WO2020111469A1 - 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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secondary battery
heat
electrode assembly
diffusion layer
heat diffusion
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김형권
김지은
허하영
류덕현
박필규
김남원
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery and a device including the same, and more particularly, to a secondary battery including an electrode assembly and a device including the same.
  • the secondary battery examples include a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery, and a lithium secondary battery.
  • lithium secondary batteries are widely used in the field of high-tech electronic devices because of the advantages of less charge and discharge, less self-discharge rate, high operating voltage, and high energy density per unit weight, as they have little memory effect compared to nickel-based secondary batteries. have.
  • a lithium secondary battery has a structure in which a unit cell composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is stacked or wound, and is embedded in a case of a metal can or laminate sheet, and an electrolyte is injected therein Or by impregnation.
  • the electrode assembly of the anode/separator/cathode structure constituting the secondary battery is largely divided into a jelly-roll type (winding type) and a stack type (stacked type) according to its structure.
  • the jelly-roll type is a structure in which a separator is wound between a positive electrode and a negative electrode of a long sheet type coated with an active material
  • the stack type is a structure in which a plurality of positive and negative electrodes of a predetermined size are sequentially stacked in a state where the separator is interposed.
  • the heat generated inside the secondary battery is concentrated in the electrode tab, especially the cathode tab, because the electrode characteristics inside the cell are not uniform. As a result, there is a temperature variation inside the secondary battery, resulting in a decrease in balance within the battery cell, which may lead to a decrease in the performance of the secondary battery.
  • the problem to be solved by the embodiments of the present invention is to solve the above problems, to provide a secondary battery that can effectively control the heat generation inside the secondary battery and reduce the temperature deviation.
  • a secondary battery includes an electrode assembly including a negative electrode sheet, a positive electrode sheet, and a separator; And a heat dissipation tape located on an outer circumferential surface of the electrode assembly, the heat dissipation tape including a heat diffusion layer, and the heat diffusion layer includes at least one of graphite and metal foil.
  • the graphite may include at least one of natural graphite and artificial graphite.
  • the metal foil may include at least one of Cu and Al.
  • the electrode assembly is a jelly-roll electrode assembly wound through the separator between the negative electrode sheet and the positive electrode sheet, an electrode tab is attached to an outer circumferential surface of the electrode assembly, and at least a portion of the heat dissipating tape and the electrode assembly The electrode tab may be positioned between the outer circumferential surfaces of the.
  • At least a portion of the heat dissipation tape may contact the electrode tab attached to the outer circumferential surface of the electrode assembly.
  • the electrode tab includes a negative electrode tab and a positive electrode tab, and the negative electrode tab may be attached to an outer circumferential surface of the electrode assembly.
  • the heat dissipation tape may further include an adhesive layer, and the adhesive layer may be located between the electrode tab and the heat diffusion layer and between the outer peripheral surface of the electrode assembly and the heat diffusion layer.
  • the heat dissipation tape further includes an adhesive layer, the adhesive layer is located between the outer peripheral surface of the electrode assembly and the heat diffusion layer, and at least a portion of the electrode tab may contact the heat diffusion layer.
  • At least a portion of the heat dissipation tape may be adhered to a finishing portion in which an outermost end of the separator is located on an outer circumferential surface of the electrode assembly.
  • the thickness of the heat diffusion layer may be 17 ⁇ m to 1 mm.
  • the heat diffusion layer has a sheet shape, and heat transfer may be performed in a direction parallel to the heat diffusion layer.
  • the heat dissipation tape may further include an adhesive layer and a base layer, and the heat diffusion layer may be located between the adhesive layer and the base layer.
  • the base layer may include at least one of polyimide and polyethylene terephthalate.
  • the thickness of the adhesive layer may be 5 ⁇ m to 25 ⁇ m, and the thickness of the substrate layer may be 5 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the heat generated locally in the secondary battery is rapidly diffused to the surroundings, thereby Since the temperature variation can be reduced, performance degradation due to temperature imbalance can be prevented.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention before being wound up.
  • FIG. 2 is a perspective view showing after the electrode assembly of FIG. 1 is wound up.
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of part A of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a partial view seen from the direction B in FIG. 2.
  • FIG. 5 is a perspective view showing after the electrode assembly is wound according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a partially enlarged view of part C of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a partial view seen from the direction D of FIG. 5.
  • FIG. 8 is a graph comparing the maximum temperature for each section of a secondary battery to which a heat dissipating tape including a heat diffusion layer is adhered and a secondary battery to which a heat dissipation layer is not attached is adhered according to an embodiment of the present invention.
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc.
  • another part is “just above” another part, it means that there is no other part in the middle.
  • the reference portion means that it is located above or below the reference portion, and means that it is necessarily “above” or “above” toward the opposite direction of gravity. no.
  • planar this means when the object part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-sectional”, it means when the cross section of the object part vertically cut is viewed from the side.
