KR20040005242A - 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부와 이를 채용한리튬이차전지 - Google Patents

Abstract

단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부와 이를 채용한 리튬이차전지를 개시한다. 본 발명은 스트립형의 양극판과, 세퍼레이터와, 음극판순으로 배치된 상태에서 와인딩된 전지부;와, 양극판과 전기적으로 연결된 양극리드;와, 음극판과 전기적으로 연결된 음극리드;와, 전지부가 수용되는 공간부가 형성된 케이스;와, 전지가 스웰링시 케이스의 변형에 대향되는 전지부의 영역에 부착되며, 양극 및 음극리드가 배치되는 부분과 반대되는 전지부의 단변부 영역에 형성된 단락방지수단;을 포함하는 것으로서, 젤리-롤형으로 와인딩되는 전지부의 변형이 발생가능한 부분에 단락방지수단이 부착되어 있음으로서, 리튬이차전지의 스웰링시 케이스의 팽창으로 인한 전지부의 변형을 미연에 방지할 수가 있게 된다. 이에 따라, 전지부의 양극 및 음극판이 직접적으로 접촉하지 않게 되어서, 단락을 방지하게 된다. 따라서, 전지의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수가 있다.

Description

단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부와 이를 채용한 리튬이차전지{Jelly-roll type battery unit forming short prevention means and the lithium secondary battery applying the same}

본 발명은 리튬이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지의 스웰링시 전지부의 단락을 방지하도록 구조가 개선된 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부와 이를 채용한 리튬이차전지에 관한 것이다.

이차전지는 충전 및 방전이 가능한 전지로거, 니켈-카드뮴전지, 니켈-메틸하이드라이드전지, 니켈-수소전지, 리튬이차전지등을 들 수 있다. 이중에서, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V이상으로서, 휴대용 전자기기의 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나, 니켈-메탈하이드라이드 전지에 비하여 3배나 우수하고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있다.

이러한 리튬이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체전해질전지와, 고분자전해질전지로 분류할 수 있다. 일반적으로는 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 이러한 리튬이차전지는 다양한 형태로 제조가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬이온전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형과, 리튬폴리머전지에 주로 사용되는 파우치형을 들 수 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 리튬이차전지(10)는 전지부(11)와, 상기 전지부(11)가 수용되는 공간을 제공하는 케이스(12)를 포함하고 있으며, 상기 전지부(11)는 잘 알려진 바대로 양극판과, 음극판과, 그 사이에 개재되어 있는 세퍼레이터로 이루어져 있다.

이러한 전지부(11)는 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 상태에서 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 와인딩되거나, 다수장이 적층형(stack type)으로 라미네이팅되어 전지부를 형성하고 있다. 또한, 상기 전지부(11)에는 각 극판으로부터 인출된 양극리드(13)와, 음극리드(14)가 밀봉된 케이스(12)의 외부로 노출되어 있다.

상기 케이스(12)는 전자기기의 경박단소화를 실현하기 위하여 후막의 금속판으로 성형한 원통형이나 각형과는 달리, 박막의 금속필름과, 그 양면에 절연성필름이 부착되어 자유자재로 구부림이 가능한 파우치형이다.

상기한 구조를 가지는 리튬이차전지(10)는 전지의 충방전시 회로의 이상에 의하여 과충전 현상이 발생할 경우에는 전지부(11)에 함침되어 있는 전해액의 분해가 일어나게 된다. 이러한 전해액의 분해는 가스의 발생을 수반한다.

이렇게 전지의 스웰링 현상이 일어나게 되면, 상기 전지부(11)가 장착된 케이스(12)는 풍선처럼 부풀어 오르게 된다. 이러한 현상에 의하여 도 2에 도시된 바와 같이 케이스(12)의 단변부 중앙부분(C)은 양측으로부터 증가되는 압력으로 인하여 케이스(12)의 내측으로 눌려 들어가게 된다. 상기 케이스(12)의 단변부 중앙부분(C)이 압력의 증가로 인하여 눌려 들어가게 되면, 이와 대향된 부분에서의 전지부(11)와 접촉하게 된다.

