KR20230063391A - Secondary battery improved safety - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 안전성이 개선된 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery with improved safety.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩 또는 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 적용되고 있다.Recently, secondary batteries have been widely applied not only to small devices such as portable electronic devices, but also to medium and large devices such as battery packs or power storage devices of hybrid vehicles and electric vehicles.
이러한 이차전지는 양극판/분리막/음극판으로 이루어져 있는 전극 조립체를 포함하는데, 상기 전극 조립체는 단순히 적층된 구조로 이루어질 수도 있지만, 다수의 전극(양극 및 음극)들을 분리막이 개재된 상태에서 적층한 후 가열/가압에 의해 상호 결합시킨 구조로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 전극과 분리막의 결합은 분리막 상에 도포된 접착층과 전극을 상호 대면한 상태에서 가열/가압함으로써 달성된다. 여기서, 분리막은 통상 폴리올레핀(polyolefine) 수지를 원료로 하는 압출 공정에 의해 성형되고, 전극과의 접착력 등과 같은 특성을 향상시키기 위하여 바인더 등의 물질이 코팅된다.Such a secondary battery includes an electrode assembly composed of a positive electrode plate/separator/negative electrode plate. Although the electrode assembly may simply have a laminated structure, a plurality of electrodes (anode and cathode) are stacked with a separator interposed therebetween and then heated. / It may be made of a structure that is mutually coupled by pressure. In this case, the bonding of the electrode and the separator is achieved by heating/pressing the adhesive layer applied on the separator and the electrode in a state of facing each other. Here, the separator is usually molded by an extrusion process using a polyolefin resin as a raw material, and coated with a material such as a binder to improve properties such as adhesion to an electrode.
그러나, 외부 충격이 이차 전지에 가해졌을 때, 이차 전지의 내부에 배치된 전극 보다 이차 전지의 외곽에 배치 된 전극이 더 강한 스트레스를 받게 된다. 이에 따라, 종래의 이차 전지는 외곽에 배치된 전극이 외부 충격에 취약한 문제점이 있다. 특히, 상기 외곽에 배치된 전극이 외부의 충격으로부터 그 상태가 변형된 경우, 리튬의 이온 전달성이 방해되고 발열이 발생하여 이차 전지의 성능을 저하시킨다.However, when an external shock is applied to the secondary battery, the electrode disposed on the outer edge of the secondary battery receives a stronger stress than the electrode disposed inside the secondary battery. Accordingly, the conventional secondary battery has a problem in that the electrode disposed on the outside is vulnerable to external impact. In particular, when the state of the electrode disposed on the outer periphery is deformed due to an external impact, the ion transmission of lithium is hindered and heat is generated, thereby degrading the performance of the secondary battery.
또한, 최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐만 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩 또는 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 적용되고 있으며, 이에 적용되는 이차전지는 작동 전압과 에너지 밀도가 높은 특징을 나타낸다. 그러나, 이와 같이 이차전지는 외부 충격에 매우 약하고, 유기 전해액을 사용하므로 리튬 이차전지의 과충전 시 과전류 및 과열로 인해 심한 경우 폭발이나 발화에 의한 화재가 발생할 수 있다.In addition, in recent years, secondary batteries have been applied not only to small devices such as portable electronic devices, but also to medium and large-sized devices such as battery packs or power storage devices of hybrid vehicles and electric vehicles. exhibit high characteristics. However, since the secondary battery is very vulnerable to external shocks and uses an organic electrolyte solution, overcharging of the lithium secondary battery may cause a fire due to an explosion or ignition in severe cases due to overcurrent and overheating.
그 예로서, 스택/폴딩형 전극조립체를 포함하는 파우치형 전지는 고온에 방치 시 가스 생성으로 인하여 전지가 스웰링(swelling)되어 전극과 분리막이 확고하게 고정되지 못하고, 특히 외곽 분리막의 수축으로 인해 양극과 음극 단락 시 안전성 문제가 심각해진다. 또한, 파우치형 전지의 충방전시에는 저항에 의해 발열이 일어나는데, 외곽층에 배치된 단위 셀보다는 중앙층에 배치된 단위 셀의 전극에서 열 전달이 쉽게 이루어지지 못하여 발열이 더 심하다. 따라서, 중앙층에 배치된 단위 셀의 전극이 주변 다른 단위 셀의 전극보다 고열에 의한 퇴화가 가속화되고 장기적으로는 전극층 간의 용량 및 저항 차이로 인해 전지 성능이 더 악화되는 문제점이 있다.As an example, when a pouch-type battery including a stacked/folding type electrode assembly is left at a high temperature, the battery swells due to gas generation, so that the electrode and the separator cannot be firmly fixed. In particular, due to shrinkage of the outer separator Safety problems become serious when the anode and cathode are short-circuited. In addition, heat generation occurs due to resistance during charging and discharging of the pouch-type battery, and heat is more severe because heat transfer is not easily achieved in the electrode of the unit cell disposed in the central layer than in the unit cell disposed in the outer layer. Therefore, there is a problem in that the electrodes of the unit cells disposed in the center layer are degraded due to high heat more quickly than the electrodes of other unit cells in the vicinity, and in the long term, the battery performance deteriorates due to the difference in capacity and resistance between the electrode layers.
따라서, 외부 충격에 대한 저항성이 높으면서, 전지의 충방전 시 발생되는 발열에 따른 문제를 해결하기 위한 방안이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for a method for solving problems caused by heat generated during charging and discharging of a battery while having high resistance to external impact.
이에, 본 발명의 목적은 기계적 물성이 강화되어 외부 충격에 대한 저항성이 높으면서, 전지의 충방전 시 발생되는 열에 대한 저항성이 개선되어 전지의 안전성이 향상된 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a secondary battery with enhanced mechanical properties, high resistance to external impact, improved resistance to heat generated during charging and discharging of the battery, and a secondary battery module including the same, there is.
상술된 문제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problems,
본 발명은 일실시예에서,In one embodiment, the present invention
양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 구비하는 복수의 단위셀이 적층된 전극 조립체; 및An electrode assembly in which a plurality of unit cells are stacked, each having a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and
상기 전극 조립체의 최외각에 배치되는 고분자 적층체를 포함하고,Including a polymer laminate disposed on the outermost side of the electrode assembly,
상기 고분자 적층체는 복수의 1축 연신 고분자 박막이 적층된 구조를 갖되, 적층된 고분자 박막 중 임의의 고분자 박막의 연신 방향과 인접한 고분자 박막의 연신 방향이 어긋나도록 적층되는 이차전지를 제공한다.The polymer laminate has a structure in which a plurality of uniaxially stretched polymer thin films are laminated, and the polymer thin film is laminated such that the stretching direction of any polymer thin film among the stacked polymer thin films and the stretching direction of an adjacent polymer thin film are misaligned.
여기서, 상기 고분자 적층체는 임의의 고분자 박막과 인접한 고분자 박막의 각 연신 방향이 50° 내지 130°의 각을 이루도록 어긋난 상태로 적층될 수 있다.Here, the polymer laminate may be laminated in a state where an arbitrary polymer thin film and an adjacent polymer thin film are shifted so that each stretching direction forms an angle of 50° to 130°.
