KR20050090748A - Ｐｔｃ 특성을 갖는 이차전지용 집전체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지의 양극 활물질층이나 음극 활물질층 상에 구비되는 집전체에 관한 것으로서, 금속박으로 형성되어 상기 활물질층에 접하는 제1집전층; 상기 제1집전층 상에 구비되는 PTC 물질층; 및 금속박으로 형성되되 상기 PTC 물질층을 사이에 두고 상기 제1집전층과 대칭으로 형성되는 제2집전층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 이차전지의 양극 활물질층 혹은 음극 활물질층 상에 구비되는 집전체의 제조방법에 있어서, 한 쌍의 금속호일을 회전하는 두 개의 롤러 사이에 유입시키는 단계; 및 상기 롤러 통과 직전의 금속호일 사이에 용융상태의 PTC 물질을 투입하여 압착적층이 이루어지도록 하는 단계;를 포함하는 이차전지용 집전체 제조방법이 개시된다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면 이차전지의 양극 활물질층 혹은 음극 활물질층 상에 구비되는 집전체의 제조방법에 있어서, PTC 분말과 바인더를 혼합하여 슬러리를 만드는 단계; 상기 슬러리를 금속호일 표면에 도포하는 단계; 및 상기 슬러리 위에 다른 금속호일을 압착시키는 단계;를 포함하는 이차전지용 집전체 제조방법이 개시된다.

본 발명에 의하면 집전체 내에서 PTC 물질의 작용이 이루어지므로 과전류 등 이상상태 발생시 보다 신속히 전류를 차단할 수 있으며, 활물질층의 공간을 점유하지 않으므로 전지성능의 저하를 방지할 수 있다.

Description

ＰＴＣ 특성을 갖는 이차전지용 집전체 및 그 제조방법{CURRENT COLLECTOR OF SECONDARY BATTERY HAVING PTC-CHARACTERISTICS AND FABRICATING METHOD THEREOF}

본 발명은 이차전지용 집전체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 활물질층과 접하는 부분이나 활물질층 내부 이외의 지점에 PTC 특성을 갖는 물질을 구비하여 보다 신속하게 PTC 작용을 수행하고, 한편으로는 전지의 성능저하를 방지할 수 있는 이차전지용 집전체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

정온도계수(Positive Temperature Coefficient; 이하 PTC)의 특성을 갖는 물질은 주위의 온도가 상승하거나 허용치 이상의 전류가 유입되어 자체적으로 발열될 경우 저항값이 수백배 혹은 그 이상으로 급격히 상승하여 전지 내부와 외부 회로 간의 전기적 접속을 차단하는 작용을 하므로 특히, 온도상승시 폭발위험이 있는 리튬이온(Lithium-ion) 이차전지의 보호회로에 유용하게 사용되고 있다.

PTC 소자를 이용한 리튬이온 이차전지의 보호를 위해, 예를 들어 각형 전지의 경우에는 전지 캔 외벽과 외부단자 간에 PTC 소자가 연결되어 전류를 차단하고, 원통형 전지의 경우에는 전지 캔 내부에 PTC 소자가 장착되어 과전류로부터 전지를 보호한다. 그러나, 이러한 기술들은 이차전지 팩에 별도로 PTC 소자를 부착한 후 회로적으로 연결하는 방식을 사용하므로 이차전지 팩의 부피가 커지는 단점이 있으며, PTC 소자의 연결부가 단선될 수 있는 우려가 있다.

이와는 다른 방식의 이차전지 기술로는 예컨대, 미국특허 제6346345호, 제657941호, 제6558616호, 제6440605호, 제6399252호, 제6114433호 등을 통해 개시된 바와 같이 전극구조 내에 PTC 물질을 직접 투입하는 기술을 들 수 있다. 이 중 Mitsubishi사가 출원한 미국특허 제6346345호는 도 1에 도시된 바와 같은 구조의 이차전지 기술을 제시하고 있다.

