게 하면, 양극 무지부(159)들이 제2 전지케이스(130)와 전기적으로 연결될 수 있다.
마찬가지로, 다수개로 마련되는 음극 무지부(169)들은 하나로 정리된 상태에서 제1 전지케이스(120)의 내면에 용접되거나 전기적으로 연결될 수 있다. 중첩된 다수개의 음극 무지부(169)들을 하나로 묶어서 초음파 용접 등으로 제1 전지케이스(120)의 내면에 전기적으로 연결할 수 있다. 다수개의 음극 무지부(169)들을 제1 전지케이스(120)에 용접하기 위해서는 제1 전지케이스(120)의 내면을 향해 음극 무지부(169)들을 접을 필요도 있다. 용접을 하지 않고 음극 무지부(169)들을 제1 전지케이스(120)와 전기적으로 연결할 수도 있다. 예를 들면, 중첩된 다수개의 음극 무지부(169)들을 하나로 묶은 후 꺾어서 제1 전지케이스(120)의 내면과 접촉하게 하면, 음극 무지부(169)들이 제1 전지케이스(120)와 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 음극 무지부(169)들과 양극 무지부(159)들이 각각 제1 및 제2 전지케이스(120,130)에 전기적으로 연결된 상태에서, 전지케이스(120,130) 내에서 전극조립체(170)가 예기치 못하게 움직이는 경우에는 단락이 발생할 수 있다. 예를 들어, 음극 단자로 기능하는 제1 전지케이스(120)에 양극 무지부(159)가 접촉하게 되면 단락이 발생할 수 있다. 양극 무지부(159)는 양극집전체(151)이기 때문에 제1 전지케이스(120)의 내면에 접촉하게 되면 단락이 발생할 수 있다. 양극 무지부(159)는 제1 전지케이스(120)의 바닥(121) 보다는 측벽(122)의 내면에 접촉될 가능성이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(100)는, 제1 전지케이스(120)의 측벽(122)의 내면에는 전극조립체(170)와 제1 전지케이스(120)의 단락을 방지하는 절연재(180)가 형성될 수 있다. 절연재(180)는 포케팅 양극집전체(151) 또는 양극 무지부(159)와 제1 전지케이스(120)의 접촉을 방지하고 단락 발생을 방지할 수 있다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 절연재(180)는, 제1 전지케이스(120)의 측벽(122)의 내면 중 적어도 일부에 형성되거나 양극 무지부(159)와 마주 보는 측벽(122)의 내면에 형성될 수 있다. 상기에서 언급한 바와 같이 제1 전지케이스(120)는 음극 단자로서 기능하기 때문에 양극 무지부(159)와 접촉하게 되면 단락이 발생하게 된다.
양극 무지부(159)들은 하나로 묶인 후 제2 전지케이스(130)의 내면을 향해서 꺾이게 되는데, 양극 무지부(159)들을 하나로 묶은 끝단은 제1 전지케이스(120)의 측벽(122)과 접촉하기 어려운 반면에 양극 무지부(159)들을 하나로 묶은 부분의 가운데 부분은 제1 전지케이스(120)의 측벽(122)과 접촉할 수 있다. 왜냐하면, 하나로 묶은 부분의 가운데 부분은 제1 전지케이스(120)의 측벽(122)과 마주 보며 양자 사이의 거리가 상대적으로 가깝기 때문이다.
절연재(180)는 제1 전지케이스(120)의 측벽(122)의 내면 전체에 형성될 수도 있지만, 도 6에 도시된 바와 같이 측벽(122)의 내면 중 일부분에만 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 양극 무지부(159)들을 하나로 묶은 부분의 가운데 부분과 마주 보는 측벽(122) 부분에만 절연재(180)가 형성되어도 무방하다.
