KR20090106841A - 전극조립체 및 이를 구비한 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수명 특성 및 열적 안전성이 현저히 향상된 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하도록 상부가 개구된 캔, 및 상기 캔의 개구된 부분을 마감하는 캡조립체를 포함하고, 상기 전극조립체는, 양극활물질층이 형성된 양극, 음극활물질층이 형성된 음극, 상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터, 및 상기 양극이 상기 음극과 대향하는 면 중 상기 양극 쪽에 코팅 형성된 절연코팅층을 포함하고, 상기 절연코팅층은 상기 양극활물질층 상에 코팅 형성되고 올리빈계 인산 리튬 화합물을 포함하는 제1 코팅층, 및 상기 제1 코팅층 상에 코팅 형성되고 세라믹 분말 및 바인더를 포함하여 이루어지는 제2 코팅층을 포함한다.
이차전지, 전극조립체, 양극활물질, 절연코팅층, 수명특성, 안전성

Description

전극조립체 및 이를 구비한 이차전지{ELECTRODE ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY USING THE SAME}
본 발명은 이차전지에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 수명 특성 및 열적 안전성이 현저히 향상된 이차전지에 대한 것이다.
최근에 이차전지에 대한 관심이 집중되고 개발화가 급속히 이루어지고 있는 주된 이유는 이차전지가 초경량, 고에너지밀도, 고출력전압, 낮은 자가방전율, 환경 친화적 배터리 및 긴 수명을 가진 전원이기 때문이다.
이차전지는 전극활물질에 따라 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬이온(Li-ion)전지 등으로 나뉘며, 특히 리튬이온전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 경우와 고체 폴리머 전해질 혹은 겔 상의 전해질을 사용하는 경우로 나뉠 수 있다. 또한, 전극조립체가 수용되는 용기의 형태에 따라 캔형과 파우치형 등 다양한 종류로 나눠진다.
리튬이온전지는 무게당 에너지 밀도가 일회용 전지에 비해 월등히 높아 초경량 배터리의 구현이 가능하고, 셀당 평균전압은 3.6V로 다른 이차전지인 니카드전지나 니켈수소전지의 평균전압 1.2V보다 3배의 컴팩트효과가 있다. 또한, 리튬이 온전지는 자가방전율이 20℃에서 한달에 약 5%미만으로 니카드전지나 니켈수소전지 보다 약 1/3수준이고, 카드뮴(Cd)이나 수은(Hg)같은 중금속을사용하지 않음으로써 환경 친화적이며, 또한, 정상적인 상태에서 1000회 이상의 충방전을 할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 이와 같은 장점을 바탕으로 최근의 정보통신기술의 발전과 더불어 그 개발이 급속히 이루어지고 있다.
일반적으로 이차전지는 양극판과 음극판 및 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔의 상단 개구부를 캡조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 베어셀을 형성한다.
양극판 및 음극판은 각각리튬을 탈리 또는 흡장할 수 있는 양극활물질 및 음극활물질을 포함하여 이루어진다. 특히, 양극활물질로는 리튬코발트산화물, 리튬망간산화물 또는 리튬니켈산화물 등을 사용한다. 이 중에서 리튬코발트산화물(LiCoO2)은 합성이 비교적간단하고, 수명 및 열적 안정성면에서 다른 물질에 비해 우수하기 때문에 주된 양극활물질로 사용되고 있다.
그러나, 고온이나 내부 이물 등의 보다 가혹한 환경에서의 전지 안전성에 대한 필요가 계속해서 증가하고 있으며, 안전성 뿐만 아니라 성능도 동시에 향상시킨 이차전지의 개발이 필요해지고 있다. 따라서, 기존 양극 활물질인 리튬코발트산화물(LiCoO2) 보다 수명특성 및 열적안전성이 더욱 향상된 이차전지가 대한 필요가 계속 증가하고 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서, 열적안전성이 현저히 향상되면서 수명특성이 우수한 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 전극조립체는 양극활물질층이 형성된 양극, 음극활물질층이 형성된 음극, 상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터, 및 상기 양극 상에 코팅 형성된 절연코팅층을 포함하고, 상기 절연코팅층은 적어도 하나의 층으로 이루어진다.