  • Figure 1 is an exploded perspective view before the electrode assembly according to an embodiment of the present invention is wound
  • Figure 2 is a perspective view showing after the electrode assembly of Figure 1 is wound.
  • a secondary battery according to an embodiment of the present invention includes an electrode assembly 100 including a negative electrode sheet 110, a positive electrode sheet 120, and a separator 130; And a heat dissipation tape 170 located on the outer circumferential surface of the electrode assembly 100, the heat dissipation tape 170 including a heat diffusion layer, wherein the heat diffusion layer is one of graphite and metal foil. At least one. The heat diffusion layer will be described later.
  • the heat dissipation tape 170 in FIG. 2 is illustrated as being spaced apart from the top and bottom of the outer circumferential surface of the electrode assembly 100, but this is for convenience of explanation, and wraps the entire outer circumferential surface of the electrode assembly 100 Can be located as
  • the electrode assembly 100 is an electrode assembly 100 in the form of a jelly-roll wound through a separator 130 between the negative electrode sheet 110 and the positive electrode sheet 120, and an electrode tab is provided on an outer circumferential surface of the electrode assembly 100. This may be attached, and the electrode tab may be positioned between at least a portion of the heat dissipation tape 170 and the outer circumferential surface of the electrode assembly 100.
  • the electrode tabs 140 and 160 include a negative electrode tab 140 attached to the negative electrode sheet 110 and a positive electrode tab 160 attached to the positive electrode sheet 120.
  • a cathode tab 140 is attached to an outer circumferential surface of the electrode assembly 100 to be located between at least a portion of the heat dissipation tape 170 and an outer circumferential surface of the electrode assembly 100, and the anode tab 160 is an electrode assembly 100 ) It is shown as being located in the center.
  • the positive electrode tab 160 may be attached to the outer circumferential surface of the electrode assembly 100 and the negative electrode tab 140 may be located at the center of the electrode assembly 100.
  • one or more positive and negative tabs may be additionally attached for a high power model.
  • the heat dissipation tape 170 is intended to solve this problem, and since it includes a heat diffusion layer having excellent heat conduction properties, it quickly diffuses locally generated heat inside the secondary battery to the surroundings, thereby preventing the temperature from rising. In addition, it is possible to reduce the temperature variation inside the secondary battery to prevent performance degradation due to temperature imbalance.
  • the negative electrode tab 140 which has a particularly high resistance among the internal components of the secondary battery, the heat is generated most, and the negative electrode tab 140 rather than the positive electrode tab 160 usually has the electrode assembly 100. It is attached to the outer peripheral surface. Therefore, in particular, through a structure in which at least a portion of the heat dissipation tape 170 contacts the negative electrode tab 140 attached to the outer circumferential surface of the electrode assembly 100, heat generated in the negative electrode tab 140 can be effectively diffused.
  • the heat dissipation tape 170 may be adhered to the finishing part 150 of the outer circumferential surface of the electrode assembly 100, and the closing part 150 may be attached to the outermost surface of the separator 130.
  • the outer end can be located. Since at least a portion of the heat dissipation tape 170 compresses the electrode assembly 100 while adhering to the finish 150, the shape of the wound electrode assembly 100 is maintained, and the electrode assembly 100 is subjected to internal stress. It can prevent the phenomenon of loosening.
  • FIGS. 3 to 7 for convenience of explanation, a cathode tab of an electrode tab will be described based on an embodiment attached to an outer circumferential surface of the electrode assembly, but the scope of the right is not limited to this, and the anode tab of the electrode tab is an electrode assembly Until attached to the outer circumferential surface of the present invention.
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of portion A of FIG. 2, and FIG. 4 is a partial view seen from the direction B of FIG. 2.
  • the heat dissipation tape 170 may include a base layer 173, a heat diffusion layer 171 and an adhesive layer 172.
  • the adhesive layer 172 may be positioned between the cathode tab 140 and the heat diffusion layer 171 and between the outer circumferential surface of the electrode assembly 100 and the heat diffusion layer 171.
  • the heat diffusion layer 171 may be fixedly positioned on the outer circumferential surfaces of the cathode tab 140 and the electrode assembly 100 through the adhesive layer 172.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an electrode assembly according to another embodiment of the present invention after being wound
  • FIG. 6 is a partially enlarged view of a portion C of FIG. 5
  • FIG. 7 is a portion viewed from the direction D of FIG. It is.
  • the heat dissipation tape 270 positioned on the outer circumferential surface of the electrode assembly 200 including the negative electrode sheet 210, the positive electrode sheet 220, and the separator 230 includes a base layer 273, A heat diffusion layer 271 and an adhesive layer 272 may be included.
  • the adhesive layer 272 is positioned between the outer peripheral surface of the electrode assembly 200 and the heat diffusion layer 271, and at least a portion of the negative electrode tab 240 may contact the heat diffusion layer 271.
