JP2018537816A - 針状導体による短絡を防止するインシュレータアセンブリを含む電池セル - Google Patents
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Abstract
本発明は、インシュレータアセンブリ（insulator assembly）を含む電池セルに関するものであって、針状導体が前記インシュレータアセンブリを貫通するとき、針状導体の針状端部が導入されるインシュレータアセンブリの部位が欠落され針状導体と一緒に電極組立体を貫通して、前記インシュレータアセンブリの欠落部位によって電極組立体の貫通口平面形状が決定されることを特徴とする電池セルを提供する。
Description
本発明は、針状導体による短絡を防止するインシュレータアセンブリを含む電池セルに関するものである。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するにつれて、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しており、それに応じて多様なニーズに応え得る二次電池（または「電池セル」）対する研究が行われている。
このような、 電池セルは、電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒形または角形の金属缶に内蔵されている円筒形電池と角形電池、電極組立体がアルミラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池に分類される。
また、 電池セルは、陽極、陰極、および分離膜からなる電極組立体が、どういう構造で形成されているのかによって分類されることもある。代表的には、長シート型の陽極と陰極を分離膜が介在された状態で巻き取りした構造のゼリーロール（巻取型） 電極組立体 、所定の大きさの単位で切り取った多数の陽極と陰極を分離膜を介在した状態で順次的に積層したスタック型（積層型）電極組立体、所定単位の陽極と陰極を分離膜を介在した状態で積層した単位セルであるバイセル（bicell）またはフルセル（full cell）を分離フィルム上に配置した後、 巻き取りした構造のスタック/折り畳み型の電極組立体、バイセル（bicell）またはフルセル（full cell）を分離膜を介在した状態でスタックした構造の電極組立体などを挙げ得る。
最近では、製造工程が簡単で、製造単価が低いのみならず、デバイスの様々な形態に対応して、構造的な応用性が高いバイセルまたはフルセルを含む電極組立体を含む電池セルが注目されている。
一方、電極組立体は、釘のような電気伝導性を有する鋭い針状の導体に貫通された場合に、陽極と陰極が針状導体によって電気的に連結され、電流が抵抗の低い 針状導体に流れる。このとき、貫通された電極の変形が発生し、陽極活物質と陰極活物質との間の接触抵抗部に通電される電流によって高い抵抗熱が発生することになる。前記の熱により電極組立体の温度が限界値以上に上昇するようになると、陽極活物質の酸化物構造が崩壊されて熱暴走現象が発生するようになり、これは、電極組立体と電池セルを発火、または爆発させる主な原因として作用し得る。
また、針状導体によって曲がった電極活物質または集電体が相互に対面する反対極と接触する場合には、抵抗熱よりも高い発熱が生じる。そのため、前述した熱暴走現象をさらに加速させることができ、このような問題点は、多数の電極が含まれているバイセル及びこれを含む電極組立体にてさらに深刻に発生し得る。
したがって、短絡、発火、爆発などを防止して、より安全性を向上させる構造の電池セルの必要性が高いのが実情である。
本発明は、前記のような従来技術の問題点と、過去から要求されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
具体的に本発明の目的は、針状導体に対する安定性を担保することができるインシュレータアセンブリを含む電池セルを提供するものである。
このような目的を達成するための本発明の第1の形態による電池セルは、電極組立体、電解液とセルケースを含む電池セルであって、電極の積層方向から電極組立体の両面のうちの少なくとも一面の外側には、電気絶縁性のインシュレータアセンブリ（insulator assembly）が付加されており、針状導体が前記のインシュレータアセンブリを貫通するとき、針状導体の針状端部が導入されるインシュレータアセンブリの部位が欠落されつつ、針状導体とともに電極組立体を貫通し、前記インシュレータアセンブリの欠落部位によって電極組立体の貫通口平面形状が決定されることを特徴とする。
これをさらに詳細に説明すると、本発明による電池セルでは、針状導体が貫通するとき、針状導体の代わりに、欠落したインシュレータアセンブリ部位が電極組立体の貫通形態を決定するように構成されていて、針状導体が貫通口の内で電極組立体の内側の電極に接触される可能性を著しく減少させ得る。
したがって、本発明では、欠落したインシュレータアセンブリ部位の平面積が針状導体から垂直断面の幅が最も広い部分よりも大きいように構成されており、これにより、前記の欠落されたインシュレータアセンブリ部位が針状導体の垂直断面積比より大きな平面積を有する貫通口を形成し得るものである。
本発明で定義した針状導体とは、釘、ねじ、ボルトなどの鋭く長い形の部材で理解し得る。
そこで、以下では、針状導体の一つの例として、端部が鋭い釘だと仮定し、インシュレータアセンブリの具体的な構造と作用構造を詳細に説明する。
