KR101627360B1

KR101627360B1 - 단전을 위한 부재를 포함하고 있는 이차전지

Info

Publication number: KR101627360B1
Application number: KR1020130090565A
Authority: KR
Inventors: 최복규; 김석구; 이은주; 오세운; 김제영
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2016-06-07
Also published as: KR20150015072A

Abstract

본 발명은 양극 활물질이 일면 또는 양면에 도포된 양극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부가 형성되어 상기 무지부에 양극 탭이 형성되어 있는 하나 이상의 양극들; 음극 활물질이 일면 또는 양면에 도포된 음극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부가 형성되어 상기 무지부에 음극 탭이 형성되어 있는 하나 이상의 음극들; 및 상기 양극과 음극 사이에 각각 개재되어 양극과 음극을 상호 절연시키는 하나 이상의 분리막들;을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고,
상기 양극 탭 및 음극 탭은 양극 집전체 및 음극 집전체에 대해 각각 용접되어 있으며,
상기 양극 탭 및/또는 음극 탭은 단전부재를 포함하고 있는 이차전지를 제공한다.

Description

단전을 위한 부재를 포함하고 있는 이차전지 {Secondary Battery Comprising Member for Disconnect}

본 발명은 단전을 위한 부재를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이러한 이차전지 중, 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지와 같은 이차전지에 대한 수요가 높다.

일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 적층하거나 권취한 상태로 알루미늄 캔 또는 라미네이트 시트의 전지케이스에 내장한 다음 전해액을 주입하거나 함침시키는 것으로 구성되어 있다.

이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다.

한편, 리튬이온전지의 규모가 중대형인 경우 에너지 밀도 측면에서 폴리머 전지셀의 형태가 유리하다. 폴리머 전지셀의 경우, 양극과 음극의 집전체를 하나의 탭으로 연결하여 전류를 가하게 되는 구조로 되어 있다.

이러한 리튬 이온전지의 중대형화에 의해 셀의 안전성에 더욱 주목을 받고 있고, 특히, 자동차용 등의 고용량 중대형 전지셀의 경우, 전지 내부에 큰 저항이 존재할 경우나, 외부로부터 전지가 가열될 경우, 온도의 상승에 의해 가연성인 전해액의 반응이 가속화되어 폭발하게 되면, 그 폭발력이 상당히 커 실제 제품으로 사용하기 위해서는 이러한 안전성 문제의 해결이 시급한 실정이다.

따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 양극 탭 및 음극 탭은 양극 집전체 및 음극 집전체에 대해 각각 용접되어 있고, 상기 양극 탭 및/또는 음극 탭이 단전부재를 포함할 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 양극 활물질이 일면 또는 양면에 도포된 양극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부가 형성되어 상기 무지부에 양극 탭이 형성되어 있는 하나 이상의 양극들; 음극 활물질이 일면 또는 양면에 도포된 음극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부가 형성되어 상기 무지부에 음극 탭이 형성되어 있는 하나 이상의 음극들; 및 상기 양극과 음극 사이에 각각 개재되어 양극과 음극을 상호 절연시키는 하나 이상의 분리막들;을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고,

상기 양극 탭 및 음극 탭은 양극 집전체 및 음극 집전체에 대해 각각 용접되어 있으며,

상기 양극 탭 및/또는 음극 탭은 단전부재를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 양극 탭 및 음극 탭은 한 쌍의 금속 부재가 접합되어 있는 형태이며, 상기 단전부재는 한 쌍의 금속 부재의 접합면에 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지는 또한, 양극 활물질이 일면 또는 양면에 도포된 양극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부가 형성되어 상기 무지부에 양극 탭이 형성되어 있는 하나 이상의 양극들; 음극 활물질이 일면 또는 양면에 도포된 음극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부가 형성되어 상기 무지부에 음극 탭이 형성되어 있는 하나 이상의 음극들; 및 상기 양극과 음극 사이에 각각 개재되어 양극과 음극을 상호 절연시키는 하나 이상의 분리막들;을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고,

상기 용접부의 양극 탭과 양극 집전체 사이 및/또는 음극 탭과 음극 집전체 사이에는 비즈 형태의 단전부재가 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 단전부재는 구슬 형태의 마이크로펄(micropearl)들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.

