KR102175453B1 - 특정 온도의 융점 또는 유리전이온도를 가진 고분자 수지를 포함하는 전지셀 - Google Patents
특정 온도의 융점 또는 유리전이온도를 가진 고분자 수지를 포함하는 전지셀 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체 및 전해액이 전지케이스 내부에 내장되어 있는 구조의 전지셀로서, 상기 전지케이스는 전극조립체를 내부에 수납하는 제 1 케이스 부재 및 상기 제 1 케이스에 결합되어 밀봉하는 제 2 케이스 부재로 이루어져 있으며, 상기 제 1 케이스 부재와 제 2 케이스 부재가 접하는 계면 부위에는 밀봉을 위한 고분자 수지가 개재되어 있고, 상기 고분자 수지의 융점 또는 유리전이온도는 100℃ 내지 130℃인 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.
본 발명에 따른 전지셀은 특정한 온도의 융점 또는 유리전이온도를 가지는 고분자 수지를 사용하여 이차전지를 밀봉하여, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 전지의 내부 온도가 급격히 상승하게 되더라도, 일정한 이상의 온도에 도달하면 고분자 수지가 변형이 되어 전지 내부의 열원과 가스가 외부로 배출되어 전지가 발화 또는 폭발하는 등의 안전성 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 전지셀은 특정한 온도의 융점 또는 유리전이온도를 가지는 고분자 수지를 사용하여 이차전지를 밀봉하여, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 전지의 내부 온도가 급격히 상승하게 되더라도, 일정한 이상의 온도에 도달하면 고분자 수지가 변형이 되어 전지 내부의 열원과 가스가 외부로 배출되어 전지가 발화 또는 폭발하는 등의 안전성 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 특정 온도의 융점 또는 유리전이온도를 가지는 고분자 수지를 포함하는 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급증하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
특히, 리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 종류에 따라 리튬이온 전지와 리튬이온 폴리머 전지로 분류되기도 한다. 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 특히 두께가 얇은 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있다.
그러나, 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 즉, 리튬 이차전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부 단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 단시간 내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성이 있다.
전지의 온도가 상승하면 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진된다. 그 결과, 반응열이 발생하여 전지의 온도는 추가적으로 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 따라서, 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 이러한 악순환에 의해, 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있다. 또한, 전해액과 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되며, 일정 압력 이상에서 리튬 이차전지는 폭발하게 된다. 이와 같은 발화/폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다.
따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 안전소자를 장착하여 사용하는 방법과, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 있다. 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, CID 소자, 전압의 변화를 이용하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전벤트(Safety Vent) 등이 전자에 해당하고, 전지 내부의 온도나 전압의 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 것이 후자에 속한다.
그러나, 셀 바깥쪽에 장착하는 안전소자들은 전지의 이상 발생으로 인해 가연성 가스가 이미 셀 내부에 충만한 상태에서는 안전성을 제공하지 못하며, CID 소자의 경우는 원통형 전지에만 적용할 수 있다는 단점이 있다. 또한, 내부 단락, 침상 관통, 국부적 손상 등과 같이 빠른 응답시간이 요구되는 경우에는 제대로 보호역할을 하지 못하는 것으로 알려져 있다.
셀 내부의 물질을 이용하는 방법의 하나로 전해액이나 전극에 안전성을 향상시키는 첨가제를 부가하는 방법이 있다. 화학적 안전장치는 추가공정 및 공간을 필요로 하지 않으며 모든 종류의 전지에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 물질의 첨가로 인해 전지의 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 이러한 물질로는 전극에 부동막을 형성하는 물질, 온도 상승시 부피 팽창이 이루어지면서 전극의 저항을 증가시키는 물질 등이 보고되어 있다. 그러나, 이들 각각은 부동막 형성시 부산물이 발생하여 전지의 성능을 저하시키거나, 전지 내부에서 차지하는 부피가 커서 전지의 용량 감소를 가져오는 문제점을 안고 있으며, 확실한 안전성 보장이 이루어지지 않으므로 단독 수단으로는 사용되지 않고 있다.
