KR100591424B1 - 캔형 리튬이온 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬이온 이차전지의 충방전시 극판 팽창으로 인한 스웰링 현상을 줄일 수 있으며 동시에 강도를 증가시킬 수 있도록 캔의 구조를 개선한 캔형 리튬이온 이차전지에 관한 것이다. 본 발명은, 양극판과 음극판, 및 이들 간의 직접적 접촉을 막는 세퍼레이터가 권취되어 형성된 전극 젤리롤과, 상기 전극 젤리롤을 수납하고 있는 캔을 포함하는 캔형 리튬이온 이차전지에 있어서, 상기 캔의 장측면의 모서리부의 두께가 장측면의 중앙부의 두께보다 두껍게 형성되어 있는 리튬이온 이차전지를 제공한다.

캔형 리튬이온 이차전지, 스웰링, 캔 두께

Description

캔형 리튬이온 이차전지{Can Type Lithium Ion Secondary Battery}

도 1은 종래의 캔형 리튬이온 이차전지를 도시하는 분해사시도.

도 2는 종래의 캔형 이차전지의 캔이 팽창한 상태를 도시하는 도 1의 II-II선을 따라 취한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 캔형 리튬이온 이차전지의 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 캔형 리튬이온 이차전지의 캔이 팽창한 상태를 도시하는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10...리튬이차전지 12...전극 젤리롤

13...양극판 14...세퍼레이터

15...음극판 16...양극 리드

17...음극리드 30...절연 케이스

100...캡 조립체 110...캡 플레이트

120...가스켓 130...전극 단자

140...절연 플레이트 150...단자 플레이트

50a, 50b, 50c, 50d...캔의 장측면 모서리부

본 발명은 리튬이온 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캔형 리튬이온 이차전지의 충전시 극판 팽창으로 인한 스웰링 현상을 줄일 수 있도록 캔의 구조를 개선한 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.

이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성으로 인하여 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 것 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.

이들 이차전지에서 베어 셀의 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 젤리롤을 통상 철재, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡 조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 형성된다. 캔은 철재로 형성될 수 있으나 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성하게 되면 알루미늄의 가벼운 속성으로 전지의 경량화가 이루어질 수 있고, 고전압 하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 유리한 이점이 있다.

도 1은 종래의 캔형 리튬이온 이차전지의 분해 사시도를 나타내며, 도 2는 상기 리튬이온 이차전지의 팽창 시의 단면도를 나타낸다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 각형 리튬이온 이차 전지는 캔(50)과, 상기 캔(50)의 내부에 수용되는 전극 젤리롤(12)과, 상기 캔(50)에 결합되는 캡 조립체(100)를 포함한다.

상기 캔(50)은 금속재로 된 각형의 케이스이며, 서로 평행하게 연장된 상대 적으로 길이가 긴 측면(이하 '장측면'이라 함)들과 이 장측면들을 연결하는 상대적으로 길이가 짧은 측면(이하 '단측면'이라 함)들을 포함한다.

상기 전극 젤리롤(12)은 양극판(13)과, 세퍼레이터(14)와, 음극판(15)을 순차로 적층한 후 롤상으로 권취시킨 것으로, 상기 캔(11)의 내부에 수납되어 있다. 상기 양극판(13) 및 음극판(14)으로부터 양극 및 음극 리드(16, 17)가 각각 인출되어 있다.

상기 캡 조립체(100)는 상기 캔(11)의 상단부에 결합되는 캡 플레이트(110)와, 상기 캡 플레이트(110)의 중앙에 형성되어 있는 단자 통공(111)에 삽입되는 전극 단자(130)와, 상기 캡 플레이트(110)의 아랫면에 설치되는 절연 플레이트(140)와, 상기 절연 플레이트(140)의 아랫면에 설치되어 상기 전극 단자(130)와 전기적으로 연결되는 단자 플레이트(150)를 포함하고 있다. 상기 전극 단자(130)의 외면에는 상기 전극 단자와 상기 캡 플레이트(110)와의 절연을 위하여 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치되어 있다.

