KR20120021205A - 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전지의 충방전 시 음극집전체로 사용되는 구리 또는 니켈이 이온으로 용출되는 것을 트래핑(trapping)할 수 있는 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이차 전지는 양극탭이 인출된 양극판, 음극탭이 인출된 음극판 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체; 상기 전극조립체 및 전해질을 수납하며, 밀봉부가 형성된 외장재; 상기 양극탭 및 음극탭 각각과 일측이 연결되며, 타측이 상기 외장재 외측으로 노출되는 리드탭; 및 상기 외장재의 밀봉부와 맞닿는 상기 리드탭의 일 영역에 부착되는 절연필름;를 포함하되, 상기 절연필름은 나이트릴계(nitrile) 화합물을 일정량 함유한다.
Description
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 충방전이 원활하게 이루어질 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지의 충전시에는 과충전의 문제가 발생할 수 있으므로 충전기 및 전지 자체에 각종 안전소자 및 제어회로등을 부착하여 이와 같은 과충전을 예방할 수 있도록 한다. 한편, 이차 전지에서 전자가 방출되는 방전 시에는 저전류(low current) 또는 정저항으로 전지가 계속 0V까지 방전되는 과방전이 일어날 수 있다. 이와 같은 과방전이 발생하면 전지의 전체 전압이 대략 0V에 가까워지면서 음극집전체의 금속물질이 산화되어 금속 이온으로 용출되어 전지의 노화로 인한 전지 용량이 급격하게 감소하는 현상이 발생할 수 있다.
본 발명은 음극 리드탭에 부착된 절연필름에 일정량의 나이트릴계(nitrile) 화합물을 포함하도록 하여 전지의 충방전 시 음극집전체로 사용되는 구리 또는 니켈이 이온으로 용출되는 것을 트래핑(trapping)할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 용출되는 구리 이온 또는 니켈 이온과 나이트릴계 화합물이 반응하여 생성된 착화합물이 부착되도록 하는 수단을 구비한 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 이차 전지는 양극탭이 인출된 양극판, 음극탭이 인출된 음극판 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체; 상기 전극조립체 및 전해질을 수납하며, 밀봉부가 형성된 외장재; 상기 양극탭 및 음극탭 각각과 일측이 연결되며, 타측이 상기 외장재 외측으로 노출되는 양극 리드탭 및 음극 리드탭; 및 상기 외장재의 밀봉부와 맞닿는 상기 양극 리드탭 및 음극 리드탭 각각의 일 영역에 부착되는 절연필름;를 포함하되, 상기 음극 리드탭에 부착된 절연필름은 나이트릴계(nitrile) 화합물을 일정량 함유한다.
이때, 상기 절연필름은 상기 나이트릴계 화합물을 3% 내지 10% 함유할 수 있다.
또한, 상기 전해액은 상기 나이트릴계 화합물을 3% 이하로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 나이트릴계 화합물은 숙신산니트릴(Succinonitril:SN) 또는 아니솔 나이트릴(Anisol nitrile)일 수 있다.
그리고, 상기 전극조립체는 복수개의 양극판, 복수개의 음극판 및 그 사이에 개재된 복수개의 세퍼레이터가 순차적으로 적층된 형상일 수 있다.
이때, 상기 복수개의 양극판으로부터 인출된 양극탭들 및 상기 복수개의 음극판으로부터 인출된 음극탭들 각각은 용접에 의해 하나로 묶일 수 있다.
그리고, 상기 양극탭들과 상기 양극 리드탭, 및 음극탭들과 상기 음극 리드탭은 각각 융착에 의해 연결될 수 있다.
또한, 상기 양극탭들과 상기 양극 리드탭, 및 음극탭들과 상기 음극 리드탭은 각각 일부가 겹쳐지며 융착될 수 있다.
더욱이, 상기 음극 리드탭에 부착된 절연필름은 상기 외장재 내측으로 연장되되, 상기 음극 리드탭이 융착된 상기 음극탭이 노출되는 음극탭노출부가 형성되도록 부착될 수 있다.
