KR20230050929A - Electrode assembly for secondary battery and secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전극 조립체의 이상 고온 발생시 이상 고온에 의한 열 폭주 현상을 효과적으로 방지하여 전극 조립체를 안정적으로 보호할 수 있는 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode assembly for a secondary battery and a secondary battery including the same, and more particularly, an electrode for a secondary battery capable of stably protecting the electrode assembly by effectively preventing a thermal runaway phenomenon caused by an abnormally high temperature when an abnormally high temperature occurs in the electrode assembly. It relates to an assembly and a secondary battery including the same.
일반적으로, 첨단 전자산업의 발달로 전자장비의 소량화 및 경량화가 가능하게 됨에 따라 휴대용 전자 기기를 포함하는 다양한 형태의 모바일 기기의 사용이 증대되고 있고, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 사용도 확대되고 있다.In general, as the development of the high-tech electronics industry makes it possible to reduce the size and weight of electronic equipment, the use of various types of mobile devices including portable electronic devices is increasing, and the use of electric vehicles or hybrid vehicles is also expanding. .
최근에는 모바일 기기, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 등의 동력원으로 높은 에너지 밀도를 가진 전지의 필요성이 날로 증대되고 있다. 그에 따라서, 고성능 이차전지의 수요가 증가되고 있으며, 이차전지의 성능 향상을 위한 연구도 더 활발하게 진행되고 있다. 특히, 이차전지는 고성능화, 박형화 및 소형화 등의 추세에 따라 콤팩트한 내부 구조를 가지도록 설계되고 있다.Recently, the need for batteries having high energy density as a power source for mobile devices, electric vehicles, or hybrid vehicles is increasing day by day. Accordingly, the demand for high-performance secondary batteries is increasing, and research for improving the performance of secondary batteries is being conducted more actively. In particular, secondary batteries are being designed to have a compact internal structure according to trends such as high performance, thinning, and miniaturization.
그런데, 이차전지의 내부에서 다양한 이유로 이상 고온 현상이 비정상적으로 발생하면, 이상 고온에 의해 열 폭주 현상을 발생시키고, 열 폭주에 의해 이차전지의 폭발이 일어나는 문제가 있다. 상기와 같이 이차전지가 이상 고온에 의한 열 폭주 현상으로 폭발하는 문제를 해소하기 위해 다양한 기술이 지속적으로 연구 개발되고 있는 실정이다. However, when abnormally high temperature occurs inside the secondary battery for various reasons, a thermal runaway phenomenon occurs due to the abnormal high temperature, and there is a problem in that the secondary battery explodes due to the thermal runaway. As described above, in order to solve the problem of secondary batteries exploding due to thermal runaway due to abnormally high temperatures, various technologies are being continuously researched and developed.
예를 들면, 이차전지의 이상 고온 상태를 센서로 실시간으로 감지한 후 이차전지에서 이상 고온이 감지되면 이차전지의 전기 회로를 조절하여 이차전지에 공급되는 전류를 차단하거나 이차전지를 방전시키는 기술이 개발되고 있으며, 또는 이차전지의 이상 고온에 따른 폭발 위험을 제거하기 위하여 이차전지의 내부에 있는 전해액을 외부로 배출시키는 기술도 개발되고 있다.For example, after detecting the abnormal high temperature of the secondary battery in real time with a sensor, if the abnormal high temperature is detected in the secondary battery, the electric circuit of the secondary battery is adjusted to cut off the current supplied to the secondary battery or to discharge the secondary battery. A technology for discharging the electrolyte inside the secondary battery to the outside is also being developed in order to eliminate the risk of explosion due to the abnormal high temperature of the secondary battery.
관련 선행기술문헌으로는 한국등록특허 제10-0989969호 (발명의 명칭: 배터리 팩의 고온 폭발 방지 장치, 등록일: 2010.10.19), 한국등록특허 제10-1093928호 (발명의 명칭: 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩 및 그 방법, 등록일: 2011.12.07), 및 한국등록특허 제10-2144922호 (발명의 명칭: 배터리 폭발방지 장치, 배터리 팩 및 작동 방법, 등록일: 2020.08.10)가 있다.Related prior art documents include Korean Patent Registration No. 10-0989969 (title of invention: device for preventing high-temperature explosion of battery pack, registration date: 2010.10.19), Korean Patent Registration No. 10-1093928 (name of invention: battery cell Battery pack and method capable of preventing high-temperature swelling, registration date: 2011.12.07), and Korean Patent Registration No. 10-2144922 (name of invention: battery explosion prevention device, battery pack and operation method, registration date: 2020.08. 10) is.
본 발명의 실시예는, 전극 조립체의 이상 고온 발생시 이상 고온에 의한 열 폭주 현상을 효과적으로 방지함으로써 전극 조립체를 이상 고온에 대해 안정적으로 보호할 수 있는 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.An embodiment of the present invention provides an electrode assembly for a secondary battery capable of stably protecting the electrode assembly from abnormally high temperature by effectively preventing thermal runaway caused by abnormally high temperature when an abnormally high temperature occurs in the electrode assembly, and a secondary battery including the same .
또한, 본 발명의 실시예는, 전극 조립체의 음극 중 적어도 하나를 바이메탈 구조로 형성하는 간단한 구조 변경만으로 전극 조립체의 이상 고온 발생에 따른 열 폭주 현상을 효과적으로 차단할 수 있는 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.In addition, an embodiment of the present invention is an electrode assembly for a secondary battery capable of effectively blocking the thermal runaway phenomenon due to the occurrence of an abnormally high temperature of the electrode assembly with a simple structural change in which at least one of the negative electrodes of the electrode assembly is formed in a bimetal structure, and including the same A secondary battery is provided.
