(57)【要約】  本発明は、陽極、陰極、および前記陽極と陰極に介在した分離膜が共に巻き取られた構造の電極組立体（ゼリーロール）；内部に一側が開放された形態の中空が形成されており、前記電極組立体が前記中空を囲む形態で内蔵される缶体；および前記缶体の開放上端部に搭載されて缶体を密閉するトップカバー；を含み、前記缶体の底部およびトップカバーのうちのいずれか一つは、前記缶体の中空と連通する貫通口が形成されており、前記中空の全体体積に対して５０％以上の熱伝導性樹脂が満たされている二次電池およびこれを含む二次電池パックを提供する。
2020523753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極、陰極、および前記陽極と陰極に介在した分離膜が共に巻き取られた構造の電極組立体（ゼリーロール）と、
内部に一側が開放された形態の中空が形成されており、前記電極組立体が前記中空を囲む形態で内蔵される缶体と、
前記缶体の開放上端部に搭載されて缶体を密閉するトップカバーと、
を含み、
前記缶体の底部およびトップカバーのうちのいずれか一つは、前記缶体の中空と連通する貫通口が形成されており、
前記中空の全体体積に対して５０％以上の熱伝導性樹脂が満たされている、二次電池。
【請求項２】
前記電極組立体の上面と下面には上部絶縁体および下部絶縁体が介在し、上部絶縁体および下部絶縁体のうちのいずれか一つは、前記中空の大きさに対応する貫通口が形成されている、請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
ウレタンまたはシリコンを基材とし、アルミナまたは窒化ホウ素を補助材とするポリマーである、請求項１又は２に記載の二次電池。
【請求項４】
前記二次電池は、一端が前記熱伝導性樹脂と接触し、他端が中空外部に露出するように中空に挿入されている金属棒をさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の二次電池。
【請求項５】
前記熱伝導性樹脂と前記金属棒の接触部位は、前記金属棒の全体表面積を基準に５０％以下である、請求項４に記載の二次電池。
【請求項６】
前記金属棒の外径は、中空内径より小さい、請求項４に記載の二次電池。
【請求項７】
前記中空の大きさは、巻き取られた構造の電極組立体の内径に対応する大きさからなる、請求項１から６のいずれか一項に記載の二次電池。
【請求項８】
前記二次電池は、円筒形または角形の電池である、請求項１から７のいずれか一項に記載の二次電池。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の二次電池を二つ以上含む二次電池パックであって、
前記二次電池は、陽極、陰極、および前記陽極と陰極に介在した分離膜が共に巻き取られた構造の電極組立体（ゼリーロール）と、
内部に一側が塞がっている形態の中空が形成されており、前記電極組立体が前記中空を囲む形態で内蔵される缶体と、
前記缶体の開放上端部に搭載されて缶体を密閉するトップカバーと、
を含み、
前記缶体の底部およびトップカバーのうちのいずれか一つは、前記缶体の中空と連通する貫通口が形成されており、
前記中空の全体体積に対して５０％以上の熱伝導性樹脂が満たされており、
前記熱伝導性樹脂は、二つ以上の二次電池を電気的に接続するパック端子に接触している、二次電池パック。
【請求項１０】
前記パック端子は、前記二次電池の中空に対応する部位で前記中空に一部挿入される凸部を含み、前記凸部が前記中空内の熱伝導性樹脂と接触している、請求項９に記載の二次電池パック。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれか一項に記載の二次電池を二つ以上含む二次電池パックであって、
前記二次電池は、陽極、陰極、および前記陽極と陰極に介在した分離膜が共に巻き取られた構造の電極組立体（ゼリーロール）と、
内部に一側が塞がっている形態の中空が形成されており、前記電極組立体が前記中空を囲む形態で内蔵される缶体と、
前記缶体の開放上端部に搭載されて缶体を密閉するトップカバーと、
を含み、
前記缶体の底部およびトップカバーのうちのいずれか一つは、前記缶体の中空と連通する貫通口が形成されており、
前記中空の全体体積に対して５０％以上の熱伝導性樹脂が満たされており、
一端が前記熱伝導性樹脂と接触し、他端が前記中空外部に露出するように金属棒が前記中空に挿入され、前記金属棒の他端が二つ以上の二次電池を電気的に接続するパック端子に結合されている、二次電池パック。
【請求項１２】
前記金属棒と前記パック端子の結合は、溶接または機械的締結によって行われる、請求項１１に記載の二次電池パック。
【請求項１３】
請求項９から１２のいずれか一項に記載の二次電池パックを、電源として含む、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願との相互引用］
本出願は、２０１７年１２月１日付韓国特許出願第１０−２０１７−０１６４５４６号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれている。