  • the heat diffusion layer 271 is fixed on the outer peripheral surface of the cathode tab 240 and the electrode assembly 200 In addition to being positioned, at least a portion of the cathode tab 240 can directly contact the heat spreading layer 271 located directly above, so that heat generated locally on the cathode tab 240 can be diffused more quickly. .
  • the electrode assembly according to other embodiments of the present invention may be in a form in which the separation membrane is extended a certain length compared to the positive electrode sheet and the negative electrode sheet, so that the outermost of the wound electrode assembly is wound one or more times.
  • the cathode tab may not be located at the outermost side of the wound electrode assembly, but may be located under the extended separator.
  • an extended separator can be positioned between the cathode tab and the heat dissipation tape.
  • the electrode assembly according to the present embodiments may form a structure in which an adhesive layer is positioned between the separator located on the cathode tab and the heat diffusion layer, and a structure in which the separator located on the cathode tab directly contacts the heat diffusion layer.
  • the heat dissipation tapes 170 and 270 include not only the heat diffusion layers 171 and 271, but also the adhesive layers 172 and 272 and the base layers 173 and 273. ), and the heat diffusion layers 171 and 271 may be positioned between the adhesive layers 172 and 272 and the base layers 173 and 273.
  • the heat diffusion layers 171 and 271 are for diffusing and dissipating heat generated at a certain point inside the secondary battery, and are not particularly limited as long as they are excellent in thermal conductivity, but are not limited to graphite and metal foil. It is preferable to include at least one of Foil), the graphite (Graphite) may include at least one of natural graphite and artificial graphite.
  • the heat diffusion layers 171 and 271 may be sheet-shaped, and heat transfer by the heat diffusion principle is parallel to the heat diffusion layers 171 and 271. Direction.
  • the thickness of the heat diffusion layers 171 and 271 is preferably 17 ⁇ m to 1 mm. The specific thickness of each material will be described below.
  • Natural graphite is a material having good productivity because it is easy to form in various thicknesses and widths, and is preferably formed to a thickness of 0.07 mm to 1 mm. If the thickness is less than 0.07mm, the heat diffusion layer may be too thin to limit heat transfer. If the thickness is more than 1mm, the heat transfer effect may be deteriorated due to an undesired thickness, and the capacity of the secondary battery may be reduced. .
  • Artificial graphite is artificially manufactured graphite, and is excellent in heat dissipation properties and can be manufactured as a thin film, and thus is preferably formed to a thickness of 17 ⁇ m to 40 ⁇ m. If the thickness is less than 17 ⁇ m, the heat diffusion layer may be too thin to limit heat transfer. If the thickness is more than 40 ⁇ m, the heat transfer effect may be deteriorated due to a thickness greater than necessary, and there may be a side effect of decreasing the capacity of the secondary battery. .
  • the metal foil is a material capable of forming a heat diffusion layer at a relatively inexpensive cost, and may include at least one of Cu and Al having high thermal conductivity, and is preferably formed to a thickness of 25 ⁇ m to 90 ⁇ m.
  • the adhesive layers 172 and 272 are for positioning and fixing the heat dissipating tapes 170 and 270 including the heat diffusion layers 171 and 271 on the outer circumferential surface of the electrode assembly including the electrode tab. It can contain.
  • the thickness of the adhesive layers 172 and 272 may be 5 ⁇ m to 25 ⁇ m. When the thickness is at least 5 ⁇ m, adhesion of the heat-radiating tapes 170 and 270 can be maintained, but if the thickness is more than 25 ⁇ m, there may be a problem that heat is not effectively spread due to the thickness more than necessary.
  • the base layers 173 and 273 are layers on which the heat dissipation tapes 170 and 270 are based, and are not particularly limited as long as they can perform insulation and heat resistance functions, but are not limited to polyimide and polyethylene terephthalate. It is preferred to include at least one.
  • the thickness of the base layers 173 and 273 may be 5 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the thickness of 5 ⁇ m is the minimum thickness at which the base layers 173 and 273 can exhibit insulation performance, and if the thickness is more than 25 ⁇ m, there may be a problem that heat is not effectively spread due to a thickness greater than necessary.
  • the electrode assemblies 100 and 200 include separators 130 and 230 between the cathode sheets 110 and 210 and the anode sheets 120 and 220. It may include an electrode assembly (100, 200) in the form of a rolled jelly-roll interposed. Since it is a jelly-roll type electrode assembly (100, 200), damage caused by heat generated in the electrode tab for each bend of the negative electrode sheet 110, positive electrode sheet 120, and separator 130 directly or indirectly contacting the electrode tab This can be.
  • the secondary battery according to embodiments of the present invention can minimize the above damages due to the heat diffusion effect of the heat dissipating tapes 170 and 270 adhered to the outer circumferential surfaces of the electrode assemblies 100 and 200. That is, when the heat dissipation tapes 170 and 270 of the present invention are applied to the jelly-roll type electrode assemblies 100 and 200, damage due to heat can be minimized more.