そこで、以下では、針状導体の一つの例として、端部が鋭い釘だと仮定し、インシュレータアセンブリの具体的な構造と作用構造を詳細に説明する。
一つの具体的な例では、前記インシュレータアセンブリは二つ以上のインシュレーターが積層されている構造で成されており,
前記インシュレータアセンブリは、単一のインシュレーター、または二つ以上のインシュレーターが積層されている 構造で成されており,
前記インシュレーターは、絶縁性本体、及び前記絶縁性本体上に形成されている複数の欠落パターンが含まれている構造であり得る。
前記インシュレータアセンブリは、単一のインシュレーター、または二つ以上のインシュレーターが積層されている 構造で成されており,
前記インシュレーターは、絶縁性本体、及び前記絶縁性本体上に形成されている複数の欠落パターンが含まれている構造であり得る。
前記絶縁性本体は絶縁性に優れたポリイミド、シリコン、テフロン（登録商標）、アラミドファイバー（Aramid fiber）、グラスファイバー（Glass fiber）、UHMWPE繊維（Ultra-highmolecular-weight polyethylene fiber）とPBO繊維（Polybenzoxazole fiber）からなる群から選択された1種以上であり得る。
前記インシュレータアセンブリにおいて、二つ以上のインシュレーターは、それぞれのインシュレーターに形成されている欠落部のパターンが相互に重ならない形で積層された構造であり得る。
このような積層構造は、平面上に欠落部のパターンが相対的に密に配列されることがあるため、針状導体の貫通に対する死角地帯の形成を最小限に抑え得る。
これとは異なり、単一のインシュレーターの場合には、相対的に薄い厚さを持つため、電池セルの厚さや体積の側面で有利である。
場合によっては、インシュレーターの外面の中、少なくとも一面には、フッ素、エナメル、シリコンなどの絶縁性コーティング剤が塗布され得る。
本発明では、針状導体が欠落パターンを貫通する際、インシュレータアセンブリに導入される針状導体の針状端部により、前記の欠落パターンが絶縁性本体から欠落した状態で針状導体とともに電極組立体を貫通することができる。
このような欠落パターンは、電極組立体の貫通時の破損されていない引張強度を持つように金属、高強度プラスチックまたはセラミックから構成された欠落部;および前記欠落部の中心部と隣接する部位で、欠落部の平面積に比べ50％〜80％の平面積のサイズに穿孔されている針状導体誘導部を包含し、針状導体誘導部が針状導体の針状端部に固定されると、欠落部は絶縁性本体から欠落した状態で針状導体に沿って貫通方向へと進行し、電極組立体を貫通し得る。
このように、針状導体の避けられない浸透時、針状導体ではなく、針状導体に固定された欠落部が電極組立体を貫通するようになり、針状導体が電極に直接接触される現象が抑制され得る。
一つの具体例では、前記の欠落部が電極組立体に形成される貫通口平面形状と面積を決定するように、欠落パターンの総平面が7mm2 乃至200mm2 であり、詳細には20mm2 乃至95mm2 であり得る。
前記の平面積は、当業界の一般的な釘、ねじ、ボルトなどの大きさを考慮して設定されたもので、一般的な針状導体の直径が約1mm〜10mmであるため、これらの垂直断面積より大きい平面積を持つ欠落部が形成される貫通口の平面上の直径が、前記針状導体の直径より大きいため、針状導体が貫通口の内で電極に接触する可能性が著しく低くなる。
このように、欠落部が電極組立体を貫通するためには、貫通の過程で破損しない程度の強度を持つ必要があり、そのために、本発明では、前記欠落部の引張強度が1 Kg/cm〜10 Kg/cmであり得る。
本発明では、前記の高強度プラスチックはポリアミド、ポリアセチル、ポリカーボネート、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンオキサイド、ポリオレフィン、ポリイミド、シリコン、テフロン（登録商標）、アラミドファイバー（Aramid fiber）、グラスファイバー（Glass fiber）、UHMWPEファイバー（Ultra-highmolecular-weight polyethylene fiber）とPBO繊維（Polybenzoxazole fiber）から選択される一つから構成され得る。
場合によっては、前記の絶縁性本体も、前記高強度プラスチックから構成され得る。
前記金属は、アルミニウム、銅、SUS、ウラニウム、パラジウム、白金、ニッケル、モリブデンからなる群から選択される1種、または2種以上の合金であり得るが、これらだけに限定されるものではない。
場合によっては、前記金属の表面が有機系絶縁コーティング、無機系絶縁コーティングまたは陽極酸化（anodizing）処理され得る。
一つの具体的な例では、前記針状導体誘導には、針状導体の針状端部に沿って延伸できる絶縁膜がさらに付加され得る。
このような絶縁膜は、摩擦力により、針状導体と欠落部を包み込むような形で延伸され つつ、針状導体と電極達が直接接触することを防止し得る。
前記絶縁膜の厚さは、少なくとも15マイクロメーター以上の厚さで構成され得るし、詳細には、20マイクロメーターの厚さであり得る。これは絶縁膜の延伸率を考慮したものであり、絶縁膜の厚さが15マイクロメーター未満の場合、針状導体と欠落部を包み得る程度の延伸が期待できないため、望ましくない。
前記絶縁膜は、有/無機複合多孔性のSRS（Safety-Reinforcing Separators）分離膜であり得る。
