KR20240038509A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20240038509A
KR20240038509A KR1020220117481A KR20220117481A KR20240038509A KR 20240038509 A KR20240038509 A KR 20240038509A KR 1020220117481 A KR1020220117481 A KR 1020220117481A KR 20220117481 A KR20220117481 A KR 20220117481A KR 20240038509 A KR20240038509 A KR 20240038509A
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는, 내측에 수용 공간을 형성하는 케이스, 양극, 음극 및 분리막이 순차적으로 적층되어 와인딩된 구조를 포함하고, 상기 수용 공간에 위치하는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체에 부착되어 상기 전극 조립체의 형태를 유지하는 유지 부재를 포함하고, 상기 유지 부재는, 상기 분리막이 적층된 상기 음극의 일면에 부착된 제1유지 부재 및 상기 양극의 끝단에 부착된 제2유지 부재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

Description

이차 전지{BATTERY}
본 발명은, 전극 조립체에 유지 부재가 부착된 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
이러한 이차 전지를 제조하기 위해, 먼저 전극 활물질 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극을 제조하고, 이를 분리막(Separator)의 양 측에 적층함으로써 소정 형상의 전극 조립체(Electrode Assembly)를 형성한다. 그리고 전지 케이스에 전극 조립체를 수납하고 전해질 주입 후 실링한다.
이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 유연한 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
특히, 캔 형 전지의 경우, 교대로 적층한 양극, 분리막 및 음극이 와인딩 되어 캔형 케이스 내부에 수용됨으로써 제조되는데, 와인딩되어 내부에 빈 공간을 형성하다보니, 외력 또는 내부 결함 등에 요인으로 인해 마모와 뒤틀림이 발생하는 문제가 있다.
따라서, 이와 같은 마모와 뒤틀림의 문제를 방지하여 구조적 안정성을 확보할 수 있는 이차 전지가 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 구조적 안정성을 확보하여 마모 및 뒤틀림을 방지하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 고온의 환경 또는 외력 등의 요인에 의해 전극이 변형되어 전극간 단선이 일어난 현상을 방지하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는, 내측에 수용 공간을 형성하는 케이스, 양극, 음극 및 분리막이 순차적으로 적층되어 와인딩된 구조를 포함하고, 상기 수용 공간에 위치하는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체에 부착되어 상기 전극 조립체의 형태를 유지하는 유지 부재를 포함하고, 상기 유지 부재는, 상기 분리막이 적층된 상기 음극의 일면에 부착된 제1유지 부재 및 상기 양극의 끝단에 부착된 제2유지 부재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 음극은 상기 분리막이 적층된 적층 부분 및 상기 분리막이 적층되지 않은 비적층 부분을 포함하고, 상기 적층 부분 및 비적층 부분은 상기 음극의 동일면에 형성되며, 상기 제1유지 부재는 상기 비적층 부분에 부착될 수 있다.
상기 제1유지 부재는 상기 분리막의 일 측에 위치하여 상기 양극과 음극의 접촉을 차단할 수 있다.
상기 전극 조립체가 와인딩되는 방향을 기준으로, 상기 제2유지 부재는 상기 양극의 전방 끝단과 후방 끝단 중 적어도 하나에 위치할 수 있다.
상기 제2유지 부재는 상기 양극의 끝단을 감쌀 수 있다.
상기 제2유지 부재는 상기 양극의 끝단과 연결된 상태에서, 상기 전극조립체가 와인딩되는 방향인 상기 양극의 외측 방향으로 연장될 수 있다.
상기 유재 부재는, 상기 음극의 일면에 상기 분리막 및 양극이 차례로 적층되고, 상기 유지 부재는, 상기 음극의 일면과 반대면인 상기 음극의 타면에 부착되는 제3유지 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 음극, 분리막 및 양극이 적층된 방향을 바라본 기준으로, 상기 제3유지 부재의 일부 영역은 상기 양극이 배치된 영역과 중첩될 수 있다.
상기 전극 조립체는 상기 케이스의 내측의 빈 공간인 코어 공간을 와인딩하도록 형성되고, 상기 유지 부재는, 상기 코어 공간을 바라보는 상기 전극 조립체의 내측면에 위치하는 제4유지 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제4유지 부재는 상기 전극 조립체의 내측면의 둘레를 따라 배치될 수 있다.
