KR20240022115A - 안전성이 개선된 각형 이차전지 - Google Patents
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Abstract
개시되는 발명은 각형 이차전지에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 적어도 어느 일면이 개방면을 형성하는 케이스;와, 상기 케이스의 개방면을 통해 상기 케이스 내부에 수납되는 전극 조립체; 및 상기 케이스의 개방면을 밀봉하도록 결합하고, 양극과 음극의 전극단자를 구비하는 캡 플레이트를 포함하고, 상기 전극 조립체의 표면에는 상기 케이스 안에 충진된 전해액과 접촉하여 신장 또는 팽창하는 스웰링 테이프가 부착되고, 상기 케이스의 전후좌우 둘레를 따라 적어도 서로 대향하는 두 면 위에는 오목한 제1 비딩 가공부가 형성된다.
Description
본 발명은 전극 조립체의 내부 요동을 방지함으로써 안전성을 개선한 각형 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가하고, 또한 환경보호의 시대적 요구에 맞춰 부각되는 전기 차량과 에너지 저장 시스템 등으로 인해 에너지원으로서의 이차전지의 수요는 더욱 급격하게 증가하고 있다.
이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
전극 조립체는 활물질이 도포된 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재(介在)하여 권취한 젤리 롤(Jellyroll)형, 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 스택형의 단위 셀들을 긴 길이의 분리필름으로 권취한 스택 앤 폴딩(Stack & Folding)형으로 대략 분류할 수 있다.
각형 이차전지에 수납되는 전극 조립체의 양극 탭과 음극 탭은 각각 전극 리드에 접합된 뒤 케이스 상의 양극 단자와 음극 단자에 연결된다. 전극 조립체를 수용하는 케이스는, 전극 조립체의 전기 연결을 위한 공간과 전해액의 필요 주액량 등에 의해 약간의 여유공간이 형성되어 있다. 따라서, 케이스 안의 전극 조립체에는 외부 충격에 의해 흔들리거나 미끄러지는 요동 현상(슬립 현상)이 발생한다. 특히, 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 사용되는 각형 이차전지는 주행 중의 충격에 의해 요동 현상이 빈번히 발생한다.
전극 조립체의 구조적 지지는 주로 양극 단자와 음극 단자에 연결된 양극 탭과 음극 탭(전극 탭)에 의해 이루어진다. 이 때문에 전극 조립체에 요동 현상이 일어나면 전극 탭에 응력이 집중되어 탭이 찢어지거나 전기 접촉에 의한 쇼트가 발생하는 등의 각종 문제가 발생할 수 있다. 또한, 탭 손상으로 인해 이차전지의 용량 감소나 배터리 팩에 수납된 다수의 배터리 사이에 뷸균형이 일어나 결국에는 배터리의 수명이 저하되는 각종 안전성 문제가 일어날 수 있다.
본 발명은 각형 이차전지 내부에 수납된 전극 조립체의 지지구조를 개선하여사용 중에 요동을 일으키는 것을 억제할 수 있도록 하는 것에 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 각형 이차전지에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 적어도 어느 일면이 개방면을 형성하는 케이스;와, 상기 케이스의 개방면을 통해 상기 케이스 내부에 수납되는 전극 조립체; 및 상기 케이스의 개방면을 밀봉하도록 결합하고, 양극과 음극의 전극단자를 구비하는 캡 플레이트를 포함하고, 상기 전극 조립체의 표면에는 상기 케이스 안에 충진된 전해액과 접촉하여 신장 또는 팽창하는 스웰링 테이프가 부착되고, 상기 케이스의 전후좌우 둘레를 따라 적어도 서로 대향하는 두 면 위에는 오목한 제1 비딩 가공부가 형성된다.
상기 스웰링 테이프는, 상기 전해액과 접촉하여 길이방향으로 신장하거나, 또는 부피 팽창한다.
그리고, 상기 스웰링 테이프는, 상기 전극 조립체의 전후좌우 면에 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스웰링 테이프는, 상기 전극 조립체의 전후좌우 면의 둘레를 따라 연속하여 부착될 수 있다.
또는, 상기 스웰링 테이프는, 상기 전극 조립체의 전후좌우 면의 둘레를 따라 부착되되 상기 전극 조립체의 전후좌우 각 면 사이의 모서리 전체를 따라 제1 공백부를 형성할 수 있다.
