WO2019124572A1 - 마감 테이프 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

마감 테이프 및 이를 포함하는 이차 전지 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a finishing tape capable of reducing the flow of an electrode assembly in a case and a secondary battery including the same.
  • a secondary battery is a battery capable of being charged and discharged unlike a primary battery which can not be charged, and is widely used in advanced electronic devices such as a cellular phone, a notebook computer, a camcorder, and the like.
  • lithium secondary batteries are operating at a voltage of 3.6 V, which is three times higher than nickel-cadmium batteries and nickel-hydrogen batteries, which are widely used as power sources for electronic equipment, and has been rapidly growing in terms of high energy density per unit weight .
  • Such lithium secondary batteries mainly use a lithium-based oxide as a cathode active material and a carbonaceous material as an anode active material.
  • a battery using a liquid electrolyte is referred to as a lithium ion battery
  • a battery using a polymer electrolyte is referred to as a lithium polymer battery, depending on the type of the electrolyte, and is classified as a liquid electrolyte cell and a polymer electrolyte battery.
  • lithium secondary batteries are manufactured in various shapes. Typical shapes are cylindrical, square, and pouch type. And the lithium secondary battery is inserted into the case together with the electrolyte solution, and the position of the electrode assembly is required to be fixed in order to ensure mechanical / electrical reliability.
  • the present invention provides a finishing tape capable of reducing the flow of an electrode assembly in a case and a secondary battery including the same.
  • a finishing tape according to the present invention comprises a first layer formed of a resin and forming a base
  • a second layer formed on at least one surface of the first layer and including a microsphere structure.
  • the microsphere structure may be configured to expand the volume by reacting with an electrolyte solution containing a lithium salt.
  • the electrolytic solution may be at least one of a non-aqueous organic electrolytic solution which is a mixture of a lithium salt such as LiPF 6 , LiBF 4 and LiClO 4 and a high-purity organic solvent, or a polymer electrolytic solution using a polymer electrolyte.
  • a non-aqueous organic electrolytic solution which is a mixture of a lithium salt such as LiPF 6 , LiBF 4 and LiClO 4 and a high-purity organic solvent
  • a polymer electrolytic solution using a polymer electrolyte a polymer electrolytic solution using a polymer electrolyte.
  • the microsphere structure of the second layer may include a shell composed of a thermoplastic resin and a sealant sealed by the shell and composed of a hydrocarbon.
  • the secondary battery according to the present invention includes a case having a space therein; An electrode assembly inserted into the case together with an electrolytic solution; A finishing tape surrounding the electrode assembly and expanding in volume when reacted with the electrolyte solution; And a cap plate coupled to an upper portion of the case to seal the case.
  • the electrolytic solution may be at least one of a non-aqueous organic electrolytic solution, which is a mixture of a lithium salt such as LiPF 6 , LiBF 4 , and LiClO 4 , and a high-purity organic solvent, or a polymer electrolyte using a polymer electrolyte.
  • a non-aqueous organic electrolytic solution which is a mixture of a lithium salt such as LiPF 6 , LiBF 4 , and LiClO 4 , and a high-purity organic solvent, or a polymer electrolyte using a polymer electrolyte.
  • finishing tape comprises a first layer formed of a resin and forming a base; And a second layer formed on at least one side of the first layer and including a microsphere structure.
  • the microsphere structure of the second layer may include a shell composed of a thermoplastic resin and a sealant sealed by the shell and composed of a hydrocarbon.
  • the diameter of the microspheres may be 5 ⁇ to 50 ⁇ .
  • a finishing tape and a secondary battery using the same according to the present invention are formed by forming a layer having a microsphere structure on at least one surface of a finishing tape so that the expansion tape expands due to expansion of the microsphere structure upon reaction with the electrolyte, So that an increase in resistance due to the flow can be suppressed.
  • FIG. 1 shows a state in which a finishing tape is wound according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a finish tape according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view illustrating a state where a finishing tape is attached to an electrode assembly in a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 5A is a perspective view showing a diameter of a microsphere constituting a finishing tape according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view showing the radius of the microspheres constituting the finishing tape according to the embodiment of the present invention.
  • 6A and 6B are optical microscope photographs showing microspheres constituting a finishing tape before and after foaming, respectively, according to an embodiment of the present invention.
  • 7A and 7B are SEM micrographs showing the microspheres constituting the finishing tape before and after foaming, respectively, according to the embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8A to 8C are photographs showing an experimental procedure in which a closing tape according to an embodiment of the present invention reacts with an electrolyte.
