WO2013002496A2 - 절연부재가 장착된 이차전지 - Google Patents

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polymer resin
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남상봉
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문준호
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery, and more particularly, a secondary battery having a structure in which a jelly-roll having a cathode / separation membrane / cathode structure is mounted in a cylindrical battery case, and having a plate-like structure mounted on an upper end of the jelly-roll.
  • the insulating member has openings perforated on the insulating member for gas discharge and penetration of the electrode terminals, fine pores having a size that allows the electrolyte to pass through and does not pass foreign matter, and transversely on one or both sides of the insulating member.
  • the present invention relates to a secondary battery including strip-shaped or bead-shaped protrusions formed in a direction and / or a longitudinal direction.
  • lithium secondary batteries with high energy density, high operating voltage, and excellent storage and life characteristics are used for various mobile devices as well as various electronic products. It is widely used as an energy source.
  • the electrode assembly embedded in the battery case is a power generator capable of charging and discharging composed of a laminated structure of a positive electrode, a separator, and a negative electrode, a jelly-roll type wound through a separator between a long sheet type anode and an anode coated with an active material, and A plurality of positive and negative electrodes of a predetermined size are classified into a stack type in which a separator is sequentially stacked, and a stack / fold type which is a composite structure of a jelly-roll type and a stack type.
  • the jelly-roll type electrode assembly has advantages of easy manufacturing and high energy density per weight.
  • FIG. 1 a structure of a conventional cylindrical secondary battery is shown in FIG. 1, and an insulating member generally used in the cylindrical secondary battery is schematically illustrated in FIGS. 2 and 3 as a plan view.
  • the cylindrical secondary battery 100 accommodates the jelly-roll type (winding type) electrode assembly 120 in the battery case 130 and injects the electrolyte solution into the battery case 130.
  • the electrode assembly 120 has a structure in which a cathode 121, a cathode 122, and a separator 123 are interposed therebetween, and then wound in a rounded shape, and at its core (center of jelly-roll), a cylindrical center pin ( 150) is inserted.
  • the center pin 150 is generally made of a metal material to impart a predetermined strength, and has a hollow cylindrical structure in which a plate is rounded.
  • the center pin 150 acts as a passage for fixing and supporting the electrode assembly and for discharging gas generated by internal reaction during charging and discharging and operation.
  • the upper surface of the electrode assembly 120 is mounted with a plate-shaped insulating member 180a, the gas can be discharged and the positive electrode tab 142 of the electrode assembly 120 is a cap plate of the cap assembly 140
  • An opening 181a is formed at the center thereof to communicate with the through hole 151 of the center pin 150.
  • the insulating member 180a positioned at the top of the jelly-roll is a structure that blocks a path through which the electrolyte penetrates into the battery during the battery pouring process. Therefore, since the electrolyte penetrates into the battery only through the opening 181a communicating with the center pin 150 and the portion where the insulating member 180a is not located, a lot of time is required for the pouring process and as a result, the productivity is increased. Have problems falling
  • a structure in which a plurality of through holes 182b are formed around the opening 181b in some insulating members 180b may be proposed.
  • conductive impurity particles such as metal powder generated during manufacturing and / or assembling of the cap assembly 140 and the battery case 130 may be formed through the through holes 182b formed in the insulating member 180b. Inflow to 120 may result in a short circuit or a drawback that significantly degrades the battery life characteristics.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problem that has been requested from the past.
  • An object of the present invention is to provide a secondary battery having a structure that can improve the permeability of the electrolyte by the insulating member of the novel structure and improve the safety, performance and manufacturing processability of the battery.
  • a secondary battery according to the present invention for achieving the above object is a secondary battery having a structure in which a jelly-roll of a cathode / separation membrane / cathode structure is mounted in a cylindrical battery case, and an insulating member having a plate-like structure at an upper end of the jelly-roll.
  • Fine pores having a size that allows the electrolyte to pass through and does not pass foreign matter
  • Strip-shaped or bead-shaped protrusions formed in one side or both sides of the insulating member in the transverse direction and / or the longitudinal direction;
  • Consists of a structure comprising a.
  • a cylindrical secondary battery inserts a jelly roll into a cylindrical can, mounts an insulating member on the top of the jelly roll, and then passes through a beading process to fix the jelly roll.
