KR20230119472A - 발화억제 구조의 리튬이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발화억제 구조를 갖는 리튬이차전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 발화 현상을 억제할 수 있는 구조를 갖는 리튬이차전지를 제공하는 것이 특징이다.
Description
본 발명은 발화억제 구조를 갖는 리튬이차전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 발화 현상을 억제할 수 있는 구조를 갖는 리튬이차전지를 제공하는 것이 특징이다.
리튬이차전지는 대표적으로 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 포함하는 전지셀로 구성된다. 전지셀의 한 종류인 파우치 셀의 경우, 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 하나의 단위셀이 복수개로 적층된 전극 조립체를 전해질과 함께 파우치 형태의 전지 케이스에 수납한 형태를 가진다.
도 1은 종래의 파우치 셀 구조를 나타낸 것이다. 상기 도 1(a)을 참고하면, 리튬이차전지는 전극 리드(30), 절연 필름(20), 전극 조립체(10) 및 전지 케이스(40)를 포함한다. 상기 전지 케이스(40)는 전극 조립체(10)가 수용되는 수용부(Ac') 및 상기 수용부(Ac')의 테두리를 따라 전지 케이스(40)의 측면 방향으로 연장된 가장자리부(Ed')를 포함한다.
상기 파우치 셀은 전극 조립체(10)가 파우치 형태의 전지 케이스(40)에 수납된 형태를 가진다. 상기 전극 조립체(10)는 복수의 전극판이 적층된 것을 지칭하는데, 상기 전극판은 음극판 및 양극판으로 구성된다. 즉, 이와 같이 파우치 형태의 전지 케이스(40)에 수납되는 전극 조립체(10)는 양극판과 음극판이 교대로 적층된 것을 말한다. 이 때 상기 양극판과 음극판 사이는 분리막으로 분리된다. 이러한 전극판에는 각각의 극성에 따라 전극탭(11)이 연장되거나 연결된다. 이러한 전극탭(11)에는 다시 전극 리드(30)가 연결된다. 상기 전극탭(11)과 전극 리드(30)는 초음파 용접 등에 의해 접합된다.
절연 필름(20)은 전극 리드(30)와 전지 케이스(40)의 밀폐성과 절연성을 위해 상기 전극 리드(30) 상에 부착되며, 상부 전지 케이스(41) 및 하부 전지 케이스(42)의 접합부가 접합되어 밀봉될 때, 상부 전지 케이스(41) 및 하부 전지 케이스(42)의 접합부 사이에 개재 된다.
도 1(b)를 참고하면, 상부 전지 케이스(41) 및 하부 전지 케이스(42)가 접합되면, 상기 전지 케이스(40) 외부로 전극탭(11)에 연결되어 있던 전극 리드(30)가 돌출되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 상부 전지 케이스(41) 및 하부 전지 케이스(42)가 전극 조립체(10)를 밀봉함으로써 외부로부터 보호하게 된다.
한편, 상기 전지 케이스(40)가 하나의 단열재로 작용함에 따라 내부의 전극 조립체(10)에서 발생한 열을 밖으로 방출하지 못하는 경우가 발생하는데, 이로 인해 과열에 따른 리튬이차전지의 발화 현상이 발생할 수 있다. 구체적으로, 각각의 단위셀에서 발생한 열이 중첩됨에 따라 전지셀 내부의 온도가 상승하여 전지셀 내부가 과열된다.
일반적으로 리튬이차전지는 복수의 전극판을 적층시켜 포함하기 때문에 열이 전극 조립체(10)의 중심부로 모이게 되고, 상기 중심부의 온도는 기하급수적으로 상승하게 된다. 상기와 같이 리튬이차전지 내부가 높은 온도에 도달하게 되면 양극에서 열 폭주가 발생하게 되고, 이때 발생한 열로 인하여 리튬이차전지가 폭발할 위험성이 있다.
최근 리튬이차전지의 에너지 밀도를 증가시키는 추세이기 때문에 상기와 같이 단위셀에서 발생하는 열의 중첩에 따른 과열 현상을 억제할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 복수개의 단위셀에서 발생하는 열의 중첩에 의한 과열 현상을 해소할 목적을 갖는다.
본 발명에 의하면, 단위셀을 포함하는 제1 전극부, 단위셀을 포함하는 제2 전극부 및 방열부재를 포함하는 방열부로 구성된 전극 조립체; 및 상부 전지 케이스 및 하부 전지 케이스로 구성되고, 상기 전극 조립체를 수용하는 수용부 및 상기 수용부의 테두리를 따라 연장 형성된 접합부를 포함하는 전지 케이스; 를 포함하고, 상기 방열부는 상기 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 발화억제 구조의 리튬이차전지를 제공한다.