  • the secondary battery according to embodiments of the present invention may further include a pouch-shaped case in which the electrode assembly is accommodated and includes a laminate sheet. Unlike a conventional pouch-type secondary battery having an electrode assembly closed as a separator, one embodiment of the present invention can close the electrode assembly through heat dissipation tape, and at the same time reduce temperature imbalance in the secondary battery. .
  • the secondary battery according to embodiments of the present invention may further include a cylindrical or square case in which the electrode assembly is accommodated. 2 to 7 are illustrated based on the case where the electrode assembly is accommodated in a cylindrical case, the structures for the heat dissipating tape and the like may be applied to each other similarly or similarly when accommodated in a square case.
  • the secondary battery described above can be applied to various devices.
  • the device may be applied to a transportation means such as an electric bicycle, an electric vehicle, a hybrid, but is not limited thereto, and may be applied to various devices capable of using a secondary battery.
  • the thickness of the heat dissipation tape comprising the heat diffusion layer of artificial graphite is 40 ⁇ m, and the thickness of the heat diffusion layer of artificial graphite is 25 ⁇ m.
  • the part to which the negative electrode tab was attached was taken as a reference as 0°, and moved every 90° to attach a temperature line to measure the temperature.
  • FIG. 8 it can be seen that, according to embodiments of the present invention, the maximum temperature of the secondary battery to which the heat dissipation tape including the heat diffusion layer is adhered is lower than that of the secondary battery to which the heat diffusion layer is not adhered. have. In particular, it can be seen that the temperature was most reduced in the portion (0°) to which the negative electrode tab was attached.
  • the horizontal thermal conductivity of the heat-resistant tape not including the heat-diffusion layer and in each case including artificial graphite, natural graphite, and metal foil was measured. It was shown in Table 1.
  • the horizontal thermal conductivity means thermal conductivity in a direction parallel to the heat radiation tape.
  • the heat dissipation tape including the heat diffusion layer according to embodiments of the present invention shows a high horizontal thermal conductivity. Therefore, it is possible to more effectively dissipate the heat generated inside the secondary battery, and in particular, when the heat dissipation tape including artificial graphite or natural graphite contains a metal foil, it shows 3 to 8 times higher horizontal thermal conductivity. In particular, it is particularly preferable to include artificial graphite.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 음극 시트, 양극 시트 및 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 외주면에 위치하는 방열 테이프를 포함하고, 상기 방열 테이프는 열 확산 층을 포함하며, 상기 열 확산 층은 그라파이트(Graphite) 및 금속 박(Metal Foil) 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2018년 11월 30일자 한국 특허 출원 제10-2018-0152911호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 조립체를 포함하는 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 이차 전지에는 예를 들어 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 단위 셀이 적층 또는 권취된 구조를 가지면서 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 케이스에 내장되고, 그 내부에 전해액이 주입 또는 함침됨으로써 구성된다.
이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형은 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 구조이며, 스택형은 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 구조이다.
최근, 고출력 및 고용량 모델의 구현을 위해, 사용되는 부품이 박막화 되어가는 추세이며, 이로 인해 저저항 및 고용량의 이차 전지가 증가하고 있다. 다만, 저항이 낮아지고 용량이 높아지면서 더 높은 전류가 더 오랜 시간 동안 인가됨에 따라 고율 방전이나 외부 단락 등에 의한 이차 전지의 발열에 대한 문제가 더 중요한 과제로 대두되고 있다.
이차 전지의 내부에서 발생하는 열은 셀 내부 전극 특성이 균일하지 않아 전극 탭, 특히 음극 탭에 집중되어 있다. 그로 인해 이차 전지 내부의 온도 편차가 존재하여, 전지 셀 내부에서의 균형 저하가 발생하고, 이는 이차 전지의 성능 저하로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이차 전지 내부의 발열을 효과적으로 제어하고 온도 편차를 감소시킬 수 있는 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 음극 시트, 양극 시트 및 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 외주면에 위치하는 방열 테이프를 포함하고, 상기 방열 테이프는 열 확산 층을 포함하며, 상기 열 확산 층은 그라파이트(Graphite) 및 금속 박(Metal Foil) 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 그라파이트(Graphite)는 천연 그라파이트 및 인조 그라파이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 박은 Cu 및 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체는 상기 음극 시트와 상기 양극 시트 사이에 상기 분리막를 개재하여 권취한 젤리-롤 형태의 전극 조립체이고, 상기 전극 조립체의 외주면에 전극 탭이 부착되며, 상기 방열 테이프 중 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 외주면 사이에 상기 전극 탭이 위치할 수 있다.
상기 방열 테이프 중 적어도 일부는 상기 전극 조립체의 외주면에 부착된 상기 전극 탭과 접촉할 수 있다.
상기 전극 탭은 음극 탭 및 양극 탭을 포함하고, 상기 음극 탭이 상기 전극 조립체의 외주면에 부착될 수 있다.