  • a secondary battery 110 case
  • 1 shows a state in which a finishing tape is wound according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view illustrating a finish tape according to an embodiment of the present invention.
  • a finishing tape 130 may be provided in a wound state, and may include a first layer 131 and a second layer 132 Lt; / RTI >
  • the first layer 131 constitutes a base layer, and the outermost surface contacting the case can be formed after being wrapped in the electrode assembly.
  • the first layer 131 may be formed of any one selected from polyethylene (PE), polystyrene (PS), and oriented polystyrene (OPS). Therefore, since the first layer 131 is an electrically insulating material, it is possible to prevent electrical short-circuiting between the electrode assembly and the case.
  • the second layer 132 may be formed along one side of the first layer 131.
  • the second layer 132 may be positioned to contact the electrode assembly when the finish tape 130 is engaged with the electrode assembly.
  • the second layer 132 may be formed of a foamed material which expands in volume when reacted with the electrolytic solution present in the case. More specifically, the second layer 132 may be formed as a microshaper structure.
  • Such a microsphere structure can be formed by providing an encapsulant which can expand when reacted with an electrolytic solution in a shell of a thermoplastic resin.
  • the encapsulant contained in the shell may be a hydrocarbon.
  • the hydrocarbons are hydrophobic and do not react with water, but have a suction force for the electrolytic solution.
  • the microsphere structure having such a configuration operates through a mechanism in which when the electrolyte penetrates into the shell, the electrolyte reacts with the sealing material to expand the sealing material.
  • the volume of the second layer 132 including the microspheres expands, so that the gap between the case and the electrode assembly can be closed to fix the electrode assembly, and thus the flow of the electrode assembly and thus the resistance It becomes possible to suppress the component increase.
  • the diameter of the microspheres may be in the range of 5 ⁇ to 50 ⁇ .
  • a microsphere having a diameter of 5 ⁇ or more it is advantageous to fix the electrode assembly and prevent swelling when applying the finishing tape 130 to the electrode assembly.
  • a microsphere having a diameter of 50 ⁇ m or less it is advantageous to fill a space between the case and the electrode assembly after the reaction with the electrolytic solution.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a state where a finishing tape is attached to an electrode assembly in a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is an exploded perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • a secondary battery 100 includes a case 110, an electrode assembly 120, a finishing tape 130, and a cap assembly 150. Also, an insulation case 160 may be further formed between the electrode assembly 120 and the cap assembly 150.
  • the case 110 has a substantially hexahedral shape.
  • the case 110 has a space 110a therein and an opening at the top.
  • the case 110 may be made of aluminum (Al), iron (Fe), or an alloy thereof.
  • the case 110 may be subjected to an insulating process on the inner surface thereof.
  • the case 110 is provided with a groove 111 formed along the periphery thereof so that the insulating case 160 can be seated in the groove 111.
  • an electrolyte solution is accommodated together with the electrode assembly 120 in the space 110a of the case 110.
  • the electrolyte is an organic liquid containing a salt that is injected to allow lithium ions to move between the positive electrode plate and the negative electrode plate constituting the electrode assembly 120, and a lithium salt such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , And a polymer electrolytic solution using a non-aqueous organic electrolyte or a polymer electrolyte which is a mixture of high-purity organic solvents.
  • the electrode assembly 120 is accommodated in the space 110a of the case 110.
  • the electrode assembly 120 includes a positive electrode plate having a positive electrode active material (for example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 )), a negative electrode plate 122 having a negative electrode active material (for example, graphite) And a separator for preventing electric short-circuiting and allowing movement of lithium ions.
  • the separator is formed by taking a plurality of turns in the form of a jelly roll in a laminated state.
  • the positive electrode plate may be an aluminum foil
  • the negative electrode plate may be a copper foil
  • the separator may be polyethylene (PE) or polypropylene (PP).
  • a positive electrode lead 125 extending in an upward direction is connected to the positive electrode plate, and a negative electrode lead 124 extending upward in the negative electrode plate is also connected.
  • the cathode lead 125 may be aluminum (Al)
  • the anode lead 124 may be nickel (Al).
  • the electrolyte solution is injected into the case 110 together with the electrode assembly 120 as described above.
  • the electrolyte serves as a moving medium for lithium ions generated by an electrochemical reaction in the positive electrode plate and the negative electrode plate inside the battery during charging and discharging.
