KR20210077512A - 내부 단락 평가용 전지 셀 및 이를 이용한 전지 셀의 내부 단락 평가 방법 - Google Patents

내부 단락 평가용 전지 셀 및 이를 이용한 전지 셀의 내부 단락 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부 단락 평가용 전지 셀 및 이를 이용한 평가 방법에 관한 것으로, 상기 전지 셀은 전지 셀의 내부 단락 상태를 용이하게 유도하고 효과적인 내부 단락 평가가 가능하다.

Description

내부 단락 평가용 전지 셀 및 이를 이용한 전지 셀의 내부 단락 평가 방법{BATTERY CELL FOR INTERNAL SHORT CIRCUIT EVALUATION AND INTERNAL SHORT CIRCUIT EVALUATION METHOD OF THE BATTERY CELL}
본 발명은 내부 단락 평가용 전지 셀 및 이를 이용한 전지 셀의 내부 단락 평가 방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.
일반적으로, 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 전극조립체를 조립한다. 조립된 전극조립체를 전지 케이스에 장착하고, 전해액을 주입하여 전지 셀을 제조한다.
이차전지 중에서, 리튬 이차전지는 우수한 전기적 특성으로 인해 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나, 리튬 이차전지는 안전성이 낮다는 문제점이 있다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 과충전, 과방전, 고온에의 노출 또는 전기적 단락 등의 비정상적인 작동 상태에서 발화 또는 폭발되는 경우가 있다. 구체적으로는, 전지 셀의 구성요소들인 활물질 또는 전해질 등이 분해반응을 일으키면서 열과 가스가 발생한다. 발생된 열과 가스는 전지 셀 내부의 온도 및 압력을 높이게 된다. 높아진 온도와 압력은 상기 분해반응을 더욱 촉진하고, 급기야 발화 또는 폭발을 초래하기도 한다.
따라서, 전지 셀의 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하며, 그 방법 중 하나가 내부 단락이 발생했을 때 전지 셀의 안전성을 평가하는 것이다. 특히, 전지 셀의 내부 단락 발생 상황을 모사한 평가 기술에 대한 필요성이 있다.
한국 특허공개공보 제2019-0049191호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전지 셀의 내부 단락을 용이하게 유도할 수 있는 내부 단락 평가용 전지 셀 및 이를 이용한 전지 셀의 내부 단락 평가 방법을 제공한다.
본 발명은 전지 셀의 내부 단락 평가용 전지 셀을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 내부 단락 평가용 전지 셀은,
금속 집전체의 일면 또는 양면에 제1 전극 합제층이 도포된 유지부 영역, 및 상기 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되어 형성되되 제1 전극 합제층이 도포되지 않은 제1 전극 탭을 포함하되, 유지부 영역 중 일부 영역에 제1 전극 합제층이 도포되지 않은 무지부 영역이 형성된 제1 전극;
제1 전극의 무지부 영역을 커버하되, 상기 무지부 영역보다 큰 면적으로 형성된 제1 서브 분리막;
제1 전극의 무지부 영역에 대등되는 위치에 형성되되, 제1 전극의 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되도록 형성된 제1 단락 전극;
제1 및 제2 전극의 유지부 영역을 커버하도록 양 전극 사이에 개재된 메인 분리막;
상기 제1 전극의 무지부 영역에 대등되는 위치에 형성되되, 제2 전극의 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되도록 형성된 제2 단락 전극;
제2 전극의 무지부 영역을 커버하되, 상기 무지부 영역보다 큰 면적으로 형성된 제2 서브 분리막; 및
금속 집전체의 일면 또는 양면에 제2 전극 합제층이 도포된 유지부 영역, 및 상기 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되어 형성되되 제2 전극 합제층이 도포되지 않은 제2 전극 탭을 포함하되, 유지부 영역 중 일부 영역에 제2 전극 합제층이 도포되지 않은 무지부 영역이 형성된 제2 전극
을 포함한다.
구체적인 예에서, 제1 및 제2 단락 전극은 각각 다공성 금속 호일로 형성된 구조이다.
