WO2019117345A1 - 이차 전지 - Google Patents

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WO2019117345A1
WO2019117345A1 PCT/KR2017/014640 KR2017014640W WO2019117345A1 WO 2019117345 A1 WO2019117345 A1 WO 2019117345A1 KR 2017014640 W KR2017014640 W KR 2017014640W WO 2019117345 A1 WO2019117345 A1 WO 2019117345A1
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layer
film layer
cylindrical
secondary battery
washer
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김대규
김신중
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삼성에스디아이(주)
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a washer for a secondary battery and a cylindrical secondary battery having the same.
  • a secondary battery is a battery capable of charging and discharging unlike a primary battery which can not be charged.
  • the battery In the case of a low-capacity battery in which one battery cell is packed, the battery is used in portable electronic devices such as mobile phones and camcorders. In the case of a large-capacity battery having dozens of cells, it is used as a motor drive power source for an electric bicycle, an electric scooter, a hybrid car, and an electric car.
  • the secondary battery is manufactured in various shapes. Typical examples of the secondary battery include a square type, a cylindrical type, and a pouch type.
  • the electrode assembly and the electrolyte are accommodated in a can or a case together with a cap plate. do.
  • the secondary battery may be configured to include a washer coupled to an upper portion of the cap plate.
  • rust is easily generated at the tip of the can or the case of the secondary battery, it is necessary to suppress the water and to block moisture.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a secondary battery structure having a washer capable of blocking water coming into the interior of a secondary battery can and suppressing corrosion of a metal surface.
  • a secondary battery includes: an electrode assembly having a separator interposed between a first electrode and a second electrode; A can containing the electrode assembly and the electrolyte; A cap assembly sealing the can; And a washer disposed between the can and the can assembly and comprising at least one moisture barrier film layer and a reinforcement film layer.
  • the moisture barrier film layer comprises high density polyethylene, and the reinforcing film layer comprises stretched polypropylene.
  • the anti-corrosion washer comprises a polypropylene film layer, an acrylic PSA layer and a rustproofing film layer, wherein the rustproofing film layer comprises a first layer formed of the moisture barrier film layer and a second layer formed of the reinforcing film layer Layer, and a third layer comprising a rust inhibitor and a dehumidifying agent.
  • the anti-rust film layer is formed on the third layer
  • the first layer is formed on the second layer
  • the acrylic PSA layer is formed on the anti-rust film layer
  • the poly A propylene film layer is formed on the acrylic PSA layer.
  • the can is a cylindrical can, the secondary battery being a cylindrical rechargeable battery, formed on an outer circumferential surface of the upper portion of the cylindrical can, wherein a part of the upper opening is bent inward, A crimping portion for coupling the cap assembly; Further comprising a gasket interposed between the cylindrical can and the cap assembly, the washer covering a boundary of the crimping portion, the gasket and the cap assembly.
  • a secondary battery according to a preferred embodiment of the present invention is a secondary battery in which a washer having a moisture barrier film is used to prevent current from flowing between the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery and to prevent the penetration of moisture, have.
  • the rust of the can can be suppressed by using the washer having the anti-rust film layer containing the rust inhibitor.
  • FIG. 1A, 1B, and 1C a perspective view, a cross-sectional view, and an exploded perspective view of a cylindrical lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention are shown.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the two regions of FIG. 1B.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a washer according to an embodiment of the present invention.
  • 5A and 5B are graphs showing the moisture permeability of various insulating materials according to the present invention and the moisture permeability of multi-structure.
  • FIG. 6 is a graph comparing the rust occurrence ratio using a washer with an existing washer according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. are used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or portions, these members, components, regions, layers and / It is obvious that no. These terms are only used to distinguish one member, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.
  • FIG. 1A, 1B, and 1C a perspective view, a cross-sectional view, and an exploded perspective view of a cylindrical lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention are shown.