상기 방열 테이프는 접착층을 더 포함하고, 상기 접착층은 상기 전극 탭과 상기 열 확산 층 사이 및 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 열 확산 층 사이에 위치할 수 있다.
상기 방열 테이프는 접착층을 더 포함하고, 상기 접착층은 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 열 확산 층 사이에 위치하며, 상기 전극 탭의 적어도 일부는 상기 열 확산 층과 접촉할 수 있다.
상기 방열 테이프 중 적어도 일부는 상기 전극 조립체의 외주면 중 상기 분리막의 최외측 단부가 위치하는 마감부에 접착될 수 있다.
상기 열 확산 층의 두께는 17μm 내지 1mm일 수 있다.
상기 열 확산 층은 시트 형상이고, 상기 열 확산 층과 평행한 방향으로 열 전달이 이루어질 수 있다.
상기 방열 테이프는 접착층 및 기재층을 더 포함하고, 상기 열 확산 층은 상기 접착층과 상기 기재층 사이에 위치할 수 있다.
상기 기재층은 폴리이미드(Polyimide) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 접착층의 두께는 5μm 내지 25μm이고, 상기 기재층의 두께는 5μm 내지 25μm일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전극 조립체의 외주면에 위치하는 방열 테이프를 통해 전극 조립체의 형태를 유지시킬 뿐만 아니라, 이차 전지 내에서 국부적으로 발생한 열을 신속하게 주변으로 확산시켜, 이차 전지 내부의 온도 편차를 감소시킬 수 있으므로, 온도 불균형으로 인한 성능 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취되기 전의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 전극 조립체가 권취된 후를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 나타내는 부분도이다.
도 4는 도 2의 B 방향에서 바라본 부분도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취된 후를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 C 부분을 확대하여 나타내는 부분도이다.
도 7은 도 5의 D 방향에서 바라본 부분도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 열 확산 층을 포함하는 방열 테이프가 접착된 이차 전지와 열 확산 층이 포함되지 않은 테이프가 접착된 이차 전지의 구간별 최대 온도를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취되기 전의 분해 사시도이며, 도 2는 도 1의 전극 조립체가 권취된 후를 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 음극 시트(110), 양극 시트(120) 및 분리막(130)을 포함하는 전극 조립체(100); 및 전극 조립체(100)의 외주면에 위치하는 방열 테이프(170)를 포함하고, 방열 테이프(170)는 열 확산 층을 포함하며, 상기 열 확산 층은 그라파이트(Graphite) 및 금속 박(Metal Foil) 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 열 확산 층에 대해서는 후술하기로 한다.
도 2에서의 방열 테이프(170)는 전극 조립체(100)의 외주면 중 상단 및 하단으로부터 이격되어 위치하는 형태로 도시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 전극 조립체(100)의 외주면 전체를 감싸는 형태로 위치할 수 있다.
전극 조립체(100)는 음극 시트(110)와 양극 시트(120) 사이에 분리막(130)을 개재하여 권취한 젤리-롤 형태의 전극 조립체(100)이고, 전극 조립체(100)의 외주면에 전극 탭이 부착될 수 있으며, 방열 테이프(170) 중 적어도 일부와 전극 조립체(100)의 외주면 사이에 상기 전극 탭이 위치할 수 있다.
전극 탭(140, 160)은 음극 시트(110)에 부착된 음극 탭(140) 및 양극 시트(120)에 부착된 양극 탭(160)을 포함한다. 도 2에서는 전극 조립체(100)의 외주면에 음극 탭(140)이 부착되어 방열 테이프(170) 중 적어도 일부와 전극 조립체(100)의 외주면 사이에 위치하고 있고, 양극 탭(160)은 전극 조립체(100) 중심부에 위치하는 것으로 도시하였다. 하지만, 양극 탭(160)이 전극 조립체(100)의 외주면에 부착되고 음극 탭(140)이 전극 조립체(100)의 중심부에 위치할 수 있음은 물론이다. 또한, 도시하지 않았으나, 고출력 모델을 위해 하나 이상의 양극 탭 및 음극 탭이 추가로 부착될 수 있다.
고출력 및 고용량 모델의 이차 전지에서, 고율 방전, 과충전, 외부 단락 등에 의해 짧은 시간 내에 큰 전류가 흐르게 되면 전류 집중으로 인하여 전극 탭, 특히 음극 탭(140)에 많은 열이 발생한다. 이차 전지는 내부의 전기 화학적 반응에 의하여 충전 또는 방전이 끊임없이 반복적으로 일어나므로 이와 같이 이차 전지가 고용량화 되는 경우 충전 및 방전에 따른 발열이 비약적으로 증가하게 된다. 이러한 발열로 인해, 분리막(130) 등이 손상되어 내부 단락까지 이어질 수 있으며, 이차 전지 내부의 온도 편차를 유발하여 이차 전지의 성능 저하로 연결될 수도 있다.