상기 마이크로펄은 탄화수소(Hydrocarbon)를 내재하고 있고, 열가소성 수지(Thermoplastic resin)의 코팅층이 표면에 형성되어 있으며, 전체적 형상은 구슬형태를 띄고 있다. 이러한 마이크로펄은 온도 상승시 내재되어 있는 탄화수소(Hydrocarbon)가 부피팽창을 일으키게 되고, 이때 연신률이 좋은 열가소성 수지 코팅층 역시 더불어 표면적이 늘어나게 된다.

상기 단전부재의 직경은 5 마이크로미터 이상 내지 50 마이크로미터 이하일 수 있다.

상기 단전부재는 섭씨 100도 이상에서 부피 팽창하여 집전체와 탭의 단락을 유발할 수 있고, 상세하게는 상기 단전부재는 섭씨 130도 이상에서 부피 팽창하여 집전체와 탭의 단락을 유발할 수 있다.

상기 단전부재의 부피 팽창은 2 배 이상으로 이루어질 수 있고, 상세하게는 단전부재의 부피 팽창은 3 배 이상으로 이루어질 수 있다.

상기 양극 탭 및 음극 탭의 두께는 0.2 mm 이상 내지 0.5 mm 이하일 수 있다.

상기 양극 탭 및 음극 탭의 양극 집전체 및 음극 집전체에 대한 용접은 레이저 용접, 저항 용접, 초음파 용접, 아크용접 및 가스용접으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나로 수행될 수 있다.

상기 양극 집전체와 양극 탭, 및 음극 집전체와 음극 탭은 각각 같은 소재의 금속으로 이루어질 수 있다.

상기 양극 활물질은 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 리튬 전이금속 산화물을 포함할 수 있다.

Li_xM_yMn_2-yO_4-zA_z (1)

상기 식에서,

M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;

A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이고;

0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이다.

(1-x)LiM’O_2-yA_y -xLi₂MnO_3-y’A_y’ (2)

상기 식에서,

M’은 Mn_aM_b이고;

M은 Ni, Ti, Co, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zr, Zn 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;

A는 PO₄, BO₃, CO₃, F 및 NO₃의 음이온으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고;

0<x<1, 0<y≤0.02, 0<y’≤0.02, 0.5≤a≤1.0, 0≤b≤0.5, a + b = 1이다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 음극 활물질은 탄소계 물질, 및/또는 Si을 포함할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 또는 리튬 폴리머 전지일 수 있다.

본 발명은, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.

이 때, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템일 수 있다.

일반적으로, 상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물인 전극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 활물질은, 상기 화학식 1 또는 2로 표현되는 리튬 전이금속 산화물 외에, 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄(여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNi_xMn_2-xO₄로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 포함할 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 이상 내지 500 마이크로미터 이하의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

한편, 상기 탄성을 갖는 흑연계 물질이 도전재로 사용될 수 있고, 상기 물질들과 함께 사용될 수도 있다.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 리튬 이차전지들은 일반적으로 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극에 개재되는 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질로 구성되어 있으며, 리튬 이차전지의 기타 성분들에 대해 이하에서 설명한다.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.

상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe’_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, 및 Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있고, 상세하게는 탄소계 물질 및/또는 Si을 포함할 수 있다.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 이상 내지 500 마이크로 이하의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 마이크로미터 이상 내지 10 마이크로미터 이하이고, 두께는 일반적으로 5 마이크로미터 이상 내지 300 마이크로미터 이하이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

상기 리튬염 함유 비수 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있고, 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 상기 리튬염 함유 비수 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, LiPF₆, LiClO₄, LiBF₄, LiN(SO₂CF₃)₂ 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.