  • a cylindrical lithium ion secondary battery 100 includes a cylindrical can 110, an electrode assembly 120, a center pin 130, An assembly 140, and a washer 200.
  • the cylindrical can 110 includes a circular bottom portion 111 and a side portion 112 extending upwardly from the bottom portion 111 to a predetermined length.
  • the upper portion of the cylindrical can 110 is open. Therefore, the electrode assembly 120 and the center pin 130 can be inserted into the cylindrical can 110 together with the electrolyte during the assembly process of the secondary battery.
  • the cylindrical can 110 may be formed of steel, stainless steel, aluminum, an aluminum alloy, or an equivalent thereof, but the material is not limited thereto.
  • the cylindrical can 110 is formed with a beading part 113 which is embedded in the lower part of the cap assembly 140 to prevent the cap assembly 140 from being separated from the outside, A crimping part 114 is formed.
  • the electrode assembly 120 is received within the cylindrical can 110.
  • the electrode assembly 120 includes a negative electrode active material (e.g., graphite, carbon, etc.) coated with the negative electrode plate 121, a positive electrode active material (for example, transition metal oxides (LiCoO 2, LiNiO 2, such as LiMn 2 O 4)) And a separator 123 disposed between the anode plate 121 and the anode plate 122 to prevent a short circuit and to allow only lithium ions to move.
  • the negative electrode plate 121, the positive electrode plate 122 and the separator 123 are wound in a substantially cylindrical shape.
  • the anode plate 121 may be a copper foil, the anode plate 122 may be an aluminum foil and the separator 123 may be polyethylene or polypropylene (PP). In the present invention, But is not limited to.
  • the anode tabs 124 may protrude from the cathode plate 121 by a predetermined length and may be welded to the anode plates 122 by a predetermined length.
  • the negative electrode tab 124 may be made of nickel (Ni) and the positive electrode tab 125 may be made of aluminum (Al).
  • the present invention is not limited thereto.
  • the negative electrode tab 124 of the electrode assembly 120 can be welded to the bottom 111 of the cylindrical can 110. Therefore, the cylindrical can 110 can operate as a cathode.
  • the anode tabs 125 can be welded to the bottom 111 of the cylindrical can 110, in which case the cylindrical can 110 can act as an anode.
  • the first insulating plate 126 is coupled to the cylindrical can 110 and has a first hole 126a at a center and a second hole 126b at an outer side of the first insulating plate 126.
  • the first insulating plate 126 is connected to the electrode assembly 120, Respectively.
  • the first insulating plate 126 serves to prevent the electrode assembly 120 from being in electrical contact with the bottom 111 of the cylindrical can 110.
  • the first insulating plate 126 serves to prevent the positive electrode plate 122 of the electrode assembly 120 from being electrically contacted to the bottom portion 111.
  • the first hole 126a serves to cause the gas to move rapidly to the upper portion through the center pin 130 when a large amount of gas is generated due to the abnormality of the secondary battery
  • the second hole 126b serves to move the cathode So that the tabs 124 can be penetrated and welded to the bottom portion 111.
  • a second insulating plate 127 coupled to the cylindrical can 110 and having a first hole 127a at the center and a plurality of second holes 127b at an outer side thereof is disposed between the electrode assembly 120 and the cap assembly 140 ).
  • the second insulating plate 127 serves to prevent the electrode assembly 120 from being electrically contacted to the cap assembly 140.
  • the second insulating plate 127 serves to prevent the negative electrode plate 121 of the electrode assembly 120 from electrically contacting the cap assembly 140.
  • the first hole 127a serves to rapidly move the gas to the cap assembly 140 when a large amount of gas is generated due to the abnormality of the secondary battery and the second hole 127b serves to move the cathode tab 125 May be penetrated and welded to the cap assembly 140.
  • the remaining second holes 127b serve to rapidly flow the electrolyte solution into the electrode assembly 120 in the electrolyte injection process.
