WO2024076106A1 - 원통형 이차전지, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

원통형 이차전지, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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WO2024076106A1
WO2024076106A1 PCT/KR2023/015083 KR2023015083W WO2024076106A1 WO 2024076106 A1 WO2024076106 A1 WO 2024076106A1 KR 2023015083 W KR2023015083 W KR 2023015083W WO 2024076106 A1 WO2024076106 A1 WO 2024076106A1
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secondary battery
cylindrical secondary
housing
flame retardant
electrode
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PCT/KR2023/015083
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황보광수
김도균
오정섭
임구민
조민기
최수지
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a cylindrical secondary battery, a battery pack containing the same, and a vehicle. Specifically, it relates to cylindrical secondary batteries with improved safety, and battery packs and automobiles containing them.
  • Secondary batteries which are easy to apply depending on the product group and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only in portable devices but also in electric vehicles (EV, Electric Vehicle) and hybrid vehicles (HEV, Hybrid Electric Vehicle) that are driven by an electrical drive source. It is universally applied.
  • EV Electric Vehicle
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • These secondary batteries not only have the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels, but also have the advantage of not generating any by-products due to energy use, so they are attracting attention as a new energy source for eco-friendliness and improving energy efficiency.
  • cylindrical, prismatic, and pouch-shaped secondary batteries are known.
  • an insulating separator is interposed between the anode and the cathode and wound to form a jelly roll-shaped electrode assembly, which is inserted into the housing together with the electrolyte to form the battery.
  • a strip-shaped electrode tab may be connected to the uncoated portion of each of the positive and negative electrodes, and the electrode tab connects the electrode assembly to the externally exposed electrode terminal.
  • the current is concentrated on the strip-shaped electrode tab connected to the positive electrode uncoated area and/or the negative electrode uncoated area, so the resistance is high, a lot of heat is generated, and the current collection efficiency is poor. There was a problem that it wasn't.
  • the jelly roll type electrode assembly was designed to have an anode uncoated area and a cathode uncoated area located at the top and bottom, respectively, and a current collection plate was welded to these uncoated areas to create a cylindrical secondary structure with improved current collection efficiency.
  • a battery (so-called tab-less cylindrical secondary battery) was presented.
  • Figures 1 to 3 are diagrams showing the manufacturing process of a conventional tab-less cylindrical secondary battery.
  • Figure 1 shows the structure of the electrode plate
  • Figure 2 shows the winding process of the electrode plate
  • Figure 3 shows the process of welding the current collection plate to the curved surface of the uncoated portion.
  • Figure 4 is a cross-sectional view of a conventional tab-less cylindrical secondary battery cut in the longitudinal direction (Y).
  • the positive electrode plate 210 and the negative electrode plate 211 have a structure in which the active material 221 is coated on a sheet-shaped current collector 220, and are disposed on one long side along the winding direction (X). Includes no region (222).
  • the electrode assembly (A) is manufactured by sequentially stacking the positive electrode plate 210 and the negative electrode plate 211 together with two separators 212 as shown in FIG. 2 and then winding them in one direction (X). At this time, the uncoated portion of the positive electrode plate 210 and the uncoated portion of the negative electrode plate 211 are disposed in opposite directions.
  • the uncoated portion 210a of the positive electrode plate 210 and the uncoated portion 211a of the negative electrode plate 211 are bent toward the core. After that, the current collection plates 230 and 231 are welded and joined to the uncoated portions 210a and 211a, respectively.
  • No separate electrode tabs are coupled to the positive electrode uncoated area 210a and the negative electrode uncoated area 211a, and the current collection plates 230 and 231 are connected to external electrode terminals, and the current pass through the winding of the electrode assembly (A). Since it is formed with a large cross-sectional area along the axial direction (see arrow), it has the advantage of lowering the resistance of the secondary battery. This is because resistance is inversely proportional to the cross-sectional area of the path through which the current flows.
  • the conventional tab-less cylindrical secondary battery 240 includes a housing 241 and a sealing body 242 as shown in FIG. 4 .
  • the seal 242 includes a cap 242a, a sealing gasket 242b, and a connection plate 242c.
  • the sealing gasket 242b surrounds the edge of the cap 242a and is fixed by the crimping portion 243.
  • the electrode assembly (A) is fixed within the housing 241 by the beading portion 244 to prevent it from moving up and down.
  • the positive terminal is the cap 242a of the seal 242, and the negative terminal is the housing 241.
  • the current collector plate 230 coupled to the uncoated portion 210a of the positive plate 210 is electrically connected to the connection plate 242c attached to the cap 242a through the strip-shaped lead 245.
  • the current collection plate 231 coupled to the uncoated portion 211a of the negative electrode plate 211 is electrically connected to the bottom of the housing 241.
  • the insulator 246 covers the current collector plate 230 to prevent the housing 241 of different polarity and the uncoated portion 210a of the positive electrode plate 210 from contacting each other and causing a short circuit.
  • a strip-shaped lead 245 is used.
  • the lead 245 is attached separately to the current collection plate 230 or is manufactured integrally with the current collection plate 230.
  • the lead 245 is in the form of a thin strip, its cross-sectional area is small, so a lot of heat is generated when the fast charging current flows. Additionally, excessive heat generated in the lead 245 may be transferred to the electrode assembly (A) and shrink the separator 212, thereby causing an internal short circuit, which is a major cause of thermal runaway.
  • the present invention seeks to provide a cylindrical secondary battery that can improve safety, a battery containing the same, and a vehicle.
  • An electrode assembly in which a core and an outer peripheral surface are defined by winding a first electrode and a second electrode and a separator interposed between them around a winding axis, wherein the first electrode and the second electrode are each coated with an active material layer along the winding direction.
  • an electrode assembly including a first uncoated region and a second uncoated region;
  • a housing that accommodates the electrode assembly through an opening formed at the bottom and is electrically connected to the second uncoated portion
  • An insulating gasket is provided on the closed portion of the housing between the housing and the terminal,
  • the insulating gasket is provided for a cylindrical secondary battery containing a polymer resin and a flame retardant additive.
  • a sealing gasket is provided on the opening side of the housing between the housing and the cap so that the cap seals the opening, and the sealing gasket may include a polymer resin and a flame retardant additive.
  • the polymer resin is polyethylene, polypropylene, polyisobutylene, polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polyphenylene sulfide (PPS), or any of these. It may contain 2 or more.
  • the flame retardant additive may include a phosphorus-based flame retardant, an inorganic flame retardant, a halogen flame retardant, or two or more of these.
  • the flame retardant additive may be a phosphorus-based flame retardant.
  • the flame retardant additive may not contain a halogen element.
  • the flame retardant additive included in the insulating gasket may contain 5% to 30% of the total weight of the insulating gasket.
  • the flame retardant additive included in the sealing gasket may contain 5% to 30% of the total weight of the sealing gasket.
  • a battery pack including the above-described cylindrical secondary battery is provided.
  • a vehicle including the battery pack is provided.
  • the present invention can improve the safety of a cylindrical secondary battery by including an insulating gasket between the housing and the terminal containing a certain polymer resin and a certain flame retardant additive.
  • the present invention can prevent chain ignition or explosion by blocking shorts between the anode and cathode even after ignition or explosion has already occurred.
  • Figure 1 is a plan view showing the structure of an electrode plate used in a conventional tab-less cylindrical secondary battery.
  • Figure 2 is a diagram showing a winding process of an electrode assembly included in a conventional tab-less cylindrical secondary battery.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a process in which a current collection plate is welded to the curved surface of the uncoated portion in the electrode assembly of FIG. 2.
  • Figure 4 is a cross-sectional view of a conventional tab-less cylindrical secondary battery cut in the longitudinal direction (Y).
  • Figure 5 is a diagram showing the appearance of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a cross-sectional view showing the internal structure of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a partial cross-sectional view showing the upper structure of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 shows the results (images) of evaluating the flame test of the cylindrical secondary battery according to Comparative Example 1.
  • Figure 9 shows the results (images) of evaluating the flame test of the cylindrical secondary battery according to Example 1.
  • substantially identical may include a deviation that is considered low in the art, for example, a deviation of less than 5%. Additionally, uniformity of a parameter in a region may mean uniformity from an average perspective.
  • first, second, etc. are used to describe various components, these components are of course not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component, and unless specifically stated to the contrary, the first component may also be a second component.
  • top (or bottom) of a component or the arrangement of any component on the “top (or bottom)” of a component means that any component is disposed in contact with the top (or bottom) of the component. , may mean that other components may be interposed between the component and any component disposed on (or under) the component.
