KR20230144283A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20230144283A
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layer
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Abstract

본 발명은 상부 절연판이 전해액에 의해 다수의 기공이 형성되어, 내압 상승시 발생되는 가스의 배출이 용이할 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
일예로, 본 발명은 원통형 캔과, 원통형 캔에 전해액과 함께 수용되며 양극 및 음극을 갖는 전극 조립체와, 원통형 캔의 상부에 결합된 캡 조립체 및, 전극 조립체와 캡 조립체 사이에 개재되며 판형상의 상부 절연판을 포함하며, 상부 절연판은 상면과 하면 사이를 관통하는 다수의 기공을 갖는 메인층 및, 메인층의 적어도 일면에 접착되며, 전해액에 의해 일부 용융된 보조층을 포함하는 이차 전지을 개시한다.

Description

이차 전지{secondary battery}
본 발명의 다양한 실시예는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장할 수 있는 우수한 에너지 밀도를 제공하는 전력 저장 시스템이다. 재충전이 불가능한 일차 전지에 비해 이차 전지는 재충전이 가능하여 스마트폰, 셀룰러폰, 노트북, 타블렛 PC 등 IT 기기에 많이 사용되고 있다. 최근에는 환경 오염 방지를 위해 전기 자동차에 대한 관심이 높아졌고, 이에 따라 전기 자동차에 고용량의 이차 전지가 채택되고있다. 이러한 이차 전지는 고밀도, 고출력, 안정성 등의 특성이 요구되고 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명은 상부 절연판이 전해액에 의해 다수의 기공이 형성되어, 내압 상승시 발생되는 가스의 배출이 용이할 수 있는 이차 전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상부 절연판이 다수의 기공을 갖는 메인층에 필름 형태의 보조층을 접착한 복층으로 이루어지므로, 이차전지 조립 공정시 발생될 수 있는 도전성 불순물이 다수의 기공을 갖는 메인층 내로 유입되거나, 원통형 캔의 내부로 유입되어 발생될 수 있는 단락 및 수명 저하를 방지할 수 있는 이차 전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 원통형 캔과, 상기 원통형 캔에 전해액과 함께 수용되며 양극 및 음극을 갖는 전극 조립체와, 상기 원통형 캔의 상부에 결합된 캡 조립체 및, 상기 전극 조립체와 상기 캡 조립체 사이에 개재되며 판형상의 상부 절연판을 포함하며, 상기 상부 절연판은 상면과 하면 사이를 관통하는 다수의 기공을 갖는 메인층 및, 상기 메인층의 적어도 일면에 접착되며, 상기 전해액에 의해 일부 용융된 보조층을 포함할 수 있다.
상기 메인층은 상면과 하면 사이를 관통하는 규칙적인 기공을 갖는 메쉬 형태의 필름일 수 있다.
상기 메인층은 화이바 글라스, 스테인리스, 폴리하이메쉬, 모노필라민트 또는 스테인리스 블랙 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 메인층은 16*18mesh 내지32*32mesh 중 선택된 어느 하나 일 수 있으며, 기공의 크기가 700㎛이상일 수 있다.
상기 메인층은 상면과 하면 사이를 관통하는 불규칙적인 기공을 갖는 부직포, 나일론 직물 또는 테프론(PTFE) 필름 중 어느 하나일 수 있다.
상기 보조층은 나일론, 폴리스틸렌(PS) 또는 연신폴리스티렌(OPS) 중 선택된 어느 하나로 이루어진 필름일 수 있다.
상기 보조층은 아크릴계 접착제에 의해 상기 메인층의 상면과 하면 중 적어도 하나의 면에 접착될 수 있다.
상기 전해액은 EC, EMC, DEC, PC 및 DMC가 동일 부피비로 혼합된 용매에 LiPF6이 선택된 농도로 용해될 수 있다.
상기 보조층의 두께는 5㎛ 내지 25㎛일 수 있다.
