KR100669435B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차전지는 전해액을 절약하고 전극군의 형상이 유지될 수 있도록, 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극과 음극을 포함하는 전극군, 상기 전극군이 삽입되는 공간을 구비한 케이스, 및 상기 전극군과 상기 케이스 사이에 개재되는 지지부재를 포함한다.

이차 전지, 전해액, 케이스, 지지부재, 전극군

Description

이차 전지{SECONDARY BATTERY}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 도시한 분해 사시도이다.

도 2는 도 1에서 A-A선을 따라 자른 이차전지의 단면도이다.

도 3은 도 1에서 B-B선을 따라 자른 이차전지의 단면도이다.

도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 지지부재를 도시한 단면도이고, 도 4(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 지지부재를 도시한 단면도이며, 도 4(c)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 지지부재를 도시한 단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극군의 형태를 유지시킬 수 있는 이차 전지에 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 전지들을 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 '전지모듈'이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 '단위전지'라 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 플레이트, 상기 캡 플레이트에 삽입되고 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.

그리고 각각의 단위전지를 일렬로 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자 간에 너트를 매개로 도전체를 연결 설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.

여기서 상기 전극군은 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재하여 적층하고 이를 권취한 후에 납작하게 가압함으로써 젤리-롤 형태로 형성되는데, 이 경우 가장자리가 볼록한 아령형 단면구조를 갖게 된다.

그리고 케이스에 전극군이 삽입된 후, 이온전도의 매개체 역할을 하는 전해액이 주입되는데, 상기 케이스와 전극군 사이에 잉여 공간이 많이 존재하면, 전해액이 낭비되는 문제점이 있다.

그리고, 상기 단위전지가 충전과 방전을 되풀이함에 따라 전극군이 팽창과 수축을 반복하게 되는데, 이 경우, 전극군이 불규칙적으로 팽창 또는 수축하게되면, 단위전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 팽창되는 과정에서 전극군 사이에 간극이 발생될 수 있으며, 이러한 간극은 계면 불균일을 야기시켜서, 단위전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전극군과 케이스 사이의 공간을 감소시켜서 전해액의 낭비를 줄이고, 상기 전극군 변형을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 이차 전지는 전극군과 케이스 사이에 상기 전극군의 형태를 유지시키는 지지부재가 설치된다.

또한, 상기 단위 전지는 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극과 음극을 포함하는 전극군, 및 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스를 밀폐하는 캡 플레이트 및 상기 캡 플레이트에 설치되며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 단자를 포함한다.

그리고 상기 전극군과 케이스 사이에는 지지부재가 개재되고, 상기 지지부재는 상기 전극군에 밀착되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 지지부재는 상기 전극군의 둘레를 형성하는 면의 양쪽에서 상기 전극군에 밀착되는 것이 바람직하다.

상기 전극군은 평평하게 이루어진 평판부와 상기 평탄부의 양측 가장지리에 형성되는 볼록부를 포함하고, 상기 지지부재는 상기 볼록부 사이의 평판부에 위치하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 지지부재는 평탄부와 상기 평탄부와 연결된 볼록부가 시작되는 부분에 접하도록 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 지지부재는 사다리꼴 형상, 호 형상, 양측단이 만곡되는 형상으로 이루어진 판재로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 지지부재는 불소수지로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 PTFE (Polytetrafluoroethylene), PFA (Perfluoroalkoxy), FEP (Fluoroethylenepropylene), PVDF (Polyvinylidene fluoride)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 지는 것이 바람직하다.

상기 불소수지는 내화학성이 우수하여 전해액과 반응하지 않으므로, 전지 내부에 설치되어 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 상기 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 에너지원으로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(10)를 도시한 분해 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 상기 단위전지(10)는 양극(11)과 음극(12) 사이에 절연체인 세퍼레이터(13)를 개재하여 젤리-롤 형태로 권취된 전극군(15), 내부에 상기 전극군(15)을 수용하는 공간부를 갖는 케이스(14), 상기 케이스(14)의 개방단에 결합되어 케이스(14)를 밀폐하는 캡 플레이트(16), 및 상기 캡 플레이트(16)에 설치되어 전극군(15)과 전기적으로 연결되는 양극 단자(21)와 음극 단자(23)를 포함한다.

그리고 상기 양극(11) 및 음극(12)은 박판의 금속호일로 형성된 집전체에 활물질이 도포된 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 영역인 무지부(11a, 12a)를 포함한다. 상기 무지부(11a, 12a)는 고출력 이차전지(10)의 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 이루게 된다.

또한, 상기 전극군(15)은 상기 케이스(14)에 내장될 수 있도록 프레스 등으로 가압되어 납작한 형태를 이루게 되는데, 이때 가압되는 극판들이 양측으로 밀려서 양측 가장자리가 볼록하게 부풀어올라 볼록부(15b)가 형성되고, 상기 볼록부(15b)의 내측으로는 평탄부(15a)가 형성된다.

상기 전극군의 측단에 형성된 양극 무지부(11a)에는 상기 양극 무지부(11a)와 전기적으로 연결되어 외부로 전류를 유도하는 양극단자(21)가 설치되고, 상기 음극 무지부(12a)에는 상기 음극 무지부(12a)와 전기적으로 연결되어 외부로 전류를 유도하는 음극단자(22)가 설치된다.

또한 상기 케이스(14)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 상기 전극군(15)이 내장되는 공간을 가진 육면체 형태의 각형으로 이루어진다.

