JP2021535568A - 短絡誘導部材を含む電池セル及びそれを用いた安全性評価方法 - Google Patents

短絡誘導部材を含む電池セル及びそれを用いた安全性評価方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、分離膜に形成された穿孔部および穿孔部上に配置される短絡誘導部材を含む電池セルおよびこのような電池セルを用いて内部短絡による電池の安全性を評価し得る方法に関するものである。本発明による電池セルを用いる場合は、電池セルの物理的な変形や再び組み立てることなく、容易に電池の内部短絡による安全性評価を行うことができる。

Description

本発明は、短絡誘導部材を含む電池セル及びそのような電池セルを用いて内部短絡による電池の安全性を評価することができる方法に関するものである。
本出願は、２０１９年０４月０９日付の韓国特許出願第１０−２０１９−００４１１３８号に基づいた優先権の利益を主張し、当該特許出願の文献に開示された全て内容は本明細書の一部として含まれる。
化石燃料の枯渇によりエネルギー源の価格が上昇し、環境汚染に対する関心が増して、環境にやさしい代替エネルギー源に対する要求が将来の生活のための必要不可欠な要因となっている。特に、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、エネルギー源としての二次電池に対する需要が急激に増加している。
代表的に、電池の形状面においては、薄い厚さで携帯電話などの製品に適用され得る角形二次電池とパウチ型二次電池の需要が高く、材料面においては、エネルギー密度、放電電圧、出力安定性が高い、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのリチウム二次電池の需要が高い。
一般的に、二次電池は、集電体の表面に電極活物質を含む電極合剤を塗布して正極と負極を構成し、その間に分離膜を介在させて電極組立体を作成した後、円筒形または角形の金属缶やアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースの内部に装着する。また、上記電極組立体に主として液体電解質を注入または含浸させるか、固体電解質を用いて製造する。
また、二次電池は、正極/分離膜/負極という構造の電極組立体がどのような構造から成されているのかによって分類される。代表的には、長いシート状の正極と負極を分離膜が介在された状態で巻取りした構造のゼリーロール（巻き取り型）電極組立体、所定の大きさの単位で切取った多数の正極と負極を分離膜の介在された状態で順次に積層したスタック型（積層型）電極組立体、所定の単位の正極と負極を分離膜の介在された状態で積層したバイセル（Ｂｉ−ｃｅｌｌ）またはフルセル（Ｆｕｌｌ ｃｅｌｌ）を分離膜シートで巻取した構造のスタック/折り畳み型電極組立体などが挙げられる。
一方、電極はイオンの交換を通じて電流を発生させるが、電極をなす正極および負極は、金属からなる電極集電体に電極活物質が塗布された構造からなる。
一般的に、負極は、銅またはアルミニウムなどからなる電極板に炭素系活物質が塗布された構造からなり、正極は、アルミニウムなどからなる電極板にＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＮｉＯ２などからなる活物質がコーティングされた構造からなる。
このように、正極または負極を製造するため、一方向に長い金属シートからなる電極集電体に電極活物質を含む電極合剤を塗布する。
分離膜は、電池の正極と負極との間に位置して絶縁を行い、電解液を保持させてイオン電導の通路を提供する。
このような二次電池は、電流と物質との間の酸化還元過程が数回繰り返され得る素材を用いて製造される再充電式電池であって、電流によって素材に対する還元反応が行われると電源が充電され、素材に対する酸化反応が行われると電源が放電される。このような充放電が繰り返して行われつつ、電気が生成されることになる。
リチウム二次電池は、優れた電気的特性を有するにもかかわらず、安全性が低いという問題点を有している。例えば、リチウム二次電池は、過充電、過放電、高温に露出、電気的短絡などの非正常的な作動状態にて、電池の構成要素である活物質、電解質などの分解反応が誘発されて、熱とガスが発生する。その結果としてもたらされた高温高圧の条件は、上記分解反応をさらに促進させ、もはや発火または爆発をもたらすこともある。
また、電池に内部短絡が発生した場合にも、その安全性を確保することが重要であり、そのためには、内部短絡が発生したときの電池の安全性を正しく評価するのが重要である。リチウムイオン二次電池などの電池の安全性項目として、内部短絡時の発熱挙動を評価する電池評価試験が、例えば、リチウム電池のためのＵＬ規格（ＵＬ１６４２）、電池工業会からの指針（ＳＢＡ Ｇ１１０１−１９９７リチウム二次電池の安全性評価基準ガイドライン）などで制定されている。
