KR20110083894A - 내부 단락을 방지할 수 있는 구조의 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 라미네이트 시트의 전지케이스에 장착되어 있는 이차전지로서, 전극 탭의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위한 전기절연성의 열수축성 부재가 전극조립체의 상단부를 감싸고 있는 것으로 구성된 이차전지를 제공한다.
Description
본 발명은 내부 단락을 방지할 수 있는 구조의 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 라미네이트 시트의 전지케이스에 장착되어 있는 이차전지로서, 전극 탭의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위한 전기절연성의 열수축성 부재가 전극조립체의 상단부를 감싸고 있는 것으로 구성된 이차전지에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
모바일 기기들이 경박화되어 감에 따라 그에 사용되는 전지셀들 역시 더욱 가볍고 얇은 구조가 요구되고 있다. 또한, 중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 전지셀이 요구되어 있다.
이러한 측면에서, 각형 전지, 파우치형 전지 등의 사용량이 최근 증가하고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
이러한 파우치형 전지는 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체가 라미네이트 시트의 전지케이스에 장착되는 형태로 제조되는데, 상부 공간 효율 증대를 위해 전극 탭을 V-포밍(forming) 하여 전극 리드에 연결하게 된다.
도 1에는 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 전극조립체(300), 전극조립체(300)로부터 연장되어 있는 다수의 전극 탭들(302, 304), 전극 탭들(302, 304)에 용접되어 있는 전극 리드(400, 410), 및 전극조립체(300)를 수용하는 케이스(200)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(300)는 양극과 음극 사이에 개재되어 이들을 상호 절연시키는 분리막이 양극/분리막/음극 순서로 적층되어 있는 구조물이다. 전극 탭들(302, 304)은 전극조립체(300)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극 리드(400, 410)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(302, 304)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 케이스(200)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 케이스(200)는 전극조립체(300)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(300)의 경우, 다수의 양극 탭들(302)과 다수의 음극 탭들(304)이 전극 리드(400, 410)에 함께 결합될 수 있도록, 케이스(200) 내부 상단은 전극조립체(300)로부터 이격되어 있다.
도 2에는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극 리드에 연결되어 있는 케이스 내부 상단의 부분 확대도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(300)의 양극 집전체(310)로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 양극 탭들(302)은, 예를 들어, 용접에 의해 일체로 결합된 융착부(322)의 형태로 양극 리드(400)에 연결된다. 그러한 양극 리드(400)는 양극 탭 융착부(322)가 연결되어 있는 대향 단부(402)가 노출된 상태로 전지케이스(200)에 의해 밀봉된다. 다수의 양극 탭들(302)이 일체로 결합되어 융착부(322)를 형성함으로 인해, 전지케이스(200)의 내부 상단은 전극조립체(300)의 상단면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 있고, 융착부(322)의 양극 탭들(302)은 V자 형상을 이룬다.
따라서, 전지가 그것의 상단, 즉 양극 리드(400) 쪽으로 낙하되거나 전지의 상단에 물리적인 외력이 가해지는 경우에, 전극조립체(300)가 케이스(200)의 내면 상단으로 이동되거나 또는 상단이 짓눌려져서, 전극조립체(300)의 음극 집전판이 양극 탭(302) 또는 양극 리드(400)와 접촉되어 내부 단락을 유발할 수 있다. 이러한 내부 단락은, 특히, 융착부(322) 하부의 일부 양극 탭들이 전극조립체(300)의 최외각에 위치하는 음극과 접촉하면서 유발된다.
상기와 같이, 가장 빈번하게 발생하는 양극 리드와 전극조립체의 최외각 전극의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위하여, 일본 공개특허출원 제2003-257496호에서는 전극조립체의 최외층의 전극에 백 코트층을 형성하는 기술을 제시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 전극조립체를 제조한 뒤 최외층 전극에 백 코트층을 형성하거나 백 코트층이 형성된 별도의 전극으로 최외층을 구성해야 하므로 작업공정이 복잡하고, 코팅층의 형성에 의해 전지의 작동 효율이 저하되는 등의 단점을 가지고 있다.