本発明は、熱伝導性樹脂で満たされた中空を有する二次電池であり、放熱性能が向上した二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するにつれ、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しており、このような二次電池のうち高いエネルギー密度と放電電圧のリチウム二次電池に対する多くの研究が行われており、また商用化されて広く使われている。
【０００３】
二次電池は電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒形または角形の金属缶に内蔵されている円筒形電池および角形電池と、電極組立体がアルミラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池に分類される。その中で、円筒形電池および角形電池は、形状的な特徴に起因して多様なデバイスに適用して使われている。
【０００４】
一般に円筒形または角形電池に内蔵される電極組立体は、陽極／分離膜／陰極の積層構造からなる充放電が可能な発電素子として、活物質が塗布された長いシート型の陽極と陰極との間に分離膜を介在した後、巻芯を基準に巻き取られたゼリーロール形態からなる。
【０００５】
このようなゼリーロール形態の電極組立体は製造が容易でかつ重量当たりエネルギー密度が高い長所を有している。
【０００６】
しかし、二次電池は充放電時に発生する熱をケースを介して外部に放熱させるが、このような二次電池の放熱特性は電池の性能を左右するほど重要である。
【０００７】
特に、例えば円筒形電池は半径と高さを２倍に大きくすると、容量は体積に比例して８倍に増加する。しかし、放熱面積は４倍にしかならない。このために電池の容量を８倍にすると単位容量当たりの表面積は１／２に減少する。また、二次電池は中心部分の放熱が悪く、この部分の温度が最も高くなる。大型電池は中心から電池表面までの長さが長くなって、放熱しやすい電池表面から内部に向かうことにより温度が高くなるという温度傾斜が発生して最も冷却が重要な中心部分の温度が上昇する。このような電池の温度上昇によって電池温度が過度に高くなると、電池性能を低下させる問題が発生する。
【０００８】
さらに、円筒形または角形の電池は、中大型電池に製作される場合、電池の中心部の熱が外部に排出されにくい構造であるため、繰り返し充放電を行うと、中心部から発熱が促進され、二次電池の寿命が短縮され得、さらに二次電池の発火または爆発の原因となる恐れがある。
【０００９】
このような問題を解決するために、従来では円筒形または角形の電池の中心部に中空を形成して空気を通わせることにより冷却が難しい中心部分の冷却性能を向上させた。
【００１０】
しかし、このような中空を有する二次電池も空冷による放熱に限界があるだけでなく、最近の容量増加の要求に合わせて二次電池の大きさが増加する場合、または電動工具のようなデバイスに用いられる電池パックの場合、繰り返し使用することによるこのような限界はより深刻で、所望する程度の十分な放熱特性を示すことができない。
【００１１】
したがって、前記問題を解決できる冷却効率性を大きく改善した二次電池に対する技術が必要な実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前記のような従来技術の問題と過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
【００１３】
本出願の発明者らは、深い研究と多様な実験を重ねた結果、以下で説明するように、内部に中空が形成された二次電池において、前記中空に全体体積の５０％以上で熱伝導性樹脂が満たされている構造を有する場合、所望する効果を達成できることを確認して本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明による二次電池は、陽極、陰極、および前記陽極と陰極に介在した分離膜が共に巻き取られた構造の電極組立体（ゼリーロール）；内部に一側が開放された形態の中空が形成されており、前記電極組立体が前記中空を囲む形態で内蔵される缶体；および前記缶体の開放上端部に搭載されて缶体を密閉するトップカバー；を含み、前記缶体の底部およびトップカバーのうちのいずれか一つは、前記缶体の中空と連通する貫通口が形成されており、前記中空の全体体積に対して５０％以上の熱伝導性樹脂が満たされていることを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記中空は、缶体の底部またはトップカバーから電極組立体が内蔵された方向に延長形成された構造からなっており、一側は塞がっている形態であるため、中空に熱伝導性樹脂を満たし得る。
【００１６】
この時、熱伝導性樹脂は詳細には、中空の全体体積に対して７０％以上、さらに詳細には９０％以上に満たされ得る。
【００１７】
したがって、本発明による二次電池は、電池中心に形成される中空に熱伝導性樹脂を満たすことによって、放熱特性が最も優れた伝導により熱を放出できるため、中心部の冷却効率性をより高めることができる。
【００１８】