절연재(180)는, 제1 전지케이스(120)의 측벽(122)의 내면에 코팅되거나 필름 형태로 형성될 수 있다. 절연재(180)는 PET(Polyethylene terephthalate, 폴리에틸렌 테레프탈레이트) 또는 EVA(Ethylene-Vinyl Acetate, 에틸렌비닐 아세테이트)를 포함하는 폴리머로 마련될 수 있다.
또한, 절연재(180)는 무연신 폴리프로필렌(Casting polypropylene)으로 형성될 수도 있다. 무연신 폴리프로필렌은 폴리프로필렌(PP; Polypropylene)을 연신하지 않은 것이다. 무연신 폴리프로필렌은 T-Die 공법으로 제조되어 두께가 균일하며 투명도와 광택이 우수할 뿐 아니라 인쇄적성이 뛰어나고 매우 위생적인 소재이다. 또한, 무연신 폴리프로필렌은 열봉합성이 있으며, 열봉합을 위해서는 150℃ ~ 160℃ 이상의 온도가 필요할 수 있다. 뿐만 아니라, 투명성이 우수하고 방습성이 우수하다. 표면경도가 크고 내열성이 높기 때문에 이차전지에 사용될 경우 안전성을 높일 수 있다. 여기서, 절연재(180)로 사용되는 무연신 폴리프로필렌은 에틸렌비닐알코올(Ethylene vinyl alcohol)이나 폴리염화비닐리덴 (PVDC; Polyvinylidene chloride) 같은 차단성 재료와 함께 공압출되어 사용될 수도 있다. 무연신 폴리프로필렌은 방습성이 우수하기 때문에 외부의 습기가 제1 전지케이스(120) 및 제2 전지케이스(130)의 내부로 스며드는 것을 방지할 수 있다.
절연재(180)는 제1 전지케이스(120)를 성형한 후에 측벽(122)의 내면에 후가공에 의해서 형성될 수 있다. 또한, 제1 전지케이스(120)를 성형하기 전에 절연재(180)를 제1 전지케이스(120)의 일면에 형성하고 그 후에 성형하여 바닥(121)과 측벽(122)을 성형할 수도 있다. 예를 들면, 제1 전지케이스(120)의 원재료가 되는 금속의 일면에 절연재(180)를 필름형태로 부착하거나 코팅한 후에 제1 전지케이스(120)의 전체 크기에 해당되는 부분을 펀칭(Punching) 또는 타발하여 잘라낸다. 이때, 펀칭에 의해 잘려진 부분에는 절연재(180)가 형성되어 있다. 그 다음, 잘려진 부분을 프레스 성형하여 제1 전지케이스(120)의 바닥(121)과 측벽(122)을 성형할 수 있다. 이때, 절연재(180)는 측벽(122)으로 성형되는 부분에 위치해야 한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(100)는 제1 전지케이스(120)의 측벽(122)의 내면에 절연재(180)가 형성됨으로써 양극 무지부(159)와의 단락을 방지할 수 있고, 그 결과 종래의 코인형 이차전지(10) 보다 양극(150) 및 음극(160)의 면적을 크게 할 수 있다. 즉, 도 1 내지 도 3에 도시된 종래의 코인형 이차전지(10)와 비교할 때 양극(150) 및 음극(160)에 직선부를 형성하지 않아도 되기 때문에 평면 모양이 거의 원 모양에 가까운 양극(150)과 음극(160)을 사용할 수 있다.
도 1에 도시된 종래의 코인형 이차전지(10)와 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(100)의 크기 또는 평면적이 동일하다고 할 때, 전극조립체(170)와 제1 전지케이스(120)의 측벽(122) 사이의 간격(D3,D4)은 종래의 이차전지(10)에서의 간격(D1,D2) 보다 작게 된다. 간격이 작아진 것에 대응하여 전극조립체(170)를 구성하는 양극(150)과 음극(160)의 평면적은 커지게 되고, 그 결과 종래의 이차전지 보다 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 높은 에너지 밀도를 가지게 된다. 뿐만 아니라, 양극(150) 및 음극(160)의 평면 모양이 제1 및 제2 전지케이스(120,130)와 동일한 원형이기 때문에 제1 및 제2 전지케이스(120,130) 내부의 데드 스페이스(Dead space)를 줄일 수 있다.