또한, 본 발명의 실시예는, 전극 조립체의 이상 고온 발생시 음극이 바이메탈 특성에 따라 변형하면서 음극과 양극 사이에 저항공간을 만들기 때문에, 전극 조립체의 내부 저항이 증가됨에 따른 전류량의 감소로 인하여 전극 조립체의 안정성을 높일 수 있는 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.In addition, in the embodiment of the present invention, since the negative electrode deforms according to the bimetallic characteristics and creates a resistance space between the negative electrode and the positive electrode when an abnormal high temperature of the electrode assembly occurs, the electrode assembly Provided is an electrode assembly for a secondary battery capable of increasing the stability of and a secondary battery including the same.
본 발명의 일실시예에 따르면, 복수개가 적층 구조로 배치된 음극, 및 상기 음극들 사이에 각각 배치되는 양극을 포함하는 이차전지용 전극 조립체를 제공한다. 이때, 상기 음극들은, 주변 온도의 변화에 따라 형상이 변화되지 않는 제1 음극, 및 주변 온도의 변화에 따라 형상이 변화되는 제2 음극으로 제공될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, there is provided an electrode assembly for a secondary battery including a plurality of negative electrodes disposed in a stacked structure, and positive electrodes respectively disposed between the negative electrodes. In this case, the negative electrodes may be provided as a first negative electrode whose shape does not change according to a change in ambient temperature, and a second negative electrode whose shape changes according to a change in ambient temperature.
바람직하게, 상기 제2 음극은, 상기 이차전지용 전극 조립체의 이상 고온 발생시 주변의 온도가 미리 설정된 설정온도 이상으로 상승되면, 상기 제2 음극의 양측면 중 어느 한 측면에 적층된 양극에서 멀어지는 방향으로 변형하여 해당 양극과의 사이에 저항공간을 발생시킬 수 있다. Preferably, the second negative electrode is deformed in a direction away from the positive electrode stacked on either side of either side of the second negative electrode when the ambient temperature rises above a preset temperature when an abnormally high temperature of the secondary battery electrode assembly occurs. Thus, a resistance space may be generated between the anode and the corresponding anode.
상기 제2 음극은, 상기 이차전지용 전극 조립체의 온도가 정상온도로 회복되면, 상기 제2 음극의 변형이 초기 형상으로 회복하여 해당 양극과의 사이에 발생된 저항공간을 제거할 수 있다.When the temperature of the electrode assembly for a secondary battery is restored to a normal temperature, the deformation of the second negative electrode is restored to an initial shape, and the resistance space generated between the second negative electrode and the corresponding positive electrode can be removed.
상기 음극들 중 적어도 하나는 상기 제2 음극으로 제공될 수 있고, 상기 음극들 중 나머지는 상기 제1 음극으로 제공될 수 있다. 이때, 적어도 하나의 상기 제2 음극은 상기 양극들의 적층 방향을 따라 상기 양극들의 중간층에 배치될 수 있다.At least one of the negative electrodes may serve as the second negative electrode, and the rest of the negative electrodes may serve as the first negative electrode. In this case, at least one second negative electrode may be disposed in an intermediate layer of the positive electrodes along the stacking direction of the positive electrodes.
상기 제2 음극은 단수개 또는 복수개의 상기 양극을 중간에 두고 한 쌍이 서로 대칭되게 배치될 수 있다.A pair of the second cathodes may be disposed symmetrically with a single number or a plurality of the anodes in the middle.
바람직하게, 상기 양극은 한 종류의 금속판으로 형성된 양극 집전체의 표면에 양극 활물질을 도포한 구조로 마련될 수 있다. 상기 제1 음극은 한 종류의 금속판으로 형성된 제1 음극 집전체의 표면에 음극 활물질을 도포한 구조로 마련될 수 있다. 상기 제2 음극은 열팽창계수가 다른 두 종류의 금속판을 포개어 붙인 바이메탈로 형성된 제2 음극 집전체의 표면에 음극 활물질을 도포한 구조로 마련될 수 있다.Preferably, the positive electrode may be provided with a structure in which a positive electrode active material is coated on the surface of a positive electrode current collector formed of one type of metal plate. The first negative electrode may be provided with a structure in which a negative electrode active material is coated on a surface of a first negative electrode current collector formed of one type of metal plate. The second anode may have a structure in which an anode active material is coated on a surface of a second anode current collector formed of a bimetal in which two types of metal plates having different thermal expansion coefficients are overlapped and attached.
상기 양극 집전체는 알루미늄(Al) 재질의 금속판으로 형성될 수 있다. 상기 제1 음극 집전체는 구리(Cu) 재질의 금속판으로 형성될 수 있다. 상기 제2 음극 집전체는, 열팽창계수가 작은 니켈(Ni) 또는 철(Fe) 재질의 비팽창 금속판, 및 상기 비팽창 금속판과 면접합되고 열팽창계수가 큰 구리(Cu) 합금 재질의 팽창 금속판으로 형성될 수 있다.The cathode current collector may be formed of a metal plate made of aluminum (Al). The first negative current collector may be formed of a metal plate made of copper (Cu). The second anode current collector includes a non-expandable metal plate made of nickel (Ni) or iron (Fe) having a small coefficient of thermal expansion, and an expandable metal plate made of a copper (Cu) alloy material that is face-joined with the non-expandable metal plate and has a large coefficient of thermal expansion. can be formed
상기 제2 음극은, 상기 양극과의 사이에 저항공간을 발생시키도록 상기 비팽창 금속판을 해당 양극과 마주보게 배치시키는 방향으로 적층될 수 있다. The second cathode may be stacked in a direction in which the non-expandable metal plate faces the anode so as to generate a resistance space between the cathode and the anode.