구체적으로, 상기 제1 전극부 및 제2 전극부는 각각 적어도 하나 이상의 단위셀을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1 전극부와 제2 전극부에 포함된 단위셀들의 개수는 서로 동일한 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 방열부와 상기 제1 전극부 사이 및 상기 방열부와 상기 제2 전극부 사이에는 분리막이 개재될 수 있다.
또한 상기 방열부가 복수의 방열부재를 포함하고, 상기 각 방열부재 사이에는 분리막이 개재될 수 있다.
바람직하게 상기 방열부재는 구리, 알루미늄, 니켈, 구리합금, 니켈합금, 티탄, 스테인리스스틸(SUS), 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 단위셀은 양극 집전체, 상기 양극 집전체의 일측 단부에서 인출된 양극탭 및 상기 양극 집전체의 표면에 코팅된 양극 합제를 포함하는 양극판; 음극 집전체, 상기 음극 집전체의 일측 단부에서 인출된 음극탭 및 상기 음극 집전체의 표면에 코팅된 음극 합제를 포함하는 음극판; 및 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재된 분리막; 을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 방열부재는 판상의 형상을 가지고, 상기 방열부재의 가로세로 길이는 상기 양극 집전체 또는 음극 집전체의 가로세로 길이를 초과하지 않는 것일 수 있다.
또한, 상기 방열부재는 상기 양극탭 및 음극탭 중 어느 하나에 대응되는 위치에서 인출된 방열탭을 더 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 방열부에 포함된 방열부재들의 전체 두께는 상기 양극 집전체 또는 음극 집전체의 두께 보다 두꺼운 것일 수 있다.
또한, 상기 방열부에 포함된 방열부재들의 전체 두께는 상기 양극 집전체 두께의 8배 이하인 것일 수 있다.
한편, 상기 양극탭은 상기 양극탭에 대응되는 위치의 방열탭과 연결되고, 상기 음극탭은 상기 음극탭에 대응되는 위치의 방열탭과 연결되는 것일 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 상기 방열부재는 상기 양극탭 및 음극탭이 위치하지 않은 일측 단부에서 인출된 방열핀을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 방열핀은 상기 전지 케이스의 접합부를 초과하지 않고, 상기 상부 전지 케이스 및 하부 전지 케이스의 접합부 사이에 개재될 수 있다.
본 발명에 의하면, 전지셀 내부의 전극 조립체에서 부분적으로 고온의 열이 발생하더라도 리튬이차전지의 과열 및 발화 현상을 억제할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 파우치 셀 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 리튬이차전지 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 단위셀 구성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 방열부 구성에 대한 예시를 보인 것이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 리튬이차전지의 전극 조립체 구성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 리튬이차전지의 방열부 구성을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 리튬이차전지 구성을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 리튬이차전지의 부분 단면도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예1 내지 실시예3의 전극 조립체 스택 구성을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 비교예1 및 비교예3의 전극 조립체 스택 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 리튬이차전지 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 단위셀 구성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 방열부 구성에 대한 예시를 보인 것이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 리튬이차전지의 전극 조립체 구성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 리튬이차전지의 방열부 구성을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 리튬이차전지 구성을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 리튬이차전지의 부분 단면도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예1 내지 실시예3의 전극 조립체 스택 구성을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 비교예1 및 비교예3의 전극 조립체 스택 구성을 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면과 여러 실시예에 의하여 본 발명의 세부 구성을 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 또한 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니며 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 리튬이차전지는 복수개의 단위셀을 포함하는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스를 포함한다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 리튬이차전지 구성을 나타낸 것이고, 도 4 내지 도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 리튬이차전지 구성을 나타낸 것이다.
이하, 상기 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 설명하도록 하겠다.
(제1 실시형태)
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 리튬이차전지 구성을 나타낸 것이다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 전지 케이스는 전극 조립체(100)를 수용할 수 있는 수용부를 포함하며, 상기 전극 조립체(100)를 상기 수용부에 삽입시켜 밀봉할 수 있는 구조를 갖는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로 상기 전지 케이스는 전극 조립체(100)의 상부를 덮는 상부 전지 케이스(210) 및 상기 전극 조립체(100)의 하부를 덮는 하부 전지 케이스(220)를 포함한다.