このようなSRS分離膜は、無機物粒子の耐熱性により高温熱収縮が発生しないため、針状導体によって電極組立体が貫通されても、絶縁膜の延伸率が維持し得る。
前記SRS分離膜は、ポリオレフィン系分離膜基材上に無機物粒子とバインダー高分子を活性層成分が塗布された構造であり得る。
このようなSRS分離膜は、分離膜基材自体に含まれている気孔構造と共に、活性層成分である無機物粒子間の空き領域（interstitial volume）により形成された均一な気孔構造を持つことができるし、前記気孔は、電極組立体に加わる外部の衝撃を大幅に緩和させることができるのみならず、気孔を介してリチウムイオンの円滑な移動が行われ、多量の電解液が満たされて、高い含浸率を示し得るため、電池の性能向上を一緒に図ることができる。
前記分離膜基材と活性層は、ポリオレフィン系分離膜基材の表面の気孔と活性層が相互に絡み合っている形態（anchoring）に存在して分離膜基材と活性層が物理的に強固に結合することができ、このとき、前記分離膜基材と活性層は、物理的結合力と分離膜上に存在する気孔構造を考慮して、9：1乃至1：9の厚さ比を持つことができ、詳細には5：5の厚さ比を持ち得る。
前記SRS分離膜では、ポリオレフィン系分離膜基材の表面および/または基材の中、気孔の一部に形成される活性層成分の一つは、当業界で一般的に使用する無機物粒子である。
前記無機物粒子は、無機物粒子間の空き領域の形成を可能にして微細気孔を形成する役割と、物理的形態を維持することができる一種のスペーサー（spacer）の役割を兼ねることになる。また、前記無機物粒子は、一般的に摂氏200度以上の高温になっても、物理的特性が変わらない特性を持つため、形成された有/無機複合多孔性フィルムが卓越した耐熱性を持つようになる。
前記無機物粒子は、電気化学的に安定するのであれば、特に制限されない。すなわち、本発明で使用できる無機物粒子は、適用される電池の動作電圧範囲（例えば、Li/Li+基準で0〜5V）で酸化及び/または還元反応が起こらないものであれば特に制限されない。特に、イオン伝達能力のある無機物粒子を使用する場合、電気化学素子内のイオン伝導度を高めて性能向上を図ることができるので、可能なイオン伝導度が高いことが望ましい。また、前記無機物粒子が高い密度を有する場合には、コーティング時の分散させる難しさがあるだけでなく、電池製造時重量増加の問題もあるので、可能な密度が小さいことが望ましい。
また、誘電率が高い無機物である場合には、液体電解質内の電解質塩、例えばリチウム塩解離度の増加に寄与して電解液のイオン伝導度を向上させることができる。
前述した理由によって、前記無機物粒子は、（a）圧電性（piezoelectricity）を有する無機物粒子及び、（b）リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子で構成された群から選ばれた1種以上であり得る。
前記圧電性（piezoelectricity）無機物粒子は、常圧では不導体であるが、一定の圧力が印加された場合、内部構造の変化によって、電気が通じる物性を有する物質を意味するもので、誘電率定数が100以上である高誘電率の特性を示すだけでなく、一定の圧力を印加して引張または圧縮されている場合、電荷が発生し、一面は陽で、反対側は陰にそれぞれ帯電されるので、両面の間に電位差が発生する機能を有する物質である。
前記のような特徴を有する無機物粒子を多孔性活性層の成分として使用する場合には、針状導体のような外部からの衝撃によって両電極の内部短絡が発生した場合、分離膜にコーティングされた無機物粒子により陽極と陰極が 直接接触しないだけでなく、無機物粒子の圧電性により、粒子内の電位差が発生するようになり、これによって両電極間の電子の移動、すなわち微細な電流が流れることにより、緩やかな電池の電圧低下およびこれによる安全性の向上を 図ることができる。
前記圧電性を有する無機物粒子の例としては、BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT)とhafnia（HfO2）から構成された群から選択された1種以上であり得るが、これに限定されるものではない。
前記リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子は、リチウム元素を含有するもの、リチウムを保存せず、リチウムイオンを移動させる機能を有する無機物粒子を指すものであり、リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子は、粒子構造の内部に存在する一種の欠陥（defect）によりリチウムイオンを伝達及び移動させることができるため、電池内リチウムイオン伝導度が向上し、これにより、電池性能の向上を 図ることができる。
前記リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子の例としては, リチウムフォスフェイト（Li3PO4）、リチウムチタンフォスフェイト（ LixTiy(PO4)3,0<x<2,0<y<3）、リチウムアルミニウムチタンフォスフェイト（LixAlyTiz(PO4)3,0<x<2,0<y<1,0<z<3), (LiAlTiP)xOy 系列glass（0<x<4,0<y<13）、リチウムランタンチタネート（LixLayTiO3,0<x<2,0<y<3）、リチウムゲルマニウムチオホスフェート（LixGeyPzSw,0<x<4,0<y<1,0<z<1,0<w<5）、リチウムナイトライド（LixNy,0<x<4,0<y<2）、SiS2（LixSiySz,0<x<3,0<y<2,0<z<4）系列glass及びP2S5 (LixPySz,0<x<3,0<y<3,0<z<7)系列glassから構成されている群から選択された1種以上であるが、これに限定されるものではない。