  • the diameter of the first holes 126a and 127a of the first and second insulating plates 126 and 127 is smaller than the diameter of the center pin 130, So as not to electrically contact the bottom 111 or the cap assembly 140.
  • the center pin 130 is in the form of a circular pipe hollowed out and can be coupled approximately at the center of the electrode assembly 120.
  • the center pin 130 may be formed of steel, stainless steel, aluminum, aluminum alloy, or polybutylene terephthalate, but the material of the center pin 130 is not limited thereto.
  • the center pin 130 serves to suppress the deformation of the electrode assembly 120 during charging and discharging of the battery, and serves as a passage for gas generated inside the secondary battery. In some cases, the center pin 130 may be omitted.
  • the cap assembly 140 includes a cap-up 141 formed with a plurality of through-holes 141a, a safety plate 144 provided below the cap-up 141, A cap-down 146, a cap-down 146, and a cap-down 146, which are installed below the insulating plate 145, the safety plate 144 and the insulating plate 145 and have first and second through holes 146a and 146b, A sub plate 147 which is fixed to the lower part of the cylindrical can 110 and is electrically connected to the positive electrode tab 125 and a cap plate 141, a safety plate 144, And a gasket 148 for isolating the gasket 148 from the side portion 112 of the gasket 148.
  • the gasket 148 is compressed between the beading portion 113 formed in the side portion 112 of the cylindrical can 110 and the crimping portion 114.
  • the through holes 141a, 146a and 146b formed in the cap-up 141 and the cap-down 146 serve to discharge the internal gas to the outside when an abnormal pressure is generated in the cylindrical can 110.
  • the safety plate 144 is reversed in the upward direction and electrically separated from the sub plate 147. The safety plate 144 is then torn, and the gas therein is discharged to the outside.
  • an electrolyte (not shown) is poured into the cylindrical can 110, and lithium ions generated by an electrochemical reaction in the negative electrode plate 121 and the positive electrode plate 122 inside the battery during charging / And to make it movable.
  • Such an electrolytic solution may be a non-aqueous organic electrolytic solution which is a mixture of a lithium salt and a high-purity organic solvent.
  • the electrolytic solution may be a polymer using a polymer electrolyte, and the kind of the electrolytic solution is not limited thereto.
  • the washer 200 is disposed between the crimping portion 114 and the end of the cylindrical can 110 and between the crimping portion 114 and the gasket 148 and covers the cap up 141 of the cap assembly 140 So that it can be mounted on the upper part.
  • the washer 200 serves to prevent current from flowing between the anode and the cathode, that is, between the cylindrical can 110 and the cap assembly 140, at the upper end of the secondary battery 100.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the two regions of FIG. 1B.
  • the washer 200 is seated on the upper end of the crimping portion 114 while covering the cap-up 141 of the cap assembly 140, and is fixed to the cylindrical can 110 by the heat- .
  • the washer 200 is formed to cover the boundary between the crimping portion 114 and the gasket 148 and the cap assembly 140.
  • the washer 200 may be formed of an insulating film so that the cap assembly 140 and the cylindrical can 110 may be insulated from each other.
  • One end of the gasket 148 is formed to protrude more outward than one end of the can 110.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a washer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a section of a washer cut along the line A-A 'in FIG.
  • a washer 200 includes a polypropylene film layer 210, an acrylic PSA layer 220, and a rust preventive (AR) film layer 230 sequentially from the upper layer .
  • AR rust preventive
  • the acrylic PSA (adhesive) layer 220 has a thickness of about 10 um and the rustproof (AR) film layer 230 has a thickness of about 80 um.
  • the polypropylene film layer 210 has a thickness of about 160 um, . That is, in one embodiment of the present invention, the washer 200 has a form in which the polypropylene film layer 210 and the anti-rust film layer 230 are adhered by the acrylic adhesive layer 220.
  • anti-corro-ANTI-CORROSION film layer 230 includes a first layer 231, a second layer 232, and a third layer 233.
