KR20220159633A - 노치홈이 형성된 분리막을 포함하는 이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 실시예에 따르면,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 양측 최외면에는 분리막이 위치하고 있는 적층체;
및 상기 적층체의 양측 최외면에 위치하는 분리막 사이의 고정을 위해 적층방향으로 부착된 2 쌍 이상의 고정 부재를 포함하고,
상기 분리막은 적어도 한 쌍의 노치홈을 포함하고,
상기 한 쌍의 노치홈은 전극 탭의 돌출방향과 수직인 일면과, 이의 대각선 방향에 위치하는 타면에 하나씩 형성되어 있는 이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지가 제공된다.

Description

노치홈이 형성된 분리막을 포함하는 이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 {ELECTRODE ASSEMBLY FOR SECONDARY BATTERY INCLUDING SEPERATOR WITH NOTCH GROOVE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 노치홈이 형성된 분리막을 포함하는 이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서, 높은 충방전 특성과 수명특성을 나타내고 친환경적인 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극과 음극 및 다공성 분리막으로 이루어진 전극조립체에 리튬 비수계 전해질을 함침시켜 제조한다.
이때, 상기 양극과 음극 등의 전극은 완전히 분리되어야 하나, 분리막의 수축, 전극 활물질의 돌출 등으로 인해 서로 접촉하고 단락이 발생하는 문제가 있다.
일반적으로 양극 활물질과 음극 활물질의 단락시 작은 열과 함께 셀의 전압이 떨어지며 반응이 종료되는데, 양극 호일과 음극 활물질이 직접적으로 단락되는 하드 쇼트의 경우 기계, 전기, 열적 어뷰즈로 발생하여 발열을 동반하면, 이후 열폭주로 이어지는 등 안전성이 크게 위협 받는다.
특히 이러한 하드 쇼트는 주로 고온에서 일어나는 분리막의 수축에 의해 분리막 및 전극의 변형이 일어나면서 전극 간 쇼트, 발화 등의 순서로 일어난다.
도 1에는 종래 전극조립체가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 2에는 전극조립체가 고온에서 변형됨으로써 하드 쇼트가 일어나는 현상을 모식적으로 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 양극(11), 음극(12), 및 양극(11)과 음극(12) 사이에 개재되는 분리막(13)을 포함하고, 양측 최외면에도 분리막(13)이 위치하고 있는 적층체(10)가 적층체(10)의 양측 최외면에 위치하는 분리막(13) 사이의 고정을 위해 적층방향으로 부착된 3 쌍 이상의 고정 부재(14)로 고정되어 있다.
이러한 적층체(10)는 이후 이차전지로 제조된 후 사용될 때, 고온에서 분리막(13)의 수축이 일어난다, 구체적으로, 온도가 올라갈수록 분리막(13)의 수축은 가속화되며, 소재에 따라 소정 차이가 있으나, 150℃에서 MD/TD 방향으로 수축이 약 10% 내지 20% 안팍이며, 180℃에서 MD/TD 방향으로 수축은 각각 40%를 초과한다. 이때, 분리막(13)의 수축은 고정 부재(14) 사이 좁은 공간에서 일어나게 되고, 이에 의해 A와 같이 양극(11)이 함께 적층방향으로 변형되면서 양극(11)과 음극(12) 간 하드 쇼트가 발생되고, 발화로 이어지는 문제가 있었다.
따라서, 이러한 문제를 해결하여 고온에서의 분리막 수축에 의한 전극 간 하드 쇼트를 지연 또는 방지하여 고온에서의 안전성을 강화할 수 있는 기술 개발이 절실한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 적층체의 분리막에 노치홈을 형성하여 고온 수축방향 및 경로를 유도함으로써 전극 간 하드 쇼트 방지 및 고온 안전성을 개선할 수 있는 이차전지용 전극조립체, 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극조립체는,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 양측 최외면에는 분리막이 위치하고 있는 적층체;
및 상기 적층체의 양측 최외면에 위치하는 분리막 사이의 고정을 위해 적층방향으로 부착된 2 쌍 이상의 고정 부재를 포함하고,
상기 분리막은 적어도 한 쌍의 노치홈을 포함하고,
상기 한 쌍의 노치홈은 전극 탭의 돌출방향과 수직인 일면과, 이의 대각선 방향에 위치하는 타면에 하나씩 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 노치홈은 2 쌍 이상 형성되어 있으며, 상기 노치홈들은 상기 전극 탭의 돌출방향과 수직인 각각의 면에 대각선 방향, 및 일직선 방향이 되도록 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 노치홈은 상기 전극 탭에 간섭되지 않는 위치에 형성되어 있을 수 있다.
