KR20230090675A - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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KR20230090675A
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황창묵
나희수
유가영
이무형
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에스케이온 주식회사
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Abstract

예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는, 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스 내에 상기 전극 조립체와 함께 수용된 전해액, 및 상기 케이스 내에 삽입되어 보충용 전해액을 공급하도록 배치되는 전해액 저장 유닛을 포함할 수 있다.

Description

리튬 이차 전지{LITHIUM SECONDARY BATTERY}
본 발명의 리튬 이차 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 양극 및 상기 양극과 대향하는 음극을 포함하는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 함침시키는 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 예를 들어, 리튬 이차 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지 등이 있다.
리튬 이차 전지는 작동 전압 및 단위 중량당 에너지 밀도가 높고, 충전 속도 및 경량화에 유리하다는 점에서 활발히 개발 및 적용되고 있다.
예를 들면, 저용량의 리튬 이차 전지는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 기기의 동력원으로 사용될 수 있으며, 고용량의 리튬 이차 전지는 하이브리드 자동차 등의 대형 전자 기기의 동력원으로 사용될 수 있다.
예를 들면, 리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 함침하는 전해액을 수용하는 케이스를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 양극, 상기 음극 및 상기 전해액의 전기 화학적 반응을 통해 리튬 이차 전지의 충전 및 방전이 가능하다.
예를 들면, 리튬 이차 전지를 반복적으로 충방전하는 경우, 부반응에 의해 상기 전해액의 변성이 발생하여, 리튬 이차 전지 내부의 전해액 양이 점진적으로 감소될 수 있다. 이에 따라, 리튬 이차 전지의 용량 보유율이 점진적으로 감소하여, 수명이 종료될 수 있다.
예를 들면, 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0132856호는 리튬 이차 전지에 전해액을 보충하는 방법에 대해 개시하고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0132856호
본 발명의 일 과제는 전해액의 보충이 가능하여, 수명이 향상된 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 양극 및 상기 양극과 대향하는 음극을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 상기 케이스 내에 상기 전극 조립체와 함께 수용된 전해액; 및 상기 케이스 내에 삽입되어 보충용 전해액을 공급하도록 배치되는 전해액 저장 유닛을 포함할 수 있다.
상기 전해액 저장 유닛은, 관형 구조를 갖는 제1 바디 및 상기 제1 바디에 형성된 제1 홀들을 포함하는 제1 유닛; 및 관형 바디 및 상기 관형 바디에 형성된 서브 홀들을 포함하며, 상기 서브 홀들이 상기 제1 홀들과 어긋나도록 상기 제1 유닛 내로 삽입된 서브 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전해액 저장 유닛은 관형 구조를 갖는 제2 바디 및 상기 제2 바디에 형성된 제2 홀들을 포함하는 제2 유닛을 더 포함하고, 상기 제2 유닛은 상기 제2 홀들 중 적어도 하나가 상기 제1 홀들 중 적어도 하나와 중첩되도록 상기 제1 유닛 및 상기 서브 유닛 사이에 삽입될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 홀들은 상기 서브 홀들과 어긋나도록 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 바디의 내면 및 상기 제2 바디의 외면 각각은 서로 체결될 수 있도록 스크류 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 유닛은 제1 열팽창 계수를 갖고, 상기 제2 유닛은 상기 제1 열팽창 계수와 상이한 제2 열팽창 계수를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 열팽창 계수는 상기 제1 열팽창 계수보다 클 수 있다.