방열 테이프(170)는 이와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 열 전도 특성이 우수한 열 확산 층을 포함하고 있으므로, 이차 전지 내부에서 국부적으로 발생한 열을 신속하게 주변으로 확산시켜, 온도가 상승하는 것을 방지함과 함께, 이차 전지 내부의 온도 편차를 감소시켜 온도 불균형으로 인한 성능 저하를 방지할 수 있다.
특히, 이차 전지의 내부 구성요소 중에서 저항이 특별히 높은 부분인 음극 탭(140)의 경우에 그 발열이 가장 크게 발생하게 되며, 보통 양극 탭(160)보다는 음극 탭(140)이 전극 조립체(100)의 외주면에 부착된다. 따라서, 특히 방열 테이프(170)의 적어도 일부가 전극 조립체(100)의 외주면에 부착된 음극 탭(140)과 접촉하는 구조를 통해, 음극 탭(140)에서 발생한 열을 효과적으로 확산시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 도 2를 다시 참고하면, 방열 테이프(170) 중 적어도 일부는 전극 조립체(100)의 외주면 중 마감부(150)에 접착될 수 있으며, 마감부(150)는 분리막(130)의 최외측 단부가 위치할 수 있다. 방열 테이프(170) 중 적어도 일부가 마감부(150)에 접착한 채 전극 조립체(100)를 압착하기 때문에, 권취된 전극 조립체(100)의 형태를 유지시키고, 전극 조립체(100)가 내부 응력에 의해 풀리는 현상을 방지할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 7에서는 설명의 편의를 위해, 전극 탭 중 음극 탭이 전극 조립체의 외주면에 부착된 실시예를 기준으로 설명하나, 권리범위는 이에 한정되지 않고 전극 탭 중 양극 탭이 전극 조립체의 외주면에 부착된 경우까지 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 나타내는 부분도이며, 도 4는 도 2의 B 방향에서 바라본 부분도이다.
도 3및 도 4를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 방열 테이프(170)는 기재층(173), 열 확산 층(171) 및 접착층(172)을 포함할 수 있다. 접착층(172)은 음극 탭(140)과 열 확산 층(171) 사이 및 전극 조립체(100)의 외주면과 열 확산 층(171) 사이에 위치할 수 있다. 열 확산 층(171)은 접착층(172)을 통해 음극 탭(140) 및 전극 조립체(100)의 외주면 상에 고정되어 위치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극 조립체가 권취된 후를 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 5의 C 부분을 확대하여 나타내는 부분도이며, 도 7은 도 5의 D 방향에서 바라본 부분도이다.
도 5 내지 도 7을 참고하면, 음극 시트(210), 양극 시트(220) 및 분리막(230)을 포함하는 전극 조립체(200)의 외주면에 위치하는 방열 테이프(270)는 기재층(273), 열 확산 층(271) 및 접착층(272)을 포함할 수 있다. 접착층(272)은 전극 조립체(200)의 외주면과 열 확산 층(271) 사이에 위치하며, 음극 탭(240)의 적어도 일부는 열 확산 층(271)과 접촉할 수 있다. 즉, 전극 조립체(200)의 외주면과 열 확산 층(271) 사이에 위치한 접착층(272)을 통해, 열 확산 층(271)이 음극 탭(240) 및 전극 조립체(200)의 외주면 상에 고정되어 위치할 수 있을 뿐만 아니라, 음극 탭(240)의 적어도 일부는 바로 위에 위치한 열 확산 층(271)과 직접 접촉할 수 있어, 음극 탭(240)에 국부적으로 발생한 열이 보다 신속하게 확산될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전극 조립체는 분리막이 양극 시트와 음극 시트에 비해 일정 길이 연장되어, 권취된 전극 조립체의 최외각을 한 바퀴 이상 더 감은 형태일 수 있다. 이러한 경우, 음극 탭이 권취된 전극 조립체의 최외각에 위치하는 것이 아니라, 연장된 분리막의 아래에 위치할 수 있다. 따라서, 연장된 분리막이 음극 탭과 방열 테이프 사이에 위치할 수 있다. 이러한 경우, 본 실시예들에 따른 전극 조립체는 음극 탭 위에 위치한 분리막과 열 확산 층 사이에 접착층이 위치하는 구조와 음극 탭 위에 위치한 분리막이 열 확산 층과 직접 접하는 구조를 형성할 수 있다.
도 4 및 도 7을 다시 참고하면, 본 발명의 실시예들에 따른 방열 테이프(170, 270)는 열 확산 층(171, 271)뿐만 아니라, 접착층(172, 272) 및 기재층(173, 273)을 더 포함하고, 열 확산 층(171, 271)은 접착층(172, 272)과 기재층(173, 273) 사이에 위치할 수 있다.