또 다른 구체적인 예에서, 제1 및 제2 단락 전극은 각각 공극율이 50%(v/v) 이상인 다공성 금속 호일로 형성된 구조이다.
하나의 예에서, 상기 내부 단락 평가용 전지 셀에서, 제1 서브 분리막은 제1 단락 전극이 제1 전극의 유지부 영역에서 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장되어 형성된 구조이고, 제2 서브 분리막은 제2 단락 전극이 제2 전극의 유지부 영역에서 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장되어 형성된 구조이다.
또 다른 하나의 예에서, 제1 및 제2 전극에서, 제1 및 제2 전극 탭은 각각 독립적으로 유지부 영역에서 일방향 또는 상기 일방향과 반대되는 방향으로 돌출된 구조이고, 제1 및 제2 단락 전극은, 상기 제1 및 제2 전극 탭이 돌출된 방향과 수직되는 타방향으로 돌출된 구조이고, 제1 및 제2 서브 분리막은 제1 및 제2 단락 전극이 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장 형성된 구조이다.
하나의 예에서, 상기 전지 셀은, 제1 전극, 메인 분리막 및 제2 전극이 순차 형성된 단위 적층체가 반복된 구조의 전극 조립체를 포함하며, 상기 단위 적층체 중 어느 하나 이상은, 제1 전극; 제1 서브 분리막; 제1 단락 전극; 메인 분리막; 제2 단락 전극; 제2 서브 분리막; 및 제2 전극이 순차 형성된 구조이다.
구체적인 예에서, 본 발명에 다른 내부 단락 평가용 전지 셀은, 상기 단위 적층체와 단위 적층체 사이에 개재된 메인 분리막을 더 포함한다.
구체적인 예에서, 제1 및 제2 서브 분리막은 필름 재질의 다공성 원단으로 형성된 원단 분리막 구조이고, 메인 분리막은 원단 분리막의 일면 또는 양면에 무기 입자가 분산 도포된 안전성 강화 분리막 구조이다.
하나의 예에서, 제1 전극의 금속 집전체와 제1 단락 전극은 동종의 재질로 형성되고, 제2 전극의 금속 집전체와 제2 단락 전극은 동종의 재질로 형성된다.
또 다른 하나의 예에서, 제1 및 제2 전극에서, 유지부 영역 중 무지무 영역이 형성된 면적 비율은 5 내지 15% 범위이다.
구체적인 예에서, 상기 전지 셀은 파우치형 리튬 이차전지이다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지 셀을 이용한 전지 셀의 내부 단락 평가 방법을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 내부 단락 평가 방법은, 전지 셀의 충방전 중, 제1 및 제2 단락 전극을 서로 전기적으로 연결한 상태에서, 제1 및 제2 서브 분리막을 제거하는 단계를 포함한다.
구체적인 예에서, 제1 및 제2 서브 분리막을 제거하는 단계는, 제1 및 제2 서브 분리막은 제1 및 제2 단락 전극이 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장 형성된 구조이고, 제1 및 제2 서브 분리막의 연장된 부분을 잡고 인출하는 과정을 통해 수행한다.
본 발명에 따른 내부 단락 평가용 전지 셀 및 이를 이용한 평가 방법은, 전지 셀의 내부 단락 상태를 용이하게 유도하고 효과적인 내부 단락 평가가 가능하다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 내부 단락 평가용 전지 셀의 분해 사시도이다.
도 2 내지 9는 발명의 하나의 실시예에 따른 내부 단락 평가용 전지 셀의 조립 순서를 나타낸 도면들이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 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.