상기 메인층은 상기 전해액에 의해 일부 용융되는 폴리스틸렌(PS) 또는 연신폴리스티렌(OPS)일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지는 상부 절연판이 전해액에 의해 다수의 기공이 형성되어, 내압 상승시 발생되는 가스의 배출이 용이할 수 있다.
또한 본 발명의 다양한 실시예에 이차 전지는 상부 절연판이 다수의 기공을 갖는 메인층에 필름 형태의 보조층을 접착한 복층으로 이루어지므로, 이차전지 조립 공정시 발생될 수 있는 도전성 불순물이 다수의 기공을 갖는 메인층 내로 유입되거나, 원통형 캔의 내부로 유입되어 발생될 수 있는 단락 및 수명 저하를 방지할 수 있게 된다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도, 단면도 및 분해 사시도이다.
도 2a, 도 1b 및 도 1c는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 이차 전지에서 상부 절연판의 일예를 확대 도시한 단면도 및 평면도이다.
도 3은 도 1c에 도시된 이차 전지에서 상부 절연판의 다른예를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2a 및 도 3에 도시된 상부 절연판에서 보조층이 전해액에 의해 기공이 형성된 실험 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 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 포함한다. 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 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"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 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 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 이용된다. 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 요소는 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지(100)를 도시한 사시도, 단면도 및 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지(100)는 원통형 캔(110)과, 전극 조립체(120)와, 캡 조립체(140), 하부 절연판(160) 및 상부 절연판(170)을 포함한다. 또한, 본 발명은 전극 조립체(120)에 결합된 센터핀(130)을 더 포함할 수 있다.
원통형 캔(110)은 원형의 바닥부(111)와, 바닥부(111)로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 측부(112)를 포함한다. 이차 전지의 제조 공정 중 원통형 캔(110)의 상부는 개방되어 있다. 따라서 이차 전지의 조립 공정 중 전극 조립체(120)가 전해액과 함께 원통형 캔(110)에 삽입될 수 있다. 원통형 캔(110)은 스틸, 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 더불어, 원통형 캔(110)에는 캡 조립체(140)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(140)를 중심으로 그 하부에 내부로 함몰된 비딩부(beading part)(113)가 형성되고, 그 상부에 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)가 형성될 수 있다.
전극 조립체(120)는 원통형 캔(110)의 내부에 수용된다. 전극 조립체(120)는 음극 활물질(예를 들면, 흑연, 탄소 등)이 코팅된 음극판(121), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 코팅된 양극판(122) 및, 음극판(121)과 양극판(122) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(123)로 이루어진다. 음극판(121), 양극판(122) 및 세퍼레이터(123)는 대략 원기둥 형태로 권취된다. 여기서, 음극판(121)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일, 양극판(122)은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터(123)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 음극판(121)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 적어도 하나의 음극탭(124)이, 양극판(122)에는 상부로 일정 길이 돌출된 적어도 하나의 양극탭(125)을 포함할 수 있다. 여기서 음극탭(124) 및 양극탭(125)은 별도의 금속 플레이트로 이루어질 수 있으며, 음극판(121) 및 양극판(122)에 각각 용접될 수 있다. 물론 반대로, 음극탭(124)이 전극 조립체(120)의 상부로 돌출되어 연장되고, 양극탭(125)이 전극 조립체(120)의 하부로 돌출 및 연장될 수도 있다. 더불어, 음극탭(124)은 구리 또는 니켈 재질, 양극탭(125)은 알루미늄 재질일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 전극 조립체(120)의 음극탭(124)은 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있다. 따라서 원통형 캔(110)은 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 반대로 양극탭(125)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이러한 경우 원통형 캔(110)은 양극으로 동작할 수 있다.
센터핀(130)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로서, 전극 조립체(120)의 대략 중앙에 결합될 수 있다. 이러한 센터핀(130)은 스틸, 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 이러한 센터핀(130)은 전지의 충방전 중 전극 조립체(120)의 변형을 억제하는 역할을 하며, 이차 전지의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다. 경우에 따라 센터핀(130)은 생략될 수 있다.
