KR20030045962A - 리튬 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전지의 내부 쇼트를 방지하기 위하여 삽입되는 스페이서의 구조와 재질이 개선된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

소정 간격 이격되어 설치되는 양극단자와 음극단자를 가진 전극조립체와; 상기 양극단자와 음극단자가 외부로 돌출되도록 상기 전극조립체를 감싸 밀봉하는 케이스; 및 상기 케이스의 내부에 설치되어 상기 양극단자와 음극단자를 지지하며, 상기 케이스 내부의 이상압력 발생시 파손되어 케이스를 찢어 오픈시키는 스페이서;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

설정압력에서 외장 필름 용기의 일부를 파손시켜 전지의 내부에서 발생된 가스를 외부로 방출시켜 폭발을 방지할 수 있으며, 외부 압력에 의한 기계적인 모서리 함몰로부터 내부 셀을 보호하여 전지의 내부 단락을 방지할 수 있고, UL(Underwriters Laboratories)에서 요구하는 열노출 실험조건을 만족시킬 수 있는 재질을 갖는 스페이서를 구비하는 리튬 이차 전지를 제공한다.

Description

리튬 이차 전지{Lithium secondary battery}

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전지의 내부 쇼트를 방지하기 위하여 삽입되는 스페이서의 구조와 재질이 개선된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

최근에는 전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속하게 발전함에 따라 고성능, 고안전성의 리튬 이차 전지에 대한 수요가 점차 증대되고 있으며, 특히 전자기기의 소형화, 박형화 및 경량화가 급속도로 확산되면서 이에 따른 전지의 소형화, 박형화의 요구가 날로 증대되고 있다.

이러한 요구에 부응하여 최근 가장 많은 관심을 갖고 있는 것이 리튬 이온 폴리머 전지이다. 리튬 이온 폴리머 전지는 크기나 모양을 원하는 대로 조절할 수 있으며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 지니고 있다.

이러한 리튬 이온 폴리머 전지에 있어서, 근래에는 외장재로서 파우치 (pouch)를 사용하는 방식이 각광받고 있는데, 이와 같이 파우치를 사용하게 되면, 단위중량 및 체적당 에너지밀도가 보다 높아지고 전지의 박형화 및 경량화가 가능해질 뿐만 아니라 외장재의 재료비가 적게 들어 유리한 점이 많다.

특히 전지의 외장재로 강판에 니켈을 도금한 캔을 사용하는 리튬 이온전지와는 달리 플라스틱 리튬 이온 이차전지의 경우에는 알루미늄 포일에 나일론(nylon), EAA(Polyethylene-co-acrylic acid), PE 필름등을 코팅한 다층막 알루미늄 용기(Aluminum pouch; 이하 외장 필름용기라 약칭함)를 사용하고 있다.

이러한 이차전지는 외부 압력에 의하여 기계적으로 모서리 함몰될 수 있다. 그리하여 케이스 내부의 전극탭들이 변형되거나 외장재의 내면이 파손될 수 있다. 이와 같은 경우 전극탭들과 전극조립체 또는 외장재 사이나, 전극조립체와 외장재 사이에 단락(short)이 발생될 가능성이 높아진다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 경우에 스페이서를 전극조립체가 위치된 케이스 내부 공간에 삽입하여 내부 셀을 보호한다.

도 1은 종래의 스페이서를 구비하는 리튬 이차 전지를 개략적으로 도시한 분리 사시도이다.

도면을 참조하면, 리튬 이차 전지(10)는 전극단자(11)들을 포함하는 전극조립체(12)와 상기 전극조립체를 내부에 수용하는 케이스(13) 및 스페이서(20)를 구비하여 이루어 진다. 이때, 상기 전극단자들은 상기 전극조립체에 소정 간격 이격되어 설치되는 양극단자(11a)와 음극단자(11b)로 이루어 진다. 또한, 상기 케이스는 상기 전극조립체를 케이스 본체(13a)에 수용하고 상기 양극단자와 음극단자가 외부로 돌출되도록 커버(13b)로 상기 전극조립체를 감싸 밀봉한다.