이렇게 증가되는 압력으로 인하여 전지부(11)에 대하여 케이스(12)의 수축되는 부분의 가압이 계속되면, 전지부(12)의 변형이 발생하게 된다. 전지부(11)의 변형은 세퍼레이터를 사이에 두고 절연된 양극판과 음극판의 전기적인 접촉을 유발하게 되고, 이러한 극성이 다른 극판끼리의 접촉은 전기적인 단락을 발생하게 된다.따라서, 전지(10)의 스웰링시 케이스(12)의 변형으로 인한 전지부(11)의 단락을 방지할 수 있게 되여서 안정성을 보장할 수 있는 최적화된 설계에 따라 형성된 리튬이차전지가 필요하다고 할 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전지의 스웰링시 전지부의 변형으로 인한 극판간의 단락을 미연에 방지할 수 있도록 전지부의 외면에 단락방지수단을 부착시킨 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부와 이를 채용한 리튬이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 리튬이차전지를 도시한 사시도,

도 2는 도 1의 리튬이차전지가 파손된 이후의 상태를 도시한 사시도,

도 3은 본 발명의 리튬이차전지의 전지부를 일부 절제도시한 사시도,

도 4는 도 3의 전지부를 채용한 리튬이차전지를 도시한 분리사시도,

도 5는 도 4의 전지부가 케이스내에 삽입된 이후의 상태를 도시한 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

30...전지부31...양극판

32...음극판33...세퍼레이터

34...양극리드35...보호테이프

36...음극리드400...케이스

410...하부케이스420...상부케이스

440...밀폐면

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부는,

양극집전체와, 상기 양극집전체의 적어도 일면에 선택적으로 형성되는 양극활물질층으로 된 스트립 형상의 양극판;

상기 양극집전체와 전기적으로 연결되는 양극리드;

음극집전체와, 상기 음극집전체의 적어도 일 면에 선택적으로 형성되는 음극활물질층으로 된 스트립 형상의 음극판;

상기 음극집전체와 전기적으로 연결되는 음극리드;

상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터; 및

상기 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 상태에서 일방향으로 와인딩된 부분중 전지의 스웰링 현상으로 인한 극판간의 단락을 방지하기 위하여 상기 양극 및 음극리드가 배치되는 부분과 반대되는 단변부의 영역에 형성된 단락방지수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단락방지수단은 상기 단변부 영역중 바닥면의 중앙부분을 커버하는 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 단락방지수단은 상기 단변부의 바닥면으로부터 이와 인접한 양 면으로 연장되어 형성된 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 단락방지수단은 고분자 수지로 된 절연성 테이프인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부를 채용한 리튬이차전지는,

스트립형의 양극판과, 세퍼레이터와, 음극판순으로 배치된 상태에서 와인딩된 전지부;

상기 양극판과 전기적으로 연결된 양극리드;

상기 음극판과 전기적으로 연결된 음극리드;

상기 전지부가 수용되는 공간부가 형성된 케이스; 및

전지가 스웰링시 케이스의 변형에 대향되는 전지부의 영역에 부착되며, 상기 양극 및 음극리드가 배치되는 부분과 반대되는 상기 전지부의 단변부 영역에 형성된 단락방지수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다

또한, 상기 단락방지수단은 상기 단변부 영역중 상기 케이스의 내측영역과 대향되는 바닥면의 중앙부분을 커버하는 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 단락방지수단은 상기 단변부 영역중 상기 케이스의 내측영역과 대향되는 바닥면으로부터 이와 인접한 양 면으로 연장되어 형성된 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 단락방지수단은 고분자 수지로 된 절연성 테이프인 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬이차전지를 상세하게 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리-롤형의 전지부(30)를 일부 절제하여 분리도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 전지부(30)는 양극판(31)과, 음극판(32)과, 상기 양극 및 음극판(31)(32) 사이에 개재되는 세퍼레이터(33)를 포함한다.

