KR101744120B1 - 침상 관통 테스트 안전성이 향상된 파우치형 이차전지 - Google Patents

침상 관통 테스트 안전성이 향상된 파우치형 이차전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101744120B1
KR101744120B1 KR1020140103742A KR20140103742A KR101744120B1 KR 101744120 B1 KR101744120 B1 KR 101744120B1 KR 1020140103742 A KR1020140103742 A KR 1020140103742A KR 20140103742 A KR20140103742 A KR 20140103742A KR 101744120 B1 KR101744120 B1 KR 101744120B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit cell
electrode
cell
electrode assembly
unit
Prior art date
Application number
KR1020140103742A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160019246A (ko
Inventor
이정우
박찬기
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020140103742A priority Critical patent/KR101744120B1/ko
Publication of KR20160019246A publication Critical patent/KR20160019246A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101744120B1 publication Critical patent/KR101744120B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0459—Cells or batteries with folded separator between plate-like electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0583—Construction or manufacture of accumulators with folded construction elements except wound ones, i.e. folded positive or negative electrodes or separators, e.g. with "Z"-shaped electrodes or separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/124—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/029—Bipolar electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/10—Batteries in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 전지셀의 침상 관통 테스트시 안전성을 향상시킬 수 있도록, 단위셀 적층 구조의 최외곽에 위치한 양극이 내부에 위치한 전극보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 상세하게는, 복수의 단위셀들 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 분리필름을 포함하는 전극조립체로서, 상기 전극조립체는 n개의 단위셀들을 폭 대비 긴 길이의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로, 전극조립체의 중심부에 위치하고, 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 전극조립체의 최외곽에 각각 위치하도록, 제 1 단위셀부터 제 n 단위셀로 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있고, 상기 단위셀 적층 구조에서, 제 n 단위셀과 제 n-1 단위셀 중의 적어도 하나의 단위셀은 내부에 위치한 전극들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.

Description

침상 관통 테스트 안전성이 향상된 파우치형 이차전지 {Pouch-typed Secondary Battery of Improved Safety of Nail Penetration Test}
본 발명은 침상 관통 테스트의 안전성 및 단위부피당 용량이 향상된 단위셀을 포함하는 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
그러나, 이와 같은 리튬 이차 전지는 안전성에 문제가 있으므로 이를 해결하기 위한 시도들이 진행되고 있다.
구체적으로, 리튬 이차 전지가 과충전되면 양극으로부터 과잉의 리튬이 나오고 음극으로 과잉의 리튬이 삽입되면서 음극 표면에 반응성이 매우 큰 리튬 금속이 석출되고 양극 또한 열적으로 불안정한 상태가 되며 전해액으로 사용하는 유기 용매의 분해반응으로 인한 급격한 발열반응으로 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제가 생긴다.
또한, 못과 같이 전기 전도성을 가지는 물질이 전지를 관통할 경우 전지내부의 전기화학적 에너지가 열 에너지로 변환되면서 급격한 발열이 일어나게 되고 이에 수반되는 열에 의해 양극 또는 음극 물질이 화학반응을 하게 되어 급격한 발열 반응을 일으켜서 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제가 생긴다.
이러한, 못 관통, 압착, 충격, 고온 노출 등의 경우 전지 내부의 양극과 음극은 내부에서 국부적으로 단락이 생긴다. 이때 국부적으로 과도한 전류가 흐르게 되고 이 전류로 인해 발열이 생긴다. 국부적인 단락으로 인한 단락 전류의 크기는 저항에 반비례하므로 단락 전류는 저항이 낮은 쪽으로 많이 흐르게 되는데 주로 집전체로 사용되는 금속 호일을 통해서 전류가 흐르게 되고, 이때의 발열을 계산해 보면 가운데 못이 관통된 부분을 중심으로 국부적으로 매우 높은 발열이 생기게 된다.
전지 내부에 발열이 생길 경우, 분리막은 수축되어 다시 양극과 음극의 단락을 유발하고, 반복되는 열발생과 분리막의 수축에 의해 단락구간이 늘어나 열폭주가 발생하거나 전지 내부를 구성하고 있는 양극, 음극 및 전해액이 서로 반응하거나 연소하게 되는데 이 반응은 매우 큰 발열 반응이므로 결국 전지가 발화되거나 폭발하게 된다. 이러한 위험성은 특히, 리튬 이차전지가 고용량화되면서 에너지 밀도가 증가할수록 더 중요한 문제가 된다.