또한, 상기 고분자 적층체는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 폴리부텐(polybutene), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌-폴리프로필렌 공중합체(PE-PP copolymer) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중 1종 이상을 포함하는 건식 고분자 박막을 포함할 수 있다.In addition, the polymer laminate is made of high density polyethylene (HDPE), linear low density polyethylene (LLDPE), polybutene, polypropylene (PP), polyethylene-polypropylene copolymer (PE-PP copolymer) and polyethylene terephthalate (PET). ) may include a dry polymer thin film containing one or more of them.
아울러, 상기 고분자 적층체의 평균 두께는 10㎛ 내지 500㎛일 수 있다.In addition, the average thickness of the polymer laminate may be 10 μm to 500 μm.
또한, 상기 1축 연식 고분자 박막의 관통 강도는 200 gf 이상이고, 고분자 적층체의 관통 강도는 600 내지 1000gf일 수 있다.In addition, the penetration strength of the uniaxially flexible polymer thin film may be 200 gf or more, and the penetration strength of the polymer laminate may be 600 to 1000 gf.
이와 더불어, 상기 전극 조립체에 구비된 분리막은 폴리프로필렌; 폴리에틸렌; 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체 중 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the separator provided in the electrode assembly is polypropylene; polyethylene; It may include one or more of polyethylene-propylene copolymers.
또한, 상기 전극 조립체에 구비된 분리막은 평균 입경이 0.01 내지 10㎛의 무기 입자를 포함할 수 있다.In addition, the separator provided in the electrode assembly may include inorganic particles having an average particle diameter of 0.01 to 10 μm.
아울러, 상기 무기 입자는 탄산칼슘(Calcium carbonate, CaCO3), 실리카(Slica, Silicon dioxide, SiO2), 산화알루미늄(Aluminium oxide, Al2O3), 보헴마이트(Boehmite, AlOOH) 및 티타늄옥사이드(Titanium dioxide, TiO2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, the inorganic particles include calcium carbonate (CaCO 3 ), silica (Slica, Silicon dioxide, SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), Boehmite (AlOOH) and titanium oxide ( Titanium dioxide, TiO 2 ) may include one or more selected from the group consisting of.
또한, 상기 단위셀은 2개 내지 50개 포함될 수 있다.In addition, the number of unit cells may be 2 to 50.
이와 더불어, 상기 이차전지는 적층된 단위셀과 단위셀 사이에 고분자 적층체를 더 포함할 수 있다.In addition, the secondary battery may further include a polymer laminate between the stacked unit cells.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,Furthermore, the present invention, in one embodiment,
상술된 본 발명에 따른 이차전지를 포함하는 이차전지 모듈을 제공한다.Provided is a secondary battery module including the secondary battery according to the present invention described above.
본 발명에 따른 이차전지는 복수의 단위셀이 적층된 전극 조립체의 최외각에, 복수의 1축 연신 고분자 박막이 적층된 고분자 적층체를 배치함으로써, 기계적 물성이 강화되어 외부 충격에 대한 저항성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전지의 내열성을 개선할 수 있으므로, 이차전지의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.In the secondary battery according to the present invention, a polymer laminate in which a plurality of uniaxially stretched polymer thin films is laminated is disposed on the outermost surface of an electrode assembly in which a plurality of unit cells are laminated, thereby improving resistance to external impact by enhancing mechanical properties. In addition, since the heat resistance of the battery can be improved, the safety of the secondary battery can be further improved.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can have various changes and various embodiments, specific embodiments will be described in detail in the detailed description.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, the term "comprises" or "has" is intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.Further, in the present invention, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is described as being “on” another part, this includes not only the case where it is “directly on” the other part, but also the case where another part is present in the middle thereof. . Conversely, when a part such as a layer, film, region, plate, or the like is described as being “under” another part, this includes not only being “directly under” the other part, but also the case where there is another part in the middle. In addition, in the present application, being disposed "on" may include the case of being disposed not only on the upper part but also on the lower part.
또한, 본 발명에서, "주성분으로 포함하다"란 전체 중량에 대하여 정의된 성분을 50 중량% 이상, 60 중량% 이상, 70 중량% 이상, 80 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상 포함하는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, "음극활물질로서 흑연을 주성분으로 포함하다"란 음극활물질 전체 중량에 대하여 흑연을 50 중량% 이상, 60 중량% 이상, 70 중량% 이상, 80 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상 포함하는 것을 의미할 수 있으며, 경우에 따라서는 음극활물질 전체가 흑연으로 이루어져 흑연이 100 중량%로 포함하는 것을 의미할 수도 있다.In addition, in the present invention, 50% by weight or more, 60% by weight or more, 70% by weight or more, 80% by weight or more, 90% by weight or more, or 95% by weight or more of the components defined with respect to the total weight of "including as a main component" can mean including For example, "comprising graphite as a main component as a negative electrode active material" means that 50% by weight or more, 60% by weight or more, 70% by weight or more, 80% by weight or more, 90% by weight or more, or 95% by weight or more of graphite with respect to the total weight of the negative electrode active material It may mean that it contains more than weight%, and in some cases, it may mean that the entire negative electrode active material is composed of graphite and includes 100% by weight of graphite.
아울러, 본 발명에서, "종방향(MD)"이란 고분자 박막을 길이 방향(또는 기계 방향(mechine direction))으로 연신하는 경우, 연신된 방향을 의미할 수 있고, "횡방향(TD)"은 이에 수직이 되는 방향(또는 기계 수직 방향(Transverse Direction))을 의미할 수 있다. In addition, in the present invention, "machine direction (MD)" may mean a direction in which the polymer thin film is stretched in the longitudinal direction (or machine direction), and "transverse direction (TD)" This may mean a direction perpendicular to this (or a machine vertical direction (Transverse Direction)).
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
이차전지secondary battery
본 발명은 일실시예에서,In one embodiment, the present invention
양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 구비하는 복수의 단위셀이 적층된 전극 조립체; 및An electrode assembly in which a plurality of unit cells are stacked, each having a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and
상기 전극 조립체의 최외각에 배치되는 고분자 적층체를 포함하고,Including a polymer laminate disposed on the outermost side of the electrode assembly,
상기 고분자 적층체는 복수의 1축 연신 고분자 박막이 적층된 구조를 갖되, 적층된 고분자 박막 중 임의의 고분자 박막의 연신 방향과 인접한 고분자 박막의 연신 방향이 어긋나도록 적층되는 이차전지를 제공한다.The polymer laminate has a structure in which a plurality of uniaxially stretched polymer thin films are laminated, and the polymer thin film is laminated such that the stretching direction of any polymer thin film among the stacked polymer thin films and the stretching direction of an adjacent polymer thin film are misaligned.
본 발명에 따른 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 구비하는 단위셀들이 적층된 전극 조립체를 포함하고, 상기 전극 조립체의 최외각에 배치된 고분자 적층체를 포함한다. 이에 따라, 상기 이차전지는 기계적 물성이 강화되어 외부 충격에 대한 저항성이 향상될 뿐만 아니라, 전지의 내열성을 개선할 수 있으므로, 이차전지의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.The secondary battery according to the present invention includes an electrode assembly in which unit cells including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode are stacked, and a polymer laminate disposed on the outermost side of the electrode assembly. Accordingly, the mechanical properties of the secondary battery are enhanced to improve resistance to external impact, and since heat resistance of the battery can be improved, safety of the secondary battery can be further improved.