바람직하게, 상기 설정온도는 40~60℃로 설정될 수 있다.Preferably, the set temperature may be set to 40 ~ 60 ℃.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 바에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.Meanwhile, according to another aspect of the present invention, a secondary battery including the electrode assembly according to the above is provided.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지는, 전극 조립체의 음극들을 제1 음극과 제2 음극으로 제공하되 제2 음극은 주변 온도의 변화에 따라 형상이 변화되는 구조로 형성하므로, 전극 조립체의 이상 고온 발생시 제2 음극의 형상이 변형됨에 따라 제2 음극과 양극의 사이에 저항공간을 발생시킬 수 있고, 해당 저항공간의 발생으로 인하여 전극 조립체의 내부 저항을 증가시킬 수 있으며, 해당 전극 조립체의 내부 저항을 증가로 인하여 전극 조립체의 전류량이 감소됨에 따라 열 폭주 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. An electrode assembly for a secondary battery according to an embodiment of the present invention and a secondary battery including the same have a structure in which the negative electrodes of the electrode assembly are provided as a first negative electrode and a second negative electrode, but the shape of the second negative electrode changes according to a change in ambient temperature. Therefore, as the shape of the second negative electrode is deformed when an abnormally high temperature occurs in the electrode assembly, a resistance space may be generated between the second negative electrode and the positive electrode, and the internal resistance of the electrode assembly may be increased due to the generation of the resistance space. In addition, as the current amount of the electrode assembly decreases due to the increase in the internal resistance of the corresponding electrode assembly, the thermal runaway phenomenon can be effectively prevented.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지는, 전극 조립체의 음극 중 제2 음극을 바이메탈 구조로 형성하는 간단한 구조 변경만으로 전극 조립체의 이상 고온 발생에 따른 열 폭주 현상을 효과적으로 차단할 수 있고, 그에 따라 전극 조립체의 이상 고온 발생에 대하여 전극 조립체를 안정적으로 보호할 수 있다.In addition, the electrode assembly for a secondary battery according to an embodiment of the present invention and the secondary battery including the same have a thermal runaway phenomenon due to the occurrence of an abnormally high temperature of the electrode assembly by simply changing the structure of forming the second negative electrode of the negative electrode of the electrode assembly in a bimetal structure. can be effectively blocked, and thus the electrode assembly can be stably protected against abnormally high temperatures.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지는, 전극 조립체의 이상 고온 발생시 제2 음극이 바이메탈 특성에 따라 변형하면서 제2 음극과 양극 사이에 저항공간을 만드는 구조이므로, 전극 조립체의 내부 저항을 증가시켜 전극 조립체의 전류량을 감소시킬 수 있고, 그로 인하여 전극 조립체의 열 폭주 현상을 효과적으로 방지하여 전극 조립체의 폭발 위험을 방지할 수 있다. In addition, the electrode assembly for a secondary battery according to an embodiment of the present invention and the secondary battery including the same have a structure in which a resistance space is created between the second negative electrode and the positive electrode while the second negative electrode is deformed according to the bimetallic characteristics when an abnormally high temperature occurs in the electrode assembly. , The amount of current of the electrode assembly may be reduced by increasing the internal resistance of the electrode assembly, thereby effectively preventing the thermal runaway phenomenon of the electrode assembly, thereby preventing the risk of explosion of the electrode assembly.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지는, 제2 음극 집전체를 바이메탈 재질로 형성하는 간단한 제조 방법으로 전극 조립체의 제2 음극을 간편하게 제작할 수 있고, 전극 조립체의 이상 고온 발생시 주변 온도가 설정온도 이상으로 올라가면 제2 음극이 바이메탈 특성에 따라 변형하면서 제2 음극과 양극의 사이에 저항공간을 형성함으로써 전극 조립체의 열 폭주 현상을 구조적으로 간단하게 방지할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 기존의 이차전지에 사용되는 과열 방지용 회로나 과열 방지용 구조물을 별도로 추가할 필요가 없으므로, 전극 조립체의 열 폭주 현상을 단순한 구조와 간단한 제조 방법 및 적은 생산 비용으로 방지할 수 있다. In addition, the electrode assembly for a secondary battery according to an embodiment of the present invention and the secondary battery including the same can conveniently manufacture the second negative electrode of the electrode assembly by a simple manufacturing method of forming the second negative electrode current collector with a bimetal material, and the electrode assembly When the ambient temperature rises above the set temperature when an abnormally high temperature occurs, the second cathode is deformed according to the bimetallic characteristics and a resistance space is formed between the second cathode and the anode, so that the thermal runaway phenomenon of the electrode assembly can be structurally and simply prevented. . Therefore, in this embodiment, since there is no need to separately add an overheating prevention circuit or overheating prevention structure used in conventional secondary batteries, the thermal runaway phenomenon of the electrode assembly can be prevented with a simple structure, a simple manufacturing method, and low production cost. there is.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 전극 조립체가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 이차전지용 전극 조립체에 대하여 이상 고온 발생시 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 이차전지용 전극 조립체의 주요부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 이차전지용 전극 조립체의 주요부에 대하여 이상 고온 발생시 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3과 도 4에 도시된 제2 음극의 제2 음극 집전체에 대한 작동 상태를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 10은 도 1에 도시된 이차전지용 전극 조립체의 변형예들을 나타낸 도면이다.1 is a schematic view of an electrode assembly for a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an operating state of the electrode assembly for a secondary battery shown in FIG. 1 when an abnormally high temperature occurs.