도 1을 참조하면, 이차전지는 전해질층(B)을 사이에 두고 형성되는 양극(A) 및 음극(C)과, 집전기능을 수행하도록 상기 양극(A)과 음극(C)에 각각 구비되는 집전체(12,13)를 포함하되, 상기 양극(A)과 음극(B)에는 각각 양극 활물질층(10)과 음극 활물질층(20)이 구비되고, 특히 양극 활물질층(10) 내부 및 상기 양극 활물질층(10)과 집전체(12) 사이에는 PTC 물질(11)이 구비된다. 여기서, 양극 활물질층(10) 내에 구비된 PTC 물질(11)은 양극 활물질(10a)과 바인딩 된다.

상기와 같은 구성에 의하면 집전체(12,13)를 거쳐 양극 활물질층(10)을 흐르는 전류가 내부단락 등 이상상태에 의해 급격히 증가할 경우 PTC 물질(11)이 작용하여 저항의 급격한 상승에 의해 전류의 흐름을 억제함으로써 전지를 보호하게 된다.

그러나, 이와 같은 구조는 실질적인 발전기능을 수행하는 양극 활물질층(10) 내의 공간을 PTC 물질(11)이 부분적으로 차지하게 되므로 전지의 내부저항이 높아지고, 상기 PTC 물질(11)의 양만큼 양극 활물질(10a)이 감소하여 전지의 활성이 저하될 수 있는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, PTC 특성을 갖는 물질을 전극 내에 구비하되 전류의 이상상태 발생시 신속하게 회로를 차단할 수 있으며, 활성저하의 방지를 위해 활물질층 이외의 영역에 PTC 물질을 구비하여 전지를 보호하게 되는 이차전지용 집전체 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전지시트를 롤형태로 제조할 수 있도록 유연성이 부여된 PTC 물질층이 구비되는 이차전지용 집전체 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 이차전지용 집전체는, 금속박으로 형성되어 상기 활물질층에 접하는 제1집전층; 상기 제1집전층 상에 구비되는 PTC 물질층; 및 금속박으로 형성되되 상기 PTC 물질층을 사이에 두고 상기 제1집전층과 대칭으로 형성되는 제2집전층;을 포함한다.

바람직하게 상기 PTC 물질층에는, 고분자 수지와 전도성 물질이 각각 30 ~ 70wt%의 범위로 함유될 수 있다.

상기 고분자 수지로는 일부 혹은 전체적으로 결정성을 갖는 수지가 채용되고, 상기 고분자 수지의 용융열은 30J/g 이상으로 설정되는 것이 바람직하다.

상기 PTC 물질층은 상온에서의 비저항이 0.05 ~ 5Ωㆍcm의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 이차전지의 양극 활물질층 혹은 음극 활물질층 상에 구비되는 집전체의 제조방법에 있어서, 한 쌍의 금속호일을 회전하는 두 개의 롤러 사이에 유입시키는 단계; 및 상기 롤러 통과 직전의 금속호일 사이에 용융상태의 PTC 물질을 투입하여 압착적층이 이루어지도록 하는 단계;를 포함하는 이차전지용 집전체 제조방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 이차전지의 양극 활물질층 혹은 음극 활물질층 상에 구비되는 집전체의 제조방법에 있어서, PTC 분말과 바인더를 혼합하여 슬러리를 만드는 단계; 상기 슬러리를 금속호일 표면에 도포하는 단계; 및 상기 슬러리 위에 다른 금속호일을 압착시키는 단계;를 포함하는 이차전지용 집전체 제조방법이 제공된다.

상기 PTC 분말의 평균입도는 0.01 ~ 50㎛의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 집전체의 구성을 도시하는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 집전체는 전해질층(B)을 사이에 두고 양측에 형성된 이차전지의 양극 활물질층(10)과 음극 활물질층(20) 상에 구비되어 집전기능을 수행하는 것으로서, PTC 작용과 함께 양극 집전체(100) 또는 음극 집전체(101) 중 어느 하나의 역할을 하게 된다. 도면에는 본 발명이 양극 집전체(100)의 역할을 하는 실시예가 도시되어 있다.