도 7에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(200)의 내부 구조가 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(200)는, 내부에 수납공간을 구비하는 제1 전지케이스(220), 제1 전지케이스(220)의 수납공간에 전해액과 함께 밀봉 수납되는 전극조립체(270) 및 전극조립체(270)와 전해액을 밀봉하도록 제1 전지케이스(220)와 체결되는 제2 전지케이스(230)를 포함하며, 제1 전지케이스(220)의 측벽(222)의 내면에는 전극조립체(270)와 제1 전지케이스(220)의 단락을 방지하는 절연재(280)가 형성될 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 전지케이스(220,230)의 형태 또는 구조는 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(100)의 제1 및 제2 전지케이스(120,130)와 동일하다. 제1 및 제2 전지케이스(220,230)는 각각 음극 단자 및 양극 단자를 겸할 수 있다. 또한, 절연재(280)의 재질, 제조방법 등은 본 발명에 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(100)의 절연재(180)와 동일하다.
제1 전지케이스(220)와 제2 전지케이스(230)의 체결부분에는 가스켓(210, Gasket)이 끼워진다. 절연성 합성수지로 이루어진 가스켓(210)은 제1 전지케이스(220)와 제2 전지케이스(230)의 사이에 마련되어 제1 전지케이스(220)와 제2 전지케이스(230)를 절연시킬 수 있다.
가스켓(210)은 제1 전지케이스(220)와 제2 전지케이스(230)의 체결부분에 끼워지기 때문에 제1 전지케이스(220)의 측벽(222)의 높이에 대해서 일부분까지만 가스켓(210)이 연장될 수 있다. 도 7을 참조하면, 제1 전지케이스(220)의 측벽(222)의 상단에서부터 측벽(222) 높이의 1/3이 되는 지점까지만 가스켓(210)이 연장됨을 알 수 있다.
한편, 전극조립체(270)는, 제1 전지케이스(220)의 바닥에서부터 순서대로 적층된 단면 음극(260a), 분리막(240), 양면 양극(250a), 분리막(240), 양면 음극(260a), 분리막(240), 단면 양극(250b)을 포함할 수 있다.
여기서, 양면 양극(250a)은 양극집전체(251)의 양면에 형성된 양극활물질(252)을 포함하고, 단면 양극(250b)은 양극집전체(251)의 양면 중 일면에만 형성된 양극활물질(252)을 포함할 수 있다. 양극집전체(251)로는 알루미늄 포일(foil) 등이 사용될 수 있다.
양면 음극(260a)은 음극집전체(261)의 양면에 형성된 음극활물질(262)을 포함하고, 단면 음극(260b)은 음극집전체(261)의 양면 중 일면에만 형성된 음극활물질(262)을 포함할 수 있다. 음극집전체(261)로는 구리 포일(foil) 등이 사용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 음극 단자를 겸하는 제1 전지케이스(220)에는 단면 음극(260b)이 인접하게 위치할 수 있다. 단면 음극(260b)은 음극집전체(261)의 일면에 형성된 음극활물질(262)이 제1 전지케이스(220)의 내면을 마주 보도록 마련될 수 있다. 또한, 양극 단자를 겸하는 제2 전지케이스(230)에는 단면 양극(250b)이 인접하게 위치할 수 있다. 단면 양극(250b)은 양극집전체(251)의 일면에 형성된 양극활물질(252)이 제2 전지케이스(230)의 내면과 마주 보도록 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(200)의 전극조립체(270)는 맨 아래에는 단면 음극(260b)이 위치하고 맨 위에는 단면 양극(250b)이 위치하며, 그 사이에는 분리막(240), 양면 양극(250a), 분리막(240), 양면 음극(260a)이 교대로 적층될 수 있다. 여기서, 분리막(240)과 양면 양극(250a)은 포케팅 양극의 형태로 마련될 수도 있다.
