KR20220036228A - 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 젤리-롤 형태의 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수납하는 원통형 전지 캔, 및 상기 전극 조립체와 상기 원통형 전지 캔 사이에 배치되고, 상기 원통형전지 캔 내벽에 고정되며 막대 형상을 갖는 적어도 하나의 완충재를 포함한다.

Description

이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스{SECONDARY BATTERY AND DEVICE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 외부로부터의충격에 대한 완충 성능이 향상된 원통형 이차 전지에 관한 것이다.

근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.

전지 케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극, 분리막, 음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 젤리롤형, 스택형 및 스택/폴딩형으로 분류된다. 젤리롤형은 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 형태이고, 스택형은 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 형태이며, 스택/폴딩형은 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조이다. 그 중 젤리롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

한편, 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.

원통형 전지는 전지 케이스 내부에 젤리롤 형태의 전극 조립체가 삽입 되는데, 원통형 전지에 테스트를 위한 충격 인가시, 전지 케이스와 젤리롤 형태의 전극 조립체에 변형이 발생하게 되고, 전극과 분리막의 단선이 일어나면서 쇼트가 발생하게 되는바, 이를 개선하기 위한 수단이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예들은, 원통형 전지에 있어서 테스트를 위한 충격 인가시, 전극 조립체의 변형 및 손상을 최소화할 수 있는 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스의 제공을 그 목적으로 한다.

다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 젤리-롤 형태의 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수납하는 원통형 전지 캔, 및 상기 전극 조립체와 상기 원통형 전지 캔 사이에 배치되고, 상기 원통형전지 캔 내벽에 고정되며 막대 형상을 갖는 적어도 하나의 완충재를 포함한다.

상기 전극 조립체의 원형의 단면을 갖고, 상기 완충재는 상기 원형의 원주를 4등분한 지점마다 하나씩 구비될 수 있다.

상기 완충재의 단면의 지름은 상기 원통형 전지 캔의 두께와 같거나 그보다 작을 수 있다.

상기 완충재는 폴리 우레탄, 고무, 실리콘으로부터 선택된 적어도 하나를포함할 수 있다.

상기 전극 조립체와 상기 완충재 사이에 배치되는 원통형 고정 내벽을 더욱 포함하고, 상기 완충재는 상기 원통형 고정 내벽과 상기 원통형 전지 캔 사이에 개재되어 고정될 수 있다.

상기 원통형 고정 내벽의 두께는 상기 원통형 전지 캔의 두께보다 작을 수 있다.

상기 완충재를 상기 원통형 전지 캔 내벽에 부착시키는 접착 테이프를 더욱 포함할 수 있다.

상기 완충재는 원형의 단면을 가질 수 있다.

상기 완충재는 다각형의 단면을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기한 적어도 하나의 이차전지을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 원통형 전지에 있어서 테스트를 위한 충격 인가시, 전극 조립체의 변형 및 손상을 최소화할 수 있다. 또한, 테스트를 위한 충격 인가시 외에도, 외부에서 충격이 가해지더라도, 전극 조립체의 변형 및 손상에 따른 쇼트 발생을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈의 내부를 모식화하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 모식화하여 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에서 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 모식화하여 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 대해 충격 테스트를 행하는 것을 모식화하여 도시한 도면이다.
도 6는 비교예에 따른 이차 전지에 대해 충격 테스트를 행하는 것을 모식화하여 도시한 도면이다.

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.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "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, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 대한 사시도이고, 도 2는 도 1의 전지 모듈의 내부를 모식화하여 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 모식화하여 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 젤리-롤 형태의 전극 조립체(200) 및 전극 조립체(200)를 수납하는 원통형 전지 캔(300)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(200)를 원통형 전지 캔(300)에 수납하고, 원통형 전지 캔(300) 내에 전해액을 주입한 후에, 원통형 전지 캔(300) 상단에 캡 조립체(700)를 결합하여 제조될 수 있다.

원통형 전지 캔(300)은 전해액이 함침된 전극 조립체(200)를 수납하는 구조물로써, 금속 소재를 포함할 수 있다.