  • This beading process is performed by applying pressure in the vertical direction while indenting the outer circumferential surface of the cylindrical can using metal.
  • fine metal pieces are generated. As these fine metal pieces enter the cell, they cause a short circuit. Therefore, the insulating member should be able to smoothly inject the electrolyte without passing foreign matter such as the fine metal pieces.
  • the cylindrical secondary battery by the insulating member of the above structure mounted on the top of the jelly-roll, the electrolyte can penetrate over the entire surface of the insulating member when the electrolyte is injected, so that the main liquidity is greatly improved, relatively large
  • the occurrence of shorts can be prevented as compared with the insulating member of the prior art including through holes of diameter, which is very preferable. This can be confirmed by the experimental results described later.
  • the strip-shaped or bead-shaped protrusions may be formed by compressing portions other than the protrusions, and because of this structure, the mechanical rigidity of the insulating member may be improved.
  • the inventors of the present application confirmed that by forming the protrusions as described above, it is possible to ensure the desired mechanical rigidity while maintaining the porosity.
  • the protrusions as described above, it is possible to increase the surface friction force. That is, in the manufacturing process of the cylindrical battery, in the beading process for fixing the jelly-roll after mounting the insulating member, if the frictional force of the insulating member is too small, preventing the problem of damaging the penetrated electrode terminal while rotating the insulating member can do.
  • the insulating member is not particularly limited as long as it is an insulating material, and may be formed of various materials.
  • the insulating member may be formed of an electrically insulating polymer resin or an electrically insulating polymer composite.
  • the polymer resin may be polyethylene (PE), poly It may be at least one selected from the group consisting of propylene (PP), polybutylene (PB), polystyrene (PS), polyethylene terephthalate (PET), natural rubber and synthetic rubber.
  • the micro-pores as described above, have a size that allows the electrolyte to pass through when the electrolyte is injected while providing an electrically insulating state which is a function of the insulating member.
  • the diameter of the micropores may range from 1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the fine pores may be formed over the entire surface of the insulating member at equal intervals.
  • the same spacing between each other also refers to the spacing between pores that are perforated on the insulating member.
  • the insulating member according to the present invention may be made in various forms.
  • the insulating member may be formed of a molded body of a polymer resin or a polymer composite, and may have a structure in which fine pores are perforated through the molded body.
  • the insulating member may have a structure in which long fibers of the polymer resin or the polymer composite form micropores and form a woven fabric.
  • the insulating member may have a structure in which short fibers of the polymer resin or the polymer composite form micropores and form a nonwoven fabric.
  • the permeation of the electrolyte may be relatively disadvantageous compared to the form of the nonwoven fabric or the woven fabric due to the surface tension and the restoring force of the perforated portion, and the gas discharge may be relatively lowered.
  • the warpage phenomenon warping phenomenon caused when the extrusion sheet is formed does not occur, there is a relatively excellent processability advantage.
  • the short fibers may be partially bonded by, for example, needle punching, heat fusion, or an adhesive to form a nonwoven fabric.
  • Nonwoven fabrics consist of fibers that are entangled without orientation. These fibers may be partially joined by needle punching, heat fusion, or adhesives so that they can be fixed in an entangled form.
  • the protrusions may be checkered while crossing in the transverse and longitudinal directions.
  • the protrusions may be checkered while crossing in the transverse and longitudinal directions.
  • there may be a difference in mechanical stiffness according to the directionality it may be preferable to be configured in a checkered shape while crossing in the transverse direction and the longitudinal direction as described above.
  • the protrusions may be shaped to form an embossed structure on the front surface of the insulating member.
  • embossing structure it is possible to increase the mechanical rigidity and the surface friction force.
  • the embossing structure may have a form in which a portion that is not thermally fused forms a protrusion by thermally fusion a portion of the insulating member.
  • Each of the protrusions and the heat-sealed portion may be of an island type or a continuous shape.
  • the insulating member is made of a non-woven fabric of short fibers
  • the bonding sites are distributed by heat fusion at equal intervals on the front surface of the insulating member, the partition wall shape of the heat-welded between the bonding sites It may be a structure in which the protrusions are located.
