KR101254692B1 - 안정성이 향상된 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 이차 전지를 개시한다. 본 발명에 따른 이차 전지는, 반대 극성의 전극 리드가 부착되어 있는 셀 어셈블리; 및 상기 전극 리드의 일부가 평행하게 노출되도록 상기 셀 어셈블리를 밀봉하는 파우치 케이스를 포함하고, 상기 파우치 케이스의 최대 스웰링 상태에서 전극 리드 중심축의 최대 기울기 각도를 θmax라 할 때, 노출된 전극 리드의 폭 W와 높이 H, 상기 반대 극성을 가진 전극 리드의 중심 거리 D, 그리고 반대 극성을 가진 전극 리드의 중심 거리 D가 다음 조건 1 및 2를 만족하는 것을 특징으로 한다.
조건1: -W/2*Cos(θmax) - H*Sin(θmax) > -D/2.
조건2: W/2*Sin(θmax) + H*Cos(θmax) > 0.

Description

안정성이 향상된 이차 전지{Safety-improved secondary battery}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스웰링 현상으로 인한 전극 리드의 단락을 방지할 수 있도록 안정성이 향상된 이차 전지에 관한 것이다.
리튬 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
리튬 이차 전지는 제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등을 가지므로 휴대용 기기뿐만 아니라 전기 자전거(E-bike), 전동 공구(Power tool), 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HV, Hybrid Vehicle), 대용량 전력 저장 장치 등에도 응용되고 있다.
이차 전지는 외장재의 종류에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류되는데, 이 중 파우치형 이차 전지는 제조가 용이하고 제조 원가가 낮으며 복수의 단위 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 대용량의 전지 팩을 구성하기 쉽다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차 전지의 개략적인 구조를 도시한 분해 사시 도이다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차 전지(10)는 파우치 케이스(20) 및 셀 어셈블리(30)를 기본 구조로 포함한다.
상기 셀 어셈블리(30)는 음극판, 세퍼레이터 및 양극판을 포함하는 단위 셀을 반복적으로 적층시킨 구조를 가진다. 각각의 단위 셀에는 양극 탭(31)과 음극 탭(32)이 구비되며, 양극 탭(31) 및 음극 탭(32) 들은 일정한 방향으로 수렴된 후, 절연 테이프(33)가 부착된 양극 리드(34) 및 음극 리드(35) 각각과 저항 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 등의 방법으로 접합된다. 상기 전극 리드(34, 35)는 이차 전지와 외부 적용 기기 등을 상호 전기적으로 연결하는 기능을 수행한다.
상기 셀 어셈블리(30)는 파우치 케이스(20)에 의해 정의되는 내부 공간에 탑재된 후, 전해액 주입부(40)를 제외하고 파우치 케이스(20)의 주변부를 열 융착하여 실링하는 공정, 상기 전해액 주입부(40)를 통해 전해액을 주입하는 공정, 상기 전해액 주입부(40)를 열 융착하여 파우치 케이스(20)를 완전히 밀봉하는 공정, 전해액 주입부(40)의 불필요한 잔여 부분(50)을 재단하는 공정, 이차 전지를 숙성하는 공정, 초기 충전 및 테스트 등의 후처리 공정을 거쳐 이차 전지로 제조된다.
파우치형 이차 전지(10)는 충방전 사이클이 반복됨에 따라 전해액에서 가스가 발생하여 파우치 케이스(20)가 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생한다. 스웰링 현상에 의한 파우치 케이스(20)의 부품 정도는 이차 전지(10)의 내부에서 단락이 생기거나, 과충전, 과방전, 과열 등과 같은 이상 상황이 발생하면 더욱 심화되는 경향이 있다.
도 2는 스웰링 현상에 의해 파우치 케이스(20)가 상당히 부풀어 오른 이차 전지(10)의 외관을 도시한 사시 도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 스웰링 정도가 과도하면 파우치 케이스(20) 내부의 가스 압력으로 파우치 케이스(20)가 마치 풍선처럼 부풀어 오른다. 보통은 파우치 케이스(20)의 모서리 부분이 상대적으로 덜 팽창하므로 파우치 케이스(20)의 네 변이 오목한 모양으로 변형된다. 이러한 형상 변형이 발생하면 양극 리드(34)와 음극 리드(35)는 평행한 상태를 유지하고 못한다. 즉, 양극 리드(34)와 음극 리드(35)의 중심 축이 이차 전지(10)의 중심 축 방향으로 기울어지면서 양극 리드(34)와 음극 리드(35)의 마주보는 변이 서로 가까워진다.
