WO2018111016A1 - 케이블형 이차전지 - Google Patents

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WO2018111016A1
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secondary battery
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signal line
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엄인성
강성중
이재헌
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a cable type secondary battery, and more particularly to a cable type secondary battery having a novel electrode structure.
  • Lithium secondary batteries are widely used in various portable electronic devices such as personal computers, camcorders, portable telephones, portable CD players, PDAs, and the like because of their high energy density, high operating voltage, and excellent retention and life characteristics.
  • a lithium secondary battery in general, includes a cylindrical or rectangular case and an electrode assembly accommodated in the case together with an electrolyte.
  • the electrode assembly is a laminate of a positive electrode, a separator and a negative electrode, and typically has a winding structure or a stack structure in the form of a jelly-roll.
  • the cable type secondary battery has a very large ratio of length to diameter, and generally includes an internal electrode, a separator formed to surround the internal electrode, and an external electrode formed to surround the separator.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-110244 discloses a battery cable having a structure in which a flexible and long secondary battery body is provided in an exterior member and a signal cable is disposed in the exterior member adjacent to the secondary battery body to integrate the same. .
  • the cable structure as described above is difficult to assemble the cable-type secondary battery and the signal cable in the same exterior material, the assembly process is difficult and difficult to mass production, and measures for this are required.
  • the overall outer diameter of the cable increases.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and has a cable-type secondary battery having a novel structure that can fundamentally prevent the separation of electrodes that can occur in a cable-type secondary battery composed of an internal electrode and an external electrode
  • the purpose is to provide.
  • Another object of the present invention is to provide a cable-type secondary battery having a structure capable of preventing an increase in the outer diameter of the cable-type secondary battery by disposing a signal line cable in the cable-type core portion formed inside the cable-type secondary battery. .
  • a cable-type core portion An anode wire wound around the outer surface of the cable-shaped core part, spirally wound so as to be spaced apart from each other by a predetermined interval, and including a first porous coating layer formed on an outer surface thereof; And a cathode wire including a cathode wire including a second porous coating layer wound around the outer surface of the cable core part and spirally wound to cross the wound anode wire while corresponding to the predetermined interval.
  • a battery is provided.
  • the cable type core part may include a signal line cable.
  • the signal line cable may be a tubular structure, a spring structure, a cylindrical structure or a polygonal structure.
  • the signal line cable may be any one or two or more selected from the group consisting of a sound signal line cable, an optical signal line cable, an electric signal line cable, and an image signal line cable.
  • the signal line cable may include an optical fiber cable coated with polyolefin, thermoplastic polyurethane, thermoplastic elastomer, or polyacrylate; Or a metal cable of copper, aluminum or nickel.
  • the signal line cable may further include an electromagnetic interference prevention layer surrounding the outer surface.
  • first porous coating layer and the second porous coating layer may be an electrolyte layer or a separator independently of each other.
  • the cable type secondary battery may have an outer surface coated with a protective coating.
  • the cable type secondary battery may be flexible.
  • the cable type secondary battery may be a lithium secondary battery.
  • the present invention it is possible to fundamentally prevent the separation phenomenon of the electrode that may occur in the internal electrode or the external electrode of the conventional cable-type secondary battery, it is possible to ensure the durability against the bending of the cable-type secondary battery.
  • the signal line cable in the cable core part formed inside the cable type secondary battery, a separate occupation space for installing the signal line unit is not required, and an increase in the overall outer diameter of the cable type secondary battery can be prevented.
  • the signal line cable which is an optical fiber cable or a metal cable, is disposed at the center of the cable type secondary battery, the signal line cable can be effectively protected from signal interference or moisture.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the main configuration of a conventional cable type secondary battery.
  • FIG. 2 is a view schematically showing a positive electrode wire and a negative electrode wire constituting a cable type secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are diagrams schematically showing the main configuration of the cable-type secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view schematically showing a cable core part according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view schematically showing a bent shape of the cable-type secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • signal line cable 12 non-electromagnetic field interference prevention layer
  • first porous coating layer 30 cathode wire
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the main configuration of a conventional cable-type secondary battery
  • Figure 2 is a view schematically showing a positive electrode and a negative electrode constituting a cable-type secondary battery according to an embodiment of the present invention
  • 3 and 4 are diagrams schematically showing the main configuration of the cable-type secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a conventional cable type secondary battery includes a sheet-shaped inner electrode 1 wound in a spiral shape, a separator 2 formed around the inner electrode 1, and a spiral on an outer surface of the separator 2.
  • the sheet-shaped external electrode 3 wound by has a form sequentially formed from the inside.
  • a gap may occur in the winding surface of the wound sheet-shaped inner electrode 1 or the wound sheet-shaped outer electrode 2, thereby causing defects in either electrode.
  • the bending radius of the inner electrode 1 and the outer electrode 2 is different, so the tension / shrinkage range is different, and friction occurs while being spaced apart for stress relief. Deterioration of the electrode active material or desorption of the electrode active material occurs, resulting in a short circuit between the electrodes at these spaced portions.
