KR102337490B1 - 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 전극 조립체에 기설정된 온도 이상에서 용융되는 고체 유기물층을 부착하여 전극 조립체의 스웰링이 발생하여도 전체적인 이차 전지의 두께를 일정하게 유지할 수 있는 이차 전지가 개시된다.
일 예로, 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 적어도 일면에 부착되는 고체 유기물층; 상단 개구부를 가지며 상기 전극 조립체, 고체 유기물층 및 전해액이 수용되는 케이스; 및 상기 케이스의 상단 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하는 이차 전지가 개시된다.
일 예로, 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 적어도 일면에 부착되는 고체 유기물층; 상단 개구부를 가지며 상기 전극 조립체, 고체 유기물층 및 전해액이 수용되는 케이스; 및 상기 케이스의 상단 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하는 이차 전지가 개시된다.
Description
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 팩이 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 및 파우치형을 들 수 있으며, 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 형성된 전극 조립체와 전해액을 케이스에 내장 설치하고, 케이스에 캡 플레이트를 설치하여 구성된다. 물론, 상기 전극 조립체에는 양극 단자 및 음극 단자가 연결되며, 이는 상기 캡 플레이트를 통하여 외부로 노출 및 돌출된다.
본 발명은 전극 조립체에 기설정된 온도 이상에서 용융되는 고체 유기물층을 부착하여 전극 조립체의 스웰링이 발생하여도 전체적인 이차 전지의 두께를 일정하게 유지할 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차 전지는 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 적어도 일면에 부착되는 고체 유기물층; 상단 개구부를 가지며 상기 전극 조립체, 고체 유기물층 및 전해액이 수용되는 케이스; 및 상기 케이스의 상단 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고체 유기물층은 상기 전해액과 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 고체 유기물층은 유기 용매와 리튬염의 혼합물로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 고체 유기물층은 기설정된 온도 이상에서 용융되어 전해액과 혼합될 수 있다.
또한, 상기 고체 유기물층은 외장재 및 상기 외장재에 수용되는 고체 유기물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 외장재는 적어도 하나의 홀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 고체 유기물은 기설정된 온도 이상에서 용융되어 상기 외장재의 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상기 외장재는 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌 및 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 물질 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 고체 유기물은 상기 전해액과 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 이차 전지는 전극 조립체에 기설정된 온도 이상에서 용융되는 고체 유기물층을 부착하여 전극 조립체가 스웰링에 의해 두께가 증가하더라도 고체 유기물층의 두께가 감소하여 전체적인 이차 전지의 두께를 일정하게 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절취한 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 4 및 도 5는 이차 전지의 스웰링 발생 전과 후를 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절취하여 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 고체 유기물층의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 고체 유기물층의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절취한 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 4 및 도 5는 이차 전지의 스웰링 발생 전과 후를 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절취하여 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 고체 유기물층의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 고체 유기물층의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도이다. 도 3은 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절취한 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 제 1 단자(120), 제 2 단자(130), 고체 유기물층(140), 케이스(150) 및 캡 조립체(160)를 포함한다.
상기 전극 조립체(110)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 제 1 전극판(111), 세퍼레이터(113), 제 2 전극판(112)의 적층체가 권취되거나 겹쳐서 형성된다. 여기서, 제 1 전극판(111)은 음극 역할을 할 수 있으며, 제 2 전극판(112)은 양극 역할을 할 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
상기 제 1 전극판(111)은 구리, 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금과 같은 금속 포일로 형성된 제 1 전극 집전체에 흑연 또는 탄소 등의 제 1 전극 활물질이 도포되어 형성된다. 상기 제 1 전극판(111)은 제 1 전극 활물질이 도포된 영역인 제 1 전극 활물질층(111a) 및 제 1 전극 활물질이 도포되지 않는 영역인 제 1 전극 무지부를 포함한다. 상기 제 1 전극 무지부는 제 1 전극판(111)과, 제 1 전극판 외부 간의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 제 1 전극판(111)의 재질이 한정되지 않는다.