  • each component when a component is described as being “connected,” “coupled,” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but the other component is “interposed” between each component. It should be understood that “or, each component may be “connected,” “combined,” or “connected” through other components.
  • the direction along the longitudinal direction of the winding axis of the electrode assembly wound in the form of a jelly roll is referred to as the axial direction (Y).
  • the direction surrounding the winding axis is referred to as the circumferential direction or circumferential direction (X).
  • the direction approaching or moving away from the winding axis is referred to as the radial direction.
  • the direction approaching the winding axis is called the centripetal direction
  • the direction moving away from the winding axis is called the centrifugal direction.
  • the cylindrical secondary battery 1 includes an electrode assembly 10, a housing 20, a terminal 40, and an insulating gasket 50.
  • the cylindrical secondary battery 1 additionally includes a cap 30 and/or a first current collector 60 and/or an insulator 70 and/or a second current collector 80 and/ Alternatively, a sealing gasket 90 may be further included.
  • the electrode assembly 10 includes a first electrode having a first polarity, a second electrode having a second polarity, and a separator interposed between the first electrode and the second electrode.
  • the first electrode is an anode or a cathode
  • the second electrode corresponds to an electrode having a polarity opposite to that of the first electrode.
  • the electrode assembly 10 may have, for example, a jelly-roll structure. That is, the electrode assembly 10 is a laminate formed by stacking a first electrode and a second electrode having a sheet shape at least once with a separator interposed between them, and winding the laminate with the center C as a reference. It can be manufactured by: In this case, an additional separator may be provided on the outer peripheral surface of the electrode assembly 10 to insulate it from the housing 20. Any jelly roll structure known in the art can be applied to the present invention without limitation.
  • the first electrode includes a first electrode current collector and a first electrode active material applied on one or both sides of the first electrode current collector.
  • An uncoated area in which the first electrode active material is not applied exists at one end of the first electrode current collector in the width direction (direction parallel to the Z axis).
  • the uncoated area functioning as the first uncoated area 11 will hereinafter be referred to as the first uncoated area 11.
  • the first uncoated portion 11 is provided on the upper portion of the electrode assembly 10 accommodated in the housing 20 in the height direction (direction parallel to the Z axis).
  • the first electrode current collector includes a first uncoated region 11 that is not coated with an active material layer at the long side end and is exposed to the outside of the separator, and a portion of the first uncoated region 11 is itself It is used as an electrode tab.
  • the first uncoated portion 11 may be, for example, an anode tab.
  • the first uncoated region 11 may include a plurality of segments divided along the winding direction of the electrode assembly 10.
  • the plurality of segment pieces may be bent along the radial direction of the electrode assembly 10.
  • the plurality of banded segments may be overlapped in multiple layers.
  • the first uncoated portion coupling portion 62 of the first current collector 60 which will be described later, may be coupled to an area where a plurality of segment pieces overlap in multiple layers.
  • the electrode assembly 10 may be provided with a welding target area, which is an area where the number of overlapping layers of the segmented pieces of the first uncoated region 11 is maintained constant along the radial direction of the electrode assembly 10.
  • the number of overlapping layers is maintained at approximately the maximum, it may be advantageous for welding of the first current collector 60 and the first uncoated region 11, which will be described later, to be performed within this area. This is to prevent the laser beam from penetrating the first uncoated region 11 and damaging the electrode assembly 10 when, for example, laser welding is applied and the output of the laser is increased to improve welding quality. It is for this purpose. Additionally, this is to effectively prevent foreign substances such as welding spatter from entering the interior of the electrode assembly 10.
  • the second electrode includes a second electrode current collector and a second electrode active material applied on one or both sides of the second electrode current collector.
  • An uncoated area in which the second electrode active material is not applied exists at the other end of the second electrode current collector in the width direction (direction parallel to the Z axis).
  • the uncoated area functioning as the second uncoated area 12 will hereinafter be referred to as the second uncoated area 12.
  • the second uncoated portion 12 is provided below the electrode assembly 10 accommodated in the housing 20 in the height direction (direction parallel to the Z axis).
  • the second electrode current collector includes a second uncoated region 12 that is not coated with an active material layer at the long side end and is exposed to the outside of the separator, and at least a portion of the second uncoated region 12 is itself. It is used as an electrode tab.
  • the second uncoated portion 12 may be, for example, a negative electrode tab.
  • at least a portion of the second uncoated region 12 may include a plurality of segments divided along the winding direction of the electrode assembly 10. In this case, the plurality of segment pieces may be bent along the radial direction of the electrode assembly 10. The plurality of banded segments may be overlapped in multiple layers.
  • the second uncoated portion coupling portion 82 of the second current collector 80 may be coupled to an area where a plurality of segment pieces overlap in multiple layers.
  • the electrode assembly 10 may be provided with a welding target area, which is an area where the number of overlapping layers of the segmented pieces of the second uncoated region 12 is maintained constant along the radial direction of the electrode assembly 10. In this area, the number of overlapping layers is maintained to a maximum, so it may be advantageous for welding of the second current collector 80 and the second uncoated region 12, which will be described later, to be performed within this area.
  • the first uncoated area 11 and the second uncoated area 12 extend in opposite directions along the height direction (a direction parallel to the Z-axis) of the cylindrical secondary battery 1.
  • the first uncoated portion 11 extends toward a closed portion located on the opposite side of the opening formed at the bottom of the housing 20, and the second uncoated portion 12 extends toward the open portion of the housing 20.
  • the positive electrode active material coated on the positive electrode plate and the negative electrode active material coated on the negative electrode plate can be used without limitation as long as they are active materials known in the art.
  • the separator may be used without limitation as long as it is a separator known in the art.
  • a porous polymer film made of polyolefin polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, ethylene/methacrylate copolymer, etc. It can be used alone or by stacking them, and a separator including a coating layer of inorganic particles on at least one surface of the separator can be used.
  • the housing 20 is a substantially cylindrical container with an opening formed at the bottom, and may be made of a conductive material such as metal, for example.
  • the material of the housing 20 may be, for example, steel, stainless steel, or nickel-plated iron.
  • the bottom of the housing 20 provided with an opening will be referred to as an open end.
  • the upper surface located opposite the opening (or open end) will be referred to as a closed portion or closed end.
  • the side (outer peripheral surface) and the closed portion of the housing 20 may be formed integrally. Alternatively, the side wall and the closure portion of the housing 20 may be provided separately and joined to each other by welding or the like.
  • the upper surface (a surface parallel to the X-Y plane) of the housing 20, that is, the outer surface 20a of the closed portion, has a substantially flat shape.
  • the housing 20 accommodates the electrode assembly 10 through an opening formed at the bottom, and can also accommodate the electrolyte.
  • the housing 20 is electrically connected to the electrode assembly 10.
  • the housing 20 is electrically connected to the second uncoated portion 12 of the electrode assembly 10.
  • the housing 20 has the same polarity as the second uncoated portion 12.
  • the housing 20 may include a beading portion 21 and a crimping portion 22 formed at its bottom.
  • the beading portion 21 is located at the lower part of the electrode assembly 10.
  • the beading portion 21 is formed by press fitting around the outer peripheral surface of the housing 20. More specifically, the beading portion 21 may have a shape press-fitted toward the inside in an area between an opening formed on one side of the battery housing 20 and a receiving portion that accommodates the electrode assembly 10.
  • the crimping part 22 is formed at the lower part of the beading part 21. The crimping part 22 extends from the lower beading part 21.
  • the crimping portion 22 has an extended and bent shape to surround the outer peripheral surface of the cap 30 disposed below the beading portion 21 and a portion of the lower surface of the cap 30.
  • the crimping part 22 can fix the sealing gasket 90 in addition to the cap 30.
  • the present invention does not exclude the case where the housing 20 does not include the beading portion 21 and/or the crimping portion 22.
  • the fixation of the electrode assembly 10 and/or the cap 30 and/or the housing 20 can be achieved by, for example, the additional application of a part that can function as a stopper for the electrode assembly 10 and/or the additional application of a structure on which the cap 30 can be seated and/or the housing 20 and the cap. (30) It can be realized through welding, etc.
  • the terminal 40 may be made of a conductive metal material.
  • a material for the terminal 40 for example, aluminum (Al) may be used.
  • the terminal 40 is electrically connected to, for example, the first uncoated portion 11 of the electrode assembly 10.
  • the terminal 40 has a first polarity.
  • the terminal 40 can function as a first electrode terminal in the cylindrical secondary battery 1 of the present invention.
  • the terminal 40 is electrically insulated from the housing 20 having a second polarity. In the present invention, insulation can be achieved by interposing an insulating gasket 50, which will be described later, between the terminal 40 and the housing 20.
