KR20210077460A - 원통형 전지 및 원통형 전지 제조 방법 - Google Patents

원통형 전지 및 원통형 전지 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 둘 이상의 양극 탭들 및 상기 양극 탭들의 용접 부위에 형성된 절연 부재를 포함하고, 상기 절연 부재는 열 수축 부재와 내열 부재를 포함하고, 상기 내열 부재는 상기 열 수축 부재의 적어도 일면에 형성되는 원통형 전지에 관한 것이다.

Description

원통형 전지 및 원통형 전지 제조 방법{CYLINDRICAL BATTERY AND MANUFACTUIRNG METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 원통형 전지 및 원통형 전지 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 화석 연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래 생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산 기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장 장치에도 많은 관심이 이어지고 있다.
더욱이, 모바일 기기와 전지 자동차에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 특히, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높다.
이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류된다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극 조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
이러한 전극 조립체들을 사용 목적에 따라, 파우치 케이스, 원통형 캔, 및 각형 케이스 등에 수납하여 전지를 제조한다.
이 중에서, 원통형 전지는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어, 전기 자동차, 휴대용 컴퓨터 및 휴대용 전동 공구 등 다양한 기기의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래의 원통형 전지를 나타낸 단면 모식도이다.
도 1을 참조하면, 원통형 전지(10)는 젤리-롤형 전극 조립체(12)를 원통형 케이스(13)에 장착하고, 원통형 케이스(13) 내에 전해액을 주입한 후, 원통형 케이스(13)의 개방 상단에 탑 캡(14)을 장착하고, 양극 탭(15)을 탑 캡(14)에 전기적으로 연결하여 제조한다.
최근에는 고출력을 위한 원통형 전지의 수요가 증가하였고, 이를 위해 복수의 양극 탭들을 구비한 원통형 전지가 제조되고 있다.
도 2는 두 개의 양극 탭을 가진 종래의 원통형 전지를 나타낸 단면 모식도이다.
도 2를 참조하면, 원통형 전지(20)는 전극 조립체(21)에 전기적으로 연결된 제1 양극 탭(22)과 제2 양극 탭(23)을 포함한다. 제1 양극 탭(22)의 일부가 절곡된 상태로 제2 양극 탭(23)에 용접된다. 설명의 편의를 위해, 전지 케이스와 탑 캡은 도시하지 않았다.
원통형 전지(20)의 충방전 과정에서 제1 양극 탭(22)과 제2 양극 탭(23)에서 상당한 열 에너지가 발생하고 이는 원통형 전지(20)의 내부 온도를 상승시켜 주변 구성들에 열 손상을 유발한다. 또한, 제1 양극 탭(22)과 제2 양극 탭(23)이 용접되는 과정에서 발생하는 이물이 용접 부위(A)에서 이탈할 경우 이는 내부 단락을 유발할 수 있다. 이에, 제1 양극 탭(22)과 제2 양극 탭(23)의 용접 부위(A)는 절연 부재(24)를 이용하여 감싼다.
이러한 구조를 통해서, 양극 탭(22, 23)에서 발생한 열 에너지에 의해 원통형 전지(20)의 내부 온도가 상승하는 것을 막을 수 있고, 용접 부위(A)에서 이물이 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
하지만, 고출력을 위한 원통형 전지(20)는 충방전 과정에서 상당한 열 에너지가 발생하기 때문에 절연 부재(24)가 녹는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 내열성 절연 부재가 구비된 원통형 전지 및 원통형 전지 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지는 둘 이상의 양극 탭들 및 상기 양극 탭들의 용접 부위에 형성된 절연 부재를 포함하고, 상기 절연 부재는 열 수축 부재와 내열 부재를 포함하고, 상기 내열 부재는 상기 열 수축 부재의 적어도 일면에 형성될 수 있다.
상기 내열 부재는 무기물을 포함할 수 있다.
상기 무기물은 베타 알루미나(β-Al2O3)를 포함할 수 있다.
상기 내열 부재는 PVDF-HFP(POLYVINYLIDENE FLUORIDE-CO-HEXAFLUOROPROPYLENE) 고분자 접착층일 수 있다.