  • the first layer 231 is a moisture barrier film layer and functions to prevent moisture permeation.
  • the first layer 231 includes high density polyethylene (HDPE).
  • the second layer 232 is a soft reinforcing film reinforcing the ductility of the first layer 231 (moisture barrier film layer).
  • the second layer 232 includes oriented polypropylene (OPP).
  • the third layer 233 includes a rust inhibitor and a dehumidifying agent.
  • the anti-rust film layer 230 may be formed by laminating a second layer 232 on the third layer 233 and a first layer 231 on the second layer 232. Accordingly, the cross section of the washer 200 is formed such that the third layer 233, the second layer 232, the first layer 231, the acrylic PSA layer 220, and the polypropylene film layer 210 are sequentially .
  • 5A and 5B are graphs showing the moisture permeability of various insulating materials according to the present invention and the moisture permeability of multi-structure.
  • the moisture permeability (WVTR) of the insulating material used as a general washer is high in the case of PP or PET.
  • moisture permeability is lower than that of PP or PET.
  • the composite washer according to the present invention has a significantly lower moisture permeability than a single material or a washer having a single structure.
  • the washer 200 in the case of the washer 200 according to an embodiment of the present invention, it is realized as a composite multi-structure rather than a single layer, and thus moisture permeability is much higher than that of a single material.
  • FIG. 6 is a graph comparing the rust occurrence ratio using a washer with an existing washer according to an embodiment of the present invention.
  • the X-axis represents the date
  • the Y-axis represents the rust generation reference ratio (%). 6
  • about 97% of the rust was found from the 5th day for the conventional PET material washer, and about 99.9% after 9 days.
  • a rust occurrence rate of at least 0% (M2) occurred at a maximum of 41.4% (M1) even after 14 days.
  • M1 and M2 are different from each other in the rust preventive content, and M2 is an example in which the content of the rust inhibitor is higher than that of M1.
  • the rust generation ratio can be greatly reduced as compared with the washer having a single structure using the conventional PET, and the test results in which the rust generation does not occur according to the rust inhibitor content I could confirm.
  • the secondary battery according to the preferred embodiment of the present invention uses the washer having the moisture barrier film to prevent the anode and the cathode of the secondary battery from being energized, to prevent the penetration of moisture, There is an effect that can be done.
  • the secondary battery according to the preferred embodiment of the present invention has the effect of suppressing the occurrence of rust in the can by using the washer having the anti-rust film layer containing the rust inhibitor.
  • the washer according to the preferred embodiment of the present invention is realized as a composite multi-structure rather than a single layer, so that the moisture permeation rate is much higher than that of a single material.
  • the secondary battery according to the present invention can be used in portable electronic devices such as mobile phones and camcorders, and can be used as a motor driving power source for electric bicycles, electric scooters, hybrid vehicles, and electric vehicles.

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Abstract

제1전극과 제2 전극 사이에 세퍼레이터가 개재된 전극 조립체, 전극조립체와 전해질이 수납된 캔, 캔을 밀봉하는 캡 조립체 및 캔과 캔 조립체 사이에서 배치되며, 하나 이상의 수분 차단 필름층과 보강 필름층을 포함하는 와셔를 포함하는 이차 전지가 개시된다.

Description

이차 전지
본 발명은 이차 전지에 관한 것이며, 이차 전지용 와셔 및 이를 구비한 원통형 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 하나의 배터리 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 배터리 셀이 수십 개 연결된 대용량 전지의 경우 전기 자전거, 전기 스쿠터, 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 사용되고 있다.