나아가 상기 스웰링 테이프는, 상기 전극 조립체의 전후면 중앙부에 제2 공백부를 형성할 수 있다.
여기서, 상기 제2 공백부에 의해 상기 전극 조립체의 전후면에 부착된 스웰링 테이프는 양측으로 단절될 수 있다.
또한, 상기 스웰링 테이프는, 상기 전극 조립체의 좌우측면 중앙부에 제3 공백부를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 비딩 가공부는, 상기 케이스 내부에 수납된 전극 조립체에 부착된 상기 스웰링 테이프의 표면을 압박한다.
상기 제1 비딩 가공부는, 상기 케이스 내부에 수납된 전극 조립체의 전극 탭으로부터 이격되는 위치에 형성되고, 상기 케이스 내부에 수납된 전극 조립체의 상부를 압박하도록 상기 캡 플레이트에 인접하게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 비딩 가공부는, 상기 케이스의 전후좌우 둘레를 따라 네 면에 걸쳐 연속적으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 케이스의 저면에 인접한 높이에서 전후좌우 둘레를 따라 적어도 서로 대향하는 두 면 위에 형성된 제2 비딩 가공부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 비딩 가공부는, 상기 케이스 내부에 수납된 전극 조립체의 하부를 지지한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 비딩 가공부는, 상기 전극 조립체의 저면에 접촉하여 지지할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 각형 이차전지는 케이스 안에 충진된 전해액과 접촉하여 신장 또는 팽창하는 스웰링 테이프가 전극 조립체의 전후좌우 면에 부착되고, 전해액에 접촉한 스웰링 테이프가 케이스의 내면과 전극 조립체 사이의 간극을 메꾸게 되며, 이에 따라 전극 조립체의 전후좌우 방향의 요동을 억제하게 된다.
또한, 본 발명의 각형 이차전지는 케이스에 형성된 오목한 비딩 가공부가 전극 조립체를 스웰링 테이프를 매개로 하여 압박하여 고정하고 있고, 이에 따라 전극 조립체의 지지구조가 개선된다.
따라서, 본 발명의 각형 이차전지는 전극 조립체의 전후좌우 방향의 요동을 억제고 전체적인 지지구조를 개선함으로써 사용 중의 요동 현상에 의한 전기 접촉에 의한 쇼트나 탭이 찢어지는 등의 각종 문제가 방지되며, 이를 통해 이차전지의 안전성이 크게 향상된다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 기술적 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 각형 이차전지에 대한 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 스웰링 테이프의 부착 구조를 도시한 사시도.
도 3은 제1 공백부를 구비하는 스웰링 테이프의 부착 구조를 도시한 사시도.
도 4 및 도 5는 제2 공백부를 구비하는 스웰링 테이프의 부착 구조를 각각 도시한 사시도.
도 6은 제3 공백부를 구비하는 스웰링 테이프의 부착 구조를 도시한 사시도.
도 7은 제1 비딩 가공부가 전극 조립체를 지지하는 구조를 도시한 단면도.
도 8은 제1 비딩 가공부와 전극 조립체의 상대 위치를 도시한 도면.
도 9는 제1 및 제2 비딩 가공부를 구비하는 실시형태를 도시한 사시도.
도 10은 제1 및 제2 비딩 가공부가 전극 조립체를 지지하는 구조를 도시한 단면도.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 각형 이차전지에 대한 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 스웰링 테이프의 부착 구조를 도시한 사시도.
도 3은 제1 공백부를 구비하는 스웰링 테이프의 부착 구조를 도시한 사시도.
도 4 및 도 5는 제2 공백부를 구비하는 스웰링 테이프의 부착 구조를 각각 도시한 사시도.
도 6은 제3 공백부를 구비하는 스웰링 테이프의 부착 구조를 도시한 사시도.
도 7은 제1 비딩 가공부가 전극 조립체를 지지하는 구조를 도시한 단면도.
도 8은 제1 비딩 가공부와 전극 조립체의 상대 위치를 도시한 도면.
도 9는 제1 및 제2 비딩 가공부를 구비하는 실시형태를 도시한 사시도.
도 10은 제1 및 제2 비딩 가공부가 전극 조립체를 지지하는 구조를 도시한 단면도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 각형 이차전지에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 적어도 어느 일면이 개방면을 형성하는 케이스와, 상기 케이스의 개방면을 통해 상기 케이스 내부에 수납되는 전극 조립체와, 상기 케이스의 개방면을 밀봉하도록 결합하고, 양극과 음극의 전극단자를 구비하는 캡 플레이트를 포함한다.
