WO2021235845A1 - 이차 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a secondary battery including an upper insulating member and a manufacturing method thereof.
  • the electrode assembly embedded in the battery case is a charging/discharging power generating element having a stacked structure of a positive electrode/separator/negative electrode, and is classified into a jelly roll type, a stack type, and a stack/folding type.
  • the jelly roll type is a form in which a separator is interposed between a long sheet-type positive electrode and a negative electrode coated with an active material
  • the stack type is a form in which a plurality of positive and negative electrodes of a predetermined size are sequentially stacked with a separator interposed therebetween
  • stack /Folding type is a composite structure of jelly roll type and stack type.
  • the jelly roll type electrode assembly is easy to manufacture and has the advantage of high energy density per weight.
  • Such secondary batteries include, for example, 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 their advantages of free charge/discharge, a very low self-discharge rate, high operating voltage, and high energy density per unit weight as they do not have a memory effect compared to nickel-based secondary batteries. have.
  • a cylindrical battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical metal can, a prismatic battery in which the electrode assembly is embedded in a prismatic metal can, and the electrode assembly are embedded in a pouch-type case of an aluminum laminate sheet. It is classified as a pouch-type battery with Among them, the cylindrical battery has an advantage in that it has a relatively large capacity and is structurally stable.
  • an insulating member may be mounted on an upper end or a lower end of the electrode assembly.
  • the insulating member is configured to maintain an electrically insulating state between the electrode assembly and the conductive parts inside the battery case, and may generally include an insulating material.
  • An object of the present invention is to provide a secondary battery with improved safety against external vibration or shock by controlling the fluidity of the internal structure while improving assembly processability of the internal structure, and a method for manufacturing the same.
  • a secondary battery includes an electrode assembly in the form of a jelly roll; and an upper insulating member positioned on an upper portion of the electrode assembly, wherein the upper insulating member includes an insulating layer, wherein the insulating layer includes a nonwoven fabric that is folded and pressed at least once.
  • the thickness may increase by absorbing the electrolyte.
  • the upper insulating member may include a heat-resistant film layer formed on one surface of the insulating layer.
  • the heat-resistant film layer may be formed on an upper surface of the insulating layer.
  • the heat-resistant film layer may include at least one of high-density polyethylene (HDPE), Teflon, and silicon (Si).
  • HDPE high-density polyethylene
  • Teflon Teflon
  • Si silicon
  • the secondary battery may further include a battery case in which the electrode assembly is accommodated, and the battery case may include a beading portion recessed from an upper portion of the upper insulating member toward a center of the electrode assembly.
  • the upper insulating member may include a heat-resistant film layer formed on one surface of the insulating layer, and the heat-resistant film layer may be positioned between the insulating layer and the beading part.
  • a method of manufacturing a secondary battery includes the steps of accommodating an electrode assembly in the form of a jelly roll in a battery case; manufacturing an upper insulating member including an insulating layer; and locating the upper insulating member on an upper portion of the electrode assembly, wherein the manufacturing of the upper insulating member includes folding a nonwoven fabric at least once and compressing it to form an insulating layer.
  • the manufacturing of the upper insulating member may further include forming a heat-resistant film layer on the insulating layer.
  • the manufacturing of the upper insulating member may include cutting the insulating layer and the heat-resistant film layer together.
  • the method of manufacturing the secondary battery may further include forming a beading portion by indenting the battery case in a central direction of the electrode assembly from an upper portion of the upper insulating member.
  • the method of manufacturing the secondary battery may further include injecting an electrolyte into the electrode assembly through the upper insulating member.
  • the rigidity of the upper insulating member may be improved through the folded and compressed nonwoven fabric, thereby improving assembly processability of the secondary battery.
  • the upper insulating member can control the fluidity of the internal structure of the secondary battery, safety against external vibration or shock can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of an upper insulating member included in the secondary battery of FIG. 1 ;
  • FIG 3 is a perspective view of an upper insulating member according to a comparative example of the present invention.
  • 4A to 4C are views for explaining a method of manufacturing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 5A to 5D are views for explaining a step of manufacturing an upper insulating member according to an embodiment of the present invention.
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where there is another part in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to gravity no.