따라서 스웰링 정도가 더 심화되어 양극 리드(34)와 음극 리드(35)의 중심 축이 안쪽으로 더 기울어지면 양극 리드(34)와 음극 리드(35)가 서로 맞닿게 되어 단락 상태가 된다. 단락 상태가 되면 짧은 시간 동안 상당히 많은 전류가 흐르게 되므로 이 과정에서 이차 전지(10)가 과열되어 화재가 발생할 수도 있고 스웰링 정도가 극에 달하여 심지어는 파우치 케이스(20)가 폭발하는 사고도 발생할 수 있다. 따라서 파우치형 이차 전지(10)의 설계 시에는 이러한 문제를 해결할 수 있는 방안이 강구될 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 스웰링 현상으로 인한 단락 사고를 방지할 수 있도록 안전성이 향상된 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 안전성이 향상된 이차 전지는, 반대 극성의 전극 리드가 부착되어 있는 셀 어셈블리; 및 상기 전극 리드의 일부가 평행하게 노출되도록 상기 셀 어셈블리를 밀봉하는 파우치 케이스를 포함하고, 상기 파우치 케이스의 최대 스웰링 상태에서 전극 리드 중심축의 최대 기울기 각도를 θmax라 할 때, 노출된 전극 리드의 폭 W와 높이 H, 상기 반대 극성을 가진 전극 리드의 중심 거리 D, 그리고 반대 극성을 가진 전극 리드의 중심 거리 D가 다음 조건 1 및 2를 만족한다.
조건1: -W/2*Cos(θmax) - H*Sin(θmax) > -D/2
조건2: W/2*Sin(θmax) + H*Cos(θmax) > 0
바람직하게, 상기 셀 어셈블리는, 양극 활물질이 코팅된 양극판과, 음극 활물질이 코팅된 음극판과, 상기 양극판과 음극판을 전기적으로 분리하는 세퍼레이터를 포함하는 단위 셀이 분리막을 사이에 두고 적어도 2개 이상 적층된 구조를 가진다.
본 발명에 있어서, 상기 전극 리드는 양극 리드 및 음극 리드를 포함하고, 상기 양극 리드는 상기 양극판에 구비된 양극 탭에, 상기 음극 리드는 상기 음극판에 구비된 음극 탭에 전기적으로 접속된다. 바람직하게, 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드는 각각 복수의 음극 탭 및 복수의 양극 탭과 접합된다.
바람직하게, 상기 전극 리드와 상기 파우치 케이스의 접합 면에는 절연 테이프가 개재된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 조건 1은 다음과 같이 변형될 수 있다.
조건1: -W/2*Cos(θmax) - H*Sin(θmax) > -D/2 + △D
여기서, 상기 △D는 파우치 케이스의 스웰링이 이루어지는 동안 전극 리드 회전 중심의 가로 방향 변화량에 따른 안전 마진이다. 상기 파우치 케이스가 스웰링되는 동안 전극 리드 회전 중심이 이차 전지의 중심 축 방향으로 이동한 량을 σ라 하면 △D는 σ 이상의 값을 가진다. 반대로, 상기 파우치 케이스가 스웰링되는 동안 전극 리드 회전 중심이 이차 전지의 중심 축 방향으로부터 멀어진 량을 σ라 하면 △D 는 -σ 이상의 값을 가진다.
삭제
본 발명의 일 측면에 따르면, 파우치형 이차 전지에서 극단적인 스웰링 현상이 발생하더라도 양극 리드와 음극 리드가 맞닿아 이차 전지의 단락이 발생되는 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 스웰링 현상이 일어나는 과정에서 전극 리드의 회전 중심이 변화되더라도 양극 리드와 음극 리드가 맞닿아 이차 전지의 단락이 발생되는 문제를 해결할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 파우치형 이차 전지의 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 종래의 파우치형 이차 전지에서 스웰링 현상이 발생되어 파우치 케이스가 부풀어 오른 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 이차 전지의 구조적 특징을 설명하기 위한 이차 전지의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지에 포함된 셀 어셈블리의 구조를 도시한 분해 사시 도이다.
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 일 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.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 안전성이 향상된 이차 전지의 구조적 특징을 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 셀 어셈블리의 구조를 분해하여 도시한 분해 사시 도이다.