  • the second electrode structure is enclosed in a spiral shape to fit the first electrode structure.
  • the cable-type secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention, the cable-type core portion 10; An anode wire 20 wound around the outer surface of the cable type core part 10 and spirally wound so as to be spaced apart from each other by a predetermined interval, and including a first porous coating layer 23 formed on the outer surface thereof; And a second porous coating layer 33 wound around the outer surface of the cable type core part 10 and spirally wound to cross the wound anode wire 10 while corresponding to the predetermined interval. It includes a negative electrode wire 30 including.
  • the anode wire 20 and the cathode wire 30 are formed to cross each other in the same cylindrical or polygonal shape of the virtual, thereby having a new form of electrode arrangement structure deviating from the concept of an internal electrode and an external electrode It features.
  • the possibility of a separation phenomenon occurring at the electrode winding surface, which may occur conventionally, is blocked at the source, thereby ensuring durability against bending of the cable type secondary battery.
  • the cable-type secondary battery 100 of the present invention is arranged in a state in which the positive electrode 20 and the negative electrode 30 are in contact with each other, the flexibility (flexiblity) is greatly improved, even if repeated bending to the battery There is no problem of damage to the porous coating layers due to friction between the first porous coating layer and the second porous coating layer, and a short circuit between the electrodes occurring in the above-described conventional battery structure can be prevented.
  • the positive electrode wire 20 is a conductive wire 21 coated with a positive electrode active material 22, spirally wound on the outer surface of the cable-type core portion 10 in the longitudinal direction of the cable-type secondary battery 100 It is formed to extend.
  • a conductor wire serving as a current collector materials such as aluminum, stainless steel, nickel, copper, and silver may be used.
  • the cathode active material 22 coated on the surface of the conductor wire 21 a conventional lithium secondary battery may be used.
  • a positive electrode active material may be employed.
  • the negative electrode wire 30 is a conductive wire 31 coated with a negative electrode active material 32, and is spirally wound on an outer surface of the cable type core part 10 in the longitudinal direction of the cable type secondary battery 100. Is formed extending, the anode wire 20 is formed while crossing.
  • the conductor wire 31 serving as the current collector the material used in the above-described positive electrode wire 20 may be used, and as the negative electrode active material 32 coated on the surface of the conductor wire 31, a conventional lithium secondary battery may be used. A negative electrode active material may be employed.
  • the cable-shaped core portion 10 to maintain the linear shape of the cable-type secondary battery 100, can prevent the deformation of the battery structure by the external force, and prevent the collapse or deformation of the electrode structure Thus, the flexibility of the cable type secondary battery 100 can be secured.
  • first porous coating layer 23 and the second porous coating layer 33 serve to block direct contact between the anode wire 20 and the cathode wire 30, and a separate additional separator is not required. Do not.
  • the cable type secondary battery 100 includes a protective coating 40, which is an insulator, which is an electrode against moisture and external shock in the air. It is formed covering the outermost surface of the cable type secondary battery 100 to protect the.
  • a conventional polymer resin including a moisture barrier layer may be used as the protective coating 40.
  • a conventional polymer resin including a moisture barrier layer may be used as the protective coating 40.
  • aluminum or liquid crystal polymer having excellent moisture barrier performance may be used as the moisture barrier layer, and the polymer resin may be PET, PVC, HDPE or epoxy resin.
  • the cable type core unit 10 may include a signal line cable.
  • the signal line cable is inserted into the cable type secondary battery 100 and extends in the longitudinal direction of the cable type secondary battery 100.
  • the signal line cable transmits a predetermined sound signal, an optical signal, an electrical signal, or an image signal generated in a device to which the cable type secondary battery 100 is connected in the cable type secondary battery 100.
  • the signal line cable may be a tubular structure, a spring structure, a cylindrical structure or a polygonal cylindrical structure such as a triangular shape, a tetragonal shape, a pentagonal shape, or a hexagonal shape.
  • the signal line cable may include an optical fiber cable insulated and protective coated with a material such as polyolefin, thermoplastic polyurethane, thermoplastic elastomer or polyacrylate; Or a metal cable made of copper, aluminum, nickel, or the like, and the signal line cable may exist in various forms, such as having a plurality of twisted wires.
  • TPC Tewist Pair Cable
  • the specification of the TPC is the amount of oxygen introduced when smelting copper is 300 PPM, the purity is defined as about 99.9%.
  • LCOFC Linear Crystal OFC
  • OFC Oxygen Free Copper
  • the signal line cable is a composite cable such as a video line, a ground line, a microphone line, a right line, a left line, and the like.
  • a right line and a left line may have a twisted form or a linear form in a straight line, and the ends may be formed in a general earphone cord form.
  • the signal line cable plays a role of winding and signal transmission inside the cable type secondary battery 100, and does not require a separate occupation space for installing the signal line unit, and increases the overall outer diameter of the cable type secondary battery 100.
  • the signal line cable which is an optical fiber cable or a metal cable, is disposed at the center of the cable type secondary battery 100, the signal line cable can be effectively protected from signal interference or moisture.
