KR100658682B1 - 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 이차전지는 케이스 내부의 절연성을 확보하기 위하여 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극 및 음극을 포함하는 전극군, 및 상기 전극군이 내장되며 내측 표면에 양극산화피막이 형성되는 케이스를 포함한다.
이차 전지, 케이스, 양극산화피막, 절연
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
본 발명은 이차 전지에 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 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어진다.
상기 각각의 단위전지는 양극과 음극이 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,음극의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.
또한 상기 케이스는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 금속과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군이 위치하는 내부 공간을 가진 육면체의 각형 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.
이렇게 상기 케이스가 전기 전도도가 우수한 금속으로 이루어져 상기 전극군이 케이스와 접촉하는 경우 단위전지 내부에서 단락(short)이 발생할 수 있으며, 이 경우 단위전지가 정상적으로 작동하지 않는 문제점이 있다.
그리고 종래에는 전극군의 외부를 절연필름으로 감싼 연후에 케이스에 삽입하여 상기 전극군과 케이스를 절연시키는 방법을 적용하였으나 이러한 구조는 절연필름이 찢어지는 경우, 단락이 발생할 염려가 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 케이스의 내측면이 절연된 이차전지를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 단위 전지는 전지 케이스의 내면에 양극산화피막이 도포된 구조로 형성된다.
여기서 상기 단위 전지는 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극과 음극을 포함하는 전극군 및, 상기 전극군이 내장되며 내측면에 양극산화피 막이 형성된 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트에는 전극군과 전기적으로 연결되는 전극 단자가 설치되며, 가스가 발생하여 스웰링 현상으로 케이스의 형상이 변형되는 것을 방지하기 위하여 그 중심에는 일정한 압력에서 개방되는 밴트를 포함할 수 있다.
또한, 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.
그리고 상기 양극산화피막을 형성하는 방법은 황산을 전해액으로 하는 저온 황산법으로 형성될 수 있다. 이러한 알루미늄으로 이루어진 케이스에 황산을 전해액으로 하여 양극산화처리를 하면 상기 알루미늄 케이스의 표면에 알루미나 세라믹층이 형성되어 충분한 절연성능을 확보할 수 있다.
또한 상기 양극산화피막은 바닥을 이루는 배리어(barrier)층과 다수의 미세한 홀이 형성되는 되는 다공층을 포함한다. 이러한 다공층을 방치하면, 양극산화피막의 절연성능이 저하되므로 상기 양극산화피막 위에는 상기 홀을 메우는 봉공층이 형성될 수 있다.
상기 봉공층은 유기물층으로 이루어질 수 있다. 상기 유기물층은 불소수지계 유기물 또는 이중합성고무(EPDM)으로 이루어지는 것이 바람직하며, 이러한 유기물층은 상기 케이스를 유지나 유기물 수지로 도포하든지 이들에 침지하는 방법으로 형성될 수 있다. 불소수지계 유기물 또는 이중합성고무는 내화학성이 우수하여 전해액과 반응하지 않으므로 상기 케이스를 안정적으로 절연시킬 수 있다.
또한, 상기 봉공층은 베마이트(boehmite)층으로 이루어질 수 있다. 상기 베마이트층은 양극산화피막을 증기 또는 결정수에 노출시켜 양극산화피막을 이루는 Al2O3층으로부터 형성된다. Al2O3는 증기 또는 결정수에 노출되어 H2O와 반응하여 Al2O3H2O로 화성되며 이 과정에서 체적이 증가하는데 이러한 체적의 증가로 인하여 상기 홀이 봉공된다.
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(10)를 도시한 단면도이다.
상기한 도면을 참조하여 먼저 대용량의 전지모듈을 이루는 각 단위전지(10)의 구조를 살펴보면, 상기 단위전지(10)는 양극(11)과 음극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 위치하는 전극군(15)과, 상기 전극군(15)이 내장되는 공간부를 구비며 내면에 양극산화피막(31)이 형성되는 케이스(14), 상기 케이스(14)와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트(17), 및 상기 양,음극(11,12)과 전기적으로 연결되고 상기 캡 플레이트(17)의 외측으로 돌출되는 양극단자(21)와 음극단자(21,22)를 포함한다.
그리고 상기 양극(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.
또한, 상기 음극(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 양극(11) 및 음극(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 양극(11) 및 음극(12)의 길이방향을 따라 양극(11) 및 음극(12)의 측면에 형성된다. 그리고 상기 양극(11) 및 음극(12)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 중심에 개재하여 적층되며 권취롤 등을 이용해서 권취되어 젤리-롤 형태의 전극군(15)을 이루어진다. 또한, 상기 전극군(15)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(15)이 위치하는 내부 공간부를 가진 육면체의 각형으로 이루어진다. 본 실시예에서는 상기 케이스(14)가 각형인 것으로 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 원통형 또는 그 이외의 형상으로 이루어질 수도 있다.
