KR100648731B1 - 이차전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이차전지는 케이스의 절연성능을 확보하여 단락 및 누전을 방지하기 위하여, 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극판 및 음극판을 포함하는 전극군, 및 상기 전극군이 내장되며 표면에 절연층이 형성되는 케이스를 포함한다.
이차 전지, 케이스, 절연층, 양극산화피막

Description

이차전지 및 이의 제조 방법{SECONDARY BATTERY AND THE FABRICATION METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차전지를 조립하여 A-A 선을 따라 절단하여 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실실예에 따른 이차전지 모듈의 사시도이다.
본 발명은 이차 전지 및 이차 전지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지 케이스의 구조를 개선한 이차전지에 관한 것이다.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.
상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 등의 형상이 있으며, 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이 차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어진다.
상기 각각의 단위전지는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군, 상기 전극군이 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체로부터 돌출되고 상기 전극군에 구비된 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.
일반적으로 상기 케이스는 단위전지에서 발생되는 열을 효율적으로 방출시킬 수 있는 금속으로 이루어지고, 이러한 금속은 열전도율이 우수할 뿐 아니라 전기 전도도 역시 우수하다.
그리고 각각의 단위전지 사이에 냉매의 유동 통로가 되는 격벽을 개재하여, 다수의 단위전지를 일렬로 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자 간에 너트를 매개로 도전체를 연결 설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.
상기 단위전지들이 전지 모듈로 구성될 때, 상기 도전체 이외에 격벽 등을 매개로 이웃하는 단위전지의 케이스와 서로 전기적으로 연결되면 단락될 위험이 있으며, 단위전지의 전해액이 누출되어 케이스를 통하여 이웃하는 단위전지와 전기적으로 연결되면, 단위전지가 제대로 기능하지 못하는 문제점이 있다.
그리고 상기 케이스의 내측이 전극군과 전기적으로 연결되고, 이러한 케이스가 이웃하는 전지가 아닌 하우징 등 다른 부분과 전기적으로 연결되면 누설 전류가 발생하여 단위전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이차전지 케이스에 절연층을 형성하여 절연기능을 갖는 단위전지를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 단위 전지는 전지 케이스의 외면에 절연층이 코팅된 구조로 형성된다.
여기서 상기 단위 전지는 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군 및, 상기 전극군이 내장되며 외측면에 절연층이 코팅된 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡플레이트를 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트에는 전극군과 전기적으로 연결되는 전극 단자가 설치되며, 상기 캡 플레이트에는 가스가 발생하여 스웰링 현상으로 케이스의 형상이 변형되는 것을 방지하기 위하여 그 중심에는 일정한 압력에서 개방되는 밴트를 포함할 수 있다.
그리고 상기 케이스에 형성되는 절연층은 양극산화처리법(anodizing)에 의해 형성되는 양극산화피막을 포함할 수 있다. 또한 상기 양극산화피막에는 다수의 미세한 홀이 형성되어, 상기 절연층은 상기 홀을 봉공하는 유기물층을 포함할 수 있다.
그리고 상기 양극산화피막은 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 일반적으로 양극산화피막을 30㎛ 이상으로 형성하는 것을 경질 양극산화 (hard anodizing)라 하며, 경질 양극산화에 의하여 케이스의 표면에 충분한 두께의 양극산화피막이 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 양극산화피막은 알루미늄으로 이루어진 케이스에 전해액으로 황산을 사용하여 양극산화처리를 함으로써 알루미나 세라믹으로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 절연층은 상기 케이스의 내측 표면과 외측 표면 모두에 형성될 수 있으며, 외측 표면에만 형성될 수도 있다.
상기 단위전지를 제조하는 방법은 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 개재하여 적층되어 전극군을 형성하는 단계, 상기 전극군이 삽입되는 케이스에 절연층을 형성하는 단계, 상기 전극군을 케이스에 삽입하고, 상기 케이스를 밀폐시키는 단계를 포함한다.
그리고 상기 절연층을 형성하는 단계는 양극산화처리법에 의하여 양극산화피막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 절연층을 형성하는 단계는 상기 양극산화피막에 다수의 미세한 홀을 채우는 봉공처리단계를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 봉공처리는 유지나 합성수지를 이용한 유기물 봉공처리 방법으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 유기물 봉공처리는 유지나 합성수지의 유기물을 도포하든지 이들에 침지하는 방법으로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 양극산화피막처리법은 황산을 전해액으로 하는 저온 황산법일 수 있다. 이러한 알루미늄으로 이루어진 케이스에 황산을 전해액으로 하여 양극산화처리를 하면 상기 알루미늄 케이스의 표면에 알루미나 세라믹이 형성되어 절연성능이 향상될 수 있다.
양극산화 공정에 의하여 형성된 양극산화피막은 피막 사이에 다수의 홀이 형성되며, 이러한 홀이 잔존하면 절연이 제대로 이루어지지 않으므로 이러한 홀을 막는 봉공처리를 한다. 본 발명에 따른 절연층은 양극 산화피막 위에 봉공처리된 절연막을 포함할 수 있다.