  • planar it means when the target part is viewed from above, and "in cross-section” means when viewed from the side when a cross-section of the target part is vertically cut.
  • FIG. 1 is a cross-sectional perspective view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view of an upper insulating member included in the secondary battery of FIG. 1 .
  • the secondary battery 100 includes an electrode assembly 120 in the form of a jelly roll and an upper insulating member 160 positioned above the electrode assembly 120 . do.
  • the electrode assembly 120 has a structure in the form of a jelly roll wound with a separator 123 interposed between the plurality of positive electrodes 121 and negative electrodes 122 , and a center pin 150 may be inserted into the center thereof.
  • the upper insulating member 160 includes an insulating layer 161 , and the insulating layer 161 includes a nonwoven fabric 161 ′ that is folded and pressed at least once. In order to increase the degree of rigidity and expansion of the upper insulating member 160, the nonwoven fabric 161' is preferably folded and overlapped several times.
  • the upper insulating member 160 may further include a heat-resistant film layer 162 formed on one surface of the insulating layer 161 . Specifically, the heat-resistant film layer 162 is preferably formed on the upper surface of the insulating layer 161 and positioned between the insulating layer 161 and the beading portion 132 of the battery case 130 to be described later.
  • the nonwoven fabric 161 ′ may include an electrically insulating material, and insulating fibers may be entangled without directionality.
  • the insulating fiber may include at least one of polyethylene, polybutylene, polystyrene, polyethylene terephthalate, polypropylene, glass fiber, natural rubber, and synthetic rubber.
  • FIG. 3 is a perspective view of the upper insulating member 16 according to a comparative example of the present invention.
  • the upper insulating member 16 may be formed by perforating the nonwoven fabric including the insulating fiber according to its size, or by perforating after compression. Since the upper insulating member 16 is formed by simply cutting or punching a nonwoven fabric, it does not have sufficient rigidity, and there is a problem in that it is easily wrinkled in the process of forming the beading portion 132 of the battery case 130 .
  • the thickness d2 of the upper insulating member 16 may be at the level of 20 mm to 40 mm, and even if the electrolyte solution is absorbed and transmitted after being disposed on the upper end of the electrode assembly, the thickness d2 does not change. Due to tolerances in the manufactured secondary battery, etc., the upper insulating member 16 may not be fixed and may protrude or tear.
  • the upper insulating member 160 according to the present embodiment is not formed by simply pressing the nonwoven fabric 161 ′, but by folding it several times and then pressing it, its rigidity can be improved. Accordingly, damage such as crumpling of the upper insulating member 160 in the process of forming the beading portion 132 of the battery case 130 may be reduced.
  • the thickness d1 of the upper insulating member 160 according to the present embodiment before absorbing the electrolyte may be 10 mm to 20 mm, which is half the thickness d2 of the upper insulating member 16 according to the present comparative example. have.
  • the nonwoven fabric 161 ′ is formed by folding and pressing several times, the upper insulating member 160 expands when the electrolyte is absorbed, and the thickness d1 of the upper insulating member 160 may increase. .
  • the upper insulating member 160 can be minimized. Then, when the electrolyte is injected into the electrode assembly 120 , the expanded upper insulating member 160 may be fixed between the electrode assembly 120 and the beading part 132 .
  • the upper insulating member 160 is stably fixed, and the electrode assembly 120 may also be stably fixed in the battery case 130 due to the expansion of the upper insulating member 160 . That is, by controlling the fluidity of the internal structure of the secondary battery 100 through the expanded upper insulating member 160 , safety against external vibration or shock may be improved.
  • the insulating layer 161 may further include a heat-resistant film layer 162 formed on one surface, in particular, an upper surface.
  • the heat-resistant film layer 162 is for imparting heat resistance and chemical resistance to the insulating layer 161, which has weak heat resistance properties, at least of high-density polyethylene (HDPE), Teflon, and silicon (Si). may contain one.