従来は、内部短絡を誘導するために、電池セルの内部に発熱体を入れ、発熱体により内部を発熱させる方式、内部の分離膜を予め穿孔しておき、その部分に化学薬品で処理して一定の温度で溶かす方式、一定の形態の金属物質を挿入して外力を加え、分離膜を裂いて内部短絡を誘導する方式があった。しかし、一番目の方法の場合は、セル内部の発熱体及び外部発熱源により、実際に使用する製品と形態が異なることになる。また、二番目の方法の場合は、実際に使用する分離膜に変形を与えなければならず、分離膜が破損された部分に化学処理をすることにより従来製品と特性が変わることがあり得、セル内部の化学作用による副反応に起因して目的とする反応が発生しなくなるという問題があった。
一方、特許文献１では、電池の内部短絡誘導装置として、分離膜を穿孔した後にの銅板を電池セルに挿入し、分離膜の両面に銅及びアルミニウム板を重ねた後、銅板と分離膜、またはアルミニウム板と分離膜との間にワックス層を設置した電池セルの内部短絡誘導装置を開示している。上記内部短絡誘導装置においてワックス層の融点以上に温度が上昇すると、ワックス層が削除され、正極と負極が銅板およびアルミニウム板によって電気的に連結されて内部短絡が発生する。ただし、このような方法は、内部短絡誘導装置の製作工程が複雑で、単価が高い。そのため、繰り返して使用するには、電池セルを再び分解した後に再び組み立てる必要があるという問題がある。
米国公開特許 第２０１３−０２０９８４１号 韓国公開特許 第１０−２０１１−７０１０８８７号
本発明は、上記のような問題点を解決するために創案されたものであって、電池セル構造を物理的に変形させずに、電池の安全性を評価するためのテスト用の電池セルおよびこのような電池セルを用いた電池の安全性評価方法を提供するすることに目的がある。
上記した目的を達成するため、本発明による電池セルは、
正極;負極;上記正極と上記負極との間に配置され、少なくとも一つ以上の穿孔部が形成された分離膜と、上記穿孔部上に配置される短絡誘導部材を含む、
このとき、上記短絡誘導部材は上記穿孔部を覆うカバー部と、上記カバー部の側面に配置される一つまたは複数の磁性部を含むことを特徴とする。
上記短絡誘導部材は、正極、負極および分離膜を含むテスト電池セルの内部に挿入され、分離膜の穿孔部と正極との間および/または分離膜の穿孔部と負極との間に介在され、外部から印加される磁場により移動することによって、上記テスト電池セルの内部短絡を誘導する役割をする。
一方、上記短絡誘導部材のカバー部は、穿孔部を通じて、正極と負極が接触して短絡されることを防止するため、穿孔部を完全に覆うことができるように穿孔部の面積よりは大きい面積を有しなければならない。また、カバー部の模様は、円、楕円、長方形、三角形などの形状に制限されないが、穿孔部を完全に覆うことができながらも、負極と正極の絶縁状態を維持することができるものでなければならない。
したがって、上記カバー部には絶縁フィルムが用いられる。また、内部イオン交換のために、多孔性高分子膜が使用され得る。
また、上記カバー部は外部の磁場によって移動することができるものであって、容易に移動するために磁性体を含むものであり得る。このとき、磁性体によって電池セルの内部から意図せぬ短絡が生じないように、上記磁性体の表面に追加的な絶縁コーティングをすることができる。
但し、電池セルの内部短絡評価に影響を及ぼし得る要素を最小化するために、上記カバー部は分離膜と同一の素材を適用することが望ましい。
また、上記磁性部は、一つ以上がカバー部の端部にバインダーとして付着されていることを特徴とし、移動方向によって二つ以上の磁性部が付着することもできる。
上記磁性部をカバー部に付着するためのバインダーは、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、エポキシ樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブチレンゴムまたはこれらの共重合体からなる群から選択された一つまたは複数の物質を含むものであり得る。
上記のような磁性部が短絡誘導部材に付着されることによって、電池セルの外部から磁場を印加する場合の上記短絡誘導部材は、磁場の方向に応じて電池セルの内部での位置を移動し得る。
このとき、上記磁性部はＦｅ、ＮｉおよびＣｏのように、磁場印加時に強い磁性を帯びる金属のうち、一つまたは複数の物質を含むことができる。
上記穿孔部を分離膜の中央に形成することも可能であるが、それに限定されることなく、短絡させようとする位置に応じて穿孔部の位置を変更することができる。また、穿孔部は、二つ以上の複数個で形成して、短絡の位置を任意に調整してみたり、複数の場所で同時短絡が発生する状況を模写したりすることも可能である。
上記したように、複数個の穿孔部が形成される場合、それに応じて上記短絡誘導部材も形成された穿孔部の数と同様の数量で具備されることが望ましい。
一方、上記した電池セルを用いた電池の内部短絡に係る安全性評価方法は、次のような段階を含んで行われ得る。
正極、負極および穿孔部が形成された分離膜を準備する段階と、
上記穿孔部を覆うことができるカバー部および磁性部を準備する段階と、
上記カバー部に上記磁性部を付着して短絡誘導部材を製造する段階と、
上記短絡誘導部材を上記穿孔部上に配置する段階と、