도면들을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지(100)는 파우치형의 이차 전지로서 파우치 케이스(110) 내에 셀 어셈블리(120)가 수납된 구조를 가진다. 셀 어셈블리(120)는 공지된 파우치형 이차 전지와 마찬가지로 단위 셀(130)의 집합체로 이루어진다.
단위 셀(130)은 양극 활물질이 코팅된 양극판(131), 음극 활물질이 코팅된 음극판(132), 및 상기 양극판(131)과 음극판(132)을 전기적으로 분리하는 세퍼레이터(133)를 포함한다. 양극 활물질과 음극 활물질은 양극판(131)과 음극판(132)의 어느 한쪽 표면 또는 양쪽 표면에 코팅될 수 있다. 인접하는 단위 셀(130) 사이에는 전기적 절연을 위한 분리막(140)이 개재된다.
상기 양극판(131)은 알루미늄 재질이 주로 이용된다. 대안적으로, 상기 양극판(131)은 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다. 나아가, 이차 전지에 화학적 변화를 야기시키지 않고 높은 도전성을 가지는 재질이라면 양극판으로 사용하는데 제한이 없다.
상기 양극판(131)의 일부 영역에는 양극 탭(135)이 구비되는데 양극 탭(135)은 상기 양극판(131)이 연장되는 형태로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 양극판(131)의 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접 등을 통하여 접합하는 형태로 구성하는 것도 가능하다. 또한 양극 재료를 상기 양극판(131) 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하여 양극 탭(135)을 형성하여도 무방하다.
상기 양극판(131)에 대응되는 음극판(132)은 주로 구리 재질이 이용된다. 대안적으로, 음극판(132)은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있고, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 음극판(132)은 상기 양극판(131)과 같이 표면에 미세한 요철 구조를 형성하여 활물질의 결합력이 강화되도록 구성할 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 구현될 수 있음은 물론이다.
상기 음극판(132) 또한 일부 영역에 음극 탭(136)이 구비되며, 앞서 설명된 양극 탭(135)과 같이 상기 음극판(132)에서 연장되는 형태로 구현될 수 있음은 물론, 음극판(132) 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접하는 등의 방법으로 접합할 수도 있으며, 음극 재료를 상기 음극판(132) 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하는 방식 등으로 형성하는 것도 가능하다.
상기 양극 활물질로는 리튬함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물을 모두 사용할 수 있다. 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 또는 Li1+zNi1-x-yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, 0≤Z≤1M은 Al, Sr, Mg, La, Mn 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질과 음극 활물질의 종류와 화학적 조성은 이차 전지의 종류에 따라 얼마든지 달라질 수 있으므로 상기에서 열거한 구체적인 예는 하나의 예시에 불과하다는 것을 이해하여야 한다.
상기 세퍼레이터(133)는 양극판(131)과 음극판(132) 사이의 단락을 방지한다. 또한, 상기 세퍼레이터(133)는 전하를 띈 대전 입자, 예컨대 리튬 이온의 이동통로를 제공한다. 상기 세퍼레이터(133)는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포와 같은 공지된 것을 사용할 수 있다.
단위 셀(130)의 구조는 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다. 따라서 단위 셀(130)은 최 외곽 전극의 극성이 동일한 바이 셀 또는 최 외곽 전극의 극성이 서로 반대인 풀 셀 구조를 모두 가질 수 있다.
풀 셀은 양극판/세퍼레이터/음극판을 기본 구조로 하여 셀의 최 외곽에 양극판과 음극판이 위치하는 구조를 가진 셀이다. 풀 셀의 예로는, 가장 기본적인 구조의 양극판/세퍼레이터/음극판 셀과, 양극판/세퍼레이터/음극판/세퍼레이터/양극판/세퍼레이터/음극판 셀 등을 들 수 있다.
바이 셀은 양극판/세퍼레이터/음극판/세퍼레이터/양극판의 단위 구조 및 음극판/세퍼레이터/양극판/세퍼레이터/음극판의 단위구조와 같이 셀의 최 외곽에 동일한 극성의 전극이 배치되는 구조를 가진 셀이다.