  • the terminal 40 is exposed to the outside of the housing through a closing portion located on the opposite side of the opening of the housing, and may include a terminal exposure portion 41 and a terminal insertion portion 42.
  • the terminal insertion portion 42 may include an electrical connection portion 42a and a flange portion 42b.
  • the terminal exposed portion 41 is exposed to the outside of the housing 20.
  • the terminal exposed portion 41 may be located approximately at the center of the closed portion of the housing 20.
  • the maximum width of the terminal exposed portion 41 may be larger than the maximum width of the hole formed in the housing 20 for insertion of the terminal 40. That is, the outer diameter of the terminal 40 exposed to the outside of the closed portion may be larger than the inner diameter of the through hole formed in the closed portion of the housing 20 to expose the terminal 30.
  • the cross section of the through hole formed in the closed portion to expose the terminal 40 may be included within the cross section of the terminal 40 exposed to the outside of the closed portion. Additionally, a portion of the terminal 40 exposed to the outside of the closed portion may cover at least a portion of the closed portion of the housing 20 in the axial direction.
  • the terminal insertion portion 42 penetrates approximately through the center of the closed portion of the housing 20, and the electrical connection portion 42a of the terminal insertion portion 42 may be electrically connected to the first uncoated portion 11. .
  • the flange portion 42b of the terminal insertion portion 42 is formed around the electrical connection portion 42a and may be riveted on the inner surface of the closed portion of the housing 20.
  • the flange portion 42b of the terminal insertion portion 42 may have a shape curved toward the inner surface of the closed portion of the housing 20. Therefore, the maximum width of the terminal insertion portion 42 after the riveting process for fixing the terminal 40 is performed is greater than the maximum width of the hole formed in the housing 20 to allow the terminal insertion portion 42 to pass through. can be formed.
  • the electrical connection portion 42a of the terminal insertion portion 42 may be coupled to the first current collector 60.
  • the electrical connection portion 42a of the terminal insertion portion 42 may have a substantially cylindrical shape, for example.
  • the shape of the electrical connection portion 42a of the terminal insertion portion 42 is not limited to this.
  • the electrical connection portion 42a of the terminal insertion portion 42 may have various shapes, such as a cylindrical shape with an elliptical cross-section, a square pillar shape, a hexagonal pillar shape, or an octagonal pillar shape.
  • the bottom surface of the electrical connection portion 42a of the terminal insertion portion 42 may be formed to be at least partially substantially flat.
  • the connection between the bottom surface of the center area of the terminal insertion portion 42 and the first current collector 60 may be performed, for example, by laser welding, spot welding, or ultrasonic welding.
  • the upper surface of the housing 20, that is, the outer surface 20a of the closed portion of the housing 20, and the upper surface of the terminal exposed portion 41 exposed to the outside of the housing 20 among the terminals 40. can have opposite polarities and point in the same direction.
  • the insulating gasket 50 is interposed between the housing 20 and the terminal 40 to prevent the housing 20 and the terminal 40, which have opposite polarities, from contacting each other.
  • the upper surface of the housing 20, which has a substantially flat shape can function as the second electrode terminal of the cylindrical secondary battery 1.
  • the entire remaining area excluding the area occupied by the terminal 40 and the insulating gasket 50 is connected to the terminal 40. It may correspond to a second electrode terminal having opposite polarity.
  • the insulating gasket 50 may include a gasket exposed portion 51 and a gasket insertion portion 52.
  • the gasket exposed portion 51 is interposed between the terminal exposed portion 41 of the terminal 40 and the housing 20 .
  • the gasket exposed portion 51 may extend longer than the terminal exposed portion 41, and thus may be exposed to the outside of the terminal exposed portion 41 when the cylindrical secondary battery 1 is viewed from above.
  • the gasket insertion portion 52 is interposed between the terminal insertion portion 42 of the terminal 40 and the housing 20.
  • the gasket insertion portion 52 may be deformed together during riveting of the flange portion 42b of the terminal insertion portion 42 and may come into close contact with the inner surface of the closed portion of the housing 20.
  • the gasket exposed portion 51 of the insulating gasket 50 may have an extended shape to cover the outer peripheral surface of the terminal exposed portion 41 of the terminal 40, and may also have an extended shape to cover the terminal exposed portion 41 of the terminal 40. It may have an extended form to cover not only the outer peripheral surface of (41) but also a portion of the upper surface.
  • the insulating gasket 50 contains a polymer resin and a flame retardant additive.
  • the insulating gasket 50 can be combined with the housing 20 and the terminal 40 by heat fusion, and the coupling interface between the insulating gasket 50 and the terminal 40 and the insulating gasket 50 and the housing The airtightness at the bonding interface of (20) can be strengthened.
  • the terminal 40 is coupled to the insulating gasket 50 by insert injection. It could be.
  • the polymer resin may include polyolefin, polyester, polyarylene sulfide, thermoplastic polyester elastomer (TPEE), perfluoroalkoxy resin, polyimide, or two or more thereof.
  • the polymer resin is polyethylene, polypropylene, polyisobutylene, polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polyphenylene sulfide (PPS), or It may include two or more of these.
  • polybutylene terephthalate is an elastomer with good elasticity, which makes it easy to mold gaskets because it has improved injection properties, and has high stability at high temperatures due to its high melting point.
  • flame retardant additives, etc. are mixed with polymer resin, physical properties such as strength and elongation are generally reduced, but when flame retardant additives, etc. are mixed with polybutylene terephthalate, the decrease in physical properties can be minimized.
  • the polymer resin may have a melting point of 250°C or higher and a heat distortion temperature of 200°C or higher.
  • the fluidity of the polymer resin is not expressed below the melting point even in the event of an electrical short circuit inside the secondary battery or abnormal overheating due to the external environment, resulting in structural deformation at the area where the gasket contacts. It is suppressed and prevents additional current flow, etc., thereby ensuring the safety of the battery.
  • the present invention seeks to enhance stability by including a flame retardant additive along with a polymer resin to prevent short circuits between terminals and prevent chain ignition or explosions from occurring.
  • the safety of the cylindrical secondary battery can be strengthened by the insulating gasket containing a flame retardant additive.
  • the insulating gasket containing a flame retardant additive in particular, there is a high possibility of chain ignition or explosion, but in the present invention, chain ignition or explosion is prevented even after ignition or explosion occurs by blocking the shorts of the first and second electrodes, that is, the anode and cathode. There are benefits to doing this.
  • the present invention has a great role in preventing short circuits because the entire gasket can act as a flame retardant by mixing polymer resin and flame retardant additives and injection molding when manufacturing the insulating gasket. If the flame retardant is separately filled in the space inside the secondary battery and used without mixing the flame retardant when manufacturing the gasket, unlike the present invention, the gasket cannot play the role of preventing short circuit between the anode and cathode, resulting in chain ignition or explosion. There is a problem that is difficult to prevent.
  • the flame retardant additive may include a phosphorus-based flame retardant, an inorganic flame retardant, a halogen flame retardant, or two or more of these.
  • the flame retardant additive may not contain a halogen element, and more preferably, the flame retardant additive may be a phosphorus-based flame retardant.
  • a flame retardant additive when a flame retardant additive is added to a polymer resin, physical properties such as strength and elongation are generally reduced, but when polybutylene terephthalate is used as the polymer resin and a phosphorus-based flame retardant is used as a flame retardant additive, polybutylene terephthalate The amount of decrease in excellent physical properties was significantly small.
  • the flame retardant additive may be included in an amount of 5% to 30%, or 5% to 15%, or 10 to 15%, based on the total weight of the insulating gasket.
  • the flame retardant additive may be included in the above range, it is possible to maintain the formability and ductility of the insulating gasket and at the same time block shorts between the anode and cathode, preventing chain ignition or explosion even after ignition or explosion occurs.
  • the effect of the flame retardant additive is minimal, making it difficult to prevent short circuits.
  • the flame retardant additive is included in excess of the content range, the problem of deterioration of the physical properties of the polymer resin may occur.
  • the insulator 70 and the sealing gasket 90 may each be formed of the same material as the insulating gasket 50. However, this is not essential.
  • the thickness of the insulating gasket 50 gradually decreases downward in the middle area where the gasket exposed portion 51 and the gasket insertion portion 52 are connected, and then slightly increases at the extreme end of the gasket insertion portion 52. can do.
  • the compressed structure of the insulating gasket 50 can further improve sealing performance in the space between the terminal 40 and the housing 20.
  • the riveting structure of the terminal 40 according to the above-described embodiment of the present invention can be applied to a cylindrical secondary battery with a form factor larger than 21700.