前記活性層成分である無機物粒子およびバインダー高分子の組成比は大きな制約はないが、10:90ないしは99：1重量％の比範囲内で調節可能であり、80:20乃至99：1重量％の比範囲が望ましい。10:90重量％比未満の場合、高分子の含有量が過度に多くなって無機物粒子の間に形成された空き領域の減少による気孔サイズと気孔度が減少され、最終的な電池性能の低下が生じ、逆に99：1重量％比を超える場合、高分子の含有量があまりにも少ないため、無機物の間の接着力弱化により、最終的に有/無機複合多孔性分離膜の機械的物性が低下され得る。
前記有/無機複合多孔性分離膜の活性層は、前述した無機物粒子および高分子のほかに、一般的に知られているその他の添加剤をさらに包含し得る。
前記有/無機複合多孔性分離膜では、前記活性層の構成成分であるミネラル粒子とバインダー高分子の混合物でコーティングされている基材（substrate）は、当業界で一般的に使用されるポリオレフィン系分離膜であり得る。前記ポリオレフィン系分離膜成分の例としては、高密度ポリエチレン、線形低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、ポリプロピレン、またはこれらの誘導体などがある。
一方、欠落部が絶縁性本体から欠落されやすい構造で欠落パターンおよび絶縁性本体と結合され得るし、これに対して下記非限定的な例を通して詳細に説明する。
一つの具体的な例では、前記絶縁性本体には欠落部の平面形状に対応する開口が穿孔されており、インシュレータは、前記欠落部が開口に挿入された状態で、それらの界面に接着剤が付加されている形で、絶縁性本体と欠落パターンが結合された構造であり得る。
別の具体的な例では、前記絶縁性本体には欠落部の平面形状に対応する開口が穿孔されており、インシュレータは、前記欠落部が開口に挿入された状態で、それらの界面が相互に融着されている形で、絶縁性本体と欠落パターンが結合された構造であり得る。
これらの例とは異なり、インシュレータは、ノッチまたは切取線を境に絶縁性本体と欠落部が区画されている形で絶縁性本体と欠落パターンが一体をなしている構造であり得る。
前記欠落パターンの平面形状は、特に限定されるものではなく、例えば、平面上に円形、楕円形、または多角形であり得る。
前記欠落パターンの平面形状は、特に限定されるものではなく、例えば、平面上に円形、楕円形、または多角形であり得る。
本発明は、また、前記の目的を達成するための本発明の第2の形態による電池セルを提供する。
具体的に、前記電池セルは、電極組立体、電解液およびセルケースを含む電池セルであって、前記セルケースをなす面の中、少なくともいずれかの一面には、電気絶縁性であるインシュレータアセンブリ（insulator assembly）が付加されており、針状導体がインシュレータアセンブリを貫通する際、前記インシュレータアセンブリの一部が欠落した状態で針状導体と共にセルケースと電極組立体を貫通しつつ、これらに形成される貫通口の平面形状を決定することを特徴とする。
前記電池セルも、先進第1の形態と同様に、針状導体が貫通する際、針状導体の代わりに、欠落したインシュレータアセンブリ部位が電極組立体の貫通形を決定するように構成されており、針状導体が貫通口の内での電極組立体の内側の電極に接触する可能性を著しく減少させ得る。
一つの具体的な例では、前記インシュレータアセンブリは、セルケースの内面の中、少なくとも片面および/または外面に、少なくとも片面に付加され得る。
前記インシュレータアセンブリの具体的な構造と作用の構造は、先進第1の形態と同一であり得る。
本発明では、電池セルは、その種類が特に限定されるものではないが、具体的な例として、高エネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの利点を持つリチウムイオン（Li-ion）二次電池、リチウムポリマー（Li-polymer）二次電池、またはリチウムイオンポリマー（Li-ion polymer）二次電池などのリチウム二次電池であり得る。
一般的に、リチウム二次電池は、陽極、陰極、分離膜、及びリチウム塩含有の非水電解液で構成されている。
前記陽極は、例えば、陽極集電体および/または延長集電部上に陽極活物質、導電材およびバインダーの混合物を塗布した後、乾燥して製造され、必要に応じては、前記混合物に充填剤をさらに添加することもする。
前記陽極集電体との延長集電部は、当該電池に化学的変化を誘発せずに、高い導電性を 前記陽極集電体および/または延長集電部は、一般的に3ないしは500マイクロメーターの厚さで作る。これらの有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、またはアルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用され得る。陽極集電体および延長集電部はそれの表面に微細な凹凸を形成して陽極活物質の接着力を向上させることもでき、フィルム、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態が可能である。