  • the cable-shaped core part 10 of the present application includes a signal line cable 11, and the signal line cable 11 is connected to the anode wire 20 and / or the cathode wire 30.
  • the cable-shaped core part 10 of the present application may further include an electromagnetic interference prevention layer (12, 13) surrounding the outer surface.
  • the electromagnetic interference prevention layer may be formed of a non-conductive electromagnetic interference prevention layer 12 and a conductive electromagnetic interference prevention layer 13, and having such an electromagnetic interference prevention layer, the generation of the electromagnetic field in the power supply unit consisting of the electrode assembly. It is possible to prevent the interference, it is possible to prevent the generation of noise due to the interference in the signal transmission process of the signal transmission device.
  • the electromagnetic interference prevention layer may be used as long as the electromagnetic interference interference prevention is possible, and the configuration is not particularly limited. For example, it may consist of two layers of electromagnetic interference prevention layers. In this case, it is preferable that the electromagnetic interference prevention layer directly contacting the signal line cable is a non-conductor, and the electromagnetic interference prevention layer formed thereon is a conductor.
  • the non-conductive electromagnetic interference prevention layer 12 prevents direct contact between the signal line cable 11 and the conductor electromagnetic interference prevention layer 13, and the conductive electromagnetic interference prevention layer 13 blocks the electromagnetic field generated from the power supply unit to transmit the signal. Interference can be prevented.
  • the non-conductive electromagnetic interference interference layer 12 can be used as long as it is a material which does not pass electricity in principle, it is preferable to use a polymer material having excellent flexibility that does not lower the flexibility of the cable type secondary battery.
  • a polymer material PET (polyethylene terephthalate), PVC (polyvinyl chloride), HDPE (high density polyethylene) or epoxy resin may be used.
  • the conductive electromagnetic interference prevention layer 13 may be a metal having excellent conductivity, but using such a metal may cause a problem of lowering flexibility of the cable type secondary battery. Therefore, in order to prevent such a decrease in flexibility, it is preferable to use the conductor electromagnetic interference prevention layer of the present invention formed of a metal paste or a carbon paste.
  • first porous coating layer 23 and the second porous coating layer 33 may be an electrolyte layer or a separator independently of each other.
  • Examples of the electrolyte layer serving as a passage for the ions include a gel polymer electrolyte using PEO, PVdF, PVdF-HFP, PMMA, PAN, or PVAc; Or a solid electrolyte using PEO, polypropylene oxide (PPO), polyethylene imine (PEI), polyethylene sulphide (PES) or polyvinyl acetate (PVAc); Etc.
  • the matrix of the solid electrolyte is preferably made of polymer or ceramic glass as a basic skeleton.
  • ions may move very slowly in terms of reaction rate, and therefore, it is preferable to use an electrolyte of a gel polymer having easier movement of ions than a solid.
  • the gel polymer electrolyte is not excellent in mechanical properties, it may include a support to compensate for this, and such a support may be a pore structure support or a crosslinked polymer. Since the electrolyte layer of the present invention may serve as a separator, a separate separator may not be used.
  • the electrolyte layer may further include a lithium salt.
  • Lithium salts can improve ionic conductivity and reaction rate, non-limiting examples of which are LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloro available borane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, and tetraphenyl lithium borate, etc. have.
  • the separator is not limited to a kind thereof, but a porous material made of a polyolefin-based polymer selected from the group consisting of ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene-butene copolymer, ethylene-hexene copolymer and ethylene-methacrylate copolymer.
  • a polymer substrate Porous made of a polymer selected from the group consisting of polyesters, polyacetals, polyamides, polycarbonates, polyimides, polyetheretherketones, polyethersulfones, polyphenylene oxides, polyphenylenesulfides, polyurethanes and polyethylene naphthalates
  • a polymer substrate A porous substrate formed of a mixture of inorganic particles and a binder polymer; Or a separator having a porous coating layer formed of a mixture of inorganic particles and a binder polymer on at least one surface of the porous polymer substrate;
  • a foaming agent may be mixed in the liquid phase of the polyolefin, coated on an electrode wire, and then a separator or the like foamed through a foaming phenomenon may be used.
  • the inorganic particles are bound to each other by the binder polymer in a state of being filled and in contact with each other, thereby causing an interstitial volume between the inorganic particles. Is formed, and the interstitial volume between the inorganic particles becomes an empty space to form pores.
  • the binder polymer is attached to each other so that the inorganic particles are bound to each other, for example, the binder polymer is connected and fixed between the inorganic particles.
  • the pores of the porous coating layer is a pore formed by the interstitial volume between the inorganic particles becomes an empty space, which is an inorganic material that is substantially interviewed in a closed packed or densely packed by the inorganic particles It is a space defined by particles. Through the pores of the porous coating layer may provide a path through which lithium ions essential to operate the battery.
  • the cable type secondary battery 100 may be any secondary battery, but it is preferable that the cable type secondary battery 100 is a flexible cable type lithium secondary battery free of bending as shown in FIG. 6.