  • the finishing tape 130 may be coupled to the electrode assembly 120 while being wound along the outer circumferential surface of the electrode assembly 120, as described above.
  • the finish tape 130 covers the outer circumferential surface of the electrode assembly 120 in a direction in which the first layer faces the case 110 and the second layer 132 faces the electrode assembly 120. Accordingly, the finishing tape 130 may wrap the electrode assembly 120 to prevent a swelling phenomenon.
  • the microspheres forming the second layer 132 of the finishing tape 130 react with the electrolytic solution to expand. Accordingly, expansion of the second layer 132 is accompanied thereby, thereby fixing the position of the electrode assembly 120 to the case 110 and fixing the case, and the flow can be reduced.
  • the structure and operation of the microspheres in the second layer 132 will be described later.
  • the cap assembly 150 is coupled to the top of the can 110.
  • the cap assembly 150 may include a cap plate 151, an insulating plate 152, a terminal plate 153, an electrode terminal 154, and an insulating gasket 155.
  • the cap plate 151 is coupled to the opening 110a of the can 110 and has a plate shape having a long side and a short side.
  • the cap plate 151 is joined to the opening 110a of the can 110 to seal the can 110 by welding.
  • the cap plate 151 is formed with a terminal hole 151a for coupling the electrode terminal 154 and an electrolyte solution liquid port 151b for injecting an electrolyte solution.
  • the electrode terminal 154 and the insulation gasket 155 are coupled to the terminal hole 151a so that the electrode terminal 154 and the lower structure can be coupled to each other.
  • the electrolyte is injected into the electrolyte main liquid port 151b after the electrolyte is injected, and the plug is fixed to the cap plate 151 and sealed, thereby preventing leakage of the electrolyte.
  • the insulating plate 152 is positioned below the cap plate 151.
  • a terminal hole 152a corresponding to the terminal hole 151a of the cap plate 151 is formed in the insulating plate 152 and the insulating gasket 155 is coupled to the terminal hole 152a.
  • the terminal hole 152a of the insulating plate 152 is penetrated by the lower portion of the electrode terminal 154.
  • the terminal plate 153 is positioned below the insulating plate 152.
  • the terminal plate 153 has a terminal hole 153a corresponding to the terminal hole 152a of the insulating plate 152 and the electrode terminal 154 is coupled to the terminal hole 153a.
  • the negative electrode lead 124 of the electrode assembly 120 may be coupled to the terminal plate 153. Therefore, the electrode terminal 154 may be electrically connected to the negative electrode lead 124 of the electrode assembly 120.
  • the electrode terminal 154 passes through the terminal holes 151a and 152a of the cap plate 151 and the insulating plate 152 according to the coupling order, and is electrically connected to the negative electrode lead 124 do.
  • the insulating gasket 155 is formed between the electrode terminal 154 and the cap plate 151 to prevent the electrode terminal 154 from being in electrical contact with the cap plate 151.
  • the insulating case 160 may be coupled to the opening 110a of the can 110 as an upper portion of the electrode assembly 120. [ More specifically, the insulating case 160 may be coupled to the step 111 of the can 110. Lead holes 160a and 160b are formed in the insulation case 160 so that the negative electrode lead 124 and the positive electrode lead 125 can pass therethrough.
  • FIG. 5A is a perspective view showing a diameter of a microsphere constituting a finishing tape according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view showing the radius of the microspheres constituting the finishing tape according to the embodiment of the present invention.
  • 6A and 6B are optical microscope photographs showing microspheres constituting a finishing tape before and after foaming, respectively, according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 7A and 7B are SEM photographs showing before and after foaming of the microspheres constituting the finishing tape according to the embodiment of the present invention, respectively.
  • the microspheres constituting the finishing tape 130 may have a substantially spherical shape and may have a predetermined diameter d.
  • the microspheres include an encapsulant of a first radius r1 and a shell of a second radius r1 + r2 enclosing the encapsulant.
  • the sealing material may be composed of hydrocarbon as described above.
  • the encapsulating material is not reactive with normal water, but is a material reactive with an electrolyte.
  • the encapsulating material may be foamed when it reacts with an electrolyte solution, expand in volume, and have a property of increasing the radius r1.
  • the shell encapsulates the encapsulation material, endures the expansion of the encapsulation material, and the diameter (r1 + r2) may increase with the expansion of the encapsulation material.
  • a shell may be made of a thermoplastic resin so as to be deformable.