이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데 대표적인 형상으로는 각형, 원통형 및 파우치형 등을 들 수 있으며, 전극조립체와, 전해액을 함께 캔 또는 케이스에 수용하고, 캔 또는 케이스에 캡 플레이트를 설치하여 구성된다. 또한, 이차 전지는 캡 플레이트 상부에 결합되는 와셔를 포함하여 구성될 수 있다. 한편 이차 전지의 캔이나 케이스의 끝단에서 녹 발생이 쉽기 때문에 이를 억제하고 수분을 차단할 필요성이 제기된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로서, 이차 전지캔의 내부로 들어오는 수분을 차단하고 금속 표면의 부식을 억제할 수 있는 와셔를 구비한 이차 전지 구조를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1전극과 제2 전극 사이에 세퍼레이터가 개재된 전극 조립체; 상기 전극조립체와 전해질이 수납된 캔; 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체; 및 상기 캔과 상기 캔 조립체 사이에서 배치되며, 하나 이상의 수분 차단 필름층과 보강 필름층을 포함하는 와셔를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 수분 차단 필름층은 고밀도 폴리에틸렌을 포함하고, 상기 보강 필름층은 연신 폴리프로필렌을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 부식 방지용 와셔는 폴리프로필렌 필름층, 아크릴 PSA층 및 방청 필름층을 포함하며, 상기 방청 필름층에는 상기 수분 차단 필름층으로 형성된 제1층과 상기 보강 필름층으로 형성된 제2층 그리고, 방청제 및 제습제를 포함하는 제3층을 포함한다.
바람직하게는, 상기 방청 필름층은 상기 제3층 위에 상기 제2층이 형성되고, 상기 제2층 위에 상기 제1층이 형성되며, 상기 아크릴 PSA층은 상기 방청 필름층 위에 형성되고, 상기 폴리프로필렌 필름층은 상기 아크릴 PSA층 위에 형성된다.
바람직하게는, 상기 캔은 개구부를 포함하는 원통형 캔이며, 상기 이차 전지는 원통형 이차 전지이고, 상기 원통형 캔의 상부 외주면에 형성되어 상기 상단 개구부의 일부가 내측으로 구부러져 형성되고, 상기 원통형 캔과 상기 캡 조립체를 결합시키는 클랭핑부; 상기 원통형 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓을 더 포함하고, 상기 와셔는 상기 크림핑부와 상기 가스켓 및 상기 캡 조립체의 경계선을 덮는다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지는, 수분 차단 필름을 구비한 와셔를 이용하여 이차 전지의 양극과 음극의 통전을 방지함과 수분의 침투를 차단하고 동시에 캔의 부식을 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지는, 방청제를 포함하는 방청 필름층을 구비한 와셔를 이용하여 캔의 녹 발생을 억제할 수 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지의 사시도, 단면도 및 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 2는 도 1b의 2 영역에 대한 확대 단면도가 도시된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와셔를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A’를 따라 절단한 와셔의 단면을 나타낸다.
도 5a 와 5b은 본 발명에 따른 다양한 절연 물질의 수분 투습율과 멀티 구조의 수분 투습율을 비교 그래프를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 와셔를 이용한 녹 발생 비율을 기존 와셔와 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지의 사시도, 단면도 및 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 원통형 캔(110)과, 전극 조립체(120)와, 센터핀(130)과, 캡 조립체(140), 그리고 와셔(200)를 포함한다.
원통형 캔(110)은 원형의 바닥부(111)와, 바닥부(111)로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 측부(112)을 포함한다. 이차 전지의 제조 공정 중 원통형 캔(110)의 상부는 개방되어 있다. 따라서, 이차 전지의 조립 공정 중 전극 조립체(120) 및 센터핀(130)이 전해액과 함께 원통형 캔(110)에 삽입될 수 있다. 원통형 캔(110)은 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 더불어, 원통형 캔(110)에는 캡 조립체(140)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(140)를 중심으로 그 하부에 내부로 함몰된 비딩부(beading part)(113)가 형성되고, 그 상부에 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)가 형성되어 있다.