FIG. 3 is a view schematically showing a main part of the electrode assembly for a secondary battery shown in FIG. 1 .
FIG. 4 is a view showing an operating state when an abnormally high temperature occurs with respect to the main part of the electrode assembly for a secondary battery shown in FIG. 3 .
FIG. 5 is a diagram showing an operating state of the second negative electrode current collector of the second negative electrode shown in FIGS. 3 and 4 .
6 to 10 are views showing modified examples of the electrode assembly for a secondary battery shown in FIG. 1 .
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the examples. Like reference numerals in each figure indicate like elements.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 전극 조립체(100)가 개략적으로 도시된 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 이차전지용 전극 조립체(100)에 대하여 이상 고온 발생시 작동 상태를 나타낸 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 이차전지용 전극 조립체(100)의 주요부를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 이차전지용 전극 조립체(100)의 주요부에 대하여 이상 고온 발생시 작동 상태를 나타낸 도면이며, 도 5는 도 3과 도 4에 도시된 제2 음극(140)의 제2 음극 집전체(142)에 대한 작동 상태를 나타낸 도면이다. 도 6 내지 도 10은 도 1에 도시된 이차전지용 전극 조립체(100)의 변형예들을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a schematic view of an
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지(미도시)는, 복수개의 음극(120)과 양극(110)을 교대로 적층한 구조로 마련된 전극 조립체(100), 및 전극 조립체(100)를 수용하기 위한 전지 케이스(미도시)를 포함할 수 있다.A secondary battery (not shown) according to an embodiment of the present invention has an
여기서, 전극 조립체(100)는 전기의 충전 또는 방전이 이루어지는 구성으로서, 음극과 양극을 상하 방향으로 서로 교차되게 적층한 구조로 형성될 수 있다. 전극 조립체(100)의 평면 형상은 사각형의 평면 구조로 형성되는 것이 일반적이지만, 이에 한정되는 것은 아니며 원형, 타원형 또는 오각형 등과 같이 다양한 형상의 평면 구조로 형성될 수도 있다.Here, the
전극 조립체(100)는 양극(110)과 음극(120) 사이에 배치되는 분리막(미도시)을 더 포함할 수 있다. 하지만, 최근에는 전고체 이차전지 등과 같이 분리막이 생략된 전극 조립체(100)가 연구 개발되고 있다. The
그리고, 전지 케이스는 전극 조립체(100)의 외부를 둘러싸는 형상으로 마련될 수 있다. 상기와 같은 전지 케이스의 내부에는 전극 조립체(100)와 함께 전해액이 밀봉 수납될 수 있다.And, the battery case may be provided in a shape surrounding the outside of the
한편, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 이차전지가 리튬이온 이차전지인 것으로 설명하되, 이차전지를 구성하는 분리막과 전지 케이스 및 전해액 등이 본 발명의 기술 사상과 밀접한 연관이 없기 때문에 분리막과 전지 케이스 및 전해액에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. Meanwhile, in this embodiment, the secondary battery is described as a lithium ion secondary battery for convenience of explanation, but since the separator, battery case, and electrolyte constituting the secondary battery are not closely related to the technical idea of the present invention, the separator and the battery A detailed description of the case and the electrolyte will be omitted.
이하에서는, 본 발명의 기술 사상과 밀접한 연관성을 갖는 전극 조립체(100)를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 전극 조립체(100)는, 복수개가 적층 구조로 배치된 음극(120), 및 음극(120)들 사이에 각각 배치되는 양극(110)을 포함할 수 있다.1 to 5, the
여기서, 양극(110)과 음극(120)은 얇은 시트 형상으로 형성되어 전극 조립체(100)의 하부에서 상측을 향해 교대로 복수개가 적층될 수 있다. 상기와 같은 양극(110)과 음극(120)의 적층 개수는 이차전지의 설계 조건 및 성능 요건 등에 따라 적절하게 결정될 수 있다.Here, the