이와 관련하여, 일본 특허출원공개 제2005-143160호에는, 보호회로의 전위 입력단자와의 사이에 접속되고 이차전지의 단자전압을 보호회로에 공급하기 위한 단자전압 공급선, 및 상기 단자전압 공급선 중에 설치되고 해당 단자전압 공급선을 흐르는 과전류를 제한하는 과전류 제한회로를 구비한 전지팩에 관한 기술이 개시되어 있다.
그러나, 이러한 전지팩은 단자전압 공급선과 과전류 제한회로를 연결하기 위해 별도의 도전성 부재를 사용해야 하고, 이들의 연결 공정이 요구되며, 단자전압 공급선 중에 설치되는 과전류 제한회로 자체의 저항값에 의해 보호소자가 감지할 수 있는 전류 또는 전압의 임계치가 커져서, 전지셀의 안전성이 이미 임계 수준을 넘어선 폭발 직전의 단계에서 작동될 우려가 있으므로 안전성 확보에 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 100~130℃의 융점 또는 유리전이온도를 가지는 고분자 수지를 사용하여 이차전지를 밀봉하는 경우, 전지의 내부 온도가 급격히 상승하게 되더라도, 일정한 이상의 온도에 도달하면 고분자 수지에 변형이 발생하여 전지 내부의 열원과 가스가 외부로 배출시킬 수 있으므로, 발화 또는 폭발의 위험이 현저히 감소됨을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체 및 전해액이 전지케이스 내부에 내장되어 있는 구조의 전지셀로서, 상기 전지케이스는 전극조립체를 내부에 수납하는 제 1 케이스 부재 및 상기 제 1 케이스에 결합되어 밀봉하는 제 2 케이스 부재로 이루어져 있으며, 상기 제 1 케이스 부재와 제 2 케이스 부재가 접하는 계면 부위에는 밀봉을 위한 고분자 수지가 개재되어 있고, 상기 고분자 수지의 융점 또는 유리전이온도가 100℃ 내지 130℃인 것으로 구성되어 있다.
따라서, 전지셀이 다양한 원인에 의해 상기 온도 범위에 도달할 경우, 고분자 수지가 용융되어 제 1 케이스 부재와 제 2 케이스 부재의 계면 부위에 공간이 발생하거나, 또는 유리전이 상태로 되어 점도의 감소로 인해 낮은 온도, 압력에서도 내부의 열원 및 가스가 상기 고분자 수지를 관통할 수 있다.
즉, 상기 고분자 수지는, 전지셀의 이상 발생시, 전지 내부의 열원 및 가스가 외부로 통하는 통로 역할을 하여 이들을 외부로 배출시킬 수 있으므로, 발화 또는 폭발의 위험이 있는 온도까지 상승하는 것을 미연에 방지할 수 있는 바, 전지셀의 안전성이 극대화될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 케이스 부재는 각형 금속 캔으로 이루어져 있고, 상기 금속 캔의 개방 상단부에 탑재되는 제 2 케이스 부재는 캡 플레이트 구조로 이루어질 수 있으며, 제 1 케이스 부재와 제 2 케이스 부재는 계면 부위가 상기 고분자 수지를 포함하는 접착제로 결합될 수 있다.
이러한 구조는, 제 2 케이스 부재인 캡 플레이트를 제 1 케이스 부재인 캔과 밀착시킨 후 이를 용접하지 않고, 접착부에 100~130℃의 융점 또는 유리전이온도를 가진 고분자 수지를 포함하는 접착제를 도포하여 캡 플레이트와 각형 금속 캔을 결합시켜 제조할 수 있다.