一般的に、放熱特性は伝導＞水冷＞空冷の順である。
【００１９】
このような本発明による効果を最大化できる熱伝導性樹脂は、熱伝導性を有する物質であり、常温で固体であるものであれば限定されず、例えば、ウレタンまたはシリコンを基材として、アルミナ（alumina）または窒化ホウ素（boron nitride）を補助材とするポリマーであり得る。
【００２０】
このような熱伝導性樹脂は、常温での熱伝導度が１．１Ｗ／ｍ・Ｋ〜３．０Ｗ／ｍ・Ｋであり得る。
【００２１】
前記範囲を逸脱して熱伝導度が低い場合には、本発明が意図した冷却効果を達成することができず、前記範囲を逸脱する熱伝導度を有する樹脂は商用化されにくいので好ましくない。
【００２２】
一方、前記熱伝導性樹脂の伝導によりさらに冷却効果を増大させるために、前記二次電池は、一端が熱伝導性樹脂と接触し、他端が中空外部に露出するように中空に挿入されている金属棒をさらに含み得る。
【００２３】
これは熱伝導性樹脂が二次電池中空から外部に露出するように満たされることができず、外部空気による空冷効果は得ることができないので、前記熱伝導性樹脂に接触する金属棒を追加することによって、二次電池から熱伝導性樹脂に、熱伝導性樹脂から金属棒に伝導する形で熱を放出し、金属棒は外部に露出して空冷の効果も発揮できるようにすることによってさらに冷却効果を最大化させることができる。
【００２４】
この時、前記熱伝導性樹脂と金属棒の接触部位は、金属棒の全体表面積を基準に５０％以下であり得る。
【００２５】
すなわち、本発明によれば、熱伝導性樹脂を中空に優先的に満たし、ここに金属棒を所定挿入することによって金属棒の他端を外部空気にさらすことができるようにしたものである。そうではなく、前記範囲を超えて金属棒が熱伝導性樹脂に完全に挿入される場合には、外部露出による空冷効果は得ることができないため、好ましくない。
【００２６】
ここで、前記金属棒は、中空に満たされた熱伝導性樹脂と接触するために中空内に挿入されるように、その外径が中空内径より小さくてもよい。
【００２７】
前記金属棒は熱伝導性が良い素材であれば限定されないが、例えば、銅（copper）またはアルミニウム（aluminum）のような高伝導性素材であり得る。
【００２８】
一方、前記中空の大きさは巻き取られた構造の電極組立体の内径に対応する大きさからなる。
【００２９】
本発明でいう「対応する」とは、同一またはほぼ同じ程度の類似するものを意味し、構造によって巻き取られた電極組立体が中空を有する缶体に挿入され得るほどに巻き取られた電極組立体の内径より小さいか同じ範囲であるが、容量の減少を最小化する程度の範囲内での偏差を含む程度である。
【００３０】
本発明の二次電池は、また、前記電極組立体の上面と下面には上部絶縁体および下部絶縁体が介在し得、この時、上部絶縁体および下部絶縁体のうちのいずれか一つは、缶体の底部およびトップカバーのうちのいずれか一つに形成された貫通口と対応するように、前記中空の大きさに対応する貫通口が形成されている。
【００３１】
すなわち、このような構造の本発明による二次電池は、角形電池または円筒形電池であり得る。
【００３２】
したがって、前記中空構造およびこれに熱伝導性樹脂が満たされたこと以外は一般的な円筒形電池または角形電池の構成と同一である。
【００３３】
具体的には、円筒形電池の場合、前記トップカバーは、前記缶体の開放端に結合され、最上部に突出した形態に配置されて陽極端子を形成するトップキャップ；および前記トップキャップの下部に位置して前記電極組立体で延びる電極リードと接触し、温度に応じて抵抗値が変わるＰＴＣ素子を含み得る。
【００３４】
本発明はまた、前記二次電池が二つ以上含まれる二次電池パックにおいて、本発明が意図した放熱効果をさらに効果的に達成するための構造の二次電池パックを提供する。
【００３５】
具体的に、前記二次電池パックは、二次電池を二つ以上含む電池パックであって、前記二次電池は、陽極、陰極、および前記陽極と陰極に介在した分離膜が共に巻き取られた構造の電極組立体（ゼリーロール）；内部に一側が塞がっている形態の中空が形成されており、前記電極組立体が前記中空を囲む形態で内蔵される缶体；および前記缶体の開放上端部に搭載されて缶体を密閉するトップカバー；を含み、前記缶体の底部およびトップカバーのうちのいずれか一つは、前記缶体の中空と連通する貫通口が形成されており、前記中空の全体体積に対して５０％以上の熱伝導性樹脂が満たされており、前記熱伝導性樹脂は、二つ以上の二次電池を電気的に接続するパック端子に接触している構造を有し得る。
【００３６】
この時、前記熱伝導性樹脂とパック端子の接触のために、前記パック端子は、二次電池の中空に対応する部位で中空に一部挿入される凸部を含み、前記凸部が中空内の熱伝導性樹脂と接触していてもよい。
【００３７】
すなわち、パック端子が凸部を含む場合、熱伝導性樹脂と接触できる面積が広くなって、中空に挿入され固定され得、熱伝導性樹脂とパック端子を接触するようにする別途の部材なしに十分な接触面積を有し得るため、好ましい。
【００３８】