  • the thickness of the insulating member has a size of 0.1 mm to 0.5 mm. If the thickness of the insulating member is too thin, it may be difficult to sufficiently exhibit the original electrical insulating function of the insulating member, on the contrary, if the thickness of the insulating member is too thick, the battery capacity is reduced by causing the size of jelly-roll in the battery case of the same standard. Therefore, it is not preferable.
  • the secondary battery according to the present invention may be preferably applied to a lithium secondary battery prepared by impregnating a lithium-containing electrolyte in the jelly-roll.
  • the present invention can also provide a device including the secondary battery as a power source.
  • the device according to the present invention can be preferably used in electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles and power storage devices, etc. in consideration of excellent life characteristics and safety, as well as mobile devices such as mobile phones and portable computers.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a cylindrical secondary battery
  • FIG. 2 is a plan view of an insulating member used in the secondary battery of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a plan view of another type of insulating member used in the secondary battery of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a plan view of an insulating member according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of an insulating member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of an insulating member according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a perspective view of an insulating member according to an embodiment of the present invention.
  • the secondary battery 100 includes a jelly roll 120 having a structure of a cathode 121, a separator 123, and a cathode 122 mounted on a cylindrical battery case 130.
  • a jelly roll 120 having a structure of a cathode 121, a separator 123, and a cathode 122 mounted on a cylindrical battery case 130.
  • an insulating member 180c having a plate-like structure is mounted on the upper end of the jelly-roll 120.
  • the insulating member 180c is made of polyethylene terephthalate (PET) having a thickness of about 0.4 mm, an opening 181c is perforated on one side, and a plurality of pores 182c having a diameter of 10 to 30 ⁇ m are spaced at the same interval from each other. It is formed over the whole surface of the insulating member 180c, and the intaglio embossing 183 structure is comprised in the longitudinal direction and the lateral direction, and forms the protrusion part corresponding to continuous anode embossing.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the electrolyte penetrates over the entire surface of the insulating member 180c by the plurality of micropores 182c, the liquid injection property is greatly improved, and short generation can be prevented.
  • the mechanical rigidity of the insulating member may be increased and the surface frictional force may be increased to improve processability.
  • PET Polyethylene terephthalate
  • a 6 mm wide, 2.5 mm vertical opening is perforated on one side, a number of fine pores having a diameter of 1 to 30 ⁇ m They were uniformly distributed over the entire surface at uniform intervals of about 10 to 30 ⁇ m, and an insulated embossed structure was formed in a pattern to prepare an insulating member. Then, the insulating member is mounted on the jelly-roll top of the structure in which the anode / separation membrane / cathode is wound by the center pin, and fine metal powders generally generated in the battery assembly process are placed on the insulating member. In the state, a cylindrical secondary battery of 18650 standard (diameter 18 mm, length 65 mm) was produced.
  • an insulating member and a secondary battery were produced in the same manner as in Example 1.
  • Example 1 Using a polyethylene terephthalate (PET) woven fabric that forms fine pores of 15 ⁇ m as a material of the insulating member, an insulating member having a negative embossed structure in a pattern was formed. Except for using the insulating member, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
  • PET polyethylene terephthalate
  • Example 1 Using a polyethylene terephthalate (PET) nonwoven fabric having fine pores of 15 mu m on average as a raw material of the insulating member, an insulating member having a negative embossed structure in a pattern was formed. Except for using the insulating member, a secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
  • PET polyethylene terephthalate
  • an insulating member and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1.
  • an insulating member and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1.
  • An insulating member and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that a plurality of micropores having a diameter of 150 ⁇ m were uniformly distributed on the entire surface at uniform intervals of about 120 ⁇ m.
  • An insulating member and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that polyethylene terephthalate (PET) woven fabric which did not form fine pores was used as a material of the insulating member.
  • PET polyethylene terephthalate
  • cap assembly was welded to the open top of the secondary battery manufactured as described above, and each produced 10 pieces, and the charging and discharging experiment was conducted to check whether the short circuit occurred, and the results are shown in Table 1 below.
  • the batteries of Examples 1 to 5 of the present invention can be confirmed that the impregnation time of the electrolyte is significantly shorter than the comparative example 1 or 4. That is, it can be seen that the electrolyte has effectively passed through the plurality of micropores formed in the insulating member.