상기 제 2 전극판(112)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 포일로 형성된 제 2 전극 집전체에 전이금속산화물 등의 제 2 전극 활물질이 도포되어 형성된다. 상기 제 2 전극판(112)은 제 2 전극 활물질이 도포된 영역인 제 2 전극 활물질층(112a) 및 제 2 전극 활물질이 도포되지 않는 영역인 제 2 전극 무지부를 포함한다. 상기 제 2 전극 무지부는 제 2 전극판(112)과, 제 2 전극판 외부 간의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 상기 제 2 전극판(112)의 재질이 한정되지 않는다.
상기와 같은 제 1 전극판(111) 및 제 2 전극판(112)은 극성을 달리하여 배치될 수 있다.
세퍼레이터(113)는 제 1 전극판(111)과 제 2 전극판(112) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 한편, 본 발명에서 상기 세퍼레이터(113)의 재질이 한정되지 않는다.
이러한 전극 조립체(110)는 실질적으로 전해액과 함께 상기 케이스(150)에 수납된다. 상기 전해액은 유기 용매에 리튬염이 용해된 혼합물로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 유기 용매는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 등이 사용될 수 있다. 상기 에스테르계 용매로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르계 용매로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있다. 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 비양성자성 용매로는 R-CN(R은 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상, 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류 디메틸포름아미드 등의 아미드류, 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류, 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이러한 상기 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 리튬염은 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용한다. 즉, 상기 리튬염은 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 하고, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다. 이러한 리튬염의 대표적인 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO2C2F5)2, Li(CF3SO2)2N, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI 및 LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이트 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 구성될 수 있다.
한편, 상기 제 1 전극판(111)과 제 2 전극판(112)의 적어도 일 개소에는 제 1 전극탭(111b) 및 제 2 전극탭(112b)이 접속될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 1 전극탭(111b)은 상기 전극 조립체(110)와 제 1 단자(120) 사이에 개재되고, 상기 제 2 전극탭(112b)은 상기 전극 조립체(110)와 제 2 단자(130) 사이에 개재된다. 본 명세서를 통하여 제 1 전극탭(111b) 및 제 2 전극탭(112b)은 전극탭(111b, 112b)으로 총괄적으로 호칭될 수 있다.
실질적으로, 상기 제 1 전극탭(111b)은 상기 전극 조립체(110)의 제 1 전극판(111) 중 제 1 활물질(111a)이 도포되지 않은 제 1 무지부 자체이거나, 또는 제 1 무지부에 접속된 별도 부재일 수 있다. 또한, 상기 제 2 전극 탭(112b)은 상기 전극 조립체(110)의 제 2 전극판(112) 중 제 2 활물질(112a)이 도포되지 않은 제 2 무지부 자체이거나, 또는 상기 제 2 무지부에 접속된 별도의 부재일 수 있다.
상기 제 1 전극 탭(111b)은 상기 전극 조립체(110)의 상단으로부터 후술될 상기 제 1 단자(120)의 하단을 향하여 연장되며, 상기 제 2 전극 탭(112b)은 상기 전극 조립체(110)의 상단으로부터 후술될 상기 제 2 단자(130)의 하단을 향하여 연장된다. 각각의 상기 제 1 전극탭(111b) 및 제 2 전극탭(112b)은 상기 제 1 단자(120) 및 제 2 단자(130)에 직접 전기적으로 접속 또는 용접된다.
고용량 고출력 배터리의 경우에는 전극 조립체(110) 자체로부터 다수의 전극탭(111b, 112b)이 연장되므로 높은 출력 전류를 얻을 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체(110)가 갖는 전극 탭(111b, 112b, 무지부 자체 또는 별도 부재)이 직접 단자에 전기적으로 접속되어 전기적 경로가 짧아짐으로써, 전극 조립체와 단자 사이의 전기적 접속 공정이 간단할 뿐만 아니라 이차 전지의 내부 저항 및 부품 개수가 감소한다. 더불어, 상기 전극 조립체(110)가 갖는 권취 축과 상기 제 1, 2 단자(120, 130)가 갖는 단자 축이 상호간 대략 평행 또는 수평하게 형성됨으로써, 전해액 주입 시 전극 조립체의 전해액 함침성이 우수할 뿐만 아니라, 과충전 시 내부 가스가 안전벤트로 신속하게 이동하여 안전벤트가 빠르게 동작한다.