上記正極、負極、分離膜および短絡誘導部材を含む電池セルを組み立てる段階と、
電池セルの外部から上記短絡誘導部材に磁場を印加する段階と、
上記短絡誘導部材を移動して穿孔部を露出させる段階。
上記の段階に短絡誘導部材を移動して穿孔部を露出させると、露出された穿孔部を通じて正極と負極が直接接触することになって内部短絡を誘導することができる。
本発明の短絡誘導部材を含む電池セルは、従来方法の最大の問題点であった内部短絡評価試験後に電池セルが物理的に変形されるという問題を改善したものであって、物理的な変化ななしで多様な状態および環境にて内部短絡を誘導することができる。また、分解および再組立てなしで実験および評価が可能であるため、工程が簡単で時間の節約およびコストを削減することができる。
従来の短絡誘導部材が具備された電池セルの構造を模式的に示した側面図である。 本発明の一実施例に係る短絡誘導部材が具備された電池セルの構造を模式的に示した側断面図である。 本発明の一実施例に係る短絡誘導部材が具備された電池セルの構造を模式的に示した斜視図である。 本発明の他の一実施例に係る短絡誘導部材が具備された電池セルの構造を模式的に示した斜視図である。 本発明のまた他の一実施例に係る短絡誘導部材が具備された電池セルの構造を模式的に示した斜視図である。 本発明の一実施例に係る短絡誘導部材を具備した電池セルを用いた安全性評価方法を段階に沿って示した模式図である。
本発明は、多様な変更を加えることができ、様々な形態を有し得る。そのため、特定の実施例を図面に例示し、本文に詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる何れの変更、均一物ないし代替物を含むものとして理解すべきである。
各図面を説明しながら類似な参照符号を類似な構成要素に対して使用した。添付された図面における構造物の寸法は、本発明の明確性のために実際より拡大して図示したものである。多様な構成要素を説明するために使用された用語は理解を助けるためのものであり、上記構成要素が上記用語によって限定されてはならない。上記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使用される。例えば、本発明の権利範囲から逸脱せずに、第1構成要素が第２構成要素として命名され得、同様に第２構成要素も第１構成要素として命名され得る。単数表現には、文脈上明らかに異なる意味ではない限り、複数表現を含む。
本発明の明細書全体において使用される"含む"または"有する"などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものとして理解されるべきである。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の"上に"あるとする場合、これは、他の部分の"真上に"ある場合だけでなく、その中間に他の部分がある場合も含む。逆に、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の"下に"あるとする場合、これは、他の部分の"すぐ下に"ある場合だけでなく、その中間に他の部分がある場合も含む。また、本発明の明細書において、"上に"配置されるということは、上部のみならず、下部に配置される場合も含むことであり得る。
本発明の明細書全体において"覆う"というのは、対象が出現しないように一面から対象が現れた部位を覆わせるという意味であって、ある対象が"覆われている"というのは、覆われている一面から対象の外観がもはや現れない状態を意味する。たとえば、"穿孔部がカバー部に覆われている"というのは、穿孔部がカバー部によって覆われている一面から穿孔された部位がもはや露出されない状態であることを意味する。
以下、本発明を詳しく説明する。
内部短絡試験というは、電池の安全性試験の中でも、内部短絡に対する耐性を評価する試験であって、電池内部で正極と負極が短絡する場合を模擬した試験である。内部短絡試験においては、まず、満充電させた評価電池を用意し、内部短絡を発生させて電池の挙動を評価する。通常、内部短絡が発生すると、電池が放電されて電圧が減少する。そこため、一定の数値以下へと電圧が低下するまで試験を行い、破裂の有無、電池の電圧、温度などを評価することになる。
図１は、米国エネルギー研究所（ＮＲＥＬ）で開発した従来の内部短絡誘導装置が設置された電極組立体（１００）を模式的に示した断面図である。
図１を参照すると、従来の短絡誘導部材は、ワックス層（１４０）が絶縁体として使用され、電池の正常な動作中には負極と正極が接触することを防止する。しかし、電池がワックスの融点まで上昇する場合にはワックスが除去され、負極と正極との間に接触に起因する内部短絡が発生する。
具体的に、従来の内部短絡誘導装置は、分離膜（１２０）に穴を開け、上記穴に銅のような金属素材のブロック（１３０）を挿入した後に上記金属板の一側面にワックス層（１４０）を介在する。そして、アルミニウム板（１６０）を分離膜のワックス層が介在されない部分に付着させ、ワックス層（１４０）には銅板（１５０）を付着させる構造である。
