KR20230021915A - 이차전지 - Google Patents

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KR20230021915A
KR20230021915A KR1020210103894A KR20210103894A KR20230021915A KR 20230021915 A KR20230021915 A KR 20230021915A KR 1020210103894 A KR1020210103894 A KR 1020210103894A KR 20210103894 A KR20210103894 A KR 20210103894A KR 20230021915 A KR20230021915 A KR 20230021915A
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secondary battery
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김대규
김창욱
김상현
박종준
서광수
안정철
위재웅
이태윤
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 전극조립체 손상을 방지할 수 있는 이차전지를 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터를 포함하여 권취되는 전극조립체; 상기 전극조립체 및 전해액을 수용하는 캔; 나일론 소재로 형성되는 필름층 및 상기 필름층을 상기 전극조립체에 부착하기 위한 점착층을 포함하며, 상기 전극조립체를 적어도 부분적으로 둘러싸는 마감테이프; 및 상기 캔을 밀봉하는 캡조립체를 포함하는 이차전지를 개시한다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}
본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차전지는 스마트폰, 피처폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더 등과 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량의 이차전지는 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동 및 전력 저장용 전지로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지는 음극과 양극으로 이루어지는 전극조립체, 이를 수용하는 캔, 전극조립체에 연결되는 단자 등을 포함할 수 있다. 이차전지는 그 형상에 따라 원통형, 각형 및 파우치형 등으로 구분할 수 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것일 뿐이며, 따라서 종래기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예는 전극조립체 손상을 방지할 수 있는 이차전지를 제공한다.
또한 전지 용량을 개선할 수 있는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터를 포함하여 권취되는 전극조립체; 상기 전극조립체 및 전해액을 수용하는 캔; 나일론 소재로 형성되는 필름층 및 상기 필름층을 상기 전극조립체에 부착하기 위한 점착층을 포함하며, 상기 전극조립체를 적어도 부분적으로 둘러싸는 마감테이프; 및 상기 캔을 밀봉하는 캡조립체를 포함할 수 있다.
또한 상기 필름층은 상기 전해액과 화학적으로 반응하여 적어도 부분적으로 녹거나 기공이 형성될 수 있다.
또한 상기 필름층은 12 ㎛ 내지 25 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
또한 상기 점착층은 아크릴 성분으로 형성될 수 있다.
또한 상기 점착층은 3 ㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있는데, 상기 점착층은 상기 필름층을 상기 전극조립체에 적절하게, 안정적으로 부착할 수 있는 한도 내에서 얇을수록 유리하므로, 하한은 구체적으로 특정하지 않기로 한다. 다만 권리범위를 제한함 없이, 순전히 이해의 편의를 위해 예를 들자면, 상기 점착층은 1 ㎛ 내지 3 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예는 마감테이프가 나일론 소재로 형성됨으로써, 전해액과 화학적으로 반응하여 시간이 지남에 따라 적어도 부분적으로 녹거나 기공이 형성되어, 전극조립체가 팽창할 때 이를 구속하지 않고 팽창하도록 허용함으로써, 다시 말해 전극조립체와 함께 변형됨으로써, 전극조립체가 의도치 않게 변형되거나 전극조립체 또는 마감테이프에 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다.
또한 소재 특성상 마감테이프를 상대적으로 얇게 제조할 수 있기 때문에, 마감테이프의 두께가 줄어든 만큼 동일 체적 대비 전극조립체의 부피를 늘릴 수 있어, 전지 용량 개선에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 개요도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마감테이프의 개요도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마감테이프에 전해액을 도포한 후 그 위에 유리판을 올려 압착한 모습이다.
도 4는 도 3에서 하루 동안 상온에서 가만히 방치한 모습이다.
도 5는 도 4에서 유리판을 위로 밀어 올린 모습이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체에 마감테이프를 부착하여 전해액에 함침하고 시간이 지난 후 관찰한 모습이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지에서 마감테이프가 구비될 수 있는 여러 가지 양상을 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함할 수 있다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)의 개요도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마감테이프(130)의 개요도이다.
도 1을 참조하면 이차전지(100)는 전극조립체(110), 캔(120), 마감테이프(130) 및 캡조립체(140)를 포함한다.