  • cylindrical secondary batteries are applied to electric vehicles, the form factor of cylindrical secondary batteries is increasing compared to the conventional 1865, 2170, etc.
  • Increasing form factor results in increased energy density, increased safety against thermal runaway, and improved cooling efficiency.
  • the cylindrical secondary battery 1 to which the riveting structure of the terminal 40 is applied can perform all electrical wiring for the anode/cathode in one direction.
  • the terminal 40 having the riveting structure described above has a large cross-sectional area and low electrical resistance, so it is very advantageous for rapid charging.
  • the cylindrical secondary battery in addition to the above-described components, additionally includes a cap 30 and/or a first current collector 60 and/or an insulator 70 and/or It may further include a second current collector 80 and/or a sealing gasket 90.
  • the cap 30 may be made of, for example, a metal material to ensure rigidity.
  • the cap 30 seals the opening (or open end) formed at the bottom of the housing 20. That is, the cap 30 may form the lower surface of the cylindrical secondary battery 1.
  • the cap 30 may not have polarity even if it is made of a conductive metal material. Not having polarity means that the cap 30 is not electrically connected to the electrode assembly 10. In this case, when the cap 30 is not electrically connected to the electrode assembly 10, the cap 30 does not function as a positive or negative terminal. That is, in the present invention, the cap 30 does not need to be electrically connected to the electrode assembly 10 and the housing 20, and its material does not necessarily have to be a conductive metal.
  • the first current collector 60 may be placed on top of the electrode assembly 10, and the first current collector 60 may be coupled to the terminal 40. . That is, the first current collector 60 may be configured to timely connect the first uncoated portion 11 of the electrode assembly 10 and the terminal 40.
  • the first current collector 60 is made of a conductive metal material and can be connected to the first uncoated region 11.
  • the first current collector 60 may be coupled to the end of the first uncoated portion 11.
  • the first uncoated portion 11 and the first current collector 60 may be joined by, for example, laser welding.
  • the laser welding may be performed by partially melting the base material of the first current collector 60, with solder for welding interposed between the first current collector 60 and the first uncoated region 11. It may come true.
  • the solder preferably has a lower melting point compared to the first current collector 60 and the first uncoated region 11.
  • the second current collector 80 may be disposed at the lower part of the electrode assembly 10, and the second current collector 80 may be located on the second uncoated portion ( 12) and the housing 20 may be configured to be electrically connected.
  • the second current collector 80 is made of a conductive metal material and can be connected to the second uncoated region 12.
  • the second current collector 80 may be coupled to the end of the second uncoated portion 12.
  • the second uncoated region 12 and the second current collector 80 may be joined by, for example, laser welding.
  • the laser welding may be performed by partially melting the base material of the second current collector 80, with solder for welding interposed between the second current collector 80 and the second uncoated region 12. It may come true.
  • the solder preferably has a lower melting point compared to the second current collector 80 and the second uncoated region 12.
  • the insulator 70 is located between the top of the electrode assembly 10 and the inner surface of the housing 20 or between the first current collector 60 coupled to the top of the electrode assembly 10 and the inside of the closed portion of the housing 20. It can be provided between the sides.
  • the insulator 70 prevents contact between the first uncoated portion 11 and the housing 20 and/or contact between the first current collector 60 and the housing 20.
  • the insulator 70 may also be interposed between the top of the outer peripheral surface of the electrode assembly 10 and the side wall of the housing 20. That is, the insulator 70 may also be interposed between the first uncoated portion 11 and the side wall portion of the housing 20.
  • the first current collector 60 may be a plate that extends completely across the top of the outer peripheral surface of the electrode assembly 10. However, the present invention is not limited to this, and the first current collector 60 may be formed to extend only partially across the top of the outer peripheral surface of the electrode assembly 10.
  • the terminal insertion portion 42 of the terminal 40 is connected to the first current collector through the hole formed in the insulator 70. 60) or combined with the first uncoated region 11.
  • the sealing gasket 90 may be interposed between the cap 30 and a fixing structure provided on the open side of the housing 20 to ensure airtightness of the housing 20.
  • the sealing gasket 90 may contain a polymer resin and a flame retardant additive.
  • the sealing gasket 90 may be coupled to the housing 20 and the cap 30 by heat fusion, and the coupling interface between the sealing gasket 90 and the cap 30 and the sealing gasket 90 and the housing The airtightness at the bonding interface of (20) can be strengthened.
  • the sealing gasket 90 may include the same type of polymer resin and flame retardant additives as those included in the insulating gasket 50.
  • An insulating gasket was manufactured using polybutylene terephthalate (PBT, melting point 223°C, LGCHEM).
  • An insulating gasket was manufactured by mixing flame retardant additives with polybutylene terephthalate (PBT, melting point 223°C, LGCHEM). At this time, the flame retardant additive was 12% of the total weight of the insulating gasket, a phosphorus-based flame retardant (LGCHEM) that does not contain halogen elements.
  • PBT polybutylene terephthalate
  • LGCHEM phosphorus-based flame retardant
  • a flame test was performed by applying the insulating gasket manufactured in Comparative Example 1 and Example 1 to a cylindrical secondary battery.
  • Example 1 PBT 100% (GP1000H) Shorts occur NG (A total of 5 measurement results, 0.0 ⁇ /0.0 ⁇ /0.2 ⁇ /0.1 ⁇ /0.0 ⁇ )
  • Example 1 Contains PBT + 12% flame retardant (Halogen free, phosphorus (P) flame retardant) Shorts did not occur PASS (A total of 13 measurement results, 6.2 ⁇ was measured once, measurement could not be made 12 times (not detected)
  • Example 9 shows an image of the flame test of Example 1.

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Abstract

본 발명은 하우징과 단자 사이에 개재되는 절연 가스켓을 포함하는 원통형 이차전지에 관한 것이다. 본 발명의 원통형 이차전지에 포함되는 절연 가스켓은, 소정의 고분자 수지 및 소정의 난연 첨가제를 포함함으로써, 원통형 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. 특히, 본 발명은 이미 발화나 폭발이 발생한 후에도, 양극과 음극의 쇼츠(short)를 막아 연쇄적인 발화나 폭발을 방지할 수 있다.

Description

원통형 이차전지, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 원통형 이차전지 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 구체적으로는 안전성이 향상된 원통형 이차전지 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 10월 04일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제 10-2022-0126545 호에 대한 우선권 주장출원으로서, 해당 출원의 명세서에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
이차전지의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 이차전지가 알려져 있다. 원통형 이차전지의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극조립체를 형성하고, 이를 전해질과 함께 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고, 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극탭이 연결될 수 있으며, 전극탭은 전극조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 연결시킨다. 그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 이차전지에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다.
1865이나 2170의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 이차전지는 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 이차전지를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 이차전지가 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전 플레이트를 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 이차전지(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 이차전지)이 제시되었다.
도 1 내지 도 3은 종래 탭-리스 원통형 이차전지의 제조 과정을 보여주는 도면이다. 도 1은 전극판의 구조를 나타내고, 도 2는 전극판의 권취 공정을 나타내고, 도 3은 무지부의 절곡면에 집전 플레이트가 용접되는 공정을 나타낸다. 도 4는 종래 탭-리스 원통형 이차전지를 길이 방향(Y)으로 자른 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 양극판(210)과 음극판(211)은 쉬트 모양의 집전체(220)에 활물질(221)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향(X)을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(222)를 포함한다.
전극 조립체(A)는 양극판(210)과 음극판(211)을 도 2에 도시된 것처럼 2장의 분리막(212)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 양극판(210)의 무지부와 음극판(211)의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다.
권취 공정 이후, 양극판(210)의 무지부(210a)와 음극판(211)의 무지부(211a)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(210a, 211a)에 집전 플레이트(230, 231)를 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(210a)와 음극 무지부(211a)에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전 플레이트(230, 231)가 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 패스가 전극 조립체(A)의 권취 축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 이차전지의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
하지만, 원통형 이차전지의 폼 팩터가 증가하고 급속 충전 시 충전 전류의 크기가 커지면 탭-리스 원통형 이차전지에서도 발열 문제가 또 다시 발생한다.
구체적으로, 종래의 탭-리스 원통형 이차전지(240)은 도 4에 도시된 바와 같이 하우징(241)과 밀봉체(242)를 포함한다. 밀봉체(242)는 캡(242a), 밀봉 가스켓(242b) 및 연결 플레이트(242c)를 포함한다. 밀봉 가스켓(242b)은 캡(242a)의 가장자리를 감싸며 클림핑부(243)에 의해 고정된다. 또한, 전극 조립체(A)는 상하 유동을 방지하기 위해 비딩부(244)에 의해 하우징(241) 내에 고정된다.