이 때, 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극 탭 및 음극 탭이 양극 집전체 및 음극 집전체에 대해 각각 용접되어 있고, 상기 양극 탭 및/또는 음극 탭은 단전부재를 포함함으로써, 전지의 내부 온도가 일정온도 이상(예: 섭씨 100도 내지 섭씨 130도)으로 상승하였을 경우 단전부재가 부피 팽창을 일으켜 상기 양극 탭 및/또는 음극 탭의 물리적인 단전을 유도하는 바, 이차전지의 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지가 포함하는 마이크로펄(micropearl)의 온도에 따른 부피 변화를 나타낸 그래프이다;
도 2는 본 발명의 다양한 종류의 마이크로펄(micropearl)들의 온도에 따른 부피 변화를 나타낸 그래프이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 양극 탭 및 음극 탭에 마이크로펄이 삽입된 전극조립체A의 모식적인 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체A가 마이크로펄(micropearl)의 온도에 따른 부피 변화에 따라 단전이 일어나는 현상을 나타낸 모식적인 단면도이다;
도 5는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 양극 탭 및 음극 탭에 마이크로펄이 삽입된 전극조립체B의 모식적인 사시도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체B가 마이크로펄(micropearl)의 온도에 따른 부피 변화에 따라 단전이 일어나는 현상을 나타낸 모식적인 단면도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지가 포함하는 마이크로펄(micropearl)의 온도에 따른 부피 변화를 나타낸 그래프이고, 도 2는 본 발명의 다양한 종류의 마이크로펄들의 온도에 따른 부피 변화를 나타낸 그래프이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 마이크로펄은 특정 온도(예:섭씨 100도 내지 섭씨 130도)에서만 부피 팽창을 일으키는 특징을 가지고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 도 2를 참고하면, 마이크로펄의 종류에 따라 다양한 부피팽창비를 나타내고 있고, 마이크로펄B 및 마이크로펄D인 경우, 최대 9배의 부피팽창이 일어나는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 이차전지의 내부구조를 고려하여 적절한 마이크로펄을 선택하여 양극 탭 또는 음극 탭에 적용할 수 있다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 양극 탭 및 음극 탭에 마이크로펄이 삽입된 전극조립체A(100)를 모식적인 사시도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 양극 활물질(122)이 일면 또는 양면에 도포된 양극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부(126)가 형성되어 상기 무지부(126)에 양극 탭(124)이 형성되어 있는 양극(120) 및 음극 활물질(132)이 일면 또는 양면에 도포된 음극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부(136)가 형성되어 상기 무지부(136)에 음극 탭(134)이 형성되어 있는 하나 이상의 음극(130)이 형성되어 있다.

이러한 양극 탭(124) 및 음극 탭(134)은 양극 집전체 및 음극 집전체에 대해 각각 용접되어 있으며, 양극 탭(124) 및 음극 탭(134)이 단전부재인 마이크로펄(140)을 포함하고 있다.

여기서, 양극 탭(124) 및 음극 탭(134)은 한 쌍의 금속 부재가 접합되어 있는 형태이며, 마이크로펄(140)이 한 쌍의 금속 부재의 접합면 안쪽에 포함되어 있다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체A(100)가 마이크로펄(micropearl)의 온도에 따른 부피 변화에 따라 단전이 일어나는 현상을 나타낸 모식적인 단면도를 나타내었다.

도 4를 참고하면, 도 4의 한 쌍의 금속 부재(160)의 접합면(162) 안쪽에는 마이크로펄(140)이 삽입되어 있고, 전지의 내부 온도 상승에 따라, 부피 팽창이 일어나 금속 부재의 접합면(162)이 분리되고, 그에 따라 단전을 이룰 수 있다.

도 5에는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 양극 탭(224) 또는 음극 탭(234)에 마이크로펄(140)이 삽입된 전극조립체B(200)가 모식적인 사시도로 도시되어 있고, 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체B(200)가 마이크로펄(140)의 온도에 따른 부피 변화에 따라 단전이 일어나는 현상을 나타낸 모식적인 단면도가 도시되어 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 용접부의 양극 탭(224)과 양극 집전체(272) 사이와 음극 탭(234)과 음극 집전체(282) 사이에는 단전부재인 마이크로펄(140)이 포함되어 있다.

도 6에서는 양극 탭(224)의 금속 부재(260)와 양극 집전체(272)의 접합면(262) 안쪽에는 마이크로펄(140)이 삽입되어 있고, 전지의 내부 온도 상승에 따라, 부피 팽창이 일어나 금속 부재(260)의 접합면(262)이 분리되고, 그에 따라 단전을 이룰 수 있다.