또한, 한국 공개특허출원 제2007-0108578호에서는 전극조립체 중 최외각 전극의 외면에 상기 전극조립체를 구성하는 분리막과 동일한 분리막을 부착하여 낙하시 양극 리드와 최외각에 위치하는 음극이 접촉함으로써 발생하는 내부 단락을 별도의 추가공정 없이 전극조립체를 구성하는 분리막을 사용하여 방지함으로써, 전지의 성능을 유지하면서 안전성을 확보할 수 있는 기술을 제시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 고온에서 분리막이 변형될 수 있고, 양극 리드가 분리막을 뚫을 경우 단락을 방지하지 못한다는 등의 단점을 가지고 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 낙하시 빈번하게 발생하는 전극 리드와 전극조립체에서 최외각에 위치하는 전극이 접촉함으로써 발생하는 내부 단락뿐만 아니라, 이물 혼입에 의한 단락도 간단한 구성에 의해 방지하여, 전지의 성능을 유지하면서 안전성을 한층 더 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 라미네이트 시트의 전지케이스에 장착되어 있는 이차전지로서, 전극 탭의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위한 전기절연성의 열수축성 부재가 전극조립체의 상단부를 감싸고 있는 것으로 구성되어 있다.
상기와 같은 전극조립체가 라미네이트 시트의 전지케이스에 장착되는 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 상부 공간 효율 증대를 위해 전극 탭을 V-포밍(forming) 하여 전극 리드에 연결하게 된다. 이 과정에서 충격, 낙하 등의 원인으로 전극과 전극조립체의 최외각을 구성하는 전극 사이에 단락이 일어날 수 있는데, 전극조립체의 최외각을 구성하는 전극은 양극 또는 음극일 수 있으며, 일반적으로는 양극과 음극간 전지 설계 밸런스, 특히 안전성의 이유로 음극으로 구성한다.
또한, 일반적으로 전극조립체에 있어서, 음극보다 분리막의 크기를 더 크게 하여 단락의 위험을 1차적으로 방지하고 있다. 그러나, 양극 리드가 분리막을 파고들 경우에도 단락을 방지할 수 있도록, 본 발명의 이차전지는 전극조립체의 상단부를 전기절연성의 열수축성 부재로 감싸는 구성에 의해, 전지의 성능은 최대한 유지하면서도, 낙하 등의 외부 충격에 의한 단락도 방지할 뿐만 아니라, 이물 혼입에 의한 단락도 방지할 수 있는 장점을 가진다.
더욱이, 전극조립체의 상단 부분을 전기절연성의 열수축성 부재로 감싸는 구조는, 전극조립체 내부에서 전극판들이 정위치에서 이탈되거나 또는 전극판들 사이의 간격이 벌어지는 것을 억제하는 기능도 발휘한다. 즉, 전지의 제조 과정 또는 사용 중에 일부 전극판이 정위치로부터 이탈되면 단락이 유발될 수 있고 전지의 제조과정에서 취급이 용이하지 않을 수 있는 바, 상기와 같은 장착 구조의 열수축성 부재에 의해 전극판들을 정위치에 고정시킴으로써 단락 방지와 취급 용이성의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 전지는 계속적인 충방전 과정에서 전극판들 사이의 간격이 벌어지면서 내부 저항이 증가하여 작동 성능이 저하되는 경향이 있는 바, 전극조립체의 상단부에 장착된 열수축성 부재는 이러한 문제점을 해소하여 준다.
본 발명에서 전지케이스를 구성하는 상기 라미네이트 시트는, 예를 들어, 금속층과 수지층을 포함하는 파우치형 구조일 수 있으며, 하나의 구체적인 예에서, 내후성을 가진 고분자 수지로 이루어진 외층, 기체와 액체에 대해 차단성을 가진 금속층, 및 열융착성을 가진 고분자 수지로 이루어진 내층을 포함하는 구조일 수 잇다.
상기 라미네이트 시트는 바람직하게는 금속층이 알루미늄으로 이루어진 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있으며, 이러한 알루미늄 라미네이트 시트를 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 장점을 가진다.