일 실시예에 있어서, -20℃ 이하 또는 40℃ 이상의 온도에서, 상기 제2 유닛은 상기 제1 유닛으로부터 물리적으로 분리 가능할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 서브 유닛은 상기 제1 유닛의 양단부들로 각각 삽입되는 제1 서브 유닛 및 제2 서브 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전해액 저장 유닛은 상기 제1 서브 유닛의 일단부에 결합된 제1 패킹부; 및 상기 제2 서브 유닛의 일단부에 결합된 제2 패킹부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 서브 유닛 및 상기 제2 서브 유닛은 제1 유닛의 길이 방향으로 서로 이격되도록 상기 제1 유닛 내에 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 서브 유닛 및 상기 제2 서브 유닛은 상기 서브 홀들 중 적어도 하나가 상기 제1 홀들 중 적어도 하나와 중첩되도록 상기 길이 방향으로 외력에 의해 이동 가능할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 케이스는 상기 전극 조립체 및 상기 전해액을 수용하는 제1 스페이스; 상기 전해액 저장 유닛이 삽입되는 제2 스페이스; 및 상기 제1 스페이스 및 상기 제2 스페이스 사이에서 상기 보충용 전해액이 이동 가능한 통로부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 스페이스는 상기 전극 조립체의 길이 방향으로 연장할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 통로부는 상기 보충용 전해액의 배출에 의한 압력에 의해 개방 가능한 실링 라인부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지의 전해액 보충 방법은, 상기 리튬 이차 전지를 준비하는 단계; 및 상기 전해액의 적어도 일부가 소모되면, 상기 보충용 전해액을 상기 전해액 저장 유닛으로부터 상기 전극 조립체의 주변으로 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 보충용 전해액을 배출하는 단계는, 상기 서브 홀들 중 적어도 하나가 상기 제1 홀들 중 적어도 하나와 중첩되도록 상기 서브 유닛을 이동시키는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전해액 저장 유닛은 관형 구조를 갖는 제2 바디 및 상기 제2 바디에 형성된 제2 홀들을 포함하는, 제2 유닛을 더 포함하고, 상기 제2 유닛은 상기 제2 홀들 중 적어도 하나가 상기 제1 홀들 중 적어도 하나와 중첩되도록 상기 제1 유닛 및 상기 서브 유닛 사이에 삽입될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 리튬 이차 전지를 냉각 또는 승온시켜, 상기 보충용 전해액을 배출한 상기 전해액 저장 유닛에서, 상기 제1 유닛 및 상기 제2 유닛 사이에 유격을 형성하는 단계; 보충용 전해액이 충전된 제2 유닛 및 서브 유닛을 포함하는, 교체 유닛을 준비하는 단계; 및 상기 제1 유닛 내에 상기 보충용 전해액이 충전된 교체 유닛을 삽입하여, 상기 보충용 전해액을 배출한 상기 제2 유닛 및 상기 서브 유닛을 상기 제1 유닛으로부터 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는, 케이스의 본방(main-chamber)에 수용된 전극 조립체 및 전해액; 및 보충용 전해액을 포함하는 전해액 저장 유닛을 포함할 수 있다. 상기 본방의 전해액이 소모되면, 상기 전해액 저장 유닛은 상기 본방에 상기 보충용 전해액을 공급할 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리 셀은 향상된 수명 특성을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는, 상기 본방의 밀폐성을 유지한 채 상기 본방에 상기 보충용 전해액을 공급할 수 있다. 이에 따라, 전해액 보충시 외부 공기 및 수분 침투에 의한 리튬 이차 전지의 손상을 방지할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는, 상기 본방의 밀폐성을 유지한 채 상기 전해액 저장 유닛에 보충용 전해액을 추가할 수 있다. 이에 따라, 상기 리튬 이차 전지는 보다 향상된 수명을 가질 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지의 개략적인 평면 투시도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 제1 유닛을의 개략적인 평면도이다.
도 3 및 도 4는 각각, 예시적인 실시예들에 따른 제1 서브 유닛 및 제2 서브 유닛의 개략적인 평면도이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 제2 유닛의 개략적인 평면도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 제2 유닛이 제1 유닛에 삽입된 구조를 개략적으로 나타낸 평면 투시도이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 제1 서브 유닛 및 제2 서브 유닛이 제2 유닛에 삽입된 구조를 개략적으로 나타낸 평면 투시도이다.
도 8은 예시적 실시예들에 따른 제2 유닛, 제1 서브 유닛 및 제2 서브 유닛에 의해 형성된 밀폐 공간이 개방되는 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 예시적 실시예들에 따른 제2 유닛 내지 제2 서브 유닛을 교체하는 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 전극 조립체의 개략적인 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지에 대해 상세히 설명한다. 다만, 도면 및 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 리튬 이차 전지(1)는 전극 조립체(150); 전극 조립체(150)를 함침하는 전해액(미도시); 보충용 전해액을 포함하는 전해액 저장 유닛(5); 및 전극 조립체(150), 상기 전해액 및 전해액 저장 유닛(5)를 수용하는 케이스(160)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전해액 저장 유닛(5)은 전극 조립체(150)와 인접하게(adjacent) 케이스(160) 내에 삽입될 수 있다.
예를 들면, 케이스(160)는 전극 조립체(150) 및 전극 조립체(150)를 함침하는 전해액을 수용하는 제1 스페이스(172); 및 전해액 저장 유닛(5)이 삽입되는 제2 스페이스(174)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(150)의 길이 방향 및 전해액 저장 유닛(5)의 길이 방향은 평행할 수 있다.
예를 들면, 전극 조립체(150)의 길이 방향은 양극(또는 음극)의 장변 방향과 평행한 방향을 의미할 수 있다.