열 확산 층(171, 271)은 상기 언급한 대로, 이차 전지 내부의 어느 지점에서 발생한 열을 확산 방출하기 위한 것으로, 열 전도성이 우수한 물질이라면 특별히 제한되지 않으나, 그라파이트(Graphite) 및 금속 박(Metal Foil) 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하며, 그라파이트(Graphite)는 천연 그라파이트 및 인조 그라파이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
열 확산 층(171, 271)은 시트 형상일 수 있고, 열 확산 원리에 의해 열 전달은 열 확산 층(171, 271)과 평행한 방향으로 이루어질 수 있다.
열 확산 층(171, 271)의 두께는 17μm 내지 1mm인 것이 바람직하다. 각 소재에 따른 구체적인 두께에 대해서는 이하에서 기술한다.
천연 그라파이트는 다양한 두께 및 폭으로 형성이 용이하여 생산성이 좋은 물질로서, 0.07 mm 내지 1mm의 두께로 형성되는 것이 바람직히다. 두께가 0.07mm 미만이라면 열 확산 층이 너무 얇아 열 전달의 제한이 있을 수 있고, 두께가 1mm 초과라면, 필요 이상의 두께로 인해 열 전달 효과가 떨어지고, 이차 전지의 용량이 감소하는 부작용이 있을 수 있다.
인조 그라파이트는 인공적으로 제조한 그라파이트로서, 방열 특성이 우수하여 박막으로 제조될 수 있으므로, 17μm 내지 40μm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 두께가 17μm 미만이라면, 열 확산 층이 너무 얇아 열 전달의 제한이 있을 수 있고, 두께가 40μm 초과라면, 필요 이상의 두께로 인해 열 전달 효과가 떨어지고, 이차 전지의 용량이 감소하는 부작용이 있을 수 있다.
금속 박은 비교적 저렴하게 열 확산 층을 형성할 수 있는 소재로서, 열 전도도가 높은 Cu 및 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 25μm 내지 90μm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
접착층(172, 272)은 상기 언급한 대로, 열 확산 층(171, 271)을 포함하는 방열 테이프(170, 270)를 전극 탭을 포함하는 전극 조립체의 외주면에 고정하여 위치시키기 위한 것으로 아크릴계 접착제를 포함할 수 있다.
접착층(172, 272)의 두께는 5μm 내지 25μm 일 수 있다. 두께가 최소 5μm 이상이 되어야 방열 테이프(170, 270)의 접착이 유지될 수 있으나, 두께가 25μm 초과라면 필요 이상의 두께로 인해 열이 효과적으로 확산되지 않는 문제점이 있을 수 있다.
기재층(173, 273)은 방열 테이프(170, 270)의 토대가 되는 층으로써, 절연 및 내열 기능을 수행할 수 있으면 특별히 제한되지 않으나, 폴리이미드(Polyimide) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
기재층(173, 273)의 두께는 5μm 내지 25μm 일 수 있다. 5μm의 두께는 기재층(173, 273)이 절연 성능을 보일 수 있는 최소 두께이며, 두께가 25μm 초과라면 필요 이상의 두께로 인해 열이 효과적으로 확산되지 않는 문제점이 있을 수 있다.
도 2 및 도 5를 다시 참고하면, 본 발명의 실시예들에 따른 전극 조립체(100, 200)는 음극 시트(110, 210)와 양극 시트(120, 220)사이에 분리막(130, 230)을 개재하여 권취한 젤리-롤 형태의 전극 조립체(100, 200)를 포함할 수 있다. 젤리-롤 형태의 전극 조립체(100, 200)이므로, 전극 탭과 직, 간접적으로 맞닿아 있는 음극 시트(110), 양극 시트(120) 및 분리막(130)의 굽이마다 전극 탭에서 발생한 열로 인한 손상이 있을 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예들에 따른 이차 전지는 전극 조립체(100, 200)의 외주면에 접착된 방열 테이프(170, 270)의 열 확산 효과로 인해 위와 같은 손상을 최소화할 수 있다. 즉, 본 발명의 방열 테이프(170, 270)는 젤리-롤 형태의 전극 조립체(100, 200)에 적용될 시, 열로 인한 손상을 보다 최소화할 수 있다.
도시하지는 않았으나, 본 발명의 실시예들에 따른 이차 전지는 전극 조립체가 수납되고, 라미네이트 시트를 포함하는 파우치형 케이스를 더 포함할 수 있다. 전극 조립체의 마감을 분리막으로 하는 종래의 파우치형 이차 전지와 달리, 본 발명의 일 실시예는 방열 테이프를 통해 전극 조립체가 풀리지 않도록 마감할 수 있음과 동시에, 이차 전지 내의 온도 불균형을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이차 전지는 전극 조립체가 수납되는 원통형 또는 각형 케이스를 더 포함할 수 있다. 도 2 내지 도 7은 전극 조립체가 원통형 케이스에 수납되는 경우를 기준으로 도시하였으나, 각형 케이스에 수납되는 경우에도 방열 테이프 등에 대한 구조는 상호 동일 내지 유사하게 적용될 수 있다.