  • the material of the thermoplastic resin polyethylene, nylon, polyacetal resin, polyvinyl chloride-polystyrene, ABS resin, acrylic resin, or the like can be used, but the content of the present invention is not limited thereto.
  • FIGS. 8A to 8C are photographs showing an experimental procedure in which a closing tape according to an embodiment of the present invention reacts with an electrolyte.
  • Figs. 8A, 8B and 8C are photographs of the finish tape before the experiment, during the experiment, and after the experiment, respectively.
  • the electrolytic solution used in the experiment was a mixture of 1.0M LiPF6 EC / EMC / DEC / PC / DMC at a ratio of 2: 2: 2: 2 respectively and the finishing tape 130 was made of polyethylene A second layer 132 having a microsphere structure was formed on the first layer 131 and used.
  • the experiment proceeded to observe changes in color and thickness after 1 hour by putting a finishing tape on the electrolyte.
  • the thickness (mu m) of the first layer 131 The thickness ([mu] m) of the second layer 132 Before experiment 12 51 After the experiment 12 81 Thickness difference 0 30
  • microsphere structure increases in diameter from 51 ( ⁇ ) before the experiment to 81 ( ⁇ ) after the experiment, and when the finishing tape 130 is reacted with the electrolyte, Respectively.
  • the color of FIG. 8C after the experiment can be visually confirmed to be lower than the color of FIG. 8A before the experiment. It can be seen that this is due to the volume expansion of the microspheres contained in the second layer 132 of the finish tape 130.
  • the finishing tape 130 according to the embodiment of the present invention and the secondary battery 100 using the same constitute a layer 132 having a microsphere structure on at least one surface of the finishing tape 130,
  • the expansion of the microsphere structure causes expansion of the finishing tape 130, thereby fixing the electrode assembly 120 and suppressing an increase in resistance due to the flow.
  • a finishing tape and a secondary battery using the same according to the present invention are formed by forming a layer having a microsphere structure on at least one surface of a finishing tape so that the expansion tape expands due to expansion of the microsphere structure upon reaction with the electrolyte, So that an increase in resistance due to the flow can be suppressed.

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Abstract

본 발명에서는 케이스 내에서 전극 조립체의 유동을 줄일 수 있는 마감 테이프 및 이를 포함하는 이차 전지가 개시된다. 일 예로, 기재를 형성하고 수지로 구성된 제 1 층; 및 상기 제 1 층의 적어도 일면에 형성되고 마이크로스피어 구조를 포함하여 형성된 제 2 층으로 포함하는 마감 테이프가 개시된다.

Description

마감 테이프 및 이를 포함하는 이차 전지
본 발명은 케이스 내에서 전극 조립체의 유동을 줄일 수 있는 마감 테이프 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
통상적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기분야에서 널리 사용되고 있다.
특히, 리튬이차전지는 작동 전압이 3.6V로서, 전자장비전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나, 니켈-수소전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체전해질 전지와 고분자전해질 전지로 분류되며, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 또한, 리튬이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형, 그리고 파우치형이 있다. 그리고 리튬이차전지는 전극 조립체가 전해액과 함께 케이스에 삽입되며, 기구적/ 전기적 신뢰성을 보장하기 위해 전극 조립체의 위치가 고정될 것이 요구된다.
본 발명은 케이스 내에서 전극 조립체의 유동을 줄일 수 있는 마감 테이프 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 마감 테이프는 기재를 형성하고 수지로 구성된 제 1 층; 및
상기 제 1 층의 적어도 일면에 형성되고 마이크로스피어 구조를 포함하여 형성된 제 2 층으로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 마이크로스피어 구조는 리튬염을 포함하는 전해액과 반응하여 부피가 팽창하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiClO4 등의 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머 전해액 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제 2 층의 마이크로스피어 구조는 열 가소성 수지로 구성된 쉘과 상기 쉘에 의해 봉지되고 탄화수소로 구성된 봉지재를 포함할 수 있다.
더불어, 본 발명에 따른 이차 전지는 내부에 공간을 구비하는 케이스; 상기 케이스의 내부에 전해액과 함께 삽입되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 감싸고, 상기 전해액과 반응시 부피가 팽창하는 마감 테이프; 및 상기 케이스의 상부에 결합되어 상기 케이스를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiClO4 등의 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머 전해액 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
그리고 상기 마감 테이프는 기재를 형성하고 수지로 구성된 제 1 층; 및 상기 제 1 층의 적어도 일면에 형성되고 마이크로스피어 구조를 포함하여 형성된 제 2 층으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 층의 마이크로스피어 구조는 열 가소성 수지로 구성된 쉘과 상기 쉘에 의해 봉지되고 탄화수소로 구성된 봉지재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 마이크로스피어의 직경은 5㎛ 내지 50㎛일 수 있다.