前記陽極活物質は、リチウムコバルト酸化物（LiCoO2）、リチウムニッケル酸化物（LiNiO2）等の層状化合物や、1またはそれ以上の遷移金属で置換された化合物;化学式 Li1+xMn2-xO4 （ここで、xは0〜0.33である）、LiMnO3,LiMn2O3,LiMnO2などのリチウムマンガン酸化物;リチウム銅酸化物（Li2CuO2）;LiV3O8,LiFe3O4,V2O5,Cu2V2O7などのバナジウム酸化物;化学式 LiNi1-xMxO2 （ここで、M= Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、BまたはGaであり、x=0.01〜0.3である）で表現されるNiサイト型リチウムニッケル酸化物;化学式 LiMn2-xMxO2（ここで、M= Co、Ni、Fe、Cr、ZnまたはTaであり、x=0.01〜0.1である）、または Li2Mn3MO8（ここで、M= Fe、Co、Ni、CuまたはZnである）で表現されるリチウムマンガン複合酸化物;化学式のLiの一部がアルカリ土類金属イオンで置換された LiMn2O4;ジスルフィド化合物; Fe2(MoO4)3などが挙げられるが、これらだけに限定されるものではない。
前記の導電材は、通常、陽極活物質を含む混合物全体の重量を基準に1乃至30重量％で添加される。このような導電材は、当該電池に化学的変化を誘発せずに導電性を持つものであれば特に制限されるものではない。例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛;カーボンブラック、アセチレンブラック、チェチンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サマーブラックなどのカーボンブラック;炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウイスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが使用される。
前記バインダーは、活物質と導電材などの結合と集電体の結合に助力する成分であって、通常、陽極活物質を含む混合物全体の重量を基準に1〜30重量％で添加される。このようなバインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（CMC）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン - プロピレン - ジエンテルポリマー（EPDM）、スルホン化EPDM、スチレンブーティーレンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などが挙げられる。
前記充填剤は、陽極の膨張を抑制する成分として選択的に使用され、当該電池に化学的変化を誘発せずに繊維状材料であれば特に制限されるものではない。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー;ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が使用される。
前記陰極は、陰極集電体および/又は延長集電部の上に陰極活物質を塗布、乾燥して製作され、必要に応じて、先に説明したような成分がさらに選択的に包含され得る。
前記陰極集電体及び/又は延長集電部は、一般的に3乃至500マイクロメーターの厚さで作られる。このような陰極集電体及び/又は延長集電部は、当該電池に化学的変化を誘発せずに導電性を持つものであれば特に制限されるものではない。例えば、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム - カドミウム合金などが使用され得る。また、陽極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成して陰極活物質の結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態で使用し得る。
前記陰極活物質には、例えば、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素; LixFe2O3(0≦x≦1),LixWO2(0≦x≦1),SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si、周期表の1族、2族、3族元素、ハロゲン; 0<x≦1; 1≦y≦3; 1≦z≦8）などの金属複合酸化物;リチウム金属;リチウム合金;珪素系合金;スズ系合金; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5などの金属酸化物;ポリアセチレンなどの導電性高分子;Li-Co-Ni系材料等を使用することができる。
前記分離膜は、陽極と陰極との間に介在され、高いイオン透過度と機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が使用される。分離膜の気孔の直径は、一般的に0.01〜10マイクロメーターであり、厚さは一般的に5〜300マイクロメーターである。このような分離膜としては、例えば、耐化学性および疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー;ガラス繊維またはポリエチレンなどで作られたシートや不織布などが使用される。電解質としてポリマーなどの固体電解質が使用される場合には、固体電解質が分離膜を重ねることもできる。