상기 상부 전지 케이스(210) 및 하부 전지 케이스(220) 중 적어도 어느 하나는 상기 전극 조립체(100)를 완전히 수용할 수 있는 수용부를 포함할 수 있다.
상기 상부 전지 케이스(210) 및 하부 전지 케이스(220)는 일체형으로 제작될 수 있으며, 또는 분리되어 제작될 수 있다. 이는 제조 의도에 따라 충분히 조절 가능하다.
본 발명에서는 상부 전지 케이스(210) 및 하부 전지 케이스(220) 각각이 수용부를 포함하는 예시를 들었다.
상기 전극 조립체(100)는 복수의 단위셀(110)을 포함하는 제1 전극부, 복수의 단위셀(110)을 포함하는 제2 전극부 및 상기 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 개재되고, 방열부재(130)를 포함하는 방열부를 포함한다.
상기 도 2를 참조하면, 방열부의 상부에 위치한 제1 전극부는 복수의 단위셀(110)을 적층하여 포함하고 있으며, 상기 방열부의 하부에 위치한 제2 전극부도 복수의 단위셀(110)을 적층하여 포함하고 있는 것을 알 수 있다.
상기 제1 전극부 및 제2 전극부는 각각 적어도 하나 이상의 단위셀(110)을 포함해야 하며, 바람직하게 상기 제1 전극부와 제2 전극부에 포함된 단위셀(110)들의 개수는 서로 동일해야 한다.
즉, 상기 방열부를 기준으로 상기 제1 전극부 및 제2 전극부가 대칭된 구조를 형성할 수 있다. 상기 제1 전극부 및 제2 전극부가 대칭된 구조를 가질수록 방열부는 전극 조립체(100) 내에서 두께 방향으로 중심부에 가깝게 위치할 수 있으며, 전극 조립체(100)의 중심부에 위치한 방열부가 상부에 위치한 제1 전극부 및 하부에 위치한 제2 전극부에서 발생한 열을 균등하게 흡수하여 외부로 방출이 원활해질 수 있다. 만약 제1 전극부 및 제2 전극부에 포함된 단위셀(110)의 개수가 크게 차이나서 상기 제1 전극부와 제2 전극부가 방열부를 사이에 두고 대칭 구조를 갖지 못하게 될 경우, 각각의 전극부에서 발생한 열이 어느 한쪽으로 쏠리게 되어 상기 방열부가 제대로 열을 흡수하지 못하게 된다.
상기 제1 전극부, 방열부 및 제2 전극부는 순차적으로 적층되어 하나의 전극 조립체(100)를 형성하게 되는데, 이때 각각의 구성은 분리막(120) 등에 의해 전기적으로 분리되는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 제1 전극부 및 방열부 사이에는 바람직하게 분리막(120)이 개재된다. 또한 상기 제2 전극부 및 방열부 사이에도 바람직하게 분리막(120)이 개재된다.
상기 제1 전극부 및 제2 전극부에 각각 포함되는 단위셀(110)은 양극판(111a), 음극판(111b) 및 분리막(112)을 포함한다.
도 3은 본 발명의 단위셀(110) 구성을 나타낸 것이다.
상기 도 3을 참조하면, 단위셀(110)은 크게 전극판 및 분리막(112)으로 구성된다.
상기 전극판은 전극 집전체, 상기 전극 집전체 상에 코팅된 전극 합제 및 상기 전극 집전체의 일측 단부에서 인출된 전극탭을 포함한다.
상기 전극판, 전극 집전체, 전극탭 및 전극 합제는 극성에 따라 두 가지의 종류로 구분될 수 있다. 구체적으로 상기 전극 합제는 양극 활물질을 포함하는 양극 합제(111a2) 및 음극 활물질을 포함하는 음극 합제(111b2)로 구성되고, 상기 전극 집전체는 양극 집전체(111a1) 및 분리막(112)을 기준으로 상기 양극 집전체(111a1)에 대칭되는 음극 집전체(111b1)로 구성된다. 더불어 상기 전극탭은 상기 양극 집전체(111a1)에서 인출된 양극탭(111a3) 및 상기 음극 집전체(111b1)에서 인출된 음극탭(111b3)으로 구성된다.
상기 전극판은 양극 집전체(111a1), 상기 양극 집전체(111a1)의 일측 단부에서 인출된 양극탭(111a3) 및 상기 양극 집전체(111a1)의 표면에 코팅된 양극 합제(111a2)를 포함하는 양극판(111a)과, 음극 집전체(111b1), 상기 음극 집전체(111b1)의 일측 단부에서 인출된 음극탭(111b3) 및 상기 음극 집전체(111b1)의 표면에 코팅된 음극 합제(111b2)를 포함하는 음극판(111b)을 포함한다.