이하에서는, 도 2 및 도 3 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)에서의 전극 조립체(200), 원통형 전지 캔(300) 및 원통형 전지 캔(300)의 내벽에 고정되는 적어도 하나의 완충재(310)에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 전극 조립체(200)와 원통형 전지 캔(300) 사이에 배치되고, 원통형 전지 캔(300) 내벽에 고정되는 적어도 하나의 완충재(310)를 포함한다. 적어도 하나의 완충재(310)는, 원통형 전지 캔(300)의 길이 방향(도 1의 z방향)을 따라 연장된 막대 형상을 가질 수 있다.

이와 같은 완충재(310)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(200)의 단면 형상인 원형에 있어서, 원추를 4등분한 지점마다 하나씩 구비되어 총 4개의 완충재(300)가 구비될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 추가로 4개의 완충재(300) 사이에 더 많은 수의 완충재(300)가 구비될 수도 있다.

완충재(310)는, 후술하는 충격 테스트시 전극 조립체(200)가 손상되는 것을 방지할 수 있도록 충격을 흡수하는 역할을 하는 것으로서, 탄성을 갖는 고분자 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 완충재(310)는, 폴리 우레탄, 고무, 실리콘으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 막대 형상의 완충재(310)의 단면은, 도 3에 도시한 바와 같이 원형일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 사각형, 오각형, 육각형 등의 다각형 형상을 가질 수 있다.

또한, 완충재(310)의 두께는, 원통형 전지 캔(300)의 두께와 같거나, 그보다 작을 수 있다. 완충재(310)는 원통형 전지 캔(300)에 고정되어 있는 부재이므로, 그 두께가 너무 두꺼울 경우, 원통형 전지 캔(300) 내부에 전극 조립체(200) 및 전해액이 수용되는 공간이 좁아질 수 있으므로, 충격을 흡수할 수 있도록, 원통형 전지 캔(300)의 두께(예를 들면, 0.15mm 내지 0.25mm) 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

한편, 완충재(310)는 별도의 고정 수단에 의해 원통형 전지 캔(300) 내벽에 고정될 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서 완충재(310)는, 완충재(310)와 전극 조립체(200) 사이에 배치된 원통형 고정 내벽(320)에 의해, 원통형 전지 캔(300)과 원통형 고정 내벽(320) 사이에 개재됨으로써 고정될 수 있다. 원통형 고정 내벽(320)은, 원통형 전지 캔(300)의 측벽과 동일한 형상을 갖고 단지 그 지름만이 작게 형성되어, 원통형 고정 내벽(320)과 원통형 전지 캔(300) 사이에 완충재(310)가 개재될 수 있는 공간을 제공한다. 원통형 고정 내벽(320)과 원통형 전지 캔(300) 사이의 지름 차이는, 완충재(310)의 두께에 대응한다. 이와 같이, 완충재(310)를 원통형 고정 내벽(320)과 원통형 전지 캔(300) 사이에 개재시켜서 구성하는 것에 의해, 원통형 전지 캔(300) 내측의 전극 조립체(200)와 전해액이 수용되는 공간의 형태 변화 없이, 완충재(310)를 고정시킬 수 있다. 또한, 완충재(310)가 전해액과 직접 접촉하지 않기 때문에, 완충재(310)의 물성 변화도 방지할 수 있다.

이와 같이, 원통형 전지 캔(300) 내벽에 고정된 완충재(310)를 구비하는 것에 의해, 후술하는 충격 테스트를 위한 충격 인가시, 외력에 의해 변형된 원통형 전지 캔(300)이 전극 조립체(200)보다도 완충재(310)와 먼저 닿아 전극 조립체(200)에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 테스트 이후 실 사용 환경에 있어서도, 외부로부터의 충격을 완충재(310)에 의해 흡수할 수 있기 때문에 이차 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 완충재(310)가 전극 조립체(200)에 직접 부착되는 것이 아니라, 원통형 전지 캔(300)의 내벽에 고정되어 있기 때문에, 완충재(310)를 구성하는 과정에서의 전극 조립체(200)의 손상도 방지할 수 있다.

이하에서는, 도 4를 참고하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(100)에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에서 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 모식화하여 도시한 도면이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 앞서 설명한 일 실시예의 구성과 비교하여 완충재(310)를 원통형 전지 캔(300)의 내벽에 고정하는 고정 수단에만 차이가 있고, 나머지는 동일한바, 이에 대한 설명은 생략한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 완충재(310)가 접착 테이프(330)에 의해 원통형 전지 캔(300)에 고정된다. 이러한 구성에 의하면, 보다 간단한 구성으로 완충재(310)의 고정이 가능하다. 또한, 원통형 전지 캔(300)과 완충재(310)가 차지하는 공간을 좀더 줄일 수 있어서, 내부의 전극 조립체(200)와 전해액의 수용 공간을 보다 확보할 수 있다.