  • the battery of Comparative Example 2 has improved impregnation compared to the battery of Comparative Example 1, the short circuit rate is relatively large, and the battery of Comparative Example 3 also shows the impregnation similar to that of Examples 1 and 2, but the short circuit rate is relatively You can see the largeness. This was confirmed to be due to the passage of the metal powder through the relatively large pores causing a short circuit inside the jelly-roll.
  • the battery of Comparative Example 1 shows a higher short-circuit rate than the batteries of Examples 1 and 2, although the fine pores as in Examples 1 and 2 are not perforated in the insulating member attached thereto. give.
  • This high short-circuit rate while the metal powders on the micropores in the cells of Examples 1 and 2, the movement is suppressed, whereas in the battery of Comparative Example 1 is free to move on the smooth surface of the insulating member, opening or insulation It is thought to be due to the movement to the jelly-roll through the outer peripheral surface of the member.
  • the battery of Example 3 only differs from Example 1 in the material of the sheet, and its impregnation and short-circuit rate show almost the same performance.
  • the batteries of Examples 4 and 5 using a coarse woven fabric and a nonwoven fabric are impregnated with an electrolyte solution compared to Comparative Examples 1, 4, or 5 because of the fine pores formed in the tissue itself without undergoing separate micropores. You can see that the time is significantly reduced.
  • the battery of Comparative Example 5 shows a finely improved impregnation time compared to the battery of Comparative Example 1 using a PET sheet by using a woven fabric that does not form micropores in the tissue itself, but compared to the Examples impregnation performance It can be confirmed that this is lowered.
  • the secondary battery according to the present invention includes an insulating member having fine pores formed on the front surface and having protrusions formed thereon, thereby preventing the occurrence of a short circuit and allowing electrolyte to permeate through the insulating member. There is an effect that can greatly improve the safety, performance and life characteristics of the battery and manufacturing processability of the battery.

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에 탑재되는 판상 구조의 절연부재는, 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 절연부재 상에 천공되어 있는 개구; 전해액을 통과시키고 이물(異物)을 통과시키지 않는 크기를 가진 미세 기공들; 및 절연부재의 일면 또는 양면에서 횡방향 및/또는 종방향으로 형성되어 있는 스트립 형상 또는 비드 형상의 돌기부들;을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

절연부재가 장착된 이차전지
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에 탑재되는 판상 구조의 절연부재는, 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 절연부재 상에 천공되어 있는 개구, 전해액을 통과시키고 이물(異物)을 통과시키지 않는 크기를 가진 미세 기공들, 및 절연부재의 일면 또는 양면에서 횡방향 및/또는 종방향으로 형성되어 있는 스트립 형상 또는 비드 형상의 돌기부들을 포함하고 있는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조인 스택/폴딩형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 종래의 원통형 이차전지의 구조가 도 1에 도시되어 있으며, 원통형 이차전지에서 일반적으로 사용되는 절연부재가 도 2 및 도 3에 평면도로서 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 전지케이스(130)에 수납하고, 전지케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 캡 어셈블리(140)를 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122) 및 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
또한, 전극조립체(120)의 상단면에는 판상형 구조의 절연부재(180a)가 장착되는 바, 가스가 배출될 수 있고 전극조립체(120)의 양극 탭(142)이 캡 어셈블리(140)의 캡 플레이트(145)에 연결될 수 있도록, 중앙에 센터 핀(150)의 관통구(151)와 연통되는 개구(181a)가 형성되어 있다.
그러나, 젤리-롤 상단에 위치하는 절연부재(180a)는 전지의 주액 공정에서 전해액이 전지 내부로 침투하는 경로를 차단하고 있는 구조물이다. 그로 인해, 센터 핀(150)과 연통되는 개구(181a)와, 절연부재(180a)가 위치하지 않는 부위를 통해서만 전해액이 전지 내부로 침투하게 되므로, 주액 공정에 많은 시간이 소요되고 결과적으로 생산성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다
이러한 주액 공정시 전해액의 침투 경로를 원활하게 하기 위하여, 도3과 같이 일부 절연부재(180b)에는 개구(181b) 주변에 다수의 관통구(182b)가 형성되어 있는 구조가 제안되기도 한다.