상기 셀 어셈블리(120)는 도면에 도시된 단순 적층형 구조 이외에도 다양한 구조를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 셀 어셈블리(120)는 스택-폴딩형 구조를 가질 수 있다. 스택-폴딩형 구조는 단위 셀을 분리막 위에 일정한 간격으로 배치한 후 분리막을 일정한 방향으로 폴딩하여 형성한 구조이다. 스택-폴딩형 구조는 본 출원인의 한국공개특허 10-2008-0095967 등에 개시되어 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명은 셀 어셈블리(120)의 구체적인 구조에 한정되지 않는다. 따라서 파우치형 케이스(110) 내에 수납될 수 있다고 알려진 셈 어셈블리 구조라면 어떠한 것이라도 본 발명에 따른 셀 어셈블리 구조로 채용이 가능하다.
양극 탭(135)과 음극 탭(136)은 각각 양극 리드(137) 및 음극 리드(138)와 접합된다. 공정성 향상을 위해 동일한 극성을 갖는 전극 탭들을 1차로 접합한 후 전극 탭들의 접합 부위를 전극 리드에 접합하는 것이 바람직하다. 전극 탭 간의 접합 또는 전극 탭과 전극 리드의 접합은 저항 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 등 공지의 용접 방법을 사용하여 실시하거나 도전성 접착제를 이용하여 실시할 수도 있다.
전극 리드와 전극 탭 간의 접합이 완료된 셀 어셈블리(120)는 전해액 주액 공정과 실링 공정을 통해 파우치 케이스(110)에 밀봉된다. 상기 파우치 케이스(110)는 금속 박막의 상부 표면과 하부 표면이 절연성 폴리머로 라미네이트된 구조를 가진다. 상기 금속 박막은 외부의 수분, 가스 등이 셀 어셈블리(120) 측으로 침투하는 것을 방지하며, 파우치 케이스(110)의 기계적 강도 향상과 함께 파우치 케이스(110)에 주입된 화학 물질이 외부로 유출되는 것을 방지한다. 금속 박막은 철, 탄소, 크롬 및 망간의 합금, 철, 크롬 및 니켈의 합금, 알루미늄 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있는데, 이에 한하는 것은 아니다. 상기 금속 박막을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아진다. 통상, 알루미늄 금속 호일이 바람직하게 사용된다.
상기 파우치 케이스(110)는 상부 케이스와 하부 케이스로 구성된다. 하부 케이스에는 셀 어셈블리(120)의 하부가 안착될 수 있도록 셀 어셈블리(120)의 하부 형상에 대응되는 요홈이 마련된다. 또한 상부 케이스에도 셀 어셈블리(120)의 상부가 안착될 수 있도록 셀 어셈블리(120)의 상부 형상에 대응되는 요홈이 마련된다. 상기 요홈은 경우에 따라 생략하여도 무방하다. 그리고 상부 케이스와 하부 케이스는 상호 분리되어 있을 수도 있고, 한 변을 공유하여 서로 연결되어 있을 수도 있다.
상기 하부 케이스의 요홈에 셀 어셈블리(120)가 안착되면 상부 케이스로 셀 어셈블리(120)의 상부를 덮고 하부 케이스와 상부 케이스의 주변부를 열 실링 공정을 통해 밀봉한다.
열 실링 공정의 진행을 위해 파우치 케이스의 내면에는 열접착층으로서, 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene: CPP)과 같은 변성 폴리프로필렌, 폴리프로필렌과 부틸렌과 에틸렌 삼원 공중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 열접착층은 대략 30 내지 40um의 두께를 가지며, 금속 박막에 코팅 또는 라미네이팅될 수 있다. 또한 파우치 케이스(110)의 외면에는 금속 박막이 외부에 노출되는 것을 방지하고 금속 박막의 스크래치 등을 방지하기 위해 통상 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트으로 이루어진 외부층이 구비된다.
열 실링 공정의 진행 시, 파우치 케이스 내에 셀 어셈블리(120)의 전기화학적 작동을 위해 필요한 전해액을 주입하기 위해 하부 케이스와 상부 케이스의 주변부 중 일부, 즉 전해액 주입부를 제외하고 열 실링을 한 후 전해액 주액을 하고 전해액 주입부를 열 실링하면 파우치 케이스(110) 내에 셀 어셈블리(120)가 밀봉된다.