본 발명은 내부 단락 평가용 전지 셀을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 내부 단락 평가용 전지 셀은,
금속 집전체의 일면 또는 양면에 제1 전극 합제층이 도포된 유지부 영역, 및 상기 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되어 형성되되 제1 전극 합제층이 도포되지 않은 제1 전극 탭을 포함하되, 유지부 영역 중 일부 영역에 제1 전극 합제층이 도포되지 않은 무지부 영역이 형성된 제1 전극;
제1 전극의 무지부 영역을 커버하되, 상기 무지부 영역보다 큰 면적으로 형성된 제1 서브 분리막;
제1 전극의 무지부 영역에 대등되는 위치에 형성되되, 제1 전극의 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되도록 형성된 제1 단락 전극;
제1 및 제2 전극의 유지부 영역을 커버하도록 양 전극 사이에 개재된 메인 분리막;
상기 제1 전극의 무지부 영역에 대등되는 위치에 형성되되, 제2 전극의 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되도록 형성된 제2 단락 전극;
제2 전극의 무지부 영역을 커버하되, 상기 무지부 영역보다 큰 면적으로 형성된 제2 서브 분리막; 및
금속 집전체의 일면 또는 양면에 제2 전극 합제층이 도포된 유지부 영역, 및 상기 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되어 형성되되 제2 전극 합제층이 도포되지 않은 제2 전극 탭을 포함하되, 유지부 영역 중 일부 영역에 제2 전극 합제층이 도포되지 않은 무지부 영역이 형성된 제2 전극을 포함한다.
상기 내부 단락 평가용 전지 셀은, 전지 셀의 충방전 과정에서 제1 및 제2 서브 분리막을 제거 내지 부분 인출하는 것만으로 전지 셀의 내부 단락 상태를 유도할 수 있다. 또한, 본 발명은 리튬 이차전지에서 리튬 석출된 경우를 모사함으로써, 리튬 석출에 의한 내부 단락 발생시 발열 특성을 효과적으로 평가할 수 있다.
하나의 실시예에서, 제1 및 제2 단락 전극은 각각 다공성 금속 호일로 형성된 구조이다. 본 발명에서는 제1 및 제2 단락 전극을 각각 다공성 금속 호일로 형성함으로써, 전지 셀의 충방전시 리튬 이온의 이동 통로를 제공한다. 예를 들어, 제1 전극이 양극이고, 알루미늄 호일로 형성된 구조인 경우에는, 제1 단락 전극은 다공성의 알루미늄 호일로 형성 가능하다. 또한, 제2 전극이 음극이고, 구리 호일로 형성된 구조인 경우에는, 제2 단락 전극은 다공성의 구리 호일로 형성 가능하다.
구체적인 실시예에서, 제1 및 제2 단락 전극은 각각 공극율이 50% 이상인 다공성 금속 호일로 형성된 구조이다. 상기 제1 및 제2 단락 전극은 각각 공극율이 50% 내지 80%, 50 내지 70% 또는 55 내지 65% 범위이다. 상기 공극율은 각 단락 전극의 전체 면적 대비 공극이 형성된 면적의 분율을 나타낸다. 상기 공극율의 범위는 각 단락 전극의 기계적 강도를 일정 수준 이상으로 유지하면서 리튬 이온의 원활한 이동을 위한 것이다.
또 다른 구체적인 실시예에서, 제1 서브 분리막은 제1 단락 전극이 제1 전극의 유지부 영역에서 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장되어 형성된 구조이고, 제2 서브 분리막은 제2 단락 전극이 제2 전극의 유지부 영역에서 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장되어 형성된 구조이다. 각 서브 분리막의 연장 방향을 각 단락 전극의 돌출된 방향과 반대 방향으로 제어함으로써, 각 단락 전극의 전기적 연결을 용이하게 하고, 각 서브 분리막의 제거 내지 인출을 용이하게 한다.
하나의 실시예에서, 제1 및 제2 전극에서, 제1 및 제2 전극 탭은 각각 독립적으로 유지부 영역에서 서로 동일한 일방향으로 형성되거나 서로 반대 방향으로 형성된 구조이고, 제1 및 제2 단락 전극은, 상기 제1 및 제2 전극 탭이 형성된 방향과 수직되는 방향으로 돌출되어 형성된 구조이다. 또한, 제1 및 제2 서브 분리막은 제1 및 제2 단락 전극이 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장 형성된 구조이다.