또한, 예를 들면, 전해액 저장 유닛(5)의 길이 방향은 전해액 저장 유닛(5)이 셀 케이스(160)에 삽입되는 방향과 평행한 방향을 의미할 수 있다. 마찬가지로, 후술하는 제1 유닛(10)의 길이 방향, 제2 유닛(20)의 길이 방향 및 서브 유닛(제1 서브 유닛 및 제2 서브 유닛)의 길이 방향은 전해액 저장 유닛(5)이 셀 케이스(160)에 삽입되는 방향과 평행한 방향을 의미할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제2 스페이스(174)는 전극 조립체(150)의 길이 방향으로 연장될 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(150)의 길이 방향의 길이 및 전해액 저장 유닛(5)의 길이 방향의 길이는 서로 상응할 수 있다.
예를 들면, 케이스(160)는 제1 스페이스(172) 및 제2 스페이스(174) 사이에 통로부(176)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 통로부(176)를 통해 상기 전해액 저장 유닛(5)에 수용된 상기 보충용 전해액이 제2 스페이스(174)에서 제1 스페이스(172)로 이동할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 케이스(160)는 외주부에 실링부 및 비실링부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 케이스(160)는 3개의 실링부(162, 164, 166) 및 비실링부(168)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 비실링부(168)는 하나의 시트가 폴딩되어 형성될 수 있다.
예를 들면, 제1 스페이스(172)는 밀폐 공간을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 스페이스(174)는 밀폐 공간 또는 적어도 일단이 개방된 공간을 포함할 수 있다.
예를 들면, 전해액 저장 유닛(5)의 외면(예를 들면, 하기 제1 유닛의 외면)은 상기 보충용 전해액이 케이스(160) 외부로 누출되지 않도록 제2 스페이스(174)의 내면과 밀착되어 있을 수 있다.
전해액 저장 유닛(5)은 제1 유닛(10) 및 제1 유닛(10) 내에 삽입된 서브 유닛을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 유닛(10)은 관형 구조를 갖는 제1 바디(12) 및 상기 제1 바디에 형성된 제1 홀들(14)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 바디(12)는 양단부가 개방된 관형 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 홀들(14) 중 적어도 하나는 통로부(176)과 연결될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 홀들(14)은 제1 유닛(10)의 길이 방향을 따라 제1 바디(12)에 일렬로 형성되어 있을 수 있다.
상기 서브 유닛은 관형 구조를 갖는 바디(이하, 관형 바디로 약칭함) 및 상기 관형 바디에 형성된 서브 홀들을 포함하며, 상기 서브 홀들이 제1 홀들(14)과 어긋나도록 제1 유닛(10)에 삽입되어 있을 수 있다. 이에 따라, 제1 유닛(10) 및 상기 서브 유닛 내에 밀폐 공간이 형성될 수 있다. 상기 밀폐 공간에 상기 보충용 전해액이 수용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 서브 홀들은 상기 서브 유닛의 길이 방향을 따라 상기 관형 바디에 일렬로 형성되어 있을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 서브 유닛은 제1 서브 유닛(30) 및 제2 서브 유닛(40)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 서브 유닛(30) 및 제2 서브 유닛(40)은 제1 유닛(10)의 양단부들로 각각 삽입될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 서브 유닛(30) 및 제2 서브 유닛(40)은 제1 유닛(10)의 길이 방향으로 서로 이격되도록 제1 유닛(10) 내에 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 서브 유닛(30)은 제1 관형 바디(32) 및 제1 관형 바디(32)에 형성된 제1 서브 홀들(34)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 관형 바디(32)는 일단부가 밀폐되고 타단부(길이 방향을 기준으로 상기 일단부의 반대쪽의 단부)가 개방된 관형 구조를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 서브 홀들(34)은 제1 서브 유닛(30)의 길이 방향을 따라 제1 관형 바디(32)에 일렬로 형성되어 있을 수 있다.
도 4를 참조하면, 제2 서브 유닛(40)은 제2 관형 바디(42) 및 제2 관형 바디(42)에 형성된 제2 서브 홀들(44)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 관형 바디(32)는 일단부가 밀폐되고 타단부가 개방된 관형 구조를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 서브 홀들(44)은 제2 서브 유닛(40)의 길이 방향을 따라 제2 관형 바디(42)에 일렬로 형성되어 있을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 전해액 저장 유닛(5)은 제1 유닛(10) 및 상기 서브 유닛 사이에 삽입된 제2 유닛(20)을 더 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2 유닛(20)은 관형 구조를 갖는 제2 바디(22) 및 제2 바디(22)에 형성된 제2 홀들(24)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 바디(22)는 양단부가 개방된 관형 구조를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 홀들(24)은 제2 유닛(20)의 길이 방향을 따라 제2 바디(22)에 일렬로 형성되어 있을 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2 유닛(20)은 제2 홀들(24)의 적어도 하나가 제1 홀들(14) 중 적어도 하나와 중첩되도록 제1 유닛(10) 내에 삽입될 수 있다. 제2 유닛(20) 내에 서브 유닛(30, 40, 도 6에는 미도시)이 삽입될 수 있다. 이에 따라, 제2 유닛(20)은 제1 유닛(10) 및 상기 서브 유닛 사이에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 유닛(10) 및 제2 유닛(20)은 서로 동일한 개수의 홀들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 홀들(14) 및 제2 홀들(24)은 각각 중첩되도록 배치될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 서브 유닛(30) 및 제2 서브 유닛(40)은 제2 유닛(20) 내에 삽입되어 있을 수 있다. 예를 들면, 제1 서브 유닛(30) 및 제2 서브 유닛(40)은 제2 유닛의 양단부들로부터 각각 삽입될 수 있다. 예를 들면, 제1 서브 유닛(30) 및 제2 서브 유닛(40)은 제2 유닛(20)의 길이 방향으로 서로 이격되도록 제2 유닛(20) 내에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 홀들, 제2 홀들, 제1 서브 홀들 및 제2 서브 홀들(12, 22, 32, 43)은 제1 유닛(10)의 길이 방향을 따라 일렬로 배치되어 있을 수 있다.