このような構造によってパック端子と熱伝導性樹脂が接触する場合は、パック端子によって二つ以上の二次電池が電気的接続を行いながらも、二次電池から熱伝導性樹脂に、熱伝導性樹脂からパック端子に熱が伝導され、パック端子が外部空気と接したり、追加的な冷却システムを追加することによってさらに向上した放熱効果を発揮できるため、一つの部材で二種類の機能を行うことができ、さらに効率的である。この時、冷却システムは、空冷または水冷の冷却システムであり得るが、さらに優れた放熱効果のために空冷より優れた冷却が可能な水冷であることがさらに好ましい。
【００３９】
また他の構造として、前記二次電池が熱伝導性樹脂に接触する金属棒をさらに含む場合、前記二次電池パックは、二次電池を二つ以上含む二次電池パックであって、前記二次電池は、陽極、陰極、および前記陽極と陰極に介在した分離膜が共に巻き取られた構造の電極組立体（ゼリーロール）；内部に一側が塞がっている形態の中空が形成されており、前記電極組立体が前記中空を囲む形態で内蔵される缶体；および前記缶体の開放上端部に搭載されて缶体を密閉するトップカバー；を含み、前記缶体の底部およびトップカバーのうちのいずれか一つは、前記缶体の中空と連通する貫通口が形成されており、前記中空の全体体積に対して５０％以上の熱伝導性樹脂が満たされており、一端が熱伝導性樹脂と接触し、他端が中空外部に露出するように金属棒が中空に挿入され、前記金属棒の他端が二つ以上の二次電池を電気的に接続するパック端子に結合されている構造を有し得る。
【００４０】
すなわち、前記で説明したように熱伝導性樹脂に一端が接触している金属棒が中空内に挿入されている場合には、前記金属棒が外部に露出した構造を有するので、パック端子と前記金属棒を結合させることによって、前記パック端子に凸部が形成された時と同様の冷却効果を得ることができる。
【００４１】
この時、前記金属棒とパック端子の結合は、溶接または機械的締結によって行われる。ここで、機械的締結は、雄雌結合のようにパック端子に金属棒の大きさに対応する締結溝を形成することによって行われる。
【００４２】
一方、前記パック端子は、二つ以上の二次電池の電気的接続のために、二次電池の（＋）端子または（−）端子に連結されていることはもちろんである。
【００４３】
本発明のパック端子は、前記パック端子に限定されるものではなく、その端子の性質に応じてその種類が決定され、例えば、（＋）パック端子の場合、詳細にはニッケル（nickel）からなり、（−）パック端子の場合、詳細には、銅（copper）、ニッケル（nickel）、ニッケル（nickel）と銅（copper）のクラッド（clad）、銅（copper）とその他の金属の合金からなる群より選ばれるいずれか一つからなり、前記金属棒は、銅（copper）またはアルミニウム（aluminum）等の高伝導性素材であり得る。
【００４４】
この時、一般的に円筒形電池または角形電池は上部で（＋）端子が、下部に（−）端子が形成されるため、前記二次電池の中空と連通する貫通口が缶体の底部に形成されている場合、（−）端子と連結されるパック端子が前記凸部または金属棒と締結される締結溝構造を有し得、二次電池の中空と連通する貫通口がトップカバーに形成されている場合、（−）端子と連結されるパック端子が前記凸部または金属棒と締結される締結溝構造を有し得る。
【００４５】
本発明の二次電池パックは、前記二次電池パックに限定されるものではなく、現在リチウム二次電池が使われる多様なデバイスに適用されるが、詳細には、繰り返し使用による急激な退化が発生し、放電時の温度上昇が大きい電動工具用、または二次電池に水冷または空冷のクーリングシステムを適用する電気自動車用であり得る。
【００４６】
このような本発明による二次電池は、例えば、中空が形成されている缶体に電極組立体を内蔵し、トップカバーを結合して製造し、中空に熱伝導性樹脂ペーストを所望する程度の中空の高さまで満たした後、乾燥させて固めたり、前記ペーストを固める前にペーストと一端が接触するように金属棒を挿入した後、ペーストを固める方法で製造することができる。
【００４７】
また、前記二次電池パックは、例えば、前記二次電池の構造により、金属棒を挿入していない二次電池の場合、凸部が形成されたパック端子を準備し、このようなパック端子の凸部に二次電池の中空が挟まれるように起立配置して製造するか、金属棒を挿入した二次電池の場合、金属棒が結合される締結溝が形成されたパック端子を準備し、このようなパック端子の締結溝に金属棒を挿入することによって二次電池を起立配置して製造することができる。
【発明の効果】
【００４８】
前記で説明したように、本発明による二次電池は、缶体に形成された中空に全体体積の５０％以上で熱伝導性樹脂を満たすことによって、熱伝導による放熱効果を得ることができるため、優れた冷却効率性を有することができる。
【００４９】
また、本発明による二次電池パックは、前記二次電池の熱伝導性樹脂と接触するパック端子を介して二次電池の電気的接続と同時に熱伝導による放熱効果を最大化でき、さらに向上した冷却効率性および組み立て便宜性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態による円筒形二次電池の概略的な断面図である。