상기 양극판(111a) 및 음극판(111b)은 요구되는 리튬이차전지의 용량에 따라 두께의 차이가 있을 수 있으나, 하나의 리튬이차전지에 사용되는 각 양극판(111a) 및 음극판(111b)은 바람직하게 동일한 두께를 가질 수 있다. 나아가 상기 양극판(111a)에 포함되는 양극 집전체(111a1) 및 음극판(111b)에 포함되는 음극 집전체(111b1)의 두께는 동일할 수 있다.
상기 양극 합제(111a2)는 상기 양극 집전체(111a1)의 일면 또는 양면에 코팅될 수 있으며, 이에 대해 본 발명에서 특별히 한정하지는 않겠다.
상기 양극 합제(111a2)는 바람직하게 양극 활물질, 도전재 및 바인더 등을 포함할 수 있으며, 상기 양극 합제(111a2)는 리튬이차전지 기술분야에서 일반적으로 이용되는 어떠한 양극 물질도 이용 가능하다.
상기 양극 집전체(111a1)는 전자의 이동 경로를 제공하고, 내부에서 발생한 열을 외부로 방출하고 또한 전극의 형상을 유지하는 지지체 역할을 수행한다.
상기 양극 집전체(111a1)는 리튬이차전지 기술분야에서 일반적으로 이용되는 어떠한 양극 집전체(111a1) 소재도 이용 가능하다. 일례로, 상기 양극 집전체(111a1)는 알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 양극 집전체(111a1)의 두께는 바람직하게 1㎛ 내지 20㎛ 이다.
상기 양극 집전체(111a1)의 일측 단부에서 인출된 양극탭(111a3)에는 양극 합제(111a2)가 코팅되지 않는 것이 바람직하다.
상기 음극 합제(111b2)는 상기 음극 집전체(111b1)의 일면 또는 양면에 코팅될 수 있으며, 이에 대해 본 발명에서 특별히 한정하지는 않겠다.
상기 음극 합제(111b2)는 바람직하게 음극 활물질, 도전재 및 바인더 등을 포함할 수 있으며, 상기 음극 합제(111b2)는 리튬이차전지 기술분야에서 일반적으로 이용되는 어떠한 음극 물질도 이용 가능하다.
상기 음극 집전체(111b1)는 전자의 이동 경로를 제공하고, 내부에서 발생한 열을 외부로 방출하고 또한 전극의 형상을 유지하는 지지체 역할을 수행한다.
상기 음극 집전체(111b1)는 리튬이차전지 기술분야에서 일반적으로 이용되는 어떠한 음극 집전체(111b1)의 소재도 이용 가능하다. 일례로, 상기 음극 집전체(111b1)는 구리를 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체(111b1)의 두께는 바람직하게 1㎛ 내지 20㎛ 이다.
상기 음극 집전체(111b1)의 일측 단부에서 인출된 음극탭(111b3)에는 음극 합제(111b2)가 코팅되지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 양극탭(111a3) 및 음극탭(111b3)은 서로 상하 방향으로 겹쳐지는 것을 피해야 한다. 이는 양극탭(111a3)은 양극탭(111a3)끼리, 음극탭(111b3)은 음극탭(111b3)끼리 묶어서 양극 리드 및 음극 리드에 각각 분리하여 결합시키기 위함이다.
상기 양극탭(111a3) 및 음극탭(111b3)은 전극 조립체(100)에서 동일한 방향으로 형성되어 위치할 수 있으며, 또는 서로 반대 방향으로 형성되어 위치할 수 있으나, 이에 대해 특별히 한정할 필요는 없다. 본 발명에서는 이해의 편의상 양극탭(111a3) 및 음극탭(111b3)이 전극 조립체(100)의 동일한 방향을 향하도록 형성된 것으로 가정하였다.
본 발명의 분리막(112, 120)은 리튬이차전지 기술분야에서 이용되는 어떠한 분리막(112, 120)도 사용가능하며, 이에 대해 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다.
본 발명의 전극 조립체(100)는 내부에서 발생된 열을 방열부를 통해 외부로 방출시킬 수 있는 구조를 갖는 것이 특징이다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 방열부는 판상의 형상을 갖는 방열부재(130)를 포함하는 것을 알 수 있다.
상기 방열부재(130)는 열을 잘 흡수할 수 있는 소재로 전지 케이스에 의해 밀봉된 전극 조립체(100) 내에서 발생하는 열을 흡수하여 외부로 상기 흡수된 열을 원활히 방출시키는 역할을 한다.