  • HDPE high-density polyethylene
  • Teflon Teflon
  • Si silicon
  • the heat-resistant film layer 162 formed on the upper surface of the insulating layer 161 can minimize deformation in the upper direction of the insulating layer 161 including the nonwoven fabric 161' when the electrolyte is injected, and the insulating layer
  • the expansion direction of the 161 may be induced in a downward direction, and it may help to make the degree of expansion of the insulating layer 161 uniform for each region. Accordingly, in the subsequent process of coupling the cap assembly 140 to the upper end of the battery case 130 , the occurrence of defects can be reduced, and thus the manufacturing processability can be improved.
  • the electrode assembly 120 has a structure wound in a round shape after interposing the positive electrode 121 and the negative electrode 122 and the separator 123 therebetween, and a cylindrical center pin 150 can be inserted into the center of the electrode assembly 120 .
  • the center pin 150 is generally made of a metal material to impart a predetermined strength, and has a cylindrical structure in which a plate material is rounded.
  • the center pin 150 may act as a passage for fixing and supporting the electrode assembly and for discharging gas generated by an internal reaction during charging, discharging, and operation.
  • the secondary battery 100 may further include a battery case 130 in which the electrode assembly 120 is accommodated.
  • the secondary battery 100 accommodates the electrode assembly 120 in the battery case 130 , and after injecting the electrolyte into the battery case 130 , the cap assembly 140 is placed on the upper end of the battery case 130 . It can be manufactured by combining.
  • the battery case 130 may include a beading part 132 and a crimping part 133 .
  • the beading portion 132 refers to a portion of the battery case 130 that is recessed in the center direction of the electrode assembly 120 from the upper portion of the upper insulating member 160 , and provides a stable coupling and electrode connection of the cap assembly 140 . This is for preventing the assembly 120 from flowing.
  • the central direction of the electrode assembly 120 may refer to a radial direction from the outer peripheral surface of the electrode assembly 120 in the form of a jelly roll to a location where the center pin 150 is located.
  • the crimping part 133 is positioned above the beading part 132 and refers to a portion surrounding the cap assembly 140 , and is for stable coupling of the cap assembly 140 .
  • the cap assembly 140 includes an upper cap 141 forming a positive electrode terminal, a cap plate 142 to which a positive electrode tab 144 extending in an upward direction from the electrode assembly 120 is connected, and a gasket 143 for air tightness.
  • the gasket 143 is mounted on the upper inner surfaces of the crimping part 133 and the beading part 132 to increase the sealing force between the cap assembly 140 and the battery case 130 .
  • the secondary battery 100 may include a lower insulating member 170 positioned at the lower end of the electrode assembly 120 .
  • the lower insulating member 170 may include an electrically insulating material to insulate between the electrode assembly 120 and the bottom part 131 of the battery case 130 .
  • the battery case 130 may be a cylindrical case or a prismatic case, but as shown in FIG. 1 , it is preferably a cylindrical case.
  • FIGS. 4A to 4C are views for explaining a method of manufacturing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • a cross-section of the upper end of the battery case 130 in which the electrode assembly 120 is accommodated is shown.
  • the method of manufacturing a secondary battery includes the steps of accommodating the electrode assembly 120 in the form of a jelly roll in a battery case 130 , and an insulating layer 161 . and manufacturing the upper insulating member 160 including the upper insulating member 160 and positioning the upper insulating member 160 on the electrode assembly 120 .
  • the battery case 130 may be a cylindrical case with an open top, and may accommodate the electrode assembly 120 through the open top. There is no restriction on the order of each step, and the electrode assembly 120 and the upper insulating member 160 are accommodated in the battery case 130 in a state where the upper insulating member 160 is positioned on the upper part of the electrode assembly 120 . can do.
  • 5A to 5D are views for explaining a step of manufacturing an upper insulating member according to an embodiment of the present invention.
  • the step of manufacturing the upper insulating member 160 includes the step of forming the insulating layer 161 by folding the nonwoven fabric 161 ′ including the insulating fiber described above at least once and then compressing it. may include In order to increase the degree of rigidity and expansion of the upper insulating member 160, the nonwoven fabric 161' is preferably folded and overlapped several times.
  • a step of forming the heat-resistant film layer 162 on the insulating layer 161 may be followed.
  • a method of forming the heat-resistant film layer 162 There is no particular limitation on a method of forming the heat-resistant film layer 162 .