통상적으로 양극 단자는 밀봉체(242)의 캡(242a)이고 음극 단자는 하우징(241)이다. 따라서, 양극판(210)의 무지부(210a)에 결합된 집전 플레이트(230)는 스트립 형태의 리드(245)를 통해 캡(242a)에 부착된 연결 플레이트(242c)에 전기적으로 연결된다. 또한, 음극판(211)의 무지부(211a)에 결합된 집전 플레이트(231)는 하우징(241)의 바닥에 전기적으로 연결된다. 인슐레이터(246)는 집전 플레이트(230)를 커버하여 극성이 다른 하우징(241)과 양극판(210)의 무지부(210a)가 서로 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지한다.
집전 플레이트(230)가 연결 플레이트(242c)에 연결될 때에는 스트립 형태의 리드(245)가 사용된다. 리드(245)는 집전 플레이트(230)에 별도로 부착하거나, 집전 플레이트(230)와 일체로 제작된다. 그런데, 리드(245)는 두께가 얇은 스트립 형태이므로 단면적이 작아서 급속충전 전류가 흐를 경우 열이 많이 발생한다. 또한, 리드(245)에서 발생한 과도한 열은 전극 조립체(A) 측으로 전달되어 분리막(212)을 수축시킴으로써 열 폭주의 주요 원인인 내부 단락을 일으킬 수 있다.
즉, 고온에 노출되거나, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 내부 단락 또는 물리적 외력에 의한 전지의 비정상적인 작동 등의 환경에 있는 경우, 이차전지가 가열되며 폭발이 일어날 수 있다. 이에, 이차전지의 발화나 폭발을 막기 위해 안전성 확보가 필요하다. 특히, 전기 자동차에 원통형 이차전지를 포함할 경우, 수백개의 원통형 이차전지가 포함되므로 하나의 원통형 이차전지에서 발화나 폭발이 발생한 경우 연쇄적인 발화 및 폭발을 막을 수 있는 안전강화 설계가 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명에서는 안전성을 향상시킬 수 있는 원통형 이차전지, 이를 포함하는 배터리 및 자동차를 제공하고자 한다.
이 외의 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에서 기재되는 수단 또는 방법, 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면,
제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부 및 제2 무지부를 포함하는 전극 조립체;
하단에 형성된 개구부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되는 하우징;
상기 제1 무지부와 전기적으로 연결되며, 상기 개구부의 반대편에 위치하는 상기 하우징의 폐쇄부를 통해 상기 하우징의 외부로 노출되는 단자; 및
상기 하우징의 상기 폐쇄부 측에는 상기 하우징과 상기 단자 사이에 개재되는 절연 가스켓이 구비되고,
상기 절연 가스켓은 고분자 수지 및 난연 첨가제를 포함하는 원통형 이차전지가 제공된다.
상기 하우징의 상기 개구부 측에는 상기 캡이 상기 개구부를 밀폐하도록 상기 하우징과 상기 캡 사이에 개재되는 실링 가스켓이 구비되고, 상기 실링 가스켓은 고분자 수지 및 난연 첨가제를 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소부틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT), 폴리페닐렌 설파이드(Poly Phenylene Sulfide, PPS), 또는 이들 중 2 이상을 포함할 수 있다.
상기 난연 첨가제는, 인계 난연제, 무기계 난연제, 할로겐 난연제, 또는 이들 중 2 이상을 포함할 수 있다.
상기 난연 첨가제는, 인계 난연제일 수 있다.
상기 난연 첨가제는, 할로겐 원소를 포함하지 않는 것일 수 있다.
상기 절연 가스켓이 포함하는 난연 첨가제는, 상기 절연 가스켓 총 중량 대비 5% 내지 30% 포함할 수 있다.
상기 실링 가스켓이 포함하는 난연 첨가제는, 상기 실링 가스켓 총 중량 대비 5% 내지 30% 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 전술한 원통형 이차전지를 포함하는 배터리 팩이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공된다.
본 발명은 하우징과 단자 사이에 개재되는 절연 가스켓이, 소정의 고분자 수지 및 소정의 난연 첨가제를 포함함으로써, 원통형 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. 특히, 본 발명은 이미 발화나 폭발이 발생한 후에도, 양극과 음극의 쇼츠(short)를 막아 연쇄적인 발화나 폭발을 방지할 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 일 실시예를 예시하는 것이며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 것으로, 본 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 종래의 탭-리스 원통형 이차전지에 사용되는 전극판의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2는 종래의 탭-리스 원통형 이차전지에 포함되는 전극 조립체의 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 전극 조립체에서 무지부의 절곡면에 집전 플레이트가 용접되는 공정을 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 탭-리스 원통형 이차전지를 길이 방향(Y)으로 자른 단면도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 외관을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 상부 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 8은 비교예 1에 따른 원통형 이차전지의 화염 테스트를 평가한 결과(이미지)이다.
도 9은 실시예 1에 따른 원통형 이차전지의 화염 테스트를 평가한 결과(이미지)이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
2 개의 비교 대상이 동일하다는 언급은 '실질적으로 동일'한 것을 의미한다. 따라서 실질적 동일은 당업계에서 낮은 수준으로 간주되는 편차, 예를 들어 5% 이내의 편차를 가지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 평균적 관점에서 균일하다는 것을 의미할 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레방향(X)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)는 전극 조립체(10), 하우징(20), 단자(40) 및 절연 가스켓(50)를 포함한다. 상기 원통형 이차전지(1)은, 상술한 구성요소들 이 외에도 추가적으로 캡(30) 및/또는 제1 집전체(60) 및/또는 인슐레이터(70) 및/또는 제2 집전체(80) 및/또는 실링 가스켓(90)을 더 포함할 수도 있다.
<전극 조립체>
상기 전극 조립체(10)는, 제1 극성을 갖는 제1 전극, 제2 극성을 갖는 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함한다. 상기 제1 전극은 양극 또는 음극이고, 제2 전극은 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 전극에 해당한다.
상기 전극 조립체(10)는, 예를 들어 젤리-롤(jelly-roll) 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 쉬트 형상을 가진 제1 전극 및 제2 전극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심부(C)를 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 하우징(20)과의 절연을 위해 추가적인 분리막이 구비될 수 있다. 당업계에서 알려진 젤리롤 구조라면 본 발명에 제한 없이 적용 가능하다.
상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 전극 활물질을 포함한다. 상기 제1 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 제1 무지부(11)으로서 기능하는 상기 무지부를 이하 제1 무지부(11)로 칭하기로 한다. 상기 제1 무지부(11)는, 하우징(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 구비된다. 즉, 상기 제1 전극 집전체는, 장변 단부에 활물질 층이 코팅되어 있지 않으며 분리막의 외부로 노출된 제1 무지부(11)를 포함하고, 제1 무지부(11)의 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 것이다. 상기 제1 무지부(11)는, 예를 들어 양극 탭일 수 있다.
한편, 상기 제1 무지부(11)의 적어도 일부는, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 분절편은, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다. 밴딩된 상기 복수의 분절편은, 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 이 경우, 후술할 제1 집전체(60)의 제1 무지부 결합부(62)는, 복수의 분절편이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 한편, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 무지부(11)의 분절편의 중첩 레이어 수가 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비할 수 있다. 이 영역에서는, 중첩 레이어 수가 대략 최대로 유지되므로, 후술할 제1 집전체(60)와 제1 무지부(11)의 용접이 이 영역 내에서 이루어지는 것이 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어 레이저 용접을 적용하는 경우에 있어서, 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 높이는 경우 레이저 빔이 제1 무지부(11)를 관통하여 전극 조립체(10)를 손상시키는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 이는, 용접 스패터 등의 이물질이 전극 조립체(10)의 내부로 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 하기 위함이다.
상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제2 전극 활물질을 포함한다. 상기 제2 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 제2 무지부(12)으로서 기능하는 상기 무지부를 이하 제2 무지부(12)로 칭하기로 한다. 상기 제2 무지부(12)는, 하우징(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하부에 구비된다. 즉, 상기 제2 전극 집전체는, 장변 단부에 활물질 층이 코팅되어 있지 않으며 분리막의 외부로 노출된 제2 무지부(12)를 포함하고, 제2 무지부(12)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로 사용되는 것이다. 상기 제2 무지부(12)는, 예를 들어 음극 탭일 수 있다. 한편, 상기 제2 무지부(12)의 적어도 일부는, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 분절편은, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다. 밴딩된 상기 복수의 분절편은, 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 이 경우, 후술할 제2 집전체(80)의 제2 무지부 결합부(82)는, 복수의 분절편이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 한편, 상기 전극 조립체(10)는, 제2 무지부(12)의 분절편의 중첩 레이어 수가 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비할 수 있다. 이 영역에서는, 중첩 레이어 수가 최대로 유지되므로, 후술할 제2 집전체(80)와 제2 무지부(12)의 용접이 이 영역 내에서 이루어지는 것이 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어 레이저 용접을 적용하는 경우에 있어서, 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 높이는 경우 레이저 빔이 제2 무지부(12)를 관통하여 전극 조립체(10)를 손상시키는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 이는, 용접 스패터 등의 이물질이 전극 조립체(10)의 내부로 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 하기 위함이다.