상기 방열부재(130)는 바람직하게 구리, 알루미늄, 니켈, 구리합금, 니켈합금, 티탄, 스테인리스스틸(SUS), 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
상기 방열부재(130)의 가로세로 길이는 제1 전극부 및 제2 전극부에 포함되는 양극 집전체(111a1) 및 음극 집전체(111b1)와 가로세로 길이를 초과하지 않는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게 상기 방열부재(130)의 가로세로 길이는 상기 양극 집전체(111a1) 및 음극 집전체(111b1)의 가로세로 길이와 일치할 수 있다.
상기 하나의 방열부재(130)는 바람직하게 상기 양극탭(111a3) 및 음극탭(111b3) 중 어느 하나에 대응되는 위치에서 인출된 방열탭(131)을 더 포함할 수 있다.
상기 방열탭(131)은 양극탭(111a3) 또는 음극탭(111b3)과 결합되어 방열부재(130)가 흡수한 열을 외부로 방출시키는 역할을 한다.
상기 방열부재(130)의 두께는 전극 조립체(100) 내에서 발생한 열을 보다 많이 흡수하기 위해 상기 양극 집전체(111a1)의 두께 보다 두꺼운 것이 바람직하다. 상기 방열부재(130)의 두께가 충분히 두껍지 못할 경우, 충분한 열을 흡수하거나 내부에 저장하지 못할 수 있다. 이때 상기 양극 집전체(111a1)가 상기 방열부재(130)의 두께 기준으로 적용되는 것은 단위셀(110) 내에서 음극판(111b) 보다는 양극판(111a)에서 비교적 열이 더 발생되기 때문이다.
(제2 실시형태)
본 발명의 리튬이차전지는 방열부가 복수의 방열부재(130)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 방열부 구성에 대한 예시를 보인 것이다.
상기 도 4(a)는 앞서 다뤘던 제1 실시형태에 따른 리튬이차전지의 방열부를 나타낸 것으로, 상기 방열부에 하나의 방열부재(130)가 사용되고 있음을 알 수 있다. 이때 분리막(120)은 상기 방열부재(130)의 양면에 제공된다.
상기 도 4(b)를 참조하면, 방열부에 두 개의 방열부재(130)가 적층되어 포함되는 것을 알 수 있다. 상기 방열부재(130) 사이 및 상기 방열부재(130)의 외부면에 분리막(120)이 제공되는 것을 알 수 있다. 또한 각각의 방열부재(130)에서 방열탭(131)이 다른 위치에서 인출되어 있는 것을 알 수 있다. 이때 어느 하나의 방열탭(131)은 음극탭(111b3)과 연결되고, 나머지 하나의 방열탭(131)은 양극탭(111a3)과 연결된다.
상기 도 4(c)를 참조하면, 방열부에 복수의 방열부재(130)가 적층되어 있는 것을 알 수 있다. 상기 각각의 방열부재(130) 사이에는 분리막(120)이 개재되어 상기 각 방열부재(130)를 전기적으로 분리시킨다. 이때 방열탭(131)은 상기 방열부재(130)의 개수만큼 복수로 형성될 수 있는데, 상기 방열탭(131)은 양극탭(111a3) 및 음극탭(111b3)에 대응되는 두 개의 위치로 구분되어 방열부재(130)로부터 인출된다.
상기와 같이 방열부에 포함되는 방열부재(130)는 복수개가 존재할 수 있으나, 상기 방열부에 포함된 방열부재(130)들의 전체 두께는 양극 집전체(111a1) 두께의 8배를 넘어서는 안된다. 바람직하게 상기 방열부에 포함된 방열부재(130)들의 전체 두께는 상기 양극 집전체(111a1) 두께의 2배 내지 8배 이다. 이때 상기 방열부재(130) 전체 두께가 상기 양극 집전체(111a1) 두께의 2배 미만이면, 양극판(111a)에서 발생하는 열을 충분히 흡수하기 어려워질 수 있다. 또한 상기 방열부재(130) 전체 두께가 상기 양극 집전체(111a1) 두께의 8배를 초과하게 되면, 리튬이차전지의 에너지 밀도가 감소하게 되는 문제가 생길 수 있다.