상기 유지 부재는, 열경화성 재질의 제1층과 스웰링 재질의 제2층이 적층된 이중 구조 또는 상기 제1층과 상기 제2층 사이에 수지 재질의 제3층이 적층된 삼중 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 이중 구조 및 삼중 구조의 적층면은 앵커(anchor) 구조를 포함할 수 있다.
상기 유지 부재는, 열경화성 재질 또는 스웰링 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 구조적 안정성을 확보하여 마모 및 뒤틀림을 방지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 고온의 환경 또는 외력 등의 요인에 의해 전극이 변형되어 전극간 단선이 일어난 현상을 방지할 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성들로부터 당업자가 용이하게 예측 가능한 효과들을 포함할 수 있다.
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 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유지 부재의 이중 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유지 부재의 삼중 구조를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1유지 부재 및 전극 조립체의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제2유지 부재 및 전극 조립체의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제2유지 부재 및 전극 조립체의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제3유지 부재 및 전극 조립체의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제4유지 부재 및 전극 조립체의 단면도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분 또는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서는, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 붙이도록 한다
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(1)의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(1)는 내측에 수용 공간을 형성하는 케이스(10) 및 수용 공간에 위치하여 수용되는 전극 조립체(11)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(1)는 원통형 전지를 포함할 수 있다. 다시 말해, 전극 조립체(11)는 양극(110), 음극(111) 및 분리막(112)이 순차적으로 적층되어 와인딩된 구조를 포함할 수 있다. 즉, 전극 조립체(11)는 케이스(10)의 내측의 빈 공간인 코어 공간을 형성하도록 코어 공간을 와인딩된 형태로 배치될 수 있다. 이와 같은 구조에 의해서, 이차 전지(1)는 전기 에너지를 축적하고, 필요 및 설계에 따라 축적된 전기 에너지를 출력할 수 있다.
또한, 이차 전지(1)는 전극 조립체(11)에 부착되어 전극 조립체(11)의 형태를 유지하는 유지 부재(12)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 유지 부재(12)는 전극 조립체(11)의 외면 또는 전극 조립체(11)의 내부 사이 공간에 위치하여, 전극 조립체(11)의 형태를 유지할 수 있다. 구체적으로, 유지 부재(12)는 전극 조립체(11)가 마모되거나 뒤틀리는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 유지 부재(12)는 고온의 환경에 의해 전극 조립체(11)가 변형되어 양극(110) 및 음극(111)이 단선되는 현상을 미연에 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유지 부재(12)의 이중 구조를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유지 부재(12)의 삼중 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2를 참고하면, 유지 부재(12)는 열경화성 재질의 제1층(12a)과 스웰링 재질의 제2층(12b)이 적층된 이중 구조를 포함할 수 있다. 또한, 도 3을 참고하면, 유지 부재(12)는 열경화성 재질의 제1층(12a)과 스웰링 재질의 제2층(12b) 사이에 수지 재질의 제3층(12c)이 적층된 삼중 구조를 포함할 수 있다.
열경화성 재질의 제1층(12a)은 고온의 환경에서 경도가 높아지도록 변화될 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(11)가 손상되거나 내부 결함에 의해 고온의 열을 발생시키는 경우, 열경화성 재질의 제1층(12a)의 경도가 높아짐으로써, 전극 조립체(11) 내부를 지탱하여 전극 조립체(11)가 뒤틀리거나 마모되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 스웰링 재질의 제2층(12b)은 고온의 환경에서 부풀어 오르도록 변화될 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(11)가 손상되거나 내부 결함에 의해 고온의 열을 발생시키는 경우, 스웰링 재질의 제2층(12b)의 부피가 증가하여 전극 조립체(11) 내부 공간을 채움으로써, 전극 조립체(11)가 뒤틀리거나 마모되는 현상을 방지할 수 있다.
마지막으로, 열경화성 재질의 제1층(12a)과 스웰링 재질의 제2층(12b) 사이에 수지 재질의 제3층(12c)을 적층시킴으로써, 유지 부재(12)의 각 구성간의 결합력이 향상되고 유지 부재(12)의 형태가 보다 유지될 수 있다.
이중 구조 및 삼중 구조에서, 각 층의 적층면은 보다 접착력을 강화하는 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이중 구조 및 삼중 구조의 적층면은 앵커(anchor) 구조를 포함할 수 있다. 다시 말해, 각 적층면은 닻 형태와 같이 걸리는 구조를 포함함으로써, 유지 부재(12)의 각 층 사이의 접착력 및 결합력이 보다 증대될 수 있다.