그리고 상기 전극군(15)의 양쪽 면에는 상기 전극군(15)을 가압하여 형태를 유지시키는 지지부재(27)가 설치되고, 상기 지지부재(27)는 상기 평탄부(15a)를 덮으면서 상기 볼록부(15b)의 일부까지 접하는 구조로 이루어진다.

그리고 상기 지지부재(27)는 상기 볼록부(15b)와 접하는 부분에서는 상기 볼록부(15b)의 면을 따라 접할 수 있도록 일정한 경사가 형성되며, 상기 전극군(15)의 양면에는 상기 지지부재(27)가 설치되어 상기 케이스(14)에 삽입된다. 상기 전극군(15)이 삽입되면 상기 캡 플레이트(17)가 상기 케이스(14)와 결합하여 상기 케이스(14)가 밀폐되고, 전해액이 주입된다.

도 3은 도 1의 각 부품이 조립된 상태에서 B-B선을 따라 절단하여 본 단면도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 전극군(15)과 케이스(14) 사이에는 지지부재(27)가 개재된다. 또한, 상기 지지부재(27)는 불소수지로 이루어지며, 특히 PTFE(Polytetrafluoroethylene), PFA(Perfluoroalkoxy), FEP (Fluoroethylenepropylene), PVDF(Polyvinylidenefluoride)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진다. 불소수지는 내열성 및 내화학성이 우수하여 고온에서도 잘 견디며, 전해액과 반응하지 않아서 안정적으로 상기 전극군을 지지할 수 있다.

본 실시예에 따른 상기 지지부재(27)는 상기 평탄부(15a)의 전면와 상기 볼록부(15b)의 일부에 접하도록 상기 전극군(15)에 양면에 각각 설치되고, 양측 단부가 경사진 구조로 이루어진다. 본 실시예에서는 상기 경사부가 직선형태로 이루어져서 상기 지지부재(27)의 단면이 사다리꼴을 이루고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 볼록부(15b)의 경사진 부분과 대응되는 다양한 구조로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 단위전지(10)가 충전과 방전을 되풀이하는 동안 상기 전극군(15)이 팽창을 수축을 반복하게 되고, 상기 지지부재(27)는 상기 케이스(14)와 상기 전극군(15) 사이에서 상기 전극군(15)의 평탄부(15a)를 가압하여, 상기 전극군(15)의 형태가 유지되도록 함으로써, 상기 전극군(15)에 간극이 생기는 것을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예와 다른 실시예에 따른 지지부재(27)를 세로로 절단하여 본 종단면도이다.

도 4(a)에 도시된 바와 같이 상기 지지부재(27)의 단면 형상은 사다리꼴로 이루어질 수 있다. 상기 지지부재(27)에서 평탄부(15a)와 맞닿는 부분은 긴 직선으로 이루어지고, 상기 볼록부(15b)와 맞닿는 부분은 경사지도록 형성되어 상기 평탄부(15a)를 안정적으로 지지하고, 상기 볼록부(15b)의 일부와도 안정적으로 접할 수 있는 구조로 이루어진다.

그리고 상기 지지부재(27)의 단면 형상은 도 4(b)에 도시된 바와 같이 직선과 상기 직선의 양측단을 연결하는 곡선으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 곡선은 완만한 호 형상으로 형성되어, 중앙으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 구조로 이루어진다. 따라서 상기 지지부재(27)는 상기 전극군(15)의 중앙부분을 강하게 가압하고 가장자리로 갈수록 느슨한 구조로 이루어진다. 따라서 상기 전극군(15)은 중앙부분에서 양쪽 가장자리로 갈수록 볼록한 구조로 이루고 이러한 구조로 팽창과 수축을 반복하여, 일정한 형상을 유지할 수 있다.

그리고 상기 지지부재(27)의 단면 형상은 도 4(c)에 도시된 바와 같이 나란 히 배열된 직선과 상기 직선의 양측단을 연결하는 곡선으로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 직선 부분은 상기 전극군의 평탄부(15a)를 가압하고 곡선부는 상기 볼록부(15b)의 형상을 따라 가압하여 상기 전극군(15)의 형태를 따라 일정하게 가압하여, 상기 전극군(15)의 형상이 일정하도록 유지될 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 있으며 반드시 그 용도가 이에 한정되는 것은 아니다.

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 전극군과 케이스 사이에 지지부재가 설치되어 상기 케이스를 가압하므로, 상기 전극군의 형상이 일정하게 유지됨으로써, 상기 전극군 내부에 간극이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (8)

1. 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극과 음극을 포함하는 전극군;

   상기 전극군이 삽입되는 공간을 구비한 케이스; 및

   상기 전극군과 상기 케이스 사이에 개재되어 상기 전극군의 양쪽 면에서 상기 전극군에 밀착되는 지지부재;

   를 포함하는 이차 전지.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 전극군은 평평하게 이루어진 평탄부와 상기 평탄부의 양측 가장지리에 형성되는 볼록부를 포함하고, 상기 지지부재는 상기 볼록부 사이의 평탄부에 위치하는 이차 전지.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 지지부재는 사다리꼴 단면 구조로 이루어지는 이차 전지.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 지지부재는 호형 단면 구조로 이루어지는 이차 전지.
6. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 지지부재는 양측단이 만곡되는 단면 구조로 이루어지는 이차 전지.
7. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 지지부재는 PTFE (Polytetrafluoroethylene), PFA (Perfluoroalkoxy), FEP (Fluoroethylenepropylene), PVDF (Polyvinylidene fluoride)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 이차전지.
8. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 이차전지는 모터 구동용인 이차전지.

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