상기 외층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 내층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식 되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어질 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 라미네이트 시트는, 외층의 두께가 5 내지 40 ㎛이고, 상기 금속층의 두께가 20 내지 150 ㎛이며, 내층의 두께가 10 내지 50 ㎛일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전기절연성의 열수축성 부재는 70 내지 120℃에서 수축이 일어나는 것이 바람직하다. 너무 낮은 온도에서 수축성을 나타내면 지나치게 민간한 열수축으로 인해 전지 제조 공정상에서 취급이 용이하지 않은 단점이 있고, 너무 높은 온도에서 수축성을 나타내면 열수축을 위한 공정에서 전극조립체가 열에 의해 손상을 받을 수 있기 때문이다. 더욱 바람직한 열수축 온도 범위는 80 내지 100℃일 수 있다.
상기 전기절연성의 열수축성 부재는 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하면서 절연성을 가진 소재라면 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 배향 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌 프로필렌 고무, 이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 스티렌 부타디엔 고무, 니트릴 부타디엔 고무, 테플론 등이 사용될 수 있고, 이들은 하나 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 이 중에서도 상기 조건 등을 고려할 때, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 배향 폴리스티렌, 및 폴리염화비닐로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것이 바람직하다. 상기에서 폴리염화비닐의 경우, 소각시 다이옥신이 방출되어 환경 오염 문제가 발생할 수 있고, 배향 폴리스티렌의 경우 가공 후 자연 수축이 일어나는 문제가 있으므로, 분리막과의 친화성, 친환경성, 비용 측면 등을 고려할 때 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 더욱 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전기절연성의 열수축성 부재는 전극조립체의 측면 상단과 상단 외주면을 동시에 감싸고 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 전기절연성의 열수축성 부재가 전극조립체의 높이를 기준으로 5 내지 30%의 크기에 대응하는 전극조립체의 측면 상단을 감싸는 구조가 바람직하다. 열수축성 부재가 지나치게 작은 크기로 전극조립체의 측면 상단을 감싸고 있는 구조는, 전극 탭이 측면부에 닿아 단락을 발생시키는 것을 방지하기 어려울 뿐만 아니라, 전지의 제조 공정에서의 취급 과정 또는 전지의 사용 중에 전극조립체로부터 열수축성 부재가 이탈될 가능성이 있다. 반면에, 열수축성 부재가 지나치게 큰 크기로 전극조립체의 측면 상단을 감싸고 있는 구조는 전지의 제조 비용과 작동 효율 측면에서 효율적이지 못하다. 이러한 이유로 10 내지 15%의 크기에 대응하는 전극조립체의 측면 상단을 감싸는 구조가 더욱 바람직하다.
또한, 상기 전기절연성의 열수축성 부재가 전극조립체의 상단 폭을 기준으로 20 내지 50%의 크기에 대응하는 전극조립체의 상단 외주면을 감싸고 있는 구조가 바람직하다. 열수축성 부재가 지나치게 작은 크기로 전극조립체의 상단 외주면을 감싸고 있는 구조는, 앞서 설명한 바와 마찬가지로 소망하는 단락 방지의 기능을 발휘하기 어려울 뿐만 아니라 뿐만 아니라 이탈될 가능성이 있다. 반면에, 열수축성 부재가 지나치게 큰 크기로 전극조립체의 상단 외주면을 감싸고 있는 구조는, 전지의 제조 과정에서 전해액의 함침을 방해하여 전지의 생산성 저하를 초래할 수 있다. 이러한 이유로 상단 폭을 기준으로 20 내지 35%의 크기에 대응하는 전극조립체의 상단 외주면을 감싸고 있는 구조가 더욱 바람직하다.
전기절연성의 열수축성 부재는 다양한 형태로 전극조립체의 상단부에 장착될 수 있는 바, 예를 들어, 전기절연성의 열수축성 부재가 전기절연성의 열수축성 필름으로 이루어져 있고, 이러한 열수축성 필름의 소정의 잉여부가 전극조립체의 상단으로 돌출되도록 전극조립체의 측면 상단을 감싸면서 부착된 후, 열처리에 의해 상기 잉여부가 수축되면서 전극조립체의 상단 외주면을 감싸는 형태일 수 있다.