여기서, 본 발명의 각형 이차전지는 상기 전극 조립체의 표면에 상기 케이스 안에 충진된 전해액과 접촉하여 신장 또는 팽창하는 스웰링 테이프가 부착된다.
여기서, 상기 스웰링 테이프는 상기 전해액과 접촉하여 길이방향으로 신장하거나, 또는 상기 전해액과 접촉하여 부피 팽창하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 케이스의 전후좌우 둘레를 따라 적어도 서로 대향하는 두 면 위에는 오목한 제1 비딩 가공부가 형성된다.
여기서, 케이스의 내측을 향해 오목하게 형성된 제1 비딩 가공부는 케이스 내부에 수납된 전극 조립체에 부착된 상기 스웰링 테이프의 표면을 압박한다.
이러한 구성을 구비한 본 발명의 각형 이차전지는, 케이스 안에 충진된 전해액과 접촉하여 신장 또는 팽창하는 스웰링 테이프가 전극 조립체의 전후좌우 면에 부착되고, 전해액에 접촉한 스웰링 테이프가 케이스의 내면과 전극 조립체 사이의 간극을 메꾸게 되며, 이에 따라 전극 조립체의 전후좌우 방향의 요동이 억제된다.
그리고, 본 발명의 각형 이차전지는, 케이스에 형성된 오목한 비딩 가공부가 전극 조립체의 표면을 스웰링 테이프를 매개로 간접적으로 압박하여 고정하고 있으며, 이에 따라 전극 조립체의 지지구조가 개선되어 사용 중의 슬립 현상이 억제됨으로써 전기 접촉에 의한 쇼트나 탭이 찢어지는 등의 각종 문제가 방지되며, 이를 통해 이차전지의 안전성이 크게 향상된다.
또한, 비딩 가공부가 전극 조립체의 표면을 직접 압박하지 않으므로, 비딩 가공부에 대해 미소한 마찰이 생기더라도 이를 스웰링 테이프가 완충함으로써 전극 조립체가 손상을 입을 우려가 크게 감소한다.
따라서, 본 발명의 각형 이차전지는 전극 조립체의 전후좌우 방향의 요동이 억제되고 지지구조가 개선됨으로써 사용 중의 요동 현상에 의한 전기 접촉에 의한 쇼트나 탭이 찢어지는 등의 각종 문제가 방지되며, 이를 통해 이차전지의 안전성이 크게 향상된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각형 이차전지에 대한 구체적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 참고로, 이하의 설명에서 사용되는 상대적인 위치를 지정하는 전후나 상하좌우의 방향은 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 특별한 정의가 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 삼는다.
[제1 실시형태]
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 각형 이차전지(10)에 대한 분해 사시도이다.
도시된 각형 이차전지(10)는 적어도 어느 일면이 개방면을 형성하는 케이스(100)를 구비하며, 복수의 단위 셀이 적층된 전극 조립체(300)는 케이스(100)의 개방면을 통해 케이스(100) 내부에 수납된다. 그리고, 양극과 음극의 전극단자(210)를 구비하는 캡 플레이트(200)가 케이스(100)의 개방면을 밀봉하도록 결합한다.
도 1에 도시된 제1 실시형태의 각형 이차전지(10)는 양극과 음극의 전극단자(210)가 케이스(100)의 상면에 함께 배치되는 일방향 이차전지로서, 케이스(100)의 상면이 개방면을 이룸에 따라 캡 플레이트(200)가 케이스(100)의 상면을 밀봉하게 된다.
단위 셀이 적층된 전극 조립체(300)는 케이스(100) 안에 밀봉 수납된다. 단위 셀은 음극/분리막/양극의 단위 구조로 이루어져 있는 셀을 말하는 것으로서, 복수의 단위 셀이 적층됨으로써 하나의 전극 조립체(300)가 구성된다. 단위 셀의 일반적인 구성을 설명하면 다음과 같다.
양극은 양극 집전체 및 양극 집전체의 일면 또는 양면 상에 도포된 양극 활물질을 포함한다. 양극 집전체의 폭 방향 일측 단부에는 양극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 무지부에 대해 노칭(타발) 가공을 수행함으로써 양극 탭(312)이 형성된다.