예를 들면, 제1 서브 유닛(30)의 상기 밀폐된 일단부 및 제2 서브 유닛(40)의 상기 밀폐된 일단부가 케이스(160)의 외부를 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 제2 홀들(24), 제1 서브 유닛의 홀들(34) 및 제2 서브 유닛의 홀들(44)은 서로 어긋나도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 제2 유닛(20), 제1 서브 유닛(30) 및 제2 서브 유닛(40) 내에 밀폐 공간(50)이 형성될 수 있다. 밀폐 공간(50)에 상기 보충용 전해액이 수용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 서브 유닛(30)은 일단부에 결합된 제1 패킹부(36)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 패킹부(36)는 제1 관형 바디(32)의 상기 밀폐된 일단부 측의 외면 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 패킹부(36)는 제2 유닛(20) 및 제1 서브 유닛(30) 사이에 배치될 수 있다. 제1 패킹부(36)에 의해 밀폐 공간(50)의 밀폐성이 향상될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 패킹부(36)는 제1 관형 바디(32)의 상기 밀폐된 일단부 측의 외면을 감싸도록 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 서브 유닛(40)은 일단부에 결합된 제2 패킹부(46)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 패킹부(46)는 제2 관형 바디(42)의 상기 밀폐된 일단부 측의 외면 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 제2 패킹부(46)는 제2 유닛(20) 및 제2 서브 유닛(40) 사이에 배치될 수 있다. 제2 패킹부(46)에 의해 밀폐 공간(50)의 밀폐성이 향상될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 패킹부(46)는 제2 관형 바디(42)의 상기 밀폐된 일단부 측의 외면을 감싸도록 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 서브 유닛(30) 및 제2 서브 유닛(40) 각각은 상기 일단부의 반대측 단부(즉, 타단부)에도 패킹부들이 결합되어 있을 수 있다. 이에 따라, 밀폐 공간(50)의 밀폐성이 보다 향상될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 패킹부의 소재는 탄성 소재일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 탄성 소재는 천연 고무, 합성 고무, 탄성 중합체 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 탄성 중합체는 폴리올레핀계 탄성 중합체, 우레탄계 탄성 중합체, 스티렌계 블록 공중합체, 염화비닐계 탄성 중합체, 염화 폴리에틸렌계 탄성 중합체, 폴리에스테르계 탄성 중합체, 폴리아미드계 탄성 중합체, 불소계 탄성 중합체, 실리콘계 탄성 중합체 등을 포함할 수 있다. 이들 중 상기 전해액에 대한 화학적 내성이 있는 물질이 바람직하다.
일 실시예에 있어서, 상기 패킹부의 소재는 폴리올레핀계 수지일 수 있다. 예를 들면, 상기 폴리올레핀계 수지는 폴리에틸렌 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 리튬 이차 전지(1)를 반복적으로 충방전하는 경우, 제1 스페이스(172)에 수용된 상기 전해액의 적어도 일부가 소진될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 서브 유닛(30) 및 제2 서브 유닛(40) 중 적어도 하나는, 외력에 의해, 제1 유닛(10)의 내부에서, 밀폐 공간(50)의 부피가 축소되는 방향(예를 들면, 제1 유닛의 길이 방향)으로 이동 가능할 수 있다.
예를 들면, 제1 서브 유닛(30)의 이동에 따라, 제1 서브 홀들(34) 중 적어도 하나는 제1 홀들(14) 중 적어도 하나와 서로 중첩되도록 배치되어, 밀폐 공간(50)이 개방될 수 있다. 예를 들면, 제2 서브 유닛(40)의 이동에 따라, 제2 서브 홀들(44) 중 적어도 하나는 제1 홀들(14) 중 적어도 하나와 서로 중첩되도록 배치되어, 밀폐 공간(50)이 개방될 수 있다.