본 발명에 따른 전지 셀은, 제1 전극 탭과 제2 전극 탭이 동일 방향으로 돌출된 구조이거나 혹은 서로 반대 방향으로 형성된 구조를 포함한다. 예를 들어, 제1 전극 탭은 전방으로 돌출된 구조이고, 제2 전극 탭은 후방으로 돌출된 구조이다. 이 때, 상기 제1 및 제2 단락 전극은 좌측 또는 우측으로 돌출된 구조이다. 이러한 구조적 배치는 전지 셀에 대한 평가시 작업 용이성을 위한 것이다. 구체적으로, 상기 전지 셀은 파우치형 또는 각형 전지이며, 전지의 종류에 따라 제1 및 제2 전극 탭이 동일 방향 혹은 서로 다른 방향으로 형성된 구조일 수 있다. 이에 대해, 제1 및 제2 단락 전극의 위치를 상기 제1 및 제2 전극 탭과 수직 방향에 형성함으로써, 전지 셀에 대한 충방전과 동시에 평가를 수행할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 전지 셀은, 제1 전극, 메인 분리막 및 제2 전극이 순차 형성된 단위 적층체가 반복된 구조의 전극 조립체를 포함하며, 상기 단위 적층체 중 어느 하나 이상은, 제1 전극; 제1 서브 분리막; 제1 단락 전극; 메인 분리막; 제2 단락 전극; 제2 서브 분리막; 및 제2 전극이 순차 형성된 구조이다. 본 발명에 따른 전지 셀은 단위 적층체가 다수 반복된 구조의 전극 조립체를 포함한다. 여기서, 전극 조립체를 형성하는 단위 적층체 중 하나 이상은 내부 단락의 유도 및 평가를 수행하기 위한 구조이다. 이러한 내부 단락의 유도 및 평가를 수행하기 위한 구조는, 제1 전극; 제1 서브 분리막; 제1 단락 전극; 메인 분리막; 제2 단락 전극; 제2 서브 분리막; 및 제2 전극이 순차 형성된 단위 적층체를 의미한다.
구체적인 실시예에서, 상기 단위 적층체와 단위 적층체 사이에 개재된 메인 분리막을 더 포함한다. 본 발명에 따른 전지 셀은 단위 적층체가 다수 반복된 구조의 전극 조립체를 포함하며, 각 단위 적층체 사이의 전기적 절연을 위하여 별도의 분리막이 요구된다.
보다 구체적인 실시예에서, 제1 및 제2 서브 분리막은 필름 재질의 다공성 원단으로 형성된 원단 분리막 구조이고, 메인 분리막은 원단 분리막의 일면 또는 양면에 무기 입자가 분산 도포된 안전성 강화 분리막 구조이다. 원단 분리막은 리튬 이온의 이동을 위한 다공 구조가 형성된 필름 재질의 분리막을 의미하고, 상기 안전성 강화 분리막은 원단 분리막의 표면에 무기 입자를 분산 도포시킨 형태를 의미한다.
하나의 실시예에서, 제1 전극의 금속 집전체와 제1 단락 전극은 동종의 재질로 형성되고, 제2 전극의 금속 집전체와 제2 단락 전극은 동종의 재질로 형성된 구조이다. 예를 들어, 제1 전극이 양극이고, 알루미늄 또는 그 합금으로 형성된 호일인 경우에는, 제1 단락 전극은 알루미늄 또는 그 합금으로 형성되되 다공성인 형태이다. 또한, 제2 전극이 음극이고, 구리 또는 그 합금으로 형성된 호일인 경우에는, 제2 단락 전극은 구리 또는 그 합금으로 형성되되 다공성인 형태이다.
또 다른 하나의 실시예에서, 제1 및 제2 전극에서, 유지부 영역 중 무지무 영역이 형성된 면적 비율은 5 내지 15% 범위이다. 구체적으로, 유지부 영역 중 무지무 영역이 형성된 면적 비율은 5 내지 10%, 10 내지 15% 또는 7 내지 12% 범위이다. 본 발명에서, 유지부 영역은, 전극 집전체에서 전극 탭 부분을 제외한 영역을 의미하며, 전극 합제층이 도포된 범위에 대응한다. 무지부 영역은 유지부 영역 중 일부에 합제층을 도포하지 않은 영역을 의미한다. 또한, 유지부 영역 중 무지무 영역이 형성된 면적 비율은, 앞서 설명한 유지부 영역 중에서 무지부 영역이 형성된 면적 비율을 의미한다.
