KR20160023035A - 수직 적층 구조의 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 상태에서 지면을 기준으로 높이 방향으로 적층된 구조의 전극 적층체가 전지케이스의 내부에 밀봉된 상태로 내장되어 있고, 상기 전극 적층체는 지면을 기준으로 높이 방향('장축')으로 적층된 길이가 상기 높이 방향에 수직인 수평 방향('단축')의 길이보다 상대적으로 큰 구조로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 전극 적층체의 외면에 대응하는 관 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

수직 적층 구조의 전지셀 {A battery cell of vertical stacking structure}
본 발명은 수직 적층 구조의 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 적층하거나 권취한 상태로 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 전지 케이스에 내장한 다음 전해액을 주입하거나 함침시키는 것으로 구성되어 있다.
이 같은 이차전지는 전지의 사용 중 활물질이 코팅되어 있는 음극의 팽창 또는 가스 발생 등으로 인해 부피가 증가하고, 음극의 부반응 또는 양극에서의 전해액 산화 현상으로 인해 전해액이 점차 고갈되어 전지의 수명이 저하되는 문제가 있다.
이러한 현상을 방지하기 위해서는, 이차전지 내부에서 전극의 팽창을 적절한 압력으로 가압하여 전지의 효율성을 높여 성능을 향상시키는 것이 중요하나, 종래에는 전극의 면적 전체에 걸쳐 균일한 압력으로 가압하지 못한다는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 새로운 리튬 이차전지의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 전극조립체의 전극의 팽창을 전체 면적에 균일하게 가압할 수 있도록 전극의 면적 대비하여 지면을 기준으로 상하로 길게 적층되어 있는 전극 적층체 및 이에 대응하는 구조의 전지케이스를 구성함으로써, 전극의 팽창을 효과적으로 제어하여 전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직 적층 구조의 전지셀은,
양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 상태에서 지면을 기준으로 높이 방향으로 적층된 구조의 전극 적층체가 전지케이스의 내부에 밀봉된 상태로 내장되어 있고,
상기 전극 적층체는 지면을 기준으로 높이 방향('장축')으로 적층된 길이가 상기 높이 방향에 수직인 수평 방향('단축')의 길이보다 상대적으로 큰 구조로 이루어져 있으며,
상기 전지케이스는 전극 적층체의 외면에 대응하는 관 형상으로 이루어진 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 전극의 팽창을 전체 면적에 균일하게 가압할 수 있도록 전극의 면적 대비하여 지면을 기준으로 상하로 길게 적층되어 있는 전극 적층체와 이에 대응하는 형상의 전지케이스를 구성함으로써, 전극의 팽창을 효과적으로 제어할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 외부 입출력 단자들이 전지케이스의 일측 단부 또는 양측 단부로 돌출되어 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 구조에서, 상기 전지셀은, 전극 적층체의 양극들을 연결하여 양극 입출력 단자에 접속되는 양극 접속부재와, 전극 적층체의 음극들을 연결하여 음극 입출력 단자에 접속되는 음극 접속부재를 포함하고 있는 구조일 수 있고, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 전지케이스의 내부에 위치하는 구조일 수 있다.
이 경우에, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 전극 적층체의 외면과 전지케이스의 내면 사이의 공간에 위치하는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 각각 금속 판재로 이루어져 있고, 상기 금속 판재는 전극 적층체의 외면에 대면하는 방향으로 위치되어 있는 구조일 수 있다.
또, 본 발명에 따르면, 상기 전극은 규소계(Si-based) 활물질 또는 망간계(Mn-based) 활물질을 포함하고 있는 구조일 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 전극 팽창이 상대적으로 큰 상기 규소계 또는 망간계 활물질을 사용하더라도 전극의 팽창을 효과적으로 제어할 수 있다.