그러나, 이러한 구조는 전지의 안전성 측면에서 심각한 문제를 가지고 있는 것으로 확인되었다. 즉, 캡 어셈블리(140), 전지케이스(130) 등의 제조 및/또는 조립 과정에서 발생한 금속 분말 등과 같은 도전성 불순물 입자들이, 절연부재(180b)에 천공되어 있는 관통구들(182b)를 통해 전극조립체(120)로 유입되어, 단락을 유발시키거나 전지의 수명 특성을 현저히 떨어뜨리는 단점을 초래할 수 있다.
따라서, 전기적 안전성을 유지하면서, 전해액에 대한 주액 공정성을 향상시킬 수 있는 이차전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 신규한 구조의 절연부재에 의해 전해액의 침투성을 향상시키고 전지의 안전성, 성능 및 제조 공정성을 개선할 수 있는 구조의 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에는 판상 구조의 절연부재는,
가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 절연부재 상에 천공되어 있는 개구;
전해액을 통과시키고 이물(異物)을 통과시키지 않는 크기를 가진 미세 기공들; 및
절연부재의 일면 또는 양면에서 횡방향 및/또는 종방향으로 형성되어 있는 스트립 형상 또는 비드 형상의 돌기부들;
을 포함하는 구조로 구성되어 있다.
일반적으로 원통형 이차전지는 원통형 캔에 젤리-롤을 삽입하고, 젤리-롤의 상단에 절연부재를 장착한 후, 젤리-롤의 고정을 위하여 비딩 공정을 거치게 된다. 이러한 비딩 공정은 원통형 캔의 외주면을 금속을 사용하여 만입시키면서 상하 방향으로 압력을 가하는 방식으로 이루어진다. 이 과정에서 금속과 금속이 맞닿으면서 변형이 일어나므로, 미세 금속 조각들이 발생하게 된다. 이러한 미세 금속 조각들이 전지 내부로 들어가게 되면 단락을 일으키게 된다. 따라서, 상기 절연부재는 상기 미세 금속 조각과 같은 이물(異物)은 통과시키지 않으면서 전해액 주입을 원활하게 할 수 있어야 한다.
상기 원통형 이차전지는, 젤리-롤 상단에 장착되어 있는 상기와 같은 구조의 절연부재에 의해, 전해액의 주입시 절연부재의 전면에 걸쳐서 전해액의 침투가 가능하므로 주액성이 크게 향상되고, 상대적으로 큰 직경의 관통구를 포함하는 종래기술의 절연부재와 비교할 때 쇼트의 발생을 방지할 수 있으므로 매우 바람직하다. 이러한 사실은 이후 설명하는 실험 결과를 통해서도 확인할 수 있다.
상기 스트립 형상 또는 비드 형상의 돌기부들은 돌기 이외 부분을 압착함으로써 형성할 수 있고, 이러한 구조로 인하여, 절연부재의 기계적 강성을 향상시킬 수 있다.
일반적으로, 다공성이 커질수록 절연부재의 밀도가 낮아지면서 기계적 강성이 저하된다. 즉, 원활한 전해액 주입 및 가스 배출 특성과 기계적 강성이 상호 반비례 관계를 나타내게 된다. 그러나, 본 출원의 발명자들은 상기와 같이 돌기부들을 형성함에 따라, 다공성을 유지하면서도 소망하는 기계적 강성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
또한, 상기와 같은 돌기부들을 형성함으로써, 표면 마찰력을 증가시킬 수 있다. 즉, 원통형 전지의 제조 과정에서, 상기 절연부재의 장착 후 젤리-롤의 고정을 위한 비딩 공정에서, 절연부재의 마찰력이 너무 작으면, 절연부재가 회전하면서 관통된 전극단자를 손상시키는 문제점을 방지할 수 있다.
상기 절연부재는 절연성 소재라면 특별히 제한되지 않고 다양한 소재로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 전기절연성 고분자 수지 또는 전기절연성 고분자 복합체로 일 수 있으며, 구체적으로, 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부티렌(PB), 폴리스틸렌(PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 천연고무 및 합성고무로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 미세 기공은, 앞서 설명한 바와 같이, 절연부재 본연의 기능인 전기적 절연 상태를 제공하면서 전해액의 주입시 전해액이 통과할 수 있는 크기를 가진다. 바람직한 예로, 상기 미세 기공들의 직경은 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위일 수 있다.