상기 제 1 단자(120)는 상기 제 1 전극판(111)과 전기적으로 연결되며, 제 1 단자 기둥(121) 및 제 1 단자 플레이트(122)를 포함한다.
상기 제 1 단자 기둥(121)은 후술되는 캡 플레이트(161)를 관통하여 상부로 일정 길이 돌출 및 연장된다. 상기 제 1 단자 기둥(121)은 상기 캡 플레이트(161)의 하부에서 상기 제 1 전극탭(111b)과 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 제 1 단자 기둥(121)은 상기 캡 플레이트(161)의 하부에서 상기 제 1 단자 기둥(121)이 캡 플레이트(161)로부터 빠지지 않도록 형성된 플랜지(121a)를 포함한다. 특히, 상기 플랜지(121a)에는 상기 제 1 전극탭(111b)이 전기적으로 접속 또는 용접된다. 한편, 상기 제 1 단자 기둥(121)은 상기 캡 플레이트(161)와 전기적으로 절연된다.
상기 제 1 단자 플레이트(122)는 그 중앙에 홀(미도시)을 포함한다. 그리고 상기 홀에는 상기 제 1 단자 기둥(121)이 결합되고 용접된다. 즉, 상부로 노출된 상기 제 1 단자 기둥(121)과 상기 제 1 단자 플레이트(122)의 경계 영역은 상호간 용접된다. 예를 들면, 레이저 빔이 상부로 노출된 상기 제 1 단자 기둥(121)과 제 1 단자 플레이트(122)의 경계 영역에 제공됨으로써, 상기 경계 영역이 상호간 용융 및 냉각되어 용접된다.
상기 제 2 단자(130)는 상기 제 2 전극판(112)과 전기적으로 연결되며, 제 2 단자 기둥(131) 및 제 2 단자 플레이트(132)를 포함한다.
상기 제 2 단자 기둥(131)은 후술되는 캡 플레이트(161)를 관통하여 상부로 일정 길이 돌출 및 연장된다. 상기 제 2 단자 기둥(131)은 상기 캡 플레이트(161)의 하부에서 상기 제 2 전극탭(112b)와 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 제 2 단자 기둥(131)은 상기 캡 플레이트(161) 하부에서 상기 제 2 단자 기둥(131)이 캡 플레이트(161)로부터 빠지지 않도록 형성된 플랜지(131a)를 포함한다. 특히, 상기 플랜지(131a)에는 상기 제 2 전극탭(112b)이 전기적으로 접속 또는 용접된다. 한편, 상기 제 2 단자 기둥(131)은 상기 캡 플레이트(161)와 전기적으로 절연된다. 또는, 상기 제 2 단자 기둥(131)은 상기 캡 플레이트(161)와 전기적으로 연결될 수도 있다.
상기 제 2 단자 플레이트(132)는 홀(미도시)을 포함한다. 그리고 상기 홀에는 상기 제 2 단자 기둥(131)이 결합되고 용접된다. 즉, 상부로 노출된 상기 제 2 단자 기둥(131)과 제 2 단자 플레이트(132)의 경계 영역은 상호간 용접된다. 예를 들면, 레이저 빔이 상부로 노출된 상기 제 2 단자 기둥(131)과 제 2 단자플레이트(132)의 경계 영역에 제공됨으로써, 상기 경계 영역이 상호간 용융 및 냉각되어 용접된다.