上記のように、分離膜（１２０）に内部短絡誘導装置を設置した後に、分離膜（１２０）と負極（１１０）、正極（１１１）を巻取りして電極組立体を製造することになる。
リチウムイオン二次電池においては、負極と正極との間にリチウムイオンが移動しながら酸化還元反応が発生する。しかし、上記のような従来の短絡誘導部材が設置された電池の場合、上記短絡誘導部材が設置された部分においてはアルミニウム板および銅板に起因してリチウムイオンの移動ができず、未反応領域が形成された。上記未反応領域に起因して従来の電池と比較して容量などの電池性能が低下し、内部短絡発生時に正確な電池の挙動を模写し難くて安全性評価の正確性が低下するという問題があった。また、上記図１のような内部短絡誘導装置の場合は、製造コストが高く、電池セルに挿入して組み立ててテストを行った後に再使用するためには電池セルを分解して再び組み立てをしなければならないという不便さがある。また、このような再組み立ての過程において電池セルの構造に変形が生じ得る。これにより、安全問題が発生することもあり得る。
上記した方法の他に、特許文献２に記載された形状記憶合金を用いた電池セルの内部短絡試験法があるが、これも電池を特定の温度以上まで加熱しなければならないという限界があり、電池セルの内部に挿入された形状記憶合金の物理的変化に起因して電池セルの構造が歪むという危険がある。
その他の公知の方法として、釘貫通試験、圧壊試験などがあるが、これらは電池セル自体を非可逆的に永久変形させるものであって、テストごとに毎回電池セルを新たに作成しなければならないという問題がある。
本発明による短絡誘導部材を含む電池セルは、上記した従来技術を更に改善したものであって、上記短絡誘導部材は多孔性高分子物質からなるカバー部および磁性物質を含有する磁性部を含むことを特徴とする。
本発明による短絡誘導部材が挿入される電池セルは、具体的に、正極および負極、上記正極と上記負極との間に短絡誘導部材が設置された分離膜が介在された状態で巻き取られた電極組立体が、電池ケース内に内蔵された構造であり、円筒形電池、パウチ型電池、角形電池またはコイン型電池など、電池の形態に制限されないが、本発明の一実施例においてはパウチ型電池を用いた。
上記電極組立体は、電極の間に分離膜が介在されたままで、負極と正極が交互に積層された状態でリチウム塩非水系電解液に含浸されている構造である。上記二次電池用電極は、集電体上に電極活物質を含んでいる電極合剤を塗布した後に乾燥して製造することができる。また、上記電極合剤には、必要に応じてバインダー、導電材、充填材などが選択的にさらに含まれ得る。
本発明において、正極集電体の場合は、一般的に３〜５００μｍの厚さに作られる。このような正極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発せずに、高い導電性を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。集電体は、それの表面に微細な凹凸を形成して正極活物質の接着力を高めることもでき、フィルム、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態が可能である。
負極集電体用シートの場合は、通常、３〜５００μｍの厚さに作られる。このような負極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発せずに、導電性を有するものであれば、特に制限されない。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、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成して負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、不織布体などの多様な形態で使用され得る。
本発明において、正極活物質は、電気化学的反応を引き起こすことができる物質、即ち、リチウム遷移金属酸化物として、２以上の遷移金属を含む。例えば、１またはそれ以上の遷移金属で置換された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、１またはそれ以上の遷移金属で置換されたリチウムマンガン酸化物、化学式ＬｉＮｉ1-yＭyＯ２（ここで、Ｍ = Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｂ、Ｃｒ、ＺｎまたはＧａであり、上記元素の中一つ以上の元素を含む、０．０１≦≦y≦０．７である）で表現されるリチウムニッケル系酸化物、Ｌｉ１+ zＮｉ1/3Ｃｏ1/3Ｍｎ1/3Ｏ2、Ｌｉ1+zＮｉ0.4Ｍｎ0.4Ｃｏ0.2Ｏ2などのように、Ｌｉ1+zＮｉbＭｎcＣｏ1-(b+c+d）ＭdＯ(2-e）Ａｅ（ここで、-０．５≦z≦０．５、０．１≦b≦０．８、０．１≦c≦０．８、０≦d≦０．２、０≦e≦０．２、b、+ c + d <１である、Ｍ = Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＳｉまたはＹであり、Ａ = Ｆ 、ＰまたはＣｌである）で表現されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、化学式Ｌｉ1+xＭ+Ｍ'yＰＯ4-zＸz（ここで、Ｍ = 遷移金属、好ましくはＦｅ、Ｍｎ、ＣｏまたはＮｉであり、Ｍ'= Ａｌ、ＭｇまたはＴｉであり、Ｘ = Ｆ、ＳまたはＮであり、- ０．５≦x≦+ ０．５、０≦y≦０．５、０≦z≦０．１である）で表現されるオリビン系リチウム金属リン酸塩などが挙げられるが、これらのみに限定されるものではない。