  • the step of cutting the insulating layer 161 and the heat-resistant film layer 162 to fit the size and shape of the battery case 130 may be included.
  • the cutting may be made by a perforation.
  • the upper insulating member 160 may be manufactured through each of the above steps.
  • the battery case 130 is recessed in the center direction of the electrode assembly 120 from the top of the upper insulating member 160 to form a beading part ( 132) may be further included.
  • the thickness of the upper insulating member 160 according to the present embodiment can be formed to be half the thickness of the upper insulating member 16 according to the present comparative example, in the process of forming the beading part 132 , Damage applied to the upper insulating member 160 may be minimized.
  • the method of manufacturing a secondary battery according to the present embodiment may further include injecting an electrolyte into the electrode assembly 120 through the upper insulating member 160 .
  • the upper insulating member 160 may expand and increase in thickness. Due to the expansion of the upper insulating member 160, the upper insulating member 160 and the electrode assembly 120 may be stably fixed under the beading portion 132 of the battery case 130, and Safety can be improved. In addition, through the heat-resistant film layer 162 positioned between the insulating layer 161 and the beading portion 132 , the shape of the insulating layer 161 is minimized in an upward direction, and the expansion direction of the insulating layer 161 is lowered. direction can be induced.
  • the manufacturing method of the secondary battery according to the present embodiment is a post-process step, and the upper cap 141, the cap plate 142, and the gasket (
  • the steps of positioning the cap assembly 140 including the 143 , and forming the crimping part 133 through a crimping process may include coupling the battery case 130 and the cap assembly 140 .
  • the heat-resistant film layer 162 it is possible to minimize the deformation of the shape of the insulating layer 161 in the upper direction and induce the expansion direction of the insulating layer 161 in the lower direction, so that defects in the process can be prevented in the post-processing step. can be reduced
  • the secondary battery according to the present embodiment described above may be applied to various devices. Specifically, it may be applied to transportation means such as an electric bicycle, an electric vehicle, a hybrid, etc., but is not limited thereto and may be applied to various devices that can use a secondary battery.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 젤리롤 형태의 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 상부에 위치한 상단 절연 부재를 포함하고, 상기 상단 절연 부재는 절연층을 포함하며, 상기 절연층은 적어도 한번 접어 겹쳐져 압착된 부직포를 포함한다.

Description

이차 전지 및 이의 제조 방법
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 5월 19일자 한국 특허 출원 제10-2020-0059561호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 이차 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상단 절연 부재를 포함하는 이차 전지 및 이의 제조 방법에 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.
전지 케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 젤리롤형, 스택형 및 스택/폴딩형으로 분류된다. 젤리롤형은 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 형태이고, 스택형은 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 형태이며, 스택/폴딩형은 젤리롤형과 스택형의 복합 구조이다. 그 중 젤리롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이러한 이차 전지에는 예를 들어 니켈 카드뮴전지, 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.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
한편, 원통형 전지나 각형 전지의 경우, 전극 조립체의 상단 또는 하단에 절연 부재가 장착될 수 있다. 상기 절연 부재는 전극 조립체와 전지 케이스 내부의 전도성 부품 간의 전기적 절연 상태를 유지하기 위한 구성으로, 일반적으로 절연성소재를 포함할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 내부 구조체의 조립 공정성 개선과 함께 내부 구조체의 유동성을 제어하여 외부 진동이나 충격에 대해 안전성이 향상된 이차 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 젤리롤 형태의 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 상부에 위치한 상단 절연 부재를 포함하고, 상기 상단 절연 부재는 절연층을 포함하며, 상기 절연층은 적어도 한번 접어 겹쳐져 압착된 부직포를 포함한다.
상기 상단 절연 부재는 상기 전극 조립체의 상부에 위치한 후 전해액을 흡수하여 두께가 증가할 수 있다.
상기 상단 절연 부재는, 상기 절연층의 일면에 형성되는 내열성 필름층을 포함할 수 있다.
상기 내열성 필름층은 상기 절연층의 상면에 형성될 수 있다.
상기 내열성 필름층은 고밀도 폴리에틸렌(High-density polyethylene, HDPE), 테프론(Teflon) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 이차 전지는, 상기 전극 조립체가 수납된 전지 케이스를 더 포함할 수 있고, 상기 전지 케이스는, 상기 상단 절연 부재의 상부에서 상기 전극 조립체의 중심 방향으로 만입된 비딩부를 포함할 수 있다.