또 다른 예로서, 전기절연성의 열수축성 부재가 전기절연성의 열수축성 튜브로 이루어져 있고, 이러한 열수축성 튜브의 소정의 잉여부가 전극조립체의 상단으로 돌출되도록 전극조립체의 측면 상단을 감싸면서 삽입된 후, 열처리에 의해 상기 잉여부가 수축되면서 전극조립체의 상단 외주면을 감싸는 것을 들 수 있다.
상기 전극조립체의 상단으로 돌출된 잉여부는 전기절연성의 열수축성 필름 또는 튜브의 높이를 기준으로 20 내지 50%인 것이 바람직하고, 25 내지 45%인 것이 더욱 바람직하다. 상기 돌출된 잉여부의 비율이 지나치게 작은 경우에는 상기 전극조립체의 측면부 또는 상단 외주면을 감싸는 비율이 작아져서 소망하는 효과를 발휘하기 어려울 수 있고, 반대로 지나치게 큰 경우에는 열수축 과정에서 돌출된 형상을 초래할 수 있으므로, 바람직하지 않다.
하나의 바람직한 예에서, 열수축성 부재를 전극조립체 상단부에 고정하기 위한 열수축은 80 내지 120℃의 열풍을 2 내지 20초 동안, 더욱 바람직하게는 90 내지 110℃의 열풍을 3 내지 5초 동안 열수축성 부재에 가하여 달성할 수 있다. 너무 낮은 온도와 짧은 시간의 처리는 원활한 열수축을 일으키지 못하고, 너무 높은 온도와 긴 시간의 처리는 전극조립체에 손상을 일으킬 수 있으므로 바람직하지 못하다.
상기 전극조립체는 앞서 설명한 바와 같은 단락의 위험성이 높은 구조를 가진 전극조립체로서, 예를 들어, 다수의 극판들을 분리막이 개제된 상태로 적층한 스택형 구조, 풀셀 또는 바이셀 등의 단위셀들을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 구조 등일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 이차전지는 전극조립체가 라미네이트 시트의 전지케이스에 장착되어 있는 것이라면 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.
이러한 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 바와 같이, 양극, 음극, 전해질 등으로 구성되어 있는 바, 이하에서 상술한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 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 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 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 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 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 결착제는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 결착제의 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.
음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 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 재료는, 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.
리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질용 용매와 리튬염으로 이루어져 있다. 상기 용매로는, 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 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.
경우에 따라서는 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용될 수도 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.
또한, 비수계 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), FEC(Fluoro-Ethlene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다수의 전지셀들을 포함함으로 인해 안전성이 특히 문제가 되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지모듈에 단위전지로 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등을 들 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 낙하시 빈번하게 발생하는 양극 리드와 전극조립체의 최외각에 위치하는 음극이 접촉함으로써 발생하는 내부 단락 및 이물 혼입에 의한 내부단락을, 전극조립체의 상단부를 전기절연성의 열수축성 부재로 감싸 방지함으로써, 전지의 성능을 유지하면서 안전성을 한층 더 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극 리드에 연결되어 있는 케이스 내부 상단의 부분 확대도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 수직 단면 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극 리드에 연결되어 있는 케이스 내부 상단의 부분 확대도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 수직 단면 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 개략적인 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 그것의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 우선, 양극(310)의 상단으로부터 돌출된 다수의 양극 탭들(302)은 하나의 양극 리드(400)에 초음파 융착되어 있고, 파우치형 전지케이스(도시하지 않음)의 열융착 실링 부위에 대응하는 양극 리드(400) 상에 절연성 필름(420)이 부착되어 있다. 절연성 필름(420)은 전지케이스(도시하지 않음)를 상호 열융착하여 밀봉할 때, 양극 리드(400)에 대한 절연성을 담보하면서 밀봉성을 높이는 역할을 한다. 음극 탭들(304)과 음극 리드(410) 등의 관계도 상기와 동일하다.