음극은 음극 집전체 및 음극 집전체의 일면 또는 양면 상에 도포된 음극 활물질을 포함한다. 음극 집전체의 폭 방향 일측 단부에는 음극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 마찬가지로, 음극의 무지부는 음극 탭(314)으로서 기능한다.
제1 실시형태에서, 전극 탭(310), 즉 양극 탭(312)과 음극 탭(314)은 전극 조립체(300)의 폭 방향, 즉 각형 이차전지(10)의 높이방향을 따라 동일 단부에 위치한다. 도시된 예에서, 양극 탭(312)과 음극 탭(314)은 각형 이차전지(10)의 상면을 향해 연장되며, 양극 탭(312)과 음극 탭(314)은 캡 플레이트(200) 상에 구비된 양극 단자와 음극 단자에 각각 전기적으로 연결된다.
본 발명에 있어서, 양극 집전체에 코팅되는 양극 활물질과 음극 집전체에 코팅되는 극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
하나의 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, 0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2(1x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤ x ≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1 xFe1xM2 yP1yM3 zO4z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤ 2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
그리고, 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
무기물 입자는 유전율이 5 이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1xLaxZr1yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3PbTiO3(PMNPT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
그리고, 전극 조립체(300)가 함침되는 전해액(400)을 이루는 전해질은 A+B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
도 1로 돌아오면, 본 발명의 각형 이차전지(10)는 전극 조립체(300)의 표면에 부착된 스웰링 테이프(500)를 포함한다. 스웰링 테이프(500)는 케이스(100) 안에 충진된 전해액(400)과 접촉하여 신장 또는 팽창하는 특성을 가지고 있다. 즉, 스웰링 테이프(500)는 전해액(400)과 접촉하여 길이방향으로 신장하거나, 또는 부피 팽창하는 특성을 가지고 있다.
전극 조립체(300)와 케이스(100) 사이에는 전극 조립체(300)의 조립성, 전기 연결을 위한 공간, 전해액(400)의 필요 주액량 등을 고려하여 약간의 여유공간이 존재한다. 그러나, 이러한 여유공간은 케이스(100) 안의 전극 조립체(300)가 외부 충격에 의해 흔들리거나 미끄러지는 요동현상의 원인이 된다.
이러한 문제를 해결하고자, 본 발명의 각형 이차전지(10)는 전극 조립체(300)의 표면에 스웰링 테이프(500)가 부착되어 있다. 전해액(400)에 반응하는 팽창성 소재의 스웰링 테이프(500)는 전해액(400)에 접촉하지 않은 초기 상태에서는 전극 조립체(300)와 케이스(100) 사이의 간극을 완전히 메꿀 정도의 두께를 가지고 있지 않다. 이에 따라 스웰링 테이프(500)가 부착된 전극 조립체(300)를 케이스(100) 안에 수납할 때의 조립성은 양호하게 유지된다.
그리고, 스웰링 테이프(500)가 부착된 전극 조립체(300)의 케이스(100) 수납이 완료되면, 스웰링 테이프(500)에 전해액(400)이 접촉하여 스웰링 테이프(500)는 신장 또는 팽창하게 된다. 스웰링 테이프(500)가 부피팽창을 하여 부풀어오르면 전극 조립체(300)와 케이스(100) 사이의 간극을 메꾸게 되며, 길이신장을 하는 경우에도 스웰링 테이프(500)의 기재층이 팽창함에 따라 발생하는 힘과 점착층의 고정력의 상호 균형에 의해 굴곡진 입체형상을 이루게 됨으로써 간극을 메우게 된다.
스웰링 테이프(500)의 기재층은, 예를 들면, 전해액(400)과 같은 액체와 접촉하면 길이신장 또는 부피팽창을 하는 소재로 만들어지며, 기재층의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 필름 또는 시트 형상일 수 있다.
기재층의 소재는 액체 접촉에 의해 팽창하는 특성을 가진 것이라면 어떠한 소재도 사용할 수 있다. 하나의 예로서, 기재층은 고분자 필름 또는 시트이고, 제조과정에서의 연신 또는 수축 처리에 의하여 유체와 접촉하면 팽창 특성을 나타내도록 제조된 필름 또는 시트일 수 있다.
하나의 예시에서, 기재층으로는 우레탄 결합, 에스테르 결합 또는 에테르 결합을 포함하거나, 또는 셀를로오스 에스테르 화합물을 포함하는 기재층을 사용할수 있다. 이러한 기재층으로는 아크릴레이트계 기재층, 우레탄계 기재층, 에폭시계 기재층 또는 셀룰로오스계 기재층이 예시될 수 있다.