구체적으로, 상기 고분자 적층체는 이차전지의 강성을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 상기 고분자 적층체가 전극 조립체의 최외각에 설치되면, 외력이 가해지는 경우 이차전지의 눌림 폭을 줄이고 전지 케이스 내의 전극 조립체를 보호 및 보강하는 역할을 수행한다. 상기 고분자 적층체는 전지 케이스의 내측에 배치되므로, 복수의 이차전지가 함께 설치되는 경우는 물론 단일 이차전지로 전기기기의 전원 등을 채용되는 경우에도 보다 강고한 강성을 구현한다는 점에서 기술적 의미를 갖는다.Specifically, the polymer laminate can increase the rigidity of the secondary battery. For example, when the polymer laminate is installed on the outermost part of the electrode assembly, it serves to reduce the pressing width of the secondary battery and protect and reinforce the electrode assembly in the battery case when an external force is applied. Since the polymer laminate is disposed inside the battery case, it has a technical meaning in that it implements stronger rigidity even when a plurality of secondary batteries are installed together, as well as when a single secondary battery is used to power an electric device. have
이를 위하여, 상기 고분자 적층체는 복수의 1축 연신 고분자 박막이 적층되는 구조를 가지며, 이에 따라 종래 전극 조립체의 최외각에 개재되는 다층 구조의 분리막과 비교하여 보다 높은 기계적 물성과 내열성을 이차전지에 부여할 수 있다.To this end, the polymer laminate has a structure in which a plurality of uniaxially stretched polymer thin films are laminated, and accordingly, higher mechanical properties and heat resistance are provided to the secondary battery compared to a separator having a multilayer structure interposed on the outermost surface of a conventional electrode assembly. can be granted
보다 구체적으로, 상기 고분자 적층체는 복수의 1축 연신 고분자 박막이 적층된 구조를 갖되, 적층된 고분자 박막 중 임의의 고분자 박막과 인접한 고분자 박막의 연신 방향을 어긋나도록 적층된 구조를 갖는다. 즉, 상기 고분자 적층체는 1축 연신 고분자 박막의 적층 시 하부에 위치되는 고분자 박막의 연신 방향과 상이한 연신 방향을 갖도록 상부에 고분자 박막을 적층한 것으로, 이때 각 연신 방향이 어긋난 정도는 50° 내지 130°일 수 있으며, 보다 구체적으로는 60° 내지 120°; 70° 내지 110°; 80° 내지 100°; 또는 85° 내지 95°일 수 있다.More specifically, the polymer laminate has a structure in which a plurality of uniaxially stretched polymer thin films are laminated, such that the stretching direction of any polymer thin film and an adjacent polymer thin film among the laminated polymer thin films are misaligned. That is, the polymer thin film is laminated on top so as to have a stretching direction different from the stretching direction of the polymer thin film located at the bottom when the uniaxially stretched polymer thin film is stacked. It may be 130 °, more specifically 60 ° to 120 °; 70° to 110°; 80° to 100°; or 85° to 95°.
하나의 예로서, 상기 고분자 적층체는 적층된 복수의 고분자 박막 중 임의의 고분자 박막과 인접한 박막의 간 연신 방향이 88~92°의 각도를 이루도록 적층될 수 있다.As an example, the polymer laminate may be laminated such that a stretching direction between any polymer thin film and an adjacent thin film among the plurality of laminated polymer thin films forms an angle of 88° to 92°.
또한, 상기 고분자 박막은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 폴리부텐(polybutene), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌-폴리프로필렌 공중합체(PE-PP copolymer) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중 1종 이상을 포함하는 건식 고분자 박막을 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 고분자 박막은 폴리프로필렌을 포함하는 복수의 건식 고분자 박막으로 구성될 수 있다.In addition, the polymer thin film is made of high density polyethylene (HDPE), linear low density polyethylene (LLDPE), polybutene, polypropylene (PP), polyethylene-polypropylene copolymer (PE-PP copolymer) and polyethylene terephthalate (PET). It may include a dry polymer thin film containing one or more of them. As an example, the polymer thin film may be composed of a plurality of dry polymer thin films including polypropylene.
일반적으로 건식 고분자 박막은 오일과 추출 용매를 사용하지 않고, 고분자 시트를 접합한 후 어닐링, 연신 및 열처리 공정 만으로 기계적 물성과 기공을 만들기 때문에 내열성이 우수하고 제조공정이 비교적 단순한 편이다. 따라서 건식 고분자 박막은 상대적으로 습식 고분자 박막에 비해 친환경적이고 가격이 저렴한 장점이 있다. 이에 반해, 일반적인 건식 고분자 박막은 일축 연신만을 수행하여 제조되므로 횡방향(MD)에 대하여 인장신율, 관통강도 등의 기계적 물성이 이축 연신을 한 습식 분리막에 비해 많이 떨어지는 한계가 있다. 그러나나, 본 발명에 따른 고분자 적층체는 복수의 1축 연신 고분자 박막을 포함하되, 임의의 고분자 박막의 연신 방향과 인접한 고분자 박막의 연신 방향이 특정 각도로 어긋나도록 적층됨으로써 이러한 문제가 현저히 개선될 수 있다.In general, dry polymer thin films have excellent heat resistance and a relatively simple manufacturing process because they do not use oil and extraction solvents, and create mechanical properties and pores only through annealing, stretching, and heat treatment processes after bonding polymer sheets. Therefore, the dry polymer thin film has the advantage of being environmentally friendly and inexpensive compared to the wet polymer thin film. In contrast, general dry polymer thin films are produced by performing only uniaxial stretching, so mechanical properties such as tensile elongation and penetration strength in the transverse direction (MD) are significantly inferior to wet separators subjected to biaxial stretching. However, the polymer laminate according to the present invention includes a plurality of uniaxially stretched polymer thin films, but this problem is significantly improved by being laminated so that the stretching direction of any polymer thin film and the stretching direction of an adjacent polymer thin film are shifted at a specific angle. can
즉, 본 발명에 따른 고분자 적층체는 특정 성분의 건식 고분자 박막을 복수개 적층된 구조를 갖되, 적층된 고분자 박막 중 임의의 고분자 박막과 인접한 고분자 박막의 연신 방향이 어긋나도록 적층함으로써 고분자 적층체의 내열성과 기계적 물성, 즉 강성이 우수하므로, 이차전지의 내열성과 기계적 물성을 경제적으로 현저히 향상시킬 수 있다.That is, the polymer laminate according to the present invention has a structure in which a plurality of dry polymer thin films of a specific component are laminated, but the polymer laminate is laminated so that any polymer thin film and an adjacent polymer thin film among the laminated polymer thin films are misaligned in the stretching direction, thereby heat resistance of the polymer laminate. and mechanical properties, that is, rigidity, it is possible to significantly improve the heat resistance and mechanical properties of the secondary battery economically.
하나의 예로서, 상기 1축 연신 고분자 박막의 관통 강도(puncture)는 200 gf 이상일 수 있고, 이를 포함하는 고분자 적층체의 관통 강도(puncture)는 600 내지 1000gf일 수 있다.As an example, the puncture of the uniaxially stretched polymer thin film may be 200 gf or more, and the puncture of the polymer laminate including the same may be 600 to 1000 gf.