양면 양극(250a)과 단면 양극(250b)의 양극 무지부(259)들을 하나로 연결하거나 하나로 묶은 후 이를 별도의 양극리드(258)에 연결하고, 양극리드(258)의 일단을 양극 단자로 기능하는 제2 전지케이스(230)의 내면에 용접하거나 전기적으로 연결할 수 있다.
양면 음극(260a)과 단면 음극(260b)의 음극 무지부(269)들을 하나로 연결하거나 하나로 묶은 후 이를 별도의 음극리드(268)에 연결하고, 음극리드(268)의 일단을 음극 단자로 기능하는 제1 전지케이스(220)의 내면에 용접하거나 전기적으로 연결할 수 있다.
한편, 제1 전지케이스(220)의 측벽(222)의 내면에는 절연재(280)가 형성되는데, 절연재(280)는 제1 전지케이스(220)의 측벽(222)의 내면 중 양극 무지부(259)와 인접하거나 마주보는 제1 전지케이스(220)의 측벽(222)의 내면에만 형성될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 절연재(280)는 제1 전지케이스(220)의 측벽(222)의 내면에 형성되되 제1 전지케이스(220)의 바닥에서부터 소정 높이까지만 형성될 수 있다. 구체적으로 말하면, 절연재(280)는 제1 전지케이스(220)의 바닥에서부터 가스켓(210)의 일단(하단) 사이에 형성되거나 양극 무지부(259)들 중 가장 외측에 위치하는 양극 무지부(259)의 높이에 대응하도록 제1 전지케이스(220)의 측벽의 내면에 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 양극 무지부(259)들의 묶음은 제1 전지케이스(220)의 측벽(222) 중 상부 쪽에 대응하는 위치에 있는데, 양극 무지부(259)들의 묶음 중 상부는 가스켓(210)에 접촉하기 때문에 절연재가 필요 없지만 묶음 중 하부는 제1 전지케이스(220)의 측벽(222)에 접촉할 수 있기 때문에 양극 무지부(259)들의 묶음 중 하부에 대응하는 측벽(222)의 내면에만 절연재(280)를 형성해도 된다. 따라서, 가스켓(210)의 하단과 제1 전지케이스(220)의 바닥 사이의 측벽(222)의 내면에만 절연재(280)가 형성되어도 제1 전지케이스(220)와 양극 무지부(259)의 접촉에 의한 단락을 방지할 수 있다.
도 8에는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(300)가 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(300)는, 내부에 수납공간을 구비하는 제1 전지케이스(320), 제1 전지케이스(320)의 수납공간에 전해액과 함께 밀봉 수납되는 전극조립체(370) 및 전극조립체(370)와 전해액을 밀봉하도록 제1 전지케이스(320)와 체결되는 제2 전지케이스(330)를 포함하며, 제1 전지케이스(320)의 측벽(322)의 내면에는 전극조립체(370)와 제1 전지케이스(320)의 단락을 방지하는 절연재(380)가 형성될 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 전지케이스(320,330)의 형태 또는 구조는 본 발명의 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(100)의 제1 및 제2 전지케이스(120,130)와 동일하다. 제1 및 제2 전지케이스(320,330)는 각각 음극 단자 및 양극 단자를 겸할 수 있다. 또한, 절연재(380)의 재질, 제조방법 등은 본 발명에 일 실시예에 따른 코인형 이차전지(100)의 절연재(180)와 동일하다.
도 7에 도시된 이차전지(200)와 마찬가지로, 제1 전지케이스(320)와 제2 전지케이스(330)의 체결부분에는 가스켓(310)이 형성될 수 있다. 이때, 가스켓(380)은 제1 전지케이스(320)의 측벽(322)의 상단에서부터 측벽(322) 높이의 1/3이 되는 지점까지만 연장 형성될 수 있다.