상기 상단 절연 부재는, 상기 절연층의 일면에 형성되는 내열성 필름층을 포함할 수 있고, 상기 내열성 필름층은, 상기 절연층과 상기 비딩부 사이에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은, 전지 케이스에 젤리롤 형태의 전극 조립체를 수납하는 단계; 절연층을 포함하는 상단 절연 부재를 제조하는 단계; 및 상기 전극 조립체의 상부에 상기 상단 절연 부재를 위치시키는 단계를 포함하고, 상기 상단 절연 부재를 제조하는 단계는, 부직포를 적어도 한번 접은 후 압착하여 절연층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 상단 절연 부재를 제조하는 단계는, 상기 절연층 상에 내열성 필름층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 상단 절연 부재를 제조하는 단계는, 상기 절연층과 상기 내열성 필름층을 함께 절단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이차 전지의 제조 방법은, 상기 상단 절연 부재의 상부에서 상기 전지 케이스를 상기 전극 조립체의 중심 방향으로 만입하여 비딩부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이차 전지의 제조 방법은, 상기 상단 절연 부재를 통과하여 상기 전극 조립체에 전해액을 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 접어 겹쳐져 압착된 부직포를 통해 상단 절연 부재의 강성을 향상시켜, 이차 전지의 조립 공정성을 개선할 수 있다. 또한, 이러한 상단 절연 부재는 이차 전지의 내부 구조체의 유동성을 제어할 수 있어 외부 진동이나 충격에 대한 안전성이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 대한 단면 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지에 포함된 상단 절연 부재에 대한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 상단 절연 부재에 대한 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 상단 절연 부재를 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면들이다.
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 이차 전지에 대한 단면 사시도이고, 도 2는 도 1의 이차 전지에 포함된 상단 절연 부재에 대한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 젤리롤 형태의 전극 조립체(120) 및 전극 조립체(120)의 상부에 위치한 상단 절연 부재(160)를 포함한다. 전극 조립체(120)는 다수의 양극(121) 및 음극(122) 사이에 분리막(123)을 개재하고 권취한 젤리롤 형태의 구조로, 그 중심부에 센터 핀(150)이 삽입될 수 있다.
상단 절연 부재(160)는 절연층(161)을 포함하며, 절연층(161)은 적어도 한번 접어 겹쳐져 압착된 부직포(161’)를 포함한다. 이러한 상단 절연 부재(160)의 강성 및 팽창 정도를 증대시키기 위해 부직포(161’)는 수 차례 이상 접어 겹쳐지는 것이 바람직하다. 또한, 상단 절연 부재(160)는 절연층(161)의 일면에 형성되는 내열성 필름층(162)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 내열성 필름층(162)은 절연층(161)의 상면에 형성되어, 절연층(161)과 후술하는 전지 케이스(130)의 비딩부(132) 사이에 위치하는 것이 바람직하다.
부직포(161’)는 전기적 절연성인 소재를 포함할 수 있으며, 절연성 섬유가 방향성 없이 얽혀 형성될 수 있다. 상기 절연성 섬유는 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 유리 섬유(Glass fiber), 천연 고무 및 합성 고무 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 도 3은, 본 발명의 비교예에 따른 상단 절연 부재(16)에 대한 사시도이다.
도 3을 참고하면, 본 비교예에 따른 상단 절연 부재(16)는 상기 절연성 섬유를 포함하는 부직포를 사이즈에 맞게 타공하거나, 압축 이후 타공하여 형성할 수 있다. 이러한 상단 절연 부재(16)는 단순히 부직포를 절단 또는 타공하여 형성하는 것이므로 충분한 강성을 갖지 못하며, 전지 케이스(130)의 비딩부(132)를 형성하는 과정에서 쉽게 구겨지는 문제가 있다. 또한, 상단 절연 부재(16)의 두께(d2)는 20mm 내지 40mm 수준일 수 있고, 전극 조립체의 상단에 배치된 다음 전해액이 흡수 및 투과 되어도 그 두께(d2)는 변동이 없다. 제조된 이차 전지 내에서의 공차 등으로 인해 상단 절연 부재(16)가 고정되지 못하고 튀어나오거나 찢어지는 문제가 발생할 수 있다.