상기 제1 무지부(11) 및 제2 무지부(12)는, 원통형 이차전지(1)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 연장된다. 상기 제1 무지부(11)는, 하우징(20)의 하단에 형성된 개구부의 반대편에 위치하는 폐쇄부를 향해 연장되며, 제2 무지부(12)는 하우징(20)의 개방부를 향해 연장된다.
본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
또한, 상기 분리막은 당업계에 공지된 분리막이라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 분리막의 적어도 한 쪽 표면에 무기물 입자의 코팅층을 포함하는 분리막을 사용할 수 있다.
<하우징>
상기 하우징(20)은, 하방에 개구부가 형성된 대략 원통형의 수용체로서, 예를 들어 금속과 같은 도전성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 상기 하우징(20)의 재질로는, 예를 들어 철(steel) 또는 스테인리스 스틸(stainless steel) 또는 니켈이 도금된 철 등이 적용될 수 있다. 개구부가 구비된 상기 하우징(20)의 바닥부를 개방단(opened end)이라고 칭하기로 한다. 상기 개구부(또는 개방단)의 반대편에 위치하는 상면을 폐쇄부 또는 폐쇄단(closed end)이라고 칭하기로 한다. 상기 하우징(20)의 측면(외주면)과 폐쇄부는 일체로 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 하우징(20)의 측벽과 폐쇄부는 서로 개별적으로 구비되어 용접 등에 의해 상호 결합될 수도 있다. 상기 하우징(20)의 상면(X-Y 평면에 나란한 면), 즉 폐쇄부의 외부면(20a)은 대략 플랫(flat)한 형태를 갖는다. 상기 하우징(20)은, 하방에 형성된 개구부를 통해 전극 조립체(10)를 수용하며, 전해질도 함께 수용할 수 있다.
상기 하우징(20)은, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결된다. 상기 하우징(20)은, 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)와 전기적으로 연결된다. 이 경우, 상기 하우징(20)은, 제2 무지부(12)와 동일한 극성을 갖는다.
상기 하우징(20)은, 그 하단에 형성된 비딩부(21) 및 클림핑부(22)를 구비할 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 전극 조립체(10)의 하부에 위치한다. 상기 비딩부(21)는, 하우징(20)의 외주면 둘레를 압입하여 형성된다. 좀 더 구체적으로, 상기 비딩부(21)는 전지 하우징(20)의 일 측에 형성된 개방부와 전극 조립체(10)를 수용하는 수용부 사이의 영역에서 내측을 향해 압입된 형태를 가질 수 있다. 상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하부에 형성된다. 상기 클림핑부(22)는, 하부 비딩부(21)로부터 연장된다. 상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하방에 배치되는 캡(30)의 외주면, 그리고 캡(30)의 하면의 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다. 상기 클림핑부(22)는, 캡(30) 외에도 실링 가스켓(90)을 고정시킬 수 있다. 다만, 본 발명은, 하우징(20)이 이러한 비딩부(21) 및/또는 클림핑부(22)를 구비하지 않는 경우를 배제하지 않는다. 본 발명에 있어서 하우징(20)이 비딩부(21) 및/또는 클림핑부(22)를 구비하지 않는 경우, 전극 조립체(10)의 고정 및/또는 캡(30)의 고정 및/또는 하우징(20)의 밀봉은, 예를 들어 전극 조립체(10)에 대한 스토퍼로서 기능할 수 있는 부품의 추가 적용 및/또는 캡(30)이 안착될 수 있는 구조물의 추가 적용 및/또는 하우징(20)과 캡(30) 간의 용접 등을 통해 실현할 수 있다.
<단자>
상기 단자(40)는, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 단자(40)의 재질로는, 예를 들어 알루미늄(Al)이 이용될 수 있다.
상기 단자(40)는, 예를 들어 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와와 전기적으로 연결된다. 이 경우, 상기 단자(40)는 제1 극성을 갖는다. 따라서, 상기 단자(40)는, 본 발명의 원통형 이차전지(1)에 있어서 제1 전극 단자로서 기능할 수 있다. 상기 단자(40)가 이처럼 제1 극성을 갖는 경우, 단자(40)는 제2 극성을 갖는 하우징(20)과는 전기적으로 절연된다. 본 발명에서는 상기 단자(40)와 하우징(20) 사이에 후술할 바와 같은 절연 가스켓(50)을 개재시킴으로써 절연을 실현할 수 있다.
상기 단자(40)는, 하우징의 개구부의 반대편에 위치하는 폐쇄부를 통해 상기 하우징의 외부로 노출되며, 단자 노출부(41) 및 단자 삽입부(42)를 포함할 수 있다. 상기 단자 삽입부(42)는, 전기적 연결부(42a) 및 플랜지부(42b)를 포함할 수 있다. 상기 단자 노출부(41)는, 하우징(20)의 외측으로 노출된다. 상기 단자 노출부(41)는, 하우징(20)의 폐쇄부의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 상기 단자 노출부(41)의 최대 폭은, 단자(40)의 삽입을 위해 하우징(20)에 형성된 홀의 최대 폭보다 더 크게 형성될 수 있다. 즉, 상기 단자(30)의 노출을 위해 하우징(20)의 폐쇄부에 형성된 관통홀의 내경보다, 폐쇄부의 외부로 노출된 단자(40)의 외경이 더 클 수 있다. 이에 따라, 상기 단자(40)의 노출을 위해 폐쇄부에 형성된 관통홀의 단면이, 상기 폐쇄부의 외부로 노출된 단자(40)의 단면 내부에 포함될 수 있다. 또한, 상기 단자(40)가 폐쇄부의 외부로 노출된 부위가 하우징(20)의 폐쇄부의 적어도 일부를 축방향으로 커버할 수 있다. 상기 단자 삽입부(42)는, 하우징(20)의 폐쇄부의 대략 중심부를 관통하며, 상기 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)는, 제1 무지부(11)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 단자 삽입부(42)의 플랜지부(42b)는, 상기 전기적 연결부(42a)의 둘레에 형성되며, 하우징(20)의 페쇄부의 내부면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 상기 단자 삽입부(42)의 플랜지부(42b)는, 하우징(20)의 폐쇄부의 내부면을 향해 휘어진 형태를 가질 수 있다. 따라서, 상기 단자(40)의 고정을 위한 리벳팅 공정이 수행된 이 후의 단자 삽입부(42)의 최대 폭은 단자 삽입부(42)가 통과되도록 하우징(20)에 형성된 홀의 최대 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 원통형 이차전지(1)가 제1 집전체(60)를 구비하는 경우, 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)는 제1 집전체(60)와 결합될 수 있다. 상기 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)는, 예를 들어 대략 원기둥 형태를 가질 수 있다. 물론, 상기 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)의 형상이 이로써 한정되는 것은 아니다. 상기 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)는, 예를 들어 단면이 타원의 형상을 갖는 원기둥 형태 또는 사각 기둥 형태 또는 육각 기둥 형태 또는 팔각 기둥 형태 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 상기 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)의 바닥면은, 적어도 부분적으로 대략 평탄하게 형성될 수 있다. 상기 단자 삽입부(42) 중심 영역의 바닥면과 제1 집전체(60) 간의 결합은, 예를 들어 레이저 용접, 스폿 용접 또는 초음파 용접에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 하우징(20)의 상면, 즉 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)과 단자(40) 중 상기 하우징(20)의 외측으로 노출된 단자 노출부(41)의 상면은 서로 반대의 극성을 가지고 서로 동일한 방향을 향할 수 있다.
<절연 가스켓>
상기 절연 가스켓(50)은, 하우징(20)과 단자(40) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 하우징(20)과 단자(40)가 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 하우징(20)의 상면이 원통형 이차전지(1)의 제2 전극 단자로서 기능할 수 있다. 예를 들어 원통형 이차전지(1)의 상부에서 바라본 하우징(20)의 상면 전체 면적 중에서, 상기 단자(40) 및 상기 절연 가스켓(50)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역 전체가 상기 단자(40)와 반대 극성을 갖는 제2 전극 단자에 해당할 수 있다.