전극 조립체(120)는 원통형 캔(110)의 내부에 수용된다. 전극 조립체(120)는 음극 활물질(예를 들면, 흑연, 탄소 등)이 코팅된 음극판(121), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 코팅된 양극판(122) 및, 음극판(121)과 양극판(122) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(123)로 이루어진다. 음극판(121), 양극판(122) 및 세퍼레이터(123)는 대략 원기둥 형태로 권취된다. 여기서, 음극판(121)은 구리(Cu) 포일, 양극판(122)은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터(123)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 음극판(121)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(124)이, 양극판(122)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극탭(125)이 용접될 수 있으나, 그 반대도 가능하다. 더불어, 음극탭(124)은 니켈(Ni) 재질, 양극탭(125)은 알루미늄(Al) 재질일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 전극 조립체(120)의 음극탭(124)은 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있다. 따라서 원통형 캔(110)은 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 반대로 양극탭(125)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이러한 경우 원통형 캔(110)은 양극으로 동작할 수 있다.
더불어, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(126a) 및 그 외측에 제2홀(126b)이 형성된 제1절연판(126)이 전극 조립체(120)와 바닥부(111)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제1절연판(126)은 전극 조립체(120)가 원통형 캔(110) 중 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 제1절연판(126)은 전극 조립체(120) 중 양극판(122)이 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(126a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 센터핀(130)을 통해 상부로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(126b)은 음극탭(124)이 관통하여 바닥부(111)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다.
또한, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(127a) 및 그 외측에 다수의 제2홀(127b)이 형성된 제2절연판(127)이 전극 조립체(120)와 캡 조립체(140)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제2절연판(127)은 전극 조립체(120)가 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 제2절연판(127)은 전극 조립체(120) 중 음극판(121)이 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉하지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(127a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 캡 조립체(140)로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(127b)은 양극탭(125)이 관통하여 캡 조립체(140)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한 나머지 제2홀(127b)은 전해액 주입 공정에서, 전해액이 상기 전극 조립체(120)로 신속히 흘러 들어가도록 하는 역할을 한다.
더불어, 제1,2절연판(126,127)의 제1홀(126a,127a)의 직경은 센터핀(130)의 직경보다 작게 형성됨으로써, 외부 충격에 의해 센터핀(130)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111) 또는 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.
센터핀(130)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로서, 전극 조립체(120)의 대략 중앙에 결합될 수 있다. 이러한 센터핀(130)은 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 이러한 센터핀(130)은 전지의 충방전 중 전극 조립체(120)의 변형을 억제하는 역할을 하며, 이차 전지의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다. 경우에 따라 센터핀(130)은 생략될 수 있다.
캡 조립체(140)는 다수의 관통홀(141a)이 형성된 캡 업(cap-up)(141), 캡 업(141)의 하부에 설치된 안전 플레이트(144), 안전 플레이트(144)의 하부에 설치된 절연판(145), 안전 플레이트(144)와 절연판(145)의 하부에 설치되고, 제1,2관통홀(146a,146b)이 형성된 캡 다운(cap-down)(146), 캡 다운(146)의 하부에 고정되어 양극탭(125)과 전기적으로 접속된 서브 플레이트(147), 그리고 캡 업(141), 안전 플레이트(144), 절연판(145), 캡 다운(146)을 원통형 캔(110)의 측부(112)로부터 절연시키는 가스켓(148)을 포함한다.
여기서, 가스켓(148)은 실질적으로 원통형 캔(110)의 측부(112)에 형성된 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 사이에 압착된 형태를 한다. 또한, 상기 캡 업(141) 및 상기 캡 다운(146)에 형성된 관통홀(141a, 146a, 146b)은 원통형 캔(110)의 내부에서 이상 내압 발생시 내부 가스를 외부로 배출하는 역할을 한다. 물론, 이러한 내압에 의해 우선 안전 플레이트(144)가 상부 방향으로 반전되면서 서브 플레이트(147)와 전기적으로 분리되고, 이후 안전 플레이트(144)가 찢어지면서 내부의 가스가 외부로 방출된다.