본 발명에 따른 마감 테이프 및 이를 이용한 이차 전지는 마감 테이프의 적어도 일면에 대해 마이크로스피어 구조를 갖는 층을 형성함으로서, 전해액과 반응시 마이크로스피어 구조의 팽창으로 인해 마감 테이프가 팽창하도록 하여 전극 조립체를 고정하여 유동에 따른 저항성 증가를 억제할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프가 권취된 상태를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에서 전극 조립체에 마감 테이프가 부착된 상태를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 분해사시도이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프를 구성하는 마이크로스피어의 직경을 표시한 사시도이다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프를 구성하는 마이크로스피어의 반경을 도시한 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프를 구성하는 마이크로스피어의 발포 전과 후를 각각 도시한 광학 현미경 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프를 구성하는 마이크로스피어의 발포 전과 후를 각각 도시한 SEM 사진이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프가 전해액과 반응하는 실험 과정을 도시한 사진이다.
[부호의 설명]
100; 이차 전지 110; 케이스
120; 전극 조립체 130; 마감 테이프
131; 제 1 층 132; 제 2 층
150; 캡 조립체 160; 절연 케이스
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프가 권취된 상태를 도시한 것이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프(130)는 권취된 상태로 구비될 수 있으며, 이를 구성하는 제 1 층(131)과 제 2 층(132)를 포함하도록 구성될 수 있다.
먼저, 상기 제 1 층(131)은 기저층을 구성하며, 전극 조립체에 감싸진 이후 케이스와 접하는 최외곽면을 형성할 수 있다. 상기 제 1 층(131)은 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS) 또는 연신 폴리스티렌(Oriented Polystyrene, OPS) 중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제 1 층(131)은 전기적으로 절연재이기 때문에, 전극 조립체와 케이스의 사이에서 전기적 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제 2 층(132)은 상기 제 1 층(131)의 일면을 따라 형성될 수 있다. 상기 제 2 층(132)은 상기 마감 테이프(130)이 전극 조립체와 결합될 때, 전극 조립체를 접하도록 위치될 수 있다. 여기서, 상기 제 2 층(132)은 케이스 내에 존재하는 전해액과 반응시 부피가 팽창하는 발포 소재로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 2 층(132)은 마이크로스피어(Microshpere) 구조로서 형성될 수 있다.
이러한 마이크로스피어 구조는 열가소성 수지의 쉘(shell) 내부에 전해액과 반응시팽창이 가능한 봉지재를 구비하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉘에 포함되는 봉지재는 탄화수소(Hydrocarbon)일 수 있다. 탄화수소는 소수성으로 물과 반응하지 않지만, 전해액에 대해서는 흡입력을 갖는다. 따라서, 이러한 구성의 마이크로스피어 구조는 전해액이 쉘 내부로 침투시, 전해액이 봉지재와 반응하여 봉지재가 팽창하게 되는 매커니즘을 통해 동작한다. 이에 따라, 상기 마이크로스피어를 포함하는 제 2 층(132)의 부피가 팽창하게 되므로, 케이스와 전극 조립체 사이의 갭을 메워서 전극 조립체를 고정시킬 수 있고, 이에 따라 전극 조립체의 유동 및 그에 따른 저항성분 증가를 억제할 수 있게 된다.
또한, 상기 마이크로스피어의 직경은 5㎛ 내지 50㎛로 구성될 수 있다. 5㎛ 이상의 직경을 갖는 마이크로스피어를 적용하는 경우, 전극 조립체에 대해 마감 테이프(130)의 적용시 전극 조립체를 고정하고 스웰링을 방지하는데 유리하다. 또한, 50㎛ 이하의 직경을 갖는 마이크로스피어를 적용하는 경우, 전해액과의 반응 이후 케이스와 전극 조립체 사이의 공간을 메우기에 유리하다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 구조를 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에서 전극 조립체에 마감 테이프가 부착된 상태를 도시한 사시도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 분해사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100)는 케이스(110), 전극 조립체(120), 마감 테이프(130), 캡 조립체(150)를 포함한다. 또한, 상기 전극 조립체(120)와 캡 조립체(150)의 사이에는 절연 케이스(160)가 더 형성될 수도 있다.