전극조립체(110)는 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터를 포함한다. 제1 전극판은 음극판과 양극판 중 어느 하나일 수 있다. 제1 전극판이 음극판인 경우, 제1 전극판은 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 전도성 금속 박판, 예를 들면 구리 또는 니켈 포일 또는 메시로 이루어진 음극 집전판에 음극 활물질이 코팅된 음극 코팅부 및 음극 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부를 포함할 수 있다. 여기서 음극 활물질은 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 탄소 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체, 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이트 또는 금속 산화물 등으로 이루어질 수 있다. 제2 전극판은 음극판과 양극판 중 다른 하나일 수 있다. 전술한 바와 같이 제1 전극판이 음극판이라면 제2 전극판은 양극판이 되는데, 이 경우 제2 전극판은 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 전도성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄 포일 또는 메시로 이루어진 양극 집전판에 양극 활물질이 코팅된 양극 코팅부 및 양극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부를 포함할 수 있다. 여기서 양극 활물질은 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물, 예를 들면 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNiMnO2 등의 복합 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 세퍼레이터는 제1 전극판과 제2 전극판 사이에 개재되어 제1 전극판과 제2 전극판 간 쇼트를 방지하는 역할을 한다. 세퍼레이터는 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 다공성 공중합체 등으로 이루어질 수 있다. 또한 세퍼레이터는 제1 전극판과 제2 전극판 간 쇼트를 효과적으로 방지하기 위해, 제1 전극판과 제2 전극판 보다 크게 형성될 수 있다. 이러한 전극조립체(110)는 이른바 젤리롤(jelly-roll) 형태로 권취된다.
캔(120)은 일면이 개방된 원통형으로 형성된다. 이러한 캔(120)은 전극조립체(110), 전해액 등을 수용하며, 바닥을 통해 전극조립체(110)의 제1 전극판에 전기적으로 연결될 수 있다.
전해액은 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 에틸렌카보네이트(Ethylene Carbonate, PC), 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, PC), 디에틸카보네이트(Diethyl Carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(Dimethyl Carbonate, DMC), 에틸메틸카보네이트(Ethyl Methyl Carbonate, EMC) 등의 유기 용매 및 LiPF6, LibF4 등의 리튬염으로 이루어질 수 있다.
마감테이프(130)는 이차전지(100) 조립 시 전극조립체(110)를 캔(120)에 삽입하는 과정에서 전극조립체(110)가 풀리지 않게 고정하기 위한 것으로, 전극조립체(110)를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 이러한 마감테이프(130)는 겉면을 이루는 필름층(131) 및 필름층(131)을 전극조립체(110)에 부착하기 위한 점착층(132)을 포함한다(도 2 참조). 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)는 필름층(131)이 나일론 소재로 형성되는 것을 특징으로 하고, 점착층(132)은 아크릴 성분으로 형성될 수 있다. 특히 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)는 필름층(131)이 전해액과 화학적으로 반응하여 시간이 지남에 따라 적어도 부분적으로 녹거나 기공이 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마감테이프(130)에 전해액을 도포한 후 그 위에 유리판을 올려 압착한 모습이다. 세 가지 경우로 시험했는데, 왼쪽에서부터 차례로 마감테이프(130)의 두께를 28 ㎛, 18 ㎛, 15 ㎛로 제작하여 시험했다. 단 점착층(132)의 두께는 모두 3 ㎛로 동일하게 설정하고, 필름층(131)의 두께만 각각 25 ㎛, 15 ㎛, 12 ㎛로 달리 설정했다. 마감테이프(130)의 폭은 15 ㎜였다.
도 4는 도 3에서 하루 동안 상온에서 가만히 방치한 모습이고, 도 5는 도 4에서 유리판을 위로 밀어 올린 모습이다. 먼저 도 4를 참조하면 육안상 세 가지 경우 모두 마감테이프(130)가 그 형태를 그대로 유지하고 있는 것처럼 보였다. 그러나 도 5를 참조하면 유리판을 위로 밀어 올렸을 때, 마감테이프(130)의 두께가 18 ㎛, 15 ㎛인 경우에 필름층(131)이 거의 완전히 녹아 유리판과 함께 밀리는 현상이 확인되었다. 또한 마감테이프(130)의 두께가 28 ㎛인 경우에 필름층(131)이 완전히 녹은 것은 아니었지만, 유리판을 살짝만 움직여도 유리판의 가장자리에 위치한 부분들이 쉽게 끊어졌다.
한편 도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체(110)에 마감테이프(130)를 부착하여 전해액에 함침하고 시간이 지난 후 관찰한 모습이다. 이 역시 세 가지 경우로 시험했는데, 도 6에서부터 차례로 마감테이프(130)의 두께를 28 ㎛, 18 ㎛, 15 ㎛로 제작하여 시험했다. 단 점착층(132)의 두께는 모두 3 ㎛로 동일하게 설정하고, 필름층(131)의 두께만 각각 25 ㎛, 15 ㎛, 12 ㎛로 달리 설정했다. 마감테이프(130)의 폭은 15 ㎜였다. 도 6 내지 도 8을 참조하면 세 가지 경우 모두 전극조립체(110)가 반경 방향으로 팽창함으로써 음극판의 끝단이 미세하게 벌어지는 작은 힘으로도 나일론 조직이 분해되어 있었으며, 핀센이 닿으면 곧바로 찢어질 정도였다.