유지 부재(12)는 설계상 이유에 따라 전극 조립체(11)의 각 부분에 부착 및 연결될 수 있다. 예를 들어, 유지 부재(12)는 전극 사이에 적층되거나 전극의 일 끝단에 부착되는 등의 형태로, 전극 조립체(11)의 다양한 부분에 위치할 수 있다. 또한, 전극 조립체(11)의 빈 공간을 보다 효과적으로 채우기 위해 유지 부재(12)는 단차진 구조를 포함할 수 있다.
유지 부재(12)는 제1부재, 제2부재, 제3부재 및 제4부재를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제1유지 부재(120) 및 전극 조립체(11)의 사시도이다.
도 4를 참고하면, 제1유지 부재(120)는 분리막(112)이 적층된 음극(111)의 일면에 부착될 수 있다. 예를 들어, 음극(111)은 분리막(112)이 적층된 적층 부분과 분리막(112)이 적층되지 않은 비적층 부분을 포함하고, 적층 부분 및 비적층 부분은 음극(111)의 동일면에 형성되며, 제1유지 부재(120)는 음극(111)의 비적층 부분에 부착될 수 있다.
다시 말해, 음극(111)의 적층 부분에는 분리막(112) 및 양극(110)이 교대로 적층된 구조가 형성되는 반면에, 음극(111)의 비적층 부분에는 제1유지 부재(120)가 부착되어 적층될 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 제1유지 부재(120)가 분리막(112) 및 양극(110)이 형성되지 않은 음극(111)의 일 측 빈공간을 채워줌으로써, 전극이 마모되거나 뒤틀리는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 제1유지 부재(120)는, 고온의 환경에 의해 분리막(112)이 수축되어 양극(110) 및 음극(111) 간 단선되는 현상을 미연에 방지할 수 있다.
도 5 및 도6은 본 발명의 실시예에 따른 제2유지 부재(121) 및 전극 조립체(11)의 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 제2유지 부재(121)는 양극(110)의 끝단에 부착될 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(11)가 와인딩되는 방향을 기준으로, 제2유지 부재(121)는 양극(110)의 전방 끝단과 후반 끝단 중 적어도 하나에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제2유지 부재(121)는 양극(110)의 끝단을 감싸는 구조를 포함할 수 있다. 또한, 제2유지 부재(121)는 양극(110)의 끝단과 연결된 상태에서, 전극 조립체(11)가 와인딩되는 방향인 양극(110)의 외측 방향으로 연장될 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 양극(110), 분리막(112) 및 음극(111)이 교대로 적층되어 와인딩되는 원통형 이차 전지(1)의 특성상, 와인딩된 양극(110)의 길이는 와인딩된 음극(111)의 길이보다 짧을 수 있다. 이 경우, 고온의 환경 등에 의해 분리막(112)이 수축되어 양극(110) 및 음극(111) 간 단선이 되는 현상을 방지하기 위해, 제2유지 부재(121)는 양극(110)의 양 끝단에 부착됨으로써, 이와 같은 단선 문제를 해결할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제3유지 부재(122) 및 전극 조립체(11)의 사시도이다.
도 7을 참고하면, 음극(111)의 일면에 분리막(112) 및 양극(110)이 차례로 적층되고, 제3유지 부재(122)는 음극(111)의 일면과 반대면인 음극(111)의 타면에 부착될 수 있다. 다시 말해, 음극(111)을 기준으로, 제3유지 부재(122)는 분리막(112) 및 양극(110)이 적층된 면의 반대면에 부착될 수 있다. 예를 들어, 음극(111), 분리막(112) 및 양극(110)이 적층된 방향을 바라본 기준으로, 제3유지 부재(122)의 일부 영역은 양극(110)이 배치된 영역과 중첩될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 원통형 이차 전지(1)의 경우, 양극(110)의 길이는 음극(111)의 길이보다 상대적으로 짧게 형성됨으로써, 양극(110)의 끝 단에 위치한 음극(111)의 부분에 응력이 집중되거나 양극(110)의 끝 단에 위치한 음극(111)의 부분이 휘어지는 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 제3유지 부재(122)는 음극(111)을 기준으로 양극(110)의 반대편에 위치하여 양극(110)의 영역과 일부 겹치도록 배치됨으로써, 전극이 마모되거나 뒤틀리는 현상을 방지할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제4유지 부재(123) 및 전극 조립체(11)의 단면도이다.