상기 스페이서는 상기 케이스의 내부와 상기 전극조립체 사이에 설치되어, 상기 케이스 내부의 형상을 유지시켜 외부 압력에 의한 기계적인 모서리 함몰로부터 내부 셀을 보호하여 단락을 방지한다. 상기 스페이서는 본체(21)와 상기 양극단자와 음극단자를 지지하는 한 쌍의 관통공(22)을 구비하여 이루어 진다.

이러한 이차전지는 통상 충전조건 이상으로 과충전되거나 전극조립체의 음극판과 양극판이 단락되는 경우 양극판 측에서 리튬염과 유기용매가 혼합된 전해액의 분해가 일어나며 음극판 측에서는 리튬 금속이 석출되어 전지특성이 열화되고 내부단락이 발생될 수 있다. 특히 상기와 같은 과충전시에 발생된 가스에 의해 내부압력이 높아져 폭발 및 발화가능성의 위험이 내재되어 있다. 또한, 이로 인하여 이차전지는 고온의 환경에 노출되는 경우가 생긴다.

그리하여 현재 UL(Underwriters Laboratories)에서 요구하는 열노출 실험조건으로 섭씨 150도의 온도에서 10분 이상 견딜 수 있을 것을 요구한다. 따라서 상기 스페이서의 재질로 섭씨 150도의 온도에서 열적으로 안정한 물질이 유리할 것이다. 하지만, 현재 주로 사용되는 폴리 프로필렌(polypropylene, PP)은 대략 섭씨 110∼150 도의 녹는점과 약 1000 MPa이하의 초기 강도(Modulus)를 갖는다. 따라서 섭씨 150도의 온도에서 10분이상 견딜 수 있으면서 충분한 강도를 가지는 상기 스페이서의 재질이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 설정압력에서 외장 필름 용기의 일부를 파손시켜 전지의 내부에서 발생된 가스를 외부로 방출시켜 폭발을 방지할 수 있으며, 외부 압력에 의한 기계적인 모서리 함몰로부터 내부 셀을 보호하여 전지의 내부 단락을 방지할 수 있고, UL(Underwriters Laboratories)에서 요구하는 열노출 실험조건을 만족시킬 수 있는 재질을 갖는 스페이서를 구비하는 리튬 이차 전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 스페이서를 구비하는 리튬 이차 전지를 개략적으로 도시한 분리 사시도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 개략적으로 도시한 분리 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,30...리튬 이차 전지12,32...전극조립체

13,33...케이스20,40...스페이서

43...톱니부44...벤딩부

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 리튬 이차 전지는,

소정 간격 이격되어 설치되는 양극단자와 음극단자를 가진 전극조립체와; 상기 양극단자와 음극단자가 외부로 돌출되도록 상기 전극조립체를 감싸 밀봉하는 케이스; 및 상기 케이스의 내부에 설치되어 상기 양극단자와 음극단자를 지지하며, 상기 케이스 내부의 이상압력 발생시 파손되어 케이스를 찢어 오픈시키는 스페이서;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스페이서가 상기 양극단자와 음극단자가 지지되는 관통공을 가지는 판상의 본체와, 상기 본체의 적어도 일측에 설치되어 파손시 케이스를 손상시키는 적어도 하나의 톱니부를 구비한다.

또한, 상기 본체에는 적어도 하나의 상대적으로 두께가 얇게 형성된 벤딩부를 더 구비한다.

또한, 상기 스페이서가 폴리에틸렌 테레프타레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리브틸렌 테레프타레이트(Polybutylene terephthalate, PBT), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 및 폴리프로필렌 옥사이드 (Polypropylene oxide, PPO) 중의 하나의 재질로 된다.

또한, 상기 스페이서가 상기 재질에 소정의 무기 첨가제를 섞어 만들어진 재질로 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예의 리튬 이차 전지를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 개략적으로 도시한 분리 사시도이다.

도면을 참조하면, 리튬 이차 전지(30)는 전극단자(31)들을 포함하는 전극조립체(32)와 상기 전극조립체를 내부에 수용하는 케이스(33) 및 스페이서(40)를 구비하여 이루어 진다. 이때, 상기 전극단자들은 상기 전극조립체에 소정 간격 이격되어 설치되는 양극단자(31a)와 음극단자(31b)로 이루어 진다. 또한, 상기 케이스는 상기 전극조립체를 케이스 본체(33a)에 수용하고 상기 양극단자와 음극단자가 외부로 돌출되도록 커버(33b)로 상기 전극조립체를 감싸 밀봉한다.