반면, 이와 달리 본 실시예에 따른 상단 절연 부재(160)는 부직포(161’)가 단순히 압착되어 형성된 것이 아닌, 수 차례 접어 겹쳐진 다음 압착되어 형성된 것이므로, 그 강성이 향상될 수 있다. 따라서, 전지 케이스(130)의 비딩부(132)를 형성하는 과정에서 상단 절연 부재(160)가 구겨지는 등의 손상을 줄일 수 있다.
한편, 전해액 흡수 이전에 본 실시예에 따른 상단 절연 부재(160)의 두께(d1)는, 본 비교예에 따른 상단 절연 부재(16)의 두께(d2)의 절반 수준인, 10mm 내지 20mm일 수 있다. 하지만, 부직포(161’)를 수 차례 접어 겹친 다음 압착하여 형성한 것이므로, 전해액 흡수 시, 상단 절연 부재(160)가 팽창하게 되고, 상단 절연 부재(160)의 두께(d1)가 증가할 수 있다.
비딩부(132)를 형성할 때에는 본 실시예예 따른 상단 절연 부재(160)의 두께(d1)가 본 비교예에 따른 상단 절연 부재(16)의 두께(d2)의 절반 수준이므로, 상단 절연 부재(160)에 가해지는 손상을 최소화할 수 있다. 이후 전해액을 전극 조립체(120)에 주입하면, 팽창된 상단 절연 부재(160)가 전극 조립체(120)와 비딩부(132) 사이에 고정될 수 있다. 상단 절연 부재(160)가 안정적으로 고정되는 것이며, 아울러 상단 절연 부재(160)의 팽창으로 인해 전극 조립체(120)도 전지 케이스(130) 내에서 안정적으로 고정될 수 있다. 즉, 팽창된 상단 절연 부재(160)를 통해 이차 전지(100)의 내부 구조체의 유동성을 제어하여, 외부 진동이나 충격에 대한 안전성을 향상시킬 수 있다.
상술한 바 대로, 절연층(161)의 일면, 특히 상면에 형성되는 내열성 필름층(162)을 더 포함할 수 있다. 이러한 내열성 필름층(162)은 내열 특성이 취약한 절연층(161)에 내열성 및 내화학성을 부여하기 위한 것으로, 고밀도 폴리에틸렌(High-density polyethylene, HDPE), 테프론(Teflon) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 절연층(161)의 상면에 형성된 내열성 필름층(162)은, 전해액 주입 시 부직포(161’)를 포함한 절연층(161)이 상부 방향으로 형태가 변형되는 것을 최소화할 수 있고, 절연층(161)의 팽창 방향을 하부 방향으로 유도할 수 있으며, 절연층(161)의 팽창 정도가 구역마다 균일하게 이루어지는데 도움이 될 수 있다. 따라서, 이후 전지 케이스(130)의 상단에 캡 어셈블리(140) 등을 결합하는 후 공정에서, 불량 발생을 줄일 수 있어, 제조 공정성이 향상될 수 있다.
한편, 전극 조립체(120)는 양극(121) 및 음극(122)과 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그 중심부에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입될 수 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극 조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용할 수 있다.
한편, 도 1을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(120)가 수납된 전지 케이스(130)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 이차 전지(100)는 전극 조립체(120)를 전지 케이스(130)에 수납하고, 전지 케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 전지 케이스(130)의 상단에 캡 어셈블리(140)를 결합하여 제작될 수 있다.
전지 케이스(130)는 비딩부(132) 및 클림핑부(133)를 포함할 수 있다.
비딩부(132)는 전지 케이스(130) 중 일부가 상단 절연 부재(160)의 상부에서 전극 조립체(120)의 중심 방향으로 만입된 부분을 지칭하는 것으로, 캡 어셈블리(140)의 안정적인 결합 및 전극 조립체(120)의 유동 방지를 위한 것이다. 여기서, 전극 조립체(120)의 중심 방향이라 함은, 젤리롤 형태의 전극 조립체(120)의 외주면에서 센터 핀(150)이 위치한 곳으로의 반경 방향을 의미할 수 있다.