負極活物質は、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、周期律表の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、ケイ素系合金、スズ系合金、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、Ｐｂ２Ｏ３、Ｐｂ３Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ５、ＧｅＯ、ＧｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ４、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系の材料等を使用し得る。
上記導電材は、通常、正極活物質を含む混合物全体の重量を基準にして、１〜３０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有するものであれば、特に制限されることない。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、ケッチェンブラック、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、サーマル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ィスカー、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得る。
上記バインダーは、活物質と導電材などの結合と集電体に対する結合に助力する成分であって、通常、正極活物質を含む混合物全体の重量を基準にして、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ターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などが挙げられる。
上記充填材は、電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しない繊維状材料であれば、特に制限されることはない。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。
粘度調整剤、接着促進剤などの他の成分が、選択的にまたは二つ以上の組み合わせとして含まれ得る。粘度調整剤は、電極合剤の混合工程と、それを集電体上に塗布する工程とが容易になるように、電極合剤の粘度を調節する成分であって、負極合剤全体の重量を基準にして３０重量％まで添加され得る。このような粘度調整剤の例としては、カルボキシメチルセルロース、ポリビニリデンフルオリドなどがあるが、これらのみに限定されない。場合によっては、前もって説明した溶媒が粘度調整剤としての役割を並行し得る。
上記接着促進剤は、集電体に対する活物質の接着力を向上させるために添加される補助成分であって、バインダーと比べて１０重量％以下で添加され得る。例えば、シュウ酸（ｏｘａｌｉｃ ａｃｉｄ）、アジピン酸（ａｄｉｐｉｃ ａｃｉｄ）、ギ酸（ｆｏｒｍｉｃ ａｃｉｄ）、アクリル酸（Ａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）誘導体、イタコン酸（ｉｔａｃｏｎｉｃ ａｃｉｄ）誘導体などが挙げられる。
上記分離膜は、正極と負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極薄箔が使用される。分離膜の気孔直径は、通常、０．０１〜１０μｍであり、厚さは、通常、５〜３００μｍ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成されたシートや不織布などが使用される。
上記リチウム塩含有非水系電解液は、電解液とリチウム塩からなっており、上記電解液としては、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。
上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、メチルスルホラン、１,３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチル、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。