상기 양극판(31)은 스트립 형상의 금속박판으로 된 양극집전체(31a)와, 상기 양극집전체(31a)의 적어도 일 면에 코팅되는 양극활물질층(31b)을 구비한다. 상기 양극집전체(31a)는 도전성이 우수한 금속박판인 알루미늄박판이 바람직하고, 상기 양극활물질층(31b)으로는 리튬계산화물과 같은 양극활물질과, 바인더, 가소제, 도전재등이 혼합된 혼합물이다. 상기 양극판(31)에는 양극리드(34)가 부착되어 있고, 상기 양극리드(34)의 단부측 외면에는 소정폭의 보호테이프(35)가 부착되어 있다.

상기 음극판(32)은 스트립 형상의 금속박판으로 된 음극집전체(32a)와, 상기 음극집전체(32a)의 적어도 일 면에 코팅되는 음극활물질층(32b)을 구비한다. 상기 음극집전체(32a)는 우수한 도전성을 가지는 구리박판이 바람직하고, 상기 음극활물질층(32b)으로는 탄소재와 같은 음극활물질과, 바인더, 가소제, 도전재등이 혼합된 혼합물이다. 상기 음극판(32)에는 음극리드(36)가 부착되어 있고, 상기 음극리드(36)에도 양극리드(34)와 마찬가지로 보호테이프(37)가 감싸져 있다.

상기 양극 및 음극리드(34)(36)는 상기 양극 및 음극집전체(31a)(32a)의 무지부, 즉, 상기 양극 및 음극활물질층(32a)(32b)이 코팅되지 않는 영역에 전기적으로 연결되어 있다. 이를 위하여, 상기 양극 및 음극리드(34)(36)는 상기 양극 및 음극집전체(31a)(32a)에 대하여 레이저용접이나 초음파용접과 같은 용접이나, 도전성접착제에 의하여 통전가능하도록 부착되어 있다.

상기와 같은 구조를 가지는 전지부(30)은 양극판(31), 세퍼레이터(33), 음극판(32) 순으로 배치된 상태에서 일방향으로 와인딩된 구조, 이른바 젤리-롤형으로 권취가능하다. 이렇게 젤리-롤형의 전지부(30)는 유연성을 가지는 폴리에틸렌(PE) 재질의 세퍼레이터(33)상에 반고체형의 고분자전해질이 형성되어 있기 때문에 별도의 전해액을 주입하지 않고도 리튬이차전지로서의 작동이 가능하다고 할 것이다.

도 4는 젤리-롤형의 전지부(30)가 적용된 리튬이차전지(40)를 도시한 것이고, 도 5는 전지부(30)가 케이스(400)내에 장착된 상태를 도시한 것이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 리튬이차전지(40)는 전지부(30)와, 상기 전지부(30)가 수용되는 케이스(400)를 포함한다.

여기서, 앞서 도면에서와 동일한 참조번호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.

상기 전지부(30)는 전술한 바대로, 양극판(31)과, 음극판(32)과, 상기 양극및 음극판(31)(32) 사이에 개재되어 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(33)를 구비하며, 양극판(31), 세퍼레이터(33), 음극판(32) 순으로 배치된 상태에서 젤리-롤형으로 와인딩되어 완성된다.

상기 전지부(30)는 케이스(410)에 마련된 공간부(430)에 수용가능하다. 상기 케이스(410)는 상기 공간부(430)가 마련된 하부케이스(410)와, 상기 하부케이스(410)와 적어도 일변이 일체로 부착된 상부케이스(420)를 포함하고 있다.