또한 상기 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전도 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(30)를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 A-A선을 따라 절단하여 이차전지(30)의 단면도이다.
상기한 도면을 참조하여 먼저 대용량의 전지모듈을 이루는 각 단위전지(30)의 구조를 살펴보면, 상기 단위전지(30)는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 위치하는 전극군(25)과, 상기 전극군(25)이 내장되는 공간부를 갖지며 표면(141)에 절연층이 형성되는 케이스(14), 상기 케이스(14)와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트(33), 및 상기 양,음극판(11,12)과 전기적으로 연결되고 상기 캡 플레이트(30)의 외측으로 돌출되는 양,음극단자(31,32)를 포함한다.
그리고 상기 단위전지(30)는 세퍼레이터(13)와 상기 세퍼레이터(13)의 양면에 부착되는 양극판(11) 및 음극판(12)을 적층하여 전극군(25)을 형성하는 단계, 상기 전극군(25)이 삽입되는 케이스(14)에 절연층을 형성하는 단계, 및 상기 케이스(14)에 전극군(25)을 삽입하고, 상기 전극군(25)과 전기적으로 연결되는 전극단자(31, 32)가 설치된 캡 플레이트(33)를 이용하여 상기 케이스(14)를 밀폐시키는 단계를 포함하는 방법으로 제조된다.
그리고 상기 양극판(11)은 박판의 금속 호일, 예컨대 알루미늄 호일 등으로 된 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 코팅된 양극 활물질을 포함하고 있으며, 상기 양극 활물질은 리튬계 산화물을 주성분으로 이루어진다.
상기 음극판(12)은 박판의 금속 호일, 이를테면 구리 호일 등으로 된 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 코팅되는 음극 활물질을 포함하고 있으며, 상기 음극 활물질은 탄소재를 주성분으로 이루어진다.
또한, 상기 양극판(11) 및 음극판(12)은 상기 집전체에 활물질이 코팅되는 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 무지부(11a, 12a)를 포함한다.
그리고 상기 무지부(11a, 12a)는 고출력 이차전지의 경우 양극판(11) 및 음극판(12)의 길이방향을 따라 양극판(11) 및 음극판(12)의 측면에 형성된다. 그리고 상기 양극판(11) 및 음극판(12)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 중심에 개재하여 적층되며 권취롤 등을 이용해서 권취되어 젤리-롤 형태의 전극군(25)을 이루어진다. 또한, 상기 전극군(25)은 각형 케이스(14)에 내장될 수 있도록 프레스 등으로 납작하게 가압된다.
그리고 상기 케이스(14)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(14)이 위치하는 내부 공간 부를 가진 육면체의 각형 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.
상기 케이스(14)에 절연층을 형성하는 단계는 양극산화처리법에 의한 양극산화피막을 형성하는 단계를 포함한다. 여기서 양극산화처리법은 금속을 양극에 연결하고 전해액에서 전해하여, 양극에서 발생하는 산소에 의하여 금속과 밀착력을 갖는 산화피막을 형성하는 것을 말한다.
본 실시예에 따른 양극산화처리법은 저온 황산법을 적용하며, 저온 황산법에 의하면, 황산(H2SO4) 수용액에서 케이스(14)를 양극으로 하여 통전하면 음극에서는 수소기체가 발생하고 양극에서는 산소기체가 발생하는데, 이러한 산소기체가 알루미늄 케이스(14)와 반응하여 케이스의 표면(141)에 금속과 밀착력을 갖는 산화피막이 형성된다.
저온 황산법은 전해액에 의한 피막의 용해를 억제하기 위해서 액온을 낮게 하고, 전해에 의해서 발생되는 열을 교반에 의하여 확산시킨다. 그리고 저온 황산법에 의하여 생성되는 양극산화피막은 투명성이 높고, 염색성, 내식성 및 내마모성이 우수하며, 저온 황산법에 의한 경질 양극산화피막의 경우 우수한 절연성을 갖는다.
본 실시예에 따른 케이스(14)는 알루미늄으로 이루어지고, 이렇게 알루미늄으로 이루어진 케이스의 표면(141)에 저온 황산법으로 양극산화처리를 하면, 알루미나 세라믹층으로 이루어진 양극산화피막(142)이 형성된다. 이러한 알루미나 세라믹층은 절연성이 우수하여 케이스(14)를 안정적으로 절연시킬 수 있다.
그리고 케이스(14)에 형성되는 알루미나 세라믹층에는 다수의 미세한 홀이 형성되며, 이러한 홀은 케이스(14)의 절연에 악영향을 미치므로, 상기 절연층을 형성하는 단계는 양극산화피막(142)에 형성된 미세 홀을 봉공하는 단계를 포함한다.
여기서 상기 봉공처리는 유지나 합성수지 등의 유기물을 도포하든지 이들에 침지하는 방법으로 행해지는 유기물 봉공처리 방법이 적용되며, 이러한 방법으로 알루미나 세라믹층 위에 유기물층(143)이 도포되어 이층 구조의 절연층이 형성된다. 다만 유기물 봉공처리는 예시적인 것이며, 양극산화피막의 절연성능을 향상시킬 수 있는 방법이라면 다양한 방법의 봉공처리기법이 적용될 수 있다.