상기 전지 셀은 이차전지이며, 구체적으로는 리튬 이차전지이고, 그 형태는 파우치형 또는 각형 전지이다. 예를 들어, 상기 전지 셀은 파우치형 리튬 이차전지이다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지 셀을 이용한 전지 셀의 내부 단락 평가 방법을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 내부 단락 평가 방법은, 전지 셀의 충방전 중, 제1 및 제2 단락 전극을 서로 전기적으로 연결한 상태에서, 제1 및 제2 서브 분리막을 제거하는 단계를 포함한다.
여기서, 제1 및 제2 서브 분리막을 제거한다는 것은, 제1 및 제2 서브 분리막의 연장된 부위를 인출함으로써, 전지 셀 내부에 단락이 유도되는 과정을 총칭한다. 본 발명에 따른 평가 방법은, 전지 셀의 충방전 과정에서 제1 및 제2 서브 분리막을 제거 내지 부분 인출하는 것만으로 전지 셀의 내부 단락 상태를 유도할 수 있다.
본 발명에 따른 전지 셀의 내부 단락 평가 방법은, 앞서 설명한 바와 같이 전지 셀의 내부 단락을 유도한 상태에서 전지 셀에 대한 평가를 수행하는 단계를 포함한다. 상기 평가를 수행하는 단계는 전지 셀에 대한 전압, 전류 및 저항 중 어느 하나 이상을 측정함으로써 수행 가능하다. 예를 들어, 상기 평가를 수행하는 단계는 전지 셀에 대한 전류를 측정함으로써 수행한다.
하나의 실시예에서, 제1 및 제2 서브 분리막을 제거하는 단계는, 제1 및 제2 서브 분리막은 제1 및 제2 단락 전극이 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장 형성된 구조이고, 제1 및 제2 서브 분리막의 연장된 부분을 잡고 인출하는 과정을 통해 수행한다.
본 발명은 앞서 설명한 내부 단락 평가용 전지 셀 및 이를 이용한 전지 셀의 내부 단락 평가 방법을 제공한다. 상기 전지 셀은 이차전지이며, 구체적으로는 리튬 이차전지이다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액; 및 상기 전극 조립체와 상기 비수 전해액을 내장하는 전지 케이스를 포함한다.
양극은, 양극 집전제의 일면 또는 양면에 양극 합제층이 적층된 구조이다. 양극 활물질은 각각 독립적으로, 리튬 함유 산화물일 수 있으며, 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 리튬 함유 산화물로는, 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다. 하나의 예에서, 양극 합제층은 양극 활물질 외에 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 양극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 함유 산화물일 수 있으며, 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 리튬 함유 산화물로는, 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은, LixCoO2(0.5<x<1.3), LixNiO2(0.5<x<1.3), LixMnO2(0.5<x<1.3), LixMn2O4(0.5<x<1.3), Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1-yCoyO2(0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1-yMnyO2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), LixNi1-yMnyO2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2-zNizO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2-zCozO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixCoPO4(0.5<x<1.3) 및 LixFePO4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 중 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 양극에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 양극 활물질 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속이면서, 이차전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 양극용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 구체적으로, 상기 양극용 집전체는, 설명한 금속 성분으로 형성되되 두께 방향 관통홀이 형성된 금속 플레이트, 및 상기 금속 플레이트의 관통홀에 충진된 이온전도성 다공성 보강재를 포함하는 형태이다.
음극은 음극 합제층으로 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 포함할 수 있다. 음극 활물질로서 탄소재가 사용되는 경우, 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (mesocarbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum orcoal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 음극에 사용되는 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다. 구체적으로, 상기 음극용 집전체는, 설명한 금속 성분으로 형성되되 두께 방향 관통홀이 형성된 금속 플레이트, 및 상기 금속 플레이트의 관통홀에 충진된 이온전도성 다공성 보강재를 포함하는 형태이다.