본 실시예에서는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터가 감겨져 이루어진 젤리롤 방식의 전극조립체의 예를 도시하였으나, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터가 적층되어 이루어진 바이셀 방식의 전극조립체를 사용한 전지에도 마찬가지로 본 실시예의 스페이서가 적용될 수 있을 것이다.

상기 스페이서는 판상의 본체(41)와 상기 양극단자와 음극단자를 관통시켜 지지하도록 상기 본체에 나란히 형성된 한 쌍의 관통공(42)을 구비하여 이루어 진다. 또한, 상기 본체의 적어도 일측에 톱니모양으로 설치되는 적어도 하나의 톱니부(43)를 구비한다. 또한, 상기 본체에는 적어도 하나의 상대적으로 두께가 얇게 형성된 벤딩부(44)를 더 구비한다.

상기 톱니부는 상기 본체에 적어도 하나 이상의 노치부를 형성하여, 설정된 내부 압력에 대하여 상기 노치부에 응력이 집중되어 상기 본체의 다른 부분보다 먼저 파손될 수 있도록 만들어 진 취약부이다. 또한, 상기 톱니부는 파손되어 변형되었을 때, 상기 본체에 의하여 지지되는 케이스를 찢어 오픈시킬 수 있는 위치라면, 본 실시예에서의 위치 뿐만 아니라 상기 본체의 어느 부분에라도 위치될 수 있다. 다만, 설정 압력에서 상기 톱니부가 잘 파손되고, 파손시에 상기 톱니부가 케이스를 용이하게 찢어 오픈시키려면, 상기 톱니부가 상기 케이스와 직접 접촉되면서 상기 본체의 두께를 형성하는 부분에 위치되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 벤딩부는 설정된 내부 압력에 대하여 상기 본체의 다른 부분보다 얇게 형성되어 다른 부분보다 먼저 벤딩되면서 파손되고, 상기 톱니부가 외장재를 찢어 오픈시킬 수 있도록 만들어 진 취약부이다. 또한 상기 벤딩부는 설정된 압력에 대하여 용이하게 파손되는 곳이라면 상기 본체의 어느 부분에도 위치될 수 있다. 다만, 상기 본체의 높이 방향으로 다른 부분보다 얇게 그루브(groove) 모양으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 스페이서는 리튬 이차 전지의 상기 케이스 내부 공간에 삽입되어 상기 케이스를 내부에서 지지하고, 그로 인하여 셀의 모서리에 기계적으로 일어날 수 있는 모서리 함몰을 방지한다.

상기한 바와 같이, 상기 리튬 이차 전지에 통상 충전조건 이상으로 과충전되거나 전극 조립체의 음극판과 양극판이 단락되어 전지특성이 열화되고 내부단락이 발생될 수 있다. 특히 상기와 같은 과충전시에 발생된 가스에 의해 내부압력이 높아져 폭발 및 발화가능성의 위험이 내재되어 있다.

상기 내부압력에 대하여 취약부를 형성하는 상기 스페이서의 상기 벤딩부와 상기 톱니부가 먼저 파손된다. 이때, 상기 스페이서의 상기 본체의 다른 부분보다 얇게 형성되어 약한 상기 벤딩부에 응력이 집중되어 파손되고, 상기 톱니부에 형성된 노치부에 응력이 집중되어 쉽게 파손된다. 상기 파손되어 날카롭게 된 톱니부가 파손된 힘으로 상기 케이스를 찢어 오픈하여 내부의 가스와 열을 외부로 배출한다. 그리하여 압력이 높아진 가스에 의한 폭발 및 발화를 방지하게 된다.