이러한 문제를 해결하고, 과충전시의 안전성을 향상시키기 위해 기존에는 못이 관통되기 이전에 다른 소재를 먼저 통과하도록, 파우치에 열 전도성이 높은 재료, 또는 방탄소재 등을 붙여 과열 또는 발화를 막는 등의 시도를 해왔으나, 이와 같은 방법은 이차전지 제조시 추가적인 공정 및 비용이 들고, 부피가 커져, 단위부피당 용량이 줄어드는 문제점이 있었다.
따라서, 추가적인 공정 및 재료 없이 효과적으로 전지의 안전성을 향상시키고, 단위부피당 사이클 특성 및 용량을 증가시킬 수 있는 이차전지에 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, 복수의 단위셀들 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 분리필름을 포함하는 전극조립체에서, 단위셀 적층 구조의 최외곽에 위치한 단위셀 중의 적어도 하나의 단위셀이 내부에 위치한 전극들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는 복수의 단위셀들 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 분리필름을 포함하는 전극조립체로서,
상기 전극조립체는 n개의 단위셀들을 폭 대비 긴 길이의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로, 전극조립체의 중심부에 위치하고, 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 전극조립체의 최외곽에 각각 위치하도록, 제 1 단위셀부터 제 n 단위셀로 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있고;
상기 단위셀 적층 구조에서, 제 n 단위셀과 제 n-1 단위셀 중의 적어도 하나의 단위셀은 내부에 위치한 전극들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 n은 3 내지 20의 자연수로서, 홀수 또는 짝수일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서 상기 단위셀 적층구조의 제 n-2 단위셀과 제 n-3 단위셀 중의 적어도 하나의 단위셀은 제 1 단위셀 내지 제 n-4 단위셀에 위치한 전극들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함할 수도 있으며, 더 나아가, 제 n-4 단위셀과 제 n-5 단위셀 중의 적어도 하나의 단위셀은 1 내지 제 n-6 단위셀에 위치한 전극들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함할 수도 있다. (이 때, n은 8 내지 20의 자연수이다)
즉, 예를 들어, 전극조립체가 9개의 단위셀들을 포함하는 경우, 단위셀의 적층 구조에서 최외곽에 위치하게 되는 제 9 단위셀 및 제 8 단위셀이 제 1 단위셀 내지 제 7 단위셀들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함하거나, 제 9 단위셀 내지 제 6 단위셀이 제 1 단위셀 내지 제 5 단위셀들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함할 수 있으며, 제 9 단위셀 내지 제 4 단위셀이 제 1 단위셀 내지 제 3 단위셀들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함할 수도 있다.
이때, 상기 전극들의 두께 증가로 전액 함침성이 떨어져 레이트 특성이 감소하고, 권취에 불리하며, 전지의 부피가 커지는 문제점을 고려하면, 소망하는 정도로 침상 관통 테스트의 안전성이 확보되는 한, 최외곽 단위셀인 제 n 단위셀 및/또는 제 n-1 단위셀만이 내부에 위치한 단위셀들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함하는 것이 가장 바람직하다.
여기서 전극의 두께라 함은, 전극 활물질을 포함하는 전극 합제 및 집전체로 구성된 전극의 두께를 의미하고, 상기 전극 합제가 소정의 용매를 혼합하여 슬러리 형태로 제조된 경우, 슬러리 내의 용매를 제외한 고형분의 두께를 의미한다.
다시 말해, 제 n 단위셀 및 제 n-1 단위셀의 최외곽에 위치한 양극을 구성하고 있는 집전체의 두께는 내부에 위치한 양극 또는 음극들의 집전체의 두께와 동일하나, 침상 관통 테스트시 저항이 높은 양극 합제에 의해 단락 전류가 막혀 지속적인 열 발생을 막고, 발화의 위험성을 낮출 수 있도록, 상기 최외곽에 위치한 양극을 구성하고 있는 양극 합제의 두께는, 내부에 위치한 전극의 전극 합제보다 두꺼운 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 최외곽에 위치한 전극은 내부에 위치한 전극들보다 5% 내지 50% 더 두꺼운 구조일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 최외곽 전극들이 내부의 전극들과 비교하여 50% 보다 더 두꺼운 경우에는 전지의 용량을 예측하기 어려워지고, 권취시 분리필름의 신축범위를 벗어나는 문제점이 있고, 최외곽 전극들이 내부의 전극들과 비교하여 5% 미만으로 차이가 있는 경우에는 소망하는 효과를 달성하기 어려운 문제점이 있다. 상기 두께의 차이는 5% 내지 50%인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 전극의 두께는, 평균적으로 80 마이크로미터 이상 내지 200 마이크로미터 이하이다. 구체적으로 내부에 위치한 전극의 두께는 최외곽에 위치한 전극의 두께보다 작은 조건 범위에서 80 마이크로미터 이상 내지 150 마이크로미터 이하이고, 최외곽에 위치한 전극의 두께는 100 마이크로미터 이상 내지 180 마이크로미터 이하일 수 있다.