이때, 상기 절연코팅층은 상기 양극활물질층 상에 코팅 형성되고 올리빈계(olivine-type) 인산 리튬 화합물을 포함하는 제1 코팅층, 및 상기 제1 코팅층 상에 코팅 형성되고 세라믹 분말 및 바인더를 포함하여 이루어지는 제2 코팅층을 포함할 수 있으며, 상기 제1 코팅층의 전기전도도는 상기 양극활물질층의 전기전도도 보다 작게 형성될 수 있다. 이때, 상기 양극과 상기 음극이 서로 대향하는 면 중 상기 음극의 면에 상기 제2 코팅층과 동일한 물질로 형성되는 제3 코팅층이 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 양극활물질층은 LiCoO2를 포함하는 물질로 형성될 수 있고, 상기 올리빈계 인산 리튬 화합물은 LiFePO4을 포함하는 물질로 형성될 수 있으며, 상기 올레빈계 인산 리튬 화합물은 상기 양극활물질층에 포함된 양극활물질 대비 1 내지 5 wt% 포함될 수 있다. 이때, 상기 제1 코팅층의 두께는 1 내지 10 ㎛의 범위로 형성될 수 있는데, 상기 제1 및 제2 코팅층의 총두께는 3 내지 12 ㎛의 범위로 형 성될 수 있다.
한편, 상기 제2 코팅층은 상기 세라믹 분말에 상기 바인더와 용매를 혼합하여 제조한 세라믹 페이스트를 코팅하여 형성될 수 있는데, 상기 세라믹 분말은 알루미나, 실리카, 지르코니아, 제올라이트, 마그네시아, 산화티탄 및 바륨산티탄을 포함하는 군에서 적어도 하나 선택될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하도록 상부가 개구된 캔, 및 상기 캔의 개구된 부분을 마감하는 캡조립체를 포함하고, 상기 전극조립체는, 양극활물질층이 형성된 양극, 음극활물질층이 형성된 음극, 상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터, 및 상기 양극이 상기 음극과 대향하는 면 중 상기 양극 쪽에 코팅 형성된 절연코팅층을 포함하고, 상기 절연코팅층은 상기 양극활물질층 상에 코팅 형성되고 올리빈계(olivine-type) 인산 리튬 화합물을 포함하는 제1 코팅층, 및 상기 제1 코팅층 상에 코팅 형성되고 세라믹 분말 및 바인더를 포함하여 이루어지는 제2 코팅층을 포함한다. 이때, 상기 올리빈계 인산 리튬 화합물은 LiFePO4을 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
본 발명은 양극활물질층 상에 올리빈계 인산 리튬 화합물로 이루어지는 제1 코팅층을 코팅 형성하므로 열적안전성이 향상되므로 단열과충전 특성이 현저히 향상된다.
또한, 본 발명은 제1 코팅층 상에 세라믹 물질로 이루어지는 제2 코팅층을 더욱 코팅형성하므로 내부단락에 대한 안전성 및 가혹한 환경에서의 관통특성이 개 선된다.
또한, 본 발명은 단열과충전 특성 및 내부단락에 대한 안전성을 확보하고 세라믹물질을 전극에 코팅하므로 이차전지의 수명특성이 향상된다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어 들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에서의 A 영역에 대한 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 캔(100), 캔(100)에 수용되고 양극활물질층(213) 상에 형성된 절연코팅층(215)을 포함하는 전극조립체(200) 및 캔(100)의 개구된 부분을 밀봉하는 캡조립체(300)를 포함하여 이루어진다. 한편, 도면에서는 각형 이차전지를 도시하였으나 이는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명은 각형 이차전지에 한정되지 않는다.
캔(100)은 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재료로 형성될 수 있으며, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 그러나 캔(100)의 형상은 이에 한정되지 않는다. 캔(100)은 그 일면이 개구된 상단개구부(101)를 포함하며, 상단개구부(101)를 통해 전극조립체(200)가 수납된다.
캡조립체(300)는 전극단자(330), 캡플레이트(340), 절연플레이트(350) 및 터미널플레이트(360)를 포함하여 구성된다. 캡조립체(300)는 별도의 절연케이스(370)에 의해 전극조립체(200)와 절연되면서 캔(100)의 상단개구부(101)에 결합되어 캔(100)을 밀봉하게 된다.
전극단자(330)는 양극(210)의 양극탭(217) 또는 음극(220)의 음극탭(227)에 연결되어 양극단자 또는 음극단자로 작용하게 된다.
