KR100561297B1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 제1 전극, 제2 전극, 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극조립체와, 상기 전극조립체 상부에 위치하는 절연케이스를 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 절연케이스가 인장강도가 500kg/㎠ 이상인 수지 또는 수지 복합재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
리튬이차전지, 절연케이스, 폴리프로필렌, 강도

Description

리튬 이차 전지{Lithium secondary battery}
도 1은 종래의 리튬 이차 전지의 개략적인 분해 사시도.
도 2는 물리적 외력에 의해 변형된 폴리프로필렌 절연케이스를 나타낸 단면도.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 절연케이스의 사시도.
도 3b는 도 3a에 도시된 절연케이스의 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지의 절연케이스의 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
179...절연케이스
181...절연케이스의 본체부
183, 184...절연케이스의 측단 지지부
185, 186...절연케이스의 측면 지지부
187...절연케이스의 전극탭 인출구
188...절연케이스의 전해액 주입구
189...절연케이스의 전극탭 인출 홈
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지에 물리적 외력이 가해졌을 때 전극조립체에 가해지는 스트레스를 균일하게 분산시켜 전지의 단락을 방지할 수 있는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
통상적으로, 이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로서, 휴대용 전자 기기의 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속하게 신장되고 있는 추세이다.
리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
도 1은 종래의 리튬 이차 전지의 개략적인 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 리튬 이차 전지는 제1 전극(13), 제2 전극(15) 및 세퍼레이터(14)로 구성되는 전극조립체(12)를 전해액과 함께 캔(10)에 수납하고, 이 캔 (10)의 상단부를 캡조립체(70)로 밀봉함으로써 형성된다.
상기 캡조립체(70)는 캡플레이트(71)와 절연플레이트(72)와 터미널플레이트(73) 및 전극단자(74)를 포함하여 구성된다. 상기 캡조립체(70)는 별도의 절연케이스(79)에 의해 상기 전극조립체(12)와 절연되면서 상기 캔(10)의 상단개구부에 결합되어 캔(10)을 밀봉하게 된다.
상기 캡플레이트(71)는 상기 캔(10)의 상단개구부와 상응하는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 상기 캡플레이트(71)의 중앙에는 소정 크기의 단자통공이 형성되며, 단자통공에는 전극단자(74)가 삽입된다. 상기 전극단자(74)가 단자통공에 삽입될 때는 전극단자(74)와 캡플레이트(71)의 절연을 위하여 전극단자(74)의 외면에는 튜브형의 개스킷튜브(75)가 결합되어 함께 삽입된다. 한편 상기 캡플레이트(71)의 일측에는 전해액주입공(76)은 상기 캡플레이트(71)의 타측에 소정크기로 형성된다. 상기 캡조립체(70)가 상기 캔(10)의 상단개구부에 조립된 후 전해액주입공(76)을 통하여 전해액이 주입되고 전해액주입공(76)은 마개(77)에 의하여 밀폐된다
상기 전극단자(74)는 상기 터미널플레이트(73)를 통하여 상기 제2 전극(15)의 제2 전극탭(17) 또는 상기 제1 전극(13)의 제1 전극탭(16)에 연결되어 제2 전극단자 또는 제1 전극단자로 작용하게 된다. 상기 제1 전극탭(16) 및 제2 전극탭(17)이 전극조립체(12)로부터 인출되는 부분에는 전극(13, 15)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다. 상기 제1 전극 또는 제2 전극은 양극 또는 음극으로 작용하게 된다.
상기 캔형 리튬 이차 전지에서 절연케이스(79)는 캡조립체(70)와 전극조립체(12) 사이에 삽입되어 전극조립체(70) 및 전극탭(16, 17)의 위치를 고정하는 역할을 하며, 폴리프로필렌(polypropylene) 재질로 만들어진다. 폴리프로필렌 재질로 만들어진 절연케이스는 제조 회사마다 형태의 차이는 있지만 두께를 증가시키는데 한계가 있고 강성이 약하여 낙하 시험 등에서 전극조립체가 캡조립체 쪽으로 쏠리는 경우 상기 절연케이스가 변형되면서 국부적인 응력(stress)이 전극조립체 상부에 가해지게 되며, 이로 인하여 단락이 발생하게 된다. 이러한 물리적 외력으로 인한 단락을 방지하기 위하여 제조 회사마다 절연케이스의 형태를 변경하는 노력을 하고 있지만 폴리프로필렌 재질 자체의 강성으로 인하여 단락 위험성은 여전히 남아 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 물리적 외력이 가해져도 변형이 잘 일어나지 않으며, 유동 시에 전극조립체에 가해지는 응력을 균일하게 분산시킬 수 있는 절연케이스를 이용하여, 전지의 단락을 방지하고 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1 전극, 제2 전극, 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극조립체와, 상기 전극조립체 상부에 위치하는 절연케이스를 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 절연케이스는 인장강도가 500kg/㎠ 이상인 수지 또는 수지 복합재료로 형성되는 것을 특징으로 한 다.