이와 같은 팽창특성을 가진 스웰링 테이프(500)가 점착층을 매개로 전극 조립체(300)의 표면에 부착된 상태에서 케이스(100)에 충진된 전해액(400)에 접촉하여 신장 또는 팽창하여 전극 조립체(300)와 케이스(100) 사이의 간극이 메워짐으로써 전극 조립체(300)의 요동이 방지된다. 스웰링 테이프(500)를 통해 전극 조립체(300)가 안정적으로 지지됨에 따라 전극 탭(310)의 단락과 같은 문제가 사라짐으로써 각형 이차전지(10)의 안전성이 향상된다.
또한, 본 발명의 각형 이차전지(10)는 케이스(100)의 전후좌우 둘레를 따라 적어도 서로 대향하는 두 면 위에 오목한 제1 비딩 가공부(600)가 형성되어 있다. 제1 비딩 가공부(600)는 얇은 라인 형태의 오목면을 형성하며, 제1 비딩 가공부(600)의 오목면은 케이스(100) 내부에 수납된 전극 조립체(300)를 압박하는 깊이를 이루고 있다. 좀더 정확하게는, 제1 비딩 가공부(600)의 오목면은 전극 조립체(300)의 표면에 부착된 스웰링 테이프(500)의 표면을 직접 압박하고, 이에 따라 전극 조립체(300)는 간접적으로 압박된다.
제1 비딩 가공부(600)는 얇은 라인 형태를 이루므로, 케이스(100) 내측으로 오목면을 형성하더라도 각형 이차전지(10)의 용량에 미치는 매우 적다. 즉, 제1 비딩 가공부(600)는 전극 조립체(300) 및/또는 전해액(400) 등의 케이스(100) 내부에 수납되는 각형 이차전지(10)의 필수 구성요소의 용량 내지 크기에 미치는 영향이 매우 제한적이다.
도 1에 도시된 것과 같이, 케이스(100)의 전후좌우 둘레를 따라 적어도 서로 대향하는 두 면 위로 형성된 제1 비딩 가공부(600)는 전극 조립체(300)의 표면을 대향하는 양 방향에서 압박한다. 즉, 케이스(100)에 대해 유격을 가진 전극 조립체(300)는 대향하는 제1 비딩 가공부(600)에 의해 양 방향으로 눌려서 고정되고, 이에 따라 전극 조립체(300)의 지지구조가 개선됨으로써 사용 중의 슬립 현상이 억제된다. 결과적으로 전극 조립체(300)의 유동성이 스웰링 테이프(500)와 제1 비딩 가공부(600) 양자에 의해 더욱 확실히 제한됨으로써 전기 접촉에 의한 쇼트나 탭이 찢어지는 등의 각종 문제가 방지되며, 이를 통해 각형 이차전지(10)의 안전성이 크게 향상된다.
한편, 본 발명의 제1 실시형태는 스웰링 테이프(500)의 부착구조에 대한 다양한 실시예를 제공한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것과 같이, 스웰링 테이프(500)는 전극 조립체(300)의 전후좌우 면의 사방으로 부착될 수 있다. 스웰링 테이프(500)가 전극 조립체(300)의 전후좌우에 부착됨으로써 전후좌우 방향의 요동발생이 억제된다.
도시된 실시예에서, 스웰링 테이프(500)는 전극 조립체(300)의 전후좌우 면의 둘레를 따라 빙 둘러서 연속하여 부착되어 있는데, 롤 타입으로 권취된 스웰링 테이프(500)를 사용하여 자동/반자동으로 부착하는 경우에 특히 효율적인 부착구조라 할 수 있다.
또한, 스웰링 테이프(500)의 폭이 전극 조립체(300)의 폭에 대응함으로써, 스웰링 테이프(500)가 전극 조립체(300)의 전후좌우 전체면에 걸쳐 연속하여 부착될 수 있다. 스웰링 테이프(500)는 절연성을 가지므로, 전극 조립체(300)의 전후좌우 전체면을 스웰링 테이프(500)가 보호함으로써 전기 쇼트 등의 문제를 방지하는데 더욱 유리하다.
그리고, 스웰링 테이프(500)의 기능성을 더욱 강화하기 위해, 스웰링 테이프(500)의 부착 구조에는 몇몇의 공백부가 구비될 수 있다.