이하, 본 실시예에서는 전극 조립체(100)에 대한 설명의 편의를 위하여 전극 조립체(100)가 20개의 양극(110)과 21개의 음극(120)에 의해 적층된 구조인 것으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 양극(110)과 음극(120)의 적층 개수는 다양하게 변경할 수 있다. Hereinafter, in this embodiment, for convenience of description of the
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예의 양극(110)은 한 종류의 금속판으로 형성된 양극 집전체(112)의 표면에 양극 활물질(114)을 도포한 구조로 마련될 수 있다. 양극 집전체(112)는 알루미늄(Al) 재질의 금속판으로 형성될 수 있고, 양극 활물질(114)은 양극 집전체(112)의 상면과 하면에 슬러리 형태로 도포될 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 4 , the
양극(110)은 20개를 상하 방향으로 적층시킨 구조로 마련될 수 있다. 즉, 전극 조립체(100)의 최하층에는 1층 양극(110a)이 배치될 수 있고, 전극 조립체(100)의 최상층에는 20층 양극(110t)이 배치될 수 있다. 또한, 1층 양극(110a)과 20층 양극(110t) 사이에는 전극 조립체(100)의 하부에서 상부를 따라 2층 양극(110b), 3층 양극(110c), ···, 8층 양극(110h), 9층 양극(110i), 10층 양극(110j), 11층 양극(110k), ···, 18층 양극(110r), 19층 양극(110s)이 차례로 배치될 수 있다. 여기서, 1층 양극(110a) 내지 20층 양극은 모두 서로 동일한 구조로 형성될 수 있다.The
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예의 음극(120)은, 주변 온도의 변화에 따라 형상이 변화되지 않는 제1 음극(130), 및 주변 온도의 변화에 따라 형상이 변화되는 제2 음극(140)으로 제공될 수 있다.1 to 5 , the
전극 조립체(100)를 구성하는 음극(120)들 중 적어도 하나는 제2 음극(140)으로 제공될 수 있고, 전극 조립체(100)를 구성하는 음극(120)들 중 나머지는 제1 음극(130)으로 제공될 수 있다. 이때, 적어도 하나의 제2 음극(140)은 양극(110)들이 적층되는 전극 조립체(100)의 두께 방향(예컨대, 상하 방향)을 따라 양극(110)들의 중간층에 배치될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 한 쌍의 제2 음극(140)이 전극 조립체(100)의 중간층에 배치되는 것으로 설명한다. 상기와 같은 한 쌍의 제2 음극(140)은 단수개 또는 복수개의 양극(110)을 중간에 두고 서로 대칭되게 배치될 수 있다. At least one of the
음극(120)들은 21개를 상하 방향으로 적층시킨 구조로 마련되되, 그러한 음극(120)들의 사이에 단수개의 양극(110)이 각각 배치될 수 있다. 즉, 전극 조립체(100)의 최하층에는 1층 음극(120a)이 배치될 수 있고, 전극 조립체(100)의 최상층에는 21층 음극(120u)이 배치될 수 있다. 또한, 1층 음극(120a)과 21층 음극(120u) 사이에는 전극 조립체(100)의 하부에서 상부를 향해 2층 음극(120b), 3층 음극(120c), ···, 8층 음극(120h), 9층 음극(120i), 10층 음극(120j), 11층 음극(120k), ···, 18층 음극(120r), 19층 음극(120s), 20층 음극(120t)이 차례로 배치될 수 있다. 여기서, 1층 양극(110a)~8층 음극(120h), 10층 음극(120j) 및 12층 음극(120b)~21층 음극(120u)은 제1 음극(130)에 해당될 수 있고, 9층 음극(120i)과 11층 음극(120k)은 제2 음극(140)에 해당될 수 있다.The
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 음극(130)은 한 종류의 금속판으로 형성된 제1 음극 집전체(132)의 표면에 음극 활물질(134)을 도포한 구조로 마련될 수 있다. 상기와 같은 제1 음극(130)은 전극 조립체(100)의 이상 고온 발생시 주변 온도가 미리 설정된 설정온도 이상으로 상승하더라도 형상이 변형되지 않는다.As shown in FIGS. 1 to 4 , the first
여기서, 제1 음극 집전체(132)는 구리(Cu) 재질의 금속판으로 형성될 수 있다.Here, the first negative
그리고, 음극 활물질(134)은 제1 음극 집전체(132)의 상면 또는 하면 중 적어도 어느 한 면에 슬러리 형태로 도포될 수 있다. 구체적으로, 제1 음극(130)들 중 1층 음극(120a)은 제1 음극 집전체(132)의 상면에만 음극 활물질(134)이 도포되는 구조이고, 제1 음극(130)들 중 21층 음극(120u)은 제1 음극 집전체(132)의 하면에만 음극 활물질(134)이 도포되는 구조이다. 또한, 제1 음극(130)들 중 1층 음극(120a)와 21층 음극(120u)을 제외한 다른 제1 음극(120b~120h, 120j, 120k~120t)들은 제1 음극 집전체(132)의 상면과 하면에 음극 활물질(134)이 각각 도포되는 구조이다.In addition, the negative electrode
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 음극(140)은 열팽창계수가 다른 두 종류의 금속판을 포개어 붙인 바이메탈로 형성된 제2 음극 집전체(142)의 표면에 음극 활물질(144)을 도포한 구조로 마련될 수 있다. 제2 음극(140)은 전극 조립체(100)의 이상 고온 발생시 주변 온도가 미리 설정된 설정온도 이상으로 상승하면 바이메탈 특성에 따라 형상이 변형될 수 있다. 상기와 같은 설정온도는 40~60℃로 설정될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 이차전지용 전극 조립체(100)의 설계 조건 및 사용 환경 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다.As shown in FIGS. 1 to 5 , the