상기 규소계 활물질의 예로는, SiO, SiO2, SiZO (SnSiO3, MnSiO3, FeSiO3, LiTiSiO3, ZnSiO3, LiSiON) (Z는 Sn, Mn, Fe, Li, Zn, Ti) 등을 들 수 있고, 상기 망간계 활물질의 예로는, 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; Ni 및 Mn을 포함하는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 전지케이스는 수지층 및 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 구조일 수 있고, 하나의 예에서, 상기 전지케이스는 금속 캔일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명에 따르면, 경우에 따라, 금속 판재로 형성된 상기 음극 접속부재가 형성되어 있으므로, 상기 전지 캔을 고분자 물질로 이루어진 소재로 형성시킬 수 있으며, 예를 들어, 플라스틱이 바람직하게 사용될 수 있다. 따라서, 일반적으로 전지 캔 자체를 음극으로 사용하는 종래의 구조와 달리, 전지 캔을 고분자 소재의 절연성 물질로 형성시킬 수 있으므로 전지 캔의 형상을 다양하게 구현할 수 있고 재료비 절감 및 절연성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 상기 전극 적층체는 스택형 구조, 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조의 전극 적층체를 수납하여 제조할 수 있다.
상기 스택형, 스택/폴딩형, 및 라미네이션/스택형의 구조에 대해 상술하면 다음과 같다.
우선, 스택형 구조의 전극조립체는, 각각의 금속 집전체에 전극 합제를 코팅한 뒤 건조 및 프레싱한 후 소정의 크기로 절취한 양극판과 음극판 사이에 상기 양극판과 음극판에 대응하는 소정의 크기로 절취한 분리막을 개재시킨 후 적층함으로써 제조할 수 있다.
스택/폴딩형 구조의 전극조립체는, 양극과 음극이 대면하는 구조로, 둘 이상의 극판들이 적층되어 있는 유닛셀들을 둘 이상 포함하고, 중첩되지 않은 형태로 하나 이상의 분리필름으로 유닛셀들을 권취하거나, 또는 유닛셀의 크기로 분리필름을 절곡하여 유닛셀들 사이에 개재함으로써 제조될 수 있다.
라미네이션/스택형 구조의 전극조립체는, 각각의 금속 집전체에 전극 합제를 코팅한 뒤 건조 및 프레싱하고 소정의 크기로 절취한 후, 하부로부터 순차적으로 음극, 음극의 상부에 분리막, 그리고 양극, 그리고 그 상부에 분리막을 적층하여 제조할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 장축의 길이는 단축의 길이의 1.2배 이상으로서, 상기 장축의 길이는 단축의 길이의 1.5배 내지 50배일 수 있으며, 바람직하게는, 상기 장축의 길이는 단축의 길이의 2배 내지 30배인 구조일 수 있다.
상기 전극 적층체의 형상은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 수평 방향의 단면 형상이 원형, 타원형 또는 다각형 구조일 수 있다.
경우에 따라, 상기 전극 적층체는 수평 방향의 단면 형상이 직사각형 또는 정사각형 구조일 수 있음은 물론이다.
또, 본 발명에 따른 각형 전지셀은 상기와 같은 전극조립체가 전지케이스에 장착되어 있는 것이라면 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다.
리튬 이차전지를 포함하여 전지셀의 구성, 구조, 제조방법 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 또한, 상기 각형 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩과, 상기 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 구체적으로, 노트북, 휴대폰, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, GPS 시스템, 캠코더, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력저장 장치 등로 이루어진 것 일 수 있다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수직 적층 구조의 전지셀은, 전극 적층체의 전극 팽창을 전극 전체 면적에 균일하게 가압할 수 있도록 전극의 면적 대비, 지면을 기준으로 상하로 길게 적층되어 있는 전극 적층체 및 이에 대응하는 형상의 전지케이스를 구성함으로써, 전극 팽창을 효과적으로 제어하여 전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 케이스를 포함하는 리튬 이차전지의 모식도이다;
도 2는 도 1의 A-B의 수직 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 A-B의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전지셀(100)은 다수개의 단위셀들(도시하지 않음)이 적층된 구조의 전극 적층체(200) 및 전극 적층체(200)가 내부에 삽입되어 밀봉되는 구조의 전지케이스(110)를 포함하여 구성되어 있다.