도 3은 제1 공백부(510)를 구비하는 스웰링 테이프(500)의 부착 구조를 도시한 사시도이다. 도 3을 참조하면, 스웰링 테이프(500)가 전극 조립체(300)의 전후좌우 면의 둘레를 따라 부착되는 가운데, 전극 조립체(300)의 전후좌우 각 면 사이의 모서리 전체를 따라 제1 공백부(510)가 형성되어 있다.
다시 말해, 도 3의 실시형태는 전극 조립체(300)의 전후좌우 각 면에 부착된 스웰링 테이프(500)가 전극 조립체(300)의 전후좌우 4개의 모서리를 경계로 하여 서로 단절되어 있는 구조이다.
이는 도 2의 실시예와 같이 스웰링 테이프(500)가 전극 조립체(300)의 전후좌우 면의 둘레를 따라 빙 둘러서 연속하여 부착되면 모서리 부분에서 스웰링 테이프(500)가 꺾이게 되는데, 이럴 경우 스웰링 테이프(500)의 직각으로 꺾인 부위에 응력이 집중되는 단점이 있다는 것을 고려한 것이다.
스웰링 테이프(500)가 꺾인 부위에 응력이 집중되면, 스웰링 테이프(500)의 팽창시에 전극 조립체(300)의 모서리에 강한 힘이 작용함으로써 전극 조립체(300)에 변형을 일으킬 우려가 있다. 도 3의 실시예는 스웰링 테이프(500)에 대해 전극 조립체(300)의 전후좌우 각 면 사이의 모서리 전체를 따라 제1 공백부(510)를 형성함으로써 이러한 응력 집중의 문제를 해소한다.
그리고, 도 4 및 도 5는 제2 공백부(520)를 구비하는 스웰링 테이프(500)의 부착 구조를 각각 도시한 사시도이다. 참고로, 도 4 및 도 5는 모두 제1 공백부(510)를 구비하는 것으로 도시되어 있는데, 제1 공백부(510)와 제2 공백부(520)는 서로 독립적인 구성으로서 반드시 함께 조합되어야 하는 것은 아니다.
제2 공백부(520)는 전극 조립체(300)의 전후면 중앙부에 형성된 공백부로서, 도 4와 같이 제2 공백부(520)가 스웰링 테이프(500)의 내부에서 닫힌 도형의 형태를 이루거나, 또는 도 5와 같이 전극 조립체(300)의 전후면에 부착된 스웰링 테이프(500)를 제2 공백부(520)가 양측으로 단절하는 형태를 이루도록 형성될 수 있다.
제2 공백부(520)는 스웰링 테이프(500)가 차지하는 부피에 의해 감소하는 전해액(400)의 주액량을 일정량 회복하기 위한 공간을 형성하기 위한 것이며, 또한 충방전 사이클이 반복될수록 전극 조립체(300)의 가운데 부분이 부풀어오르는 현상(스웰링 현상)에 대응하기 위한 것이다.
여기서, 전극 조립체(300)의 전후면은 도면을 기준으로 지칭하는 것이며, 형태적으로 보았을 때 각형 이차전지(10)에서 가장 넓은 면을 의미하는 것이기도 하다. 즉, 제2 공백부(520)가 전극 조립체(300)의 가장 넓은 면에 형성되는 것이 본래 의도했던 목적에 부합하는 것이다.
나아가 도 6은 전극 조립체(300)의 좌우측면 중앙부에 제3 공백부(530)를 형성하는 실시예를 도시하고 있다. 제3 공백부(530)는 제2 공백부(520)를 보충하기 위한 것으로서, 제2 공백부(520)와 함께 구비되는 것이 바람직할 수 있다.
[제2 실시형태]
본 발명의 제2 실시형태는 비딩 가공부에 대한 다양한 실시예를 제공한다. 제2 실시형태에서, 비딩 가공부는 제1 비딩 가공부(600)와 제2 비딩 가공부(610)를 포함한다.