캡 조립체(140)는 다수의 관통홀(141d)이 형성된 캡 업(cap-up)(141), 캡 업(141)의 하부에 설치된 안전 플레이트(143), 안전 플레이트(143)의 하부에 설치된 연결링(145), 연결링(145)에 결합되고 제1,2관통홀(146a,146b)이 형성된 캡 다운(cap-down)(146) 및 캡 다운(146)의 하부에 고정되어 양극탭(125)과 전기적으로 접속된 서브 플레이트(147)를 포함할 수 있다. 물론 캡 다운(146)과 서브 플레이트(147)는 일체형으로 형성될 수 있으며, 이때 양극탭(125)은 캡 다운(146)에 고정될 수 있다.
상기 캡 업(141)은 상부가 볼록하게 형성되어 외부 회로와 전기적으로 접속될 수 있다. 또한, 상기 캡 업(141)은 상기 원통형 캔(110)의 내부에서 발생되는 가스가 배출될 수 있는 경로를 제공하는 가스 배출공(141)이 형성되어 있다. 상기 캡 업(141)은 상기 전극 조립체(110)와 전기적으로 연결되며 상기 전극 조립체(110)에서 발생되는 전류를 외부 회로로 전달한다.
상기 안전 플레이트(143)는 상기 캡 업(141)과 대응되는 원형의 판체로 형성된다. 상기 안전 플레이트(143)의 중앙에는 하부 방향으로 돌출된 돌출부(143a)가 형성된다. 이러한 안전 플레이트(143)는 상기 캡 다운(146)의 관통홀(146a)을 관통하는 돌출부(143a)를 이용하여, 상기 캡 다운(146)의 하면에 고정된 서브 플레이트(147)와 전기적으로 연결된다. 여기서, 상기 안전 플레이트(143)의 돌출부(143a)와 상기 서브 플레이트(147)는 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 또는 이의 등가방법으로 용접될 수 있다. 또한, 상기 돌출부(143a)의 외주연에는 안전 플레이트(143)의 파단을 안내하는 노치(143b)가 형성된다.
상기 안전 플레이트(143)는 상기 원통형 캔(110)의 내부에서 이상 내압 발생시 전류를 차단하면서 내부 가스를 배출시킨다. 상기 안전 플레이트(143)는 원통형 캔(110)의 내압이 상기 안전 플레이트(143)의 작동 압력 이상이 되면, 상기 캡 다운(146)의 가스 배출공(146a)을 통해 배출되는 가스에 의해 돌출부(143a)가 상부로 상승하면서, 상기 서브 플레이트(147)와 전기적으로 분리된다. 이때, 상기 서브 플레이트(147)는 상기 돌출부(143a)의 용접된 부분이 찢어지면서 상기 안전 플레이트(143)와 전기적으로 분리된다. 그리고 상기 안전 플레이트(143)는 원통형 캔(110)의 내압이 상기 안전 플레이트(143)의 작동 압력보다 높은 파단 압력 이상이 되면 상기 노치(143b)가 파단되어 이차 전지(100)의 폭발을 방지할 수 있다.
상기 연결 링(145)은 상기 안전 플레이트(143)와 상기 캡 다운(146) 사이에 개재되어, 상기 안전 플레이트(143)와 상기 캡 다운(146) 사이를 절연시킨다. 구체적으로, 상기 연결 링(145)은 상기 안전 플레이트(143)의 외주연과 캡 다운(146)의 외주연 사이에 개재된다. 상기 연결 링(145)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 수지재질로 형성될 수 있다.