파우치 케이스(110)와 전극 리드(137, 138)의 접착성을 향상시키기 위해 전극 리드(137, 138)에는 절연 테이프(141)가 구비되는 것이 바람직하다. 절연 테이프(141)는 전극 리드(137, 138)와 파우치 케이스(110)의 접착성을 향상시키면서도 절연성이 있는 물질이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 예로, 상기 절연 테이프(141)는 폴리에틸렌, 폴리아세틸렌, PTFE, 나일론, 폴리이미드, 폴리에틸렌탈레프탈레이트, 폴리프로필렌, 또는 이들의 합성 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 파우치형 이차 전지(100)는 상술한 특징 이외에 극단적인 스웰링 현상이 발생되더라도 양극 리드(137)와 음극 리드(138) 사이의 전기적 단락을 방지할 수 있는 구조적 특징을 가진다.
여기서, 극단적인 스웰링 현상이라 함은 파우치 케이스(110) 내에 형성된 가스 압력이 파우치 케이스(110)의 실링 강도를 넘어서기 직전까지 파우치 케이스(110)가 부풀어 오른 상태를 말한다. 극단적인 스웰링 현상이 발생되면 파우치 케이스(110) 내의 가스 압력이 조금만 증가하여도 파우치 케이스(110)가 파열되면서 가스가 외부로 분출된다.
본 발명에서는, 극단적인 스웰링 현상이 발생했을 때 양극 리드(137)와 음극 리드(138)의 중심 축 C'의 기울기 각도를 최대 기울기 각도 θmax라고 정의한다. 즉, 최대 기울기 각도 θmax는, 스웰링 현상이 발생되기 전을 기준으로 한 전극 리드(137, 138)의 중심 축 C와 스웰링 현상이 발생되었을 때를 기준으로 한 전극 리드(137, 138)의 중심 축 C'이 이루는 각도의 최대 값을 말한다.
최대 기울기 각도 θmax는 이차 전지 마다 고유하게 결정된다. 파우치 케이스(110)의 재질, 실링 폭과 면적, 파우치 케이스(110)의 면적 등에 따라 이차 전지의 스웰링 한계가 가변적으로 결정되기 때문이다.
최대 기울기 각도 θmax는, 동일한 규격으로 생산된 복수의 이차 전지를 동일한 스웰링 환경, 예컨대 규격을 넘는 과충전에 지속적으로 노출시키고 파우치 케이스(110)가 파열되기 직전에 측정한 기울기 각도의 평균 값으로 결정할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지(100)는, 극단적인 스웰링 현상이 발생하더라도 양극 리드(137)와 음극 리드(138)가 서로 맞닿는 것을 방지하기 위해, 상기 최대 기울기 각도 θmax를 고려하여 파우치 케이스(110)의 외부로 노출되어 있는 전극 리드(137, 138)의 폭 W와 높이 H, 그리고 양극 리드(137)와 음극 리드(138)의 중심 거리 D가 다음 조건1 및 2를 만족한다. 여기서, 중심 거리 D는 스웰링 현상이 발생되기 전을 기분으로 양극 리드(137)와 음극 리드(138)의 중심 축 사이의 거리를 말한다.
조건1: -W/2*Cos(θmax) - H*Sin(θmax) > -D/2
조건2: W/2*Sin(θmax) + H*Cos(θmax) > 0
상기 조건1 및 조건2가 유도되는 과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
극단적인 스웰링 현상이 발생되었을 때 양극 리드(137)와 음극 리드(138)의 마주 보는 변이 맞닿지 않기 위해서는, 음극 리드(138)의 우측 모서리와 양극 리드(137)의 좌측 모서리가 이차 전지(100)의 중심축 O에 닫지 않아야 한다.
위와 같은 조건을 양극 리드를 중심으로 수학적으로 해석해 보기로 한다.
먼저 양극 리드(137)의 중심 축 C와 파우치 케이스(110)가 만나는 지점을 원점으로 하는 2차원 좌표 계를 설정한다. 그러면 양극 리드(137)의 좌측 모서리에 (-W/2, H)라는 좌표 부여가 가능하다. 스웰링 현상이 일어나면 양극 리드(137)가 반 시계 방향으로 회전을 하게 되므로 상기 좌표 (-W/2, H) 또한 동일한 각도로 회전한다.
2차원 좌표의 회전 변환은 다음과 같은 수학식에 의해 산출이 가능하다.
X' = X*Cos(θ) - Y*Sin(θ)
Y' = X *Sin(θ) + Y*Cos(θ)
상기 수학식에서, (X, Y)는 회전 변환 되기 전의 좌표, (X', Y')은 회전 변환된 후의 좌표, 그리고 각도 θ는 좌표의 회전 각도이다.