본 발명자들이 확인한 바로는 기공의 크기가 직경 100 ㎛를 넘어서는 경우, 전지의 조립공정 중에 캡 어셈블리, 전지케이스 등으로부터 발생한 미세한 금속 입자 등이 절연부재의 기공을 통해 젤리-롤로 들어가 쇼트가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 미세 기공들은 상호 동일한 간격으로 절연부재의 전면에 걸쳐 형성되어 있을 수 있다. 상호 동일한 간격은 결과적으로 절연부재 상에 천공되어 있는 기공들 사이의 간격을 의미하기도 한다. 절연부재의 전면에 걸쳐 형성됨으로써, 전해액 주입이 원활하게 되는 효과가 있고, 동일한 간격으로 형성됨으로써, 절연부재 전면에 걸쳐 물리적 특성이 균일한 수준으로 유지될 수 있다. 만약 특정 부위에 기공이 클러스터를 형성하는 구조라면 클러스터 부위가 다른 부위에 비하여 물리적 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 절연부재는 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
첫 번째 예에서, 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 성형체로 이루어져 있고, 상기 성형체를 관통하여 미세 기공들이 천공되어 있는 구조일 수 있다.
두 번째 예에서, 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 장섬유들이 미세 기공들을 형성하면서 직포 형태를 이루고 있는 구조일 수 있다.
세 번째 예에서, 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 단섬유들이 미세 기공들을 형성하면서 부직포 형태를 이루고 있는 구조일 수 있다.
상기 성형체를 관통하여 미세 기공들이 천공되는 경우에는 표면장력 및 천공부위의 복원력으로 인하여 전해액 투과가 부직포나 직포 형태에 비하여 상대적으로 불리할 수 있고, 가스 배출성도 상대적으로 저하될 수 있다. 반면에, 직포 또는 부직포 형태의 경우, 압출 시트의 형성 시 초래되는 와피지 현상(휘는 현상)이 일어나지 않으므로 상대적으로 공정성이 우수한 장점이 있다.
상기 단섬유들은, 예를 들어, 니들 펀칭, 열융착 또는 접착제에 의해 부분 결합되어 부직포 형태를 이루고 있을 수 있다. 부직포는 섬유가 방향성이 없이 얽혀있는 형태로 이루어져 있다. 이러한 섬유들이 얽혀있는 형태로 고정될 수 있도록 니들 펀칭, 열융착 또는 접착제에 의해 부분 결합될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 돌기부들은 횡방향과 종방향으로 교차하면서 체크 무늬를 이루고 있을 수 있다. 하나의 방향으로 형성되는 경우, 방향성에 따른 기계적 강성의 차이가 있을 수 있으므로, 상기와 같이 횡방향과 종방향으로 교차하면서 체크 무늬 형태로 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
결과적으로, 상기 돌기부들은 절연부재의 전면에 엠보싱 구조를 형성하는 형태일 수 있다. 상기 엠보싱 구조를 통하여, 기계적 강성 및 표면 마찰력을 증가시킬 수 있다.
상기 엠보싱 구조는 절연부재의 일부분을 열융착함으로써 열융착되지 않은 부위가 돌기부를 형성하는 형태일 수 있다. 상기 돌기부 및 열융착부는 각각 아일랜드 타입일 수도 있고 연속된 형태일 수도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 절연부재는 단섬유들의 부직포 형태로 이루어져 있고, 절연부재의 전면에 등간격으로 열융착에 의한 결합 부위들이 분포되어 있으며, 상기 결합 부위들 사이에 미열융착된 격벽 형상의 돌기부들이 위치해 있는 구조일 수 있다.
상기 절연부재의 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm 크기를 가지는 것이 바람직하다. 상기 절연부재의 두께가 너무 얇은 경우에는 절연부재 본연의 전기적 절연 기능을 충분히 발휘하기 어려울 수 있으며, 반대로, 너무 두꺼운 경우에는 동일 규격의 전지케이스에서 젤리-롤의 크기 감소를 유발하여 전지 용량이 줄어들므로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 이차전지는 상기 젤리-롤에 리튬 함유 전해액을 함침시켜 제조되는 리튬 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 전원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등 모바일 기기뿐만 아니라, 우수한 수명 특성과 안전성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치 등에 바람직하게 사용될 수 있다.