여기서, 상기 음극판의 기재인 음극집전체는 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면 충방전 시 음극집전체로 사용되는 구리 또는 니켈이 이온으로 용출되는 것을 트래핑(trapping)함으로써, 이차 전지가 과방전되더라도 차후의 충방전이 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 용출되는 구리 이온 또는 니켈 이온과, 나이트릴계 화합물이 반응하여 생성된 착화합물이 음극탭노출부에 부착됨으로써, 전해질 내에 부산물이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전극조립체 및 외장재를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도.
도 3은 도 2의 B부분의 저면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 방전 시 도 2의 A부분에 따른 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 방전 시 이차 전지의 음극탭노출부를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도.
도 3은 도 2의 B부분의 저면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 방전 시 도 2의 A부분에 따른 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 방전 시 이차 전지의 음극탭노출부를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도.
이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.
일반적인 이차 전지의 충ㆍ방전 동작을 살펴보면, 이차 전지의 음극에 전자가 제공되는 충전 시에는 양극 활물질로부터 음극 활물질로 리튬 이온이 이동한다. 즉, 리튬 화합물로부터 발생한 리튬 이온이 전해액 및 세퍼레이터를 통과하여 흑연에 인터칼레이션(intercalation)되어 충전이 진행된다. 이때, 충전 전압을 제어하지 않고, 계속적으로 충전이 진행되면 전압도 따라서 계속 상승하는 특성이 있다. 따라서, 충전기 및 전지 자체에 각종 안전소자 및 제어회로 등을 부착하여 이러한 과충전을 예방하고 있다.
또한, 음극을 통하여 전자가 방출되는 방전 시에는 음극 활물질에 인터칼레이션된 리튬 이온이 양극 활물질로 이동한다. 즉, 흑연으로부터 리튬 이온이 전해액 및 세퍼레이터를 통과하여 리튬 화합물로 디인터칼레이션(deintercalation)되면서 방전이 진행된다.
이러한 방전 시 전지의 전체 전압은 양극과 음극 사이의 전위차가 된다. 방전 시간이 지남에 따라 양극 자체의 전압은 일정하지만, 음극 자체의 전압은 점차 증가하게 된다. 이에 의해 양극과 음극 사이의 전위차가 거의 없어지게 되고, 이에 따라 전지의 전체 전압은 감소한다. 그리고, 저전류(low current) 또는 정저항으로 전지가 계속 0V까지 방전되는 과방전이 일어나게 된다.
이에 따라 전지의 전체 전압이 대략 0V에 가까워지면서 음극집전체의 금속물질이 산화되어 금속 이온으로 용출된다. 이와 같이, 음극집전체에서 금속 이온이 용출되면 전지 노화가 이루어져 전지 용량이 급격하게 감소함으로써, 다시 전지를 충전한다고 해도 사용하기 어렵게 되는 문제가 있다. 따라서 이차 전지에서는 특히 금속 이온의 용출 문제를 해결할 수 있는 방안이 필요하게 된다. 이하 에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위한 방안으로서 관련도면을 참조하여 본원발명을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1은 본 발명에 따른 전극조립체 및 외장재를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지는 충방전이 가능한 전극조립체(10)와, 전극조립체(10)가 전해액(40, 도 2 참조)과 함께 수납 및 밀봉되는 외장재(20)로 이루어진다. 이때, 외장재(20)로는 파우치가 이용될 수 있다.
외장재(20)는 수용부(20a)와 커버부(20b)로 구성되며, 오목하게 형성된 수용부(20a) 내부에 전극조립체(10)를 수용한다. 여기서, 수용부(20a)는 프레스 가공 등을 통해 형성될 수 있다. 그리고, 커버부(20b)는 일단이 수용부(20a)로부터 연장되도록 형성된다. 또한, 외장재(20)에는 수용부(20a)와 커버부(20b)가 겹쳐지는 둘레를 따라 밀봉부(21)가 형성될 수 있다.
이러한 외장재(20)는 통상적으로 스틸, 스테인리스 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물이 기본층으로 형성될 수 있다. 그리고, 기본층의 일측 표면에 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET:Polyethylene Terephthalate) 또는 나일론이 코팅되고, 기본층의 타측 표면에는 변성 폴리프로필렌(CPP:Cast Polypropylene)이 코팅될 수 있다. 본 발명에서는 외장재(20)의 재질을 한정하지 않는다.