여기서, 제2 음극 집전체(142)는, 열팽창계수가 작은 재질의 비팽창 금속판(144), 및 열팽창계수가 큰 재질의 팽창 금속판(146)으로 형성될 수 있다. 비팽창 금속판(144)과 팽창 금속판(146)은 서로 면접합된 형태로 제작되되, 주변의 온도가 미리 설정된 설정온도 이상으로 상승되면 바이메탈 특성에 따라 팽창 금속판(146)이 있는 방향으로 볼록하게 굴곡될 수 있다.Here, the second anode
비팽창 금속판(144)은 열팽창계수가 작은 니켈(Ni) 또는 철(Fe) 재질로 형성될 수 있고, 팽창 금속판(146)은 열팽창계수가 큰 구리(Cu) 합금 재질의 형성될 수 있다. 상기와 같이 팽창 금속판(146)은 제1 음극 집전체(132)와 유사한 재질의 구리 합금으로 제조되므로, 제2 음극 집전체(142)는 제1 음극 집전체(132)와 유사한 음극 집전체의 성능을 발휘하는 것이 가능하다.The
그리고, 음극 활물질(144)은 제2 음극 집전체(142)의 상면과 하면에 슬러리 형태로 도포될 수 있다. 구체적으로, 제2 음극(140)에 해당하는 9층 음극(120i)과 11층 음극(120k)은 제2 음극 집전체(142)의 상면과 하면에 음극 활물질(144)이 각각 도포되는 구조이다. 이때, 제2 음극(140)의 음극 활물질(144)은 제1 음극(130)의 음극 활물질(134)과 동일하게 형성될 수 있다.In addition, the negative electrode
한편, 본 실시예에서는, 제2 음극(140)이 이웃하게 적층된 양극(110)과의 사이에 저항공간(S)을 발생시키기 위해 해당 양극(110)에 대해 비팽창 금속판(144)이 마주보는 방향으로 배치될 수 있다. 즉, 본 실시예의 제2 음극(140)은, 전극 조립체(100)의 중간층에 배치된 양극(110)을 중심으로 양극(110)의 상측과 하측에 각각 하나씩 배치되되, 이상 고온 발생시 해당 양극(110)에서 서로 반대 방향으로 굴곡 변형되도록 해당 양극(110)을 기준으로 대칭되게 반대 방향으로 배치될 수 있다.On the other hand, in this embodiment, the
구체적으로, 전극 조립체(100)의 중간층에는 9층 양극(110i)과 10층 양극(110j)이 배치되되, 9층 양극(110i)과 10층 양극(110j)은 10층 음극(120j)을 중간에 두고 10층 음극(120j)의 하면과 상면에 각각 밀착된 상태이다. 제2 음극(140)의 9층 음극(120i)은 9층 양극(110i)의 하면에 밀착되되, 비팽창 금속판(144)이 9층 양극(110i)의 하면과 마주보는 방향으로 배치될 수 있다. 제2 음극(140)의 11층 음극(120k)은 10층 양극(110j)의 상면에 밀착되되, 비팽창 금속판(144)이 10층 양극(110j)의 상면과 마주보는 방향으로 배치될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 제2 음극(140)의 9층 음극(120i)과 11층 음극(120k)이 9층 양극(110i)과 10층 양극(110j)을 기준으로 서로 대칭되게 마련될 수 있다.Specifically, the 9-
상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 전극 조립체(100)의 작동 및 작용 효과를 살펴보면 다음과 같다. Looking at the operation and effect of the
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 전극 조립체(100)는, 복수개의 양극(110)과 음극(120)를 하나씩 교대로 적층하여 제조하되, 전극 조립체(100)의 중간층에서는 적어도 하나의 양극(110)을 기준으로 해당 양극(110)의 상측과 하측에 바이메탈 특성을 갖는 제2 음극(140)을 배치시키고, 전극 조립체(100)의 다른 부위에서는 제1 음극(130)과 양극(110)을 하나씩 교대로 배치시킨다.1 to 5, the
이때, 전극 조립체(100)로 적층될 양극(110)들은 양극 매거진에 적층된 형태로 보관된 상태로서, 양극 매거진에 보관된 양극(110)들을 하나씩 인출하여 전극 조립체(100)의 음극(120)에 순차적으로 적층한다. At this time, the
또한, 전극 조립체(100)로 적층될 음극(120)들은 음극 매거진에 적층된 형태로 보관된 상태로서, 제1 음극(130)들과 제2 음극(140)들을 전극 조립체(100)의 적층 구조에 따라 음극 매거진에 미리 순차적으로 보관하고, 음극 매거진에 보관된 제1 음극(130)들과 제2 음극(140)들을 하나씩 인출하여 전극 조립체(100)의 최하층 또는 양극(110)에 순차적으로 적층한다.In addition, the
한편, 전극 조립체(100)의 이상 고온 발생시 주변의 온도가 미리 설정된 설정온도 이상으로 상승되면, 제2 음극(140)이 제2 음극(140)의 상면과 하면 중 어느 한 면에 적층된 양극(110)에서 멀어지는 방향으로 변형하여 해당 양극(110)과의 사이에 저항공간(S)을 발생시킬 수 있다.On the other hand, when the temperature of the
상기와 같이 서로 이웃하게 적층된 제2 음극(140)과 양극(110) 사이에 저항공간(S)이 발생되면, 전극 조립체(100)의 내부 저항이 증가하여 전류량을 감소시킬 수 있고, 전류량의 감소로 인하여 전극 조립체(100)의 열 폭주 현상을 미연에 방지할 수 있다. 그러므로, 이차전지의 폭발 위험도 방지하여 이차전지 또는 전극 조립체의 안전성을 증대시킬 수 있다.As described above, when a resistance space (S) is generated between the
그런 다음에, 전극 조립체(100)의 온도가 정상온도로 회복되면, 제2 음극(140)이 변형된 상태에서 초기 형상으로 회복하여 해당 양극(110)과의 사이에 발생된 저항공간(S)을 최초 상태와 같이 제거할 수 있다.Then, when the temperature of the