상기 캡 플레이트(110)에는 상기 캔(11) 내부로 전해액을 주입하기 위한 통로를 제공하는 전해액 주입공(112)이 형성되어 있고, 상기 전해액 주입공(112)에는 볼(160)이 밀폐가능하도록 결합되어 있다.

상기 양극 리드(16)는 상기 캡 플레이트(110)의 저면에 연결되어 있으며, 상기 음극 리드(17)는 상기 단자 플레이트(150)를 통하여 전극 단자(130)와 접속되어 있다. 상기 양극 리드(16) 및 음극 리드(17)가 전극 젤리롤(12)로부터 인출되는 부분에는 극판(13, 15)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다. 상기 캔(11)의 내부에는 상기 전극 젤리롤(12)의 상부에 위치하며, 상기 전극 젤리롤(12)과, 캡 조립체(100)와의 절연을 위한 절연 케이스(30)가 설치되어 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 리튬이온 이차전지의 캔(50)은 이차전지의 충방전시 전기화학반응에 의한 가스의 발생에 수반하는 내압상승이나 극판 팽창 등에 의해 도 2에 도시된 바와 같이, 캔의 장측면의 중앙부가 부풀어 올라 캔이 변형되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 캔형 리튬이온 이차전지의 충방전시 극판 팽창으로 인한 스웰링 현상을 억제하고 동시에 강도가 보강되어 변형이 방지되는 캔형 리튬이온 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

양극판과 음극판, 및 이들 간의 직접적 접촉을 막는 세퍼레이터가 권취되어 형성된 전극 젤리롤과, 상기 전극 젤리롤을 수납하고 있는 캔을 포함하는 캔형 리튬이온 이차전지에 있어서,

상기 캔의 장측면의 모서리부의 두께가 장측면의 중앙부의 두께보다 두껍게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 캔은 철재, 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 이루어질 수 있다.

바람직하게는, 상기 알루미늄합금은 알루미늄과 망간 또는 알루미늄과 니켈 또는 알루미늄과 마그네슘으로 형성될 수 있다.

본 발명에서, 상기 캔의 장측면의 중앙부의 최소 두께(t₁)와 장측면의 모서리부의 최대 두께(t₂)의 상대적인 두께비는 하기 식을 만족하는 것이 바람직하다.

1.3 ≤ t₂/t₁ ≤ 3

본 발명에서, 상기 캔의 장측면의 모서리부의 적어도 일부분은 상기 장측면의 중앙부를 향해 경사지게 구성될 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 캔형 리튬이온 이차전지를 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 리튬이온 이차전지의 캔이 팽창한 상태를 나타내는 도면이다.

전극 젤리롤을 수용하는 캔(50)은 상대적으로 길이가 긴 두개의 대향 장측면들과 상대적으로 길이가 짧은 두 개의 대향 단측면들로 이루어져 있다.

상기 캔(50)의 재질은 철재, 알루미늄 또는 알류미늄 합금으로 이루어질 수 있고, 경량화 측면에서 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. 내압 강도를 강화하거나 전해액에 대한 내부식성 측면에서 알루미늄과 망간, 알루미늄과 니켈, 또는 알루미늄과 마그네슘이 혼합된 알루미늄 합금이 사용될 수 있다. 전해액에 대한 내부식성이 중요한 경우에는 니켈을 함유한 알루미늄합금을 사용하는 것이 바람직하다.

이차전지의 충전시 극판 팽창으로 인한 스웰링이 발생하는 경우, 캔의 장측면의 중앙부가 장측면의 모서리부(50a, 50b, 50c, 50d)보다 상대적으로 크게 부풀어오르게 되며, 이 때 상기 장측면의 각 모서리부(50a, 50b, 50c, 50d)에는 무용한 공간 S가 형성된다.

본 발명은 스웰링이 발생할 때 상기 캔(50)의 장측면의 각 모서리부에 형성되는 무용한 공간 S를 고려하여 캔의 장측면의 모서리부(50a, 50b, 50c, 50d)의 두께를 캔의 장측면의 중앙부 두께보다 두껍게 구성함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 극판의 팽창 시에도 캔의 외관 변형을 방지할 수 있다.