예를 들면, 상기 보충용 전해액은 제1 서브 홀들(34) 및 제2 서브 홀들(44) 중 적어도 하나, 제1 홀들(14) 중 적어도 하나 및 통로부(176)를 통과하여 제1 스페이스(172)로 배출될 수 있다.
도 8(A) 및 도 8(B)를 참조하여, 예시적인 실시예들에 따른 전해액 보충 메커니즘을 보다 상세히 설명한다.
도 8(A)를 참조하면, 제1 서브 유닛(30)의 상기 밀폐된 일단부 및 제2 서브 유닛(40)의 상기 밀폐된 일단부는 각각 케이스(160)의 외부를 향하도록 배치될 수 있다. 또한, 제2 홀들(24), 제1 서브 홀들(34) 및 제2 서브 홀들(44)은 서로 어긋나도록 배치되어, 제2 유닛(20), 제1 서브 유닛(30) 및 제2 서브 유닛(40) 내에 밀폐 공간(50)을 형성할 수 있다. 밀폐 공간(50)에 보충용 전해액이 수용될 수 있다.
도 8(B)를 참조하면, 외력에 의해, 제2 유닛(20)의 내부에서, 제1 서브 유닛(30) 및 제2 서브 유닛(40)이 밀폐 공간(50)의 부피가 축소되는 방향(예를 들면, 제2 유닛의 길이 방향)으로 이동하여, 제2 홀들(24), 제1 서브 홀들(34) 및 제2 서브 홀들(44) 중 적어도 하나가 중첩되도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 밀폐 공간(50)이 개방될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 홀들(14) 및 제2 홀들(24)은 서로 중첩되어 배치되어 있을 수 있다. 따라서, 밀폐 공간(50)이 개방되면, 상기 보충용 전해액은 제1 홀들(14) 및 통로부(176)을 통해 제1 스페이스(172)로 이동될 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 제1 스페이스(172)의 밀폐성을 유지하며 전해액을 보충할 수 있다. 이에 따라, 전해액 보충시 외부 공기 및 수분 침투에 의한 리튬 이차 전지의 손상을 방지할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 1과 같이, 통로부(176)는 실링 라인부(178)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 스페이스(172)의 밀폐성을 보다 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 실링 라인부(178)는 상기 보충용 전해액의 배출에 따른 압력에 의해 개방될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 유닛(10)은 제1 열팽창 계수를 갖고, 제2 유닛(20)은 상기 제1 열팽창 계수와 상이한 제2 열팽창 계수를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 열팽창 계수는 선팽창 계수를 의미할 수 있다.
예를 들면, 전해액 저장 유닛(5)이 소정 온도 이하(예를 들면, -20℃, 바람직하게는 -30℃ 이하) 또는 소정 온도 이상(예를 들면, 40℃ 이상, 바람직하게는 50℃ 이상)에 노출되는 경우, 제1 유닛(10) 및 제2 유닛(20) 사이에 유격이 발생할 수 있다. 예를 들면, 전해액 저장 유닛(5)을 소정의 온도까지 냉각 또는 승온시켜 제1 유닛(10) 및 제2 유닛(20) 사이에 유격을 형성할 수 있다.
예를 들면, 상기 유격에 의해 제1 유닛(10)으로부터 제2 유닛(20)이 물리적으로 분리될 수 있다. 예를 들면, 상온에서는 상기 유격이 형성되지 않아 제1 유닛(10)의 손상없이 제1 유닛(10)으로부터 제2 유닛(20)이 물리적으로 분리되지 않을 수 있다. 예를 들면, 제2 유닛(20)과 함께 상기 서브 유닛도 제1 유닛(10)으로부터 분리될 수 있다.
일부 실시예들에서, -30℃ 내지 -20℃에서 제1 유닛(10)으로부터 제2 유닛(20) 및 제2 유닛(20)이 물리적으로 분리될 수 있다.
또는, 일부 실시예들에서, 40℃ 내지 50℃에서 제1 유닛(10)으로부터 제2 유닛(20) 및 제2 유닛(20)이 물리적으로 분리될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 유닛(10) 및 상기 보충용 전해액이 소진된 제2 유닛(20) 사이에 유격을 형성하여, 상기 보충용 전해액이 소진된 제2 유닛(20) 및 상기 서브 유닛을 제1 유닛(10)으로부터 분리할 수 있다. 상기 보충용 전해액이 소진된 제2 유닛(20)에 보충용 전해액을 새롭게 충전하여 제1 유닛(10)에 다시 삽입할 수 있다. 다만, 이 경우, 제1 스페이스(172)의 밀폐성을 유지하기 위해, 실링 라인부(178)를 재형성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 보충용 전해액이 충전된 제2 유닛(20') 및 서브 유닛을 포함하는 교체 유닛(60)을 별도로 준비하여, 제1 유닛(10)에 삽입할 수 있다.