상기 고체 유기물층(140)은 상기 전극 조립체(110)의 일측면 및 타측면에 부착된다. 보다 구체적으로, 상기 고체 유기물층(140)은 상기 전극 조립체(110)의 측면들 중 상대적으로 면적이 큰 한 쌍의 장측면을 덮도록 형성된다. 이 때, 상기 고체 유기물층(140)은 상온에서는 고체 형태로 존재하며, 기설정된 온도 이상에서 용융되는 특성을 갖는다. 따라서, 상기 이차 전지(100)의 지속적인 사용에 의해 열화 및 스웰링(swelling)이 발생하더라도, 상기 이차 전지(100)에서 발생된 열에 의해 고체 유기물층(140)이 녹아 점점 그 두께가 감소하므로 전체적인 이차 전지(100)의 두께를 유지할 수 있다. 이러한 상기 고체 유기물층(140)에 대해서는 후에 보다 자세히 설명하도록 한다.
상기 케이스(150)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성되며, 상기 전극 조립체(110), 제 1 단자(120) 및 제 2 단자(130)가 삽입 안착될 수 있는 개구부가 형성된 대략 육면체 형상으로 이루어진다. 즉, 상기 케이스(150)는 상호 일정 거리 이격되어 서로 마주보는 두 쌍의 측변부와 상기 두 쌍의 측변부의 하부에 이들과 수직으로 형성된 바닥부를 포함한다. 상기 케이스(150)의 내면은 절연 처리되어 상기 전극 조립체(110), 제 1 단자(120), 제 2 단자(130) 및 캡 조립체(160)와 절연될 수 있다.
상기 캡 조립체(160)는 상기 케이스(150)에 결합된다. 즉, 상기 캡 조립체(160)는 상기 케이스(150)의 개구부를 밀폐시킨다. 상기 캡 조립체(160)는 구체적으로 캡 플레이트(161), 시일 가스켓(162c), 마개(163), 안전벤트(164), 상부 절연부재(162a) 및 하부 절연부재(162b)를 포함한다.
상기 캡 플레이트(161)는 상기 케이스(150)의 개구를 밀봉하며, 상기 케이스(150)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 캡 플레이트(161)는 레이저 용접 방식으로 상기 케이스(150)에 결합될 수 있다. 여기서, 상기 캡 플레이트(161)는 상술한 바와 같이 상기 제 2 단자(130)와 동일한 극성을 가질 수 있으므로, 상기 캡 플레이트(161) 및 케이스(150)는 동일한 극성을 가질 수 있다.
상기 시일 가스켓(162c)은 절연성 재질로 상기 제 1 단자 기둥(121) 및 제 2 단자 기둥(131) 각각과 캡 플레이트(161) 사이에 형성되어, 상기 제 1 단자 기둥(121) 및 제 2 단자 기둥(131) 각각과 캡 플레이트(161) 사이를 밀봉시킨다. 상기 시일 가스켓(162c)은 외부의 수분이 상기 이차 전지(100)의 내부에 침투하지 못하도록 하거나, 상기 이차 전지(100)의 내부에 수용된 전해액이 외부로 유출되지 못하도록 한다.
상기 마개(163)는 상기 캡 플레이트(161)의 전해액 주입구(161a)를 밀봉한다. 또한, 상기 안전벤트(164)는 상기 캡 플레이트(161)의 벤트홀(161b)에 설치되며, 설정된 압력에서 개방될 수 있도록 노치(164a)가 형성된다.
상기 상부 절연부재(162a)는 상기 제 1 단자 기둥(121) 및 제 2 단자 기둥(131) 각각과 캡 플레이트(161) 사이에 형성된다. 또한, 상기 상부 절연부재(162a)는 상기 캡 플레이트(161)와 밀착된다. 더욱이, 상기 상부 절연부재(162a)는 상기 시일 가스켓(162c)에도 밀착될 수 있다. 이러한 상부 절연부재(162a)는 상기 제 1 단자 기둥(121) 및 제 2 단자 기둥(131)과 캡 플레이트(161)를 절연시킨다.