도 7을 참고하면, 상기 절연 가스켓(50)은, 가스켓 노출부(51) 및 가스켓 삽입부(52)를 포함할 수 있다. 상기 가스켓 노출부(51)는 단자(40)의 단자 노출부(41)와 하우징(20) 사이에 개재된다. 상기 가스켓 노출부(51)는, 단자 노출부(41)보다 더 길게 연장될 수 있으며, 이로써 원통형 이차전지(1)을 상부에서 바라봤을 때 단자 노출부(41)의 외측으로 노출될 수 있다. 상기 가스켓 삽입부(52)는 단자(40)의 단자 삽입부(42)와 하우징(20) 사이에 개재된다. 상기 가스켓 삽입부(52)는, 단자 삽입부(42)의 플랜지부(42b)의 리벳팅(reveting) 시에 함께 변형되어 하우징(20)의 폐쇄부의 내측 면에 밀착될 수 있다.
도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 절연 가스켓(50)의 가스켓 노출부(51)는, 단자(40)의 단자 노출부(41)의 외주면을 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있으며, 또한 단자 노출부(41)의 외주면 뿐만 아니라 상면의 일부도 함께 커버하도록 연장된 형태를 가질 수도 있다.
상기 절연 가스켓(50)은, 고분자 수지 및 난연 첨가제를 포함한다. 이 경우, 절연 가스켓(50)은 열 융착에 의해 상기 하우징(20) 및 단자(40)와 결합될 수 있으며, 절연 가스켓(50)과 단자(40)의 결합 계면 및 절연 가스켓(50)과 하우징(20)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다. 한편, 상기 절연 가스켓(50)의 가스켓 노출부(51)가 단자 노출부(41)의 상면까지 연장된 형태를 갖는 경우에 있어서, 단자(40)는 인서트 사출에 의해 절연 가스켓(50)과 결합될 수도 있다.
상기 고분자 수지는 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아릴렌 설파이드, 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE), 퍼플루오로 알콕시 수지, 폴리이미드 또는 이들 중 2 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소부틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT), 폴리페닐렌 설파이드(Poly Phenylene Sulfide, PPS), 또는 이들 중 2 이상을 포함할 수 있다.
상기 제시된 고분자 수지를 포함하는 경우, 절연 가스켓의 성형성과 연성을 확보할 수 있으며, 우수한 내열성 및 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 특히, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)는 탄성이 좋은 엘라스토머로서 사출성이 개선되기 때문에 가스켓을 성형하기 용이하며, 녹는점이 높아 고온에서의 안정성이 높다. 또한, 고분자 수지에 난연 첨가제 등이 혼합되는 경우, 강도나 연신율 등의 물성이 감소하는 것이 일반적이나, 폴리부틸렌 테레프탈레이트에 난연 첨가제 등이 혼합된 경우에는 물성 감소를 최소화 할 수 있다.
또한, 상기 고분자 수지는 250℃ 이상의 용융점 및, 200℃ 이상의 열변형 온도를 가지는 것일 수 있다. 상기 특성을 만족하는 고분자 수지를 포함하는 경우, 이차전지 내부의 전기적 단락이나 외부 환경에 의한 이상 과열시에도 융점 이하에서는 고분자 수지의 유동성이 발현되지 않아, 가스켓이 접촉하는 부위에서 구조의 변형 등이 억제되어, 추가적인 전류흐름 등을 방지하므로, 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
다만, 절연 가스켓으로서 상기 고분자 수지만을 포함하게 되는 경우, 고온에 노출되거나 전지의 비정상적인 작동 등의 환경에 있는 경우 이차전지가 가열되며 여전히 발화나 폭발이 발생할 수 있기 때문에 안전강화 설계가 필요하다. 이에 본 발명에서는 고분자 수지와 함께 난연 첨가제를 포함함으로써 단자간의 쇼트를 방지하여 연쇄적인 발화나 폭발이 발생하는 것을 방지하여 안정성을 강화하고자 한다.
본 발명에서는, 절연 가스켓이 난연 첨가제를 포함함으로써, 원통형 이차전지의 안전성을 강화할 수 있다. 특히 원통형 이차전지의 경우 연쇄적인 발화나 폭발이 일어날 가능성이 높지만, 본 발명에서는 제1 전극과 제2 전극, 즉 양극과 음극의 쇼츠를 막아, 발화나 폭발이 발생한 이후에도 연쇄적인 발화나 폭발을 방지할 수 있는 이점이 있다.
특히, 본 발명은 절연 가스켓을 제조할 때에 고분자수지와 난연 첨가제를 혼합하여 사출성형함으로써, 가스켓 전체가 난연제 역할을 할 수 있기 때문에 쇼트방지 역할이 크다. 가스켓의 제조시에 난연제를 혼합하지 않고 이차전지 내부의 공간에 별도로 난연제를 충진하여 사용하는 경우에는, 본 발명과 달리 가스켓이 양극과 음극의 쇼트방지 역할을 할 수 없어, 연쇄적인 발화나 폭발을 방지하기 어려운 문제가 있다.
상기 난연 첨가제는, 인계 난연제, 무기계 난연제, 할로겐 난연제, 또는 이들 중 2 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 친환경성을 고려하여 상기 난연 첨가제가 할로겐 원소를 포함하지 않는 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 난연 첨가제가 인계 난연제일 수 있다. 특히, 고분자 수지에 난연 첨가제가 첨가된 경우 강도나 연신율 등의 물성이 감소하는 것이 일반적이나, 고분자 수지로서 폴리부틸렌 테레프탈레이트가 사용되고 난연 첨가제로서 인계 난연제가 사용된 경우, 폴리부틸렌 테레프탈레이트의 우수한 물성의 감소량이 현저히 적었다. 이에, 절연 가스켓으로서 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 인계 난연제를 혼합한 경우, 폴리부틸렌 테레프탈레이트의 사출성 및 고온 안정성을 확보함과 동시에 인계 난연제의 난연 특성을 동시에 확보할 수 있는 우수한 효과가 있다.
상기 난연 첨가제는 절연 가스켓 총 중량 대비 5% 내지 30%, 또는 5% 내지 15%, 또는 10 내지 15% 포함될 수 있다. 상기 범위로 난연 첨가제가 포함되는 경우, 절연 가스켓의 성형성 및 연성을 유지함과 동시에 양극과 음극의 쇼츠를 막아 발화나 폭발이 발생한 이후에도 연쇄적인 발화나 폭발을 방지할 수 있다. 특히, 상기 함량 범위를 만족하지 못하는 경우에는 난연 첨가제의 효과가 미미하여 쇼트방지에 어려움이 있으며, 상기 함량 범위를 초과하여 난연 첨가제를 포함하는 경우, 고분자 수지의 물성이 저하되는 문제가 나타날 수 있다.
한편, 인슐레이터(70) 및 실링 가스켓(90)은, 각각 상기 절연 가스켓(50)과 동일한 재질로 형성될 수 있다. 다만, 이것이 필수적인 것은 아니다.
상기 절연 가스켓(50)의 두께는, 가스켓 노출부(51)와 가스켓 삽입부(52)가 연결되는 중간 영역에서 하방으로 갈수록 점점 감소하다가 가스켓 삽입부(52)의 최 말단에서는 살짝(slightly) 증가할 수 있다. 이러한 절연 가스켓(50)의 압축 구조는 단자(40)와 하우징(20) 사이 공간에 대한 실링성을 더욱 향상시킬 수 있다.
바람직하게, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 단자(40)의 리벳팅 구조는 폼 팩터가 21700 보다 더 큰 원통형 이차전지에 적용될 수 있다.
최근, 원통형 이차전지가 전기 자동차에 적용됨에 따라 원통형 이차전지의 폼 팩터가 종래의 1865, 2170 등 보다 증가하고 있다. 폼 팩터의 증가는 에너지 밀도의 증가, 열 폭주에 대한 안전성 증대, 그리고 냉각 효율의 향상을 가져온다.
또한, 단자(40)의 리벳팅 구조가 적용된 원통형 이차전지(1)는, 한 쪽 방향에서 양극/음극에 대한 전기적 배선을 모두 수행할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같은 리벳팅 구조를 가진 단자(40)는 단면적이 커서 전기 저항이 낮으므로 급속 충전에 있어서 매우 유리하다.
<추가 구성요소>
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원통형 이차전지(1)은, 상술한 구성요소들 이 외에도 추가적으로 캡(30) 및/또는 제1 집전체(60) 및/또는 인슐레이터(70) 및/또는 제2 집전체(80) 및/또는 실링 가스켓(90)을 더 포함할 수도 있다.