上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剤などが使用され得る。
上記無機固体電解質としては、例えば、Ｌｉ３Ｎ、Ｌｉｌ、Ｌｉ５Ｎｌ、Ｌｉ３Ｎ−Ｌｉｌ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ４、ＬｉＳｉＯ４−Ｌｉｌ−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。
上記リチウム塩は、上記非水系電解質に溶解され易い物質であって、例えば、 ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、（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、電解液には、充放電特性、難燃性などの改善を目的として、例えば、ピリジン、亜リン酸トリエチル、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、キノンイミン染料、Ｎ−置換オキサリジノン、Ｎ−置換イミダゾリジン、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てもよい。電解液には、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てもよい。電解液には、ＦＥＣ（炭酸フルオロエチレン（Ｆｌｕｏｒｏ−ＥｔｈｙｌｅｎｅＣａｒｂｏｎａｔｅ））、ＰＲＳ（プロペンスルトン（Ｐｒｏｐｅｎｅ ｓｕｌｔｏｎｅ））などをさらに含ませてもよい。
一つの好ましい例において、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の鎖状カーボネートとの混合溶媒に添加してリチウム塩含有の非水系電解質を製造することができる。
本発明による電池セルは、上記正極、上記負極、上記正極と上記負極との間に配置される分離膜を含み、分離膜に形成された少なくとも一つ以上の穿孔部上には、短絡誘導部材が配置されている。
また、上記短絡誘導部材は、上記穿孔部を覆うカバー部と、上記カバー部の側面に配置される一つまたは複数の磁性部を含むことを特徴とする。
上記正極および上記負極は、穿孔部を通じて直接接触することによって短絡が生じ得る。しかし、本発明の電池短絡誘導部材は、上記穿孔部の形成された分離膜の一面上に配置される。このときに短絡誘導部材のカバー部が穿孔部を覆うことによって内部短絡を防止する状態になる。即ち、上記短絡誘導部材は、正極と分離膜との間に配置されたり、または負極と分離膜との間に配置されたりすることができる。
一方、上記短絡誘導部材のカバー部は、穿孔部を通じて正極と負極が接触し短絡することを防止するため、穿孔部を完全に覆わせるように、穿孔部の面積よりは大きい面積を有しなければならない。また、カバー部の形状は、円、楕円、長方形、三角形などの形状に制限されないが、穿孔部を完全に覆うことができながらも、負極と正極の絶縁状態を維持し得るものでなければならない。即ち、穿孔部のカバー部面積が穿孔部面積より大きくても、形状が異なる場合には穿孔部の一部が露出され得る。そのため、上記カバー部は、穿孔部を通じて正極と負極が直接接触することを完全に遮断し得るものでなければならない。
また、上記カバー部には、絶縁状態を維持するために絶縁フィルムが使用され得る。また、内部のイオン交換のために、絶縁性を有する多孔性高分子膜がカバー部として使用され得る。
上記カバー部は外部の磁場に応じて移動することができるものであって、容易に移動するために磁性体を含むものであり得る。このとき、磁性体に起因して電池セル内部から意図しない短絡が生じないように、必要な場合は上記磁性体の表面に追加的な絶縁コーティングをすることができる。また、カバー部が磁性体を含む場合、上記短絡誘導部材は磁性部のないカバー部のみにも構成され得る。
但し、電池セルの内部短絡評価に影響を及ぼし得る要素を最小限にするため、上記カバー部は分離膜と同様の素材を適用することが最も望ましい。それによると、本発明の短絡誘導部材は分離膜と同様の素材からなるカバー部および外部からの磁場に応じた移動ができるようにする磁性部を含むものであり得る。
一方、上記短絡誘導部材に含まれた磁性部は、バインダーによってカバー部の端部に一つまたは複数が付着されていることを特徴とする。上記磁性部は、電池セルの外部から印加される磁場によって短絡誘導部材を移動させるためのものであって、磁場の方向に応じて短絡誘導部材が移動すると、穿孔部を覆っているカバー部除去されて、穿孔部が露出され得る。それにより、両極板が直接接触され得、電池セルの内部短絡が生じる。即ち、上記のような磁性部が短絡誘導部材のカバー部に付着されることによって、上記短絡誘導部材が具備された電池セルの外部から磁場を印加する場合に、上記短絡誘導部材の位置を磁場の方向に応じて電池セル内部で移動しながら位置を変更することができる。このような短絡誘導部材の移動に応じて穿孔部が露出されると、正極と負極が直接接触して電池セルの内部に短絡が発生し得る。