캡플레이트(340)는 캔(100)의 상단개구부(101)와 상응하는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 캡플레이트(340)의 중앙에는 소정 크기의 단자통공(341)이 형성되며, 단자통공(341)에는 전극단자(330)가 삽입된다. 전극단자(330)가 단자통공(341)에 삽입될 때는 전극단자(330)와 캡플레이트(340)의 절연을 위하여 전극단자(330)의 외면에는 튜브형의 개스킷(335)이 결합되어 함께 삽입된다. 캡플레이트(340)의 일측에는 전해액 주입구(342)가 소정크기로 형성되고, 타측에는 안전벤트(미도시)가 형성될 수 있다. 안전벤트는 캡플레이트(340)의 단면 두께를 얇게 하여 일체로 형성된다. 캡조립체(300)가 캔(100)의 상단개구부(101)에 조립된 후 전해액 주입구(342)을 통하여 전해액이 주입되고 전해액 주입구(342)는 마개(343)에 의하여 밀폐된다.
전극조립체(200)는 젤리-롤(Jelly-roll) 형태로 권취되는 양극(210), 음극(220), 양극(210) 상에 코팅 형성되는 절연코팅층(215) 및 양극(210)과 음극(220) 사이에 개재되어 함께 권취되는 세퍼레이터(230)를 포함한다. 한편, 도시된 바와 같이 전극조립체(200)는 음극(220) 상에 코팅 형성되는 세라믹 물질로 이루어지는 제3 코팅층(225)을 더 포함할 수 있다.
양극(210)은 알루미늄 박막으로된 양극집전체(211)와 양극집전체(211)의 양면에 코팅되는 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극활물질층(213)을 포함한다. 양극활물질층(213)은 리튬이온을 가역적으로 삽입 및 탈리하는데, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)을 포함하는 물질로 형성된다. 또한 도시하지는 않았지만, 양극집전체(211)상에는 양극활물질층(213)이 양극집전체(211)의 양면 또는 일면에 코팅되지 않은 영역인 양극무지부가 양극집전체(211)의 양끝단에 각각 형성된다. 양극무지부(미도시)에는 양극탭(217)이 구비된다. 양극탭(217)이 전극조립체(200)로부터 인출되는 부분에는 단락을 방지하기 위하여 절연테이프(218)가 감겨져 있다.
음극(220)은 박판의 구리 호일로 된 음극집전체(221)와 음극집전체(221)의 양면에 코팅된 탄소재를 주성분으로 하는 음극활물질층(223)을 포함하고 있다. 또한 도시하지는 않았지만 음극집전체(221)에는 음극활물질층(223)이 음극집전체(211)의 양면 또는 일면에 코팅되지 않은 음극무지부가 음극집전체 (221)의 양 끝단에 각각 형성된다. 음극무지부(미도시)에는 음극탭(227)이 구비된다. 음극탭(227)이 전극조립체(200)로부터 인출되는 부분에는 단락을 방지하기 위하여 절연테이프(218)가 감겨져 있다.
절연코팅층(215)은 양극(210)의 양극활물질층(213) 상에 코팅되어 형성되는데, 적어도 하나의 층으로 이루어질 수 있다. 또한, 절연코팅층(215)은 서로 다른 두 층인 제1 코팅층(215a) 및 제2 코팅층(215b)을 포함하여 이루어질 수 있다. 도 2에서 B 영역에 대한 확대원을 참고하면, 제1 코팅층(215a)은올리빈계(olivine-type) 인산 리튬 화합물을 포함하는 물질로 형성된다.
일례로, 올리빈계 인산 리튬 화합물은 LiFePO4를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 올리빈계 인산 리튬 화합물은 400℃ 이상에서도 산소가 발생되지 않는 고온안정성과 저렴한 가격이라는 강력한 장점을 가지고 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체(200)는 이러한 올리빈계 인산 리튬 화합물을 포함하는 제1 코팅층(215a)을 양극활물질층(213) 상에 코팅 형성하여 충방전의 반복에 따라 양극(210)으로부터 코발트가 용출되어 세퍼레이터(230)에 석출되어 단락을 야기하는 것을 방지할 뿐만 아니라 양극(210)의 열화를 방지하여 양극활물질의 구조적 붕괴와 관련된 열발생에 의한 이차전지의 열화를 방지할 수 있다. 따라서, 이차전지의 열적 안전성이 향상되므로 단열과충전 특성이 향상된다.
이때, 올레빈계 인산 리튬 화합물의 함량은 양극활물질층에 포함된 양극활물질 대비 1 내지 5 wt% 범위로 형성된다. 올리빈계 인산 리튬 화합물의 함량이 1 wt% 미만인 경우 양극활물질층에 코팅된 박막의 두께가 얇아져서 양극 표면의 직접 적인 열화를 방지할 수 없어서 코발트가 용출된다. 또한 올리빈계 인산 리튬 화합물의 함량이 5 wt% 이상인 경우 상대적으로 감소하여 이차전지의 용량이 감소할 수 있다.