일반적으로 캔(50)의 휨강도는 캔의 장측면 길이의 세제곱에 비례하여 저하된다. 캔의 장측면의 길이가 길어지면 내압으로 인한 직선 부분의 변형이 일어나기 쉽다. 따라서 본 발명에 따라 캔의 장측면 모서리부의 두께를 두껍게 함으로써 캔의 장측면의 직선 부분의 길이가 짧아져 휨강도가 크게 증가될 수 있다.

알루미늄이나 알루미늄 합금으로 이루어진 캔(50)의 장측면의 중앙부의 두께는 대개 0.1 내지 0.3mm 범위내이다. 도 2에 잘 나타나 있듯이, 스웰링이 일어나면 캔(50)의 장측면의 중앙부가 부풀어오르고, 이때 상기 중앙부의 팽창 두께는 0.13 내지 3.9 범위 내가 되며, 팽창 전의 중앙부의 두께에 비해 1.3 내지 3배정도 두께가 팽창한다. 따라서 본 발명에 따른 캔(50)의 장측면의 중앙부의 최소 두께(t₁)와 장측면의 모서리부(50a, 50b, 50c, 50d)의 최대 두께(t₂)는 공히 하기 식을 만족하는 것이 바람직하다.

1.3 ≤ t₂/t₁ ≤ 3

본 발명에 따른 캔(50)의 장측면의 모서리부의 최대 두께와 중앙부의 최소 두께간의 상대적인 두께비 t₂/t₁이 1.3보다 작으면 스웰링에 의한 캔의 외관 변형 감소 효과가 적으며, 3보다 크면 상기 캔(50)의 장측면의 모서리부(50a, 50b, 50c, 50d)의 두께가 필요이상으로 두꺼워져 이차전지의 경량화에 바람직하지 않다.

일반적으로 캔의 재질에 따라 팽창률이 달라질 것이며, 이에 따라 캔의 장측면의 모서리부의 최대 두께와 중앙부의 최소 두께간의 상대적인 비 t₂/t₁은 적절히 선택될 수 있다.

도 2에 도시되어 있듯이, 캔의 스웰링이 발생하는 경우 스웰링되는 정도는 캔의 장측면 중앙부에서 모서리부로 갈수록 감소되는 특성을 나타낸다. 따라서 이러한 캔의 변형 특성을 고려하여, 도 3과 같이 본 발명에 따른 상기 캔(50)의 횡단면 형상은 장측면의 모서리부(50a, 50b, 50c, 50d)의 적어도 일부분이 상기 장측면의 중앙부를 향해 경사지게 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참조고 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 의하여 정해져야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따라 캔의 장측면의 모서리부의 두께를 장측면의 중앙부보다 두껍게 하여 캔의 구조를 보강함으로써 충방전시 극판 팽창으로 인한 스웰링 현상이 억제되어 캔의 변형이 방지되고 동시에 캔의 강도를 증가시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 양극판과 음극판, 및 이들 간의 직접적 접촉을 막는 세퍼레이터가 권취되어 형성된 전극 젤리롤과, 상기 전극 젤리롤을 수납하고 있는 캔을 포함하는 캔형 리튬이온 이차전지에 있어서,

   상기 캔의 장측면의 모서리부의 두께가 장측면의 중앙부의 두께보다 두껍게 형성되며, 상기 모서리부의 적어도 일 부분은 상기 중앙부를 향해 경사지게 구성되는 것을 특징으로 하는 캔형 리튬이온 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 캔은 철재, 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캔형 리튬이온 이차전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 알루미늄합금은 알루미늄과 망간 또는 알루미늄과 니켈 또는 알루미늄과 마그네슘으로 형성됨을 특징으로 하는 캔형 리튬이온 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 캔의 장측면의 중앙부의 최소 두께(t₁)와 장측면의 모서리부의 최대 두께(t₂)의 상대적인 두께비는 1.3 ≤ t₂/t₁ ≤ 3 을 만족하는 것을 특징으로 하는 캔형 리튬이온 이차전지.
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