전극 적층체(200)는 양극(121), 음극(131) 및 분리막(도시하지 않음)으로 구성된 상기 단위셀들이 지면을 기준으로 상항 방향으로 순차적으로 적층된 구조로 이루어져 있고, 전지케이스(100)에는 외부 입출력 단자들(150, 160)이 전지케이스(110)의 양측 단부로 돌출되어 형성되어 있다.
전지셀(100)에는 전극 적층체(200)의 양극들(121)을 연결하여 양극 입출력 단자(150)에 접속되는 양극리드(120)와 음극들(131)을 연결하여 음극 입출력 단자(160)에 접속되는 음극리드(130)가 전극 적층체(200)의 외면과 전지케이스(110)의 내면 사이의 공간에 형성되어 있다.
전극 적층체(200)는 지면을 기준으로 수직 적층 방향의 길이가 수평 방향의 길이보다 상대적으로 크게 형성되어 있고, 전지케이스(110)는 전극 적층체(200)가 용이하게 내장되도록 전극 적층체(200)의 형상에 대응하는 관 모양으로 높이 방향(H)이 수평 방향(W)의 길이보다 대략 2 배 이상 크게 형성되어 있다. 이러한 구조는, 종래의 구조에 비해 양극 및 음극의 면적이 상대적으로 작게 형성되어 있으므로, 결과적으로 음극 입출력 단자와 양극 입출력 단자들 간의 거리가 단축 및 최소화 되어 전지의 효율이 향상된다.
따라서, 전지 내의 전극들이 팽창하는 경우에도 전극들 상호간의 팽창면이 접촉하며 가압하게 되고, 전극 적층체의 외면과 대응하는 크기의 전지케이스에 의해 구속됨으로써, 전극이 팽창되는 현상을 효과적으로 제어할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 상태에서 지면을 기준으로 높이 방향으로 적층된 구조의 전극 적층체가 전지케이스의 내부에 밀봉된 상태로 내장되어 있고,
    상기 전극 적층체는 지면을 기준으로 높이 방향('장축')으로 적층된 길이가 상기 높이 방향에 수직인 수평 방향('단축')의 길이보다 상대적으로 큰 구조로 이루어져 있으며,
    상기 전지케이스는 전극 적층체의 외면에 대응하는 관 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 외부 입출력 단자들이 전지케이스의 일측 단부 또는 양측 단부로 돌출되어 형성되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지셀은, 전극 적층체의 양극들을 연결하여 양극 입출력 단자에 접속되는 양극 접속부재와, 전극 적층체의 음극들을 연결하여 음극 입출력 단자에 접속되는 음극 접속부재를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 전지케이스의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 전극 적층체의 외면과 전지케이스의 내면 사이의 공간에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 양극 접속부재와 음극 접속부재는 각각 금속 판재로 이루어져 있고, 상기 금속 판재는 전극 적층체의 외면에 대면하는 방향으로 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 규소계(Si-based) 활물질 또는 망간계(Mn-based) 활물질을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층 및 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속 캔 또는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 적층체는 스택형 구조, 스택/폴딩형 구조, 또는 라미네이션/스택형 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 장축의 길이는 단축의 길이의 1.2배 이상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 장축의 길이는 단축의 길이의 1.5배 내지 50배인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 장축의 길이는 단축의 길이의 2배 내지 30배인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 적층체는 수평 방향의 단면 형상이 원형, 타원형 또는 다각형 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전극 적층체는 수평 방향의 단면 형상이 직사각형 또는 정사각형인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 각형 전지셀.
  17. 제 1 항에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 노트북, 휴대폰, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, GPS 시스템, 캠코더, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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