上記磁性部をカバー部に付着するためのバインダーは、上記短絡誘導部材の分離膜および電極層に影響を与えず、上記短絡誘導部材による短絡発生時に、電極間の通電を妨げないように設計されたものであれば、化学物質の種類に特別な制限はない。また、内部の電解液によって接着力が低下されないものであれば、エポキシ樹脂組成物を利用することもできる。
このようなバインダー物質としては、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、エポキシ樹脂、エチレンプロピレンジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴムまたはこれらの共重合体からなる群から選択された一つまたは複数の物質を含むものであり得る。
特に、上記化学物質のうち、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）は、通常、電極のバインダーとして使用される物質であり、フッ素樹脂の長所である優れた耐薬品性と良好な機械的、熱的、電気的特性を有するという長所がある。そのため、短絡誘導部材のカバー部と磁性部の接着状態を維持しつつ、電池セル内部の電気的連結を妨げないので好ましい。
一方、上記磁性物質はＦｅ、ＮｉおよびＣｏのように磁場を印加する時に強い磁性を帯びる金属元素であることが好ましい。また、これらからなる群から選択された一つまたは複数の金属磁性物質が磁性部に含まれ得る。
以下、図面を参照しながら、本発明による短絡誘導部材及びそれを用いた電池の安全性評価方法について、さらに具体的に説明する。
図２及び図３は、本発明の一実施例に係る短絡誘導部材及び短絡誘導部材が挿入される電池セルの構造を模式的に示した側断面図および斜視図である。
上記図２及び図３を参照すると、本発明による短絡誘導部材は、電池セル（２００）内部に挿入される。また、上記電池セル（２００）は、負極（２２０）、正極（２４０）およびその間に介在される分離膜（２３０）を含むことができる。そして、上記負極（２２０）/分離膜（２３０）/正極（２４０）は、パウチ（２１０）型ケースの内部に格納され得る。
上記分離膜（２３０）には、その一部を穿孔した穿孔部（２３１）が形成されており、上記穿孔部（２３１）通じて負極（２２０）と正極（２４０）が直接接触して短絡が発生し得る。
本発明による短絡誘導部材は、カバー部（２５０）とカバー部（２５０）に付着された磁性部（２５１）を含み、上記分離膜（２３０）の一面に介在され得る。具体的には、本発明による短絡誘導部材は分離膜（２３０）に形成された穿孔部（２３１）上に介在され得、このとき、短絡誘導部材のカバー部（２５０）が分離膜（２３０）に形成された穿孔部（２３１）を一面から覆うことによって、負極（２２０）および正極（２４０）が直接接触することを防ぐことができる。
一方、上記穿孔部（２３１）は、短絡させる位置や面積を目的とするとおりに変更することが可能である。図４に図示された本発明の他の一実施例によると、穿孔部（２３１）が分離膜（２３０）の中央に形成されている図２及び図３とは異なり分離膜（２３０）の一側端部に穿孔部（２３１）が形成されている。
また、図５に図示された本発明のまた他の一実施例によると、分離膜（２３０）の両側端部および中央の総三つの穿孔部が形成されている。一方、短絡誘導部材は形成された穿孔部の数と同様の数量で具備するが、付着された磁性部（２５１）の方向を図２〜４とは異なるようにして、内部短絡移動装置の移動時にも、互いに干渉が生じないようにした。
このように、本発明による短絡誘導部材は、穿孔部の位置およびサイズを異なるように設定するだけでも、短絡の位置や面積を容易に変更することができ、複数枚の正極と負極が積層された場合、特定層の一部または全てにおいて生じる短絡も細部的に模写することが可能である。
また、上記図２〜５の各実施例による本発明の短絡誘導部材は、それぞれのカバー部（２５０）の端部と互いに対向する方向に磁性部（２５１）を含んでいる。これは、外部から磁性を印加する時に短絡誘導部材が移動する方向の端部に磁性部を付着したものである。即ち、カバー部（２５０）の中央を基準にして、カバー部（２５０）が外部の磁場によって移動する方向側の端部に磁性部（２５１）を付着する。外部から磁場が印加されると、磁性部（２５１）は、磁場の方向に応じて引っ張られながら磁性部（２５１）に付着されたカバー部（２５０）を一緒に移動させることになり、このような移動方法を通じてカバー部（２５０）が押されながら引っかかったり、折られたりする現象を防ぐことができる。即ち、図２〜４の実施形態である場合は、分離膜の長軸方向に短絡誘導部材が移動することが好ましい。また、図５の実施形態である場合は、短絡誘導部材が分離膜の短縮方向に移動することが有利な構造である。
磁場による短絡誘導部材の移動に起因する短絡誘導方法は、図６に具体的に示した。
図６を参照して、内部短絡安全性評価方法をさらに具体的に説明すると、まず、図６の（ａ）段階のように、短絡誘導部材が具備された電池セルの外面から磁場を印加する。このとき、短絡誘導部材のカバー部が分離膜の穿孔部を覆っている状態であり、穿孔部を通じて対面する正極と負極は、カバー部によって物理的に遮断され、直接接触しない状態である。