위와 같은 좌표의 회전 변환을 고려하면, 양극 리드(137)의 중심 축 C가 최대 기울기 각도 θmax로 회전하면, 양극 리드(137)의 좌측 모서리의 좌표 (-W/2, H)은 다음의 좌표 (x, y)로 변환된다.
x =-W/2*Cos(θmax) - H*Sin(θmax)
y = W/2*Sin(θmax) + H*Cos(θmax)
한편, 양극 리드(137)의 좌측 모서리가 중심 축 O에 닫지 않기 위해서는 회전 변환 후의 x 좌표 값이 -D/2보다 커야 하고, 회전 변환된 후의 y 좌표가 0 보다 커야 한다. 이러한 조건을 상기 회전 변환된 좌표 값 x 및 y에 부여하면 상술한 조건 1 및 2를 도출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 최대 기울기 각도 θmax는 이차 전지마다 고유한 값으로 결정된다. 따라서 최대 기울기 각도 θmax 값을 조건 1 및 2에 대입한 후 조건 1 및 2가 만족되는 범위 내에서 전극 리드의 폭과 높이, 그리고 양극 리드와 음극 리드 사이의 중심 거리를 설정하면, 극단적인 스웰링 현상이 발생되더라도 양극 리드와 음극 리드의 접촉을 원천적으로 차단할 수 있다.
한편, 파우치 케이스(110)가 스웰링되는 동안 양극 리드(137)와 음극 리드의 회전 중심 α와 β는 경우에 따라 일정하게 고정되지 않을 수 있다. 또한, 양극 리드(137)와 음극 리드(138)를 다른 부재와 연결하기 위해서는 최소한의 공정성 확보를 위해 노출 높이 H가 어느 정도 확보되어야 한다. 따라서 다음과 같이 상기 조건 1 및 2에 소정의 안전 마진 △D와 △H를 추가로 부여하는 것이 보다 바람직하다.
조건1: -W/2*Cos(θmax) - H*Sin(θmax) > -D/2 + △D
조건2: W/2*Sin(θmax) + H*Cos(θmax) > 0 + △H
여기서, △D는 양극 리드(137)와 음극 리드(138)의 회전 중심 변화에 따른 안전 마진에 해당하고, △H는 전기적 연결 공정의 마진 확보를 위한 안전 마진에 해당한다.
△D는 θmax를 결정하는 과정에서 각 이차 전지에 대한 전극 리드의 회전 중심 변화를 측정하고 측정된 데이터로부터 산출하는 것이 가능하다.
예를 들어, 양극 리드(137)와 음극 리드(138)의 회전 중심이 이차 전지(100)의 중심 축 O를 향하여 가로 방향으로 σ(ex. 2mm)만큼 최종적으로 가까워 졌다고 하자. 그러면, 최종 기울기 각도 θmax를 기준으로 회전 변환한 후의 x 좌표는 '-W/2*Cos(θmax) - H*Sin(θmax) - σ'로 근사할 수 있다. 양극 리드(137)의 좌측 모서리 지점의 x 좌표가 양극 리드(137)의 회전 중심 이동에 의해 그 만큼 좌측으로 이동하였기 때문이다. 이 근사된 x 좌표를 'x > -D/2' 라는 조건에 대입하고 σ 를 오른쪽으로 이항하면 △D 값으로 σ를 얻을 수 있다. 그리고 회전 중심 이동 량의 계산 오차를 감안한다면, △D의 절대 값은 σ의 절대 값보다 큰 것이 바람직하다.
반대로, 양극 리드(137)와 음극 리드(138)의 회전 중심이 이차 전지(100)의 중심 축 O 로부터 가로 방향으로 σ(ex. 2mm)만큼 최종적으로 멀어졌다고 하자. 그러면, 최종 기울기 각도 θmax를 기준으로 회전 변환한 후의 x 좌표는 '-W/2*Cos(θmax) - H*Sin(θmax) + σ'로 근사할 수 있다. 양극 리드(137)의 좌측 모서리 지점의 x 좌표가 양극 리드(137)의 회전 중심 이동에 의해 그 만큼 우측으로 이동하였기 때문이다. 이 근사된 x 좌표를 'x > -D/2' 라는 조건에 대입하고 + σ 를 오른쪽으로 이항하면 △D 값으로 -σ를 얻을 수 있다. 그리고 회전 중심 이동 량의 계산 오차를 감안한다면, △D의 절대 값은 -σ의 절대 값보다 작은 것이 바람직하다.