상기 케이스(14)의 내면에 형성되는 양극산화피막(31)은 양극산화처리법(anodizing)에 의하여 형성된다. 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 케이스(14)의 내면에 금속과 밀착력을 갖는 산화피막(31)이 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. 다만 본 실시예에 따른 저온 황산법은 하나의 예에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 상기 양극산화피막은 종래에 널리 알려진 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 케이스(14)의 내면에 절연성능이 우수한 양극산화피막(31)이 형성되어 전극군(15)의 무지가 상기 케이스(14)와 접촉하여도 단락되지 않으며, 상기 양극산화피막(15)은 쉽게 벗겨지지 않고, 내화학성이 우수하여 전해액과 반응하지 않아 상기 케이스(14)를 안정적으로 절연시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 케이스(14)는 알루미늄으로 이루어지고, 이렇게 알루미늄으로 이루어진 케이스(14)의 표면에 저온 황산법으로 양극산화처리를 하면, 알루미나 세라믹층으로 이루어진 양극산화피막(31)이 형성된다. 이러한 알루미나 세라믹층은 절연성이 우수하여 케이스(14)를 확실하게 절연시킬 수 있다.
또한, 상기 양극산화피막(31)은 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 이루어진다. 양극산화피막(31)이 30㎛보다 작은 두께로 형성되면 피막이 너무 얇아서 부분적으로 통전될 염려가 있으며, 100㎛보다 크게 형성되면 고온에서 균열이 생길 염려가 있다. 이렇게 30㎛이상으로 형성된 양극산화피막을 경질 양극산화피막이라 하며, 경질 양극산화피막은 철강보다 강하고 경질 크롬도금보다 내마모성이 우수하다. 또한, 도금이나 도장처럼 박리되지 않으며, 표면은 전기절연성이 매우 우수하다.
그리고, 케이스(14)에 형성되는 양극산화피막(31)은 배리어(barrier)층과 상기 배리어층 위에 형성되는 다공층을 포함하는데, 상기 다공층에는 다수의 미세한 홀(31a)이 형성되며, 이러한 홀(31a)은 케이스(14)의 절연성능을 약화시킨다. 따라서 본 실시예에서는 상기 다공층의 위에 상기 홀을 메우는 봉공층(32)이 형성되며 상기 봉공층(32)은 전기 절연성능이 우수한 물질로 이루어진다.
상기 봉공층(32)을 형성하는 방법은 다양하지만 본 실시예에서는 상기 봉공층(32)이 유기물봉공처리법에 의하여 형성되는 것으로 예시한다. 상기 유기물봉공처리법은 케이스(14)에 유지나 합성수지 등의 유기물을 도포하던지 이들에 침지하는 방법으로 행해진다. 또한 상기 유기물은 불소수지계의 유기물 또는 이중합성고 무(EPDM)로 이루어지며, 불소수지계의 유기물 및 이중합성고무는 내화학성이 우수하여 전해액과 반응하지 않으므로 상기 케이스를 안정적으로 절연시킬 수 있다.
또한, 상기 봉공층(32)은 베마이트층으로 이루어질 수 있으며, 상기 베마이트층은 수화봉공처리법에 의하여 형성된다. 상기 베마이트층은 양극산화피막이 증기 또는 결정수에 노출되어 물과 반응하여 형성되며, 양극산화피막이 증기 또는 결정수에 노출되어 베마이트로 변하는 과정에서 체적이 팽창하게되는데 이때, 팽창되는 베마이트가 상기 홀을 메우게 된다.
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 내면에 양극산화피막이 형성되어, 전극군이 케이스와 접하는 경우에도 단락되는 것을 방지할 수 있어서 이차전지의 구조적 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Claims (8)
- 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극과 음극을 포함하는 전극군; 및상기 전극군이 내장되며 내측 표면에 알루미나 세라믹(Al2O3)으로 이루어진 양극산화피막이 형성되는 케이스;를 포함하는 이차전지.
- 제1 항에 있어서,상기 양극산화피막은 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성되는 이차전지.
- 삭제
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,상기 케이스는 상기 양극산화피막 위에 봉공층이 형성되는 이차전지.
- 삭제
- 삭제
- 제4 항에 있어서,상기 봉공층은 베마이트층으로 이루어지는 이차전지.
- 제1 항에 있어서,상기 이차전지는 모터 구동용인 이차전지.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020050037001A KR100658682B1 (ko) | 2005-05-03 | 2005-05-03 | 이차전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050037001A KR100658682B1 (ko) | 2005-05-03 | 2005-05-03 | 이차전지 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20060114839A KR20060114839A (ko) | 2006-11-08 |
| KR100658682B1 true KR100658682B1 (ko) | 2006-12-15 |
Family
ID=37652406
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020050037001A KR100658682B1 (ko) | 2005-05-03 | 2005-05-03 | 이차전지 |
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-
2005
- 2005-05-03 KR KR1020050037001A patent/KR100658682B1/ko active IP Right Grant
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