더불어, 원통형 캔(110)의 내측에는 전해액(도면에 도시되지 않음)이 주액되어 있으며, 이는 충방전시 전지 내부의 음극판(121) 및 양극판(122)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.
그리고 와셔(200)는 크림핑부(114)와 원통형 캔(110)의 끝단 사이 그리고 크림핑부(114)와 가스켓(148) 사이에 배치되며, 캡 조립체(140)의 캡 업(141)을 감싸면서 상부에 탑재될 수 있도록 전체적으로 원판 구조로 이루어져 있다. 이러한 와셔(200)는 이차 전지(100)의 상단에서 양극과 음극 사이 즉, 원통형 캔(110)과 캡 조립체(140) 사이의 통전을 방지하는 기능을 한다.
도 2는 도 1b의 2 영역에 대한 확대 단면도가 도시된다.
도 2를 참조하면, 와셔(200)는 캡 조립체(140)의 캡 업(141)을 감싸면서 크림핑부(114)의 상단에 안착되며, 열수축 튜브(10)에 의해 원통형 캔(110)에 고정될 수 있다. 또한, 상기 와셔(200)는 상기 크림핑부(114)와 상기 가스켓(148) 및 상기 캡 조립체(140)의 경계선을 덮도록 형성된다. 더불어, 상기 와셔(200)는 절연성 필름으로 이루어져 캡 조립체(140)와 원통형 캔(110)을 서로 절연시킬 수 있다.
가스켓(148)의 일 끝단은 캔(110)의 일 끝단보다 외측으로 더 돌출된 형태로 형성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와셔를 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 3의 A-A’를 따라 절단한 와셔의 단면을 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 와셔(200)는 상층에서부터 차례로 폴리프로필렌 필름층(210), 아크릴 PSA 층(220) 및 방청(AR) 필름층(230)을 포함한다.
폴리프로필렌(Polypropylene) 필름층(210)은 약 160um 정도의 두께를 가지며, 아크릴 PSA(점착) 층(220)은 약 10um의 두께를 가지고, 방청(AR) 필름층(230)은 약 80um의 두께를 갖는다. 즉 본 발명의 일 실시예에서, 와셔(200)는 폴리프로필렌(Polypropylene) 필름층(210)과 방청(AR) 필름층(230)이 아크릴 점착층(220)에 의해 접착되는 형태를 갖는다.
또한, 방청(AR; anti-corroANTI-CORROSION) 필름층(230)은 제1층(231), 제2층(232) 및 제3층(233)를 포함한다.
제1층(231)은 수분차단필름층으로 투습억제 기능을 한다. 상기 제1층(231)은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 포함한다.
제2층(232)은 상기 제1층(231; 수분차단필름층)의 연성을 보강하는 연성 보강용 필름이다. 상기 제2층(232)은 OPP(oriented polypropylene ; 연신 폴리프로필렌)을 포함한다.
제3층(233)은 방청제 및 제습제를 포함한다.
상기 방청 필름층(230)은 상기 제3층(233) 위에 제2층(232)이 적층되고, 상기 제2층(232) 위에 제1층(231)이 적층되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 와셔(200)의 단면은 아래에서부터 제3층(233), 제2층(232), 제1층(231), 아크릴 PSA 층(220), 및 폴리프로필렌 필름층(210)이 순차적으로 적층된다.
도 5a와 5b은 본 발명에 따른 다양한 절연 물질의 수분 투습율과 멀티 구조의 수분 투습율을 비교 그래프를 나타낸다.
도 5a을 참조하면, 일반적인 와셔로 사용되는 절연물질은 PP나 PET의 경우 수분 투습율(WVTR)이 상당이 높음을 알 수 있다. 이에 비해 HDPE(고밀도 폴리에틸렌)이나, OPP(연신 폴리프로필렌)의 경우는 PP나 PET에 비해 수분 투습율이 낮음을 알 수 있다.