도 9(케이스는 간략히 도시함)를 참조하면, 제1 유닛(10) 및 상기 보충용 전해액이 소진된 제2 유닛(20) 사이에 유격을 형성할 수 있다. 교체 유닛(60)을 제1 유닛(10) 내에 삽입하여, 상기 보충용 전해액이 소진된 제2 유닛(20)을 제1 유닛(10)으로부터 밀어냄으로써 분리할 수 있다. 상기 서브 유닛은 제2 유닛(20)과 함께 제1 유닛(10)으로부터 분리될 수 있다. 이 경우, 제1 스페이스(172)의 밀폐성을 유지하며 상기 교체가 수행될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 교체는 저온 조건(예를 들면, -20℃ 이하, 또는 -30℃ 이하) 또는 고온 조건(예를 들면, 40℃ 이상, 또는 50℃ 이상)에서 수행될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 교체는 저온 조건에서 수행될 수 있다. 이 경우, 고온 조건에서 전해액이 변질되는 것을 방지할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 열팽창 계수 및 상기 제2 열팽창 계수의 차의 절대값은 5 ㎛/K 이상, ㎛/K 이상, 또는 20 ㎛/K 이상일 수 있다. 상기 범위에서, 리튬 이차 전지의 열화없이 상기 분리 과정을 진행할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 열팽창 계수 및 상기 제2 열팽창 계수의 차의 절대값은 50 ㎛/K 이하, 40 ㎛/K 이하, 또는 30 ㎛/K 이하일 수 있다. 상기 범위에서, 제1 스페이스(172)의 밀폐성을 향상시킬 수 있다. 상기 범위에서, 상기 분리 과정 중 제1 스페이스(172)에 외부 공기 및 수분이 침투하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 리튬 이차 전지는 반복 충방전시 발열에 의해 고온 환경이 조성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 열팽창 계수는 상기 제1 열팽창 계수보다 클 수 있다. 이 경우, 저온에서 제1 유닛(10) 및 제2 유닛(20) 사이에 유격이 형성될 수 있고, 고온에서는 유격이 형성되지 않을 수 있다. 이에 따라, 전해액 저장 유닛(5)의 고온 내구성이 향상될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 유닛(10) 및 제2 유닛(20) 각각은, 스테인레스 스틸, 구리, 아연, 알루미늄, 망간, 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 철, 은, 등의 금속; EP(Engineering plastic), PET 등의 고분자; 및 Al2O3, TiO2 등의 세라믹을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 사용되거나 2 이상이 조합되어 사용될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 제1 유닛(10)은 스테인레스 스틸을 포함할 수 있고, 제2 유닛(20)은 알루미늄을 포함할 수 있다.
예를 들면, 제1 유닛(10), 제2 유닛(20) 및 상기 서브 유닛의 소재는 상기 보충용 전해액에 대해 내화학성이 있는 물질일 수 있다(예를 들면, 상기 보충용 전해액과 부반응이 진행되지 않음).
일부 실시예들에서, 상기 서브 유닛은 스테인레스 스틸, 구리, 아연, 알루미늄, 망간, 텅스텐, 몰리브덴, 니켈, 철, 은, 등의 금속; EP(Engineering plastic), PET 등의 고분자; 및 Al2O3, TiO2 등의 세라믹을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 사용되거나 2 이상이 조합되어 사용될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 상기 서브 유닛은 스테인레스 스틸, 알루미늄 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 바디(12)의 내면 및 제2 바디(22)의 외면 각각은, 서로 체결될 수 있는 스크류 구조(16, 26)를 포함할 수 있다. 이 경우, 밀폐 공간(50)의 밀폐성을 보다 향상시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 스페이스(174)는 비실링부(168) 측에 형성될 수 있다. 이에 따라, 전해액 저장 유닛(5)을 제2 스페이스(174)에 밀착 삽입하는 것이 용이하며, 제2 유닛(20) 내지 제2 서브 유닛(40)의 반복적인 탈착에 대한 내구성을 확보할 수 있다.
도 10는 예시적인 실시예들에 따른 전극 조립체(150)을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
예를 들면, 전극 조립체(150)은 양극(100) 및 양극(100)과 대향하는 음극(130)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 양극(100)은 양극 집전체(105) 및 양극 집전체(105) 상의 양극 활물질층(110)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 양극 활물질층(110)은 양극 활물질, 필요에 따라, 양극 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.
예를 들면, 양극 집전체(105)는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 양극 활물질은 리튬 이온의 가역적인 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 양극 활물질은 리튬 금속 산화물 입자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 양극 바인더 및 상기 도전재는 당 분야에 공지된 것들이 제한없이 채용될 수 있다.