구체적으로, 상기 1축 연신 고분자 박막의 관통 강도(puncture)는 200 내지 500 gf; 200 내지 400 gf; 200 내지 300 gf; 250 내지 500 gf; 300 내지 500 gf; 400 내지 500 gf; 300 내지 450 gf; 또는 350 내지 400 gf일 수 있고, 이를 포함하는 고분자 적층체의 관통 강도(puncture)는 700 내지 1000gf; 700 내지 800gf; 700 내지 950gf; 740 내지 850gf; 또는 770 내지 870gf 일 수 있다.Specifically, the puncture strength of the uniaxially stretched polymer thin film is 200 to 500 gf; 200 to 400 gf; 200 to 300 gf; 250 to 500 gf; 300 to 500 gf; 400 to 500 gf; 300 to 450 gf; Or it may be 350 to 400 gf, and the puncture strength of the polymer laminate including it is 700 to 1000 gf; 700 to 800 gf; 700 to 950 gf; 740 to 850 gf; or 770 to 870 gf.
다른 하나의 예로서, 상기 1축 연신 고분자 박막의 인장 신율(tensile elogation)은 종방향(MD) 및 횡방향(TD)으로 각각 30% 이상 및 5% 이상일 수 있고, 고분자 적층체의 인장 신율은 종방향(MD) 및 횡방향(TD)으로 각각 100% 이상일 수 있다.As another example, the tensile elongation of the uniaxially stretched polymer thin film may be 30% or more and 5% or more in the machine direction (MD) and the transverse direction (TD), respectively, and the tensile elongation of the polymer laminate is It may be 100% or more in each of the longitudinal direction (MD) and the transverse direction (TD).
구체적으로, 상기 1축 연신 고분자 박막의 인장 신율은 종방향(MD) 및 횡방향(TD)으로 각각 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 30~80%, 35~70% 또는 40~60%일 수 있고, 고분자 적층체의 인장 신율은 종방향(MD) 및 횡방향(TD)으로 각각 110% 이상, 120% 이상, 130% 이상, 120~200%, 130~200%, 130~180%, 140~170%, 또는 140~160%일 수 있다.Specifically, the tensile elongation of the uniaxially stretched polymer thin film is 40% or more, 50% or more, 60% or more, 30 to 80%, 35 to 70%, or 40 to 40% in the machine direction (MD) and the transverse direction (TD), respectively. 60%, and the tensile elongation of the polymer laminate is 110% or more, 120% or more, 130% or more, 120 to 200%, 130 to 200%, 130 to 130% in the machine direction (MD) and the transverse direction (TD), respectively. It may be 180%, 140-170%, or 140-160%.
상기 고분자 적층체의 평균 두께는 구체적으로, 10㎛ 내지 500㎛일 수 있고, 보다 구체적으로는 50㎛ 내지 500㎛; 100㎛ 내지 400㎛; 150㎛ 내지 400㎛; 150㎛ 내지 300㎛; 200㎛ 내지 300㎛; 120㎛ 내지 180㎛; 또는 80㎛ 내지 120㎛일 수 있다.The average thickness of the polymer laminate may be specifically, 10 μm to 500 μm, more specifically 50 μm to 500 μm; 100 μm to 400 μm; 150 μm to 400 μm; 150 μm to 300 μm; 200 μm to 300 μm; 120 μm to 180 μm; Or it may be 80 μm to 120 μm.
또한, 상기 고분자 적층체는 복수의 1축 연신 고분자 박막이 적층된 구조를 가지며, 구체적으로는 2~50개, 2~40개, 2~30개, 2~20개, 2~10개, 2~9개, 2~5개, 5~20개 또는 3~8개의 1축 연신 고분자 박막이 적층된 구조를 가질 수 있다.In addition, the polymer laminate has a structure in which a plurality of uniaxially stretched polymer thin films are laminated, specifically 2 to 50, 2 to 40, 2 to 30, 2 to 20, 2 to 10, 2 ~9, 2 to 5, 5 to 20, or 3 to 8 uniaxially stretched polymer thin films may have a laminated structure.
본 발명은 고분자 적층체의 평균 두께와 1축 연신 고분자 박막의 사용 개수를 상기와 같이 제어함으로써 전극 조립체의 최외각에 배치되어 이차전지의 에너지 밀도를 저하시키지 않으면서 이차전지의 내열성과 내충격성을 향상시킬 수 있다.In the present invention, by controlling the average thickness of the polymer laminate and the number of uniaxially stretched polymer thin films as described above, the heat resistance and impact resistance of the secondary battery are improved without lowering the energy density of the secondary battery by being disposed at the outermost part of the electrode assembly. can improve
나아가, 상기 고분자 적층체는 전극 조립체의 최외각에 배치되고, 경우에 따라서는 전극 조립채를 구성하는 단위셀과 단위셀의 교호 적층 공정에 의해 단위셀들 사이에 삽입될 수 있다. 이 경우, 상기 고분자 적층체는 각 단위셀에 구비되는 분리막과 마찬가지로, 단위셀의 적층 시 단위셀과 단위셀 사이에 포함된 각 전극의 접촉에 따른 내부 단락을 방지하는 역할을 수행할 수 있으며, 동시에 이차전지 자체의 강성과 내열성을 보다 높일 수 있다.Furthermore, the polymer laminate is disposed on the outermost side of the electrode assembly, and in some cases may be inserted between the unit cells by an alternating lamination process of the unit cells constituting the electrode assembly. In this case, the polymer laminate, like the separator provided in each unit cell, can play a role in preventing internal short circuit due to contact of each electrode included between unit cells during stacking of unit cells, At the same time, the rigidity and heat resistance of the secondary battery itself can be further improved.
한편, 본 발명에 따른 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 구비하는 단위셀이 두께 방향으로 복수개가 적층된 전극 조립체를 포함한다.Meanwhile, the secondary battery according to the present invention includes an electrode assembly in which a plurality of unit cells including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode are stacked in a thickness direction.
이때, 상기 양극은 양극 집전체 상에 양극활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되는 양극 합재층을 구비하며, 필요에 따라 도전재, 바인더, 기타 첨가제 등을 선택적으로 더 포함할 수 있다.In this case, the positive electrode includes a positive electrode composite material layer prepared by applying, drying, and pressing a positive electrode active material on a positive electrode current collector, and may optionally further include a conductive material, a binder, and other additives, if necessary.
상기 양극활물질은 리튬 이차전지에 통상적으로 적용하는 것을 포함할 수 있으나, 바람직하게는 니켈, 코발트, 망간 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 3종 이상의 원소를 포함하는 리튬 금속 복합 산화물을 포함할 수 있으며, 상기 리튬 금속 복합 산화물은 경우에 따라서는 다른 전이금속 (M1)이 도핑된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 양극활물질은 가역적인 인터칼레이션과 디인터칼레이션이 가능한 하기 화학식 1로 나타내는 리튬 금속 복합 산화물일 수 있다:The cathode active material may include one commonly applied to a lithium secondary battery, but preferably may include a lithium metal composite oxide containing three or more elements selected from the group consisting of nickel, cobalt, manganese, and aluminum, In some cases, the lithium metal composite oxide may have a form doped with another transition metal (M 1 ). For example, the cathode active material may be a lithium metal composite oxide represented by Formula 1 capable of reversible intercalation and deintercalation:
[화학식 1][Formula 1]
Lix[NiyCozMnwM1v]OuLix[NiyCozMnwM 1v ]Ou
상기 화학식 1에 있어서,In Formula 1,
M1는 W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,M 1 is W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and At least one element selected from the group consisting of Mo,
x, y, z, w, v 및 u는 각각 1.0≤x≤1.30, 0.1≤y<0.95, 0.01<z≤0.5, 0≤w≤0.5, 0≤v≤0.2, 1.5≤u≤4.5이다.x, y, z, w, v and u are 1.0≤x≤1.30, 0.1≤y<0.95, 0.01<z≤0.5, 0≤w≤0.5, 0≤v≤0.2, 1.5≤u≤4.5, respectively.