【図２】本発明の他の一実施形態による円筒形二次電池の概略的な断面図である。
【図３】本発明の他の一実施形態による角形二次電池の概略的な断面図である。
【図４】図１に示した円筒形二次電池を含む二次電池パックの概略的な斜視図である。
【図５】図２に示した円筒形二次電池を含む二次電池パックの概略的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下では、本発明の実施形態による図面を参照して説明するが、これは本発明の理解をより深めるためのものであり、本発明の範疇はそれによって限定されるものではない。
【００５２】
また、本発明を説明するにおいて関連した公知構成または機能に対する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすると判断する場合はその詳細な説明は省略する。
【００５３】
本発明の実施形態は通常の技術者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものであるため、図面での構成要素の形状および大きさなどはより明確な説明のために誇張または省略されたりあるいは概略的に示し得る。したがって、各構成要素の大きさや比率は実際の大きさや比率を全面的に反映するものではない。
【００５４】
図１には本発明の一実施形態による円筒形二次電池の概略的な断面図が模式的に示されている。
【００５５】
図１を参照すると、本発明の一実施形態による二次電池１００は、電極組立体１１０および電解液を内蔵する缶体１２０と、缶体１２０の開放上端部に搭載されて缶体１２０を密閉するトップカバー１３０を含む。
【００５６】
電極組立体１１０は、陽極１１１および陰極１１２が分離膜１１３を挟んで配置されて缶体１２０に収納され、この時、電極組立体１１０はゼリーロール形態で後述する中空１２１を囲む形態で巻き取られて配置される。
【００５７】
ここで、電極組立体１１０の電極は、集電体に電極合剤が塗布された構造で形成され、電極合剤は、活物質、バインダー、導電材およびそれ以外の可塑剤などを含み得る。
【００５８】
また、電極が巻き取られる方向に集電体の開始端と終端には電極合剤が形成されていない無地部が存在し、このような無地部にはそれぞれの電極に対応する電極リードが付着する。一般に、円筒形二次電池での陽極リード１１４は、電極組立体１１０の上端に付着してトップカバー１３０に電気的に接続され、陰極リード（図示せず）は、電極組立体１１０の下端に付着して缶体１２０の底面に連結される。
【００５９】
一方、電極組立体１１０の上面には上部絶縁体１２３が介在し、電極組立体１１０の下面には下部絶縁体が介在する。この時、後述した中空が缶体１２０の底部と連通する場合、下部絶縁体には中空の大きさに対応する貫通口が形成され、中空がトップカバー１３０と連通する場合、上部絶縁体１２３には中空の大きさに対応する貫通口が形成される。
【００６０】
したがって、図１では後述する中空が缶体１２０の底部と連通するため、下部絶縁体には貫通口が形成される。
【００６１】
缶体１２０は、アルミニウム、ステンレススチール、またはこれらの合金のような軽量の伝導性金属材質で構成され、上端は電極組立体１１０の固定のためのビーディング部１２２が形成される。ただし、ビーディング部１２２の形成は必須ではない。
【００６２】
また、缶体１２０は内部に中空１２１が形成されている。ここで、中空１２１は空いた空間を意味する。
【００６３】
このような中空１２１は、缶体１２０の中心に形成されて底部を貫く延長形成された構造からなっており、すなわち、図１での中空１２１は缶体１２０の底部と連通され、上部絶縁体１２３およびトップカバー１３０により密閉される。ただし、これは一つの例として、中空がトップカバーと連通し得、この場合、中空は下部絶縁体および缶体の底面によって密閉され得る。
【００６４】
このように片面が密閉された中空１２１には全体体積に対して５０％以上の熱伝導性樹脂１４０が満たされている。
【００６５】
このような構造の二次電池１００は、中空に満たされた熱伝導性樹脂１４０により、従来の構造と比較し、二次電池１００から発生する熱を中空でも吸収して放熱効率が最も高い伝導により外部に放出できるため、中心部の冷却効率性をより高めることができる。
【００６６】
また、以下で詳しく後述するが、このように中空に満たされた熱伝導性樹脂は、金属素材からなる金属棒、または二次電池を電気的に接続するパック端子の金属と接触して外部への熱の放出をさらに容易にして冷却効果を向上させることもできる。
【００６７】
トップカバー１３０は、トップカバー１３０の最上部に上部方向に突出した形態で配置されて陽極端子を形成するトップキャップ１３１、二次電池１００の内圧によって形態が変形される安全ベント１３２、正常な状態では安全ベント１３２と接触しており、ガス発生で内圧が増加すると安全ベント１３２との電気的接続が遮断される電流遮断部材１３３、およびトップキャップ１３１と安全ベント１３２の縁部位を囲むガスケット１３４を含む構造からなる。ただし、このような構成だけで限定されるものではなく、従来の円筒形二次電池の構成要素が含まれ得ることはもちろんである。
【００６８】