상기 노치홈의 평면상 형상은 슬릿형, 다각형, 원형, 또는 타원형일 수 있으며, 상세하게는 슬릿형 또는 삼각형일 수 있다.
한편, 상기 고정 부재는 폴리이미드(Polyimide)를 포함할 수 있다.
상기 고정 부재는 상기 전극 탭의 돌출방향과 평행한 양측 면에 서로 마주보는 위치에서 한 쌍의 고정 부재가 부착되어 있고, 다른 한 쌍 이상의 고정 부재는 상기 한 쌍의 고정 부재와 이격된 위치에서 상기 전극 탭의 돌출방향과 평행한 양측 면에 서로 마주보는 위치에서 부착되어 있을 수 있다.
한편, 상기 전극조립체는 라미네이션 앤 스택형 전극조립체, 또는 스택 앤 폴딩형 전극조립체일 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전극조립체가 이차전지 케이스에 전해액과 함께 내장되어 있는 이차전지가 제공된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극조립체는 분리막에 노치홈을 형성하여 분리막에 인위적인 결함을 줌으로써, 이에 따라 고온에서의 분리막 수축시 수축 방향 및 경로를 유도하여, 고온에서 발생될 수 있는 전극 간 하드 쇼트를 지연, 및 방지함으로써, 고온에서의 발화를 막아 이차전지 안전성을 강화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 이차전지용 전극조립체의 모식도이다.
도 2는 종래 이차전지용 전극조립체가 고온에서 변형되어 분리막이 수축된 형태의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체의 모식도다.
도 4는 도 3의 전극조립체가 고온에서 변형되어 분리막이 수축된 형태의 모식도이다.
도 5에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지의 전극조립체의 모식도다.
도 6은 도 5의 전극조립체가 고온에서 변형되어 분리막이 수축된 형태의 모식도이다.
도 7은 노치홈의 평면상 형상을 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
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.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면,
이차전지용 전극조립체로서,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 양측 최외면에는 분리막이 위치하고 있는 적층체;
및 상기 적층체의 양측 최외면에 위치하는 분리막 사이의 고정을 위해 적층방향으로 부착된 2 쌍 이상의 고정 부재를 포함하고,
상기 분리막은 적어도 한 쌍의 노치홈을 포함하고,
상기 한 쌍의 노치홈은 전극 탭의 돌출방향과 수직인 일면과, 이의 대각선 방향에 위치하는 타면에 하나씩 형성되어 있는 이차전지용 전극조립체가 제공된다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극조립체(100)가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체(100)는, 양극(111), 음극(112), 및 양극(111)과 음극(112) 사이에 개재되고, 양측 최외면에 존재하는 분리막(113)을 포함하는 적층체(110)와, 적층체(110)의 양측 최외면에 위치하는 분리막(113) 사이의 고정을 위해 적층방향으로 부착된 3 쌍의 고정 부재(114)를 포함한다.
고정 부재(114)는 적층체(110)의 고정을 위해 마련되는 것으로, 적층체(110)의 견고한 고정을 위해서, 적어도 2 쌍 이상의 고정 부재를 포함할 수 있다.
이때 고정 부재(114)는, 전극 탭들(111a, 112a)의 돌출방향과 평행한 양측 면에 서로 마주보는 위치에서 한 쌍의 고정 부재(114a)가 부착되어 있고, 다른 한 쌍 이상의 고정 부재(114b, 114c)은 한 쌍의 고정 부재(114a)와 이격된 위치에서 전극 탭들(111a, 112a)의 돌출방향과 평행한 양측 면에 서로 마주보는 위치에서 부착되어 있다.