하나의 예로서, 상기 양극활물질은 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.1Al0.1O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.15Al0.05O2 및 LiNi0.7Co0.1Mn0.1Al0.1O2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.As an example, the cathode active material is LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2, LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2, LiNi0.6Co0.2Mn0.1Al0.1O2 , LiNi0.6Co0.2Mn0.15Al0.05O2 and LiNi0.7Co0.1Mn0.1Al0.1O2.
또한, 상기 양극은 양극 집전체로서 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등을 사용할 수 있으며, 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 경우 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리된 것을 사용할 수도 있다.In addition, as the positive electrode current collector, one having high conductivity without causing chemical change in the battery may be used. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, etc. may be used, and aluminum or stainless steel may be surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like.
아울러, 상기 양극 집전체는 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 아울러, 상기 집전체의 평균 두께는 제조되는 양극의 도전성과 총 두께를 고려하여 3~500 ㎛에서 적절하게 적용될 수 있다.In addition, the positive electrode current collector may form fine irregularities on the surface to increase the adhesiveness of the positive electrode active material, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and non-woven fabrics are possible. In addition, the average thickness of the current collector may be appropriately applied in the range of 3 to 500 μm in consideration of the conductivity and total thickness of the anode to be manufactured.
또한, 상기 음극은 양극과 마찬가지로, 음극 집전체 상에 음극활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되는 음극 합재층을 구비하며, 필요에 따라 도전재, 바인더, 기타 첨가제 등을 선택적으로 더 포함할 수 있다.In addition, the negative electrode, like the positive electrode, includes a negative electrode mixture layer prepared by applying, drying, and pressing a negative electrode active material on a negative electrode current collector, and may optionally further include a conductive material, a binder, and other additives as needed. there is.
여기서, 상기 음극활물질은 탄소 물질과 규소(Si) 함유 물질을 포함할 수 있다. 상기 탄소 물질은 탄소 원자를 주성분으로 하는 탄소 물질을 의미하며, 이러한 탄소 물질로는 천연 흑연과 같이 층상 결정구조가 완전히 이루어진 그라파이트, 저결정성 층상 결정 구조(graphene structure; 탄소의 6각형 벌집 모양 평면이 층상으로 배열된 구조)를 갖는 소프트 카본 및 이런 구조들이 비결정성 부분들과 혼합되어 있는 하드 카본, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화 탄소, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄, 그래핀, 탄소나노튜브 등을 포함할 수 있고, 바람직하게는 천연 흑연, 인조 흑연, 그래핀 및 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.Here, the anode active material may include a carbon material and a silicon (Si)-containing material. The carbon material refers to a carbon material containing carbon atoms as a main component, and examples of the carbon material include graphite having a completely layered crystal structure such as natural graphite, a low-crystalline graphene structure; a hexagonal honeycomb plane of carbon soft carbon having this layered structure) and hard carbon in which these structures are mixed with amorphous portions, artificial graphite, expanded graphite, carbon fiber, non-graphitizable carbon, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon It may include nanotubes, fullerenes, activated carbon, graphene, carbon nanotubes, and the like, preferably at least one selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, graphene, and carbon nanotubes.
또한, 상기 규소(Si) 함유 물질은 금속 성분으로 규소(Si)를 주성분으로 포함하는 물질로서, 규소(Si), 탄화규소(SiC), 일산화규소(SiO) 및 이산화규소 (SiO2)를 단독으로 포함하거나 또는 병용할 수 있다. 상기 규소(Si) 함유 물질로서 일산화규소(SiO) 및 이산화규소 (SiO2)가 균일하게 혼합되거나 복합화되어 음극 합재층에 포함되는 경우 이들은 산화규소(SiOx, 단, 1≤x≤2)로 표시될 수 있다.In addition, the silicon (Si)-containing material is a material containing silicon (Si) as a main component as a metal component, and silicon (Si), silicon carbide (SiC), silicon monoxide (SiO) and silicon dioxide (SiO2) alone may be included or used in combination. When silicon monoxide (SiO) and silicon dioxide (SiO2) as the silicon (Si)-containing material are uniformly mixed or compounded and included in the negative electrode mixture layer, they are represented as silicon oxide (SiOx, provided that 1≤x≤2). can
상기 음극활물질은 탄소 물질과 규소(Si) 함유 물질을 포함하되, 전체 100 중량부에 대하여 탄소 물질 75 내지 99 중량부 및 규소(Si) 함유 물질 1 내지 25 중량부를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 음극활물질은 전체 100 중량부에 대하여 탄소 물질 80 내지 95 중량부 및 규소(Si) 함유 물질 5 내지 20 중량부; 탄소 물질 90 내지 97 중량부 및 규소(Si) 함유 물질 3 내지 10 중량부; 탄소 물질 85 내지 92 중량부 및 규소(Si) 함유 물질 8 내지 15 중량부; 탄소 물질 82 내지 87 중량부 및 규소(Si) 함유 물질 13 내지 18 중량부; 또는 탄소 물질 93 내지 98 중량부 및 규소(Si) 함유 물질 2 내지 7 중량부로 함유할 수 있다.The negative active material may include a carbon material and a silicon (Si)-containing material, but may include 75 to 99 parts by weight of a carbon material and 1 to 25 parts by weight of a silicon (Si)-containing material with respect to a total of 100 parts by weight. More specifically, the negative electrode active material may include 80 to 95 parts by weight of a carbon material and 5 to 20 parts by weight of a silicon (Si)-containing material, based on 100 parts by weight of the total; 90 to 97 parts by weight of a carbon material and 3 to 10 parts by weight of a silicon (Si)-containing material; 85 to 92 parts by weight of a carbon material and 8 to 15 parts by weight of a silicon (Si)-containing material; 82 to 87 parts by weight of a carbon material and 13 to 18 parts by weight of a silicon (Si)-containing material; Alternatively, 93 to 98 parts by weight of a carbon material and 2 to 7 parts by weight of a silicon (Si)-containing material may be included.
이와 더불어, 상기 바인더는 음극활물질들을 고착시키기 위한 것으로, 예를 들어, 폴리비닐레덴 플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴산(PAA), 폴리메타크릴 산(PMMA), 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber; SBR), 카복시메틸 셀룰로오스(CMC) 등에서 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.In addition, the binder is for fixing the negative electrode active materials, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylic acid (PAA), polymethacrylic acid (PMMA), styrene-butadiene rubber ; SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), or the like, or a mixture of two or more thereof.
또한, 상기 바인더의 함량은 음극활물질 100 중량부에 대하여 0.5 내지 5 중량부일 수 있으며, 구체적으로는 0.5 내지 4 중량부, 또는 1 내지 3 중량부일 수 있다.In addition, the content of the binder may be 0.5 to 5 parts by weight, specifically 0.5 to 4 parts by weight, or 1 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material.
아울러, 상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 등을 사용할 수 있으며, 구리나 스테인리스 스틸의 경우 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리된 것을 사용할 수도 있다.In addition, the anode current collector is not particularly limited as long as it does not cause chemical change in the battery and has high conductivity. For example, copper, stainless steel, nickel, titanium, fired carbon, etc. may be used, and copper However, in the case of stainless steel, surface treatment with carbon, nickel, titanium, silver, etc. may be used.