前記電解液は、リチウム塩含有非水系電解質であり得、非水電解液とリチウム塩で構成されている。非水電解液としては、非水系有機溶媒、有機固体電解質、無機固体電解質などが使用されるが、これらだけに限定されるものではない。
前記非水系有機溶媒としては、例えば、N-メチル-2-ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマ - ブチロラクトン、1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン（franc）、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、1,3-ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホ抱卵、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、プロピレンカルボネイト誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、ヒロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの非プロトン性有機溶媒が使用される。
前記有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキシド誘導体、ポリプロピレンオキシド誘導体、リン酸エステルポリマー、アジテーションリシン（agitation lysine）、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、イオン性解離基を含む重合体などが使用され得る。
前記無機固体電解質としては、例えば、Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2などのLiの窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩などが使用され得る。
前記リチウム塩は、前記非水系電解質に溶解されやすい材料であって、例えば、 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、4フェニルホウ酸リチウム、イミドなどが使用され得る。
また、非水電解液には、充放電特性、難燃性などの改善を目的に、例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n-グライム（glyme）、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノン移民染料、N-置換オキサリジノン、N、N-置換イミダゾディーン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、2-メトキシエタノール、三塩化アルミニウムなどが添加されてもよい。場合によっては、不燃性を付与するために、四塩化炭素、三フッ化エチレンなどのハロゲン含有溶媒をさらに含ませることもでき、高温保存特性を向上させるために、二酸化炭酸ガスをさらに含ませることもでき、FEC（Fluoro-EthyleneCarbonate）、PRS（Propene sultone）などをさらに含ませることができる
一つの具体的な例において、 LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2などのリチウム塩を、高誘電性溶媒であるECまたはPCの環状カーボネートと、低粘度溶媒であるDEC、DMCまたはEMCの線形カーボネートの混合溶媒に添加してリチウム塩含有非水系電解質を製造することができる。
以上で説明したように、本発明に係る電池セルは、針状導体が貫通するとき、針状導体の代わりに、欠落したインシュレータアセンブリ部位が電極組立体の貫通形態を決定するように構成されており、針状導体が貫通口の中で電極組立体の内側の電極に接触する可能性が低い利点がある。
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは本発明のさらに容易な理解のためであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図1では、本発明の一つの実施例に係る電池セル（100）の模式図が図示されており、図2では、電池セル（100）の側面に対する垂直断面図が図示されており、図3では、インシュレータアセンブリ（200 ）の模式図が図示されており、
まず、図1を参照すると、電池セル（100）は、パウチ型のセルケース（20）の内部に陽極、陰極及びこれらの間に配置される分離膜からなる電極組立体（30）が電解液と一緒に内蔵されており、電極組立体（30）の電極のタブ（40、50）と連結された電極リード（60、70）が、セルケース（20）の外側に突出した状態で、セルケース（20）の外周端部である外周辺らが密封されている構造で成されている。
まず、図1を参照すると、電池セル（100）は、パウチ型のセルケース（20）の内部に陽極、陰極及びこれらの間に配置される分離膜からなる電極組立体（30）が電解液と一緒に内蔵されており、電極組立体（30）の電極のタブ（40、50）と連結された電極リード（60、70）が、セルケース（20）の外側に突出した状態で、セルケース（20）の外周端部である外周辺らが密封されている構造で成されている。