또한 상기 수지 또는 수지 복합재료는 압축강도가 900kg/㎤ 이상인 것이 바람직하다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
절연케이스는 리튬 이차 전지의 캔에 수납되는 전극조립체와 캡조립체를 전기적으로 절연시키는 한편, 상기 전극조립체와 상기 전극조립체의 제1 전극 및 제2 전극으로부터 인출되는 전극탭의 위치를 고정시키는 역할을 하며, 그 재질은 전극탭 간의 단락을 방지하기 위하여 통상 절연성 재질인 폴리프로필렌으로 이루어져 있다. 하지만 폴리프로필렌 절연케이스는 그 강도가 약하여 전지의 낙하 테스트 등의 물리적 외력에 의해 변형을 일으킬 수 있다.
일반적으로 물체에 외력이 작용하면 변형하는 동시에 저항력이 생겨 외력과 평행을 이루게 된다. 이 저항력을 내력이라 하며, 단위면적당의 내력의 크기를 응력이라고 한다. 이러한 응력은 수직 응력과 접선 응력으로 분류되며, 상기 수직 응력은 다시 인장 응력과 압축 응력으로 나누어진다.
인장강도는 재료가 감당할 수 있는 최대 응력으로서, 재료에 인장하중을 가할 때의 파괴 하중을 최초의 단면적으로 나눈 값이다. 압축강도는 압축 하중에 견딜 수 있는 재료 강도를 나타내는 특성치이며 단위면적당의 압축파괴 하중을 압축강도라 한다. 폴리프로필렌은 인장강도가 340kg/㎠이고, 압축강도가 500kg/㎠으로 수직으로 작용하는 외력에 대해 견뎌내는 수직 응력이 좋지 않다.
도 2는 물리적 외력에 의해 변형된 폴리프로필렌 절연케이스(79)를 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시된 절연케이스(79)는 전극조립체 전체 상부면에 걸쳐 고르게 힘을 가하고 있지만, 도 2와 같이 변형된 폴리프로필렌 절연케이스(79)는 그 중심부(A)에서 전극조립체에 집중적인 하중을 가하게 된다. 이처럼 변형된 폴리프로필렌 절연케이스에 의해 전극조립체 상부의 중심부에 국부적인 응력이 가해져서 전지의 단락(short)을 일으킬 수 있다.
본 발명에서는 상기 절연케이스 재질로 강도가 우수한 수지 또는 수지 복합재료를 사용함으로써 물리적 외력이 가해져도 절연케이스가 좀처럼 변형되지 않으며, 따라서 강한 충격 시에도 전극조립체에 국부적인 응력을 가하지 않고 응력을 균일하게 분산시킬 수 있다.
본 발명의 절연케이스는 인장강도가 500kg/㎠ 이상인 수지 또는 수지 복합재료로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 수지 또는 수지 복합재료의 압축강도가 900kg/㎠ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 상기 수지 또는 수지 복합재료의 인장강도가 500kg/㎠보다 작으면 전지의 낙하 테스트 등에서 절연케이스의 변형 감소 효과가 미비하여 바람직하지 않다.
본 발명의 절연케이스는 상기와 같은 우수한 강도를 가지면서 리튬 이차 전지에 사용되는 리튬염을 함유한 비수성 전해액과 반응하지 않는 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 리튬 이차 전지의 비수성 전해액은 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤의 유기 용매를 포함하므로 절연케이스가 이러한 유기 용제들에 대해 안정한 내용제성을 갖지 않는 경우 유기 용제들에 의해 침식될 우려가 있다.