상기 캡 다운(146)은 원형의 판체로 형성된다. 상기 캡 다운(146)의 중앙에는 관통홀(146a)이 형성되며, 상기 관통홀(146a)에는 상기 안전 플레이트(143)의 돌출부(143a)가 관통한다. 또한, 상기 캡 다운(146)의 일측에는 가스 배출공(146b)이 형성되며, 상기 캡 다운(146)의 하부에는 서브 플레이트(147)가 결합된다. 상기 가스 배출공(146b)은 상기 원통형 캔(110)의 내부에서 과도한 내압 발생시 내부 가스를 배출시키는 역할을 한다. 이때, 상기 가스 배출공(146b)을 통해 배출되는 가스에 의해 안전 플레이트(143)의 돌출부(143a)가 상승되어, 상기 돌출부(143a)는 서브 플레이트(147)와 분리될 수 있다. 상기 서브 플레이트(147)는 상기 캡 다운(146)의 관통홀(146a)을 관통하는 안전 플레이트(143)의 돌출부(143a)와 양극탭(125) 사이에 용접된다. 이에 따라, 상기 서브 플레이트(147)는 상기 양극탭(125)과 상기 안전 플레이트(143)사이를 전기적으로 접속시킨다.
일반적으로, 이차 전지(100)에서 단락이 발생하면, 내압이 상승하여 내부 가스가 캡 다운(146)의 가스 배출공(146b)을 통해 배출된다. 이때, 배출되는 가스에 의해 안전 플레이트(143)의 돌출부(143a)가 상승하여 서브 플레이트(147)와 전기적으로 분리되어 전류를 차단시키게 된다.
그리고 캡 조립체(140)를 원통형 캔(110)의 측부(111)로부터 절연시키는 절연 가스켓(150)을 포함한다. 상기 절연 가스켓(150)은 원통형 캔(110)의 상단 개구부에 설치된다. 여기서, 절연 가스켓(150)은 실질적으로 원통형 캔(110)의 측부(111)에 형성된 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 사이에 압착된 형태를 한다. 즉, 절연 가스켓(150)은 캡 업(141) 및 안전 플레이트(143)의 외주연, 상기 원통형 캔(110)의 상단 개구부 사이에 밀착되어 조립된다. 이때, 안전 플레이트(143)와 결합된 캡 업(141)은, 원통형 캔(110)의 상단에 형성된 크림핑부(114)에 의해 절연 가스켓(150)이 개재된 상태로, 원통형 캔(110)의 상단부에 고정될 수 있다.
상기 절연 가스켓(150)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 수지재질로 형성될 수 있다. 이러한 절연 가스켓(150)은 상기 원통형 캔(110)에서 상기 캡 조립체(140)가 분리되는 것을 방지할 수 있다.
더불어, 원통형 캔(110)의 내측에는 전해액(도면에 도시되지 않음)이 주액되어 있으며, 이는 충방전시 전지 내부의 음극판(121) 및 양극판(122)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 전해액은 EC(ethylene carbonate), EMC(Ethyl methyl carbonate), DEC(diethyl carbonate), PC(propylene carbonate) 및 DMC(dimethyl carbonate)이 동일 부피비로 혼합된 용매에 LiPF6이 선택된 농도로 용해되어 있을 수 있다. 좀 더 바람직하게 전해액은 EC, EMC, DEC, PC, DMC가 2: 2: 2: 2: 2의 부피비로 혼합된 용매에 LiPF6가 1.0M의 농도로 용해되어 있을 수 있다.
더불어, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(160a) 및 그 외측에 제2홀(160b)이 형성된 하부 절연판(160)이 전극 조립체(120)와 원통형 캔(110)의 바닥부(111)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 하부 절연판(160)은 전극 조립체(120)가 원통형 캔(110) 중 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 하부 절연판(160)은 전극 조립체(120) 중 양극판(122)이 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(160a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 센터핀(130)을 통해 상부로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(160b)은 음극탭(124)이 관통하여 바닥부(111)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다. 이차 전지(100)내에 센터핀(130)이 구비되지 않을 경우, 하부 절연판(160)은 제1홀(160a)을 구비하지 않아도 무방하다.