도 1은 원통형 이차전지의 대표적인 단면 모식도이다;
도 2는 도 1의 이차전지에서 사용된 절연부재의 평면도이다;
도 3은 도 1 의 이차전지에서 사용된 또 다른 형태의 절연부재의 평면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 절연부재의 평면도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 절연부재의 사시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 절연부재의 평면도가 모식적을 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 절연부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4 및 5를 도 1과 함께 참조하면, 이차전지(100)는 양극(121), 분리막(123)음극(122) 구조의 젤리-롤(120)이 원통형 전지케이스(130)에 장착되어 있는 구조로서, 젤리-롤(120)의 상단에는 판상 구조의 절연부재(180c)가 탑재되어 있다.
절연부재(180c)는 대략 0.4 mm 두께의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)으로 이루어져 있으며, 일측에 개구(181c)가 천공되어 있고, 직경 10 내지 30 ㎛의 다수의 기공들(182c)이 상호 동일한 간격으로 절연부재(180c)의 전면에 걸쳐 형성되어 있으며, 음각 엠보싱(183) 구조가 종방향 및 횡방향으로 구성되어 연속되는 양극 엠보싱에 대응하는 돌기부를 형성하고 있다.
따라서, 다수의 미세기공들(182c)에 의해, 전해액의 주입시 절연부재(180c)의 전면에 걸쳐서 전해액이 침투하므로 주액성이 크게 향상되고, 쇼트의 발생을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 상기 음각 엠보싱(183) 구조에 의한 돌기부의 형성에 의하여 절연부재의 기계적 강성을 증가시키고 표면 마찰력을 증가시켜 공정성을 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 시트를 사용하여 두께가 0.4 mm이고, 도 4와 같이, 가로 6mm, 세로 2.5 mm의 사각형 모양의 개구가 일측에 천공되어 있고, 직경이 1 내지 30 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 10 내지 30 ㎛의 균일한 간격으로 전면에 균일하게 분포되어 있으며, 음각 엠보싱 구조가 패턴을 이루고 형성되어 있는 절연부재를 제조하였다. 그런 다음, 센터 핀에 의해 양극/분리막/음극이 권취되어 있는 구조의 젤리-롤 상단에 상기 절연부재를 탑재하고, 전지의 조립 과정에서 일반적으로 발생하는 미세 금속 분말들을 상기 절연부재 상에 위치시킨 상태로, 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 이차전지를 제작하였다.
<실시예 2>
직경이 100 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 120 ㎛의 균일한 간격으로 전면에 균일하게 분포되어 있는 절연부재를 준비한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.
<실시예 3>
절연부재의 소재로서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 시트 대신 폴리프로필렌(PP) 시트를 사용한다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.
<실시예 4>
절연부재의 소재로서 15 ㎛의 미세 기공을 형성하는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 직포를 사용하여, 음각 엠보싱 구조가 패턴을 이루고 형성되어 있는 절연부재를 제조하였다. 상기 절연부재를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 제작하였다.
<실시예 5>
절연부재의 소재로서 평균 15 ㎛의 미세 기공을 형성하는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 부직포를 사용하여, 음각 엠보싱 구조가 패턴을 이루고 형성되어 있는 절연부재를 제조하였다. 상기 절연부재를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 제작하였다.
<비교예 1>
도 2와 같이, 다수의 기공들을 포함하지 않은 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 제작하였다.
<비교예 2>
도 3과 같이, 다수의 미세 기공들 대신에 직경이 2.5 mm인 3개의 관통구들이 형성된 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.
<비교예 3>
직경이 150 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 120 ㎛의 균일한 간격으로 전면에 균일하게 분포되어 있는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.
<비교예 4>
절연부재의 소재로서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 대신 폴리프로필렌(PP)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 제작하였다.
<비교예 5>
절연부재의 소재로서 미세 기공을 형성하지 않는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 직포를 사용한다는 점을 제외하고는, 상기 비교예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 제작하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 내지 5와 비교예 1 내지 5에서 각각 제작된 이차전지에 대한 전해액 함침 실험을 실시하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 전해액 함침 실험은 1M LiPF6의 카보네이트계 전해액을 상기에서 제작된 원통형 전지케이스에 주입한 후 젤리-롤의 함침률이 100%가 되는데 소요되는 시간을 측정하였고, 이러한 과정을 4회 반복하여 평균값을 얻었다.