도 8을 참고하면, 전극 조립체(11)는 케이스(10)의 내측의 빈 공간인 코어 공간을 와인딩하도록 형성되고, 제4유지 부재(123)는 코어 공간을 바라보는 전극 조립체(11)의 내측면에 위치할 수 있다. 다시 말해, 제4유지 부재(123)는 전극 조립체(11)의 내측면의 둘레를 따라 배치될 수 있다. 즉, 제4유지 부재(123)는 코어 공간을 감싸는 형태로 형성될 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 제4유지 부재(123)가 전극 조립체(11)의 내측면을 지탱해줌으로써, 제4유지 부재(123)는 고온의 환경 및 외력 등과 같은 외부 요인에 의해 전극 조립체(11)가 내측으로 굽어지는 현상을 방지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 이차 전지
10: 케이스
11: 전극 조립체
12: 유지 부재
12a: 제1층
12b: 제2층
12c: 제3층
110: 양극
111: 음극
112: 분리막
120: 제1유지 부재
121: 제2유지 부재
122: 제3유지 부재
123: 제4유지 부재

Claims (13)

  1. 내측에 수용 공간을 형성하는 케이스;
    양극, 음극 및 분리막이 순차적으로 적층되어 와인딩된 구조를 포함하고, 상기 수용 공간에 위치하는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체에 부착되어 상기 전극 조립체의 형태를 유지하는 유지 부재를 포함하고,
    상기 유지 부재는, 상기 분리막이 적층된 상기 음극의 일면에 부착된 제1유지 부재 및 상기 양극의 끝단에 부착된 제2유지 부재 중 적어도 하나를 포함하는, 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서
    상기 음극은 상기 분리막이 적층된 적층 부분 및 상기 분리막이 적층되지 않은 비적층 부분을 포함하고, 상기 적층 부분 및 비적층 부분은 상기 음극의 동일면에 형성되며,
    상기 제1유지 부재는 상기 비적층 부분에 부착되는, 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서
    상기 제1유지 부재는 상기 분리막의 일 측에 위치하여 상기 양극과 음극의 접촉을 차단하는, 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서
    상기 전극 조립체가 와인딩되는 방향을 기준으로, 상기 제2유지 부재는 상기 양극의 전방 끝단과 후방 끝단 중 적어도 하나에 위치하는, 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서
    상기 제2유지 부재는 상기 양극의 끝단을 감싸는, 이차 전지.
  6. 제4항에 있어서
    상기 제2유지 부재는 상기 양극의 끝단과 연결된 상태에서, 상기 전극조립체가 와인딩되는 방향인 상기 양극의 외측 방향으로 연장되는, 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서
    상기 음극의 일면에 상기 분리막 및 양극이 차례로 적층되고,
    상기 유지 부재는, 상기 음극의 일면과 반대면인 상기 음극의 타면에 부착되는 제3유지 부재를 더 포함하는, 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서
    상기 음극, 분리막 및 양극이 적층된 방향을 바라본 기준으로, 상기 제3유지 부재의 일부 영역은 상기 양극이 배치된 영역과 중첩되는, 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서
    상기 전극 조립체는 상기 케이스의 내측의 빈 공간인 코어 공간을 와인딩하도록 형성되고,
    상기 유지 부재는, 상기 코어 공간을 바라보는 상기 전극 조립체의 내측면에 위치하는 제4유지 부재를 더 포함하는, 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서
    상기 제4유지 부재는 상기 전극 조립체의 내측면의 둘레를 따라 배치되는, 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서
    상기 유지 부재는,
    열경화성 재질의 제1층과 스웰링 재질의 제2층이 적층된 이중 구조 또는 상기 제1층과 상기 제2층 사이에 수지 재질의 제3층이 적층된 삼중 구조 중 적어도 하나를 포함하는, 이차 전지.
  12. 제11항에 있어서
    상기 이중 구조 및 삼중 구조의 적층면은 앵커(anchor) 구조를 포함하는, 이차 전지.
  13. 제1항에 있어서
    상기 유지 부재는, 열경화성 재질 또는 스웰링 재질 중 적어도 하나를 포함하는, 이차 전지.

KR1020220117481A 2022-09-16 2022-09-16 이차 전지 KR20240038509A (ko)

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