또한, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(170a) 및 그 외측에 제2홀(170b)이 형성된 상부 절연판(170)이 전극 조립체(120)와 캡 조립체(140) 사이에 개재될 수 있다. 이러한 상부 절연판(170)은 전극 조립체(120)가 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 상부 절연판(170)은 전극 조립체(120) 중 음극판(121)이 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉하지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(170a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 캡 조립체(140)로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(170b)은 양극탭(125)이 관통하여 캡 조립체(140)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한 제2홀(170b)은 전해액 주입 공정에서, 전해액이 상기 전극 조립체(120)로 흘러 들어가도록 하는 역할을 한다.
이차 전지(100)내에 센터핀(130)이 구비되지 않을 경우, 상부 절연판(170)은 제1홀(170a)을 구비하지 않아도 무방하다. 도 1c에서 제2홀(170b)은 다수개로 도시하였으나, 전극 조립체(120)의 양극탭(125)이 관통하기 위한 하나의 홀만 구비해도 무방하다. 이와 같은 상부 절연판(170)은 메인층(171))과 메인층(171))의 상면과 하면중 적어도 한 면을 덮도록 형성된 보조층(172)을 포함할 수 있다.
이와 같은 상부 절연판(170)의 구성은 하기에서 자세히 설명하고자 한다.
더불어, 센터핀(130)을 포함하는 이차 전지(100)의 경우, 하부 및 상부 절연판(160,170)의 제1홀(160a,170a)의 직경은 센터핀(130)의 직경보다 작게 형성됨으로써, 외부 충격에 의해 센터핀(130)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111) 또는 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 이차 전지(100)의 상부 절연판(170)의 단면도와, 평면도가 도시되어 있다. 여기서 도 2b는 전해액에 함침되기 이전의 상부 절연판(170)의 평면 모식도이고, 도 2c는 전해액에 함침된 이후 상부 절연판(170)의 평면 모식도이다. 이하에서는 도 2a 내지 도 2c를 참조하여, 본 발명의 상부 절연판(170)의 구성을 구체적으로 설명하고자 한다.
상부 절연판(170)은 평평한 원형판인 메인층(171)과 메인층(171)의 일면을 덮는 보조층(172)을 포함할 수 있다. 상기 보조층(172)은 접착제(173)에 의해서 메인층(171)에 접착되어 고정될 수 있다.
일예로, 상기 보조층(172)은 메인층(171)의 상면에 접착된 것으로 도시하였으나, 하면에 접착될 수도 있다. 다른예로 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 절연판(270)은 메인층(171)의 상면과 하면에 각각 보조층(172)이 접착제(173)에 의해 부착될 수 있다. 즉, 상부 절연판(170)은 메인층(171)의 적어도 한면에 보조층(172)이 접착제(173)에 의해 부착될 수 있다.
메인층(171)은 대략 평평한 플레이트로, 중앙에 제1홀과 그 외측에 다수의 제2홀이 형성되어 있을 수 있다. 메인층(171)의 제1홀 및 제2홀은 상부 절연판(170)의 제1홀(170a) 및 제2홀(170b)과 그 크기 및 형상이 각각 대응될 수 있다.
또한 메인층(171)은 상면과 하면 사이를 관통하는 다수의 기공을 가질 수 있다. 예를들어, 메인층(171)은 상면과 하면 사이를 관통하는 불규칙적인 기공을 갖는 부직포, 나일론 직물 또는 테프론(PTFE) 필름이거나, 상면과 하면 사이를 관통하는 규칙적인 기공을 갖는 메쉬 형태의 필름일 수 있다. 다른 예로, 메인층(171)은 전해액과 접촉될 경우, 일부가 용융되어 불규칙적인 기공이 형성될 수 있는 폴리스틸렌(PS: Polystyrene) 또는 연신폴리스티렌(OPS: Oriented Polystyrene) 필름일 수 있다.
예를 들어 메인층(171)이 메쉬 형태의 필름일 경우, 화이바 글라스, 스테인리스, 폴리하이메쉬, 모노필라민트, 스테인리스 블랙 또는 이의 등가 물질로 이루어질 수 있다. 이와 같은 메인층(171)은 일정 간격의 다수의 기공을 가질 수 있다. 예를 들어, 메인층(171)은 대략 16*18mesh 내지32*32mesh 중 선택된 어느 하나 일 수 있으며, 기공의 크기가 700㎛이상일 경우, 이차 전지(100)에서 발생된 가스 배출이 용이할 수 있다.