한편, 전극조립체(370)는, 제1 전지케이스(320)의 바닥에서부터 순서대로 적층된 음극(360), 포케팅 양극(350)을 포함할 수 있다. 음극(360) 및 포케팅 양극(350)은 다수개가 교대로 적층될 수 있다.
음극(360)은 음극집전체(361)의 양면에 형성된 음극활물질(362)을 포함할 수 있다. 도 8을 참조하면, 제1 전지케이스(320)의 내면을 마주 보는 음극(360)은 음극집전체(361)의 양면에 음극활물질(362)이 형성되어 있지만, 음극집전체(361)의 한 면(포케팅 양극과 인접한 일면)에만 음극활물질(362)이 형성된 음극(단면 음극)이 제1 전지케이스(320)의 내면과 마주 보도록 마련될 수도 있다.
포케팅 양극(350)은 도 5(c)에 도시된 포케팅 양극(150)과 동일한 구조 내지 형태를 가진다. 즉, 포케팅 양극(350)은 양극집전체(351)의 양면에 형성된 양극활물질(352), 절연성 부재(355) 및 분리막(340)으로 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 포케팅 양극(350)이 양극 단자를 겸하는 제2 전지케이스(330)의 내면과 마주 보도록 마련되어 있는데, 포케팅 양극(350) 대신 양극집전체(351)의 한 면(음극과 인접한 일면)에만 양극활물질(352)이 형성된 양극(단면 양극)이 제2 전지케이스(330)의 내면과 마주 보도록 마련될 수도 있다. 뿐만 아니라, 포케팅 양극(350) 대신 도 7에 도시된 양면 양극이 사용될 수도 있다.
다수개가 적층된 포케팅 양극(350)의 양극 무지부(359)들을 하나로 연결하거나 하나로 묶은 후 이를 양극 단자로 기능하는 제2 전지케이스(330)의 내면에 용접하거나 전기적으로 연결할 수 있다.
다수개가 적층된 음극(360)의 음극 무지부(369)들을 하나로 연결하거나 하나로 묶은 후 이를 음극 단자로 기능하는 제1 전지케이스(320)의 내면에 용접하거나 전기적으로 연결할 수 있다.
한편, 제1 전지케이스(320)의 측벽(322)의 내면에는 절연재(380)가 형성되는데, 절연재(380)는 제1 전지케이스(320)의 측벽(322)의 내면 중 양극 무지부(359)와 인접하거나 마주보는 제1 전지케이스(320)의 측벽(322)의 내면에만 형성될 수 있다.
또한, 절연재(380)는 제1 전지케이스(320)의 바닥에서부터 가스켓(310)의 일단(하단) 사이에 형성되거나 양극 무지부(359)들 중 가장 외측에 위치하는 양극 무지부(359)의 높이에 대응하도록 제1 전지케이스(320)의 측벽(322)의 내면에 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 양극 무지부(359)들의 묶음은 제1 전지케이스(320)의 측벽(322) 중 상부 쪽에 대응하는 위치에 있는데, 양극 무지부(359)들 중에서 가장 외측에 위치하는 양극 무지부(359)의 상부는 가스켓(310)에 접촉하기 때문에 절연재가 필요 없지만 가장 외측에 위치하는 양극 무지부(359)의 하부는 제1 전지케이스(320)의 측벽(322)에 접촉할 수 있기 때문에, 가스켓(310)의 하단과 제1 전지케이스(320)의 바닥 사이의 측벽(322)의 내면에만 절연재(380)가 형성되어도 제1 전지케이스(320)와 양극 무지부(359)의 접촉에 의한 단락을 방지할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 코인형 이차전지는, 원 모양의 전극형상을 유지하기 때문에 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있고 절연성이 개선될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100,200,300: 코인형 이차전지 120,220,320: 제1 전지케이스
130,230,330: 제2 전지케이스 140,240,340: 분리막
150,350: 포케팅 양극 151,251,351: 양극집전체
152,252,352: 양극활물질 159,259,359: 양극 무지부
160,360: 음극 161,261,361: 음극집전체
162,262,362: 음극활물질 169,269,369: 음극 무지부