이러한 구조와는 달리, 상기 캡 플레이트의 통공에 삽입되는 전극 단자 및 캡 플레이트의 아랫면에 설치되는 절연 플레이트 사이를 밀봉하는 가스켓을 100~130℃의 융점 또는 유리전이온도를 가지는 고분자 수지로 구성하는 경우, 상기 전지셀의 구성으로 전지 내부의 열원 및 가스를 배출시킬 수 있으나, 상기 전극 단자는 외부 장치와 전기적으로 연결되어 있으므로, 배출되는 열원 및 가스와 외부 장치의 화학 반응에 의한 발화/폭발의 위험성이 있으므로 바람직하지 않다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 제 1 케이스 부재는 원통형 금속 캔으로 이루어져 있고, 상기 금속 캔의 개방 상단부에 탑재되는 제 2 케이스 부재는 캡 어셈블리 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 제 1 케이스 부재와 제 2 케이스 부재는 계면 부위에 상기 고분자 수지를 포함하는 가스켓이 개재된 상태로 클램핑될 수 있다.
이러한 구조에서, 제 1 케이스 부재인 원통형 금속 캔은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 전도성 금속 재질일 수 있으며, 제 2 케이스 부재인 캡 어셈블리는 전극 조립체의 상단에 부착되는 양극 탭과 전기적으로 연결될 수 있고, 가스켓을 개재시켜 밀폐된 상태에서 상기 원통형 금속 캔의 개방부에 클램핑되어 결합될 수 있으며, 상기 가스켓은 100~130℃의 융점 또는 유리전이온도를 가진 고분자 수지를 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 고분자 수지는 폴리메타아크릴로니트릴, 폴리아크릴산, 폴리비닐포말, 폴리스티렌, 4-메톡시스티렌, 메틸메타아크릴레이트, 페닐메타아크릴레이트, 테트라플루오로에틸렌, 비닐-4-터트부틸벤조에이트, 2-비닐피리딘으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어질 수 있지만, 이들 만으로 한정되지 않음은 물론이다.
상기 고분자 수지는 고분자 접착제 또는 가스켓의 구성성분으로서 단독으로 사용될 수도 있고, 둘 이상의 혼합물로 이루어질 수도 있다.
또한, 상기의 고분자 수지 이외에도 융점 또는 유리전이온도가 100 내지 130℃의 온도 범위에 속하는 고분자라면 특별히 한정되지 않으나, 상기 온도 범위에서 용융 또는 유리전이 되는 것이 요구되므로, 열가소성 고분자 수지가 바람직하다.
경우에 따라, 상기 가스켓은 상기 고분자 수지 이외에도 합성 고무, 천연 고무, 실리콘 및 PVC(Polyvinyl Chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 혼합물을 포함할 수 있으며, 상기 합성 고무는 스티렌-부타디엔 고무, 폴리클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 다황화물계 고무, 실리콘 고무, 플루오르계 고무, 우레탄 고무 및 아크릴 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 고분자 수지의 융점 또는 유리전이온도는 100℃ 내지 130℃의 온도 범위에서 설정되며, 바람직하게는 110℃ 내지 120℃의 온도 범위일 수 있다.
100℃ 이하의 융점 또는 유리전이온도를 가진 고분자 수지의 경우, 정상적인 전지셀의 작동 과정에서 발생되는 열원에 의해서도 제 1 케이스 부재와 제 2 케이스 부재의 계면에 개재된 고분자 수지가 용융되거나 유리전이가 될 수 있어 전지로서의 일반적인 기능 발휘가 어려운바 바람직하지 않다. 반면에, 130℃ 이상의 융점 또는 유리전이온도를 가진 고분자 수지의 경우, 전지셀의 안전성에 기여하는 효과가 낮아서 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 케이스 부재와 제 2 케이스 부재의 계면 부위는 상기 고분자 접착제에 의한 접착과 금속 간의 용접 또는 솔더링이 병용된 상태로 결합될 수 있으며, 상기 용접은 레이저 용접, 초음파 용접 또는 저항 용접이 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 병용적인 결합 구조는, 외부로부터 인가된 물리적 충격 등에 의해 제 1 케이스 부재와 제 2 케이스 부재가 분리되는 것을 막아주는 효과가 있다.