도 7은 제1 비딩 가공부(600)가 전극 조립체(300)를 지지하는 구조를 도시한 단면도이고, 도 8은 제1 비딩 가공부(600)와 전극 조립체(300)의 상대 위치를 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 것처럼, 제1 비딩 가공부(600)는 케이스(100) 내부에 수납된 전극 조립체(300)에 부착된 스웰링 테이프(500)의 표면을 압박한다. 좀더 구체적으로, 제1 비딩 가공부(600)의 오목면은 전극 조립체(300)의 표면에 부착된 스웰링 테이프(500)의 표면을 직접 압박하고, 이에 따라 전극 조립체(300)는 간접적으로 압박된다. 이로써 케이스(100) 내부에서 전극 조립체(300)는 제1 비딩 가공부(600)의 압박에 의해 손상을 받을 염려 없이 그 지지구조가 현저히 개선된다.
그리고, 도 8은 각형 이차전지(10)의 전면을 도시한 도면인데, 케이스(100) 내부에 수납된 전극 조립체(300)가 은선으로 표현되어 있다. 제1 비딩 가공부(600)는 전극 조립체(300)의 전극 탭(340)으로부터 이격되는 위치에 형성되어 있다. 이는 제1 비딩 가공부(600)가 전극 탭(340)을 직접 압박하여 전극 탭(340)에 응력을 생성하는 것을 방지하기 위한 것이며, 또한 제1 비딩 가공부(600)의 위치가 확실하게 스웰링 테이프(500)를 향하도록 만들기 위한 것이기도 하다.
또한, 제1 비딩 가공부(600)는 케이스(100) 내부에 수납된 전극 조립체(300)의 상부를 압박하도록 케이스(100)의 상면을 이루는 캡 플레이트(200)에 인접하게 형성될 수 있다.
그리고, 제1 비딩 가공부(600)는 케이스(100)의 전후좌우 둘레 중 폭 방향 길이가 가장 긴 두 개의 면, 즉 도면을 기준으로 케이스(100)의 전면 및 후면에 형성될 수 있다. 이로써 제1 비딩 가공부(600)를 충분한 길이로 형성할 수 있어 전극 조립체(300)를 견고하게 지지할 수 있다. 또는, 도 1에 도시된 것처럼, 제1 비딩 가공부(600)는 케이스(100)의 전후좌우 둘레를 따라 네 면에 걸쳐 연속적으로 형성될 수도 있으며, 사방에서 전극 조립체(300)를 간접 압박함에 따라 더욱 확실하게 전극 조립체(300)를 지지할 수 있다.
한편, 도 9는 제1 비딩 가공부(600) 및 제2 비딩 가공부(610)를 구비하는 실시형태를 도시한 사시도이고, 도 10은 제1 비딩 가공부(600) 및 제2 비딩 가공부(610)가 전극 조립체(300)를 지지하는 구조를 도시한 단면도이다.
도 9 및 도 10에 도시된 것과 같이, 제2 실시형태의 다른 실시예에 따르면, 케이스(100)의 저면에 인접한 높이에서 전후좌우 둘레를 따라 적어도 서로 대향하는 두 면 위에 형성된 제2 비딩 가공부(610)를 더 포함하고 있다.
제2 비딩 가공부(610)는, 앞서 설명한 제1 비딩 가공부(600)를 보조하여, 전극 조립체(300)의 슬립 형상을 더욱 확실히 방지하기 위해 추가되는 구성이다. 제1 비딩 가공부(600)는 전극 조립체(300)의 상부를 압박하여 지지하는 한편, 제2 비딩 가공부(610)는 전극 조립체(300)의 하부를 지탱한다.
도 10의 단면도를 보면, 제2 비딩 가공부(610)는 케이스(100) 내부에 수납된 전극 조립체(300)의 표면을 압박하지 않으면서 전극 조립체(300)의 저면에 접촉하여 지지하고 있다. 즉, 제2 비딩 가공부(610)는 전극 조립체(300)를 직접 압박하지 않고, 전극 조립체(300)가 하방으로 미끄러지지 않도록 저면을 받쳐주는 역할을 한다.
이러한 실시예는 제2 비딩 가공부(610)가 전극 조립체(300)의 저면을 받치는 가운데 제1 비딩 가공부(600)가 전극 조립체(300)의 상부를 압박하여 고정하는 구조임에 따라, 전극 조립체(300)의 슬립 현상은 완전히 사라지게 된다.
여기서, 제2 비딩 가공부(610)가 전극 조립체(300)를 압박하는 구조로 형성하지 않는 것은, 전극 조립체(300)의 상하부가 모두 고정되도록 삽입하는 과정에서 전극 조립체(300)에 의도치 않은 변형이 발생될 수 있고, 또한 각형 이차전지(10)의 반복된 충방전에 의해 전극 조립체(300)에 스웰링 현상이 발생할 경우 전극 조립체(300)의 변형을 수용하는데 있어 제2 비딩 가공부(610)가 압박하는 구조가 방해로 작용할 수 있음을 고려한 것이기 때문이다.