이러한 고정 부재(114)를 이루는 재료는, 전지에 사용되는 다양한 재료가 선택될 수 있으나, 상세하게는, 내열성을 가지면서 절연성을 가져 단락 문제가 없는 소재가 바람직하며, 예를 들어, 폴리이미드(Polyimide)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 분리막(113)은 전극 탭들(111a, 112a)의 돌출방향과 수직인 일면과, 이의 대각선 방향에 위치하는 타면에 하나씩 형성된 한 쌍의 노치홈(115)을 포함하며, 노치홈(115)은 제1 극성을 가지는 전극 탭과 제2 극성을 가지는 전극 활물질층이 접촉하여 단락을 유발하지 않도록, 전극 탭들(111a, 112a)에 간섭되지 않는 위치에 형성되어 있을 수 있다.
즉, 예를 들어, 노치홈(114)이 전극 탭들(111a, 112b)과 겹치는 위치에 형성되는 경우, 양극 탭(111a)와 음극(112)의 음극 활물질층이 노치홈(115) 부분에서 접촉하여 단락 발생 가능성이 있을 수 있는 바, 이러한 문제를 방지하기 위해 탭들(111a, 112a)에 간섭되지 않는 위치에 형성되어 있다.
또한, 한 쌍의 노치홈(115)은 상세하게는 서로 좌우 및 상하 대칭인 위치에 형성되어 있다.
도 4에는 이와 같은 전극조립체(100)가 고온에 노출되었을 때, 분리막이 수축, 변형되는 현상을 모식적으로 도시하였다.
도 4를 참조하면, 본 발명과 같이, 분리막(113)에 한 쌍의 노치홈(115)을 형성하는 경우, 전극조립체(100)가 고온에 노출되는 경우, 동일하게 분리막의 수축이 일어나지만, 기 형성되어 있던 한 쌍의 노치홈(115)에 의해 한 쌍의 노치홈(115)을 잇는 형식으로 분리막의 찢어짐이 발생하고, 이에 따라, 고정 부재(114) 사이에서의 수축이 발생하지 않아, 양극(111)과 분리막(114)이 적층방향으로 변형되지 않는 바, 하드 쇼트를 방지하여 발화의 가능성을 낮춰 전지 안전성을 향상시킬 수 있다.
즉, 한 쌍의 노치홈(115)은 분리막(113)이 수축되는 경로를 유도하면서 분리막(113)의 찢어짐을 발생시켜 양극(111) 또는 음극(112)의 적층방향으로의 변형을 방지한다.
한편, 상기 도 3 내지 도 4에서와 같이 한 쌍의 노치홈을 형성할 수 있으나, 2 쌍 이상 형성할 수도 있다.
도 5에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라, 2 쌍의 노치홈이 형성되어 있는 전극조립체(200)를 모식적으로 도시하였으며, 도 6에는 이러한 전극조립체가 고온에 노출되엇을 때, 분리막이 수축, 변형되는 현상을 모식적으로 도시하였다.
먼저, 도 5를 참조하면, 도 3에서와 같이, 전극조립체(200)는, 적층체(210)와, 적층체(210)의 양측 최외면에 위치하는 분리막(213) 사이의 고정을 위해 적층방향으로 부착된 3 쌍의 고정 부재(214)를 포함한다. 다만, 분리막(213)은 전극 탭들(211a, 212a)의 돌출방향과 수직인 각각의 면에 대각선 방향, 및 일직선 방향이 되도록 형성된 2 쌍의 노치홈(215)을 포함하며, 2 쌍의 노치홈(215)은 모두 전극 탭들(211a, 212a)에 간섭되지 않는 위치에 형성되어 있다. 또한, 2 쌍의 노치홈(215)은 상세하게는 서로 좌우, 상하 대칭인 형태로 형성되어 있다.
도 6을 참조하면, 이와 같이 2 쌍의 노치홈(215)이 형성된 전극조립체(200) 역시 고온에 노출되는 경우, 분리막(213)의 수축이 발생하게 되며, 분리막(213)은 2 쌍의 노치홈(215)에 의해 상하 방향 또는 대각선 방향으로 찢어지며 수축된다. 따라서, 한 쌍의 노치홈을 형성한 전극조립체(100)과 유사하게, 고정 부재(214) 사이에서의 수축이 발생하지 않아, 양극 또는 음극과 분리막(214)이 적층방향으로 변형되지 않는 바, 하드 쇼트를 방지하여 발화의 가능성을 낮춰 전지 안전성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 2 쌍 이상의 노치홈을 형성하면, 분리막 수축 및 찢어짐의 경로를 더욱 확실히 유도할 수 있다.