예를 들면, 음극(130)은 음극 집전체(125) 및 음극 집전체(125) 상의 음극 활물질층(120)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 음극 활물질층(120)은 음극 활물질, 필요에 따라, 음극 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.
예를 들면, 음극 집전체(125)는 금, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 음극 활물질은 리튬 이온을 흡장 및 탈리할 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 음극 활물질은 리튬 합금, 탄소계 활물질, 실리콘계 활물질 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 양극 바인더 및 상기 도전재는 당 분야에 공지된 것들이 제한없이 채용될 수 있다.
예를 들면, 양극(100) 및 음극(130) 사이에 분리막(140)이 개재될 수 있다.
예를 들면, 분리막(140)은 당 분야에 공지된 것들이 제한없이 채용될 수 있다.
예를 들면, 양극(100), 음극(130) 및 분리막(140)을 교대로 반복 적층되어 전극 조립체(150)가 형성될 수 있다. 예를 들면, 분리막(140)의 권취(winding), 적층(lamination), 지그재그-접음(z-folding) 등에 의해 전극 조립체(150)가 형성될 수 있다.
도 1 및 10을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 양극(100)과 연결되며, 케이스(160)의 외부로 돌출되는 양극 리드(107); 및 음극(130)과 연결되며, 케이스(160)의 외부로 돌출되는 음극 리드(127)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 양극(100)과 양극 리드(107)는 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 마찬가지로, 음극(130)과 음극 리드(127)은 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
예를 들면, 양극 리드(107)는 양극 집전체(105)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 음극 리드(130)는 음극 집전체(125)와 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들면, 양극 집전체(105)는 일측에 돌출된 양극 탭(106)을 포함할 수 있다. 양극 탭(106) 상에는 양극 활물질층(110)이 형성되어 있지 않을 수 있다. 양극 탭(106)은 양극 집전체(105)와 일체이거나, 용접 등에 의해 연결되어 있을 수 있다. 양극 탭(106)을 통해 양극 집전체(105) 및 양극 리드(107)가 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
예를 들면, 음극 집전체(125)는 일측에 돌출된 음극 탭(126)을 포함할 수 있다. 음극 탭(126) 상에는 음극 활물질층(120)이 형성되어 있지 않을 수 있다. 음극 탭(126)은 음극 집전체(125)와 일체이거나, 용접 등에 의해 연결되어 있을 수 있다. 음극 탭(126)을 통해 음극 집전체(125) 및 음극 리드(127)가 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
예를 들면, 전극 조립체(150)는 복수의 양극들 및 복수의 음극들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 복수의 양극들은 각각 양극 탭을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 복수의 음극들은 각각 음극 탭을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 양극 탭들(또는, 음극 탭들)은 적층, 압착 및 용접되어 양극 탭 적층체(또는, 음극 탭 적층체)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 양극 탭 적층체는 양극 리드(107)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 음극 탭 적층체는 음극 리드(127)과 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들면, 상기 전해액 및 보충용 전해액은 리튬염, 유기 용매, 필요에 따라 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬염, 유기 용매 및 첨가제는 당 분야에 공지된 것들이 제한없이 채용될 수 있다.
1: 리튬 이차 전지 5: 전해액 저장 유닛
10: 제1 유닛 12: 제1 바디
14: 제1 홀 16, 26: 스크류 구조
20: 제2 유닛 22: 제2 바디
24: 제2 홀 30: 제1 서브 유닛
32: 제1 관형 바디 34: 제1 서브 홀
36: 제1 패킹부 40: 제2 서브 유닛
42: 제2 관형 바디 44: 제2 서브 홀
46: 제2 패킹부 50: 밀폐 공간
60: 교체 유닛 100: 양극
105: 양극 집전체 110: 양극 활물질층
120: 음극 활물질층 125: 음극 집전체
130: 음극 140: 분리막
150: 전극 조립체 160: 케이스
162, 164, 166: 실링부 168: 비실링부
172: 제1 스페이스 174: 제2 스페이스
176: 통로부 178: 실링 라인부

Claims (18)

  1. 양극 및 상기 양극과 대향하는 음극을 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;
    상기 케이스 내에 상기 전극 조립체와 함께 수용된 전해액; 및
    상기 케이스 내에 삽입되어 보충용 전해액을 공급하도록 배치되는 전해액 저장 유닛을 포함하고,
    상기 전해액 저장 유닛은,
    관형 구조를 갖는 제1 바디 및 상기 제1 바디에 형성된 제1 홀들을 포함하는 제1 유닛; 및
    관형 바디 및 상기 관형 바디에 형성된 서브 홀들을 포함하며, 상기 서브 홀들이 상기 제1 홀들과 어긋나도록 상기 제1 유닛 내로 삽입된 서브 유닛을 포함하는, 리튬 이차 전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전해액 저장 유닛은 관형 구조를 갖는 제2 바디 및 상기 제2 바디에 형성된 제2 홀들을 포함하는, 제2 유닛을 더 포함하고,
    상기 제2 유닛은 상기 제2 홀들 중 적어도 하나가 상기 제1 홀들 중 적어도 하나와 중첩되도록 상기 제1 유닛 및 상기 서브 유닛 사이에 삽입된, 리튬 이차 전지.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제2 홀들은 상기 서브 홀들과 어긋나도록 배치되는, 리튬 이차 전지.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 바디의 내면 및 상기 제2 바디의 외면 각각은 서로 체결될 수 있도록 스크류 구조를 갖는, 리튬 이차 전지.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 유닛은 제1 열팽창 계수를 갖고, 상기 제2 유닛은 상기 제1 열팽창 계수와 상이한 제2 열팽창 계수를 갖는, 리튬 이차 전지.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제2 열팽창 계수는 상기 제1 열팽창 계수보다 큰, 리튬 이차 전지.