다시 도 2를 참조했을 때, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지용 집전체는 양극 활물질층(10)에 접하는 제1집전층(10a)과, 상기 제1집전층(10a) 상에 구비되는 PTC 물질층(10b)과, 상기 PTC 물질층(10b)을 사이에 두고 상기 제1집전층(10a)과 대칭으로 형성되는 제2집전층(10c)을 포함한다.

상기 제1집전층(10a)과 제2집전층(10c)은 알루미늄이나 구리와 같은 금속의 박막으로 형성될 수 있다.

PTC 물질층(10b)은 일부 혹은 전체적으로 결정성을 갖는 고분자 수지와 전도성 물질의 혼합물로 구성될 수 있다. 여기서, 고분자 수지와 전도성 물질의 함량비는 작업성이나 제1집전층(10a) 및 제2집전층(10c) 표면과의 최적 접촉력, 저항률 등을 감안하여 전체 PTC 물질층(10b)의 무게에 대하여 각각 30 ~ 70wt%를 이루고, 하기의 기타 첨가물이 0 ~ 10wt%를 이루는 것이 바람직하다.

일반적으로 PTC 특성은, 결정성 고분자의 온도가 상승할 때 부피가 팽창하여 전도성 물질간의 간격을 밀어냄으로써 저항이 상승하는 원리에 의해 나타나는 것이므로 고분자 수지의 녹는점 범위가 중요한데, 이차전지의 작동 온도범위와 내부 전해질층(B) 및 리튬의 폭발위험 온도 등을 감안할 때 결정성 고분자의 녹는점은 60 ~ 160℃의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 결정성 고분자의 용융열(Heat of fusion)값은 30J/g 이상의 범위에 해당하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전도성 물질로는 카본류와 같이 전도성이 우수한 재료가 사용되고, 그밖에 상기 제1집전층(10a) 및 제2집전층(10c)과의 접착력을 향상시키기 위한 말레산무수물(Maleic Anhydride) 등이나 고분자 간의 가교를 위한 가교제, 산화방지제 등과 같은 첨가물이 소량 함유될 수 있다. 상기 전도성 물질은 상온에서 0.05 ~ 5Ωㆍcm의 비저항을 갖는 한편, 과전류 등 이상상태시 일반적인 온도범위인 60 ~ 160℃에서는 수백에서 수만배 이상으로 온도가 상승하여 회로에 흐르는 과전류를 효과적으로 차단할 수 있어야 한다.

이차전지의 에너지 밀도를 높이고자 롤형태로 다층 라미네이션(Lamination) 된 구조로 이차전지가 구성될 경우, PTC 특성을 갖는 본 발명의 집전체(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 롤형태의 시트 양단에만 구비될 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 이차전지용 집전체는 단락 등 이상전류의 발생시 집전이 이루어지는 집전체 자체에서 PTC 동작이 수행됨으로써 신속하게 고저항값으로 전환되어 전류를 차단하게 된다.

한편, 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 집전체의 제조공정이 개략적으로 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명은 회전 가능하게 구비된 두 개의 롤러(200a,200b) 사이에 바람직하게 알루미늄 혹은 구리의 금속호일을 유입시킴과 아울러, 상기 금속호일이 롤러를 통과하기 직전에 금속호일 사이에 용융상태의 PTC 물질을 투입하면서 상기 롤러를 이용해 라미네이션함으로써 PTC 물질층(100b)을 사이에 두고 양측에 제1집전층(100a) 및 제2집전층(100c)이 압착적층된 시트형태의 집전체를 제조한다.