상기 케이스(110)는 대략 육면체 형태로 이루어진다. 상기 케이스(110)는 내부에 공간(110a)을 구비하고, 상부에 개구를 갖는다. 상기 케이스(110)는 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 케이스(110)는 내면에 절연 처리가 수행될 수 있다. 상기 케이스(110)는 상부에 둘레를 따라 형성된 홈(111)을 구비하여, 이후 상기 절연 케이스(160)가 상기 홈(111)에 안착될 할 수 있다. 또한, 상기 케이스(110)의 공간(110a)에는 상기 전극 조립체(120)와 함께 전해액이 수용된다.
여기서, 상기 전해액은 상기 전극 조립체(120)를 구성하는 양극판과 음극판의 사이에서 리튬 이온이 이동될 수 있도록 주입되는 염을 함유한 유기 액체로서, LiPF6, LiBF4, LiClO4 등의 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머 전해액으로 이루어질 수 있다.
상기 전극 조립체(120)는 상기 케이스(110)의 공간(110a)에 수용된다. 상기 전극 조립체(120)는 양극 활물질(예를 들면 코발트산리튬(LiCoO2))이 부착된 양극판, 음극 활물질(예를 들면 흑연)이 부착된 음극판(122), 상기 양극판과 음극판 사이에 위치되어 전기적 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동이 가능하게 하는 세퍼레이터를 포함하고, 이들을 적층한 상태에서 대략 젤리롤 형태로 다수회 권취하여 형성된다. 상기 양극판은 알루미늄(Al) 포일, 상기 음극판은 구리(Cu) 포일, 상기 세퍼레이터는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있다.
또한, 상기 양극판에는 상부 방향으로 연장된 양극 리드(125)가 접속되어 있고, 상기 음극판에도 상부 방향으로 연장된 음극 리드(124)가 접속되어 있다. 여기서, 상기 양극 리드(125)는 알루미늄(Al), 상기 음극 리드(124)는 니켈(Al)일 수 있다.
또한, 상기 케이스(110)의 내부에는 상기 전극 조립체(120)와 함께 상술한 것과 같이 전해액이 주입된다. 상기 전해액은 충방전시 전지 내부의 양극판 및 음극판에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온의 이동 매체 역할을 수행한다.
상기 마감 테이프(130)는 상술한 것과 같이, 상기 전극 조립체(120)의 외주면을 따라 감으면서 상기 전극 조립체(120)에 결합될 수 있다. 상기 마감 테이프(130)는 상기 제 1 층이 상기 케이스(110)를 향하고, 상기 제 2 층(132)이 상기 전극 조립체(120)를 향하는 방향으로 상기 전극 조립체(120)의 외주면을 감싸게 된다. 이에 따라, 상기 마감 테이프(130)는 상기 전극 조립체(120)을 감싸서 스웰링(Swelling) 현상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 케이스(110) 내의 전해액이 상기 마감 테이프(130)으로 침투하면 상기 마감 테이프(130)의 제 2 층(132)을 형성하는 마이크로스피어가 상기 전해액과 반응하여 팽창을 하게 된다. 이에 따라, 상기 제 2 층(132)의 팽창이 수반되며, 이에 따라 상기 전극 조립체(120)의 위치를 상기 케이스(110)에 밀착하여 고정시킬 수 있고, 유동을 저감시킬 수 있다. 상기 제 2 층(132) 내의 마이크로스피어의 구조 및 동작은 후술하도록 한다.
상기 캡 조립체(150)는 상기 캔(110)의 상부에 결합된다. 상기 캡 조립체(150)는 캡 플레이트(151), 절연 플레이트(152), 단자 플레이트(153), 전극 단자(154) 및 절연 가스켓(155)를 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트(151)는 상기 캔(110)의 개구(110a)에 결합되며, 장변과 단변을 갖는 판 형태로 형성된다. 상기 캡 플레이트(151)는 상기 캔(110)의 개구(110a)와 결합된 상태에서 둘레 부분이 용접되어 상기 캔(110)을 밀봉한다. 상기 캡 플레이트(151)에는 전극 단자(154)를 결합하기 위한 단자홀(151a)과 전해액을 주액하기 위한 전해액 주액구(151b)가 형성된다. 여기서, 상기 단자홀(151a)에는 상기 전극 단자(154)와 절연 가스켓(155)이 결합되어 하부 구성과 상기 전극 단자(154)가 결합될 수 있다. 또한, 상기 전해액 주액구(151b)에는 상기 전해액이 주입된 이후 플러그가 결합되어, 상기 캡 플레이트(151)에 고정되어 밀봉함으로써, 상기 전해액이 누액되는 것을 방지할 수 있다.