그리고, 제1 비딩 가공부(600)의 경우와 마찬가지로, 제2 비딩 가공부(610)는 케이스(100)의 전후좌우 둘레 중 폭 방향 길이가 가장 긴 전면 및 후면에 형성되거나, 또는 케이스(100)의 전후좌우 둘레를 따라 네 면에 걸쳐 연속적으로 형성될 수 있다. 도 9에는 케이스(100)의 전후좌우 둘레를 따라 네 면에 걸쳐 제2 비딩 가공부(610)가 연속적으로 형성된 실시예가 도시되어 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: 각형 이차전지
100: 케이스
200: 캡 플레이트 210: 전극단자
300: 전극 조립체 310: 전극 탭
312: 양극 탭 314: 음극 탭
400: 전해액 500: 스웰링 테이프
510: 제1 공백부 520: 제2 공백부
530: 제3 공백부 600: 제1 비딩 가공부
610: 제2 비딩 가공부
200: 캡 플레이트 210: 전극단자
300: 전극 조립체 310: 전극 탭
312: 양극 탭 314: 음극 탭
400: 전해액 500: 스웰링 테이프
510: 제1 공백부 520: 제2 공백부
530: 제3 공백부 600: 제1 비딩 가공부
610: 제2 비딩 가공부
Claims (14)
- 적어도 어느 일면이 개방면을 형성하는 케이스;
상기 케이스의 개방면을 통해 상기 케이스 내부에 수납되는 전극 조립체; 및
상기 케이스의 개방면을 밀봉하도록 결합하고, 양극과 음극의 전극단자를 구비하는 캡 플레이트를 포함하고,
상기 전극 조립체의 표면에는 상기 케이스 안에 충진된 전해액과 접촉하여 신장 또는 팽창하는 스웰링 테이프가 부착되고,
상기 케이스의 전후좌우 둘레를 따라 적어도 서로 대향하는 두 면 위에는 오목한 제1 비딩 가공부가 형성된, 각형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 스웰링 테이프는, 상기 전해액과 접촉하여 길이방향으로 신장하거나, 또는 부피 팽창하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 스웰링 테이프는,
상기 전극 조립체의 전후좌우 면에 부착된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제3항에 있어서,
상기 스웰링 테이프는,
상기 전극 조립체의 전후좌우 면의 둘레를 따라 연속하여 부착된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제3항에 있어서,
상기 스웰링 테이프는,
상기 전극 조립체의 전후좌우 면의 둘레를 따라 부착되되 상기 전극 조립체의 전후좌우 각 면 사이의 모서리 전체를 따라 제1 공백부를 형성하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제5항에 있어서,
상기 스웰링 테이프는,
상기 전극 조립체의 전후면 중앙부에 제2 공백부를 형성하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제6항에 있어서,
상기 제2 공백부에 의해 상기 전극 조립체의 전후면에 부착된 스웰링 테이프는 양측으로 단절되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제6항에 있어서,
상기 스웰링 테이프는,
상기 전극 조립체의 좌우측면 중앙부에 제3 공백부를 형성하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 비딩 가공부는,
상기 케이스 내부에 수납된 전극 조립체에 부착된 상기 스웰링 테이프의 표면을 압박하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제9항에 있어서,
상기 제1 비딩 가공부는,
상기 케이스 내부에 수납된 전극 조립체의 전극 탭으로부터 이격되는 위치에 형성되고,
상기 케이스 내부에 수납된 전극 조립체의 상부를 압박하도록 상기 캡 플레이트에 인접하게 형성된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제9항에 있어서,
상기 제1 비딩 가공부는,
상기 케이스의 전후좌우 둘레를 따라 네 면에 걸쳐 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제10항에 있어서,
상기 케이스의 저면에 인접한 높이에서 전후좌우 둘레를 따라 적어도 서로 대향하는 두 면 위에 형성된 제2 비딩 가공부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제12항에 있어서,
상기 제2 비딩 가공부는,
상기 케이스 내부에 수납된 전극 조립체의 하부를 지지하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제14항에 있어서,
상기 제2 비딩 가공부는,
상기 전극 조립체의 저면에 접촉하여 지지하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
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