また、電極の積層方向での電極組立体（30）の上面の外側には、電気絶縁性のインシュレータアセンブリ（200）が付加されている。
図3に図示されたインシュレータアセンブリ（200）は、絶縁性本体（210）、および絶縁性本体（210）上に形成されている複数の欠落パターン（220）を含む一つのインシュレータ（201）を含む。
欠落パターン（220）は、電極組立体（30）の貫通時の破損されていない硬さを持つように金属、高強度プラスチックまたはセラミックからなる欠落部（222）と欠落部（222）の中心部に隣接する部位で、欠落部（222）の平面に比べ70％の平面サイズに穿孔されている針状導体誘導（224）を含む。
ここで、絶縁性本体（210）には、欠落部（222）の平面形状に対応する開口が穿孔された構造で構成されており、欠落部（222）が絶縁性本体（210）の開口に挿入された状態では、それらの界面に接着剤が付加されている形で、絶縁性本体（210）と欠落パターン（220）が結合されている。
したがって、接着剤による接着力以上の外力が欠落部（222）に印加されると、欠落部（222）が絶縁性本体（210）から欠落することができる。
図面に図示しなかったが、場合によっては、前記の接着剤の代わりに、欠落部（222）が開口に挿入された状態では、それらの界面が相互に融着されている形で、絶縁性本体（210）と欠落パターン（220）が結合されることもある。
これらの融着は、熱による融着や、溶接による融着、はんだ付けによる融着などであっすることができますが、これらだけに限定されるものではない。
欠落パターン（220）の総平面積、すなわち、欠落部（222）と針状導体誘導（224）の平面上の面積合計は約30 mm2であることができ、この中でも、前記針状導体誘導（224）の平面上の面積は、約20 mm2で構成されることができる。このような構造では、直径が約5 mmの釘のような針状導体（1）が針状導体誘導（224）を通過しながら電池セル（100）を貫通するとき、針状導体誘導（224）が針状導体（1）の針状端部に固定されると、欠落部（222）は、絶縁性本体（210）から欠落した状態で、針状導体（1）に沿って貫通方向に進行し、電極組立体（30）を貫通することになる。
ちなみに、以上では、一般的な釘の直径である5 mmと仮定して、欠落パターン（220）の総面積と針状導体誘導（224）の平面積を設定したことで、前記の数値だけで、本発明の範疇が限定されるものではなく、様々な針状導体（1）に備えるため、欠落パターン（220）の大きさや形状を多様に構成することができることはもちろんである。
したがって、針状導体（1）ではない、針状導体（1）に固定された欠落部（222）が電池セル（100）を貫通して、それに応じて、針状導体（1）に比べ平面が広い欠落部（222）が電極組立体（30）の貫通口（2）の平面形状を決定するので、貫通口（2）は、針状導体（1）に比べ、平面上の面積が広くなり、それに応じて、針状導体（1）と貫通口（2）内面、すなわち、電極間に空間が形成されて針状導体（1）と電極が直接接触される問題を大幅に抑制することができる。
これについては、図4に、より具体的に図示されている。図4には、針状の導体（1）の貫通によるインシュレータアセンブリ（200）の中、欠落パターン（220）が作用する過程が模式的に図示されている。
図4を参照すると、針状導体（1）が最初に電池セル（100）の電池ケースを貫通した後、針状導体（1）の針状端部が針状導体誘導部（224）に導入される。しかし、針状導体誘導部（224）に比べ針状導体（1）の直径が大きいため、針状導体（1）は、針状導体誘導部（224）の内に固定される。
この状態で、針状導体（1）の運動が続けば、欠落部（222）が絶縁性本体（210）から欠落される。
欠落部（222）は、針状導体（1）に比べ平面が広いので、針状導体（1）の針状端部側に固定された欠落部（222）が、電極組立体（30）の電極達を順番に貫通する。
したがって、針状導体（1）は、貫通口（2）の大きさに比べ小さいサイズを有するので、電極に直接接触されない。
以上のように、本発明では、電極組立体（30）の外面に針状導体（1）の貫通に備えるための絶縁性のアセンブリが付加されている。そのため、針状導体（1）の電池セル（100）の安定性が大幅に向上され得る。
一方、図面に別途図示してないが、前記針状導体誘導部（224）は、欠落部（222）が、単純な穿孔された構造、又は、前記穿孔された状態で伸びが高い絶縁膜が付加されている形態であることができる。
図5を参照すると、インシュレータアセンブリ（300）は、第1インシュレータ（311）と第2インシュレータ（312）が積層された構造で構成されている。
第1インシュレータ（311）には、平面上に六角形の欠落パターン（311）が一定の間隔で離隔された状態で絶縁性本体上に形成されている。
第2インシュレータ（312）は、平面上に第1インシュレータ（311）の欠落パターン（311）に重ね合わされていない位置で、六角形の欠落パターン（321）が絶縁性本体上に形成されている。
したがって、インシュレータアセンブリ（300）内の二つ以上のインシュレーターは、それぞれのインシュレータ（310、320）に形成されている欠落部パターン（311、321）が相互に重ね合わされていない形で積層された構造である。
このような構造は、平面上に欠落部パターン（311、321）が相対的に密に配列されている。そのため、針状導体の貫通の死角地帯の形成を最小限に抑えることができる。