또한, 상기 음극은 당해 분야에 통상적으로 사용되는 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.
상기 분리막은 리튬 이차전지에서 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다. 본 발명에서 제1 및 제2 서브 분리막은 원단 분리막이 적용될 수 있다. 원단 분리막은 앞서 설명한 분리막에 대응된다. 또한, 메인 분리막은 상기 원단 분리막의 표면에 무기 입자가 분산 도포된 구조이다. 상기 무기 입자는 예를 들어, 나노 크기의 세라믹 입자가 다양하게 적용 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 전해액은 비수 전해액을 포함하는 비수계 전해질을 사용할 수 있다. 상기 비수 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. 그러나 특별히 여기에 한정되는 것은 아니며 통상적으로 리튬 이차전지 분야에서 사용되는 다수의 전해액 성분들이 적절한 범위 내에서 가감될 수 있다.
이하, 도면 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 내부 단락 평가용 전지 셀의 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 상기 전지 셀은, 제1 전극(100), 제1 서브 분리막(210), 제1 단락 전극(310), 메인 분리막(200), 제2 단락 전극(320), 제2 서브 분리막(220) 및 제2 전극(400)이 순차 적층된 구조이다. 제1 전극(100)은 표면의 일부 영역에 무지부가 형성된 구조이다. 제1 서브 분리막(210)은 상기 제1 전극(100)에 형성된 무지부를 덮되 우측 방향으로 연장 형성된 구조이다. 상기 제1 서브 분리막(210) 상에는 제1 단락 전극(310)이 위치하며, 상기 제1 단락 전극(310)은 다공성의 금속 호일로 형성되며, 제1 전극(100)의 무지부에 대응되는 크기이며, 전지 셀의 좌측으로 돌출된 탭이 형성된다. 제2 전극(400)은 상기 제1 전극(100)과 서로 대응되도록 적층된 구조이며, 제1 및 제2 전극(100, 400) 사이에는 메인 분리막(200)이 위치한다.
본 발명에 따른 전지 셀은 충방전 과정에서, 제1 및 제2 단락 전극(310, 320)을 서로 전기적으로 연결한 상태에서, 제1 및 제2 서브 분리막(210, 220)을 우측으로 인출하게 되면 내부 단락이 발생한다. 이는 제1 및 제2 서브 분리막(210, 220)이 우측으로 인출되면서 제1 전극(100)과 제1 단락 전극(310)이 서로 접지되고, 동시에 제2 전극(400)과 제2 단락 전극(320)이 서로 접지된다. 여기서, 제1 및 제2 단락 전극(310, 320)이 서로 전기적으로 연결된 상태이므로, 제1 전극(100)과 제2 전극(400) 사이도 전기적으로 연결되면서 전지 셀의 내부 단락이 발생된다.
(제2 실시 형태)
도 2 내지 9는 발명의 하나의 실시예에 따른 내부 단락 평가용 전지 셀의 조립 순서를 나타낸 도면들이다. 도 2를 참조하면, 제1 전극(100)은 알루미늄 호일로 형성되되, 우측 상방향으로 돌출된 제1 전극 탭(120)이 형성되고, 제1 전극 탭(120)을 제외한 나머지 부분은 전극 합제층이 도포된 제1 전극 유지부(110)이다. 상기 제1 전극 유지부(110) 중에서 좌측 중앙 부위에는 전극 합제층이 도포되지 않은 제1 전극 무지부(111)가 형성된 구조이다. 상기 제1 전극 무지부(111)가 형성된 면적은 제1 전극 유지부(110)를 기준으로, 약 8% 수준이다.
도 3을 참조하면, 도 2에서 설명한 제1 전극(100) 상에 제1 서브 분리막(210)이 적층된다. 상기 제1 서브 분리막(210)은 제1 전극 무지부(111)를 덮되, 전지 셀의 우측 방향으로 연장 형성된 구조이다. 이는 전지 셀에 대한 내부 단락 평가시 상기 제1 서브 분리막(210)을 용이하게 인출하기 위한 것이다.