상기와 같이 이상 고온 상태에서 정상 상태로 복귀됨에 따라 제2 음극(140)과 양극(110) 사이에 발생된 저항공간(S)을 제거하면, 해당 저항공간(S)에 의한 전극 조립체(100)의 전류량 감소를 방지하여 정상 상태에서 전극 조립체(100)의 작동 성능을 불필요하게 제약하는 문제를 방지한다. As described above, when the resistance space (S) generated between the
결론적으로, 본 실시예의 전극 조립체(100)는, 제2 음극(140)에 바이메탈 특성을 적용하는 설계 구조적 전극 조립체의 제작방법에 의하여 이상 고온 발생시 전극 조립체(100)를 과열로부터 보호할 수 있다. 즉, 온도 특성에 따라 한쪽 방향으로 휘어지는 성질을 가지고 있는 바이메탈 기술을 제2 음극(140)으로 적용하여 제2 음극(140)들과 양극(110)들 사이에 최소 1개 이상의 저항공간(S)을 발생시키고, 이상 고온 발생시 제2 음극(140)과 양극(110) 사이에 발생된 저항공간(S)이 내부 저항으로 작용하여 저항 증가에 따른 전류량의 감소를 구현하며, 전극 조립체(100)의 열 폭주 현상을 미연에 방지하여 이차전지의 안전성을 증대시킨다.In conclusion, the
전극 조립체(100)의 경우에는, 전류로 인하여 온도가 상승하고, 그 온도 상승으로 인해 열 폭주 현상이 발생하여 폭발의 위험을 초래한다. 하지만, 본 발명에서는 전극 조립체(100)의 온도가 설정온도(예컨대, 50℃)보다 높아지는 경우에 제2 음극(140)의 바이메탈 특성에 따라 전극 조립체(100)의 내부 저항을 증대시킴으로써 전류의 흐름을 강제로 끊어주는 효과가 있다.In the case of the
도 6 내지 도 10에는 본 발명의 일실시예에 따른 전극 조립체(100)의 변형예들이 도시되어 있다.6 to 10 show modified examples of the
도 6과 도 7를 참조하면, 도 6과 도 7의 전극 조립체(100)에서는, 전극 조립체(100)의 중간층에 배치된 단수개 또는 3개 이상의 양극(110)이 한 쌍의 제2 음극(140) 사이에 배치시킨 구조로 마련될 수 있다. 즉, 도 6의 전극 조립체(100)는 한 쌍의 제2 음극(140) 사이에 단수개의 양극(110)이 배치된 구조이고, 도 7의 전극 조립체(100)는 한 쌍의 제2 음극(140) 사이에 3개의 양극(110)이 배치된 구조이다. 따라서, 전극 조립체(100)의 설계 조건 및 상황에 따라 전극 조립체(100)의 중간층에 배치되는 한 쌍의 제2 음극(140)의 배치 구조를 적절하게 결정하는 것이 가능하다.6 and 7, in the
도 8를 참조하면, 도 8의 전극 조립체(100)에서는, 전극 조립체(100)의 상부층과 중간층 및 하부층에 한 쌍의 제2 음극(140)(A)을 배치시킨 구조로 마련될 수 있다. 즉, 양극(110)과 음극(120)의 적층 개수가 대폭 증가할 경우, 도 1 내지 도 4와 같이 전극 조립체(100)의 중간층에만 한 쌍의 제2 음극(140)을 배치하는 것만으로는 전극 조립체(100)의 이상 고온 현상을 효과적으로 방지하기 어려울 것으로 판단된다. 그 때문에, 본 실시예에서는 한 쌍의 제2 음극(140)(A)이 전극 조립체(100)의 중간층 뿐만 아니라 전극 조립체(100)의 상부층과 하부층에도 배치함으로써 전극 조립체의 이상 고온 현상을 더 효과적으로 방지하는 것이 가능하다.Referring to FIG. 8 , in the
도 9를 참조하면, 도 9의 전극 조립체(100)에서는, 전극 조립체(100)의 음극(120)들 중 제2 음극(140)을 일정 적층 패턴으로 하나씩 배치시킨 구조로 마련될 수 있다. 즉, 도 9에서는 제2 음극(140)을 음극(120)들의 적층 순서에 따라 3배수의 적층 위치에 각각 배치된 구조이다. 일례로, 2개의 제1 음극(130)을 먼저 적층한 후 1개의 제2 음극(140)을 적층하는 방식으로 전극 조립체(100)의 음극(120)들을 적층할 수 있다. 특히, 전극 조립체(100)의 설계 조건 및 상황을 고려하여 제1 음극(130)과 제2 음극(140)의 적층 패턴(예컨대, 제1 음극(130)과 제2 음극(140)을 3:1 또는 4:1 등의 비율로 적층하는 패턴)을 적절하게 결정할 수 있다.Referring to FIG. 9 , in the
도 10를 참조하면, 도 10의 전극 조립체(100)에서는, 제1 음극(130)이 전극 조립체(100)의 음극(120)들의 최하층과 최상층에 배치시킴과 아울러 제2 음극(140)이 전극 조립체(100)의 음극(120)들의 최하층과 최상층을 제외한 다른 층들에 모두 배치시킨 구조로 마련될 수 있다. 즉, 제1 음극(130)이 전극 조립체(100)의 하부층과 상부층에 각각 배치될 수 있고, 제2 음극(140)은 전극 조립체(100)의 하부층과 상부층 사이에 연속적으로 배치될 수 있다. 따라서, 도 10의 전극 조립체(100)에서는 이상 고온 발생시 전극 조립체(100)의 내부에 다수의 저항공간(S)을 형성하여 열 폭주 현상을 더 효과적으로 방지할 수 있다.Referring to FIG. 10, in the
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. As described above, the embodiments of the present invention have been described with specific details such as specific components and limited embodiments and drawings, but these are provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is limited to the above embodiments. It is not, and those skilled in the art can make various modifications and variations from these descriptions. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be determined, and all things equivalent or equivalent to the claims as well as the following claims belong to the scope of the present invention.