또한, 상기 음극 집전체는 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질과의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다. 아울러, 상기 음극 집전체의 평균 두께는 제조되는 음극의 도전성과 총 두께를 고려하여 1~500 ㎛에서 적절하게 적용될 수 있다.In addition, like the positive electrode current collector, the negative electrode current collector may form fine irregularities on the surface to strengthen the bonding force with the negative electrode active material, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics are available. possible. In addition, the average thickness of the negative electrode current collector may be appropriately applied in the range of 1 to 500 μm in consideration of the conductivity and total thickness of the negative electrode to be manufactured.
이와 더불어, 각 단위셀의 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 갖는 절연성 박막으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 구체적으로는 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌; 폴리에틸렌; 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체 중 1종 이상의 중합체를 포함하는 것을 사용할 수 있다.In addition, the separator interposed between the anode and cathode of each unit cell is an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength, and is not particularly limited as long as it is commonly used in the art, but is specifically chemical-resistant and hydrophobic poly propylene; polyethylene; Polyethylene-propylene copolymers containing at least one polymer may be used.
상기 분리막은 상술된 중합체를 포함하는 시트나 부직포 등의 다공성 고분자 기재 형태를 가질 수 있으며, 상기 다공성 고분자 기재 상에 평균 입경이 0.01~10㎛인 무기 입자가 유기 바인더에 의해 코팅된 복합 분리막의 형태를 가질 수도 있다.The separator may have a form of a porous polymer substrate such as a sheet or nonwoven fabric containing the above-described polymer, and a composite separator in which inorganic particles having an average particle diameter of 0.01 to 10 μm are coated with an organic binder on the porous polymer substrate. may have
이때, 상기 무기 입자는 탄산칼슘(Calcium carbonate, CaCO3), 실리카(Slica, Silicon dioxide, SiO2), 산화알루미늄(Aluminium oxide, Al2O3), 보헴마이트(Boehmite, AlOOH) 및 티타늄옥사이드(Titanium dioxide, TiO2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 무기 입자는 내열성 및 단열성이 우수한 상기 성분들로 구성되어 셀에 과전류나 열 폭주가 발생되는 경우 분리막의 수축을 방지하는 한편, 전지셀의 발화 및/또는 폭발을 지연시킬 수 있다.At this time, the inorganic particles include calcium carbonate (CaCO 3 ), silica (Slica, Silicon dioxide, SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), boehmite (AlOOH) and titanium oxide ( Titanium dioxide, TiO 2 ) may include one or more selected from the group consisting of. The inorganic particles are composed of the components having excellent heat resistance and thermal insulation properties, so that when overcurrent or thermal runaway occurs in the cell, shrinkage of the separator may be prevented, while ignition and/or explosion of the battery cell may be delayed.
또한, 상기 무기 입자는 분리막 전체 중량에 대하여 30 내지 70 중량%로 분리막에 포함될 수 있고, 구체적으로는 분리막 전체 중량에 대하여 40 내지 60 중량%로 분리막에 포함될 수 있다. 본 발명은 분리막에 포함되는 무기 입자의 함량을 상기 범위로 조절함으로써 분리막으로 인한 전극 조립체의 기계적 강도를 보다 향상시킬 수 있다.In addition, the inorganic particles may be included in the separator in an amount of 30 to 70% by weight based on the total weight of the separator, and specifically, 40 to 60% by weight based on the total weight of the separator. In the present invention, the mechanical strength of the electrode assembly due to the separator can be further improved by adjusting the content of the inorganic particles included in the separator within the above range.
아울러, 상기 분리막은 기공의 평균 직경이 0.01~10㎛일 수 있고, 평균 두께는 5~300㎛일 수 있다. In addition, the separator may have an average pore diameter of 0.01 to 10 μm and an average thickness of 5 to 300 μm.
또한, 상기 전극 조립체는 각 단위셀 내부에 구비된 분리막 이외에 단위셀 사이에 보조 분리막을 더 포함할 수 있다. 상기 보조 분리막은 단위셀 사이에 배치되어 단위셀 내부에 구비된 분리막과 마찬가지로 단위셀에 구비된 각 전극의 접촉에 따른 내부 단락을 방지하기 위하여 단위셀들을 분리하는 역할을 수행할 수 있다.In addition, the electrode assembly may further include an auxiliary separator between unit cells in addition to the separator provided inside each unit cell. The auxiliary separator may be disposed between unit cells to separate unit cells in order to prevent an internal short circuit due to contact of each electrode provided in the unit cell, similar to a separator provided inside the unit cell.
이러한 보조 분리막은 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌; 폴리에틸렌; 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체 중 1종 이상의 중합체로 구성되는 다공성 고분자 기재에 무기물 입자 또는 유리 섬유가 분산된 구조를 가질 수 있으며, 단위셀과 단위셀의 교호 적층 공정에 의해 단위셀들 사이에 삽입될 수 있다.This auxiliary separator is chemically resistant and hydrophobic polypropylene; polyethylene; It may have a structure in which inorganic particles or glass fibers are dispersed in a porous polymer substrate composed of at least one polymer of polyethylene-propylene copolymer, and may be inserted between unit cells by an alternating lamination process of unit cells and unit cells. there is.
나아가, 상기 이차전지는 전지가 사용되는 용도에 따라 단위셀의 적층 개수가 적절하게 제어될 수 있으나, 구체적으로는 2개 내지 50개의 단위셀을 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로는 3개 내지 40개; 3개 내지 30개; 3개 내지 20개; 5개 내지 10개; 8개 내지 25개; 15개 내지 30개; 20개 내지 40개; 30개 내지 50개; 또는 10개 내지 40개의 단위셀을 포함할 수 있다.Furthermore, in the secondary battery, the number of stacked unit cells may be appropriately controlled depending on the purpose for which the battery is used, but specifically, it may include 2 to 50 unit cells, and more specifically, 3 to 40 unit cells. dog; 3 to 30; 3 to 20; 5 to 10; 8 to 25; 15 to 30; 20 to 40; 30 to 50; Alternatively, it may include 10 to 40 unit cells.
본 발명은 이차전지에 구비되는 단위셀의 개수를 상기 범위로 제어함으로써 전지의 충방전 시 발생되는 발열로 인한 전지 성능 저하를 최소화하면서 원하는 전지 출력 및 용량을 구현할 수 있다.According to the present invention, by controlling the number of unit cells included in the secondary battery within the above range, desired battery output and capacity can be realized while minimizing degradation in battery performance due to heat generated during charging and discharging of the battery.
본 발명에 따른 이차전지는 상술된 바와 같이 복수의 단위셀이 적층된 전극 조립체의 최외각에, 복수의 1축 연신 고분자 박막이 적층된 고분자 적층체를 배치함으로써, 외부 충격에 대한 저항성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전지의 내열성을 개선할 수 있으므로, 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.As described above, the secondary battery according to the present invention is to improve resistance to external impact by disposing a polymer laminate in which a plurality of uniaxially stretched polymer thin films are laminated at the outermost part of an electrode assembly in which a plurality of unit cells are laminated. In addition, since heat resistance of the battery can be improved, safety can be further improved.