도 6을 참조하면, 상기 캡(30)은, 강성 확보를 위해, 예를 들어 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 캡(30)은, 하우징(20)의 하단에 형성된 개구부(또는 개방단)를 밀폐한다. 즉, 상기 캡(30)은, 원통형 이차전지(1)의 하면을 이룰 수 있따. 본 발명의 원통형 이차전지(1)에 있어서, 상기 캡(30)은, 전도성을 갖는 금속 재질인 경우에도, 극성을 갖지 않을 수도 있다. 극성을 갖지 않는다는 것은, 상기 캡(30)이 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되어 있지 않음을 의미한다. 이처럼 상기 캡(30)이 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되지 않는 경우, 캡(30)은 양극 단자 또는 음극 단자로서 기능하지 않는다. 즉, 본 발명에 있어서, 상기 캡(30)은, 전극 조립체(10) 및 하우징(20)과 전기적으로 연결될 필요가 없으며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 제1 집전체(60)는, 전극 조립체(10)의 상부에 배치될 수 있으며, 상기 제1 집전체(60)는, 단자(40) 결합될 수 있다. 즉, 상기 제1 집전체(60)는 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 단자(40)를 적기적으로 연결시키도록 구성될 수 있다. 상기 제1 집전체(60)는 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 제1 무지부(11)와 연결될 수 있다.
상기 제1 집전체(60)는 제1 무지부(11)의 단부에 결합될 수 있다. 상기 제1 무지부(11)와 제1 집전체(60) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제1 집전체(60) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 제1 집전체(60)와 제1 무지부(11) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는, 제1 집전체(60)와 제1 무지부(11)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다.
도 6을 참조하면, 상기 제2 집전체(80)는, 전극 조립체(10)의 하부에 배치될 수 있으며, 상기 제2 집전체(80)는, 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)와 하우징(20)을 전기적으로 연결시키도록 구성될 수 있다. 상기 제2 집전체(80)는 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2 무지부(12)와 연결될 수 있다.
상기 제2 집전체(80)는 제2 무지부(12)의 단부에 결합될 수 있다. 상기 제2 무지부(12)와 제2 집전체(80) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제2 집전체(80) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식을 이루어질 수도 있고, 제2 집전체(80)와 제2 무지부(12) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는 제2 집전체(80)와 제2 무지부(12)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다.
상기 인슐레이터(70)는, 전극 조립체(10)의 상단과 하우징(20)의 내측 면 사이 또는 전극 조립체(10)의 상부에 결합된 제1 집전체(60)와 하우징(20)의 폐쇄부의 내측 면 사이에 구비될 수 있다. 상기 인슐레이터(70)는, 제1 무지부(11)와 하우징(20) 사이의 접촉 및/또는 제1 집전체(60)와 하우징(20) 사이의 접촉을 방지한다. 상기 인슐레이터(70)는, 그 밖에도 전극 조립체(10)의 외주면의 상단과 하우징(20)의 측벽 사이에도 개재될 수 있다. 즉, 상기 인슐레이터(70)는, 제1 무지부(11)와 하우징(20)의 측벽부 사이에도 개재될 수 있다. 상기 제1 집전체(60)는, 전극 조립체(10)의 외주면 상단을 완전히 가로질러 연장되는 플레이트일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 집전체(60)는 전극 조립체(10)의 외주면 상단을 부분적으로만 가로질러 연장되도록 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)가 인슐레이터(70)를 구비하는 경우, 단자(40)의 단자 삽입부(42)는 인슐레이터(70)에 형성된 홀을 통해 제1 집전체(60) 또는 제1 무지부(11)와 결합된다.
도 6을 참조하면, 상기 실링 가스켓(90)은 하우징(20)의 기밀성 확보를 위해 하우징(20)의 개방부 측에 구비된 고정을 위한 구조물과 캡(30) 사이에 개재될 수 있다.
상기 실링 가스켓(90)은, 고분자 수지 및 난연 첨가제를 포함할 수 있다. 이 경우, 실링 가스켓(90)은 열 융착에 의해 상기 하우징(20) 및 캡(30)과 결합될 수 있으며, 실링 가스켓(90)과 캡(30)의 결합 계면 및 실링 가스켓(90)과 하우징(20)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다.
실링 가스켓이 포함하는 고분자 수지 및 난연 첨가제에 대해서는 전술한 절연 가스켓에 관한 내용을 참고한다. 예를 들어, 실링 가스켓(90)은, 상기 절연 가스켓(50)에 포함된 것과 동일한 종류의 고분자 수지 및 난연 첨가제를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
비교예 1
폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT, 융점 223℃, LGCHEM社)를 이용하여 절연 가스켓을 제조하였다.
실시예 1
폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT, 융점 223℃, LGCHEM社)에 난연 첨가제를 혼합하여 절연 가스켓을 제조하였다. 이때 난연 첨가제는 할로겐 원소를 포함하지 않는 인계 난연제(LGCHEM社)를 절연 가스켓의 총 중량 대비 12% 첨가하였다.
성능평가
원통형 이차전지에, 상기 비교예 1 및 실시예 1에 의해 제조된 절연 가스켓을 적용하여 화염 테스트를 진행하였다.
화염 테스트는, 각 원통형 이차전지의 단자 및 절연가스켓 부분에 화염을 15초 인가하여 쇼츠(short)의 발생여부를 평가하였다. 쇼츠의 발생여부는 저항측정을 통해 확인하였다. 저항 측정시, 5Ω 이상인 경우 PASS, 5Ω 미만인 경우 NG 로 평가하였다.
쇼츠 발생여부 및 저항 측정 결과를 표 1에 기재하였다.
절연 가스켓 종류 쇼트 확인 저항 측정 결과
비교예 1 PBT 100% (GP1000H) 쇼츠 발생 NG
(총 5회 측정결과, 0.0Ω/0.0Ω/0.2Ω/0.1Ω/0.0Ω)
실시예 1 PBT + 난연제 12% 함유
(할로겐free, 인계(P)난연제) 		쇼츠 미발생 PASS
(총 13회 측정결과, 1회 6.2Ω 측정, 12회는 측정할 수 없었음(not detected)
비교예 1의 경우, 절연 가스켓이 멜팅(melting)되어 쇼츠가 발생하였다. 도 8에 비교예 1의 화염 테스트를 수행한 이미지를 기재하였다.
실시예 1의 경우, 절연 가스켓이 잔존하여 쇼츠가 발생하지 않았다. 도 9에 실시예 1의 화염 테스트를 수행한 이미지를 기재하였다.
[부호의 설명]
1: 원통형 이차전지
10: 전극 조립체
C: 권취 중심부
11: 제1 무지부
12: 제2 무지부
20: 하우징
30: 캡
40: 단자
50: 절연 가스켓
60: 제1 집전체
70: 인슐레이터
80: 제2 집전체
90: 실링 가스켓

Claims (12)

  1. 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부 및 제2 무지부를 포함하는 전극 조립체;
    하단에 형성된 개구부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되는 하우징;
    상기 제1 무지부와 전기적으로 연결되며, 상기 개구부의 반대편에 위치하는 상기 하우징의 폐쇄부를 통해 상기 하우징의 외부로 노출되는 단자; 및
    상기 하우징의 폐쇄부 측에는 상기 하우징과 상기 단자 사이에 개재되는 절연 가스켓; 이 구비되고,
    상기 절연 가스켓은 고분자 수지 및 난연 첨가제를 포함하는 원통형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 상기 개구부 측에는 상기 캡이 상기 개구부를 밀폐하도록 상기 하우징과 상기 캡 사이에 개재되는 실링 가스켓이 구비되고,
    상기 실링 가스켓은 고분자 수지 및 난연 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아릴렌 설파이드, 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE), 퍼플루오로 알콕시 수지, 폴리이미드 또는 이들 중 2 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 250℃ 이상의 용융점 및, 200℃ 이상의 열변형 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소부틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT), 폴리페닐렌 설파이드(Poly Phenylene Sulfide, PPS), 또는 이들 중 2 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 난연 첨가제는, 인계 난연제, 무기계 난연제, 할로겐 난연제, 또는 이들 중 2 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 난연 첨가제는, 인계 난연제인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 난연 첨가제는, 할로겐 원소를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절연 가스켓이 포함하는 난연 첨가제는, 상기 절연 가스켓 총 중량 대비 5% 내지 30% 포함되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 실링 가스켓이 포함하는 난연 첨가제는, 상기 실링 가스켓 총 중량 대비 5% 내지 30% 포함되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  11. 제1항 또는 제2항에 따른 원통형 이차전지를 포함하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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