따라서, 도 3 및 도 5의 전극조립체를 이용하여 이차전지를 제조할 경우, 전지의 내부 온도의 상승에 따라 마이크로펄의 부피 팽창이 일어나고, 그에 따라 양극 탭 또는 음극 탭의 물리적인 단전을 유도하여 전류가 더 이상 흐르지 않도록 차단할 수 있다.

본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims

양극 활물질이 일면 또는 양면에 도포된 양극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부가 형성되어 상기 무지부에 양극 탭이 형성되어 있는 하나 이상의 양극들; 음극 활물질이 일면 또는 양면에 도포된 음극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부가 형성되어 상기 무지부에 음극 탭이 형성되어 있는 하나 이상의 음극들; 및 상기 양극과 음극 사이에 각각 개재되어 양극과 음극을 상호 절연시키는 하나 이상의 분리막들;을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고,
상기 양극 탭 및 음극 탭은 양극 집전체 및 음극 집전체에 대해 각각 용접되어 있으며,
상기 양극 탭, 또는 음극 탭, 또는 양극 탭 및 음극 탭은 단전부재를 포함하고 있고,
상기 양극 탭 및 음극 탭은 한 쌍의 금속 부재가 접합되어 있는 형태이며, 단전부재는 한 쌍의 금속 부재의 접합면에 포함되어 있으며,
상기 단전부재는 섭씨 100도 이상에서 부피 팽창하여 집전체와 탭의 단락을 유발하고,
상기 단전부재는 구슬 형태의 마이크로펄(micropearl)들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이며, 상기 단전부재의 직경은 5 마이크로미터 이상 내지 50 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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양극 활물질이 일면 또는 양면에 도포된 양극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부가 형성되어 상기 무지부에 양극 탭이 형성되어 있는 하나 이상의 양극들; 음극 활물질이 일면 또는 양면에 도포된 음극 집전체의 적어도 일 단부에 무지부가 형성되어 상기 무지부에 음극 탭이 형성되어 있는 하나 이상의 음극들; 및 상기 양극과 음극 사이에 각각 개재되어 양극과 음극을 상호 절연시키는 하나 이상의 분리막들;을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고,
상기 양극 탭 및 음극 탭은 양극 집전체 및 음극 집전체에 대해 각각 용접되어 있으며,
상기 용접부의 양극 탭과 양극 집전체 사이, 또는 음극 탭과 음극 집전체 사이, 또는 양극 탭과 양극 집전체 사이 및 음극 탭과 음극 집전체 사이에는 단전부재가 포함되어 있고,
상기 단전부재는 섭씨 100도 이상에서 부피 팽창하여 집전체와 탭의 단락을 유발하며,
상기 단전부재는 구슬 형태의 마이크로펄(micropearl)들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이고, 상기 단전부재의 직경은 5 마이크로미터 이상 내지 50 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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제 1 항에 있어서, 상기 단전부재의 부피 팽창은 2 배 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 양극 탭 및 음극 탭의 두께는 0.2 mm 이상 내지 0.5 mm 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 양극 탭 및 음극 탭의 양극 집전체 및 음극 집전체에 대한 용접은 레이저 용접, 저항 용접, 초음파 용접, 아크용접 및 가스용접으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나로 수행되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 양극 집전체와 양극 탭, 및 음극 집전체와 음극 탭은 각각 같은 소재의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지:
Li_xM_yMn_2-yO_4-zA_z (1)
상기 식에서,
M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며;
A는 -1 또는 -2가의 하나 이상의 음이온이고;
0.9≤x≤1.2, 0<y<2, 0≤z<0.2이다.

(1-x)LiM’O_2-yA_y -xLi₂MnO_3-y’A_y’ (2)
상기 식에서,
M’은 Mn_aM_b이고;
M은 Ni, Ti, Co, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zr, Zn 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
A는 PO₄, BO₃, CO₃, F 및 NO₃의 음이온으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이고;
0<x<1, 0<y≤0.02, 0<y’≤0.02, 0.5≤a≤1.0, 0≤b≤0.5, a + b = 1이다.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 음극 활물질은 탄소계 물질, 및/또는 Si을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 또는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항 또는 제 3 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
제 14 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 15 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.