100: 이차전지용 전극 조립체
110: 양극
112: 양극 집전체
114: 양극 활물질
120: 음극
130: 제1 음극
132: 제1 음극 집전체
134: 음극 활물질
140: 제2 음극
142: 제2 음극 집전체
144: 음극 활물질
S: 저항공간100: electrode assembly for secondary battery
110: anode
112: positive current collector
114: cathode active material
120: cathode
130: first cathode
132: first negative current collector
134 negative electrode active material
140: second cathode
142: second negative electrode current collector
144: negative electrode active material
S: resistance space
Claims (10)
상기 음극들은, 주변 온도의 변화에 따라 형상이 변화되지 않는 제1 음극; 및 주변 온도의 변화에 따라 형상이 변화되는 제2 음극;으로 제공되는 이차전지용 전극 조립체.
a plurality of cathodes disposed in a laminated structure; And an anode disposed between the cathodes, respectively,
The cathodes may include a first cathode whose shape does not change with a change in ambient temperature; and a second negative electrode whose shape changes according to a change in ambient temperature.
상기 제2 음극은,
상기 이차전지용 전극 조립체의 이상 고온 발생시 주변의 온도가 미리 설정된 설정온도 이상으로 상승되면, 상기 제2 음극의 양측면 중 어느 한 측면에 적층된 양극에서 멀어지는 방향으로 변형하여 해당 양극과의 사이에 저항공간을 발생시키는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
According to claim 1,
The second cathode,
When an abnormally high temperature of the secondary battery electrode assembly occurs, when the ambient temperature rises above a preset temperature, the second negative electrode is deformed in a direction away from the positive electrode stacked on either side of both sides of the second negative electrode, forming a resistance space between the positive electrode and the corresponding positive electrode. Electrode assembly for a secondary battery, characterized in that for generating.
상기 제2 음극은,
상기 이차전지용 전극 조립체의 온도가 정상온도로 회복되면, 상기 제2 음극의 변형이 초기 형상으로 회복하여 해당 양극과의 사이에 발생된 저항공간을 제거하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
According to claim 2,
The second cathode,
When the temperature of the secondary battery electrode assembly is restored to a normal temperature, the deformation of the second negative electrode is restored to an initial shape to remove the resistance space generated between the corresponding positive electrode and the secondary battery electrode assembly.
상기 음극들 중 적어도 하나는 상기 제2 음극으로 제공되고, 상기 음극들 중 나머지는 상기 제1 음극으로 제공되며,
적어도 하나의 상기 제2 음극은 상기 양극들의 적층 방향을 따라 상기 양극들의 중간층에 배치되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
According to claim 3,
At least one of the negative electrodes serves as the second negative electrode, and the other of the negative electrodes serves as the first negative electrode,
At least one second negative electrode assembly for a secondary battery, characterized in that disposed in the middle layer of the positive electrodes along the stacking direction of the positive electrodes.
상기 제2 음극은 단수개 또는 복수개의 상기 양극을 중간에 두고 한 쌍이 서로 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
According to claim 4,
The second cathode is a secondary battery electrode assembly, characterized in that a pair is disposed symmetrically with each other with a single or a plurality of the cathode in the middle.
상기 양극은 한 종류의 금속판으로 형성된 양극 집전체의 표면에 양극 활물질을 도포한 구조로 마련되고,
상기 제1 음극은 한 종류의 금속판으로 형성된 제1 음극 집전체의 표면에 음극 활물질을 도포한 구조로 마련되며,
상기 제2 음극은 열팽창계수가 다른 두 종류의 금속판을 포개어 붙인 바이메탈로 형성된 제2 음극 집전체의 표면에 음극 활물질을 도포한 구조로 마련된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
According to claim 2,
The positive electrode is provided with a structure in which a positive electrode active material is coated on the surface of a positive electrode current collector formed of one type of metal plate,
The first negative electrode has a structure in which a negative electrode active material is coated on the surface of a first negative electrode current collector formed of one type of metal plate,
The second negative electrode assembly for a secondary battery, characterized in that provided with a structure in which a negative electrode active material is coated on the surface of a second negative electrode current collector formed of a bimetal formed by overlapping two types of metal plates having different thermal expansion coefficients.
상기 양극 집전체는 알루미늄(Al) 재질의 금속판으로 형성되고, 상기 제1 음극 집전체는 구리(Cu) 재질의 금속판으로 형성되며,
상기 제2 음극 집전체는, 열팽창계수가 작은 니켈(Ni) 또는 철(Fe) 재질의 비팽창 금속판; 및 상기 비팽창 금속판과 면접합되고, 열팽창계수가 큰 구리(Cu) 합금 재질의 팽창 금속판;으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
According to claim 6,
The positive electrode current collector is formed of a metal plate made of aluminum (Al), and the first negative electrode current collector is formed of a metal plate made of copper (Cu).
The second negative electrode current collector may include a non-expandable metal plate made of nickel (Ni) or iron (Fe) having a small coefficient of thermal expansion; and an expanded metal plate made of a copper (Cu) alloy material that is face-joined with the non-expandable metal plate and has a large coefficient of thermal expansion.
상기 제2 음극은,
상기 양극과의 사이에 저항공간을 발생시키도록 상기 비팽창 금속판을 해당 양극과 마주보게 배치시키는 방향으로 적층되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
According to claim 7,
The second cathode,
An electrode assembly for a secondary battery, characterized in that the non-expandable metal plate is stacked in a direction facing the corresponding anode so as to generate a resistance space between the anode and the anode.
상기 설정온도는 40~60℃로 설정되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
According to claim 2,
The set temperature is a secondary battery electrode assembly, characterized in that set to 40 ~ 60 ℃.
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