내부에 위치한 전극의 경우, 상기 범위를 벗어나 80 마이크로미터 미만의 두께를 가지는 전극은 전극 합제의 도포량이 지나치게 적어 소망하는 용량을 얻기 어렵고, 150 마이크로미터 초과의 두께를 가지는 경우, 전액 함침성이 떨어져 레이트 특성이 감소하는 문제점이 있다.
최외곽에 위치한 전극의 경우, 상기 범위를 벗어나 100 마이크로미터 미만의 두께를 가지는 경우 내부에 위치한 전극과 두께 차이가 적어 목적하고자 하는 효과를 달성하기 어렵고, 180 마이크로미터 초과의 두께를 가지는 경우로서, 내부에 위치한 전극의 두께가 150 마이크로미터를 초과하는 경우, 마찬가지로 전액 함침성이 떨어지고, 권취에 불리하며, 전지의 부피가 커져 소형기기에 적용하기 어려워지는 바, 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단위셀들은 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치한 바이셀(bicell) 및 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치한 풀셀(full cell)을 포함하거나, 상기 바이셀(bicell)만을 포함하거나 풀셀(full cell)만을 포함하는 구조일 수 있다.
구체적으로, 단위셀로서의 풀셀은 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치한 셀이다. 이러한 풀셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 셀 등을 들 수 있다. 이러한 풀셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀셀들을 적층하여야 한다.
또한, 단위셀로서의 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조(A형 바이셀) 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조(C형 바이셀)와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치한 셀이다. 이러한 바이셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이셀과 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이셀이 서로 대면하도록 다수의 바이셀들을 적층하여야 한다.
상기 단위셀 적층 구조에서, 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로, 전극조립체의 중심부에 위치하고, 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 전극조립체의 최외곽에 각각 위치하도록, 제 1 단위셀부터 제 n 단위셀로 순차적으로 권취하며 각 단위셀은 A형 바이셀 또는 C형 바이셀으로만 구성되어 있을 수 있다.
상기 n이 홀수인 경우에는, 최외곽에 위치한 단위셀인 제 n 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 권취 후 분리필름을 사이에 두고 상호 대면하는 전극의 극성이 상이하여 권취된 전극조립체 내의 전극이 직렬연결을 유지할 수 있도록, 상기 제 n 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 동일한 구조이다. 즉, 각 단위셀이 바이셀으로만 구성되어 있고, n이 홀수인 경우, 제 n-1 단위셀이 A형 바이셀이면 제 n 단위셀 또한 A형 바이셀이고, 제 n-1 단위셀이 C형 바이셀이면 제 n 단위셀 또한 C형 바이셀이다.
상기 n 단위셀 또는 n-1 단위셀은 A형 바이셀일 수도 있고, C형 바이셀일 수도 있으나, 최외곽에 위치한 전극의 극성이 양극이 되도록, A형 바이셀인 것이 바람직하다.
예를 들어, 전극조립체가 7개의 바이셀으로만 구성된 단위셀들을 포함하는 경우 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로 전극조립체의 중심부에 위치하고, 권취되어 최외곽에 제 6 단위셀 및 제 7 단위셀이 각각 위치한 구조로 이루어진다. 여기서, 제 6 단위셀이 A형 바이셀인 경우 제 7 단위셀 또한 A형 바이셀이고, 제 6 단위셀이 C형 바이셀인 경우 제 7 단위셀 또한 C형 바이셀이다. 제 6 단위셀 및 제 7 단위셀은 침상 관통 테스트시 안전성을 향상시킬 수 있도록, A형 바이셀인 것이 바람직하며, 제 1 단위셀 내지 제 5 단위셀보다 두꺼운 양극을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 최외곽에 위치한 양극들은 또한, 제조공정상 효율을 확보할 수 있도록, 양극 합제층의 두께가 서로 동일한 구조일 수 있다. 구체적으로, 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 A형 바이셀인 경우, 권취된 전극조립체의 최외곽에 양극이 위치하고, 상기 최외곽에 위치한 양극은 내부에 위치한 양극 또는 음극들보다 두꺼운 구조이며, 두께가 서로 동일한 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 바이셀 또는 풀셀을 구성하는 양극은 집전체에 양극 활물질을 포함하는 양극 합제층이 도포된 구조로 이루어져 있고, 음극은 집전체에 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층이 도포된 구조일 수 있다. 또한, 우수한 용량의 발현을 위하여, 상기 양극 또는 음극들은, 집전체의 양면에 활물질을 포함하는 상기 양극 또는 음극 합제층이 도포되어 있는 구조일 수 있다.