磁場は、短絡誘導部材の磁性部に印加する。磁場の印加方法は、ネオジムのような永久磁石で簡単に印加し得るが、それに制限されることはない。具体的には、カバー部の中央を基準にして移動する方向のカバー部の端部に付着された磁性部に磁場を印加した後、短絡誘導部材を横へと引き出せるように移動して穿孔部を露出させることになる。
図６の（b）段階を参照すると、短絡誘導部材は、外部から印加された磁場に応じて電池セル内部で移動することになる。これにより、分離膜に形成された穿孔部を通じて正極と負極が接触し、内部短絡が生じることになる。
上述したように、本発明の電池内部短絡による安全性評価方法は、具体的に、以下のような段階を含み得る。
正極、負極および穿孔部が形成された分離膜を準備する段階と、
磁性部および上記穿孔部を覆うことができるカバー部を準備する段階と、
上記カバー部に上記磁性部を付着して短絡誘導部材を製造する段階と、
上記短絡誘導部材を上記穿孔部上に配置する段階と、
上記正極、負極、分離膜および短絡誘導部材を含む電池セルを組み立てる段階と、
電池セルの外部から上記短絡誘導部材に磁場を印加する段階と、
上記短絡誘導部材を移動して穿孔部を露出させる段階。
上記の段階に従って、図６の（ａ）、（ｂ）に図示されたように分離膜の穿孔部を覆っている短絡誘導部材を一側に移動させることによって、分離膜の穿孔部を漏出させることができる。上記の露出された分離膜の穿孔部を通じて正極と負極が直接接触することになり、電池セルの内部で短絡が生じることができる。
100：電極組立体
110：負極
111：正極
120：分離膜
130：ブロック
140：ワックス層
150：銅板
160：アルミニウム板
200：電池セル
210：パウチ
220：負極
230：分離膜
231：穿孔部
240：正極
250：カバー部
251：磁性部

Claims (11)

  1. 正極、負極、前記正極と前記負極との間に配置され、少なくとも一つ以上の穿孔部が形成された分離膜、及び前記穿孔部上に配置される短絡誘導部材を含み、
    前記短絡誘導部材は、前記穿孔部を覆うカバー部と、前記カバー部の側面に配置される一つまたは複数の磁性部を含む、電池セル。
  2. 前記短絡誘導部材は、前記正極と前記分離膜との間に配置されるか、前記負極と前記分離膜との間に配置される、請求項１に記載の電池セル。
  3. 前記カバー部の面積は、前記穿孔部の面積より更に大きい、請求項１又は２に記載の電池セル。
  4. 前記カバー部は、絶縁フィルム、多孔質高分子膜、磁性体からなる群から選択された一つまたは複数の組み合わせからなる、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池セル。
  5. 前記カバー部は、前記分離膜と同様の素材からなる、請求項１から４のいずれか一項に記載の電池セル。
  6. 前記磁性部は、バインダーによって前記カバー部に付着されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電池セル。
  7. 前記バインダーは、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、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、エポキシ樹脂、エチレンプロピレンジエンターポリマー、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム、またはこれらの共重合体からなる群から選択された一つまたは複数の物質を含む、請求項６に記載の電池セル。
  8. 前記短絡誘導部材は、電池セルの外部から印加される磁場によって位置が移動する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池セル。
  9. 前記磁性部は、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏからなる群から選択された一つまたは複数の磁性物質を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の電池セル。
  10. 前記短絡誘導部材は、前記分離膜に形成された前記穿孔部の数と同様の数量で具備される、請求項１から９のいずれか一項に記載の電池セル。
  11. 正極、負極、および穿孔部が形成された分離膜を準備する段階と、
    磁性部および前記穿孔部を覆うことができるカバー部を準備する段階と、
    前記カバー部に前記磁性部を付着して短絡誘導部材を製造する段階と、
    前記短絡誘導部材を前記穿孔部上に配置する段階と、
    前記正極、前記負極、前記分離膜および前記短絡誘導部材を含む電池セルを組み立てる段階と、
    前記電池セルの外部から前記短絡誘導部材に磁場を印加する段階と、
    前記短絡誘導部材を移動して前記穿孔部を露出させる段階と
    を含む、電池の内部短絡による安全性評価方法。
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