또한, 상기에서 제작된 이차전지의 개방 상단에 캡 어셈블리를 용접하여 각각 10 개씩을 제작하고, 충방전 실험을 진행하여 단락 여부를 확인하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure PCTKR2012004386-appb-I000001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 5의 전지들은 전해액의 함침 시간이 비교예 1 또는 4에 비해 현저히 단축되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 절연부재에 형성되어 있는 다수의 미세기공에 의해, 전해액이 효과적으로 투과하였음을 알 수 있다.
비교예 2의 전지는 비교예 1의 전지에 비하여 함침성이 향상되지만 단락률이 상대적으로 커지며, 비교예 3의 전지 역시 실시예 1 및 2에 비견되는 함침성을 보여주고 있지만, 단락률이 상대적으로 큼을 알 수 있다. 이는 상대적으로 큰 기공을 통해 금속 분말이 통과하여 젤리-롤의 내부에서 단락이 유발되기 때문인 것으로 확인되었다.
한편, 비교예 1의 전지는, 그것에 장착되는 절연부재에 실시예 1 및 2에서와 같은 미세 기공들이 천공되어 있지 않음에도 불구하고, 실시예 1 및 2의 전지들에 비해 더 높은 단락률을 보여 준다. 이러한 높은 단락률은, 실시예 1 및 2의 전지들에서는 금속 분말들이 미세 기공 상에 걸치면서 이동이 억제됨에 반하여, 비교예 1의 전지에서는 절연부재의 매끈한 표면에서 이동이 자유로워, 개구 또는 절연부재의 외주면을 통해 젤리-롤로 이동되기 때문인 것으로 생각된다.
실시예 3의 전지는 시트의 재질만 실시예 1과 상이할 뿐으로, 그 함침성 및 단락률은 거의 동일한 성능을 나타낸다.
또한, 성긴 직포와 부직포를 사용한 실시예 4 및 실시예 5의 전지는 별도의 미세 기공을 형성 공정을 거치지 않고도, 조직 자체에 형성되는 미세 기공들 때문에, 비교예 1, 4 또는 5에 비하여 전해액 함침 시간이 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
한편, 비교예 5의 전지는 조직 자체에 미세 기공을 형성하지 않는 직포를 사용함으로써, PET 시트를 사용한 비교예 1의 전지에 비하여 미세하게 개선된 함침 시간을 보여주지만, 실시예들에 비하면 함침 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 미세 기공들이 전면에 형성되어 있고, 돌기부들이 형성되어 있는 절연부재를 포함함으로써, 쇼트의 발생을 방지하면서 절연부재 전체에 걸쳐 전해액이 투과되어 궁극적으로 전지의 안전성, 성능 및 수명특성과 전지의 제조 공정성을 크게 개선할 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에 탑재되는 판상 구조의 절연부재는,
    가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 절연부재 상에 천공되어 있는 개구;
    전해액을 통과시키고 이물(異物)을 통과시키지 않는 크기를 가진 미세 기공들; 및
    절연부재의 일면 또는 양면에서 횡방향 및/또는 종방향으로 형성되어 있는 스트립 형상 또는 비드 형상의 돌기부들;
    을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 전기절연성 고분자 수지 또는 전기절연성 고분자 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부티렌, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 천연고무 및 합성고무로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 미세 기공들의 직경은 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 미세 기공들은 상호 동일한 간격으로 절연부재의 전면에 걸쳐 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 성형체로 이루어져 있고, 상기 성형체를 관통하여 미세 기공들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 장섬유들이 미세 기공들을 형성하면서 직포 형태를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 단섬유들이 미세 기공들을 형성하면서 부직포 형태를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 단섬유들은 니들 펀칭, 열융착 또는 접착제에 의해 부분 결합되어 부직포 형태를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 돌기부들은 횡방향과 종방향으로 교차하면서 체크 무늬를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 돌기부들은 절연부재의 전면에 엠보싱 구조를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 단섬유들의 부직포 형태로 이루어져 있고, 절연부재의 전면에 등간격으로 열융착에 의한 결합 부위들이 분포되어 있으며, 상기 결합 부위들 사이에 미열융착된 격벽 형상의 돌기부들이 위치해 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재의 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm 크기인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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