  • the cable type secondary battery is used for supplying power to a predetermined electronic device connected to the positive electrode wire and the negative electrode wire.
  • the signal line cable transmits an optical signal, a sound signal, an electrical signal, or an image signal generated by the electronic device to the target device along the longitudinal direction of the cable type secondary battery.
  • the signal line composite cable type secondary battery may be usefully applied to a power storage system such as a UPS in which an optical communication network and a secondary battery are fused, and a cable type device connected to a portable electronic device such as an earphone.

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Abstract

본 발명은 케이블형 코어부; 상기 케이블형 코어부의 외면을 둘러싸며 권취되고, 소정 간격 서로 이격되도록 나선형으로 권취되며, 외면에 형성된 제1 다공성 코팅층을 포함하는 양극 와이어; 및 상기 케이블형 코어부의 외면을 둘러싸며 권취되고, 상기 소정 간격에 대응되면서 상기 권취된 양극 와이어와 교차하도록 나선형으로 권취되며, 외면에 형성된 제2 다공성 코팅층을 포함하는 음극 와이어를 포함하는 케이블형 이차전지에 관한 것이다.

Description

케이블형 이차전지
본 발명은 케이블형 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신규한 전극 구조를 갖는 케이블형 이차전지에 관한 것이다.
본 출원은 2016년 12월 14일에 출원된 한국특허출원 제10-2016-0170637호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
리튬 이차전지는 에너지 밀도가 높고, 작동전압이 높을 뿐만 아니라 우수한 보존 및 수명특성을 보이는 등 많은 장점이 있어 개인용 컴퓨터, 캠코더, 휴대용 전화기, 휴대용 CD 플레이어, PDA 등 각종 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있다.
일반적으로 리튬 이차전지는 원통형 또는 각형의 케이스와, 전해질과 함께 상기 케이스에 수용되는 전극 조립체를 포함한다. 여기서, 전극 조립체는 양극, 분리막(Separator) 및 음극이 적층된 것으로서, 통상적으로 젤리-롤(Jelly-Roll) 형태의 권취 구조 또는 스택 구조를 갖는다.
또한, 근래에는 형태의 변형이 자유로워 다양한 분야에 적용이 가능한 케이블형 이차전지가 선보이고 있다. 케이블형 이차전지는 직경에 대해 길이의 비가 매우 큰 전지로서, 일반적으로 내부전극, 상기 내부전극을 둘러싸며 형성된 세퍼레이터 및 상기 세퍼레이터를 둘러싸며 형성된 외부전극을 구비한다.
그러나, 이러한 일반적인 케이블형 이차전지의 형태적 특성상, 내부전극 또는 외부전극에서 이격현상이 발생할 수 있다는 문제점이 지적되고 있다.
한편, 상기와 같은 케이블형 이차전지에 신호 전달 기능을 갖는 신호선을 융합할 경우 전원 공급과 신호 송수신을 통합적으로 수행할 수 있는 케이블을 구현할 수 있다. 이와 관련된 기술은 일본 공개특허공보 제2001-110244호에 게재되어 있다.
일본 공개특허공보 제2001-110244호는 가요성을 갖고 길이가 긴 이차전지체를 외장재 내에 구비하고 이차전지체에 인접하게 상기 외장재 내에 신호 케이블을 배치하여 일체화 한 구조를 가진 배터리 케이블을 개시하고 있다.
그러나, 상기와 같은 케이블 구조는 케이블형 이차전지와 신호 케이블을 동일 외장재 내에 집합하는 작업이 어려워서 조립공정이 까다롭고 양산에 어려움이 많아 이에 대한 대책이 요구되고 있다. 또한, 케이블형 이차전지의 외부에 소정 간격을 두고 신호 케이블이 배치되는 구조로 인해 케이블의 전체 외경이 증가하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 내부전극 및 외부전극으로 구성된 케이블형 이차전지에서 발생할 수 있는 전극의 이격현상을 근본적으로 방지할 수 있는 신규한 구조를 가진 케이블형 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 케이블형 이차전지 내부에 형성된 케이블형 코어부에, 신호선 케이블을 배치하여 케이블형 이차전지의 외경 증가를 방지할 수 있는 구조를 가진 케이블형 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 케이블형 코어부; 상기 케이블형 코어부의 외면을 둘러싸며 권취되고, 소정 간격 서로 이격되도록 나선형으로 권취되며, 외면에 형성된 제1 다공성 코팅층을 포함하는 양극 와이어; 및 상기 케이블형 코어부의 외면을 둘러싸며 권취되고, 상기 소정 간격에 대응되면서 상기 권취된 양극 와이어와 교차하도록 나선형으로 권취되며, 외면에 형성된 제2 다공성 코팅층을 포함하는 음극 와이어를 포함하는 케이블형 이차전지가 제공된다.
여기서, 상기 케이블형 코어부는, 신호선 케이블을 포함할 수 있다.
이때, 상기 신호선 케이블은, 튜브형 구조, 스프링형 구조, 원통형 구조 또는 다각통형 구조일 수 있다.