이렇게 절연층이 형성된 케이스(14)에 전극군(25)을 삽입하고, 전극군(25)과 전기적으로 연결되는 단자(31, 32)를 캡 플레이트(33)에 설치한다. 그리고 상기 캡 플레이트(33)가 상기 케이스(14)에 결합되어 케이스(14)를 밀폐하여 단위전지(30)가 제조된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈(100)을 도시한 사시도이다. 상기한 도면을 참조하여 설명하면 다수의 전위전지가(30) 일렬로 배열되고, 상기 단위전지(30) 사이에 냉매의 유동통로를 제공하는 격벽(35)이 설치된다.
그리고 각 단위전지의 양극단자(31)는 이웃하는 단위전지의 음극단자(32)와 연결구(34)를 매개로 하여 전기적으로 연결되고, 각 단위전지(30)의 음극단자(32)는 이웃하는 단위전지(30)의 양극단자(31)와 연결구(35)를 매개로 하여 전기적으로 연결된다.
따라서 다수의 단위전지(30)가 연결구(34)를 이용하여 직렬로 연결되며, 상기 단자(31, 32)와 연결구(34) 이외에는 전기적으로 절연되어야 하므로, 상기 전지(30)의 케이스(14)는 표면에 절연층이 형성된다.
상기 절연층은 양극산화처리법에 의한 양극산화피막(142)을 포함한다. 그리고 상기 양극산화피막(142)은 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 이루어진다. 양극산화피막(142)이 30㎛보다 작은 두께로 형성되면 피막이 너무 얇아서 부분적으로 통전될 염려가 있으며, 100㎛보다 크게 형성되면 고온에서 균열이 생길 염려가 있다.
또한, 상기 양극산화피막(142)은 알루미나 세라믹층으로 이루어질 수 있다. 즉 상기 케이스(14)가 알루미늄으로 이루어지고, 이렇게 알루미늄으로 이루어진 케이스의 표면(141)에 저온 황산법으로 양극산화 처리를 하면, 알루미나 세라믹층으로 이루어진 양극산화피막(142)이 형성되며, 이러한 알루미나 세라믹층(Al2O3)은 절연성이 우수하여 케이스를 안정적으로 절연시킬 수 있다.
그리고 상기 양극산화피막(142)의 위에는 유기물층(143)이 형성된다. 이러한 유기물층(143)은 양극산화피막(142)에 형성되는 미세한 홀을 봉하는 역할을 하며, 유지나 합성수지의 유기물을 도포하거나 이들에 침지하는 방법으로 행해지는 유기물 봉공처리에 의하여 형성된다.
또한, 상기 절연층은 케이스(14)의 외측 표면(141)에만 형성된다. 다만 케이스(14)의 내측 표면도 동일한 방법으로 절연될 수 있다.
본 발명에 따른 케이스(14)는 전지 케이스(14)의 외측 표면(141)에 양극산화피막(142)과 유기물층(143)으로 이루어진 절연층이 형성되어 이웃하는 단위전지의 케이스(14)와 금속 격벽(35)으로 연결되어도 통전될 염려가 없으며, 충전과 방전을 계속하는 동안 전해액이 누출되어도 전지(30)의 외측 표면(141)에 형성된 절연이 전류가 흐르는 것을 차단하여 누전 및 단락을 방지할 수 있다.
본 발명의 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 전지 케이스의 벽면에 절연층이 형성되어, 외부의 도전체와 접하여 단락되거나 누전되는 것을 방지할 수 있있어서 이차전지의 구조적 안전성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 세퍼레이터(separator)와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극판 및 음극판을 포함하는 전극군; 및
    상기 전극군이 내장되며 표면에 알루미나 세라믹(AlO3)(alumina ceramic)으로 이루어진 양극산화피막을 포함하는 절연층이 형성되는 케이스(case);
    를 포함하는 이차전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 양극산화피막은 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성되는 이차전지.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 케이스의 외측 표면에만 형성되는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차전지는 모터 구동용인 이차전지.
  8. 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 부착되는 양극판 및 음극판을 적층하여 전극군을 형성하는 단계;
    상기 전극군이 삽입되는 케이스에 양극산화처리(anodizing process)로 알루미나 세라믹(AlO3)층을 형성하는 단계; 및
    상기 케이스에 상기 전극군을 삽입하고 밀폐시키는 단계;
    를 포함하는 이차전지의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 알루미나 세라믹층을 형성한 후에 상기 알루미나 세라믹층에 형성된 홀을 봉공하는 단계를 포함하는 이차전지의 제조 방법.
  11. 제 8 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 알루미나 세라믹층은 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성되는 이차전지의 제조방법.
  12. 제 8 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 알루미나 세라믹층은 저온 황산법에 의하여 형성되는 이차전지의 제조방법.
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