상기 하부 절연부재(162b)는 상기 제 1 전극 탭(111b) 및 제 2 전극 탭(112b) 각각과 캡 플레이트(161) 사이에 형성되어, 불필요한 단락의 발생을 방지한다. 즉, 상기 하부 절연부재(162b)는 상기 제 1 전극 탭(111b)과 캡 플레이트(161) 사이의 단락, 그리고 상기 제 2 전극 탭(112b)과 캡 플레이트(161) 사이의 단락을 방지한다.
한편, 상기 캡 플레이트(161)가 상기 제 2 단자(130)와 동일한 극성을 가질 경우, 상기 제 2 단자(130)과 캡 플레이트(161) 사이의 시일 가스켓(162c), 상부 절연부재(162a) 및 하부 절연부재(162b)는 생략될 수 있다.
도 4 및 도 5는 이차 전지의 스웰링 발생 전과 후를 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절취하여 도시한 단면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 고체 유기물층의 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 이차 전지 중 전극 조립체(110)의 적어도 일면에는 고체 유기물층(140)이 형성된다. 상기 고체 유기물층(140)은 고체 유기물, 즉 고체 전해질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 고체 유기물층(140)은 케이스(150) 내부에 이차 전지(110)와 함께 수용되는 전해액과 동일한 재질로 이루어진다. 특히, 상기 고체 유기물층(140)은 유기 용매인 에틸렌 카보네이트(EC)에 리튬염이 용해된 혼합물로 구성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 에틸렌 카보네이트의 경우 상온에서는 고체로 존재하며, 40℃ 이상에서 용융되는 특성을 갖는다. 따라서, 상기 고체 유기물층(140)은 상온에서는 그 형태를 유지하게 되며, 이차 전지에서 열이 발생하여 40℃ 이상의 온도가 되면 용융되어 상기 전해액과 합쳐질 수 있다. 물론, 이러한 재질 및 온도로 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 유기 용매의 재질을 변경하여 고체 유기물층의 용융점을 조절할 수 있다.
상기 이차 전지는 지속적인 사용에 의해 열화가 진행된다. 그리고 전해액과 극판 계면 사이의 부반응에 의한 유기물이 극판의 두께를 증가시키며, 결국 이차 전지의 전체 두께가 팽창되는 스웰링이 발생하게 된다. 이 때, 계면의 부반응에 의한 저항 증가로 열이 발생하는데, 상기 고체 유기물층(140)은 이러한 열에 의해 용융되어 두께가 점차 얇아진다. 즉, 상기 이차 전지의 열화 및 스웰링이 진행됨에 따라 전극 조립체(110)의 두께는 증가되지만, 상기 고체 유기물층(140)의 두께가 점차 얇아지므로 이차 전지의 총 두께는 유지될 수 있다. 한편, 이러한 고체 유기물층(140)의 용융은 순식간에 이루어지는 것은 아니며, 몇 개월 내지 몇 년 사이에 걸쳐 서서히 이루어진다.
특히, 도 4의 스웰링이 발생되기 전의 전극 조립체(110) 및 고체 유기물층(140)이 갖는 최대 두께(A)는 도 5의 스웰링 발생 후의 전극 조립체(110) 및 고체 유기물층(140)의 최대 두께(A')와 대략 동일하다. 여기서, 도 5의 점선으로 도시된 부분은 스웰링 전의 전극 조립체(110)를 나타낸다. 또한, 비록 도 5에는 고체 유기물층(140)의 두께가 얇아진 것이 도시되었지만, 최종적으로 고체 유기물층(140)은 모두 용융되어 이차 전지 내의 전해액과 합쳐짐으로써 존재하지 않게 된다.