그리고 5b는 단일 재료를 이용한 와셔의 경우와 본 발명의 일 실시예와 같이 복합 구조를 이용한 경우의 수분 투습율 비교를 나타낸다. 도 6b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 복합 구조의 와셔는 단일 재료나 단일 구조의 와셔에 비해 수분 투습율이 현저히 낮음을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 와셔(200)의 경우 단일 층이 아닌 복합적인 멀티 구조로 구현되어 있어 수분 투습율이 단일 재료에 비해 월등히 높은 효과를 가짐을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 와셔를 이용한 녹 발생 비율을 기존 와셔와 비교한 그래프이다.
도 6의 그래프에서 X축은 날짜를 나타내며, Y축은 녹 발생 기준 비율(%)을 나타낸다. 6을 참조하면, 기존의 PET 소재 와셔의 경우 5일째부터 약 97%의 녹 발생이 발견되고, 9일 이후에는 약 99.9%에서 녹 발생이 발견된다. 이에 비해, 본 발명의 일 실시예에 따른 와셔(M1, M2)의 경우는 14일이 지난 경우에도 최대 41.4%(M1)에서 최소 0%(M2)의 녹 발생 비율이 발생하였다. 이때, M1와 M2는 방청제 함량을 달리한 것이며 M2가 M1에 비해 방청제의 함량을 높인 실시예이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 와셔를 이용하면 기존의 PET 를 이용한 단일 구조의 와셔에 비해 녹 발생 비율을 크게 줄일 수 있으며, 방청제 함량에 따라 녹 발생이 아예 발생하지 않는 실험 결과를 확인할 수 있었다.
이와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지는, 수분 차단 필름을 구비한 와셔를 이용하여 이차 전지의 양극과 음극의 통전을 방지함과 수분의 침투를 차단하고 동시에 캔의 부식을 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지는, 방청제를 포함하는 방청 필름층을 구비한 와셔를 이용하여 캔의 녹 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와셔의 경우 단일 층이 아닌 복합적인 멀티 구조로 구현되어 있어 수분 투습율이 단일 재료에 비해 월등히 높은 효과가 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
본 발명에 따른 이차 전지는 휴대폰 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용될 수 있으며, 전기 자전거, 전기 스쿠터, 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 제1전극과 제2 전극 사이에 세퍼레이터가 개재된 전극 조립체;
    상기 전극조립체와 전해질이 수납된 캔;
    상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체; 및
    상기 캔과 상기 캔 조립체 사이에서 배치되며, 하나 이상의 수분 차단 필름층과 보강 필름층을 포함하는 와셔를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수분 차단 필름층은 고밀도 폴리에틸렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보강 필름층은 연신 폴리프로필렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔은 개구부를 포함하는 원통형 캔이며,
    상기 이차 전지는 원통형 이차 전지인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 와셔는 폴리프로필렌 필름층, 아크릴 PSA층 및 방청 필름층을 포함하며, 상기 방청 필름층에는 상기 수분 차단 필름층으로 형성된 제1층과 상기 보강 필름층으로 형성된 제2층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 방청 필름층은 방청제 및 제습제를 포함하는 제3층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 방청 필름층은 상기 제3층 위에 상기 제2층이 형성되고, 상기 제2층 위에 상기 제1층이 형성되며,
    상기 아크릴 PSA층은 상기 방청 필름층 위에 형성되고, 상기 폴리프로필렌 필름층은 상기 아크릴 PSA층 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 이차 전지는,
    상기 원통형 캔의 상부 외주면에 형성되어 상기 상단 개구부의 일부가 내측으로 구부러져 형성되고, 상기 원통형 캔과 상기 캡 조립체를 결합시키는 클랭핑부; 및
    상기 원통형 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓을 더 포함하고,
    상기 와셔는 상기 크림핑부와 상기 가스켓 및 상기 캡 조립체의 경계선을 덮는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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