또한, 상기 방열부에 포함된 방열부재(130)들의 전체 두께는 상기 제1 전극부 및 제2 전극부에 포함된 양극 집전체(111a1) 및 음극 집전체(111b1) 전체 두께의 40% 이하인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게 상기 방열부에 포함된 방열부재(130)들의 전체 두께는 상기 제1 전극부 및 제2 전극부에 포함된 양극 집전체(111a1) 및 음극 집전체(111b1) 전체 두께의 10% 내지 40% 이다. 이때 상기 방열부재(130)들의 전체 두께가 10% 미만이면, 방열부재(130)에 의한 열 흡수 효과를 제대로 얻을 수 없게 된다. 또한 40% 초과하면, 방열부재(130)의 과도한 부피 차지로 인해 리튬이차전지의 에너지 밀도가 낮아질 염려가 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 리튬이차전지의 전극 조립체(100) 구성을 나타낸 것이다.
상기 도 5를 참조하면, 방열부가 두 개의 방열부재(130)를 포함하고 있는 것을 알 수 있다. 구체적으로 두 개의 방열부재(130)의 사이에는 분리막(120)이 개재되어 있고, 상기 각 방열부재(130)에서 외부를 향한 일면에 각각 분리막(120)이 부착되어 있는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 방열부는 두 개의 방열부재(130)를 포함할 수 있으나, 상기 두 개의 방열부재(130) 두께의 전체 합은 양극 집전체(111a1) 두께의 8배를 넘어서는 안된다. 바람직하게 상기 방열부에 포함된 두 개의 방열부재(130) 전체 두께는 상기 양극 집전체(111a1) 두께의 2배 내지 8배 이다. 더욱 바람직하게 양극 집전체(111a1) 두께의 3배 내지 6배 이다.
또한, 상기 방열부에 포함된 두 개의 방열부재(130) 전체 두께는 상기 제1 전극부 및 제2 전극부에 포함된 양극 집전체(111a1) 및 음극 집전체(111b1) 전체 두께의 40% 이하인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게 상기 방열부에 포함된 방열부재(130)들의 전체 두께는 상기 제1 전극부 및 제2 전극부에 포함된 양극 집전체(111a1) 및 음극 집전체(111b1) 전체 두께의 10% 내지 40% 이다.
즉, 본 발명에서 방열부에 포함되는 방열부재(130)의 개수는 한정할 필요가 없으나, 상기 방열부재(130)의 전체 두께 범위는 상기 양극 집전체(111a1)의 두께, 또는 양극 집전체(111a1)와 음극 집전체(111b1) 전체의 두께에 의해 한정되는 것이 바람직하다.
(제3 실시형태)
본 발명의 방열부재(130)는 방열부재(130)에서 발생한 열을 외부로 방출하는 기능을 갖는 방열핀(132)을 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 리튬이차전지의 방열부 구성을 나타낸 것이다.
상기 도 6을 참조하면, 방열핀(132)이 방열부재(130)의 일측 단부에서 인출되어 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 상기 방열핀(132)은 외부로의 열방출을 보다 원활히 하기 위해 도시된 것처럼 상기 방열부재(130)의 측부를 따라 연장되어 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 상기 방열핀(132)이 방열부재(130)의 측부를 따라 연장 형성될 경우, 단위셀(110)에 포함되는 양극탭(111a3) 및 음극탭(111b3)이 상기 방열핀(132)에 의해 서로 전기적으로 접속될 위험이 있다. 때문에 상기 방열핀(132)은 상기 양극탭(111a3) 및 음극탭(111b3)이 위치하지 않는 방열부재(130)의 일측 단부에서 인출되어 형성되는 것이 바람직하다. 만약 상기 방열부재(130)에 방열탭(131)이 존재할 경우, 상기 방열핀(132)은 상기 방열탭(131)이 위치하지 않은 타측 단부에서 인출되어 형성되는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 리튬이차전지 구성을 나타낸 것이다.
상기 도 7을 참조하면, 상기 방열핀(132)이 방열재의 측부 중 방열탭(131)이 위치하지 않는 타측 단부에 연장되어 형성된 것을 알 수 있다.
상기와 같은 방열핀(132)은 방열탭(131) 보다 넓은 범위로 방열부재(130)에서 인출되므로, 상기 방열부재(130)가 흡수한 열을 외부로 원활히 방출하는 것이 가능하다.
상기 방열핀(132)은 전극 조립체(100)가 상부 전지 케이스(210) 및 하부 전지 케이스(220)에 수용되고, 상기 상부 전지 케이스(210) 및 하부 전지 케이스(220)가 접합될 때, 상기 상부 전지 케이스(210) 및 하부 전지 케이스(220) 사이에 개재되는 것이 바람직하다. 이는 상기 방열핀(132)이 상기 전지 케이스의 접합부를 통해 열을 외부로 방출하기 효과적이기 때문이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 리튬이차전지의 부분 단면도를 나타낸 것이다.