전극조립체(300)는 양극(310) 및 음극(320) 사이에 분리막(330)이 개재되어 있고, 최외각 전극이 음극(320)으로 구성되어 있다.
전극조립체(300)에서, 분리막(330)은 안전성 측면에서 음극(320)보다 크고, 음극(320)은 전지 설계 밸런스 측면에서 양극(310)보다 크게 구성되어 있다. 따라서, 음극(320)보다 큰 분리막(330)에 의해 단락의 위험을 1차적으로 방지할 수 있다. 그러나, 이러한 전극조립체(300)의 구성만으로는, 고온에서 분리막(330)이 열변형을 일으키는 경우 또는 양극 리드가 분리막(330)을 파고들 경우에는 단락을 방지할 수 없다.
반면에, 본 발명에서는, 전극조립체(300)의 상단부에 전기절연성 열수축 부재를 이용해 감싸는 방법으로, 최외각 음극(320)과 양극 탭(302)이 충격 등으로 인해 단락을 일으키는 문제점을 해결하고 안전성이 보다 개선된 이차전지를 제공할 수 있다.
구체적으로, 전극조립체(300)의 높이를 기준으로 5 내지 30%의 크기에 대응하는 전극조립체(300)의 측면 상단을 감싸고 있는 동시에, 전극조립체(300)의 상단면 폭을 기준으로 20 내지 50%의 크기에 대응하는 전극조립체(300)의 상단 외주면을 감싸고 있음으로써, 다양한 원인에 의해 양극 탭(302) 또는 양극 리드(400)가 절곡되어도 전기절연성의 열수축 부재(500)에 의해 음극(320)과의 접촉을 피할 수 있다.
또한, 전극조립체(300) 상단면 전체를 감싸지 않아서 전해액이 함침되는 것을 방해하지 않으며, 전극조립체(300)를 고정시킴으로써 조립시 접착제의 사용을 최소화할 수 있어 전기적 성능의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (16)
- 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 라미네이트 시트의 전지케이스에 장착되어 있는 이차전지로서, 전극 탭의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위한 전기절연성의 열수축성 부재가 전극조립체의 상단부를 감싸고 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 금속층과 수지층을 포함하는 파우치형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 2 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 내후성을 가진 고분자 수지로 이루어진 외층, 기체와 액체에 대해 차단성을 가진 금속층, 및 열융착성을 가진 고분자 수지로 이루어진 내층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열수축성 부재는 70 내지 120℃에서 수축이 일어나는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열수축성 부재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 배향 폴리스티렌, 및 폴리염화비닐로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 5 항에 있어서, 상기 열수축성 부재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열수축성 부재는 전극조립체의 측면 상단과 상단 외주면을 동시에 감싸고 있는 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 7 항에 있어서, 상기 열수축성 부재는 전극조립체의 높이를 기준으로 5 내지 30%의 크기에 대응하는 전극조립체의 측면 상단을 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 7 항에 있어서, 상기 열수축성 부재는 전극조립체의 상단 폭을 기준으로 20 내지 50%의 크기에 대응하는 전극조립체의 상단 외주면을 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열수축성 부재는, 소정의 잉여부가 전극조립체의 상단으로 돌출되도록, 열수축성 필름이 전극조립체의 측면 상단을 감싸면서 부착된 후, 열처리에 의해 상기 잉여부가 수축되면서 전극조립체의 상단 외주면을 감싸게 되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열수축성 부재는, 소정의 잉여부가 전극조립체의 상단으로 돌출되도록, 열수축성 튜브가 전극조립체의 측면 상단을 감싸면서 삽입된 후, 열처리에 의해 상기 잉여부가 수축되면서 전극조립체의 상단 외주면을 감싸게 되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 전극조립체의 상단으로부터 돌출된 상기 잉여부는 열수축성 필름 또는 열수축성 튜브의 높이를 기준으로 20 내지 50%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열수축성 부재를 80 내지 120℃의 열풍으로 3 내지 8초간 열처리하여 전극조립체를 감싸는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지모듈의 단위전지로 사용되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 15 항에 있어서, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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