클림핑부(133)는 비딩부(132)의 상부에 위치하여, 캡 어셈블리(140)를 감싸는 부분을 지칭하는 것으로, 캡 어셈블리(140)의 안정적인 결합을 위한 것이다.
캡 어셈블리(140)는 양극 단자를 형성하는 상단 캡(141), 전극 조립체(120)에서 상부 방향으로 연장된 양극 탭(144)이 접속되는 캡 플레이트(142) 및 기밀유지용 가스켓(143)을 포함할 수 있다. 가스켓(143)은 클림핑부(133)와 비딩부(132)의 상부 내면에 장착되어 캡 어셈블리(140)와 전지 케이스(130) 간의 밀봉력을 증대시킨다.
한편, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(120)의 하단에 위치한 하단 절연 부재(170)를 포함할 수 있다. 하단 절연 부재(170)는 전기적 절연성인 소재를 포함하여, 전극 조립체(120)와 전지 케이스(130)의 바닥부(131) 사이를 절연하는 기능을 담당할 수 있다.
전지 케이스(130)는 원통형 케이스 또는 각형 케이스일 수 있으나, 도 1에 도시된 것처럼, 원통형 케이스인 것이 바람직하다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 특히, 전극 조립체(120)가 수납된 전지 케이스(130)의 상단 부분의 단면을 나타내었다.
도 1 및 도 4a를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은, 전지 케이스(130)에 젤리롤 형태의 전극 조립체(120)를 수납하는 단계, 절연층(161)을 포함하는 상단 절연 부재(160)를 제조하는 단계 및 전극 조립체(120)의 상부에 상단 절연 부재(160)를 위치시키는 단계를 포함한다. 전지 케이스(130)는 상단이 개방된 원통형 케이스일 수 있으며, 상기 개방된 상단을 통해 전극 조립체(120)를 수납할 수 있다. 상기 각 단계에 대한 순서에 제한은 없으며, 전극 조립체(120)의 상부에 상단 절연 부재(160)를 위치시킨 상태에서 전극 조립체(120)및 상단 절연 부재(160)를 전지 케이스(130)에 수납할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 상단 절연 부재를 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a 및 도 5b를 참고하면, 상기 상단 절연 부재(160)를 제조하는 단계는 앞서 설명한 절연성 섬유를 포함하는 부직포(161’)를 적어도 한번 접은 후 압착하여 절연층(161)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상단 절연 부재(160)의 강성 및 팽창 정도를 증대시키기 위해 부직포(161’)는 수 차례 이상 접어 겹쳐지는 것이 바람직하다.
이후, 도 5c를 참고하면, 절연층(161) 상에 내열성 필름층(162)을 형성하는 단계가 이어질 수 있다. 내열성 필름층(162)을 형성하는 방법에 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 절연층(161)의 원단과 내열성 필름층(162)의 원단을 겹친 후 타공하는 방법, 절연층(161)의 원단과 내열성 필름층(162)의 원단을 별도로 타공한 후 적층(stack)하는 방법 또는 절연층(161)의 원단과 내열성 필름층(162)의 원단을 접착제를 사용하여 타공하는 방법 등으로 형성할 수 있다.
이후, 도 5d를 참고하면, 절연층(161)과 내열성 필름층(162)을 전지 케이스(130)의 사이즈 및 형태에 맞게 함께 절단하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 절단은 타공으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 상기 각 단계를 거쳐 상단 절연 부재(160)를 제조할 수 있다.
도 1 및 도 4b를 참고하면, 본 실시예에 다른 이차 전지의 제조 방법은, 상단 절연 부재(160)의 상부에서 전지 케이스(130)를 전극 조립체(120)의 중심 방향으로 만입하여 비딩부(132)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바 대로, 본 실시예예 따른 상단 절연 부재(160)의 두께를 본 비교예에 따른 상단 절연 부재(16)의 두께의 절반 수준으로 형성할 수 있으므로, 비딩부(132)를 형성하는 과정에서 상단 절연 부재(160)에 가해지는 손상을 최소화할 수 있다.