図6には、本発明の他の実施形態に係る電池セルの模式図が示されている。
図6に示された電池セル（400）の基本構造、すなわち、電極組立体、電池ケースなどは、図1乃至図4に示された電池セル（100）と同じであるが、インシュレータアセンブリ（410、412）が、電極組立体外面ではなく、電池ケース（420）の上面と下面に付加されている。
ただし、インシュレータアセンブリ（410、412）のそれぞれの具体的な構造と作用の構造は、先に進んだ図1乃至図4に示したインシュレータアセンブリ（200）または図5に示したインシュレータアセンブリ（300）と同一である。
本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、前記の内容に基づいて、本発明の範疇内で様々な応用、変形を行うことが可能である。
Claims (16)
- 電極組立体、電解液およびセルケースを含む電池セルであって、
電極の積層方向から電極組立体の両面の中に少なくとも一面の外側には、電気絶縁性のインシュレータアセンブリ（insulator assembly）が付加されており、
針状導体が前記インシュレータアセンブリを貫通するとき、針状導体の針状端部が導入されるインシュレータアセンブリの部位が欠落されつつ針状導体と電極組立体を貫通して、前記インシュレータアセンブリの欠落部位によって電極組立体の貫通口平面形状が決定されることを特徴とする、電池セル。 - 前記インシュレータアセンブリは、単一のインシュレーター、又はインシュレーター二つ以上が積層されている構造で構成されており、前記インシュレーターは、絶縁性本体、及び前記絶縁性本体上に形成されている複数の欠落パターンが含まれている構造であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記インシュレータアセンブリの二つ以上のインシュレーターは、それぞれのインシュレーターに形成されている欠落パターンが相互に重ね合わされていない形で積層されていることを特徴とする、請求項2に記載の電池セル。
- 針状導体が欠落パターンを貫通するとき、インシュレータアセンブリに導入される針状導体の針状部により、前記欠落パターンが絶縁性本体から欠落した状態で針状導体と一緒に電極組立体を貫通することを特徴とする、 請求項2に記載の電池セル。
- 前記欠落パターンは、電極組立体の貫通時に破損されない引張強度を持つように金属、高強度プラスチックまたはセラミックからなる欠落部および前記欠落部の中心部と隣接する部位では、欠落部の平面に比べ50％〜80％の平面サイズに穿孔されている針状導体誘導部が含まれて;針状導体誘導部が針状導体の針状端部に固定されると、欠落部の絶縁性本体から欠落した状態で針状導体に沿って貫通方向に進行し、電極組立体を貫通することを特徴とする、請求項4に記載の電池セル。
- 前記欠落パターンが電極組立体に形成される貫通口平面形状と面積を決定するように、欠落パターンの総平面が7mm2〜200mm2であることを特徴とする、請求項5に記載の電池セル。
- 前記欠落パターンの総平面は20mm2乃至95mm2であることを特徴とする、請求項5に記載の電池セル。
- 前記引張強度は、1Kg/cm乃至10Kg/cmであることを特徴とする、請求項５に記載の電池セル。
- 前記高強度プラスチックはポリアミド、ポリアセチル、ポリカーボネート、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンオキサイド、ポリオレフィン、ポリイミド、シリコン、テフロン、アラミドファイバー（Aramid fiber）、グラスファイバー（Glass fiber）、UHMWPEファイバー（Ultra-highmolecular-weight polyethylene fiber）及びPBO繊維（Polybenzoxazole fiber）から選択される一つからなることを特徴とする、請求項５に記載の電池セル。
- 前記金属は、アルミニウム、銅、SUS、硬膜ニウム、パラジウム、白金、ニッケル及びモリブデンからなる群から選択される1種、または2種以上の合金であることを特徴とする、 請求項５に記載の電池セル。
- 前記金属の表面は、有機系絶縁コーティング、無機系絶縁コーティングまたは陽極酸化（anodizing）処理されていることを特徴とする、請求項10に記載の電池セル。
- 前記針状導体誘導には、針状導体の針状端部に沿って延伸することができる、絶縁膜が付加されていることを特徴とする、請求項5に記載の電池セル。
- 前記絶縁性本体には欠落部の平面形状に対応する開口が穿孔されており、前記欠落部開口に挿入された状態では、それらの界面に接着剤が付加されている形で、絶縁性本体と欠落パターンが結合していることを特徴とする、請求項5に記載の電池セル。
- 前記絶縁性本体には欠落部の平面形状に対応する開口が穿孔されており、欠落部開口に挿入された状態で、それらの界面が相互に融着されている形で、絶縁性本体と欠落パターンが結合されていることを特徴とする、請求項５に記載の電池セル。
- ノッチ又は切取り線を境に絶縁性本体と欠落部が区画されている形で絶縁性本体と欠落パターンが一体をなしていることを特徴とする、請求項５に記載の電池セル。
- 前記の欠落パターンは、平面上に円形、楕円形、または多角形であることを特徴とする、請求項5に記載の電池セル。
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