이때, 제조공정상 시간 및 비용을 절감할 수 있도록, 상기 양극의 집전체들의 두께는 상호 동일하고, 상기 음극의 집전체들의 두께는 상호 동일한 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 양극과, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성된 리튬 이차전지를 제공한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양극 합제를 구성하는 상기 양극 활물질은 하기 화학식 1에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다:
LixMyM’(2-y)OzA4-z (1)
0.85≤x≤1.15
0.5≤y≤2.0
1.5≤z≤4.0
M은 Ni, Mn, Co, Ru, Mo, Cu, Nb, Te, Re, Ir, Pt, Cr, S, W, Os, 및 Po으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
M’은 Al, Ti, Mg, Fe, Cr, V, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Bi, 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
A는 1가 또는 2가의 음이온이다.
양극 활물질은 층상 결정구조 또는 스피넬 결정구조 리튬 함유 금속 산화물, 리튬 함유 니켈산화물을 포함한다. 스피넬 결정구조 리튬 함유 금속 산화물은 LiM2O4, (M=Mn, Ni) 조성을 지니며 정육면체 결정구조를 갖는 스피넬계 산화물은 4V 대의 전압 거동을 가지고 있으며 3차원적인 결정구조 특성상 빠른리튬 이온의 확산이 가능하여 층상계 구조의 양극물질에 비하여 우수한 출력 특성을 나타낸다. 대표적인 망간계 스피넬 물질인 LiMn2O4의 경우 가격이 저렴한 Mn의 사용으로 비용적 측면에서 우수하나 고온에서 전이금속인 Mn이 전해질로 용출되어 급격한 용량 감소라는 수명 문제를 지니고 있는 바, 하기와 같이 화학식 1a에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하고 있는 것이 바람직하다:
LiaM(1-b)M’bOcA2-c (1a)
0.85≤a≤1.15
0.5≤b≤1
1.8≤c≤2.0
M은 Co를 포함하고, Ni 및 Mn으로부터 선택되는 하나 이상을 선택적으로 포함하며;
M’는 Al, Ti, Mg, Fe, Cr, V, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
A는 1가 또는 2가의 음이온이다.
화학식 1a로 표시되는 상기 화합물은 Hexagonal 대칭의 a-NaFeO2의 구조를 가지는 것이 일반적이며, 수명 특성 및 충방전 효율이 우수하다. 대표적으로 리튬함유 코발트 산화물(LiCoO2)이 있으며 이외에도 LiNiO2, 2종의 전이금속 (LiNixCoyO2), 또는 3종의 전이금속이 혼상으로 되어 있는 LiNixCoyMnzO2, 3종의 전이 금속이 균일하게 분포된 Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2 등이 포함될 수 있다.
또한, 상기 화학식 1a의 화합물 이외에 상기 조건을 만족하지 않는 일반적인 리튬 전이금속 산화물이 추가로 포함될 수 있다. 이러한 일반적인 리튬 전이금속 산화물에는 Ni, Co, Mn 중에서 1 종류만으로 구성된 산화물, 2 종류 이상을 포함하는 산화물들이 모두 해당되며, 예를 들어, 당업계에 공지되어 있는 리튬 전이금속 산화물들을 들 수 있다. 이 경우, 상기 화학식 1a의 화합물은 활물질 전체 중량을 기준으로 적어도 30 중량% 이상, 상세하게는 50 중량% 이상 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 양극 또는 음극은, 상기와 같은 양극 또는 음극 활물질에 도전제 및 바인더를 포함하는 양극 또는 음극 합제를, 예를 들어, 물, NMP 등의 소정의 용매에 혼합하여 슬러리를 만든 후, 이러한 슬러리를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
필요에 따라서는, 상기 양극 또는 음극 합제에 점도 조절제 및 충진제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질이 더 포함될 수도 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 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 도전제는 전극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 전극 합제 전체 중량을 기준으로 0.01 ~ 30 중량%로 첨가될 수 있다. 이러한 도전제는 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.
상기 바인더는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 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 공중합제 등을 들 수 있다.
상기 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 전극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리비닐레덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 도전제, 바인더 등의 성분들이 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 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 음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연 재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연 재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다. 그 중에서도 탄소계 활물질, 주석계 활물질, 규소계 활물질, 또는 규소-탄소계 활물질이 더욱 바람직하며, 이들은 단독 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 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 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
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, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 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), FEC(Fluoro-Ethlene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.