상기 병용적인 결합 구조는, 예를 들어, 제 1 케이스 부재와 제 2 케이스 부재의 계면 부위에 먼저 고분자 접착제를 도포하고 건조시킨 후 상기 용접 또는 솔더링으로 결합하거나, 상기 고분자 접착제를 도포하는 것과 동시에 용접 또는 솔더링으로 결합하여 만들어질 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 케이스 부재와 제 2 케이스 부재의 계면 부위 모든 면에 고분자 접착제를 도포시킬 수 있고, 가장자리 부위와 외주변의 중심에 선택적으로 도포시킬 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택될 수 있으며, 전지팩, 디바이스의 구조 및 그것의 제조 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
참고로, 상기 전지셀은 리튬이온 전지 또는 리튬 이차전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이러한 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-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 LiNi1-xMxO2 (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 LiMn2-xMxO2 (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; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 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.
상기 바인더는 활물질과 도전재 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 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 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (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, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 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.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 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 중합체 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, 비수계 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 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 특정한 온도의 융점 또는 유리전이온도를 가지는 고분자 수지를 사용하여 이차전지를 밀봉하여, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 전지의 내부 온도가 급격히 상승하게 되더라도, 일정한 이상의 온도에 도달하면 고분자 수지가 변형되어 전지 내부의 열원과 가스가 외부로 배출되어 전지가 발화 또는 폭발하는 등의 안전성 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 각형 전지셀의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지셀의 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지셀의 접착부에 대한 확대도이다.
도 4는 원통형 전지셀의 수직 단면 모식도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지셀의 단면 사시도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지셀의 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지셀의 접착부에 대한 확대도이다.
도 4는 원통형 전지셀의 수직 단면 모식도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지셀의 단면 사시도이다.
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 1에는 각형 전지셀의 분해 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지셀에 대한 단면 모식도가 도시되어 있으며, 도 3에는 상기 도 2의 전지셀의 접착부(20)에 대한 확대도가 도시되어 있다.
먼저, 도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지셀(10)은 내부에 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체(12)가 각형의 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.
캡 어셈블리(100)는 캔(11)의 상부에 결합되는 캡 플레이트(110), 가스켓(120)을 매개로 하여 캡 플레이트(110)의 통공에 삽입되는 전극 단자(130), 캡 플레이트(110)의 하면에 설치되는 절연 플레이트인 밀봉부재(140), 및 밀봉부재(140)의 아랫면에 설치되어 전극 단자(130)와 통전되는 단자 플레이트(도시하지 않음)를 포함하고 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지셀(10)은 캡 플레이트(110)를 캔(11)과 밀착시킨 후 이를 용접하지 않고, 접착부(20)에 100~130℃의 온도 범위에서 융점 또는 유리전이온도를 가진 고분자 수지를 포함하는 고분자 접착제를 도포하여 밀봉시킬 수 있다.
따라서, 이차전지의 이상 작동이나 외부 충격 등에 의해, 각형 전지셀(10)의 내부 온도가 급격히 상승하게 되더라도, 일정 온도에 도달하면 접착제에 포함된 고분자 수지에 용융 또는 유리전이와 같은 물성 변화가 발생하여, 접착부(20)가 외부와의 통로 역할을 하게 되면서, 전지 내부의 열원 및 가스를 쉽게 배출할 수 있으므로, 발화 또는 폭발의 위험성이 감소되는 바 안전성을 확보할 수 있다.
도 4에는 원통형 이차전지의 단면 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 4의 부분 단면 사시도가 도시되어 있다.
먼저, 도 4를 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원형 전지셀(200)은, 전해액과 함께 전극 조립체(220)를 수납하는 원형 캔(230)과, 원형 캔(230)의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 어셈블리(240)를 포함한다.
원형 전지셀(200)에 있어서, 원형 캔(230)은 경량의 전도성 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가진 원통 구조를 가진다. 원형 캔(230)의 내부 공간에는 전극조립체(220)와 전해액(도시하지 않음)이 내장된다.
원형 캔(230) 내에 수납되는 전극조립체(220)는 서로 극판이 다르고 롤 형태의 넓은 판형을 가진 두 개의 전극판들(221, 222)과 이러한 전극판들을 상호 절연시키기 위해 개재되는 분리막(223)을 구비할 수 있다.