한편, 상기 노치홈들의 평면상 형상은 한정되지 아니하고, 다양하게 형성될 수 있고, 예를 들어, 슬릿형, 다각형, 원형 또는 타원형일 수 있다.
도 7에는 이러한 노치홈(315)의 평면상 형상을 모식적으로 나타내었다.
도 7을 참조하면, 노치홈(315)은 평면상 형상을 삼각형으로 형성하여, 분리막(313) 수축 및 찢어짐 방향을 대각선 방향으로 유도할 수 있고(a), 또는 평면상 형상을 슬릿형으로 형성하여, 분리막(113)의 수축 및 찢어짐 방향을 슬릿이 형성된 방향, 즉 일직선 방향으로 유도할 수 있으며(b), 또는 평면상 형상을 사각형으로 형성하여, 분리막(113)의 수축 및 찢어짐 방향을 양측 하부 모서리에서 뻗어나가는 방향으로 유도할 수 있으며(c), 또는 평면상 형상을 원형 또는 타원형으로 형성하여, 분리막(313)의 수축 및 찢어짐 방향을 다방면으로 유도할 수도 있다.
다만, 상세하게는, 노치홈(315)의 평면상 형상은, 분리막 수축 및 찢어짐의 방향이 일정하여, 고정 부재에의 영향을 최소화할 수 있도록 슬릿형 또는 삼각형일 수 있다.
또한 이러한 노치홈의 크기는 노치홈의 형성으로 양극과 음극의 단락이 일어나지 않는 크기, 즉, 양극 활물질층과 음극 활물질층이 노출되지 않는 크기로 형성되는 것이 바람직하며, 이러한 범위 내라면 그 크기는 한정되지 아니한다.
한편, 상기 전극조립체는 적층체를 포함하는 형태라면 한정되지 아니하고, 스택형 전극조립체, 라미네이션 앤 스택형 전극조립체, 또는 스택 앤 폴딩형 전극조립체일 수 있으며, 상세하게는, 라미네이션 앤 스택형 전극조립체, 또는 스택 앤 폴딩형 전극조립체일 수 있다.
이러한 전극조립체의 자세한 제조방법과 구성은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 발명에서는 자세한 설명을 생략한다.
한편, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 전극조립체가 이차전지 케이스에 전해액과 함께 내장되어 있는 이차전지가 제공된다.
이때, 상기 전해액은 리튬염 비수계 전해질일 수 있으며, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 구성은 종래 잘 알려져 있으므로, 본 발명에서 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (9)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 양측 최외면에는 분리막이 위치하고 있는 적층체; 및
    상기 적층체의 양측 최외면에 위치하는 분리막들 사이의 고정을 위해 적층방향으로 부착된 2 쌍 이상의 고정 부재를 포함하고,
    상기 분리막은 적어도 한 쌍의 노치홈을 포함하고,
    상기 한 쌍의 노치홈은 전극 탭의 돌출방향과 수직인 일면과, 이의 대각선 방향에 위치하는 타면에 하나씩 형성되어 있는 이차전지용 전극조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노치홈은 2 쌍 이상 형성되어 있으며, 상기 노치홈들은 상기 전극 탭의 돌출방향과 수직인 각각의 면에 대각선 방향, 및 일직선 방향이 되도록 형성되어 있는 이차전지용 전극조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노치홈은 상기 전극 탭에 간섭되지 않는 위치에 형성되어 있는 이차전지용 전극조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노치홈의 평면상 형상은 슬릿형, 다각형, 원형, 또는 타원형인 이차전지용 전극조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 노치홈의 평면상 형상은 슬릿형 또는 삼각형인 이차전지용 전극조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정 부재는 폴리이미드(Polyimide)를 포함하는 전극조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정 부재는 상기 전극 탭의 돌출방향과 평행한 양측 면에 서로 마주보는 위치에서 한 쌍의 고정 부재가 부착되어 있고, 다른 한 쌍 이상의 고정 부재는 상기 한 쌍의 고정 부재와 이격된 위치에서 상기 전극 탭의 돌출방향과 평행한 양측 면에 서로 마주보는 위치에서 부착되어 있는 이차전지용 전극조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 라미네이션 앤 스택형 전극조립체, 또는 스택 앤 폴딩형 전극조립체인 이차전지용 전극조립체.
  9. 제1항에 따른 전극조립체가 이차전지 케이스에 전해액과 함께 내장되어 있는 이차전지.
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