이와같이 메인층(171)이 메쉬 형태의 필름일 경우, 기공의 크기의 조절이 가능할 수 있다. 즉, 메인층(171)이 메쉬 형태의 필름일 경우, 이차 전지(100)의 특성에 맞는 기공을 갖도록 선택 가능할 수 있다.
상기 메인층(171)의 두께는 대략 100㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 여기서 메인층(171)의 두께가 100㎛미만일 경우, 캡 조립체(140)와 전극 조립체(120) 사이의 전기적 절연이 용이하지 않을 수 있으며, 500㎛를 초과할 경우 불필요하게 두께만 증가시켜 이차 전지(100)의 크기 대비 용량 저하를 야기할 수 있다.
상기 보조층(172)은 이차 전지(100)내에 조립시에는 메인층(171)에 접착제(173)에 의해 접착되어, 메인층(171)의 상면과 하면사이를 관통하는 다수의 기공을 덮을 수 있다. 상기 보조층(172)은 나일론 필름으로 이루어질 수 있다. 다른예로, 상기 보조층(172)은 상기 메인층(171)이 부직포, 나일론 직물 또는 테프론(PTFE) 필름이거나, 메쉬 형태의 필름 경우, 폴리스틸렌(PS) 또는 연신폴리스티렌(OPS)로 이루어질 수 있다. 또한 상부 절연판(170)이 상면과 하면에 각각 보조층(172)이 접착된 구성일 경우, 상부 절연판(170)의 상면과 하면에 부착된 보조층(172)은 동일하거나, 다를 수 있다.
물론 보조층(172)은 상부 절연판(170)의 제1홀(170a) 및 제2홀(170b)과 그 크기 및 형상이 각각 대응되는 제1홀 및 제2홀이 각각 구비될 수 있다. 또한 보조층(172)은 제1홀 및 제2홀이 메인층(171)의 제1홀 및 제2홀과 대응되는 위치 및 형상을 가질 수 있다. 좀 더 바람직하게, 상부 절연판(170)의 제1홀(170a) 및 제2홀(170b)은 메인층(171)과 보조층(172)이 접착된 후, 한번에 형성될 수 있다. 물론 메인층(171)과 보조층(172)은 상부 절연판(170)에 제1홀(170a)이 구비되지 않을 경우, 제2홀만 구비될 수 있다.
이러한 보조층(172)은 이차 전지(100)내에 전해액이 주입되면, 전해액에 의해 일부가 녹아 홀이 생성될 수 있다. 상기 보조층(172)은 접착제(173)와 일체형으로 이루어진 테이프일 수 있다. 여기서 접착제(173)는 아크릴계 접착제일 수 있다. 상기 접착제(173)의 두께는 대략 2㎛ 내지 5㎛의 두께를 가질 수 있다. 접착제(173)의 두께가 2㎛ 미만일 경우, 메인층(171)과 보조층(172)의 사이의 접착이 용이하지 않을 수 있으며, 5㎛를 초과할 경우 불필요하게 두께를 증가시키고 전해액에 의한 용융이 용이하지 않을 수 있다.
상기 보조층(172)의 두께는 대략 5㎛ 내지 25㎛일 수 있다. 상기 보조층(172)의 두께가 5㎛ 미만일 경우, 균일한 두께로 생산이 어려울 수 있다. 상기 보조층(172)의 두께가 25㎛를 초과할 경우 전해액에 의해 일부 녹아도 보조층(172)의 상면과 하면 사이를 관통하는 홀이 형성되기 어려울 수 있다.