그리고, 상기 신호선 케이블은, 소리신호선 케이블, 광신호선 케이블, 전기신호선 케이블 및 영상신호선 케이블로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상일 수 있다.
그리고, 상기 신호선 케이블은, 폴리올레핀, 열가소성 폴리우레탄, 열가소성 엘라스토머 또는 폴리아크릴레이트로 코팅된 광섬유 케이블; 또는 구리, 알루미늄 또는 니켈의 금속 케이블일 수 있다.
그리고, 상기 신호선 케이블은, 그 외면을 감싸는 전자기장 간섭방지층을 더 포함하는 것일 수 있다.
한편, 상기 제1 다공성 코팅층 및 상기 제2 다공성 코팅층은, 서로 독립적으로 전해질층 또는 세퍼레이터일 수 있다.
그리고, 상기 케이블형 이차전지는, 그 외면이 보호피복으로 코팅되어 있는 것일 수 있다.
그리고, 상기 케이블형 이차전지는, 플렉시블한 것일 수 있다.
그리고, 상기 케이블형 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래 케이블형 이차전지의 내부전극 또는 외부전극에서 발생할 수 있는 전극의 이격현상을 근본적으로 방지하여, 케이블형 이차전지의 굽힘에 대한 내구성을 확보할 수 있다.
그리고, 케이블형 이차전지 내부에 형성된 케이블형 코어부에 신호선 케이블을 배치함으로써 신호선 유닛의 설치를 위한 별도의 점유공간이 요구되지 않고, 케이블형 이차전지의 전체 외경 증가를 방지할 수 있다.
나아가, 광섬유 케이블 또는 금속 케이블인 신호선 케이블이 케이블형 이차전지의 중심에 배치되므로 신호 간섭이나 수분 등으로부터 신호선 케이블을 효과적으로 보호할 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 종래의 케이블형 이차전지의 주요 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블형 이차전지를 구성하는 양극 와이어와 음극 와이어를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블형 이차전지의 주요 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블형 코어부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블형 이차전지가 굽힌 형상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
[부호의 설명]
1: 내부전극 2: 세퍼레이터
3: 외부전극 10: 케이블형 코어부
11: 신호선 케이블 12: 부도체 전자기장 간섭 방지층
13: 전도체 전자기장 간섭 방지층 20: 양극 와이어
21: 양극 도체 와이어 22: 음극 활물질
23: 제1 다공성 코팅층 30: 음극 와이어
31: 음극 도체 와이어 32: 음극 활물질
33: 제2 다공성 코팅층 40: 보호피복
100: 케이블형 이차전지
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.
따라서, 본 명세서에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 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.
도 1은 종래의 케이블형 이차전지의 주요 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블형 이차전지를 구성하는 양극 와이어와 음극 와이어를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블형 이차전지(100)의 주요 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 케이블형 이차전지는, 나선형으로 권취된 시트형의 내부전극(1), 상기 내부전극(1)을 둘러싸며 형성된 세퍼레이터(2) 및 상기 세퍼레이터(2)의 외면에 나선형으로 권취된 시트형의 외부전극(3)이 내부에서부터 순차적으로 형성된 형태를 갖는다.
그러나, 이러한 일반적인 케이블형 이차전지의 형태적 특성상, 권취된 시트형의 내부전극(1) 또는 권취된 시트형의 외부전극(2)의 권취면에서 이격현상이 일어나 어느 한 전극에 결함이 발생할 수 있었고, 특히 전지에 외력이 가해져 굽힘 현상이 반복되는 경우, 내부전극(1)과 외부전극(2)의 굽힘 반경이 다르기 때문에 인장/수축되는 범위가 상이해 응력해소를 위하여 이격되는 동안 마찰이 발생하며 세퍼레이터의 손상 또는 전극활물질의 탈리 현상이 일어나고, 그로 인해 이러한 이격 부분에서 전극간의 단락 현상이 생기는 문제가 있었다.
또한, 종래에 직선상 또는 나선상의 제1 전극구조체의 외측을 나선상으로 감싸는 제2 전극구조체를 구비한 전지의 경우에는, 본 발명과 달리 제2 전극구조체가 나선상으로 감싸면서 제1 전극구조체와 맞닿게 되는 부분이 유연성을 저하시키고, 또한 반복 벤딩시 그 부분의 마찰로 인해 세퍼레이터의 손상 또는 전극 활물질의 탈리로 인한 전극구조체가 손상되는 문제점이 있다.
한편, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블형 이차전지(100)는, 케이블형 코어부(10); 상기 케이블형 코어부(10)의 외면을 둘러싸며 권취되고, 소정 간격 서로 이격되도록 나선형으로 권취되며, 외면에 형성된 제1 다공성 코팅층(23)을 포함하는 양극 와이어(20); 및 상기 케이블형 코어부(10)의 외면을 둘러싸며 권취되고, 상기 소정 간격에 대응되면서 상기 권취된 양극 와이어(10)와 교차하도록 나선형으로 권취되며, 외면에 형성된 제2 다공성 코팅층(33)을 포함하는 음극 와이어(30)를 포함한다.