본 발명은 또한 전극조립체가 비수 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 리튬 이차전지를 제공한다.
구체적으로 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 구조일 수 있다. 구체적으로 내후성 고분자로 이루어진 외부 피복층, 열융착성 고분자로 이루어진 내부 실란트층, 및 상기 외부 피복층과 내부 실란트 층의 사이에 개재되는 베리어층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스일 수 있고, 상세하게는 베리어층이 Al인 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위셀로 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
이러한 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 컴퓨터, 휴대폰, 파워 툴(power tool) 등의 소형 디바이스와, 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 등의 중대형 디바이스를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는 복수의 단위셀들 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 분리필름을 포함하는 전극조립체에서, 단위셀 적층 구조의 최외곽에 위치한 단위셀 중의 적어도 하나의 단위셀이 내부에 위치한 전극들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함하여, 전극 전체의 두께상승을 막으면서도 효과적으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 대표적인 스택/폴딩형 전극조립체의 권취 전 모식도이다;
도 2는 종래 대표적인 스택/폴딩형 전극조립체의 권취 후 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 권취 전 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 권취 후 모식도이다;
도 5는 도 4의 내부 단위셀인 A형 바이셀 및 C형 바이셀을 나타내는 모식도이다;
도 6은 도 4의 최외곽 단위셀인 A형 바이셀의 모식도이다; 및
도 7은 도 2의 최외곽 단위셀과 도 4의 최외곽 단위셀에 침상 도체를 관통하는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
이에 도 1 및 도 2에는 종래의 대표적인 스택/폴딩형 전극조립체의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극조립체(10)는 음극-분리막-양극-분리막-음극 단위셀 구조의 C형 바이셀들(20, 50, 60)과 양극-분리막-음극-분리막-양극 단위셀 구조의 A형 바이셀들(30, 40, 70, 80)의 조합으로 이루어져 있고, 이러한 전극조립체(10)는 분리필름(90) 상에 각 단위셀들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)을 배열하고 제 1 단위셀(20)에서 제 7 단위셀(80) 방향(91)으로 분리필름(90)을 순차적으로 권취하여 도 2와 같은 전극조립체(10)가 제작된다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(10)의 각 단위셀들(20, 30, 40, 50, 60, 70, 80)의 사이에 개재되어 있는 분리필름(90)은, 전극 단자가 형성되어 있지 않은 단위셀들(20, 30, 40, 50, 60, 70, 80)의 각각의 측면을 감싸고 있다. 전극조립체(10)의 최외곽 단위셀들(70, 80)에 위치한 최하단의 양극(71) 및 최상단의 양극(81)은 내부에 위치한 단위셀들(20, 30, 40, 50)을 구성하는 전극들과 같은 두께를 갖는다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도이다.
이들 도면을 참조하면, 도 4의 전극조립체(100)는 음극-분리막-양극-분리막-음극 단위셀 구조의 C형 바이셀들(200, 500, 600)과 양극-분리막-음극-분리막-양극 단위셀 구조의 A형 바이셀들(300, 400, 700, 800)의 조합으로 이루어져 있고, 제 1 단위셀(200)이 C형 바이셀인 바, 대면하는 전극이 반대 극성을 띄도록 배치하면 최외곽에 위치한 제 6 단위셀(700) 및 제 7 단위셀(800)은 A형 바이셀이다. 이러한 전극조립체(100)는 분리필름(900) 상에 각 단위셀들(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800)을 배열하고 제 1 단위셀(200)에서 제 7 단위셀(800) 방향(901)으로 분리필름(900)을 순차적으로 권취하여 도 4와 같은 전극조립체(100)가 제작된다.
따라서, 권취 후 전극조립체의 최외곽에 양극들(701, 801)이 위치하고, 최외곽 양극들(701, 801)은 도 1 및 2의 최외곽 양극들(71, 81)과는 달리 내부 단위셀들(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800)을 구성하는 전극들보다 두꺼운 두께를 가진다.
도 5는 도 4의 내부 단위셀인 C형 바이셀 중 제 1 단위셀(200) 및 A형 바이셀 중 제 2 단위셀(300)의 모식도를 나타낸다.