이차전지 모듈Secondary battery module
또한, 본 발명은 일실시예에서,In addition, in one embodiment of the present invention,
상술된 본 발명에 따른 이차전지를 포함하는 이차전지 모듈을 제공한다.Provided is a secondary battery module including the secondary battery according to the present invention described above.
본 발명에 따른 이차전지 모듈은 상술된 본 발명의 이차전지를 구비하여, 외부로부터 가해지는 충격에 대한 저항이 높고, 모듈의 충방전 시 이차전지에서 발생되는 열의 방열 효과가 우수하여 이차전지의 축열을 방지할 수 있으므로, 전지의 열화 및 안전성이 뛰어난 이점이 있다.The secondary battery module according to the present invention includes the above-described secondary battery of the present invention, has high resistance to impact applied from the outside, and has an excellent heat dissipation effect of heat generated from the secondary battery during charging and discharging of the module, thereby accumulating heat of the secondary battery. Since it can prevent, there is an advantage of excellent battery deterioration and safety.
본 발명에 따른 이차전지 모듈은 본 발명의 이차전지를 구비하는 구성을 가짐으로써 고온 노출 시 안전성이 우수하므로, 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다. 이러 한 중대형 디바이스의 구체적인 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기 자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(Escooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있고, 좀더 구체적으로는 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Since the secondary battery module according to the present invention has a configuration including the secondary battery of the present invention and has excellent safety when exposed to high temperatures, it can be used as a power source for medium or large-sized devices requiring high temperature safety, long cycle characteristics, and high rate characteristics. . Specific examples of these medium-large devices include a power tool powered by an omniscient motor and moving; electric vehicles, including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like; electric two-wheeled vehicles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (Escooters); electric golf carts; A power storage system may be mentioned, and more specifically, a hybrid electric vehicle (HEV) may be cited, but is not limited thereto.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples and experimental examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following Examples and Experimental Examples.
제조예 1~5. 고분자 적층체의 제조Production Examples 1 to 5. Manufacture of polymer laminates
폴리프로필렌(PP)으로 구성된 1축 연신 건식 고분자 박막(1-PF, 평균 두께: 60㎛)과 폴리프로필렌(PP)으로 구성된 2축 연신 습식 고분자 박막(2-PF, 평균 두께: 60㎛)을 각각 준비하고, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 적층하여 고분자 적층체를 준비하였다. 여기서, 상기 건식 고분자 박막 및 습식 고분자 박막의 관통 강도(puncture)은 각각 250 gf 및 700gf 였다. 또한, 인장 신율(tensile elongation)은 건식 고분자 박막의 경우 종방향(MD) 및 횡방향(TD)으로 각각 32% 및 8%이고 습식 고분자 박막의 경우 종방향(MD) 및 횡방향(TD)으로 각각 130% 및 120%였다.A uniaxially stretched dry polymer thin film (1-PF, average thickness: 60㎛) composed of polypropylene (PP) and a biaxially stretched wet polymer thin film (2-PF, average thickness: 60㎛) composed of polypropylene (PP) were prepared. Each was prepared and laminated as shown in Table 1 below to prepare a polymer laminate. Here, the punctures of the dry polymer thin film and the wet polymer thin film were 250 gf and 700 gf, respectively. In addition, the tensile elongation was 32% and 8% in the machine direction (MD) and transverse direction (TD), respectively, for the dry polymer thin film, and in the machine direction (MD) and transverse direction (TD) for the wet polymer thin film. 130% and 120%, respectively.
실시예 1~3 및 비교예 1~3. 이차전지의 제조Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. Manufacturing of secondary batteries
양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 구비하는 단위셀과 보조 분리막을 각각 10개씩 준비하고, 상기 10개의 단위셀과 보조 분리막이 두께 방향으로 교대로 적층된 전극 조립체를 제작하였다. 이때, 각 단위셀에 구비되는 분리막 및 보조 분리막은 산화알루미늄(Al2O3, 평균 입경: 1㎛, 박막 전체 중량 기준 40중량%)을 포함하는 다공성 폴리에틸렌 박막(평균 두께: 20㎛)을 사용하였다. 또한, 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 제조예에서 제조된 고분자 적층체가 전극 조립체에 도입되었다.10 unit cells and an auxiliary separator each having a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode were prepared, and an electrode assembly in which the 10 unit cells and the auxiliary separator were alternately stacked in the thickness direction was manufactured. At this time, a porous polyethylene thin film (average thickness: 20 μm) containing aluminum oxide (Al 2 O 3 , average particle diameter: 1 μm, 40% by weight based on the total weight of the thin film) is used as the separator and auxiliary separator provided in each unit cell. did In addition, as shown in Table 2 below, the polymer laminate prepared in Preparation Example was introduced into the electrode assembly.
고분자 적층체가 도입된 전극 조립체를 셀 파우치에 삽입하고, 전해액을 주입하여 이차전지를 제조하였다. 이때, 셀 파우치에 주입된 전해액은 EC(EthyleneCarbonate)와 EMC(Ethyl Methyl Carbonate)가 3:7의 부피비로 혼합된 유기 용매에 리튬 염으로서 LiPF6가 첨가된 액상 전해질을 사용하였다.A secondary battery was manufactured by inserting the electrode assembly into which the polymer laminate was introduced into a cell pouch and injecting an electrolyte solution. At this time, the electrolyte injected into the cell pouch used a liquid electrolyte in which LiPF 6 as a lithium salt was added to an organic solvent in which EC (EthyleneCarbonate) and EMC (Ethyl Methyl Carbonate) were mixed in a volume ratio of 3:7.
실험예.experimental example.
본 발명에 따른 이차전지의 성능을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.In order to evaluate the performance of the secondary battery according to the present invention, the following experiments were performed.
가) 고분자 적층체의 기계적 물성 평가A) Evaluation of mechanical properties of polymer laminates
제조예 1~5에서 제조된 고분자 적층체를 대상으로 ASTM D882에 따른 관통 강도(puncture) 및 인장 신율(tensile elongation)을 측정하였다.For the polymer laminates prepared in Preparation Examples 1 to 5, puncture and tensile elongation were measured according to ASTM D882.
나) 이차전지의 부피 변화 평가B) Evaluation of volume change of secondary battery
실시예 및 비교예에서 제작된 이차전지들을 대상으로 과충전을 수행하고, 과충전된 이차전지의 부피 변화를 평가하였다. 구체적으로, 각 대상 이차전지들의 부피를 측정하고, 충방전기에 장착하였다. 그런 다음, 충방전기에 장착된 이차전지들을 4.2V로 충전하고, 1A의 정전류로 10V가 될 때까지 과충전한 후, 10V의 정전압을 6시간 동안 유지하였다. 6시간이 경과되면, 각 이차전지들을 부피를 측정하여 이차전지들의 과충전 이전 대비 변화된 부피 변화율을 산출하였다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.Overcharging was performed on the secondary batteries fabricated in Examples and Comparative Examples, and volume change of the overcharged secondary batteries was evaluated. Specifically, the volume of each target secondary battery was measured and mounted in a charger/discharger. Then, the secondary batteries installed in the charger/discharger were charged to 4.2V, overcharged with a constant current of 1A until the current reached 10V, and then the constant voltage of 10V was maintained for 6 hours. After 6 hours had elapsed, the volume of each secondary battery was measured to calculate a volume change rate compared to that before overcharging of the secondary batteries. The results are shown in Table 3 below.