즉, 상기 양극 와이어(20)와 상기 음극 와이어(30)는 가상의 동일한 원통형상 또는 다각통형상에서 서로 교차하며 형성됨으로써, 내부전극 및 외부전극이라는 개념을 벗어난 새로운 형태의 전극 배치 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 이로써, 종래 발생할 수 있었던 전극 권취면에서의 이격현상 발생 가능성을 원천적으로 차단하여, 케이블형 이차전지의 굽힘에 대한 내구성을 확보할 수 있다.
그리고, 상기 양극 와이어(20)와 상기 음극 와이어(30)의 감기는 면(권회면)이 서로 동일한 원주면 상에 배치되어 있기 때문에, 전지의 굽힘 발생시 동일한 굽힘반경 내에서 움직이므로 수직방항의 자극이 일절 발생하지 않게 된다. 또한 본 발명의 케이블형 이차전지(100)는 양극 와이어(20)와 음극 와이어(30)가 서로 접촉한 상태로 배열됨으로써, 가요성(flexiblity)이 크게 개선되어 전지에 반복적인 굽힘이 진행되어도 제1 다공성 코팅층과 제2 다공성 코팅층의 마찰로 인한 다공성 코팅층들의 손상 문제가 없으며, 전술한 종래의 전지 구조에서 발생하는 전극간의 단락 현상 등이 방지될 수 있다.
여기서, 상기 양극 와이어(20)는 양극 활물질(22)이 코팅된 도체 와이어(21)로서, 상기 케이블형 코어부(10)의 외면에 나선형으로 권취되면서 케이블형 이차전지(100)의 길이방향으로 연장되어 형성된다. 집전체의 역할을 하는 도체 와이어로는 알루미늄, 스테인리스스틸, 니켈, 구리, 은 등의 소재가 사용될 수 있고, 이러한 도체 와이어(21)의 표면에 코팅되는 양극 활물질(22)로는 통상의 리튬 이차전지용 양극 활물질이 채용될 수 있다.
그리고, 상기 음극 와이어(30)는 음극 활물질(32)이 코팅된 도체 와이어(31)로서, 상기 케이블형 코어부(10)의 외면에 나선형으로 권취되면서 케이블형 이차전지(100)의 길이방향으로 연장되어 형성되되, 상기 양극 와이어(20) 교차하면서 형성된다. 집전체의 역할을 하는 도체 와이어(31)로는 전술한 양극 와이어(20)에서 사용된 소재가 사용될 수 있고, 이러한 도체 와이어(31)의 표면에 코팅되는 음극 활물질(32)로는 통상의 리튬 이차전지용 음극 활물질이 채용될 수 있다.
한편, 상기 케이블형 코어부(10)는, 케이블형 이차전지(100)의 선형의 형상을 유지시키며, 외부의 힘에 의한 전지 구조의 변형을 방지할 수 있으며, 전극 구조의 붕괴 또는 변형을 방지하여 케이블형 이차전지(100)의 가요성을 확보할 수 있다.
그리고, 상기 제1 다공성 코팅층(23) 및 상기 제2 다공성 코팅층(33)은, 양극 와이어(20)와 음극 와이어(30)간의 직접적인 접촉을 차단하는 역할을 하는 것으로, 별도의 추가적인 세퍼레이터가 요구되지 않는다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 케이블형 이차전지(100)는 보호피복(40)을 구비하는데, 보호피복(40)은 절연체로서 공기 중의 수분 및 외부충격에 대하여 전극을 보호하기 위해 케이블형 이차전지(100)의 최외면을 아우르며 형성된다.
상기 보호피복(40)으로는 수분 차단층을 포함하는 통상의 고분자 수지를 사용할 수 있다. 이때, 상기 수분 차단층으로 수분 차단 성능이 우수한 알루미늄이나 액정고분자 등이 사용될 수 있고, 상기 고분자 수지로는 PET, PVC, HDPE 또는 에폭시 수지 등이 사용될 수 있다.
한편, 상기 케이블형 코어부(10)는, 신호선 케이블을 포함하는 것일 수 있다.
이러한 신호선 케이블은, 케이블형 이차전지(100) 내부에 삽입되어 케이블형 이차전지(100)의 길이방향으로 연장된다. 상기 신호선 케이블은 케이블형 이차전지(100) 내부에서 케이블형 이차전지(100)가 연결되는 장치에서 발생하는 소정의 소리신호, 광신호, 전기신호 또는 영상신호를 전달한다.
이때, 상기 신호선 케이블은, 튜브형 구조, 스프링형 구조, 원통형 구조 또는 3각형, 4각형, 5각형, 6각형 등의 다각통형 구조일 수 있다.
그리고, 신호선 케이블은, 폴리올레핀, 열가소성 폴리우레탄, 열가소성 엘라스토머 또는 폴리아크릴레이트 등의 소재로 절연 및 보호 코팅된 광섬유 케이블; 또는 구리, 알루미늄 또는 니켈 등으로 이루어진 금속 케이블일 수 있으며, 이러한 신호선 케이블은 복수개가 서로 꼬인 형태를 갖는 등, 다양한 형태로 존재할 수 있다.