도 4의 C형 바이셀들(200, 500, 600)은 제 1 단위셀(200)과 동일한 구조를 가지고, A형 바이셀들(300, 400)은 제 2 단위셀(300)과 동일한 구조를 가진다. 제 1 단위셀(200)은 음극(201) / 분리막(204) / 양극(202) / 분리막(204) / 음극(203)의 구조를 갖는다. 분리막과 대면하는 음극(201)은 집전체(201b)의 양면에 양극 활물질을 포함하는 양극 합제층들(201a, 201c)이 도포된 구조로 이루어져 있다. 제 2 단위셀(300)은 양극(301) / 분리막(304) / 음극(302) / 분리막(304) / 양극(303)의 구조를 갖는다. 분리막과 대면하는 양극(301)은 집전체(301b)의 양면에 양극 활물질을 포함하는 양극 합제층들(301a, 301c)이 도포된 구조로 이루어져 있다.
제 1 단위셀(200)의 음극(201)에 포함된 집전체(201b)는 제 1 단위셀을 구성하는 양극(202) 및 음극(203)에 포함된 집전체와 두께가 동일하며, 제 2 단위셀(300)의 양극(301)에 포함된 집전체(301b) 및 제 2 단위셀(300)을 구성하는 음극(302) 및 양극(303)에 포함된 집전체와 두께가 동일하다.
도 6은 도 4의 최외곽 단위셀 중 하나인 제 6 단위셀(700)의 모식도이고, 도 7은 도 2의 최하단에 위치한 단위셀(70)과 도 4의 최하단에 위치한 제 6 단위셀(700)에 침상 도체를 관통하는 모식도이다. 도 6을 참조하면, 제 6 단위셀(700)은 최외곽에 위치한 전극이 이외의 전극보다 두꺼운 구조로 이루어져 있다. 제 6 단위셀(700)은 단위셀(710) 및/또는 단위셀(720)과 같은 구조로 이루어질 수 있다.
단위셀(710)은 양극(711) / 분리막(714) / 음극(712) / 분리막(714) / 양극(713)의 A형 바이셀 구조로 이루어져 있고, 최외곽에 위치한 양극(711)은 내부에 위치한 전극들(712, 713)보다 두꺼운 구조를 가진다.
마찬가지로, 단위셀(720)은 양극(721) / 분리막(724) / 음극(722) / 분리막(724) / 양극(723)의 A형 바이셀 구조로 이루어져 있고, 최외곽에 위치한 양극(721)은 내부에 위치한 전극들(722, 723)보다 두꺼운 구조를 가진다.
단위셀(710)과 단위셀(720)을 비교하면, 단위셀(710)의 최외곽에 위치한 양극(711)은 집전체(711b)의 일면에 도포된 양극 합제(711a)가 타면에 도포된 양극 합제(711c) 보다 두꺼운 구조이고, 단위셀(720)의 경우 최외곽에 위치한 양극(721)은 집전체(721b)의 양면의 양극 합제들(721a, 721c)이 동일한 구조로 이루어져 있다.
도 7을 참조하면, 단위셀(700)의 경우 침상 관통 테스트시, 최외곽에 위치한 양극 합제(711a)가 두꺼운 구조인 바, 침상 도체(A)가 저항이 높은 양극 합제(711a)에 닿는 면적이 넓고, 집전체(711b)에 닿는 속도가 느린 반면에 단위셀(70)은 침상 도체(A)가 최외곽에 위치한 양극(71)을 관통하면서 양극 합제(71a)에 닿는 면적이 적고, 집전체(71b)에 닿는 속도가 빠른 바, 단위셀(700)이 단위셀(70)보다 효과적으로 발열과 화재를 예방하고, 안전성을 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1 >
양극의 제조
양극 활물질로 LiCoO2를 사용하였고, LiCoO2 96 중량%, 및 Super-P(도전제) 2.0 중량%, PVdF(결합제) 2.0 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 양극을 제조하였다.
음극의 제조
음극 활물질로는 인조흑연을 사용하였고, 인조흑연 96.3 중량%, 및 Super-P(도전제) 1.0 중량%, PVdF(결합제) 2.7 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 구리 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다.
이차전지의 제조
상기 양극과 음극을 이용하여 도 5의 200과 같은 C형 바이셀 3개 및 도 5의 300과 같은 A형 바이셀 2개를 전극의 두께가 100 마이크로미터가 되도록 제조하고, 도 6의 710과 같이 두께가 100 마이크로미터인 양극 및 음극 각 1개와 두께가 130 마이크로미터인 양극 1개로 구성된 A형 바이셀 2개를 제조한다. 상기 도 5와 같은 구조를 갖는 바이셀들이 제 1 단위셀 및 제 5 단위셀이 되고, 도 6과 같은 구조를 갖는 바이셀 130 마이크로미터인 최외곽 전극을 포함하는 A형 바이셀이 제 6 단위셀 및 제 7 단위셀이 되도록 도 3과 같이 분리막에 위치시킨 뒤, 7 개의 바이셀들을 폴리프로필렌의 분리필름을 사용하여 순차적으로 권취하여 도 4와 같은 전극조립체를 제조하였고, 상기 전극조립체를 파우치형 전지케이스에 내장한 후 1M LiPF6 카보네이트계 용액 전해액을 주입하여 이차전지를 완성하였다.