상기 도 8(a)를 참조하면, 상기 방열핀(132)이 상부 전지 케이스(210) 및 하부 전지 케이스(220)의 접합부 사이에 개재되어 있는 것을 알 수 있다.
상기 도 8(b)를 참조하면, 상기 방열핀(132)이 상부 전지 케이스(210) 및 하부 전지 케이스(220)의 접합부 사이에 개재되고, 상기 방열핀(132)의 끝단이 외부로 개방되어 있는 것을 알 수 있다. 상기 도 8(b)와 같은 구조에서는 상기 방열핀(132)의 끝단을 통해 열 방출이 보다 효과적으로 진행될 수 있다.
실시예 1
음극활물질(흑연) 및 바인더(폴리비닐리덴 플로라이드)를 포함하는 음극 합제가 코팅된 두께 15㎛의 음극 집전체(구리 호일), 양극활물질(LiCoO2), 도전재(카본블랙) 및 바인더(폴리비닐리덴 플로라이드)를 포함하는 양극 합제가 코팅된 두께 15㎛의 양극 집전체(알루미늄 호일) 및 분리막(다공성 폴리에틸렌 필름)을 준비하고, 두께 60㎛의 방열부재(알루미늄)를 준비하여 도 9(a)와 같은 구조로 적층시켜 전극 조립체를 제조하였다.
이후, 방열탭을 양극탭과 결합하도록 하여 도 1와 같이 전지 케이스를 덮어 리튬이차전지를 제조하였다.
실시예 2
두께 30㎛의 방열부재(알루미늄) 두 개를 도 9(b)와 같은 구조로 적층시키고, 나머지는 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 리튬이차전지를 제조하였다.
실시예 3
도 6의 구조를 갖는 방열핀을 8(b)와 같이 상부 전지 케이스 및 하부 전지 케이스의 접합부 사이에 개재시킨 것을 제외하면, 나머지 조건은 상기 실시예 1과 동일하게 하여 리튬이차전지를 제조하였다.
비교예 1
두께 15㎛의 방열부재(알루미늄)를 도 10(a)와 같은 구조로 적층시키고, 나머지는 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 리튬이차전지를 제조하였다.
비교예 2
두께 60㎛의 방열부재(알루미늄)를 도 10(b)와 같은 구조로 적층시키고, 나머지는 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 리튬이차전지를 제조하였다.
실험예(충방전 시 전지 발열 평가)
본 발명에 따른 이차전지의 성능을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 및 비교예에서 제작된 이차전지들을 대상으로 과충전을 수행하고, 과충전된 이차전지의 표면온도를 측정하였다. 구체적으로, 4.2V로 충전한 후 충전된 전지를 1A의 정전류로 8.4V가 될 때까지 과충전하였다. 각 이차전지들의 표면을 열화상 카메라로 촬영하여 이차전지의 온도를 3회 측정하고 그 평균값을 산출하여 과충전 시 전지의 표면 온도로 측정하였다. 더불어 상기 실시예 및 비교예에서 제작된 이차전지 각각에 대한 무게를 측정하였다.
측정된 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
| 온도 (℃) |
|
| 실시예1 | 41±1℃ |
| 실시예2 | 40±1℃ |
| 실시예3 | 36±1℃ |
| 비교예1 | 52±1℃ |
| 비교예2 | 44±1℃ |
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 충방전 시 발열을 최소화할 수 있음을 알 수 있다.