전극조립체(220)의 상단에 부착되는 양극 탭(242)는 캡 어셈블리(240)에 전기적으로 연결되고, 전극조립체(220)의 하단에 부착되는 음극 탭(도시하지 않음)은 원형 캔(230)의 바닥에 연결된다.
원형 전지셀(200)에 있어서, 캡 어셈블리(240)는 가스켓(350)을 개재시켜 밀폐된 상태에서 원형 캔(230)의 개방부에 조립되는 것으로서, 원형 캔(230)의 개방단에 위치하여 원형 캔(230)을 밀봉한다.
도 5를 참조하면, 도시된 탑 캡(300)은 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고, 배기구가 천공되어 있으며, 그것의 하부에 전지 내부의 온도 상승시 전지의 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element: 310), 정상적인 상태에서는 하향 돌출된 형상으로 되어 있고 전지 내부의 압력 상승시 돌출되면서 파열되어 가스를 배기하는 안전벤트(320), 및 상단의 일측 부위가 안전벤트(320)에 결합되고 하단 일측이 전극 조립체(220)의 양극에 연결되어 있는 접속 플레이트(340)가 순차적으로 위치되어 있다.
이 때, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원형 전지셀(200)에 있어서, 가스켓(350)은 100~130℃의 온도 범위에서 융점 또는 유리전이온도를 가진 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
따라서, 이차전지의 이상 작동이나 외부 충격 등에 의해 원형 전지셀(200)의 내부 온도가 급격히 상승하게 되더라도, 일정 온도에 도달하면 가스켓(350)을 구성하는 고분자 수지에 용융 또는 유리전이와 같은 물성 변화가 발생하여, 가스켓(350)이 외부와의 통로 역할을 하게 되면서, 전지 내부의 열원 및 가스를 쉽게 배출할 수 있으므로, 발화 또는 폭발의 위험성이 감소되는 바 안전성을 확보할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (5)
- 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체 및 전해액이 전지케이스 내부에 내장되어 있는 구조의 전지셀로서,
상기 전지케이스는 전극조립체를 내부에 수납하는 제 1 케이스 부재 및 상기 제 1 케이스에 결합되어 밀봉하는 제 2 케이스 부재로 이루어져 있으며,
상기 제 1 케이스 부재는 원통형 금속 캔으로 이루어져 있고,
상기 금속 캔의 개방 상단부에 탑재되는 제 2 케이스 부재는 캡 어셈블리로 이루어져 있으며,
상기 캡 어셈블리는 최상단에 탑 캡이 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하며 배기구가 천공되어 있으며, 상기 탑 캡의 하부에 상기 전지셀 내부의 온도 상승시 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element: 310), 상기 PCT 소자의 하단에 정상적인 상태에서는 하향 돌출된 형상으로 되어 있고 상기 전지셀 내부의 압력 상승시 돌출되면서 파열되어 가스를 배기하는 안전벤트, 및 상단의 일측 부위가 상기 안전벤트에 결합되고 하단 일측이 상기 전극 조립체의 양극에 연결되어 있는 접속 플레이트가 순차적으로 위치되며,
상기 제 1 케이스 부재와 제 2 케이스 부재는 계면 부위에 밀봉을 위한 고분자 수지를 포함하는 가스켓이 개재된 상태로 클램핑되어 있으며,
상기 고분자 수지의 융점 또는 유리전이온도는 100℃ 내지 130℃인 것을 특징으로 하는 전지셀. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리메타아크릴로니트릴, 폴리아크릴산, 폴리비닐포말, 폴리스티렌, 4-메톡시스티렌, 메틸메타아크릴레이트, 페닐메타아크릴레이트, 테트라플루오로에틸렌, 비닐-4-터트부틸벤조에이트, 2-비닐피리딘으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어져 있고, 유리전이온도가 100℃ 내지 130℃인 것을 특징으로 하는 전지셀.
- 삭제
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