상기 절연 플레이트(152)는 상기 캡 플레이트(151)의 하부에 위치한다. 상기 절연 플레이트(152)에는 상기 캡 플레이트(151)의 단자홀(151a)에 대응되는 단자홀(152a) 형성되며, 상기 단자홀(152a)에는 상기 절연 가스켓(155)이 결합된다. 또한, 상기 절연 플레이트(152)의 단자홀(152a)은 상기 전극 단자(154)의 하부에 의해 관통된다.
상기 단자 플레이트(153)는 상기 절연 플레이트(152)의 하부에 위치된다. 상기 단자 플레이트(153)에는 상기 절연 플레이트(152)의 단자홀(152a)에 대응되는 단자홀(153a)이 형성되며, 상기 단자홀(153a)에 상기 전극 단자(154)가 결합된다. 또한, 상기 단자 플레이트(153)에는 상기 전극 조립체(120)의 음극 리드(124)가 결합될 수 있다. 따라서, 상기 전극 단자(154)는 상기 전극 조립체(120)의 상기 음극 리드(124)와 전기적으로 연결될 수 있다.
전극 단자(154)는 상술한 것처럼, 하부가 결합 순서에 따라 상기 캡 플레이트(151), 절연 플레이트(152)의 단자홀(151a, 152a)를 관통하며, 상기 음극 리드(124)와 전기적으로 연결된다.
상기 절연 가스켓(155)은 상기 전극 단자(154)와 캡 플레이트(151)의 사이에 형성되어, 상기 전극 단자(154)가 상기 캡 플레이트(151)에 전기적으로 접촉하는 것을 방지한다.
상기 절연 케이스(160)는 상기 전극 조립체(120)의 상부로서 상기 캔(110)의 개구(110a)에 결합될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 절연 케이스(160)는 상기 캔(110)의 단차(111)에 결합될 수 있다. 상기 절연 케이스(160)에는 상기 음극 리드(124) 및 양극 리드(125)가 관통하여 지나갈 수 있도록 리드 통공(160a, 160b)이 형성된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에서 마감 테이프의 동작을 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프를 구성하는 마이크로스피어의 직경을 표시한 사시도이다. 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프를 구성하는 마이크로스피어의 반경을 도시한 단면도이다. 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프를 구성하는 마이크로스피어의 발포 전과 후를 각각 도시한 광학 현미경 사진이다. 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프를 구성하는 마이크로스피어의 발포 전과 후를 각각 도시한 주사 현미경(SEM) 사진이다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 마감 테이프(130)를 구성하는 마이크로스피어는 대략 구형을 형상을 갖고, 일정한 크기의 직경(d)을 갖도록 구비될 수 있다.
이어서, 도 5b의 단면도를 참조하면, 상기 마이크로스피어는 제 1 반경(r1)의 봉지재와 상기 봉지재를 감싸는 제 2 반경(r1+r2)의 쉘을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 봉지재는 상술한 것과 같이 탄화수소(Hydrocarbon)으로 구성될 수 있다. 상기 봉지재는 일반 수분과는 반응성이 없으나, 전해액과는 반응성이 있는 재질로서, 전해액과 반응시 발포되어 부피가 팽창하여, 반경(r1)이 증가하는 특성을 가질 수 있다.
또한, 상기 쉘은 상기 봉지재를 감싸고 있으며, 상기 봉지재의 팽창을 견디고, 상기 봉지재의 팽창에 따라 직경(r1+r2)이 증가할 수 있다. 이러한 쉘은 변형이 가능하도록 열가소성 수지로 구성될 수 있다. 상기 열 가소성 수지의 재질로는 폴리에틸렌, 나일론, 폴리아세탈수지, 폴리염화비닐·폴리스티렌, ABS수지, 아크릴수지 등이 가능하나, 이러한 재질로서 본 발명의 내용을 한정하지 않는다.