<비교예 1>
제 6 단위셀과 제 7 단위셀의 최외곽에 위치한 전극을 내부 전극과 동일하게 100 마이크로미터의 두께로 구성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 이차전지를 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 20 개의 이차전지들을 4.35V의 완전 충전된 상태로 준비하였다. 못 관통 시험기를 이용하여 철로 만들어진 직경 2.5mm의 못을 위에서 만들어진 전지의 중앙에 관통시켜 발화여부를 측정하였다.
이때, 못의 관통 속도는 12m/min으로 일정하게 하였고, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
발화여부 미발화샘플 최고온도(℃)
실시예 1 발화없음 85.5
비교예 1 발화 105.5
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지들은 단락이 유발되지 않아 발화가 일어나지 않은 반면, 비교예 1 의 이차전지들은 다수의 전지에서 단락 및 발화가 확인되었다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 복수의 단위셀들 및 상기 단위셀들을 연속적으로 권취하는 분리필름을 포함하는 전극조립체로서,
    상기 전극조립체는 n개의 단위셀들을 폭 대비 긴 길이의 분리필름 상에 위치시킨 상태에서, 제 1 단위셀이 단위셀들의 적층 방향을 기준으로, 전극조립체의 중심부에 위치하고, 제 n-1 단위셀 및 제 n 단위셀이 전극조립체의 최외곽에 각각 위치하도록, 제 1 단위셀부터 제 n 단위셀로 순차적으로 권취한 구조로 이루어져 있고,
    상기 단위셀 적층 구조에서, 제 n 단위셀과 제 n-1 단위셀 중의 적어도 하나의 단위셀은 내부에 위치한 전극들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 전극들은 양극 또는 음극으로서, 상기 양극은 집전체에 양극 활물질을 포함하는 양극 합제층이 도포된 구조로 이루어져 있고, 상기 음극은 집전체에 음극 활물질을 포함하는 음극 합제층이 도포된 구조로 이루어져 있고,
    상기 제 n 단위셀과 제 n-1 단위셀 중의 적어도 하나는 바이셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀 적층구조의 제 n-2 단위셀과 제 n-3 단위셀 중의 적어도 하나의 단위셀은 제 1 단위셀 내지 제 n-4 단위셀에 위치한 전극들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 단위셀 적층구조의 제 n-4 단위셀과 제 n-5 단위셀 중의 적어도 하나의 단위셀은 제 1 단위셀 내지 제 n-6 단위셀에 위치한 전극들보다 두꺼운 양극, 또는 양극 및 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치한 바이셀(bicell), 및/또는 상이한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치한 풀셀(full cell)인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서 상기 양극의 집전체들의 두께는 상호 동일하고, 상기 음극의 집전체들의 두께는 상호 동일한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 1에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체:
    LixM yM'(2-y)OzA4-z (1)
    0.85≤x≤1.15
    0.5≤y≤2.0
    1.5≤z≤4.0
    M은 Ni, Mn, Co, Ru, Mo, Cu, Nb, Te, Re, Ir, Pt, Cr, S, W, Os, 및 Po으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
    M'은 Al, Ti, Mg, Fe, Cr, V, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Bi, 및 2주기 전이금속들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
    A는 1가 또는 2가의 음이온이다.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 하기 화학식 1a에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체:
    LiaM(1-b)M'bOcA2-c (1a)
    0.85≤a≤1.15
    0.5≤b≤1
    1.8≤c≤2.0
    M은 Co를 포함하고, Ni 및 Mn으로부터 선택되는 하나 이상을 선택적으로 포함하며;
    M'는 Al, Ti, Mg, Fe, Cr, V, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며;
    A는 1가 또는 2가의 음이온이다.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 바이셀은 양극이 단위셀의 양단에 위치한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 바이셀에서 최외곽에 위치한 양극 합체층의 두께는 제 1 단위셀 내지 제 n-2 단위셀에 위치한 바이셀 또는 풀셀의 양극 합제층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 n 단위셀과 제 n-1 단위셀은 각각 바이셀로 이루어져 있고,
    제 n 단위셀인 바이셀의 최외곽에 위치한 양극과 제 n-1 단위셀인 바이셀의 최외곽에 위치한 양극에서, 양극 합제층의 두께는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 최외곽에 위치한 전극은 내부에 위치한 전극들보다 5% 내지 50% 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 최외곽에 위치한 전극의 두께는 100 마이크로미터 이상 내지 180 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 내부에 위치한 전극의 두께는 최외곽에 위치한 전극의 두께보다 작은 조건 범위에서 80 마이크로미터 이상 내지 150 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 최외곽에 위치한 전극의 두께는 100 마이크로미터 이상 내지 180 마이크로미터 이하이고, 상기 내부에 위치한 전극의 두께는 80 마이크로미터 이상 내지 150 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  17. 제 1 항에 따른 전극조립체가 비수 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  19. 제 17 항에 따른 리튬 이차전지를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 19 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 디바이스는 컴퓨터, 휴대폰, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle: EV), 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전기 이륜차, 전기 골프 카트, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