구체적으로 상기 표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 리튬이차전지의 온도 측정값이 비교예 1 및 비교예 2에 비해 낮게 측정된 것을 알 수 있다. 특히 방열핀 구성을 추가한 실시예 3의 경우 리튬이차전지 내부 온도를 효과적으로 낮추었음을 확인할 수 있다. 비교예 1의 결과를 참고해볼 때, 방열부재가 제대로 작용하지 않아 내부에서 발생한 열을 효과적으로 흡수하고 이를 외부로 방출하지 못했음을 예측해볼 수 있다. 비교예 2의 결과를 참고해볼 때, 적용된 방열부재가 전극 조립체 전체에서 발생하는 열을 효과적으로 흡수하지 못했음을 예측해 볼 수 있다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10: (종래) 전극 조립체
11: (종래) 전극탭
20: (종래) 절연 필름
30: (종래) 전극 리드
40: (종래) 전지 케이스
41: (종래) 상부 전지 케이스
42: (종래) 하부 전지 케이스
100: 전극 조립체
110: 단위셀
111a: 양극판
111a1: 양극 집전체
111a2: 양극 합제
111a3: 양극탭
111b: 음극판
111b1: 음극 집전체
111b2: 음극 합제
111b3: 음극탭
112, 120: 분리막
130: 방열부재
131: 방열탭
132: 방열핀
210: 상부 전지 케이스
220: 하부 전지 케이스
300: 전극 리드
Ac': (종래) 수용부
Ed': (종래) 가장자리부
E1: 제1 전극부
E2: 제2 전극부
Ra: 방열부
Ac: 수용부
Jo: 접합부
11: (종래) 전극탭
20: (종래) 절연 필름
30: (종래) 전극 리드
40: (종래) 전지 케이스
41: (종래) 상부 전지 케이스
42: (종래) 하부 전지 케이스
100: 전극 조립체
110: 단위셀
111a: 양극판
111a1: 양극 집전체
111a2: 양극 합제
111a3: 양극탭
111b: 음극판
111b1: 음극 집전체
111b2: 음극 합제
111b3: 음극탭
112, 120: 분리막
130: 방열부재
131: 방열탭
132: 방열핀
210: 상부 전지 케이스
220: 하부 전지 케이스
300: 전극 리드
Ac': (종래) 수용부
Ed': (종래) 가장자리부
E1: 제1 전극부
E2: 제2 전극부
Ra: 방열부
Ac: 수용부
Jo: 접합부
Claims (14)
- 단위셀을 포함하는 제1 전극부, 단위셀을 포함하는 제2 전극부 및 방열부재를 포함하는 방열부로 구성된 전극 조립체; 및
상부 전지 케이스 및 하부 전지 케이스로 구성되고, 상기 전극 조립체를 수용하는 수용부 및 상기 수용부의 테두리를 따라 연장 형성된 접합부를 포함하는 전지 케이스; 를 포함하고,
상기 방열부는 상기 제1 전극부 및 제2 전극부 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극부 및 제2 전극부는 각각 적어도 하나 이상의 단위셀을 포함하는 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제2항에 있어서,
상기 제1 전극부와 제2 전극부에 포함된 단위셀들의 개수는 서로 동일한 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 방열부와 상기 제1 전극부 사이 및
상기 방열부와 상기 제2 전극부 사이에는 분리막이 개재되는 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 방열부가 복수의 방열부재를 포함하고,
상기 각 방열부재 사이에는 분리막이 개재되는 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 방열부재는 구리, 알루미늄, 니켈, 구리합금, 니켈합금, 티탄, 스테인리스스틸(SUS), 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 단위셀은 양극 집전체, 상기 양극 집전체의 일측 단부에서 인출된 양극탭 및 상기 양극 집전체의 표면에 코팅된 양극 합제를 포함하는 양극판;
음극 집전체, 상기 음극 집전체의 일측 단부에서 인출된 음극탭 및 상기 음극 집전체의 표면에 코팅된 음극 합제를 포함하는 음극판; 및
상기 양극판 및 음극판 사이에 개재된 분리막; 을 포함하는 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제7항에 있어서,
상기 방열부재는 판상의 형상을 가지고,
상기 방열부재의 가로세로 길이는 상기 양극 집전체 또는 음극 집전체의 가로세로 길이를 초과하지 않는 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제7항에 있어서,
상기 방열부재는 상기 양극탭 및 음극탭 중 어느 하나에 대응되는 위치에서 인출된 방열탭을 더 포함하는 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제7항에 있어서,
상기 방열부에 포함된 방열부재들의 전체 두께는 상기 양극 집전체 또는 음극 집전체의 두께 보다 두꺼운 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제7항에 있어서,
상기 방열부에 포함된 방열부재들의 전체 두께는 상기 양극 집전체 두께의 8배 이하인 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제9항에 있어서,
상기 양극탭은 상기 양극탭에 대응되는 위치의 방열탭과 연결되고,
상기 음극탭은 상기 음극탭에 대응되는 위치의 방열탭과 연결되는 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제7항에 있어서,
상기 방열부재는 상기 양극탭 및 음극탭이 위치하지 않은 일측 단부에서 인출된 방열핀을 더 포함하는 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지. - 제13항에 있어서,
상기 방열핀은 상기 전지 케이스의 접합부를 초과하지 않고,
상기 상부 전지 케이스 및 하부 전지 케이스의 접합부 사이에 개재되는 것인 발화억제 구조의 리튬이차전지.
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