다) 이차전지의 임팩트 시험C) Impact test of secondary battery
실시예 및 비교예의 이차전지들을 각각 3개씩 준비하고, 준비된 각 이차전지의 SOC가 100%가 되도록 충전하였다. 그런 다음, 준비된 이차전지들을 대상으로 UN1642DL 임팩트 인증 규격에 따른 이차전지 충격 시험을 수행하였다. 이때, 사용된 추의 무게는 9kg이었으며, 이차전지에 놓여진 직경 16㎜의 환봉 상에 낙하시켜 이차전지의 환봉 평균 눌림폭과 낙하 후 이차전지의 발화여부를 평가하였다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.Three secondary batteries of Examples and Comparative Examples were prepared, respectively, and charged so that the SOC of each prepared secondary battery became 100%. Then, a secondary battery impact test according to the UN1642DL impact certification standard was performed on the prepared secondary batteries. At this time, the weight of the weight used was 9 kg, and it was dropped on a round bar having a diameter of 16 mm placed on the secondary battery to evaluate the average pressing width of the round bar of the secondary battery and whether or not the secondary battery ignited after falling. The results are shown in Table 3 below.
(단위: ㎜)Round bar average pressing width
(unit: mm)
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 기계적 물성이 강화되어 외부 충격에 대한 저항성이 우수하고, 내열성이 뛰어난 것을 알 수 있다.As shown in Table 3, it can be seen that the secondary battery according to the present invention has enhanced mechanical properties, excellent resistance to external impact, and excellent heat resistance.
구체적으로, 본 발명에서 사용되는 제조예 1 및 2의 고분자 적층체는 복수의 1축 연신 건식 고분자 박막이 연신 방향이 어긋나도록 적층되어 관통강도 및 인장신율 등의 기계적 물성이 높은 것으로 확인되었다.Specifically, it was confirmed that the polymer laminates of Preparation Examples 1 and 2 used in the present invention had high mechanical properties such as penetration strength and tensile elongation because a plurality of uniaxially stretched dry polymer thin films were stacked so that the stretching direction was shifted.
또한, 실시예의 이차전지들은 이러한 고분자 적층체를 전극 조립체의 최외각에 포함함으로써 과충전과 같이 이차전지가 고온에 노출되는 경우에도 전지의 부피 변화율이 110% 미만(부피 증가율 10% 미만)으로 낮고, 임팩트 시험 시 환봉에 의해 눌리는 폭이 7.5㎜ 이하로 작게 나타났다. In addition, the secondary batteries of the embodiments include such a polymer laminate on the outermost part of the electrode assembly, so that the volume change rate of the battery is less than 110% (volume increase rate less than 10%) even when the secondary battery is exposed to high temperatures such as overcharging. Low, During the impact test, the width pressed by the round bar was found to be less than 7.5 mm.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 이차전지는 복수의 단위셀이 적층된 전극 조립체의 최외각에, 복수의 1축 연신 고분자 박막이 연신 방향이 어긋나도록 적층된 고분자 적층체를 배치함으로써, 전지의 내열성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 외부 충격에 대한 저항성을 향상시킬 수 있으므로, 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.From these results, the secondary battery according to the present invention arranges a polymer laminate in which a plurality of uniaxially stretched polymer thin films are stacked so that the stretching direction is shifted at the outermost part of the electrode assembly in which a plurality of unit cells are stacked, thereby heat resistance of the battery In addition, since resistance to external impact can be improved, safety can be further improved.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art or those having ordinary knowledge in the art do not deviate from the spirit and technical scope of the present invention described in the claims to be described later. It will be understood that various modifications and changes can be made to the present invention within the scope.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.Therefore, the technical scope of the present invention is not limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.
Claims (11)
상기 전극 조립체의 최외각에 배치되는 고분자 적층체를 포함하고,
상기 고분자 적층체는 복수의 1축 연신 고분자 박막이 적층된 구조를 갖되, 적층된 고분자 박막 중 임의의 고분자 박막의 연신 방향과 인접한 고분자 박막의 연신 방향이 어긋나도록 적층되는 이차전지.
An electrode assembly in which a plurality of unit cells are stacked, each having a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and
Including a polymer laminate disposed on the outermost side of the electrode assembly,
The polymer laminate has a structure in which a plurality of uniaxially stretched polymer thin films are laminated, and the secondary battery is laminated so that the stretching direction of any polymer thin film among the stacked polymer thin films and the stretching direction of an adjacent polymer thin film are misaligned.
고분자 적층체는 임의의 고분자 박막과 인접한 고분자 박막의 각 연신 방향이 50° 내지 130°의 각도로 어긋나도록 적층되는 이차전지.
According to claim 1,
A secondary battery according to claim 1 , wherein the polymer laminate is laminated so that each stretching direction of an arbitrary polymer thin film and an adjacent polymer thin film are offset by an angle of 50° to 130°.
고분자 적층체는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 폴리부텐(polybutene), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌-폴리프로필렌 공중합체(PE-PP copolymer) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중 1종 이상을 포함하는 건식 고분자 박막을 포함하는 이차전지.
According to claim 1,
The polymer laminate is one of high density polyethylene (HDPE), linear low density polyethylene (LLDPE), polybutene, polypropylene (PP), polyethylene-polypropylene copolymer (PE-PP copolymer) and polyethylene terephthalate (PET). A secondary battery comprising a dry polymer thin film containing more than one species.
고분자 적층체의 평균 두께는 10㎛ 내지 500㎛인 이차전지.
According to claim 1,
A secondary battery having an average thickness of the polymer laminate of 10 μm to 500 μm.
1축 연신 고분자 박막의 관통 강도는 200 gf 이상이고,
고분자 적층체의 관통 강도는 600 내지 1000gf인 이차전지.
According to claim 1,
The penetration strength of the uniaxially stretched polymer thin film is 200 gf or more,
A secondary battery having a penetration strength of 600 to 1000 gf of the polymer laminate.
전극 조립체에 구비된 분리막은 폴리프로필렌; 폴리에틸렌; 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체 중 1종 이상을 포함하는 습식 분리막인 이차전지.
According to claim 1,
The separator provided in the electrode assembly is polypropylene; polyethylene; A secondary battery that is a wet separator comprising at least one of polyethylene-propylene copolymers.
전극 조립체에 구비된 분리막은 평균 입경이 0.01 내지 10㎛의 무기 입자를 포함하는 이차전지.
According to claim 1,
The separator provided in the electrode assembly includes inorganic particles having an average particle diameter of 0.01 to 10 μm.
무기 입자는 탄산칼슘(Calcium carbonate, CaCO3), 실리카(Slica, Silicon dioxide, SiO2), 산화알루미늄(Aluminium oxide, Al2O3), 보헴마이트(Boehmite, AlOOH) 및 티타늄옥사이드(Titanium dioxide, TiO2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 이차전지.
According to claim 7,
Inorganic particles include calcium carbonate (CaCO 3 ), silica (Slica, Silicon dioxide, SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), Boehmite (AlOOH) and titanium dioxide, A secondary battery comprising at least one selected from the group consisting of TiO 2 ).
단위셀은 2 내지 50개가 포함되는 이차전지.
According to claim 1,
A secondary battery including 2 to 50 unit cells.
이차전지는 적층된 단위셀과 단위셀 사이에 고분자 적층체를 더 포함하는 이차전지.
According to claim 1,
The secondary battery further comprises a polymer laminate between the stacked unit cells and the unit cells.
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