도 5에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 집전체의 제조공정이 개략적으로 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, PTC 분말과 바인더를 혼합하여 슬러리를 만든 후, 상기 슬러리를 금속호일 표면에 도포하고, 이어서 상기 슬러리 위에 다른 금속호일을 소정의 압착수단(미도시)을 이용해 압착시켜 PTC 물질층(100b)을 사이에 두고 양측에 제1집전층(100a) 및 제2집전층(100c)이 압착적층된 시트형태의 집전체를 제조한다. 이러한 구성에 의하면 상기 PTC 물질층(100b)이 PTC 분말(100b-1)의 집합체로 이루어지므로 바인더의 특성에 따라 유연성이 부여되어 롤형태의 전지를 제조하는 것이 가능하다. 이를 위해, 상기 PTC 분말(100b-1)은 0.01 ~ 50㎛의 평균입도로 분쇄된 분말이 채용되는 것이 바람직하며, 상기 바인더로는 폴리불화비닐리덴 (polyvinylidene fluoride) 등이 사용될 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 의하면 PTC 특성을 갖는 물질이 집전체 내에 구비되므로 과전류 등 이상상태 발생시 신속하게 회로를 차단할 수 있으며, 종래와는 달리 활물질층의 활성저하를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 분말형태의 PTC 물질을 집전체에 구비함으로써 유연성을 부여하여 롤형태의 이차전지에 적용될 수 있는 잇점도 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래기술에 따른 이차전지의 내부구성을 도시하는 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 집전체의 구성을 도시하는 단면도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 집전체의 구성을 도시하는 단면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 집전체의 제조공정을 개략적으로 도시하는 구성도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 집전체의 제조공정을 개략적으로 도시하는 구성도.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

10...양극 활물질층 20...음극 활물질층

B...전해질층 100a...제1집전층

100b...PTC 물질층 100c...제2집전층

200a,200b...롤러

Claims (8)

1. 이차전지의 양극 활물질층 혹은 음극 활물질층 상에 구비되는 집전체에 있어서,

   금속박으로 형성되어 상기 활물질층에 접하는 제1집전층;

   상기 제1집전층 상에 구비되는 PTC 물질층; 및

   금속박으로 형성되되 상기 PTC 물질층을 사이에 두고 상기 제1집전층과 대칭으로 형성되는 제2집전층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 집전체.
2. 제 1항에 있어서, 상기 PTC 물질층에는,

   고분자 수지와 전도성 물질이 각각 30 ~ 70wt% 함유된 것을 특징으로 하는 이차전지용 집전체.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 고분자 수지의 녹는점이 60 ~ 160℃인 것을 특징으로 하는 이차전지용 집전체.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 고분자 수지로는 일부 혹은 전체적으로 결정성을 갖는 수지가 채용되고,

   상기 고분자 수지의 용융열이 30J/g 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 집전체.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 PTC 물질층의 상온에서의 비저항이 0.05 ~ 5Ωㆍcm인 것을 특징으로 하는 이차전지용 집전체.
6. 이차전지의 양극 활물질층 혹은 음극 활물질층 상에 구비되는 집전체의 제조방법에 있어서,

   한 쌍의 금속호일을 회전하는 두 개의 롤러 사이에 유입시키는 단계; 및

   상기 롤러 통과 직전의 금속호일 사이에 용융상태의 PTC 물질을 투입하여 압착적층이 이루어지도록 하는 단계;를 포함하는 이차전지용 집전체 제조방법.
7. 이차전지의 양극 활물질층 혹은 음극 활물질층 상에 구비되는 집전체의 제조방법에 있어서,

   PTC 분말과 바인더를 혼합하여 슬러리를 만드는 단계;

   상기 슬러리를 금속호일 표면에 도포하는 단계; 및

   상기 슬러리 위에 다른 금속호일을 압착시키는 단계;를 포함하는 이차전지용 집전체 제조방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 PTC 분말의 평균입도가 0.01 ~ 50㎛의 범위에 해당하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 집전체 제조방법.