전극조립체(10)는 활물질이 도포된 양극판(11) 및 음극판(13)과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터(12)가 순차적으로 복수개 적층된 상태로 형성될 수 있다. 각각의 양극판(11)에는 일측에서 연장되며, 활물질이 도포되지 않은 양극탭(11a)이 형성된다. 그리고, 각각의 음극판(13)에는 양극탭(11a)과 같은 방향이지만 타측에서 연장되며, 활물질이 도포되지 않은 음극탭(13a)이 형성된다. 이때, 적층된 양극탭들(11a) 및 음극탭들(13a)은 각각 용접에 의해 하나로 묶여질 수 있다.
이러한 양극판(11)과 음극판(13)은 이차전지의 종류에 따라 다소 차이가 있지만 통상적으로 금속 기재인 집전체에 활물질층을 도포한 후, 이를 건조하고, 롤 프레스 및 절단하여 형성한다.
양극판(11)은 도전성이 우수한 양극 집전체와, 양극 집전체의 적어도 일면에 형성되는 양극 활물질층을 구비한다. 양극 집전체로는 일반적으로 도전성이 우수한 알루미늄(Al)이 사용된다. 그리고, 양극 활물질층은 용매를 통하여 양극 활물질, 도전제 및 양극바인더가 혼합된 양극 슬러리를 양극 집전체의 적어도 일면 상에 코팅하여 형성된다.
여기서, 양극 활물질은 리튬 이차 전지의 양극 화학 반응에 참여하여 전자를 발생시키며, 도전제는 양극 활물질에서 발생한 전자를 양극 집전체로 전달할 수 있다. 또한, 양극 바인더는 양극 활물질 및 도전제를 결착시키며 양극판(11)의 기계적 강도를 유지할 수 있다.
양극 활물질로는 칼코게나이드(Chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi-xCoxO2(0<x>1) 및 LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되나, 본 발명에서 이의 재질을 한정하는 것은 아니다.
음극판(13)은 전도성 금속 박판으로 이루어지는 음극 집전체와, 음극 집전체의 적어도 일면에 코팅된 음극 활물질층을 포함한다. 음극 활물질층에는 음극 활물질 및 음극 활물질을 음극 집전체에 결착하도록 하는 음극 바인더를 포함한다.
여기서, 음극 집전체는 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)로 형성될 수 있다. 그리고, 음극 활물질로는 하드 카본(hard carbon), 소프트 카본(soft carbon) 및 흑연(graphite) 중 어느 하나를 주로 이용할 수 있으나, 본 발명에서 이의 재질을 한정하는 것은 아니다.
세퍼레이터(12)는 양극판(11) 및 음극판(13) 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 세퍼레이터(12)는 충방전 중 양극 및 음극의 전기적 쇼트를 방지하고, 리튬 이온의 이동만 가능하게 한다. 이러한 세퍼레이터(12)는 양극판(11)과 음극판(13)의 둘레 부분이 쇼트되는 현상을 방지하기 위하여 그 폭 및 길이가 양극판(11) 및 음극판(13)보다 약간 크게 형성될 수 있다.
세퍼레이터(12)는 리튬 이온의 이동이 가능하도록 미세 다공성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어 세퍼레이터(12)는 다수의 미세 통공을 갖는 폴리에틸렌(PE:Polyethylene), 폴리프로필렌(PP:Polypropylene), 폴리오레핀계수지(Polyolefin resin) 또는 그 등가물로 형성 가능하지만, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 전해질(40, 도 2 참조)로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 세퍼레이터(12)를 겸할 수도 있다.
이러한 구성에 의하여 충전 시에는 양극판(11)의 리튬 이온이 음극판(13) 측으로 이동하고, 방전 시에는 음극판(13)의 리튬 이온이 다시 양극판(11) 측으로 이동한다. 이때, 과방전이 되면, 앞서 설명한 바와 같이, 음극집전체인 구리 또는 니켈이 이온 형태로 전해액에 용출된다. 이와 같은 구리 이온 또는 니켈 이온의 용출은 전지에 손상을 일으켜 과방전 이후의 충방전을 제대로 진행할 수 없게 된다.