상기 내열 부재는 상기 무기물 슬러리가 상기 열 수축 부재에 코팅된 구조일 수 있다.
상기 내열 부재는 상기 열 수축 부재의 서로 대응하는 양면에 각각 형성될 수 있다.
상기 열 수축 부재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(POLYETHYLENE TEREPHTHALATE), 폴리에틸렌 나프탈레이트(POLYETHYLENE NAPHTHALATE), 폴리이미드(POLYIMIDE) 및 폴리에틸렌이민(POLYETHYLENEIMINE) 중 하나 또는 하나 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 열 수축 부재에서 상기 내열 부재가 형성된 부위는 열 수축되지 않을 수 있다.
상기 열 수축 부재가 열 수축할 때의 수축력에 의해서 상기 절연 부재가 상기 양극 탭들의 상기 용접 부위에 고정될 수 있다.
상기 절연 부재가 열 수축이 완료되었을 때 상기 절연 부재의 크기는 상기 내열 부재의 크기보다 같거나 클 수 있다.
상기 내열 부재는 상기 절연 부재의 내부 중앙에 위치할 수 있다.
상기 열 수축 부재에는 다수의 상기 내열 부재가 일정한 간격으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 제조 방법은 둘 이상의 양극 탭들이 형성된 젤리-롤형 전극 조립체를 제조하는 단계; 상기 양극 탭들을 용접하여 서로 연결하는 단계; 상기 양극 탭들이 용접된 부위에 절연 부재를 위치하는 단계; 및 상기 절연 부재에 열을 가하여 상기 절연 부재를 열 수축시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 절연 부재는 열 수축 부재와 내열 부재를 포함하고, 상기 내열 부재는 상기 열 수축 부재의 적어도 일면에 형성될 수 있다.
상기 내열 부재는 무기물 슬러리가 상기 열 수축 부재에 도포된 상태에서 건조될 수 있다.
상기 양극 탭들이 용접된 부위에 상기 절연 부재를 위치하는 단계에서 상기 절연 부재는 링 형상이고, 상기 절연 부재가 상기 용접 부위를 감싸는 구조로 상기 용접 부위에 끼워질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 전지는 무기물 코팅층이 형성된 절연 부재를 포함함으로써, 전극 탭의 용접 부위에서 발생하는 열 에너지에 의해 절연 부재가 녹는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 원통형 전지를 나타낸 단면 모식도이다.
도 2는 두 개의 양극 탭을 가진 원통형 전지를 나타낸 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지를 나타낸 단면 모식도이다.
도 4는 도 3의 절연 부재가 열 수축되기 전에 펼쳐져 있는 것을 나타낸 평면 모식도이다.
도 5는 도 4의 절연 부재를 나타낸 측면 모식도이다.
도 6은 도 4의 절연 부재가 열 수축되는 것을 나타낸 평면 모식도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 절연 부재를 나타낸 단면 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지를 나타낸 단면 모식도이다. 도 4는 도 3의 절연 부재가 열 수축되기 전에 펼쳐져 있는 것을 나타낸 평면 모식도이다. 도 5는 도 4의 절연 부재를 나타낸 측면 모식도이다. 도 6은 도 4의 절연 부재가 열 수축되는 것을 나타낸 평면 모식도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 원통형 전지(100)는 금속 캔(130)의 내부에 젤리-롤형 전극 조립체(140)을 삽입하고, 금속 캔(130)의 개방 상단에 캡 어셈블리(110)를 장착할 수 있다. 캡 어셈블리(110)는 상단 캡(111), 안전 벤트(112) 및 전류 차단 부재(116)를 포함할 수 있다.