이처럼, 상기 고체 유기물층(140)은 전극 조립체(110)에 부착되어 상기 이차 전지의 초기 두께를 보상하게 된다. 그리고 상기 이차 전지의 열화가 진행됨에 따라 상기 전극 조립체(110)의 두께가 두꺼워지더라도 상기 고체 유기물층(140)의 두께가 점점 감소되므로 이차 전지의 전체적인 두께는 일정하게 유지된다. 따라서, 상기 이차 전지의 외형 변화가 최소화되므로, 이차 전지의 성능, 신뢰성 및 안정성이 향상될 수 있다. 더불어, 상기 고체 유기물층(140)은 상기 전해액과 동일한 재질로 이루어지므로 상기 고체 유기물층(140)이 용융되더라도 상기 이차 전지 내에서 안정적으로 전해액과 합쳐질 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 고체 유기물층의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 유기물층(240)은 외장재(241) 및 그 내부에 수용되는 고체 유기물(243)을 포함한다. 즉, 앞선 실시예에서는 고체 유기물층(140)이 고체 유기물, 즉, 고체 전해질 자체로 구성되었으나, 여기서는 고체 유기물(243)이 외장재(241)에 수용되어 고체 유기물층(240)을 구성한다. 한편, 상기 고체 유기물(243)은 앞선 실시예의 고체 유기물층(140)과 동일한 작용을 하므로 중복된 설명은 생략하도록 한다.
상기 외장재(241)의 재질은 폴리에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 외장재(241)는 절연 물질로 이루어지므로 상기 전극 조립체와 직접 접촉되더라도 안정성이 보다 향상될 수 있다. 더불어, 상기 외장재(241)는 적어도 일면에 다수의 홀(242)을 포함한다. 특히, 상기 홀(242)은 상기 외장재(241)의 면들 중 상대적으로 면적이 넓은 한 쌍의 장면에 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 고체 유기물(243)이 기설정된 온도 이상에서 용융될 경우 상기 홀(242)을 통하여 외장재(241)의 외부로 배출되어 이차 전지 내의 전해액과 합쳐질 수 있다. 물론, 상기 고체 유기물(243)이 전부 다 용융되어 그 뚜렷한 형상이 남아있지 않더라도, 상기 외장재(241)가 전극 조립체의 외부에 그대로 존재함은 당연하다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에서는 상기 고체 유기물층(240)이 외장재(241) 및 그 내부에 수용되는 고체 유기물(243)로 구성된다. 이 때, 상기 외장재(241)가 절연성이므로 전극 조립체와의 접촉시 보다 안정성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 고체 유기물(243)은 상기 이차 전지에서 발생되는 열에 의해 용융되어 상기 홀(242)을 통하여 외장재(241)의 외부로 배출된다. 따라서, 열화 및 스웰링에 의하여 전극 조립체의 두께가 두꺼워지더라도, 상기 고체 유기물(243)의 용융에 의해 고체 유기물층(240)의 두께가 얇아지므로 이차 전지의 전체 두께는 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 이차 전지의 외형 변화가 최소화되므로, 이차 전지의 성능, 신뢰성 및 안정성이 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 이차 전지 110; 전극 조립체
120; 제 1 단자 130; 제 2 단자
140, 240; 고체 유기물층 150; 케이스
160; 캡 조립체 241; 외장재
242; 홀 243; 고체 유기물
120; 제 1 단자 130; 제 2 단자
140, 240; 고체 유기물층 150; 케이스
160; 캡 조립체 241; 외장재
242; 홀 243; 고체 유기물
Claims (9)
- 전극 조립체;
상기 전극 조립체의 적어도 일면에 부착되며, 고체 유기물로 이루어지는 고체 유기물층;
상단 개구부를 가지며 상기 전극 조립체, 고체 유기물층 및 전해액이 수용되는 케이스; 및
상기 케이스의 상단 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 고체 유기물층은 상기 전해액과 동일한 재료로 이루어지며,
상기 고체 유기물층은 기설정된 온도 이상에서 용융되어 전해액과 혼합되는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 고체 유기물은 유기 용매와 리튬염의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 고체 유기물층은 상기 고체 유기물을 수용하는 외장재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 외장재는 적어도 하나의 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 고체 유기물은 기설정된 온도 이상에서 용융되어 상기 외장재의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 외장재는 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌 및 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 물질 중 선택된 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 삭제
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