KR100277651B1 - 원통형 전지의 열 발산장치 - Google Patents

Abstract

목적 : 나선형으로 권취된 전극 롤을 갖는 원통형 전지에 관한 것으로, 특히 전지 내부에서 발생된 열이 외부로 빠르게 방열되도록 하여, 고용량의 전지를 실현함과 동시에 안전성을 확보할 수 있도록 하는 원통형 전지의 열 발산장치를 제공하고자 한다.

구성 : 세퍼레이터(4)를 개재하여 안쪽과 바깥쪽에서 권취된 2개의 전극(20)(60) 중에서, 바깥쪽으로 배치된 정극(60)의 활물질이 도포되지 않은 서브스트레이트(62)가 전극 롤(80)의 최외곽부를 둘러싸면서 캔(10)과 접촉되게 구성하므로, 내부에서 발생된 열이 빠르게 외부로 전도 및 방열될 수 있도록 한다.

효과 : 전지의 내부에서 발생된 열이 열 전도율이 큰 서브스트레이트를 통해 빠르게 전도 및 방열되므로, 전극 롤의 권취를 단단하게 감아 많은 양의 전극을 수납하여 고용량의 전지를 실현하면서도, 전지의 안전성을 확보할 수 있다.

Description

원통형 전지의 열 발산장치

본 발명은 정극, 세퍼레이터 및 부극이 함께 권취된 나선형(spirally-wound) 전극 롤을 갖는 원통형 전지에 관한 것으로서, 특히 전지의 내부에서 발생된 열을 효과적으로 방열하므로, 고용량화에 따른 안전성을 확보하는데 적합하게 이용될 수 있도록 한 원통형 전지의 열 발산장치에 관한 것이다.

원통형 전지는 1차, 2차 전지의 가장 일반적인 구조로 잘 알려져 있으며, 그 전지의 종류로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li) 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.

도 3은 리튬전지로 사용되고 있는 원통형 전지를 나타내고 있다. 도면에서와 같이 원통형 리튬전지는 정극(2)과 세퍼레이터(4) 및 부극(6)이 함께 권취된 전극 롤(8)이 상기 부극(6)과 접속된 캔(10)의 내부에 수납되고, 그 캔(10)의 상부에 상기 정극(2)과 접속된 캡 어셈블리(12)가 설치되어서, 상기 캔(10)에 전해액이 주입된 후 밀봉되는 구조로 이루어진다. 전극 롤(8)은 그 상면과 하면에 절연판(14)을 개재하여 캡 어셈블리(12) 및 캔(10)과의 단락이 방지된다.

여기서 정극 및 부극과 같은 전극(電極)은 전지의 종류에 따라 다소 차이가 있지만, 도 4에 도시된 바와 같이 서브스트레이트(16)의 양면에 활물질(18)을 포함하는 슬러리를 도포하고, 이것을 건조 및 롤 프레스한 다음 소정의 크기로 절단하는 공정에 의해 제조되는 것이며, 이렇게 제조된 전극(2)(6)은 그 사이에 세퍼레이터(4)를 개재하여 롤 상으로 권취된 후 캔(10)의 내부로 삽입, 설치되어 진다.

이와 같이 구성된 원통형 전지는 고전류에서의 충, 방전이 가능토록 하기 위해, 얇고 긴 전극을 좀 더 단단하게 권취하여 많은 양의 전극 즉, 활물질이 수납되게 하므로 고용량의 전지를 달성하고자 하는 노력들이 진행되고 있다.

그러나 전극을 단단하게 권취할 경우 고전류에서의 충, 방전시 문제가 되는 열 발산 특성이 저하되고, 결과적으로 내부 발열로 인해 안전성이 떨어지는 문제점이 생기게 된다.

또한 전지는 열 발산이 나빠지게 되면, 전지의 남용에 의한 내부 쇼트 등의 이상 작동시 열폭주(thermal-runaway)의 우려가 있으며, 셔트 다운(shut-down) 세퍼레이터 등을 이용한 안전 설계에 악영향을 끼치게 되는 문제점이 있다.