一方、図２には本発明のまた他の実施形態による円筒形二次電池の概略的な断面図が模式的に示されている。
【００６９】
図１の電池と比較して缶体１２０’の中空１２１’内部の構成を除いては図１と同じ構成を有する。したがって、同じ構成については図１と対応する図面符号を示したので、これに対する説明は省略し、以下では中空内部の違いについてのみ説明する。
【００７０】
図１と比較すると、図２の二次電池１００’は缶体１２０’の内部に形成された中空１２１’には図１と同様に熱伝導性樹脂１４０’が満たされている構造からなっている。この時、熱伝導性樹脂１４０’は中空１２１’の全体体積に対して概ね８０％程度で満たされており、缶体１２０’の底部と連通する中空１２１’に満たされた熱伝導性樹脂１４０’の末端には熱伝導性樹脂１４０’と一端が接触し、他端が中空１２１’の外部に露出するように金属棒１５０’が挿入されている。
【００７１】
ここで、金属棒１５０’は、熱伝導性樹脂１４０’と接触できるものであれば限定されないが、より熱伝導効率を上げるために熱伝導性樹脂１４０’との接触面積を広げるために熱伝導性樹脂に挿入されている構造を有し得る。この時、その接触面積は金属棒１５０’の全体表面積を基準に５０％以下であり得る。
【００７２】
ここで、金属棒１５０’は熱伝導性が優れた金属性素材であれば限定されないが、銅（copper）またはアルミニウム（aluminum）等の高伝導性素材であり得る。
【００７３】
このような構造の二次電池１００’は中空に満たされた熱伝導性樹脂１４０’とこれに接触する金属棒１５０’により、従来の構造と比較して、二次電池１００’から発生する熱を中空でも吸収して放熱効率が最も高い伝導により外部に放出できるため、中心部の冷却効率性をより高めることができる。
【００７４】
また他の実施形態として、図３には本発明による角形二次電池の概略的な断面図が模式的に示されている。
【００７５】
図３を参照すると、二次電池２００は、陽極２１１、陰極２１２、および陽極２１１と陰極２１２との間に介在する分離膜２１３を含む電極組立体２１０が電解液と共に内蔵されている缶体２２０および缶体２２０の開放上端部に搭載されて缶体２２０を密閉するトップカバー２３０を含む。
【００７６】
この時、電極組立体２１０は、ゼリーロール形態で後述する中空２２１を囲む形態でフラットに巻き取られて配置される。
【００７７】
一方、電極の構成と製造方法は、前記図１で説明したものと同様であるが、図３の角形の二次電池２００は、電極の無地部に付着した陽極リードと陰極リードが電極組立体２１０の両端でいずれも上部で突出するように電極組立体２１０の上端に付着してトップカバー２３０の外側に突出する陽極端子２３２および陰極端子２３３に電気的に接続される。
その他の缶の材質などは図１で説明したとおりである。
【００７８】
一方、図３では、缶体２２０の内部に形成された中空２２１が、缶体２２０の底部では密閉されており、トップカバー２３０を貫く延長形成された構造からなっている。したがって、トップカバー２３０には缶体２２０の中空２２１と連通する貫通口２３１が形成されている。
【００７９】
そして、このような中空２２１には全体体積に対して５０％以上の熱伝導性樹脂２４０が満たされている。この時、熱伝導性樹脂２４０がトップカバー２３０の貫通口までその厚さだけさらに満たされ得ることはもちろんである。
【００８０】
したがって、本実施形態による角形の二次電池２００も、従来の構造に比べて、二次電池２００から発生する熱を中空でも吸収して放熱効率が最も高い伝導により外部に放出できるため、中心部の冷却効率性をより高めることができる。
【００８１】
また、追加的に図示していないが、以下で説明する円筒形二次電池の場合と同様に角形二次電池を多数含む二次電池パックを形成する場合、パック端子との接触によって放熱効果をさらに向上させることもできる。この時、パック端子は角形二次電池の上面で平行に陽極端子同士、陰極端子同士が接触するように形成されることは業者に自明である。
【００８２】
このような二次電池を用いて二次電池パックを構成する場合、放熱効果を向上させるための構造の例を図示するために、図４には図１の円筒形の二次電池１００を含む二次電池パック３００の概略的な斜視図が示されている。
【００８３】
図４を図１と共に参照すると、本発明の一実施形態による二次電池パック３００は、本発明による二次電池１００；これらの陽極リードと電気的に接続されるトップカバー１３０で二次電池１００を電気的に接続する陽極パック端子３１０、および二次電池の陰極リードと電気的に接続される缶体１２０の底面で二次電池１００を電気的に接続する陰極パック端子３２０を含む。
【００８４】
もちろん、二次電池パックをなす構成要素はより多様であるが、本発明の本質をより詳細に示すために、図面では前記構成要素を除いたその他構成要素は省略する。
【００８５】
二次電池１００は、所定間隔を置いて起立配置され得、図面とは異なり、必要に応じてより多くの個数で、または多様な形態で配列され得る。
【００８６】
このように配置された二次電池１００は、パック端子（陽極パック端子３１０，陰極パック端子３２０）により電気的に接続される。
【００８７】