이를 방지하기 위하여, 전해액(40, 도 2 참조)에 나이트릴계 화합물 등과 같은 리간드가 첨가될 수 있다. 예컨대, 상기 나이트릴계 화합물은 숙신산니트릴 또는 아니솔 나이트릴일 수 있다. 예컨대, 본 실시예에 따른 리간드는 상기 전극탭들의 적어도 하나의 중심 금속 원자와 결합하여 배위 착화합물 (coordination complex)을 형성할 수 있는 이온 또는 분자를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 리간드는 나이트릴계 화합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 리간드가 나이트릴계 화합물일 경우, 상기 나이트릴계 화합물은 구리 이온 또는 니켈 이온의 용출을 어렵게 할 수 있다. 그러나, 나이트릴계 화합물은 음극집전체로부터 용출된 일부의 구리 이온 또는 니켈 이온과 반응하여 착화합물을 형성한다. 이러한 착화합물은 음극판(13)의 표면에 부산물을 만들며, 이는 전지의 충방전 시 리튬 이온이 원활하게 이동하지 못하게 되는 원인이 될 수 있다.
또한, 나이트릴계 화합물은 양극판(11)의 저항을 상승시키며, 나이트릴계 화합물 자체가 분해되면서 전지 내부에 가스가 발생할 수 있다. 이에 의해 전지가 부풀어오르는 스웰링(swelling) 등의 여러 가지 부작용이 발생할 수 있다.
이처럼 구리 이온 또는 니켈 이온의 용출을 억제하기 위한 나이트릴계 화합물은 필수적이다. 하지만, 앞서 설명한 바와 같이 나이트릴계 화합물은 전지에 다양한 문제를 일으키므로 전해액 내에서 그 함량을 일정량 이하로 제한하여야 한다. 그리고, 음극집전체로부터 구리 이온 또는 니켈 이온의 용출을 추가적으로 억제하기 위하여, 본 발명의 도 2 내지 도 6에서는 음극 리드탭에 부착된 절연필름에 나이트릴계 화합물이 일정량 첨가된 이차 전지를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2의 B부분의 저면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 전극조립체(10), 외장재(20), 리드탭(11b, 13b) 및 절연필름(31, 32)을 포함한다.
전극조립체(10)는 양극탭(11a)이 인출된 양극판(11), 음극탭(13a)이 인출된 음극판(13) 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터(12)가 복수개 적층될 수 있다. 이때, 복수개의 양극탭(11a) 및 복수개의 음극탭(13a)은 각각 용접에 의해 하나로 묶인 상태로, 양극 리드탭(31) 및 음극 리드탭(32)과 접합된다.
그리고, 외장재(20)는 파우치로 형성될 수 있으며, 전극조립체(10) 및 전해질(40)을 수납한다. 이러한 외장재(20)는 수용부(20a)와 커버부(20b)로 형성되어, 수용부(20a)와 커버부(20b)가 겹쳐지는 둘레를 따라 밀봉부(21)가 형성될 수 있다.
리드탭(11b, 13b)은 양극탭(11a) 및 음극탭(13a) 각각에 연결되는 양극 리드탭(11b) 및 음극 리드탭(13b)으로 구성된다. 양극 리드탭(11b)의 일측은 양극탭(11a)과 연결되며, 타측은 외장재(20) 외측으로 노출된다. 마찬가지로, 음극 리드탭(13b)의 일측은 음극탭(13a)과 연결되며, 타측은 외장재(20) 외측으로 노출된다. 이때, 양극탭(11a)과 양극 리드탭(11b) 및 음극탭(13a)과 음극 리드탭(13b)은 각각 융착에 의하여 접합될 수 있다. 그리고, 양극탭(11a)과 양극 리드탭(11b), 및 음극탭(13a)과 음극 리드탭(13b)은 각각 일부가 겹쳐진 상태로 융착될 수 있다.