특히, 상기 신호선이 소리신호선일 경우, 바람직하게 TPC(Twist Pair Cable)을 사용할 수 있는데, TPC의 제원은 동을 제련할 때 유입된 산소량이 300 PPM이고, 순도는 99.9% 정도로 규정된다.
그리고, 상기 신호선이 A/V 신호선일 경우에는, OFC(Oxygen Free Copper) 입자를 선형으로 늘여놓은 LCOFC(Linear Crystal OFC)를 사용할 수 있는데, 상기 OFC는 말 그대로 "무 산소 동"을 의미하여, 산소 포함량은 10 PPM이하이고, 순도는 일반적으로 99.999% 이상의 순도를 가진다.
상기 신호선 케이블은, 비디오(Video)선, 그라운드(Ground)선, 마이크(Mic)선, 오른쪽(Right)선, 왼쪽(Left)선 등의 복합 케이블로, 서로 꼬인 형태, 일자형으로 단선화한 형태일 수 있고, 소리신호만을 전달할 경우에는, 오른쪽(Right)선과 왼쪽(Left)선의 꼬인 형태나 일자형으로 단선화한 형태 등을 가질 수 있으며, 끝단은 일반적인 이어폰 코드 형태로 형성될 수 있다.
이러한 신호선 케이블은 케이블형 이차전지(100)의 내부에서 권심역할 및 신호 전달 역할을 하게 되며, 신호선 유닛의 설치를 위한 별도의 점유공간이 요구되지 않고, 케이블형 이차전지(100)의 전체 외경 증가를 방지할 수 있고, 나아가, 광섬유 케이블 또는 금속 케이블인 신호선 케이블이 케이블형 이차전지(100)의 중심에 배치되므로 신호 간섭이나 수분 등으로부터 신호선 케이블을 효과적으로 보호할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블형 코어부를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 본원의 케이블형 코어부(10)가 신호선 케이블(11)을 포함하는 형태로, 상기 신호선 케이블(11)은 상기 양극 와이어(20) 및/또는 상기 음극 와이어(30)와의 전기적 연결 및 전자기장 간섭방지를 위해, 그 외면을 감싸는 전자기장 간섭방지층(12, 13)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전자기장 간섭 방지층은, 부도체 전자기장 간섭 방지층(12) 및 전도체 전자기장 간섭 방지층(13)으로 이루어질 수 있는데, 이러한 전자기장 간섭 방지층을 구비하고 있음으로써, 전극조립체로 이루어진 전원 공급부에서의 전자기장의 발생에 따른 간섭을 방지할 수 있게 되어, 신호전달 장치의 신호전달 과정에서의 간섭에 따른 노이즈의 발생을 방지할 수 있다.
상기 전자기장 간섭 방지층은 전자기장 간섭 방지가 가능한 구성이면 모두 사용할 수 있으며, 그 구성을 특별히 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 2층의 전자기장 간섭 방지층으로 이루어질 수 있다. 이때, 신호선 케이블과 바로 접촉하는 전자기장 간섭 방지층은 부도체이고, 그 위에 형성된 전자기장 간섭 방지층은 전도체인 것이 바람직하다. 상기 부도체 전자기장 간섭 방지층(12)은 신호선 케이블(11)과 전도체 전자기장 간섭 방지층(13)의 직접적인 접촉을 방지하며, 전도체 전자기장 간섭 방지층(13)은 전원 공급부에서의 발생하는 전자기장을 차단하여 신호전달에 간섭을 방지할 수 있다.
이러한 부도체 전자기장 간섭 방지층(12)은 원칙적으로 전기를 통과시키지 않는 재료라면 모두 사용할 수 있지만, 케이블형 이차전지의 가요성을 저하시키지 않는 유연성이 우수한 고분자 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 고분자 재료로는 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PVC(폴리비닐클로라이드), HDPE(고밀도 폴리에틸렌) 또는 에폭시 수지 등이 사용될 수 있다.
상기 전도체 전자기장 간섭 방지층(13)으로는 원칙적으로 전도성이 우수한 금속을 사용할 수 있지만, 이러한 금속을 사용하게 되면 케이블형 이차전지의 가요성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 가요성의 저하를 방지하기 위하여 본 발명의 전도체 전자기장 간섭 방지층은 금속 페이스트 또는 카본 페이스트로 형성된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제1 다공성 코팅층(23) 및 상기 제2 다공성 코팅층(33)은, 서로 독립적으로 전해질층 또는 세퍼레이터일 수 있다.