  7. 청구항 5에 있어서, -20℃ 이하 또는 40℃ 이상의 온도에서, 상기 제2 유닛은 상기 제1 유닛으로부터 물리적으로 분리 가능한, 리튬 이차 전지.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 서브 유닛은 상기 제1 유닛의 양단부들로 각각 삽입되는 제1 서브 유닛 및 제2 서브 유닛을 포함하는, 리튬 이차 전지.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 전해액 저장 유닛은 상기 제1 서브 유닛의 일단부에 결합된 제1 패킹부; 및 상기 제2 서브 유닛의 일단부에 결합된 제2 패킹부를 더 포함하는, 리튬 이차 전지.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 제1 서브 유닛 및 상기 제2 서브 유닛은 제1 유닛의 길이 방향으로 서로 이격되도록 상기 제1 유닛 내에 배치되는, 리튬 이차 전지.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 제1 서브 유닛 및 상기 제2 서브 유닛은 상기 서브 홀들 중 적어도 하나가 상기 제1 홀들 중 적어도 하나와 중첩되도록 상기 길이 방향으로 외력에 의해 이동 가능한, 리튬 이차 전지.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 케이스는
    상기 전극 조립체 및 상기 전해액을 수용하는 제1 스페이스;
    상기 전해액 저장 유닛이 삽입되는 제2 스페이스; 및
    상기 제1 스페이스 및 상기 제2 스페이스 사이에서 상기 보충용 전해액이 이동 가능한 통로부를 포함하는, 리튬 이차 전지.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제2 스페이스는 상기 전극 조립체의 길이 방향으로 연장하는, 리튬 이차 전지.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 통로부는 상기 보충용 전해액의 배출에 의한 압력에 의해 개방 가능한 실링 라인부를 포함하는, 리튬 이차 전지.
  15. 청구항 1의 리튬 이차 전지를 준비하는 단계; 및
    상기 전해액의 적어도 일부가 소모되면, 상기 보충용 전해액을 상기 전해액 저장 유닛으로부터 상기 전극 조립체의 주변으로 배출하는 단계를 포함하는, 리튬 이차 전지의 전해액 보충 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 보충용 전해액을 배출하는 단계는,
    상기 서브 홀들 중 적어도 하나가 상기 제1 홀들 중 적어도 하나와 중첩되도록 상기 서브 유닛을 이동시키는 것을 포함하는, 리튬 이차 전지의 전해액 보충 방법.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 전해액 저장 유닛은 관형 구조를 갖는 제2 바디 및 상기 제2 바디에 형성된 제2 홀들을 포함하는, 제2 유닛을 더 포함하고,
    상기 제2 유닛은 상기 제2 홀들 중 적어도 하나가 상기 제1 홀들 중 적어도 하나와 중첩되도록 상기 제1 유닛 및 상기 서브 유닛 사이에 삽입된, 리튬 이차 전지의 전해액 보충 방법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 리튬 이차 전지를 냉각 또는 승온시켜, 상기 보충용 전해액을 배출한 상기 전해액 저장 유닛에서, 상기 제1 유닛 및 상기 제2 유닛 사이에 유격을 형성하는 단계;
    보충용 전해액이 충전된 제2 유닛 및 서브 유닛을 포함하는, 교체 유닛을 준비하는 단계; 및
    상기 제1 유닛 내에 상기 보충용 전해액이 충전된 교체 유닛을 삽입하여, 상기 보충용 전해액을 배출한 상기 제2 유닛 및 상기 서브 유닛을 상기 제1 유닛으로부터 분리하는 단계를 더 포함하는, 리튬 이차 전지의 전해액의 보충 방법.
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KR20110132856A (ko) 2010-06-03 2011-12-09 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지 및 이차 전지의 전해액 주입 방법

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