이와 같이 양극 리드탭(11b) 및 음극 리드탭(13b)이 융착된 상태의 전극조립체(10)는 외장재(20)의 수용부(20a)에 수납된다. 이후, 외장재(20)의 수용부(20a)와 커버부(20b)의 둘레인 밀봉부(21)를 따라 밀봉된다. 여기서, 외장재(20)의 내면에는 열접착성 수지(미도시)가 코팅될 수 있으며, 가열, 가압에 의하여 열접착성 수지가 상호 융착되어 밀봉될 수 있다.
그리고, 외장재(20)의 밀봉부(21)와 맞닿는 양극 리드탭(11b) 및 음극 리드탭(13b)에는 외장재(20)와의 밀봉도를 높이는 동시에 전기적 절연 상태를 확보하기 위한 절연필름(31, 32)이 부착되어 있다.
상기 절연필름들(31, 32)는 양극 리드탭(11b)의 일부 및 음극 리드탭(13b)의 일부에 부착되고, 부착된 부분은 상기 외장재(20)의 밀봉부(21)와 맞닿아, 상기 외장재의 밀봉성을 향상시키고 전기적인 절연상태를 확고하게 할 수 있다. 본 발명에 실시예에 있어서, 상기 절연필름들(31, 32)의 적어도 하나는 상기 전해액과 접촉하기 전의 제1 금속의 이온과 착화합물을 형성할 수 있는 리간드를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 절연필름(31, 32)의 적어도 하나는 3% 내지 10%의 리간드를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 절연필름(31, 32)의 적어도 하나는 4% 내지 6%의 리간드를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 금속은 구리 또는 니켈 중 적어도 하나일 수 있다.
절연필름(31, 32)은 양극 리드탭(11b)에 부착되는 제1 절연필름(31) 및 음극 리드탭(13b)에 부착되는 제2 절연필름(32)으로 구성된다. 이 중, 양극 리드탭(11b)에 부착된 제1 절연필름(31)은 외장재(20)의 밀봉부(21)와 맞닿는 영역에만 형성될 수 있다. 그리고, 음극 리드탭(13b)에 부착된 제2 절연필름(32)은 외장재(20)의 밀봉부(21)와 맞닿는 영역 및 외장재(20) 내측으로 더 연장되어 부착될 수 있다. 이때, 제2 절연필름(32)은 음극 리드탭(13b)에 융착된 음극탭(13a)이 노출되는 음극탭노출부(14)가 형성되도록 부착될 수 있다. 예컨대, 상기 절연필름들 (31, 32)은 폴리이미드 (polyimide; PI), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 제2 절연필름(32)은 나이트릴계(nitrile) 화합물을 일정량 함유할 수 있다. 예컨대, 상기 나이트릴계 화합물은 코팅된 형태로 상기 절연필름들 (31, 32) 내에 포함될 수 있다. 제2 절연필름(32)이 나이트릴계(nitrile) 화합물을 함유함으로써, 음극집전체로 사용되는 구리 또는 니켈이 이온으로 용출되는 것을 트래핑(trapping)할 수 있다. 이에 의해, 이차 전지가 과방전되더라도 차후의 충방전이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.
여기서, 제2 절연필름(32)이 외장재(20) 내측으로 더 연장된 것은 나이트릴계 화합물을 포함할 수 있는 공간을 더 확보하기 위함이다. 그리고, 용출되는 구리 이온 또는 니켈 이온과, 나이트릴계 화합물이 반응하여 생성된 착화합물이 음극탭노출부(14)에 부착될 수 있다. 이에 의해, 전해질(40) 내에 부산물이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게, 제2 절연필름(32)은 나이트릴계 화합물을 3% 내지 10% 함유할 수 있다. 더욱 바람직하게, 제2 절연필름(32)은 나이트릴계 화합물을 5% 함유할 수 있다. 이때, 나이트릴계 화합물은 숙신산니트릴 또는 아니솔 나이트릴일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 절연필름(32)에 나이트릴계 화합물이 3% 미만으로 함유되는 경우, 구리 이온 또는 니켈 이온의 용출을 막는 효과를 충분히 가질 수 없다. 또한, 제2 절연필름(32)에 나이트릴계 화합물이 10%를 초과하여 함유되는 경우에는, 저항이 증가되어 전해액(40)의 함유 가능 리튬 이온 농도나 리튬 이온 이동도 등 특성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.