상단 캡(111)은 원통형 전지(100)의 외부로 돌출된 형태로 양극 단자를 형성할 수 있다. 상단 캡(111)은 안전 벤트(112)의 가장자리를 따라 안전 벤트(112)에 전기적으로 접속될 수 있다. 안전 벤트(112)는 원통형 전지(100)의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치(115)가 형성될 수 있다. 안전 벤트(112)는 원통형 전지(100)가 정상적으로 작동할 때 하향 돌출되어 있는 구조를 유지한다. 하지만, 원통형 전지(100)의 내부에서 가스가 발생하여 내부 압력이 상승할 때, 안전 벤트(112)는 상향 돌출되면서 파열되어 내부 가스를 배출할 수 있다.
전류 차단 부재(116)는, 원통형 전지(100)가 비정상적으로 작동할 때, 전류를 차단하고 내압을 해소할 수 있다. 전류 차단 부재(116)는 전극 조립체(140)와 안전 벤트(112) 사이의 공간에 장착될 수 있다.
양극 탭(150)은 제1 양극 탭(150a)과 제2 양극 탭(150b)을 포함할 수 있다. 제1 양극 탭(150a)과 제2 양극 탭(150b)의 용접 부위(도시하지 않음)에는 절연 부재(160)가 형성될 수 있다. 절연 부재(160)는 상기 용접 부위를 감싸는 구조로 형성될 수 있다.
절연 부재(160)는 열 수축 부재(161)와 내열 부재(162)를 포함할 수 있다. 열 수축 부재(161)는 특별히 한정되지 않으나 특정 온도로 가열되면 수축할 수 있는 열 수축 필름일 수 있다. 열 수축 부재(161)의 수축 온도는 섭씨 120도 내지 200도일 수 있다. 양극 탭(150)의 상기 용접 부위는 열수축 부재(161)가 수축될 때 발생하는 수축력에 의해서 조여질 수 있다. 열 수축 부재(161)는 가열 지그(도시하지 않음) 또는 온풍기(도시하지 않음)에 의해서 가열되어 수축될 수 있다.
열 수축 부재(161)의 녹는점은 섭씨 300도 내지 400도 일 수 있다. 열 수축 부재(161)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(POLYETHYLENE TEREPHTHALATE), 폴리에틸렌 나프탈레이트(POLYETHYLENE NAPHTHALATE), 폴리이미드(POLYIMIDE) 및 폴리에틸렌이민(POLYETHYLENEIMINE) 중 하나 또는 하나 이상의 혼합물일 수 있다.
절연 부재(160)는 열 수축 부재(161)에 내열 부재(162)가 부분적으로 형성된 구조일 수 있다. 열 수축 부재(161)는 제1 면(161-1)과 제1 면(161-1)의 반대편에 위치하는 제2 면(161-2)를 포함할 수 있다. 내열 부재(162)는 제1 면(161-1) 및 제2 면(161-2)에 모두 형성될 수 있다. 변형 예로, 내열 부재(162)는 제1 면(161-1) 또는 제2 면(161-2)에만 형성될 수 있다.
내열 부재(162)는 우수한 내열성을 가질 경우 특별히 한정되지 않으나 일 예로 무기물을 포함할 수 있다. 또한, 내열 부재(162)는 무기물을 포함하는 슬러리가 열 수축 부재(161)에 도포된 코팅층일 수 있다.
상기 무기물은 베타 알루미나(β-Al2O3)일 수 있다.
내열 부재(162)는 PVDF-HFP(POLYVINYLIDENE FLUORIDE-CO-HEXAFLUOROPROPYLENE) 고분자 접착층일 수 있다. 상기 PVDF-HFP 고분자 접착층은 고분자 수지에 상기 무기물이 PVDF-HFP에 의해 접착된 구조일 수 있다.
원통형 전지(100)가 비정상적인 작동을 할 때 내부 온도는 섭씨 500도 내지 600도까지 상승한다. 일반적으로 무기물의 녹는점은 섭씨 2000도 이상이므로 원통형 전지(100)의 비정상적인 작동에 의해 급격히 상승한 온도에도 상기 무기물을 녹지 않을 수 있다. 따라서, 열 수축 부재(161)에 상기 무기물이 코팅된 부위는 원통형 전지(100)의 비정상적인 작동에 의해 상승된 고온에도 녹지 않을 수 있다.