일예로 도 4를 참조하면 10㎛의 두께의 보조층(172)을 갖는 상부 절연판(170)이 전해액에 함침된 후, 60℃에서 24시간 경과된 후의 보조층(172)내에 기공이 형성되는 것을 보여주는 실험예의 결과가 도시되어 있다. 이때 보조층(172)은 전해액에 의해 일부 녹아, 다수의 기공이 형성된 것을 알 수 있다. 물론 보조층(172)과 메인층(171) 사이를 접착시키는 접착제(173)도 전해액에 의해 일부가 녹을 수 있다. 여기서 보조층(172) 및 접착제(173)의 일부를 녹일 수 있는 전해액은 LiPF6 1.0M이 용해된 EC(ethylene carbonate), EMC(Ethyl methyl carbonate), DEC(diethyl carbonate), PC(propylene carbonate), DMC(dimethyl carbonate)의 혼합 용매(2: 2: 2: 2: 2 부피비)를 사용하였다.
상기 보조층(172)은 메인층(171)이 부직포 또는 나일론 직물일 경우, 메인층(171)의 표면에 발생될 수 있는 버를 덮도록 접착되므로써, 버를 감소시킴으로써 이차 전지(100)의 생산 공정을 향상시킬 수 있다. 또한 필름 또는 테이프 형태의 보조층(172)은 다수의 기공을 갖는 메인층(171)의 핸들링을 용이하게 할 수 있으며, 메인층(171)의 절연 성능을 향상 시킬 수 있다.
이와같은 상부 절연판(170)은 보조층(172)이 다수의 기공을 갖는 메인층(171)에 접착되어, 이차 전지(100) 조립 공정시 발생될 수 있는 도전성 불순물이 다수의 기공을 갖는 메인층(171)을 통해 원통형 캔(110)의 내부로 유입되거나, 메인층(171)의 기공 내에 침투되어 발생될 수 있는 단락 및 수명 저하를 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지를 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.
100: 이차 전지 110: 원통형 캔
120: 전극 조립체 140: 캡 조립체
150: 절연 가스켓 160: 하부 절연판
170: 상부 절연판 171: 메인층
172: 보조층 173: 접착제

Claims (10)

  1. 원통형 캔;
    상기 원통형 캔에 전해액과 함께 수용되며 양극 및 음극을 갖는 전극 조립체;
    상기 원통형 캔의 상부에 결합된 캡 조립체; 및
    상기 전극 조립체와 상기 캡 조립체 사이에 개재되며 판형상의 상부 절연판을 포함하며,
    상기 상부 절연판은
    상면과 하면 사이를 관통하는 다수의 기공을 갖는 메인층; 및
    상기 메인층의 적어도 일면에 접착되며, 상기 전해액에 의해 일부 용융된 보조층을 포함하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인층은 상면과 하면 사이를 관통하는 규칙적인 기공을 갖는 메쉬 형태의 필름인 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 메인층은 화이바 글라스, 스테인리스, 폴리하이메쉬, 모노필라민트 또는 스테인리스 블랙 중 선택된 어느 하나인 이차 전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 메인층은 16*18mesh 내지32*32mesh 중 선택된 어느 하나 일 수 있으며, 기공의 크기가 700㎛이상인 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인층은 상면과 하면 사이를 관통하는 불규칙적인 기공을 갖는 부직포, 나일론 직물 또는 테프론(PTFE) 필름 중 어느 하나인 이차 전지.
  6. 제 2 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 보조층은 나일론, 폴리스틸렌(PS) 또는 연신폴리스티렌(OPS) 중 선택된 어느 하나로 이루어진 필름인 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 보조층은 아크릴계 접착제에 의해 상기 메인층의 상면과 하면 중 적어도 하나의 면에 접착된 이차 전지.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 전해액은 EC, EMC, DEC, PC 및 DMC가 동일 부피비로 혼합된 용매에 LiPF6이 선택된 농도로 용해된 이차 전지.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 보조층의 두께는 5 내지 25㎛인 이차 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인층은 상기 전해액에 의해 일부 용융되는 폴리스틸렌(PS) 또는 연신폴리스티렌(OPS)인 이차 전지.
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