또한, 상기와 같은 이유로 상기 스페이서는 고온에서 견딜 수 있도록 적당한 녹는점과 강도를 가져야 한다. 또한, 상기 리튬 이온 전지가 UL(Underwriters Laboratories)에서는 섭씨 150도의 온도에서 10분 이상 견딜 수 있을 것을 요구한다. 따라서 본 발명에서는 섭씨 150도에서도 열적으로 안정하고, 현재 사용 중인폴리프로필렌(polypropylene, PP)보다 녹는점이 높고, 전해액에 대한 안정성을 가지고, 기계적 강도가 양호한 물질을 상기 스페이서의 재질로 하는 것이 바람직하다.

따라서 상기 스페이서는 폴리에틸렌 테레프타레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리브틸렌 테레프타레이트(Polybutylene terephthalate, PBT), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 및 폴리프로필렌 옥사이드 (Polypropylene oxide, PPO) 중의 하나의 재질로 이루어 지는 것이 바람직하다. 상기 물질들의 기초적인 물성은 대략 섭씨 200도 이상의 녹는점을 가지는 엔지니어링 플라스틱의 종류로서, 연성을 띠며, 초기 강도(Modulus)도 높다.

종래의 상기 스페이서 재질로 사용되는 폴리프로필렌(polypropylene, PP)은 대략 섭씨 110∼150 도의 녹는점과 약 1000 MPa이하의 초기 강도 (Modulus)를 갖는다. 하지만 본 발명에서 사용한 재질인 폴리에틸렌 테레프타레이트(Polyethylene terephthalate, PET)는 섭씨 250도의 녹는점과 10000 MPa의 초기 강도를 가지고, 또한 폴리브틸렌 테레프타레이트(Polybutylene terephthalate PBT)는 섭씨 224도의 녹는점과 2350 MPa의 초기 강도를 가지고, 또한 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC)는 섭씨 220도 내지 230도의 녹는점과 2400MPa 의 초기 강도를 가지고, 또한 폴리프로필렌 옥사이드(Polypropylene oxide, PPO)는 섭씨 257도의 녹는점과 2200MPa 내지 2500MPa의 초기 강도를 갖는다.

또한, 본 발명에서는 상기 스페이서를 상기 재질에 소정의 무기 첨가제를 섞어 만들어진 재질로 하여 기계적인 강도와 열적 안정성을 높일 수 있다. 상기 무기첨가제로는 탈크(talc), 또는 미카(mica), 또는 실리카(silica)등의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명의 리튬 이차 전지는 다음과 같은 효과를 갖는다.

전지의 케이스 내부에 스페이서를 삽입함으로써, 케이스 내부의 형상을 유지하여 외관이 좋다.

또한, 기계적인 모서리 함몰을 방지하여, 그로 인한 단락을 방지할 수 있다.

또한, 설정압력에서 외장 필름 용기의 일부를 파손시켜 전지의 내부에서 발생된 가스를 방출시켜 폭발 및 발화를 방지할 수 있다.

또한, 새로운 재질 또는 상기 재질에 무기 첨가제를 첨가하여 된 재질을 스페이서로 사용하므로써, 기계적 강도가 강화되고, 열적으로 안정성이 강화되었다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 소정 간격 이격되어 설치되는 양극단자와 음극단자를 가진 전극조립체와;

   상기 양극단자와 음극단자가 외부로 돌출되도록 상기 전극조립체를 감싸 밀봉하는 케이스; 및

   상기 케이스의 내부에 설치되어 상기 양극단자와 음극단자를 지지하며, 상기 케이스 내부의 이상압력 발생시 파손되어 케이스를 찢어 오픈시키는 스페이서;를 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스페이서가 상기 양극단자와 음극단자가 지지되는 관통공을 가지는 판상의 본체와, 상기 본체의 적어도 일측에 설치되어 파손시 케이스를 손상시키는 적어도 하나의 톱니부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 본체에는 적어도 하나의 상대적으로 두께가 얇게 형성된 벤딩부를 더 구비하여 된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
4. 제1항에 있어서,

   상기 스페이서가 폴리에틸렌 테레프타레이트, 폴리브틸렌 테레프타레이트, 폴리카보네이트, 및 폴리프로필렌옥사이드 중의 하나의 재질로 된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
5. 제4항에 있어서,

   상기 스페이서가 상기 재질에 소정의 무기 첨가제를 섞어 만들어진 재질로 된 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.