상기 상부 및 하부케이스(420)(410)에는 상기 전지부(30)가 수용되는 공간부(430)의 가장자리를 따라서 밀폐면(440)이 형성되어 있다. 상기 밀폐면(440)은 상기 전지부(30)가 상기 공간부(430)에 수용된 다음에 열융착에 의하여 밀폐되는 부분이다.

이때, 상기 밀폐면(440)에는 상기 양극 및 음극판(31)(32)으로부터 인출된 양극 및 음극리드(34)(36)의 일부가 접촉하게 되는데, 열융착시 접촉되는 부분에서의 밀폐성을 강화시키기 위하여 상기 양극 및 음극리드(34)(36)에는 보호테이프(35)(37)가 부착되어 있다. 그리고, 상기 양극 및 음극리드(34)(36)의 단부는 상기 밀폐면(440)이 밀폐된 다음에 상기 케이스(400)의 외부로 노출되어 있다.

여기서, 상기 전지부(30)의 일측에는 단락방지수단(50)이 부착되어 있다.

상기 단락방지수단(50)은 전지(40)의 스웰링시 상기 케이스(400)에 대하여 전지부(30)가 변형이 발생되는 부분에 부착된다.

보다 상세하게는 다음과 같다.

상기 케이스(400)에는 대략 직사각형의 공간부(430)가 형성되어 있으며, 상기 공간부(430)에는 전술한 바와 같은 구조를 가지는 전지부(30)가 장착가능하다. 상기 전지부(30)는 단위부피당 에너지밀도를 높이기 위하여 상기 공간부(430)가 형성된 하부케이스(410)의 내측벽에 대하여 설계여유도가 없는 상태에서 삽입되어 있다.

이러한 상태에서 밀봉된 리튬이차전지(40)에 스웰링 현상이 발생하게 되면, 상기 케이스(400)는 전지부(30)로부터 분해된 전해액에 의하여 내압이 증가하게 되여서 팽창하게 된다. 이때, 상기 케이스(400)는 상기 전지부(30)가 배치된 방향과 수직방향으로 팽창하게 된다.

특히, 상기 하부케이스(410)에 있어서, 빗줄친 부분에 해당되는 단변부의 중앙부 영역(411)은 양 사이드 영역(412)의 팽창으로 인하여 케이스(410)의 내측으로 눌려 들어가게 된다. 이러한 현상이 지속적으로 진행될 경우에는 상기 하부케이스(410)의 중앙부 영역(411)과 대향되는 부분의 젤리-롤형의 전지부(30)는 공히 눌려 들어가게 되여서 양극판(31)과 음극판(32)의 접촉이 발생할 가능성이 크다.

이때, 상기 양극 및 음극(31)(32)의 접촉을 방지하기 위하여, 상기 하부케이스(410)의 중앙부 내측영역(411)과 대향되는 전지부(40)의 외측영역(39), 즉, 상기 전지부(40)의 전극리드(34)(36)가 설치되는 부분과 반대되는 전지부(40)의 단변부의 중앙부 외측영역(39)에는 단락방지수단(50)이 부착되어 있다.

상기 단락방지수단(50)은 단변부의 중앙부 외측영역(39)에서 바닥면으로부터 전지부(30)의 두께방향으로 인접하는 양 면으로 연장되며, 그 폭은 스웰링시 케이스(410)의 변형되는 중앙부 내측영역(411)과 접촉되는 영역을 차단시킬 수 있는 크기가 바람직하다.

이러한 단락방지수단(50)은 절연성을 가진 절연테이프로 제조되는 것이 가능하다고 할 것이다. 절연테이프로 제조되는 경우에는 상기 하부케이스(410)의 변형되는 부분에 의하여 가압력을 저지시킬 수 있는 강도를 유지하고 있어야 한다. 이를 위하여, 절연테이프는 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리플로필렌, 폴리에틸렌등의 내용제성 고분자 수지로 제조되는 것이 바람직하다.