KR1020140103742A 2014-08-11 2014-08-11 침상 관통 테스트 안전성이 향상된 파우치형 이차전지 KR101744120B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140103742A KR101744120B1 (ko) 2014-08-11 2014-08-11 침상 관통 테스트 안전성이 향상된 파우치형 이차전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140103742A KR101744120B1 (ko) 2014-08-11 2014-08-11 침상 관통 테스트 안전성이 향상된 파우치형 이차전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160019246A KR20160019246A (ko) 2016-02-19
KR101744120B1 true KR101744120B1 (ko) 2017-06-07

Family

ID=55448706

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140103742A KR101744120B1 (ko) 2014-08-11 2014-08-11 침상 관통 테스트 안전성이 향상된 파우치형 이차전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101744120B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102217447B1 (ko) 2017-07-06 2021-02-22 주식회사 엘지화학 이차전지
KR102438492B1 (ko) 2017-11-06 2022-08-30 에스케이온 주식회사 전극 구조체 및 이를 포함하는 이차 전지
KR102325036B1 (ko) 2018-08-29 2021-11-11 주식회사 엘지에너지솔루션 파우치형 이차 전지 및 이차 전지용 파우치
KR20220153273A (ko) 2021-05-11 2022-11-18 에스케이온 주식회사 전극 구조체 및 이를 포함하는 이차 전지

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009070781A (ja) * 2007-09-18 2009-04-02 Fuji Heavy Ind Ltd 蓄電デバイス

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009070781A (ja) * 2007-09-18 2009-04-02 Fuji Heavy Ind Ltd 蓄電デバイス

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160019246A (ko) 2016-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101968980B1 (ko) 절연층을 포함하는 이차전지용 케이스 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR101089135B1 (ko) 고출력 리튬 이차 전지
KR101455165B1 (ko) 안전성이 향상된 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101643593B1 (ko) 전해액 함침성이 향상된 스택-폴딩형 전극조립체 및 이의 제조방법
KR101717220B1 (ko) 둘 이상의 집전체를 구비하는 이차전지용 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102071489B1 (ko) 활물질 입자의 평균 입경이 상이한 코팅층들을 포함하는 이차전지용 전극
CN111801839A (zh) 具有绝缘膜的电极组件、其制造方法和包含其的锂二次电池
KR20130117711A (ko) 성능이 우수한 리튬 이차전지
KR101650024B1 (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101744120B1 (ko) 침상 관통 테스트 안전성이 향상된 파우치형 이차전지
KR20130116038A (ko) 다층구조 전극 및 그 제조방법
KR102011679B1 (ko) 양면에 활물질의 로딩량이 상이한 전극판을 포함하는 전극조립체
KR102098154B1 (ko) 3차원 망상 구조의 전극 집전체를 포함하는 전극
EP3996196A1 (en) Electrode assembly with insulation film formed on tab, manufacturing method thereof, and lithium secondary battery comprising same
KR101756864B1 (ko) 두께가 두꺼운 집전체를 포함하는 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR102263467B1 (ko) 집전체가 없는 전극 및 이를 포함하는 이차전지
KR20130116806A (ko) 이차전지용 음극
KR101517885B1 (ko) 이차전지의 제조방법 및 이를 사용하여 제조되는 이차전지
KR20120069977A (ko) 함침성이 향상된 스택/폴딩형 리튬 폴리머 이차전지 및 이를 제조하는 방법
KR101451193B1 (ko) 성능이 우수한 리튬 이차전지
KR102026292B1 (ko) 활물질 로딩량의 구배를 가진 전극을 포함하는 전극조립체
KR20130116810A (ko) 이차전지용 양극
KR102160572B1 (ko) 리튬이차전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬이차전지
KR101738546B1 (ko) 도전재를 적게 포함하는 단위셀로 구성된 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20150043704A (ko) 하이브리드 스택-폴딩형 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right