종래 기술에서 설명된 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 본 발명은 전지의 내부에서 발생된 열이 전도율이 큰 재료를 이용하여 외부로 빠르게 방열되도록 함으로써, 고용량의 전지를 실현함과 동시에 안전성을 확보할 수 있도록 한 원통형 전지의 열 발산장치를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

이에 따라 본 발명은 세퍼레이터를 개재하여 안쪽과 바깥쪽에서 권취된 2개의 전극 중에서, 바깥쪽으로 배치된 전극의 활물질이 도포되지 않은 서브스트레이트가 전극 롤의 최외곽부를 둘러싸면서 캔과 접촉되게 하여, 내부에서 발생된 열이 빠르게 외부로 전도 및 방열되도록 한 원통형 전지의 열 발산장치를 제안한다.

여기서 본 발명의 목적물인 열 발산장치는 세퍼레이터를 개재한 2개의 전극이 함께 권취된 전극 롤의 외주에 열 전도율이 큰 박막의 히트 디시페이터(heat dissipator)를 설치하여, 캔과 접촉되도록 구성할 수도 있다.

이와 같은 수단에 의거하여, 본 발명은 전극 롤과 캔의 사이에서 열의 전도 및 방출이 빠르게 달성되므로 방열 특성이 향상되고, 그에 따라 전극 롤의 권취를 단단하게 감아 많은 양의 전극을 수납할 수 있게 되므로 고용량의 전지를 실현할 수 있는 것이며, 아울러 전지의 안전성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 원통형 전지를 보인 평단면도.

도 2는 본 발명의 다른 예를 보인 평단면도.

도 3은 종래 공지된 원통형 전지의 전체 구성을 보인 종단면도.

도 4는 종래 공지된 원통형 전지를 보인 평단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

4-세퍼레이터 10-캔

20-정극 22-서브스트레이트

30-히트 디시페이터 60-부극

62-서브스트레이트 80-전극 롤

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

참고로 본 발명을 설명함에 있어, 종래 기술에서 인용된 도면에서 참조된 부분과 동일한 구성에 대하여는 설명의 중복을 피하기 위해 동일 부호를 부여하기로 한다.

도 1은 본 발명에 관련된 원통형 전지를 도시한 것으로, 원통형 전지의 일 예로서 리튬전지에 사용되는 정극(20) 및 부극(60)에 관하여 자세하게 보여주고 있다.

도면에서와 같이 정극(20)과 부극(60)은 서브스트레이트(22)(62)의 양쪽 면에 리튬 금속산화물, 및 탄소 혹은 탄소복합체로 된 활물질(24)(64)을 각각 형성한 구성으로 이루어진다.

이렇게 형성된 정극(20)과 부극(60)은 2전극의 사이에 세퍼레이터(4)를 개재하여 롤 상으로 권취되는 것이며, 안쪽에는 정극(20)이 바깥쪽에는 부극(60)이 배치된 상태로 권취되어 전극 롤(80)을 형성한 다음, 캔(10)의 내부로 수납, 설치되어 진다.

여기서 본 발명의 목적물인 열 발산장치는 전극 롤(80)과 캔(10)의 사이에 열 전도율이 큰 재질을 설치하여 열의 전도 및 방열이 빠르게 달성되도록 한 것이며, 이를 위해 본 발명에서는 세퍼레이터(4)의 바깥쪽으로 배치된 부극(60)의 활물질이 도포되지 않은 최외곽부의 서브스트레이트(62)가 전극 롤(80)의 외부를 둘러싸면서 캔(10)과 직접 접촉되도록 한 구성으로 되어 있다.

또 본 발명에서는 전극 롤(80)의 중심부 공간을 통해 열의 전도 및 방열이 이루어지도록 하기 위해, 세퍼레이터(4)이 안쪽으로 배치된 정극(20)의 활물질이 도포되지 않은 내측 단부의 서브스트레이트(22)가 내주를 둘러싸도록 한 구성으로 되어 있다.

여기서 부극(60)의 서브스트레이트(62)는 열 전도율이 큰 Cu로 되어 있고, 정극(20)의 서브스트레이트(22)는 열 전도율이 큰 Al로 되어 있으므로, 캔(10)과 직접 접촉을 통하여 또한 내부의 공간을 통하여 열의 전도 및 방열을 빠르게 달성할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명은 도 2를 통하여 열 발산장치의 다른 예를 보여주고 있다. 도면에서와 같이 본 발명은 전극 롤(80)과 캔(10)의 사이에 열 전도율이 큰 재질로서 박막의 히트 디시페이터(30)를 설치하여 열의 전도 및 방열이 빠르게 달성되도록 하고 있다.