위 시험들을 통해 알 수 있는 결과는 점착층(132)이 나일론 소재로 형성됨으로써 전해액과 화학적으로 반응하여 시간이 지남에 따라 적어도 부분적으로 녹거나 기공이 형성될 수 있다는 사실이다.
종래 마감테이프는 흔히 PP, PET, OPS 등으로 형성되는데, 이들 소재는 전해액과 화학적으로 반응하여 잘 녹지 않았다. 전극조립체가 전해액을 흡수하면 시간이 지남에 따라 반경 방향으로 팽창할 수 있는데, 종래 마감테이프는 이와 함께 잘 늘어나지 않기 때문에, 심지어 마감테이프가 OPS로 형성될 경우 오히려 수축될 수 있기 때문에, 마감테이프가 전극조립체를 둘러싸고 있던 부위에서 상대적으로 응력이 발생하게 된다. 따라서 전극조립체가 의도치 않게 변형되거나 전극조립체 또는 마감테이프에 크랙이 생길 수 있는 문제가 있었다.
그러나 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)는 점착층(132)이 나일론 소재로 형성됨으로써 전해액과 화학적으로 반응하여 시간이 지남에 따라 적어도 부분적으로 녹거나 기공이 형성되기 때문에, 전극조립체(110)가 반경 방향으로 팽창할 때 이를 구속하지 않고 팽창하도록 허용함으로써, 다시 말해 전극조립체(110)와 함께 변형됨으로써 전술한 문제를 해결할 수 있다.
한편 마감테이프(130)는 이차전지(100) 조립 시 '전극조립체(110)를 캔(120)에 삽입하는 과정'에서 전극조립체(110)가 풀리지 않게 고정하기 위한 것으로, '전극조립체(110)를 캔(120)에 삽입하고 난 뒤'에는 제 역할이 끝나 분해되거나 떨어져도 특별한 문제를 야기하지 않는다.
나아가 소재 특성상 일반적으로 PET는 16 ㎛ 이하로, OPS는 25 ㎛ 이하로 얇게 제조하기 힘든 반면, 나일론은 13㎛ 정도까지 얇게 제조할 수 있다. 따라서 마감테이프(130)의 두께가 줄어든 만큼 동일 체적 대비 전극조립체(110)의 부피를 늘릴 수 있어, 전지 용량 개선에 기여할 수 있다.
이러한 마감테이프(130)는 도 1에 예시된 바와 같이 전극조립체(110)의 길이보다 짧은 폭으로 형성될 수도 있고, 도 9에 예시된 바와 같이 전극조립체(110)의 길이에 대응되는 폭으로 형성될 수도 있으며, 도 10에 예시된 바와 같이 복수 개로 마련되어 서로 이격되게 배열될 수도 있고, 도 11에 예시된 바와 같이 전극조립체(110)를 전체적으로 둘러싸는 것이 아니라 권취 끝단에 해당하는 부위에만 부착될 수도 있다.
캡조립체(140)는 캔(120)의 일면을 밀봉하는 역할을 한다. 또한 캡조립체(140)는 외부 회로에 전기적으로 접속될 수 있도록 볼록하게 돌출되며 그 주변으로 가스를 배출하기 위한 홀이 형성되는 캡업(141), 캡업(141) 아래에 설치되며 캔(120) 내부에 가스가 발생하여 압력이 증가하면 그 압력에 의해 저절로 파단되어 압력을 방출하기 위한 안전벤트(142) 및 안전벤트(142) 아래에 설치되며 전극조립체(110)의 제2 전극판에 전기적으로 연결되는 캡다운(143)을 포함한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이차전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터를 포함하여 권취되는 전극조립체;
    상기 전극조립체 및 전해액을 수용하는 캔;
    나일론 소재로 형성되는 필름층 및 상기 필름층을 상기 전극조립체에 부착하기 위한 점착층을 포함하며, 상기 전극조립체를 적어도 부분적으로 둘러싸는 마감테이프; 및
    상기 캔을 밀봉하는 캡조립체를 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필름층은 상기 전해액과 화학적으로 반응하여 적어도 부분적으로 녹거나 기공이 형성되는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필름층은 12 ㎛ 내지 25 ㎛의 두께로 형성되는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 점착층은 아크릴 성분으로 형성되는 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 점착층은 3 ㎛ 이하의 두께로 형성되는 이차전지.
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