상기 수지로는 페놀수지, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴레 에테르케톤, 폴리옥시메틸렌, 또는 상기 수지들의 유리섬유나 탄소섬유강화 수지들이 사용될 수 있다. 하지만, 본 발명에서 사용될 수 있는 수지 또는 수지복합재료가 여기에만 한정되는 것은 아니다.
페놀수지는 1900년 초에 미국의 베이크랜드(bakeland)에 의해 발명되어 공업화된 합성 수지이며, "베이크라이트(bakelite)"라는 상품명으로 불리고 있다. 페놀수지는 페놀과 포름알데히드와의 반응으로 생기는 열경화성 수지로서 전기절연성, 기계적 강도, 내열성이 우수하다. 페놀과 포름알데히드와의 반응공정 중 산성촉매에 의해서 생기는 제1차 수지를 노볼락(novolak), 염기성 촉매에 의해서 생기는 수지를 레졸(resol)이라고 한다. 페놀수지의 인장강도는 520kg/㎠이고, 압축강도는 1400kg/㎠이다.
폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide) 수지는 열가소성 수지로서 벤젠고리와 황원자가 교대로 결합된 비교적 간단한 구조를 가지고 있다. 폴리페닐렌설파이드는 열적, 기계적 성질이 뛰어나며 우수한 내약품성 및 자기 소화성의 성질을 가지고 있다. 폴리페닐렌설파이드의 인장강도는 950kg/㎠이다.
폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone) 수지는 결정성 수지로서 뛰어난 열안정성을 가지고 있어 260℃까지 연속사용이 가능하며 뛰어난 인장강도, 굴곡강도와 내마모성, 저수분 흡습성, 내화학 약품성 및 전기적 성질이 우수하다. 20% 유리섬유 및 30% 탄소섬유강화 등급의 것이 시판되고 있다. 폴리에테르에테르케톤의 인장강도는 1020kg/㎠이고, 압축강도는 1200kg/㎠이다.
폴리에테르케톤(polyetherketone) 수지는 폴리에테르에테르케톤과 같이 결정 성 방향족계 수지이며, 폴리에테르에테르케톤보다 더욱 우수한 내열성과 내약품성을 갖는다. 폴리에테르케톤도 매우 강인한 플라스틱이며, 내충격성이 우수하고 플라스틱 중에서 가장 우수한 내피로성을 가지고 있다. 폴리에테르에테르케톤과 같이 폴리에테르케톤도 입자 또는 분말상태로 공급되며, 입자는 비강화와 섬유강화(유리섬유 및 탄소섬유)가 있으며, 섬유함유량, 용융점도가 다른 각종 등급의 것이 시판되고 있다.
폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 수지는 내피로성, 강인성, 내마찰성 등 다른 재료에서 볼 수 없는 우수한 특성을 가지고 있다. 현재 생산되고 있는 폴리옥시메틸렌 수지는 호모폴리머(homopolymer)와 코폴리머(copolymer)의 2종류가 있다. 호모폴리머의 분자구조는 통상 1000개 이상의 CH2O기를 포함하는 축쇄가 없는 폴리옥시메틸렌의 장쇄상 고분자 [-CH2O]n이다. 호모폴리머의 우수한 기계적 성질은 그 강한 분자구조에 의한 것으로 폴리옥시메틸렌의 분자쇄가 부분적으로 결정을 갖는 초고분자 구조로써 발전해서 각각의 분자쇄가 치밀하고도 높은 격자 에너지를 갖고 있다. 또한 결정영역과 비결정영역과는 서로 결합해서 거대 구조를 형성하고 있는데, 이것이 호모폴리머에 우수한 강성, 강도, 탄성을 주고 있다. 공중합체는 폴리옥시메틸렌의 주쇄 중에 [-C-C-] 결합을 갖는 공중합물이어서 내열성, 성형성이 우수하다. 폴리옥시메틸렌의 인장강도는 620kg/㎠이고, 압축강도는 1120kg/㎠이다.
도 3a 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연케이스의 사시도를 나타낸다.