다음으로 도 6a 및 7a를 도 6b 및 도 7b와 각각 비교하면, 전해액의 침투에 의해 상기 마이크로스피어의 부피가 팽창한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 마이크로스피어를 포함하는 마감 테이프(130)의 부피가 팽창함을 알 수 있고, 이에 따라 전극 조립체(120)의 고정이 가능하게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프를 전해액과 반응시킨 실험 결과를 통해 본 발명의 효과를 설명하도록 한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프가 전해액과 반응하는 실험 과정을 도시한 사진이다.
도 8a, 도 8b 및 도8c는 순서대로 각각 실험 전, 실험 진행 중, 실험 진행 후의 마감 테이프를 촬영한 것이다.
이 때, 실험에 사용된 전해액은 1.0M의 LiPF6 EC/EMC/DEC/PC/DMC를 각각 2:2:2:2:2의 비율로 혼합하여 사용하였고, 마감 테이프(130)는 폴리에틸렌으로 구성된 제 1 층(131)에 마이크로스피어의 구조를 갖는 제 2 층(132)을 형성하여 사용하였다. 또한, 실험은 전해액에 마감 테이프를 투입하여 1시간 후의 색상 및 두께의 변화를 관찰하는 과정으로 진행되었다.
상기 실험의 결과를 표로 정리하면 다음과 같다.
제 1 층(131)의 두께(㎛) 제 2 층(132)의 두께(㎛)
실험 전 12 51
실험 후 12 81
두께 차이 0 30
따라서, 마이크로스피어의 구조는 실험 전 51(㎛)에서 실험 후 81(㎛)로 30(㎛)의 직경이 증가하였음을 알 수 있고, 마감테이프(130)가 전해액과 반응시 전극 조립체를 고정시킬 수 있음을 확인하였다.
또한, 도 8a과 도 8c에 도시된 사진을 비교하면, 실험 후인 도 8c의 색상은 실험 전인 도 8a의 색상에 비해 옅은 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 이것은 마감테이프(130)의 제 2 층(132)에 포함된 마이크로스피어의 부피 팽창으로 인한 것임을 알 수 있다.
상기와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 마감 테이프(130) 및 이를 이용한 이차 전지(100)는 마감 테이프(130)의 적어도 일면에 대해 마이크로스피어 구조를 갖는 층(132)을 형성함으로서, 전해액과 반응시 마이크로스피어 구조의 팽창으로 인해 마감 테이프(130)가 팽창하도록 하여 전극 조립체(120)를 고정하여 유동에 따른 저항성 증가를 억제할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 마감 테이프 및 이를 이용한 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 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 마감 테이프 및 이를 이용한 이차 전지는 마감 테이프의 적어도 일면에 대해 마이크로스피어 구조를 갖는 층을 형성함으로서, 전해액과 반응시 마이크로스피어 구조의 팽창으로 인해 마감 테이프가 팽창하도록 하여 전극 조립체를 고정하여 유동에 따른 저항성 증가를 억제할 수 있게 된다.

Claims (10)

  1. 기재를 형성하고 수지로 구성된 제 1 층; 및
    상기 제 1 층의 적어도 일면에 형성되고 마이크로스피어 구조를 포함하여 형성된 제 2 층으로 포함하는 마감 테이프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로스피어 구조는 리튬염을 포함하는 전해액과 반응하여 부피가 팽창하도록 구성된 마감 테이프.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiClO4 등의 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머 전해액 중 적어도 어느 하나인 마감 테이프.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 층의 마이크로스피어 구조는 열 가소성 수지로 구성된 쉘과 상기 쉘에 의해 봉지되고 탄화수소로 구성된 봉지재를 포함하는 마감 테이프.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로스피어의 직경은 5㎛ 내지 50㎛인 마감 테이프.
  6. 내부에 공간을 구비하는 케이스;
    상기 케이스의 내부에 전해액과 함께 삽입되는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 감싸고, 상기 전해액과 반응시 부피가 팽창하는 마감 테이프; 및
    상기 케이스의 상부에 결합되어 상기 케이스를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하는 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiClO4 등의 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머 전해액 중 적어도 어느 하나인 이차 전지.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 마감 테이프는 기재를 형성하고 수지로 구성된 제 1 층; 및 상기 제 1 층의 적어도 일면에 형성되고 마이크로스피어 구조를 포함하여 형성된 제 2 층으로 포함하는 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 층의 마이크로스피어 구조는 열 가소성 수지로 구성된 쉘과 상기 쉘에 의해 봉지되고 탄화수소로 구성된 봉지재를 포함하는 이차 전지.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 마이크로스피어의 직경은 5㎛ 내지 50㎛인 이차 전지.
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