이러한 이온의 통로가 되는 전해질층으로는 PEO, PVdF, PVdF-HFP, PMMA, PAN 또는 PVAc를 사용한 겔형 고분자 전해질; 또는 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 등을 사용한다. 고체 전해질의 매트릭스(matrix)는 고분자 또는 세라믹 글라스를 기본골격으로 하는 것이 바람직하다. 일반적인 고분자 전해질의 경우에는 이온전도도가 충족되더라도 반응속도적 측면에서 이온이 매우 느리게 이동할 수 있으므로, 고체인 경우보다 이온의 이동이 용이한 겔형 고분자의 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 겔형 고분자 전해질은 기계적 특성이 우수하지 않으므로 이를 보완하기 위해서 지지체를 포함할 수 있고, 이러한 지지체로는 기공구조 지지체 또는 가교 고분자가 사용될 수 있다. 본 발명의 전해질층은 분리막의 역할이 가능하므로 별도의 분리막을 사용하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예 따르면, 상기 전해질층은, 리튬염을 더 포함할 수 있다. 리튬염은 이온 전도도 및 반응속도를 향상시킬 수 있는데, 이들의 비제한적인 예로는, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 테트라페닐붕산리튬 등을 사용할 수 있다.
상기 세퍼레이터로는 그 종류를 한정하는 것은 아니지만 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌-부텐 공중합체, 에틸렌-헥센 공중합체 및 에틸렌-메타크릴레이트 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 기재; 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리우레탄 및 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어진 군에서 선택된 고분자로 제조한 다공성 고분자 기재; 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물로 형성된 다공성 기재; 또는 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면상에 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물로 형성된 다공성 코팅층을 구비한 세퍼레이터; 폴리올레핀의 액상에 발포제를 섞어, 전극 와이어에 코팅한 후, 발포 현상을 통해 발포된 세퍼레이터 등을 사용할 수 있다.
이때, 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물로 형성된 상기 다공성 코팅층에서는, 무기물 입자들은 충전되어 서로 접촉된 상태에서 상기 바인더 고분자에 의해 서로 결착되고, 이로 인해 무기물 입자들 사이에 인터스티셜 볼륨(Interstitial Volume)이 형성되고, 상기 무기물 입자 사이의 인터스티셜 볼륨은 빈 공간이 되어 기공을 형성한다.
즉, 바인더 고분자는 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착, 예를 들어, 바인더 고분자가 무기물 입자 사이를 연결 및 고정시키고 있다. 또한, 상기 다공성 코팅층의 기공은 무기물 입자들 간의 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 빈 공간이 되어 형성된 기공이고, 이는 무기물 입자들에 의한 충진 구조(closed packed or densely packed)에서 실질적으로 면접하는 무기물 입자들에 의해 한정되는 공간이다. 이러한 다공성 코팅층의 기공을 통하여 전지를 작동시키기 위하여 필수적인 리튬이온이 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
한편, 상기 케이블형 이차전지(100)는, 어떠한 이차전지여도 무방하나, 도 6에 도시된 바와 같이 굽힘이 자유로운 플렉시블한 케이블형 리튬 이차전지인 것이 바람직하다.
이러한 케이블형 이차전지는 양극 와이어 및 음극 와이어에 연결되는 소정의 전자장치에 전원을 공급하는 용도로 사용된다.
그리고, 전술한 신호선 케이블은 상기 전자장치에서 발생하는 광신호, 소리신호, 전기신호 또는 영상신호를 케이블형 이차전지의 길이방향을 따라 대상 기기로 전송한다.
따라서, 본 발명을 적용할 경우 실질적으로 하나의 케이블을 통해 전원 공급 기능과 신호의 송수신 기능을 동시에 수행할 수 있다. 이러한 신호선 복합 케이블형 이차전지는 광통신망과 이차전지가 융합된 UPS 등의 전력저장 시스템을 비롯하여, 이어폰과 같이 휴대용 전자장치에 연결되는 케이블형의 기기 등에 유용하게 적용 가능하다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (10)

  1. 케이블형 코어부;
    상기 케이블형 코어부의 외면을 둘러싸며 권취되고, 소정 간격 서로 이격되도록 나선형으로 권취되며, 외면에 형성된 제1 다공성 코팅층을 포함하는 양극 와이어; 및
    상기 케이블형 코어부의 외면을 둘러싸며 권취되고, 상기 소정 간격에 대응되면서 상기 권취된 양극 와이어와 교차하도록 나선형으로 권취되며, 외면에 형성된 제2 다공성 코팅층을 포함하는 음극 와이어를 포함하는 케이블형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이블형 코어부는, 신호선 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호선 케이블은, 튜브형 구조, 스프링형 구조, 원통형 구조 또는 다각통형 구조인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 신호선 케이블은, 소리신호선 케이블, 광신호선 케이블, 전기신호선 케이블 및 영상신호선 케이블로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 신호선 케이블은, 폴리올레핀, 열가소성 폴리우레탄, 열가소성 엘라스토머 또는 폴리아크릴레이트로 코팅된 광섬유 케이블; 또는 구리, 알루미늄 또는 니켈의 금속 케이블인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 신호선 케이블은, 그 외면을 감싸는 전자기장 간섭방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다공성 코팅층 및 상기 제2 다공성 코팅층은, 서로 독립적으로 전해질층 또는 세퍼레이터인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 케이블형 이차전지는, 그 외면이 보호피복으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 케이블형 이차전지는, 플렉시블한 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이블형 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
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