제2 코팅층(215b)은 세라믹 분말에 바인더와 용매를 혼합하여 제조한 세라믹 페이스트를 제1 코팅층(215a) 상에 코팅하여 형성된다. 또한, 전술한 바와 같이 제2 코팅층(215b)과동일한 물질로 형성된 제3 코팅층(225)이 음극(220) 상의 양극(210)과 대향하는 면에도 더욱 형성될 수 있다.
이러한 제2 및 제3 코팅층(215b,225)은 PP, PE와 같은 올레핀계 필름 세퍼레이터와 같은 기능을 수행 할 수 있다. 이때, 제2 및 제3 코팅층(215b,225)에 포함되는 세라믹 분말은 알루미나, 실리카, 지르코니아, 제올라이트, 마그네시아, 산화티탄 및 바륨산티탄을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 1이상을 포함하여 이루어지는데, 이들의 분해온도는 1000℃ 이상이므로 이차전지를 만들었을 때 내부 단락에 대한 열적 안전성이 현저히 향상된다. 따라서, 가혹한 환경인 네일관통 등의 경우에도 내부 단락의 확대가 억제된다.
또한, 도 2에 도시된 필름상 폴리올레핀계 세퍼레이터(230)는 100℃ 이상의 고온에서 수축 또는 용융되는 문제점이 있지만, 전극(210,220)과 일체화되는 제2 및 제3 코팅층(215b,225)은 내열성이 뛰어나기 때문에 이차전지의 내부단락 발생시 온도가 100℃ 이상 상승한다 하더라도 제2 및 제3 코팅층(215b,225)은 수축하거나 녹을 염려가 전혀 없다.
PP.PE의 폴리올레핀계의 필름 세퍼레이터(230)는 내부 단락 시 초기발열에 의해 손상된 부분에 더하여 그 주변 필름이 계속 수축되거나 녹아서 필름 세퍼레이터(230)가 타서 없어지는 부분이 넓어지게 되므로 더욱 심각한 단락확대를 발생시키게 된다. 그러나, 제2 코팅층(215b,225)을 포함하는 전극(210, 220)은 내부 단락이 발생하더라도 그 부분에만 작은 손상이 있을 뿐 주변의 제 2 및 제3 코팅층(215b,225)이 수축하거나 용융되는 문제가 없기 때문에 단락 부위가 확대되는 현상으로 이어지지 않는다.
또한, 높은 공극율의 세라믹 분말를 사용함으로써 양호한 고율 충방전 특성을 가지면서 제2 및 제3 코팅층(215b,225)이 전해액을 빨리 함습하므로 전해액의 주액 속도를 향상시켜서 생산성이 뛰어난 리튬 이온 전지를 얻을 수 있게 한다. 또한 충방전 싸이클이 진행됨에 따라 극판 사이의 전해액이 분해되면서 고갈되게 되는데 함습력이 높은 제2 및 제3 코팅층(215b,225)은 주위의 전해액을 빨아들여 전극에 공급해 주기 때문에 이차전지의 수명특성도 향상된다.
이때, 제2 및 제3 코팅층(215b,225)은 PP, PE로 이루어진 필름 형식의 세퍼레이터(230)의 기능도 할 수 있지만 더 높은 안전성을 위해 폴리 올레핀계 필름 세퍼레이터(230)와 세라믹 코팅층(215)을 겸용해서 사용할 수도 있고 폴리올레핀계의 필름 세퍼레이터(230)를 제거하고 제2 및 제3 코팅층(215b,225)만 형성해 기존의 폴리 올레핀계 세퍼레이터(230)를 대체할 수도 있다. 이때, 제2 및 제3 코팅층(215b,225) 중 어느 하나나 양자 모두를 전극에 코팅 형성할 수도 있다.