다음, 도 1 및 도 4c를 참고하면, 본 실시예에 다른 이차 전지의 제조 방법은, 상단 절연 부재(160)를 통과하여 전극 조립체(120)에 전해액을 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바 대로, 전해액을 주입함에 따라, 본 실시예예 따른 상단 절연 부재(160)가 팽창되어 그 두께가 증가할 수 있다. 이러한 상단 절연 부재(160)의 팽창으로 인해 상단 절연 부재(160) 및 전극 조립체(120)가 전지 케이스(130)의 비딩부(132) 아래에서 안정적으로 고정될 수 있고, 외부 진동이나 충격에 대해 안전성이 향상될 수 있다. 또한, 절연층(161)과 비딩부(132) 사이에 위치한 내열성 필름층(162)을 통해 절연층(161)이 상부 방향으로 형태가 변형되는 것을 최소화하고 절연층(161)의 팽창 방향을 하부 방향으로 유도할 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 본 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은, 후 공정 단계로써, 전지 케이스(130)의 비딩부(132) 상에 상단 캡(141), 캡 플레이트(142) 및 가스켓(143)을 포함하는 캡 어셈블리(140)를 위치시키는 단계 및 클림핑 공정을 통해 클림핑부(133)를 형성하여 전지 케이스(130)와 캡 어셈블리(140)를 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 내열성 필름층(162)을 통해 절연층(161)이 상부 방향으로 형태가 변형되는 것을 최소화하고 절연층(161)의 팽창 방향을 하부 방향으로 유도할 수 있으므로, 상기 후 공정 단계에서 공정 상의 불량을 줄일 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 이차 전지는 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
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: 이차 전지
120: 전극 조립체
132: 비딩부
160: 상단 절연 부재
161: 절연층
162: 내열성 필름층

Claims (12)

  1. 젤리롤 형태의 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체의 상부에 위치한 상단 절연 부재를 포함하고,
    상기 상단 절연 부재는 절연층을 포함하며,
    상기 절연층은 적어도 한번 접어 겹쳐져 압착된 부직포를 포함하는 이차 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 상단 절연 부재는 상기 전극 조립체의 상부에 위치한 후 전해액을 흡수하여 두께가 증가하는 이차 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 상단 절연 부재는, 상기 절연층의 일면에 형성되는 내열성 필름층을 포함하는 이차 전지.
  4. 제3항에서,
    상기 내열성 필름층은 상기 절연층의 상면에 형성되는 이차 전지.
  5. 제3항에서,
    상기 내열성 필름층은 고밀도 폴리에틸렌(High-density polyethylene, HDPE), 테프론(Teflon) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지.
  6. 제1항에서,
    상기 전극 조립체가 수납된 전지 케이스를 더 포함하고,
    상기 전지 케이스는, 상기 상단 절연 부재의 상부에서 상기 전극 조립체의 중심 방향으로 만입된 비딩부를 포함하는 이차 전지.
  7. 제6항에서,
    상기 상단 절연 부재는, 상기 절연층의 일면에 형성되는 내열성 필름층을 포함하고,
    상기 내열성 필름층은, 상기 절연층과 상기 비딩부 사이에 위치하는 이차 전지.
  8. 전지 케이스에 젤리롤 형태의 전극 조립체를 수납하는 단계;
    절연층을 포함하는 상단 절연 부재를 제조하는 단계; 및
    상기 전극 조립체의 상부에 상기 상단 절연 부재를 위치시키는 단계를 포함하고,
    상기 상단 절연 부재를 제조하는 단계는, 부직포를 적어도 한번 접은 후 압착하여 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 상단 절연 부재를 제조하는 단계는, 상기 절연층 상에 내열성 필름층을 형성하는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 상단 절연 부재를 제조하는 단계는, 상기 절연층과 상기 내열성 필름층을 함께 절단하는 단계를 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  11. 제8항에서,
    상기 상단 절연 부재의 상부에서 상기 전지 케이스를 상기 전극 조립체의 중심 방향으로 만입하여 비딩부를 형성하는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  12. 제8항에서,
    상기 상단 절연 부재를 통과하여 상기 전극 조립체에 전해액을 주입하는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
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