또한, 전해액(40)은 3% 이하의 나이트릴계 화합물을 더 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 전해액(40)에 포함된 나이트릴계 화합물은 전지 내부에 가스를 발생시키는 등의 부정적인 영향을 미치므로, 3%를 초과하여 첨가하지 않는 것이 바람직하다. 상기 전극 리드탭들의 하나에 부착된 절연필름에 상기 리간드를 제공함으로써, 상기 전해액 내의 리간드의 함량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 상기 전해액 내에 존재하는 리간드가 감소될 수 있다는 것과 관련한 문제들이 있다. 예컨대, 상기 음극 리드탭의 주변의 절연필름 내에 나이트릴계 화합물 등과 같은 리간드를 제공함으로써, 상기 리간드는 상기 음극 리드탭의 금속이온들과 착화합물을 형성할 수 있도록 위치된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 방전 시 도 2의 A부분에 따른 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 방전 시 이차 전지의 음극탭노출부를 나타내는 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 절연필름(32)은 나이트릴계 화합물을 함유하며, 음극탭노출부(14)가 형성될 수 있다. 전지 반응은 기본적으로 양극 활물질층과 음극 활물질층의 환원 전위차에 의해 이루어지는 것이지만, 전해액(40) 및 첨가제 등의 특성에 많은 영향을 받을 수 있다. 이에 의해 전지의 방전 시 구리 이온 또는 니켈 이온의 용출을 어렵게 하도록 나이트릴계 화합물을 함유한 제2 절연필름(32)을 형성한다.
제2 절연필름(32)의 나이트릴계 화합물은 음극탭노출부(14)로부터 용출되는 일부의 구리 이온 또는 니켈 이온과 반응하여 착화합물(50)을 생성한다. 이때, 착화합물(50)은 구리 이온 또는 니켈 이온을 나이트릴계 화합물이 캡슐레이션(Capsulation)한 상태로 형성될 수 있다. 이처럼 캡슐레이션된 구리 이온 또는 니켈 이온은 음극탭노출부(14)에 부착되어, 음극탭노출부(14)에 막을 형성시킬 수 있다. 이에 의해 음극탭노출부(14)에 형성된 막에 의하여, 구리 이온 또는 니켈 이온이 용출되는 것을 트래핑할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 나이트릴계 화합물이 숙신산니트릴(SN)이고, 음극판의 음극집전체로 구리가 사용된 경우, 구리 이온(Cu2 +)을 숙신산니트릴(SN)이 캡슐레이션할 수 있다. 그리고 숙신산니트릴(SN)에 의해 캡슐레이션된 구리 이온(Cu2 +)은 음극탭노출부(14)에 부착되며 물리적 막을 형성하여, 더 이상의 구리 이온(Cu2 +)이 용출되는 것을 트래핑할 수 있다.
또한, 전해질(40)은 3% 이하의 나이트릴계 화합물을 함유할 수 있다. 이에 의해 음극판(13)으로부터 전해질로 용출되는 일부의 구리 이온 또는 니켈 이온이 전해질 내에서 이온 상태로 존재하는 것을 방지할 수 있다. 이처럼 전해액(40) 내에는 최소한의 나이트릴계 화합물을 함유할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 나타내는 사시도이다.
도 6의 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 설명함에 있어 본 발명의 일 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 제1 절연필름(31')과 제2 절연필름(32')의 형태가 동일하다. 즉, 양극 리드탭(11b) 및 음극 리드탭(13b) 각각에 부착된 제1 절연필름(31') 및 제2 절연필름(32')은 외장재(20)의 밀봉부(21)와 맞닿는 영역에만 형성될 수 있다.
일 실시예와 마찬가지로, 이 경우에도 제2 절연필름(32)은 일정량의 나이트릴계 화합물을 포함할 수 있다. 이에 의해 전지의 방전 시 음극탭노출부(14')로부터 용출되는 구리 이온 또는 니켈 이온이 나이트릴계 화합물과 반응하여 착화합물을 형성할 수 있다. 그리고, 이러한 착화합물은 음극탭노출부(14')에 부착되며, 음극탭노출부(14')에 물리적 막을 형성하여, 구리 이온 또는 니켈 이온이 용출되는 것을 방지할 수 있다.