열 수축 부재(161)의 형상은, 특별히 한정되지 않으나, 일 예로 폭(D1) 대비하여 길이(L1)가 긴 직사각형 형상일 수 있다. 내열 부재(162)의 형상도, 특별히 한정되지 않으나, 일 예로 직사각형 형상일 수 있다. 열 수축 부재(161)에 내열 부재(162)가 형성된 부위는 열 수축 부재(161)가 수축할 때 수축하지 않는다. 따라서, 열 수축 부재(161)는 길이(L1)에서 길이(L2)로 수축할 수 있다. 그리고, 열 수축 부재(161)는 폭(D1)에서 폭(D2)로 수축할 수 있다.
열 수축 부재(161)가 열 수축하기 전의 길이를 L1이라 하고, 열 수축 후의 길이를 L2라고 가정할 때, 열 수축 부재(161)가 열 수축할 때의 수축력은 길이(L1)과 길이(L2)의 차이에 비례한다. 즉, 상기 수축력은 길이(L1)과 길이(L2)의 차이가 클수록 강해지고, 길이(L1)과 길이(L2)의 차이가 작을수록 약해진다.
마찬가지로, 열 수축 부재(161)가 열 수축하기 전의 폭을 D1이라 하고, 열 수축 후의 폭을 D2라고 가정할 때, 열 수축 부재(161)가 열 수축할 때의 수축력은 폭(D1)과 폭(D2)의 차이와 비례한다. 즉, 상기 수축력은 폭(D1)과 폭(D2)의 차이가 클수록 강해지고, 폭(D1)과 폭(D2)의 차이가 작을수록 약해진다.
열 수축 부재(161)가 열 수축할 때의 수축력에 의해서 절연 부재(160)가 제1 양극 탭(150a)과 제2 양극 탭(150b)의 용접 부위(A)에 고정될 수 있다. 열 수축 부재(161)에서 내열 부재(162)가 형성된 부위는 수축하지 않으므로, 열 수축 부재(161)가 수축이 완료되었을 때, 열 수축 부재(161)의 크기는 내열 부재(162)의 크기보다 실질적으로 같거나 클 수 있다. 여기서, 상기 크기는 길이(L1, L2)와 폭(D1, D2)을 곱한 넓이를 의미한다. 따라서, 절연 부재(160)가 열 수축이 완료되었을 때, 절연 부재(160)의 크기는 내열 부재(162)의 크기보다 실질적으로 같거나 클 수 있다.
이에, 작업자는 절연 부재(160)가 열 수축이 완료되었을 때 최종 크기와 열 수축 부재(161)가 발휘하는 수축력을 고려하여, 열 수축 부재(161)에서 내열 부재(162)가 차지하는 공간을 결정할 수 있다.
일 예로, 절연 부재(160)의 가장 자리가 수축될 수 있도록 내열 부재(162)는 절연 부재(160)의 내부 중앙에 위치하는 것이 바람직하다. 여기서, "내부 중앙"은 절연 부재(160)의 길이(L1)의 중간과 폭(D1)의 중간이 교차하는 부위를 일컫는다. 그리고, 내열 부재(162)는 직사각형 형상일 수 있고, 다수의 내열 부재(162)가 열 수축 부재(161)에 형성될 수 있다.
다수의 내열 부재(162)를 열 수축 부재(161)에 형성할 경우, 내열 부재(162)들 상호간에 일정한 간격으로 형성하여 열 수축 부재(161)에 일정한 수축력이 형성되게 할 수 있다. 이를 통해, 열 수축 부재(161)가 수축된 후 주름이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 내열 부재(162)를 열 수축 부재(161)에 다양한 간격으로 형성할 수 있음은 물론이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 절연 부재를 나타낸 단면 모식도이다.
도 7을 참조하면, 절연 부재(260)는 열 수축 부재(261)와 내열 부재(262)를 포함할 수 있다. 절연 부재(260)는 링(RING) 형상일 수 있다. 이는, 폭에 대비하여 길이가 긴 열 수축 부재(261)의 길이 방향의 양측이 서로 연결된 구조일 수 있다. 열 수축 부재(261)는 제1 면(262-1)과 제2 면(262-2)을 포함할 수 있고, 제1 면(262-1)은 외부를 향하고, 제2 면(262-2)은 내부를 향한 구조일 수 있다.