△H는 공정 마진 확보를 위한 것이므로 적절하게 선택 가능하다. 일 예로, △H는 양극 리드(137)와 음극 리드(138)의 중심 거리 D를 기준으로 0.3 ~ 0.7D로 설정할 수 있다.
상기와 같이, 조건 1 및 2에 안전 마진을 추가적으로 고려하여 전극 리드의 폭과 높이, 그리고 전극 리드 사이의 중심 거리를 설정하면, 전극 리드를 타 부재와 접속하는 과정에서 공정성을 확보할 수 있는 것은 물론이고 파우치 케이스의 스웰링 과정에서 전극 리드의 회전 중심이 변화되더라도 음극 리드와 양극 리드가 맞닿는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 스웰링 현상에 의한 전극 리드의 기울어짐에 의해 양극 리드와 음극 리드가 서로 맞닿는 문제를 해결하기 위하여 전극 리드의 폭과 높이, 그리고 전극 리드 사이의 중심 거리에 특별한 조건을 부여한 데 기술적 특징이 있다.
따라서 본 발명은 파우치 케이스에 실장되는 셀 어셈블리의 구조, 단위 셀의 구조, 단위 셀의 종류, 단위 셀을 구성하는데 사용한 물질의 종류, 파우치 케이스의 재질, 파우치 케이스의 실링 파라미터 등에 의해 한정되지 않음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
상술한 실시 예에서, 상부, 하부 또는 상하 등으로 표현된 용어는 구성요소를 상대적으로 구분하거나 정의하기 위한 도구적 개념일 뿐이며, 절대적인 기준에서 물리적인 구성을 구분하기 위하여 사용된 용어가 아님은 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10, 100: 파우치형 이차 전지 20, 110: 파우치 케이스
31, 32, 135, 136: 전극 탭 34, 35, 137, 138: 전극 리드
Θmax: 최대 기울기 각도 C, C': 전극 리드의 중심 축
O: 이차 전지의 중심축

Claims (8)

  1. 반대 극성의 전극 리드가 부착되어 있는 셀 어셈블리; 및
    상기 전극 리드의 일부가 평행하게 노출되도록 상기 셀 어셈블리를 밀봉하는 파우치 케이스를 포함하고,
    상기 파우치 케이스의 최대 스웰링 상태에서 전극 리드 중심축의 최대 기울기 각도를 θmax라 할 때, 노출된 전극 리드의 폭 W와 높이 H, 상기 반대 극성을 가진 전극 리드의 중심 거리 D, 그리고 상기 파우치 케이스의 스웰링이 이루어지는 동안 전극 리드 회전 중심의 가로 방향 변화량에 따른 안전 마진 △D가 다음 조건 1 및 2를 만족하고,
    조건1: -W/2*Cos(θmax) - H*Sin(θmax) > -D/2 + △D
    조건2: W/2*Sin(θmax) + H*Cos(θmax) > 0
    상기 파우치 케이스가 스웰링되는 동안 전극 리드 회전 중심이 이차 전지의 중심 축 방향으로 이동한 량을 σ라 하면 △D는 σ 이상의 값을 가지고,
    상기 파우치 케이스가 스웰링되는 동안 전극 리드 회전 중심이 이차 전지의 중심 축 방향으로부터 멀어진 량을 σ라 하면 △D 는 -σ 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀 어셈블리는,
    양극 활물질이 코팅된 양극판과, 음극 활물질이 코팅된 음극판과, 상기 양극판과 음극판을 전기적으로 분리하는 세퍼레이터를 포함하는 단위 셀이 분리막을 사이에 두고 적어도 2개 이상 적층된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전극 리드는 양극 리드 및 음극 리드를 포함하고,
    상기 양극 리드는 상기 양극판에 구비된 양극 탭에, 상기 음극 리드는 상기 음극판에 구비된 음극 탭에 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 양극 리드 및 상기 음극 리드는 각각 복수의 음극 탭 및 복수의 양극 탭과 접합된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극 리드와 상기 파우치 케이스의 접합 면에 절연 테이프가 개재된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차 전지.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 조건 2는, W/2*Sin(θmax) + H*Cos(θmax) > 0 + △H 를 만족하고,
    ΔH가 0.3 ~ 0.7D의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차 전지.
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