この時、二次電池１００は、前記で説明したように、缶体１２０の内部に中空１２１が形成されており、このような中空１２１は、缶体１２０の底部と連通する構造を有するため、中空１２１に満たされた熱伝導性樹脂１４０は缶体１２０の底面で二次電池１００を電気的に接続する陰極パック端子３２０に接触する。
【００８８】
陰極パック端子３２０は、一般的なパック端子と同一に平面形態のフラットな板形態であり得るが、より中空１２１内部の熱伝導性樹脂１４０との接触面積を広げながらも、缶体１２０の中空１２１に挿入されて二次電池１００をより堅固に固定できるように、二次電池１００の中空１２１に対応する部位で中空１２１に一部挿入される凸部３２１を含み、このような凸部３２１の末端が中空１２１内の熱伝導性樹脂１４０と接触する形態をなす。
【００８９】
ここで、陽極パック端子３１０および陰極パック端子３２０は、それぞれ金属部材であり得、詳細には、陽極パック端子３１０はニッケル（nickel）からなり、陰極パック端子３２０は詳細には、銅（copper）、ニッケル（nickel）、ニッケル（nickel）と銅（copper）のクラッド（clad）、銅（copper）とその他の金属の合金からなる群より選ばれるいずれか一つからなる。
【００９０】
一方、陰極パック端子３２０に形成される凸部３２１は、陰極パック端子３２０と同じ素材からなり、または銅（copper）あるいはアルミニウム（aluminum）等の高伝導性素材であり得る。
【００９１】
したがって、熱伝導率が良い金属と熱伝導性樹脂１４０が接触することによってさらに向上した放熱効果を奏することができる。
【００９２】
他の一例として、図５には図２の円筒形の二次電池１００’を含む二次電池パック４００の概略的な斜視図が示されている。
【００９３】
図５を図２とともに参照すると、図４での説明と同様に、本発明の一実施形態による二次電池パック４００は、本発明の一実施形態による二次電池１００’；これらの陽極リードと電気的に接続されるトップカバー１３０’で二次電池１００’を電気的に接続する陽極パック端子４１０、および二次電池の陰極リードと電気的に接続される缶体１２０’の底面で二次電池１００’を電気的に接続する陰極パック端子４２０を含む。
【００９４】
また、二次電池１００’は起立配置された状態でパック端子（陽極パック端子４１０，陰極パック端子４２０）により電気的に接続される。
【００９５】
この時、二次電池１００’は、前記で説明したように、缶体１２０’の内部に中空１２１’が形成されており、このような中空１２１’は、缶体１２０’の底部と連通する構造を有し、中空１２１’には熱伝導性樹脂１４０’が満たされており、熱伝導性樹脂の末端には一端が熱伝導性樹脂と接触し、他端が中空外部に露出するように中空に挿入されている金属棒１５０’を含む構造を有するため、金属棒１５０’が缶体１２０’の底面で二次電池１００’を電気的に接続する陰極パック端子４２０に接触する。
【００９６】
この時、陰極パック端子４２０はフラットな板形態であり、金属棒１５０’を含む二次電池１００’がより堅固に固定され得、金属棒１５０’が挿入されてより接触面積を広げることができる締結溝４２１を含み得、したがって、金属棒１５０’と陰極パック端子４２０は機械的締結が行われる。
【００９７】
ここで、陽極パック端子３１０および陰極パック端子３２０の素材は、前記で説明したとおりである。
【００９８】
したがって、二次電池１００’の熱伝導性樹脂１４０’が金属棒１５０’を介して、熱伝導率が良い金属かなり広い面積を有する陰極パック端子４２０と接触することによってさらに向上した放熱効果を奏することができる。
【００９９】
前記で説明した構造の二次電池パックは、パック端子によって二つ以上の二次電池が電気的接続をなしながらも、二次電池から熱伝導性樹脂に、熱伝導性樹脂から陰極パック端子に熱が伝導し、陰極パック端子が外部空気と接するか、または陰極パック端子に伝導した熱を冷却させる追加的な冷却システムを二次電池パックに追加することによってさらに向上した放熱効果を発揮することができる。
【０１００】
以下では、本発明による実施例を参照して説明するが、これは本発明の理解をより容易にするためのものであり、本発明の範疇はこれによって限定されるものではない。
【０１０１】
＜実施例１＞
陽極活物質としてＬｉＣｏＯ２を使用し、ＬｉＣｏＯ２  ９６重量％、およびＤｅｎｋａ  Ｂｌａｃｋ（導電材）２．０重量％、ＰＶｄＦ（結合剤）２．０重量％を溶剤であるＮＭＰ（Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−２−ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）に添加して陽極混合物スラリーを製造した後、アルミニウム箔上にコート、乾燥および圧搾して陽極を製造した。
【０１０２】
陰極活物質としては人造黒鉛を使用し、人造黒鉛９６重量％、およびデンカブラック（Denka Black）（導電材）１重量％、ＰＶｄＦ（結合剤）３重量％を溶剤であるＮＭＰに添加して陰極混合物スラリーを製造した後、銅箔上にコート、乾燥および圧搾して陰極を製造した。
【０１０３】