다만, 본 실시예의 제2 절연필름(32')은 일 실시예의 제2 절연테이프(32)보다 적은 양의 나이트릴계 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
10 : 전극조립체 11 : 양극판
11a : 양극탭 12 : 세퍼레이터
13 : 음극판 13a : 음극탭
14, 14' : 음극탭노출부 20 : 외장재
21 : 밀봉부 31, 31' : 제1 절연테이프
32, 32' : 제2 절연테이프 40 : 전해질
50 : 착화합물
11a : 양극탭 12 : 세퍼레이터
13 : 음극판 13a : 음극탭
14, 14' : 음극탭노출부 20 : 외장재
21 : 밀봉부 31, 31' : 제1 절연테이프
32, 32' : 제2 절연테이프 40 : 전해질
50 : 착화합물
Claims (19)
- 양극탭을 구비한 양극판, 음극탭을 구비한 음극판 및 상기 극판들 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체;
상기 전극 조립체를 수납하도록 구성된 외장재;
전해액;
상기 양극탭과 접합된 양극 리드탭;
상기 음극판은 제1 금속을 포함하고, 상기 음극탭과 접합된 음극 리드탭; 및
상기 양극 리드탭 및 음극 리드탭의 접합된 부분의 적어도 일부에 부착되는 절연필름;을 포함하고,
상기 절연필름은 상기 제1 금속의 이온과 착화합물 (complex)을 형성할 수 있는 리간드를 포함하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 음극 리드탭에 부착된 절연필름은 3% 내지 10%의 리간드를 포함하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해액은 3% 이하의 리간드를 포함하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 리간드는 나이트릴계 (nitrile) 화합물을 포함하는 이차 전지. - 제4항에 있어서,
상기 나이트릴계 화합물은 숙시노나이트릴 (succinonitrile) 및 아니솔 나이트릴 (anisol nitrile)중 적어도 하나인 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전극조립체는 복수개의 양극판, 복수개의 음극판 및 그 사이에 개재된 복수개의 세퍼레이터가 순차적으로 적층된 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 양극판들에서 인출된 양극탭들 및 상기 음극판들에서 인출된 음극탭들은 용접에 의해 함께 묶여지는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 양극탭들 및 음극탭들은 각각 양극 리드탭 및 음극 리드탭과 융착에 의하여 접합되는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 양극탭들과 상기 양극 리드탭, 및 음극탭들과 상기 음극 리드탭은 각각 일부가 겹쳐지며 융착되는 이차 전지. - 제9항에 있어서,
상기 외장재 내측으로 연장되는 음극 리드탭에 부착된 절연필름은 상기 음극 리드탭과 융착된 음극탭들이 노출되는 부분인 음극탭노출부를 형성시키는 이차 전지. - 제10항에 있어서,
상기 음극탭노출부는 상기 제1 금속의 이온과 리간드의 착화합물을 포함하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 음극 리드탭에 부착된 절연필름은 외장재의 내측으로 연장되되 상기 음극 리드탭과 융착된 음극탭들이 노출되는 음극탭노출부가 형성되도록 부착되는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속은 구리 또는 니켈 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 세퍼레이터는 폴리에틸렌 (PE: Polyethylene), 폴리프로필렌 (PP: Polypropylene), 폴리오레핀계수지 (Polyolefin resin) 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해액은 고체 전해질 폴리머를 포함하는 이차 전지. - 제15항에 있어서,
상기 고체 전해질 폴리머는 세퍼레이터로서 작용하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 외장재는 상기 외장재의 가장자리에 구비되는 밀봉부를 포함하고, 상기 절연필름들이 부착되는 음극 리드탭과 양극 리드탭의 일부는 상기 밀봉부와 맞닿는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 양극 및 음극 리드탭들은 상기 외장재의 외측으로 노출되는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 절연필름은 상기 제1 금속의 이온과 리간드의 착화합물을 포함하는 이차 전지.
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