그리고, 열 수축 부재(261)의 제1 면(262-1)과 제2 면(262-2)에는 다수의 내열 부재(162)가 형성될 수 있다. 내열 부재(162)들은 상호 일정한 또는 다양한 간격으로 형성될 수 있다.
절연 부재(260)는 내열 부재(162)들 사이의 이격 공간만큼 열 수축 부재(261)가 수축하면서 발생하는 수축력으로 양극 탭들의 용접 부위를 감쌀 수 있다. 설명의 편의를 위해, 양극 탭 및 용접 부위를 도시하지 않았으나, 도 2의 양극 탭(22, 23) 및 용접 부위(A)와 동일한 구조일 수 있다. 링 형상의 절연 부재(260)는 상기 용접 부위를 감싸는 구조로 상기 용접 부위에 끼울 수 있다.
이러한 구조에 의해서, 절연 부재(260)는 상기 용접 부위에 견고하게 고정될 수 있을 뿐만 아니라 제조 공정을 단순화하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 둘 이상의 양극 탭들; 및
    상기 양극 탭들의 용접 부위에 형성된 절연 부재;
    를 포함하고,
    상기 절연 부재는 열 수축 부재와 내열 부재를 포함하고, 상기 내열 부재는 상기 열 수축 부재의 적어도 일면에 형성되는 원통형 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내열 부재는 무기물을 포함하는 원통형 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 무기물은 베타 알루미나(β-Al2O3)를 포함하는 원통형 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 내열 부재는 상기 무기물이 포함된 슬러리가 상기 열 수축 부재에 코팅된 구조인 원통형 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내열 부재는 PVDF-HFP(POLYVINYLIDENE FLUORIDE-CO-HEXAFLUOROPROPYLENE) 고분자 접착층인 원통형 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내열 부재는 상기 열 수축 부재의 서로 대응하는 양면에 각각 형성된 원통형 전지.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 열 수축 부재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(POLYETHYLENE TEREPHTHALATE), 폴리에틸렌 나프탈레이트(POLYETHYLENE NAPHTHALATE), 폴리이미드(POLYIMIDE) 및 폴리에틸렌이민(POLYETHYLENEIMINE) 중 하나 또는 하나 이상의 혼합물인 원통형 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열 수축 부재에서 상기 내열 부재가 형성된 부위는 열 수축되지 않는 원통형 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열 수축 부재가 열 수축할 때의 수축력에 의해서 상기 절연 부재가 상기 양극 탭들의 상기 용접 부위에 고정되는 원통형 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 절연 부재가 열 수축이 완료되었을 때 상기 절연 부재의 크기는 상기 내열 부재의 크기와 같거나 큰 원통형 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 내열 부재는 상기 절연 부재의 내부 중앙에 위치하는 원통형 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열 수축 부재에는 다수의 상기 내열 부재가 일정한 간격으로 형성된 원통형 전지.
  13. 둘 이상의 양극 탭들이 형성된 젤리-롤형 전극 조립체를 제조하는 단계;
    상기 양극 탭들을 용접하여 서로 연결하는 단계;
    상기 양극 탭들이 용접된 부위에 절연 부재를 위치하는 단계; 및
    상기 절연 부재에 열을 가하여 상기 절연 부재를 열 수축시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 절연 부재는 열 수축 부재와 내열 부재를 포함하고, 상기 내열 부재는 상기 열 수축 부재의 적어도 일면에 형성된 원통형 전지 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 내열 부재는 무기물 슬러리가 상기 열 수축 부재에 도포된 상태에서 건조되는 원통형 전지 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 양극 탭들이 용접된 부위에 상기 절연 부재를 위치하는 단계에서 상기 절연 부재는 링 형상이고, 상기 절연 부재가 상기 용접 부위를 감싸는 구조로 상기 용접 부위에 끼워지는 원통형 전지 제조 방법.
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