前記陽極と陰極との間に厚さ１６μｍのポリエチレン多孔性膜を介在させて電極組立体を製造し、前記電極組立体を、図２のように、直径が３〜１０ｍｍの中空が形成されている円筒形（直径１８〜２１ｍｍ）ケースに内蔵した後１Ｍ  ＬｉＰＦ６カーボネート系溶液電解液を注入した。
【０１０４】
前記中空に熱伝導性樹脂としてウレタンとアルミナが重合されたポリマーを溶融状態で中空体積に対して９０％で注入し、アルミニウムからなる金属棒を熱伝導性樹脂末端に接触するように挿入（接触部位が金属棒表面積の３０％）し、熱伝導性樹脂を乾燥させて固めることによって図２のような構造の二次電池を製造した。
【０１０５】
＜比較例１＞
実施例１で、円筒形ケースの中空に熱伝導性樹脂を満たさず、空けておいたことを除いては実施例１と同様に二次電池を製造した。
【０１０６】
＜比較例２＞
実施例１で、中空が形成されていない円筒形ケースを用いたことを除いては実施例１と同様に二次電池を製造した。
【０１０７】
＜実験例１＞
前記実施例１および比較例１、２で製造された二次電池の強制対流時、自然対流時、水冷時の二次電池の表面温度、コア温度、温度差、基準温度に到達するまでかかる時間、１次放電後再放電までかかる時間、および１次放電後充電までかかる時間を下記表１〜表３に示した。
【０１０８】
表１〜表３において、Ｔ１は表面最大温度、Ｔ２はコア最大温度を意味し、△Ｔは表面部位の最高温度と内部の最大温度との差を意味する。
【０１０９】
また、表１〜表３において、基準温度（７５℃）に到達するまでかかる時間は作動時間（run time）を意味し、放電時二次電池の温度が７５℃を超える場合、放電が中止するように設定して測定し、放電中止時までかかる時間を測定したものであり、１次放電後再放電待期時間は二次電池の温度が７５℃に到達して放電が終了してから二次電池の温度が５０℃まで落ちると再び放電が可能に設定して再び放電が行われるまでかかる時間を測定したものであり、放電後充電待期時間は７５℃で放電が終了した場合、一定以下の温度になった場合充電を始めるように設定して実質的に充電を始めるまでかかる時間を測定したものである。
【０１１０】
表１の自然対流条件は、０ｍ／ｓで測定したもの、表２の強制対流条件は３ｍ／ｓで測定したものを意味し、表３の水冷条件は２３℃の水温度で測定したものを意味する。
【０１１１】
【表１】
2020523753.tif 000003
【０１１２】
【表２】
2020523753.tif 000004
【０１１３】
【表３】
2020523753.tif 000005
【０１１４】
表１〜表３を参照すると、本発明による二次電池の場合、比較例で製造された二次電池と比較し、二次電池コアで温度が比較的低いことを確認することができる。
【０１１５】
水冷の場合、比較例１のコア温度および表面とコア温度との差がもう少し低いが、実施例１と比較して大きな差がないのに対し、実施例１では表面温度が７５℃にも到達しないことを確認することができる。
【０１１６】
また、作動時間を参照すると、中空を空けておいた比較例１より実施例１による本発明の構造の二次電池は作動時間が長いことを確認することができる。これは発熱が少ないほど作動時間が長いので作動時間が長いことが好ましい。これに対し、中空を形成していない比較例２よりは作動時間が短いが、これは中空を含む電池の場合、中空の大きさだけ容量減少が発生して同一出力基準の単位面積当たり電流密度が増加して発熱量が増加するからであり、このため、作動時間は比較例１と比較して意味を有する。
【０１１７】
一方、再放電待期時間と充電待期時間は、冷却がどれほどうまく行われたかを示すものであり、本発明による二次電池が再放電待期時間および充電待期時間がいずれも比較例と比較して短いことを確認することができる。
【０１１８】
これは放熱がうまく行われ、放熱速度が速いことを意味するため、本発明によれば、さらに優れた冷却効果を発揮することを確認することができる。
【０１１９】
以上、本発明による図面および実施例を参照して説明したが、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば上記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用および変形を行うことが可能であろう。
【符号の説明】
【０１２０】
１００、２００  二次電池
１１０  電極組立体
１１１  陽極
１１２  陰極
１１３  分離膜
１２０  缶体
１２１  中空
１３０  トップカバー
１４０  熱伝導性樹脂
２３１  貫通口
【図１】
2020523753.tif 000006
【図２】
2020523753.tif 000007
【図３】
2020523753.tif 000008
【図４】
2020523753.tif 000009
【図５】
2020523753.tif 000010
【国際調査報告】
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2020523753.tif 000013
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