한편, 제1 코팅층(215a) 및 제2 코팅층(215b)의 총 두께는 3 내지 12 ㎛의 범위로 형성될 수 있는데, 이중 제1 코팅층(215a)의 두께는 1 내지 10 ㎛의 범위로 형성될 수 있다. 제1 코팅층(215a)의 두께가 1 ㎛보다 작게 형성되면 양극(210) 표면의 열화에 의한 코발트의 용출을 방지하는 기능을 수행할 수 없고, 제1 코팅층(215a)의 두께가 10 ㎛보다 크게 형성되면, 상대적으로 제2 코팅층(215b)의 두께가 감소하여 이차전지의 열적 안전성 및 내부단락의억제가 어려워진다. 한편, 제3 코팅층의 두께는 3 내지 12 ㎛의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지는 전극에 제1 코팅층 및 제2 코팅층을 더욱 형성하므로 열적안전성이 현저히 향상되면서도 수명특성이 우수해지는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
실시예 1
실시예 1은 양극에 제1 코팅층으로서 LiFePO4를 코팅하고, 제1 코팅층 상에 제2 코팅층으로서 세라믹층을 더 코팅하고, 음극에는 아무것도 코팅하지 않은 경우이다.
실시예 2
실시예 2는 양극에 제1 코팅층으로서 LiFePO4만 코팅하고, 음극에는 제3 코팅층인 세라믹층을 코팅한 경우이다.
실시예 3
실시예 3은 양극에 제1 코팅층으로서 LiFePO4를 코팅하고, 제1 코팅층 상에 제2 코팅층으로서 세라믹층을 더 코팅하고 음극에도 제3 코팅층인 세라믹층을 코 팅한 경우이다.
비교예 1
비교예 1은 양극 및 음극에 제1 내지 제3 코팅층을 코팅하지 않은 경우이다.
비교예 2
비교예 2는 양극에 제1 코팅층인 LiFePO4만 코팅하고, 음극에는 아무것도 코팅하지 않은 경우이다.
비교예 3
비교예 3은 양극에 제2 코팅층인 세라믹층만 코팅하고, 음극에는 아무것도 코팅하지 않은 경우이다.
비교예 4
비교예 4는 양극에 아무것도 코팅하지 않고, 음극에는 제3 코팅층인 세라믹층을 코팅한 경우이다.
비교예 5
비교예 5는 양극에 제2 코팅층인 세라믹층만 코팅하고, 음극에 제3 코팅층인 세라믹층을 코팅한 경우이다.
상기 실시예 및 비교예 각각에 대하여 이하의 단열과충전 특성, 내부단락 안전성 특성, 네일관통 특성 및 수명 특성에 대하여 실험하고 각 특성 실험의 결과를 이하의 표 1에 나타내었다.
<단열과충전 특성>
각 실시예 및 비교예에 따른 5개의 이차전지를 사용하여 1C에서 12의 전압으로 단열과충전하여 전지의 상태를 측정하였다. 이차전지의 외관에 아무런 영향이 없는 경우를 L0로, 이차전지에 누액이 발생한 경우를 L1으로, 이차전지가 발화되는 경우를 L4로 표시하였다.
<내부단락 안전성 특성>
각 실시예 및 비교예에 따른 5개의 이차전지를 사용하여 세퍼레이터가 수축 또는 멜팅되는 100℃ 이상의 온도에서 발생한 내부단락의 확대 유무를 테스트하였다. 내부단락이 확대되는 경우을 NG로, 내부단락의 확대가 없는 경우를 OK로 표시하였다.
<네일관통 특성>
각 실시예 및 비교예에 따른 5개의 이차전지를 사용하여 네일핀의 관통속도를 5mm/s로, 관통되는 네일핀의 굵기를 2.5mmΦ로, 전압을 4.31V의 가혹한 환경에서 관통실험을 수행하였다. 이차전지의 외관에 아무런 영향이 없는 경우를 L0로, 이차전지에 누액이 발생한 경우를 L1으로, 이차전지가 발화되는 경우를 L4로 표시하였다.
<수명특성>
각 실시예 및 비교예에 따른 5개의 이차전지를 사용하여 1.0C/4.2V 정전류정전압(CCCV), 컷오프시간 2.5시간 충전, 1.0C/컷오프 3.0V 로방전해서 1회째 방전용량 대비 300회째의 방전용량을 %로 계산하고 평균값을 취하였다.