앞에서 설명한 이차 전지는 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
실험예 1
인조 그라파이트의 열 확산 층을 포함하는 방열 테이프가 접착된 이차 전지와 열 확산 층이 포함되지 않은 테이프가 접착된 이차 전지의 구간별 최대 온도를 비교한 그래프를 도 8에 나타내었다. 인조 그라파이트의 열 확산 층을 포함하는 방열 테이프의 두께는 40μm이며, 인조 그라파이트의 열 확산 층의 두께는 25μm이다.
음극 탭이 부착된 부분을 0°로 하여 기준으로 삼고, 90°마다 이동하여 온도선을 부착한 후 온도를 측정하였다. 도 8을 통해, 본 발명의 실시예들에 따라 열 확산 층을 포함하는 방열 테이프가 접착된 이차 전지가 열 확산 층이 포함되지 않은 테이프가 접착된 이차 전지에 비해 최대 온도가 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 특히, 음극 탭이 부착된 부분(0°)에서 온도가 가장 크게 감소한 것을 확인할 수 있다.
실험예 2
본 발명의 실시예들에 따라 열 확산 층을 포함하는 방열 테이프에 대해, 인조 그라파이트, 천연 그라파이트, 및 금속 박을 포함한 각각의 경우와 열 확산 층을 포함하지 않는 방열 테이프에 대한 수평 열전도도를 측정하여 표 1에 나타내었다. 상기 수평 열전도도는 방열 테이프와 평행한 방향으로의 열전도도를 의미한다.
Figure PCTKR2019011877-appb-T000001
표 1을 참고하면, 열 확산 층을 포함하지 않는 경우에 비해, 본 발명의 실시예들에 따른 열 확산 층을 포함하는 방열 테이프가 높은 수평 열전도도를 보인다. 따라서, 이차 전지 내부에서 발생한 열을 보다 효과적으로 분산시킬 수 있으며, 특히, 인조 그라파이트나 천연 그라파이트를 포함하는 방열 테이프가 금속 박을 포함한 경우에 3배 내지 8배 높은 수평 열전도도를 보임에 따라, 그라파이트, 특히 인조 그라파이트를 포함하는 것이 특히 바람직하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
100, 200: 전극 조립체
170, 270: 방열 테이프
171, 271: 열 확산 층

Claims (15)

  1. 음극 시트, 양극 시트 및 분리막을 포함하는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체의 외주면에 위치하는 방열 테이프를 포함하고,
    상기 방열 테이프는 열 확산 층을 포함하며,
    상기 열 확산 층은 그라파이트(Graphite) 및 금속 박(Metal Foil) 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 그라파이트(Graphite)는 천연 그라파이트 및 인조 그라파이트 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 금속 박은 Cu 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 전극 조립체는 상기 음극 시트와 상기 양극 시트 사이에 상기 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤 형태의 전극 조립체이고,
    상기 전극 조립체의 외주면에 전극 탭이 부착되며,
    상기 방열 테이프 중 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 외주면 사이에 상기 전극 탭이 위치하는 이차 전지.
  5. 제4항에서,
    상기 방열 테이프 중 적어도 일부는 상기 전극 조립체의 외주면에 부착된 상기 전극 탭과 접촉하는 이차 전지.
  6. 제4항에서,
    상기 전극 탭은 음극 탭 및 양극 탭을 포함하고,
    상기 음극 탭이 상기 전극 조립체의 외주면에 부착되는 이차 전지.
  7. 제4항에서,
    상기 방열 테이프는 접착층을 더 포함하고,
    상기 접착층은 상기 전극 탭과 상기 열 확산 층 사이 및 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 열 확산 층 사이에 위치하는 이차 전지.
  8. 제4항에서,
    상기 방열 테이프는 접착층을 더 포함하고,
    상기 접착층은 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 열 확산 층 사이에 위치하며,
    상기 전극 탭의 적어도 일부는 상기 열 확산 층과 접촉하는 이차 전지.
  9. 제4항에서,
    상기 방열 테이프 중 적어도 일부는 상기 전극 조립체의 외주면 중 상기 분리막의 최외측 단부가 위치하는 마감부에 접착되는 이차 전지.
  10. 제1항에서,
    상기 열 확산 층의 두께는 17μm 내지 1mm인 이차 전지.
  11. 제1항에서,
    상기 열 확산 층은 시트 형상이고, 상기 열 확산 층과 평행한 방향으로 열 전달이 이루어지는 이차 전지.
  12. 제1항에서,
    상기 방열 테이프는 접착층 및 기재층을 더 포함하고,
    상기 열 확산 층은 상기 접착층과 상기 기재층 사이에 위치하는 이차 전지.
  13. 제12항에서,
    상기 기재층은 폴리이미드(Polyimide) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지.
  14. 제12항에서,
    상기 접착층의 두께는 5μm 내지 25μm이고,
    상기 기재층의 두께는 5μm 내지 25μm인 이차 전지.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 하나에 따른 이차 전지를 전원으로 포함하는 디바이스.
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