도 4에서는, 제1 서브 분리막(210) 상에 제1 단락 전극(310)이 위치하게 된다. 상기 제1 단락 전극(310)은 공극율이 약 60%인 다공성의 알루미늄 호일로 형성된다. 상기 제1 단락 전극(310)은 제1 전극 무지부(111)에 대응되는 형상이되 전지 셀의 좌측으로 돌출된 탭이 형성된 구조이다.
도 5에서는, 제1 단락 전극(310) 상에 메인 분리막(400)이 형성된다. 상기 메인 분리막(400)은, 예를 들어, 원단 분리막의 표면에 나노 크기의 무기 입자가 분산 도포된 구조이다.
도 6에서는, 메인 분리막(400) 상에 제2 단락 전극(320)이 형성된다. 상기 제2 단락 전극(320)은 공극율이 약 60%인 다공성의 구리 호일로 형성된다. 상기 제2 단락 전극(320)은 후술하는 제2 전극 무지부에 대응되는 형상이되 전지 셀의 좌측으로 돌출된 탭이 형성된 구조이다. 제1 및 제2 단락 전극(310, 320)의 각각 돌출된 탭은 전지 셀의 좌측에 서로 평행하도록 형성된다.
도 7을 참조하면, 제2 단락 전극(320) 상에 제2 서브 분리막(220)이 적층된다. 상기 제2 서브 분리막(220)은 제2 전극 무지부를 덮되, 전지 셀의 우측 방향으로 연장 형성된 구조이다. 이는 전지 셀에 대한 내부 단락 평가시 상기 제2 서브 분리막(220)을 용이하게 인출하기 위한 것이다.
도 8을 참조하면, 제2 서브 분리막(220) 상에 제2 전극(400)이 적층된다. 제2 전극(400)은 구리 호일로 형성되되, 좌측 상방향으로 돌출된 제2 전극 탭(420)이 형성되고, 제2 전극 탭(420)을 제외한 나머지 부분은 전극 합제층이 도포된 제2 전극 유지부(미도시)이다. 상기 제2 전극(400)은 제1 전극 무지부(111)와 서로 대응되는 위치에 무지부(미도시)가 형성된 구조이다.
도 2 내지 8은 전지 셀의 내부 단락을 위한 단위 적층체를 형성하는 과정을 순차적으로 도시한 것이다. 본 발명에 따른 전지 셀을 형성하는 전극 조립체는 다수의 단위 적층체를 포함할 수 있으며, 이 경우 단위 적층체들 사이에는 별도의 분리막이 개재될 수 있다. 도 9를 참조하면, 제2 전극(400) 상에 또 다른 메인 분리막(201)이 적층된다. 상기 또 다른 메인 분리막(201)은 다른 단위 적층체 사이의 전기적 절연을 위한 것이다.
이상, 도면 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면에 기재된 구성은 본 발명의 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.