양극 음극 단열 과충전 내부단락 안전성 네일관통 (가혹조건) 수명특성
LiFePO4 코팅 (제1코팅층) 세라믹층코팅 (제2코팅층) 세라믹층코팅 (제3코팅층)
비교예1 X X X 5L1 NG 5L4 77.1%
비교예2 O X X 5L0 NG 3L0,2L4 79.3%
비교예3 X O X 2L1,3L4 OK 2L0,3L4 81.0%
비교예4 X X O 2L1,3L4 OK 2L0,3L4 81.6%
비교예5 X O O 3L1,2L4 OK 4L0,1L4 81.2%
실시예1 O O X 5L0 OK 5L0 86.1%
실시예2 O X O 5L0 OK 5L0 87.3%
실시예3 O O O 5L0 OK 5L0 86.5%
단열과충전 특성과 관련하여 비교예 1의 경우에는 5개의 샘플 모두 누액이 발생하였고, 비교예 3 내지 5의 경우에는 누액 및 발화가 발생하였다. 한편, 비교예 2의 경우에는 외관상 아무 변화가 없어서 단열과충전 특성이 비교적 양호하게 나타나는데, 이는 양극에 코팅된 제1 코팅층이 단열과충전 특성에 기여했기 때문이다. 반면에 실시예 1 내지 3의 경우에는 단열과충전 특성이 모두 우수하게 나타났다.
내부단락의 안전성 특성과 관련하여 비교예 1 및 2의 경우에는 내부단락의 확대가 관찰되었다. 반면에 비교예 3 내지 5와 실시예 1 내지 3의 경우에는 내부단락의 확대가 발생되지 않았다. 이는 비교예 3 내지 5와 실시예 1 내지 3의 경우에 열적 안전성이 우수한 세라믹층이 양극 또는 음극에 코팅되었기 때문이다.
네일관통 특성과 관련하여, 비교예 1 내지 5는 모두 발화 또는 누액이 발생되었지만, 실시예 1 내지 3은 외관에 아무런 이상이 발생되지 않았다. 이는 위의 단열과충전 특성에서 언급한 바와 같이 양극에 코팅된 제1 코팅층이 단열과충전 특성에 기여했기 때문이다.
수명특성과 관련하여, 비교예 1 내지 3은 77% 내지 81%의 낮은 방전용량을 나타내나 실시예 1 내지 3은 단열과충전 특성, 내부단락에 대한 안전성 및 관통 특성 등이 향상되면서 전해액의 함습성이 좋은 제2 코팅층 또는 제3 코팅층을 사용하므로 방전용량이 현저히 증가되어 86% 이상을 나타내었다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 전극조립체 및 이를 구비한 이차전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상에 해당한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에서의 A 영역에 대한 확대도이다.

Claims (13)

  1. 양극활물질층이 형성된 양극,
    음극활물질층이 형성된 음극,
    상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터, 및
    상기 양극 상에 코팅 형성된 절연코팅층을 포함하고,
    상기 절연코팅층은 적어도 하나의 층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연코팅층은 상기 양극활물질층 상에 코팅 형성되고 올리빈계(olivine-type) 인산 리튬 화합물을 포함하는 제1 코팅층, 및 상기 제1 코팅층 상에 코팅 형성되고 세라믹 분말 및 바인더를 포함하여 이루어지는 제2 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양극활물질층은 LiCoO2를 포함하는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 올리빈계 인산 리튬 화합물은 LiFePO4를 포함하는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 올레빈계 인산 리튬 화합물은 상기 양극활물질층에 포함된 양극활물질 대비 1 내지 5 wt% 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 코팅층의 두께는 1 내지 10 ㎛의 범위로 형성된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 코팅층의 총두께는 3 내지 12 ㎛의 범위로 형성된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2 코팅층은 상기 세라믹 분말에 상기 바인더와 용매를 혼합하여 제조한 세라믹 페이스트를 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 알루미나, 실리카, 지르코니아, 제올라이트, 마그네시아, 산화티탄 및 바륨산티탄을 포함하는 군에서 적어도 하나 선택되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 양극과 상기 음극이 서로 대향하는 면 중 상기 음극의 면에 제3 코팅층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3 코팅층은 상기 제2 코팅층과 동일한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 전극조립체,
    상기 전극조립체를 수용하도록 상부가 개구된 캔, 및
    상기 캔의 개구된 부분을 마감하는 캡조립체
    를 포함하고,
    상기 전극조립체는,
    양극활물질층이 형성된 양극,
    음극활물질층이 형성된 음극,
    상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터, 및
    상기 양극이 상기 음극과 대향하는 면 중 상기 양극 쪽에 코팅 형성된 절연코팅층을 포함하고,
    상기 절연코팅층은 상기 양극활물질층 상에 코팅 형성되고 올리빈계(olivine-type) 인산 리튬 화합물을 포함하는 제1 코팅층, 및 상기 제1 코팅층 상에 코팅 형성되고 세라믹 분말 및 바인더를 포함하여 이루어지는 제2 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 올리빈계 인산 리튬 화합물은 LiFePO4을 포함하는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
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