170,270,370: 전극조립체 180,280,380: 절연재
250a: 양면 양극 250b: 단면 양극
260a: 양면 음극 260b: 단면 음극

Claims (10)

  1. 내부에 수납공간을 구비하는 제1 전지케이스;
    상기 제1 전지케이스의 수납공간에 전해액과 함께 밀봉 수납되는 전극조립체; 및
    상기 전극조립체와 전해액을 밀봉하도록 상기 제1 전지케이스와 체결되는 제2 전지케이스;를 포함하며,
    상기 제1 전지케이스의 측벽의 내면에는 상기 전극조립체와 상기 제1 전지케이스의 단락을 방지하는 절연재가 형성되는 것을 특징으로 하는 코인형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 순서대로 적층된 양극, 분리막, 음극 및 분리막을 포함하며,
    상기 절연재는 상기 양극과 상기 제1 전지케이스의 접촉에 의한 단락 발생을 방지하는 것을 특징으로 하는 코인형 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전지케이스는 외부기기와의 전기적 연결을 위한 음극 단자이고, 상기 제2 전지케이스는 외부기기와의 전기적 연결을 위한 양극 단자인 것을 특징으로 하는 코인형 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연재는, 상기 양극의 양극집전체 또는 양극 무지부와 상기 제1 전지케이스의 접촉을 방지하는 것을 특징으로 하는 코인형 이차전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 절연재는, 상기 제1 전지케이스의 측벽의 내면 중 적어도 일부에 형성되거나 상기 양극의 양극 무지부와 마주 보는 내면에 형성되는 것을 특징으로 하는 코인형 이차전지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 절연재는,
    상기 제1 전지케이스의 측벽의 내면에 코팅되거나 필름 형태로 형성되며, PET(Polyethylene terephthalate, 폴리에틸렌 테레프탈레이트) 또는 EVA(Ethylene-Vinyl Acetate, 에틸렌비닐 아세테이트)를 포함하는 폴리머로 마련되는 것을 특징으로 하는 코인형 이차전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전지케이스, 상기 제2 전지케이스 및 상기 전극조립체는 평면 모양이 원 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 코인형 이차전지.
  8. 제7항에 있어서,
    다수개로 마련되는 상기 양극의 양극 무지부들은 하나로 정리된 상태에서 상기 제2 전지케이스의 내면에 용접되거나 전기적으로 연결되고,
    다수개로 마련되는 상기 음극의 음극 무지부들은 하나로 정리된 상태에서 상기 제1 전지케이스의 내면에 용접되거나 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 코인형 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절연재는,
    상기 제1 전지케이스의 측벽의 내면에 형성되되 상기 제1 전지케이스의 바닥에서부터 소정 높이까지만 형성되는 것을 특징으로 하는 코인형 이차전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전지케이스와 상기 제2 전지케이스 사이에 마련되어 상기 제1 전지케이스와 상기 제2 전지케이스를 절연시키는 가스켓을 포함하며,
    상기 절연재는 상기 제1 전지케이스의 바닥에서부터 상기 가스켓의 일단 사이에 형성되거나, 상기 양극의 양극 무지부들 중 가장 외측에 위치하는 양극 무지부의 높이에 대응하도록 상기 제1 전지케이스의 측벽의 내면에 형성되는 것을 특징으로 하는 코인형 이차전지.
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KR101690688B1 (ko) 2014-11-06 2016-12-28 주식회사 루트제이드 음극판 용접 구조를 갖는 코인형 이차전지

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