100: 제1 전극
120: 제1 전극 탭
110: 제1 전극 유지부
111: 제1 전극 무지부
200, 201: 메인 분리막
210: 제1 서브 분리막
220: 제2 서브 분리막
310: 제1 단락 전극
320: 제2 단락 전극
400: 제2 전극
420: 제2 전극 탭

Claims (13)

  1. 금속 집전체의 일면 또는 양면에 제1 전극 합제층이 도포된 유지부 영역, 및 상기 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되어 형성되되 제1 전극 합제층이 도포되지 않은 제1 전극 탭을 포함하되, 유지부 영역 중 일부 영역에 제1 전극 합제층이 도포되지 않은 무지부 영역이 형성된 제1 전극;
    제1 전극의 무지부 영역을 커버하되, 상기 무지부 영역보다 큰 면적으로 형성된 제1 서브 분리막;
    제1 전극의 무지부 영역에 대등되는 위치에 형성되되, 제1 전극의 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되도록 형성된 제1 단락 전극;
    제1 및 제2 전극의 유지부 영역을 커버하도록 양 전극 사이에 개재된 메인 분리막;
    상기 제1 전극의 무지부 영역에 대등되는 위치에 형성되되, 제2 전극의 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되도록 형성된 제2 단락 전극;
    제2 전극의 무지부 영역을 커버하되, 상기 무지부 영역보다 큰 면적으로 형성된 제2 서브 분리막; 및
    금속 집전체의 일면 또는 양면에 제2 전극 합제층이 도포된 유지부 영역, 및 상기 유지부 영역에서 일방향으로 돌출되어 형성되되 제2 전극 합제층이 도포되지 않은 제2 전극 탭을 포함하되, 유지부 영역 중 일부 영역에 제2 전극 합제층이 도포되지 않은 무지부 영역이 형성된 제2 전극을 포함하는 내부 단락 평가용 전지 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 및 제2 단락 전극은 각각 다공성 금속 호일로 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 내부 단락 평가용 전지 셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제1 및 제2 단락 전극은 각각 공극율이 50%(v/v) 이상인 다공성 금속 호일로 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 내부 단락 평가용 전지 셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제1 서브 분리막은 제1 단락 전극이 제1 전극의 유지부 영역에서 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장되어 형성된 구조이고,
    제2 서브 분리막은 제2 단락 전극이 제2 전극의 유지부 영역에서 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장되어 형성된 구조인 내부 단락 평가용 전지 셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제1 및 제2 전극에서, 제1 및 제2 전극 탭은 각각 독립적으로 유지부 영역에서 일방향 또는 상기 일방향과 반대되는 방향으로 돌출된 구조이고,
    제1 및 제2 단락 전극은, 상기 제1 및 제2 전극 탭이 돌출된 방향과 수직되는 타방향으로 돌출된 구조이고,
    제1 및 제2 서브 분리막은 제1 및 제2 단락 전극이 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장 형성된 구조인 내부 단락 측정용 전지 셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지 셀은, 제1 전극, 메인 분리막 및 제2 전극이 순차 형성된 단위 적층체가 반복된 구조의 전극 조립체를 포함하며,
    상기 단위 적층체 중 어느 하나 이상은,
    제1 전극; 제1 서브 분리막; 제1 단락 전극; 메인 분리막; 제2 단락 전극; 제2 서브 분리막; 및 제2 전극이 순차 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 내부 단락 평가용 전지 셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 단위 적층체와 단위 적층체 사이에 개재된 메인 분리막을 더 포함하는 내부 단락 평가용 전지 셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제1 및 제2 서브 분리막은 필름 재질의 다공성 원단으로 형성된 원단 분리막 구조이고,
    메인 분리막은 원단 분리막의 일면 또는 양면에 무기 입자가 분산 도포된 안전성 강화 분리막 구조인 내부 단락 평가용 전지 셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제1 전극의 금속 집전체와 제1 단락 전극은 동종의 재질로 형성되고,
    제2 전극의 금속 집전체와 제2 단락 전극은 동종의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 내부 단락 평가용 전지 셀.
  10. 제 1 항에 있어서,
    제1 및 제2 전극에서,
    유지부 영역 중 무지무 영역이 형성된 면적 비율은 5 내지 15% 범위인 내부 단락 평가용 전지 셀.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지 셀은 파우치형 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 내부 단락 평가용 전지 셀.
  12. 제 1 항에 따른 전지 셀을 이용한 전지 셀의 내부 단락 평가 방법에 있어서,
    전지 셀의 충방전 중, 제1 및 제2 단락 전극을 서로 전기적으로 연결한 상태에서, 제1 및 제2 서브 분리막을 제거하는 단계를 포함하는 전지 셀의 내부 단락 평가 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제1 및 제2 서브 분리막을 제거하는 단계는,
    제1 및 제2 서브 분리막은 제1 및 제2 단락 전극이 돌출된 방향과 반대 방향으로 연장 형성된 구조이고, 제1 및 제2 서브 분리막의 연장된 부분을 잡고 인출하는 과정을 통해 수행하는 전지 셀의 내부 단락 평가 방법.
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