이하에서는, 도 5 및 도 6을 참고하여, 본 발명의 구성에 의해 얻을 수 있는 효과에 대해 보다 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 대해 충격 테스트를 행하는 것을 모식화하여 도시한 도면이고, 도 6는 비교예에 따른 이차 전지에 대해 충격 테스트를 행하는 것을 모식화하여 도시한 도면이다.

이차 전지(100)에 대하여, 외부 충격에 대한 안전성을 측정하기 위하여, 충격 테스트(impact test)를 진행한다. 즉, 충전 상태의 셀에, 지름 15.8mm의 봉을 올려놓고, 61cm의 높이에서, 9.1kg의 추를 떨어뜨려서, 순간적으로 충격을 가하는 시험 방법이다. 이와 같이 충격을 가할 시, 발화 또는 폭발이 일어나지 않아야 한다.

도 6에 도시한 바와 같이, 비교예에 따른 이차 전지의 경우, 내부에 완충재를 포함하지 않기 때문에, 충격을 가할 시, 그 위에 올려진 봉에 의해 전지 캔의 변형이 일어나면서 전극 조립체(200)와 직접 닿게 되어, 전극과 분리막 사이의 단선이 일어나면서 쇼트가 발생하는 경우가 많다.

반면, 본 발명의 실시예에 의하면, 원통형 전지 캔 내벽에 완충재가 고정되어 있기 때문에, 도 5에 도시한 바와 같이 충격을 가할 시, 봉에 의해 변형이 발생한 전지 캔이, 전극 조립체와 닿기 전에 먼저 완충재에 닿게 되어, 전극 조립체에 가해지는 충격을 최소화할 수 있다. 따라서, 전극과 분리막 사이의 단선 내지 손상이 최소화되어 쇼트 발생을 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 원통형 전지 캔(300) 내벽에 고정된 완충재(310)를 구비하는 것에 의해, 충격 테스트를 위한 충격 인가시, 외력에 의해 변형된 원통형 전지 캔(300)이 전극 조립체(200)보다도 완충재(310)와 먼저 닿아 전극 조립체(200)에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 테스트 이후 실 사용 환경에 있어서도, 외부로부터의 충격을 완충재(310)에 의해 흡수할 수 있기 때문에 이차 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100 이차 전지
200 전극 조립체
300 원통형 전지 캔
310 완충재
320 원통형 고정 내벽
330 접착 테이프

Claims (10)

1. 젤리-롤 형태의 전극 조립체,
   상기 전극 조립체를 수납하는 원통형 전지 캔, 및
   상기 전극 조립체와 상기 원통형 전지 캔 사이에 배치되고, 상기 원통형전지 캔 내벽에 고정되며 막대 형상을 갖는 적어도 하나의 완충재를 포함하는 이차 전지.
2. 제1항에서,
   상기 전극 조립체의 원형의 단면을 갖고,
   상기 완충재는 상기 원형의 원주를 4등분한 지점마다 하나씩 구비되는 이차 전지.
3. 제2항에서,
   상기 완충재의 단면의 지름은 상기 원통형 전지 캔의 두께와 같거나 그보다 작은 이차 전지.
4. 제1항에서,
   상기 완충재는 폴리 우레탄, 고무, 실리콘으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 이차 전지.
5. 제1항에서,
   상기 전극 조립체와 상기 완충재 사이에 배치되는 원통형 고정 내벽을 더욱 포함하고,
   상기 완충재는 상기 원통형 고정 내벽과 상기 원통형 전지 캔 사이에 개재되어 고정되는 이차 전지.
6. 제5항에서,
   상기 원통형 고정 내벽의 두께는 상기 원통형 전지 캔의 두께보다 작은 이차 전지.
7. 제1항에서,
   상기 완충재를 상기 원통형 전지 캔 내벽에 부착시키는 접착 테이프를 더욱 포함하는 이차 전지.
8. 제1항에서,
   상기 완충재는 원형의 단면을 갖는 이차 전지.
9. 제1항에서,
   상기 완충재는 다각형의 단면을 갖는 이차 전지.
10. 제1항에 따른 이차 전지를 포함하는 디바이스.