도 3a를 참조하면, 절연케이스(179)는 본체부(181)와, 상기 본체부(181)의 양 측단 상에 위치하는 측단 지지부(183, 184)를 포함하여 이루어진다. 상기 본체부(181)는 도 1에 도시된 캔(10)의 상단개구부에 상응하는 크기와 형상으로 이루어지고, 상기 측단 지지부(183, 184)는 상방향으로 소정 높이 돌출되어 있으며, 상기 본체부(181)을 양 측단에서 지지해주고, 캔(10)이 흔들리거나 충격을 받을 때 절연케이스(179)와 전극조립체(12)의 유동을 억제하는 역할을 한다. 상기 본체부(181)에의 일측에는 제2 전극탭(17)이 인출될 수 있는 전극탭 인출구(187)가 형성되어 있으며, 다른 일측에는 전해액이 전극조립체(12) 내로 유입될 수 있도록 경로를 제공하는 전해액 유입구(188)가 형성되어 있다. 상기 본체부(181)의 측면에는 제1 전극 탭이 인출될 수 있는 홈(189)이 형성되어 있다.
도 4를 참조하면, 상기 절연케이스(179)는 본체부와(181)와, 상기 본체부(181)의 양 측단 상에 위치하는 측단 지지부(183, 184), 및 상기 본체부(181)의 양 측면 상에서 적어도 하나의 측면 지지부(185, 186)를 포함하여 이루어진다. 상기 측면 지지부(185, 186)는 상기 본체부(181)의 측면 소정 위치에서 상방향으로 소정 높이 돌출되어 있으며, 상기 본체부(181)를 측면 상에서 보다 안정적으로 지지해 준다.
본 발명에 따른 상기 절연케이스(179)는 인장강도가 500kg/㎠ 이상인 수지 또는 수지 복합재료로 형성되어 있어, 물리적인 외력에도 좀처럼 변형되지 않으므로 전극조립체에 가해지는 응력을 균일하게 분산시킬 수 있다.
폴리프로필렌 절연케이스의 경우 강도가 다소 취약하여 측면 지지부와 같은 구성 요소를 필요로 하였지만, 본 발명에 따른 절연케이스는 강도가 우수한 재질로 형성되므로 측면 지지부와 같은 구성 요소를 포함할 수도 있으며 포함하지 않을 수도 있다. 또한 그 두께를 보다 얇게 구성하여도 강도 저하의 우려가 없다. 이처럼 절연케이스를 강도가 우수한 재질로 형성함으로써 절연케이스의 형상 및 치수 선택의 폭이 넓어질 수 있다.
도 3b는 도 3a에 도시된 절연케이스의 평면도이다.
도 3b를 참조하면, 상기 절연케이스(179)의 본체부(181)에는 전극탭 인출구(187), 전해액 주입구(188), 및 홈(189)이 형성될 수 있다. 이러한 개구(187, 188) 및 홈(189)의 형성에 있어서도 그 크기나 위치 등은 절연케이스의 강도가 저하되지 않는 범위 내에서 이루어지므로, 본 발명과 같이 절연케이스의 재질의 강도가 증가되면 상기 본체부(181)에 형성될 수 있는 개구(187, 188) 및 홈(189) 등의 형상 및 치수 선택의 폭이 넓어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 강도가 우수한 재질로 이루어진 절연케이스를 이용함으로써 물리적 외력이 가해져도 전극조립체에 가해지는 응력을 균일하게 분산시킬 수 있으며, 전지의 단락을 방지하고 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 전극, 제2 전극, 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극조립체와, 상기 전극조립체 상부에 위치하는 절연케이스를 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서,
    상기 절연케이스는 인장강도가 500kg/㎠ 이상인 수지 또는 수지 복합재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수지 또는 수지 복합재료는 압축강도가 900kg/㎠ 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 수지 또는 수지 복합재료는 전해액과 반응하지 않는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 절연케이스는 페놀수지, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴레에테르케톤, 폴리옥시메틸렌 및 이들의 유리섬유 또는 탄소섬유강화 수지로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 절연케이스는 베이클라이트로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연케이스는 본체부와, 상기 본체부의 양 측단 상에 위치하는 측단 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 양 측단 지지부는 상방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 절연케이스는 상기 본체부의 측면 상에서 적어도 하나의 측면 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 측면 지지부는 상방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 절연케이스의 본체부에 전극탭 인출구 또는 전해액 주입구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
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