박막의 히트 디시페이터(30)는 본 발명의 효과를 더욱 높이기 위해 열 전도율이 큰 재질인 Ni로 형성함이 바람직하며, 도 1에 보여진 바와 같이 전극 롤(80)의 최외곽부를 둘러싸는 부극(60)의 세퍼레이터(62) 구조와 함께 병용할 경우 그 효과가 배가될 수 있다.

이상에서 설명된 구성에 의거하여 본 발명의 원통형 전지는 캔(10)의 한정된 공간 내부에 전극 롤(80)을 수납함에 있어, 열의 전도 및 방열 효과가 증대되는 만큼 전극 롤(80)을 좀더 단단하게 감아 많은 양의 전극 즉, 활물질이 수납되게 함으로써 고용량의 전지를 달성할 수 있다.

아울러 상기와 같이 구성된 원통형 전지는 전극 롤(80)이 캔(10)의 개구에 가스켓을 개재하여 캡 어셈블리를 설치하고, 전해액을 주입한 후 크림핑함에 의해 밀봉되어 진다.

이상에서 설명된 구성 및 작용을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 원통형 전지의 열 발산장치는 종래 기술의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 본 발명은 전지의 내부에서 발생된 열이 열 전도율이 큰 서브스트레이트 및 박막의 히트 디시페이터를 통해 빠르게 전도 및 방열되게 함으로써, 전극 롤의 권취를 단단하게 감더라도 안전성을 확보할 수 있는 것이다.

따라서 본 발명에 의하면 전체 전극의 활물질 양이 증대될 수 있으며 그에 따라 고용량의 전지를 실현할 수 있고, 궁극적으로는 전지의 신뢰성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (9)

1. 정극과 부극으로 구분된 전극과 그 사이에 개재된 세퍼레이터가 함께 권취되어 캔의 내부에 설치되고, 그 캔의 개구에 캡 어셈블리가 폐색된 구성으로 이루어지는 원통형 전지에 있어서,

   세퍼레이터를 개재하여 안쪽과 바깥쪽에서 권취된 2개의 전극 중에서 바깥쪽으로 배치된 전극은 활물질이 도포되지 않은 서브스트레이트가 최외곽부를 둘러싸면서 캔과 접촉하게 구성된 것임을 특징으로 하는 원통형 전지의 열 발산장치.
2. 제 1 항에 있어서, 안쪽으로 권취된 전극의 내측 단부는 활물질이 도포되지 않은 서브스트레이트가 내부 둘레를 한번 더 둘러싸게 형성한 것임을 특징으로 하는 원통형 전지의 열 발산장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 바깥쪽으로 권취된 전극은 부극, 안쪽으로 권취된 전극은 정극인 것을 특징으로 하는 원통형 전지의 열 발산장치.
4. 제 3 항에 있어서, 부극의 서브스트레이트는 Cu로 된 것임을 특징으로 하는 원통형 전지의 열 발산장치.
5. 제 3 항에 있어서, 정극의 서브스트레이트는 Al로 된 것임을 특징으로 하는 원통형 전지의 열 발산장치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 세퍼레이터를 개재하여 안쪽과 바깥쪽에서 함께 권취된 전극 롤과 캔의 사이에는 박막의 히트 디시페이터가 설치된 것임을 특징으로 하는 원통형 전지의 열 발산장치.
7. 제 6 항에 있어서, 박막의 히트 디시페이터는 Ni로 된 것임을 특징으로 하는 원통형 전지의 열 발산장치.
8. 정극, 세퍼레이터 및 부극이 함께 권취되어 캔의 내부에 설치되고, 그 캔의 개구에 캡 어셈블리가 폐색된 구성으로 이루어지는 원통형 전지에 있어서,

   정극, 세퍼레이터 및 부극이 함께 권취된 전극 롤과 캔의 사이에 박막의 히트 디시페이터가 설치된 것임을 특징으로 하는 원통형 전지의 열 발산장치.
9. 제 8 항에 있어서, 박막의 히트 디시페이터는 Ni로 된 것임을 특징으로 하는 원통형 전지의 열 발산장치.