절연테이프 이외에도 외력에 의한 영향력을 배제하기 위하여, 전지부(40)의 단변부 중앙부 외측영역(39)를 커버할 수 있는 형상의 보호블록이면 무방하다고 할 것이다. 이때, 보호블록은 절연성을 가져야 함에는 물론이다.

이러한 단락방지수단(50)은 유연성을 가지고 있으므로, 상기 전지부(30)의 와인딩 공정이후에 소망하는 대응영역(39)에 부착시키는 것이 제조공정상 유리하다고 할 것이다. 상기 단락방지수단(50)은 전지부(40)의 단변부 중앙부 외측영역(39)에 부착되는 형상이 대략 “U”자형을 이루고 있다.

상기와 같은 단락방지수단(50)이 부착된 전지부(30)는 스웰링시 케이스(410)의 팽창으로 인하여 전지부(30)의 극성이 다른 극판(31)(32)끼리의 전기적인 접촉을 방지할 수가 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부와 이를 채용한 리튬이차전지는 젤리-롤형으로 와인딩되는 전지부의 변형이 발생가능한 부분에 단락방지수단이 부착되어 있음으로서, 리튬이차전지의 스웰링시 케이스의 팽창으로 인한 전지부의 변형을 미연에 방지할 수가 있게 된다. 이에 따라, 전지부의 양극 및 음극판이 직접적으로 접촉하지 않게 되어서, 단락을 방지하게 된다. 따라서, 전지의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수가 있다.

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 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

1. 양극집전체와, 상기 양극집전체의 적어도 일면에 선택적으로 형성되는 양극활물질층으로 된 스트립 형상의 양극판;

   상기 양극집전체와 전기적으로 연결되는 양극리드;

   음극집전체와, 상기 음극집전체의 적어도 일 면에 선택적으로 형성되는 음극활물질층으로 된 스트립 형상의 음극판;

   상기 음극집전체와 전기적으로 연결되는 음극리드;

   상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 이들을 절연시키는 세퍼레이터; 및

   상기 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 상태에서 일방향으로 와인딩된 부분중 전지의 스웰링 현상으로 인한 극판간의 단락을 방지하기 위하여 상기 양극 및 음극리드가 배치되는 부분과 반대되는 단변부의 영역에 형성된 단락방지수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부.
2. 제1항에 있어서,

   상기 단락방지수단은 상기 단변부 영역중 바닥면의 중앙부분을 커버하는 것을 특징으로 하는 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부.
3. 제1항에 있어서,

   상기 단락방지수단은 상기 단변부의 바닥면으로부터 이와 인접한 양 면으로 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부.
4. 제1항에 있어서,

   상기 단락방지수단은 고분자 수지로 된 절연성 테이프인 것을 특징으로 하는 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부.
5. 스트립형의 양극판과, 세퍼레이터와, 음극판순으로 배치된 상태에서 와인딩된 전지부;

   상기 양극판과 전기적으로 연결된 양극리드;

   상기 음극판과 전기적으로 연결된 음극리드;

   상기 전지부가 수용되는 공간부가 형성된 케이스; 및

   전지가 스웰링시 케이스의 변형에 대향되는 전지부의 영역에 부착되며, 상기 양극 및 음극리드가 배치되는 부분과 반대되는 상기 전지부의 단변부 영역에 형성된 단락방지수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부를 채용한 리튬이차전지.
6. 제5항에 있어서,

   상기 단락방지수단은 상기 단변부 영역중 상기 케이스의 내측영역과 대향되는 바닥면의 중앙부분을 커버하는 것을 특징으로 하는 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부를 채용한 리튬이차전지.
7. 제5항에 있어서,

   상기 단락방지수단은 상기 단변부 영역중 상기 케이스의 내측영역과 대향되는 바닥면으로부터 이와 인접한 양 면으로 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부를 채용한 리튬이차전지.
8. 제5항에 있어서,

   상기 단락방지수단은 고분자 수지로 된 절연성 테이프인 것을 특징으로 하는 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부를 채용한 리튬이차전지.