KR100331208B1 - 비수전해액2차전지 - Google Patents

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KR100331208B1
KR100331208B1 KR1019970708581A KR19970708581A KR100331208B1 KR 100331208 B1 KR100331208 B1 KR 100331208B1 KR 1019970708581 A KR1019970708581 A KR 1019970708581A KR 19970708581 A KR19970708581 A KR 19970708581A KR 100331208 B1 KR100331208 B1 KR 100331208B1
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마사야 오코치
마사키 키타가와
타카시 타케우치
카오루 이노우에
히즈루 코시나
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 얇은 양전극과 음전극을 세퍼레이터를 사이에 두고 마주대하도록 함으로써 이루어진 전극군을 구비하고 있는 비수2차전지에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 셀용량을 필요이상으로 희생시키지 않고 또 부품수를 증가시키지 않고도 안전성을 현저하게 향상시키는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 양전극콜렉터용 금속박을 양전극에 전기적으로 접속하고, 양전극콜렉터용 금속박의 노출된 부분은, 음전극이 세퍼레이터를 사이에 두고 외부에 위치되어 있는 전극군의 외부표면 전체를 덮고, 그것의 최외부쪽을 세퍼레이터로 감싸고, 이렇게 구성된 전극군을 비수전해액과 함께 음극성셀컨테이너안으로 놓는다. 따라서, 셀을 압착하는 그러한 가혹한 조건속에서도, 셀화재나 파괴 등의 사고가 완전히 제거될 수 있다.

Description

비수전해액2차전지
종래에는, 비수전해액2차전지로서, 천이금속의 산화물, 황화물 또는 셀렌화물과 같은 칼코겐화물, 예를 들면, 망간이산화물, 몰리브덴이황화물 또는 티타늄셀렌화물을 양극활성물질로서 이용하고, 음극활성물질로서는 금속리튬시트를 사용하고, 비수전해액으로서는 리튬염의 유기용매용액으로 이루어진 유기전해액을 사용한, 소위 리튬2차전지에 대하여 연구해왔다(고전압 대용량 및 고에너지밀도를 갖는 전지를 목표로 함). 그러나, 이러한 리튬2차전지에 있어서는, 충전 및 방전특성이 우수한 인터칼레이션화합물이 양극활성물질로서 선택된다 하더라도, 음전극의 충 ·방전특성이 항상 우수하다고 할 수 없고, 긴 싸이클수명을 보장하기도 어려웠다. 또한, 내부단락에 기인한 화재나 파괴와 같은 사고가 일어나기 쉬웠고, 안전성에서도 심각한 문제가 있었다. 이 전지의 음극활성물질인 금속리튬은 방전으로 인하여 유기전해액중에 리튬이온으로서 용해된다. 충전시에는, 용해된 리튬이온이 금속리튬으로서 음전극의 표면상에 퇴적되지만, 이들 모두가 초기상태에서처럼 매끈하게퇴적되는 것이 아니라, 일부는 수지상 결정 또는 이끼형상의 활성금속결정으로서 퇴적되는 것도 있다. 그러한 활성금속결정은 전해액중의 유기용매와 반응하여, 그들의 표면이 패시베이션(passivation)막으로 덮여서 불활성으로 되어, 방전에 기여하지 않으므로, 충 ·방전싸이클이 반복됨에 따라서 음전극의 용량이 저하한다. 따라서, 전지의 제조시, 음전극용량을 양전극의 용량보다 극단적으로 크게 설정할 필요가 있었다. 게다가, 활성 리튬금속결정은 세퍼레이터를 관통하여 양전극과 접촉함으로써 내부단락을 형성하기 쉽다. 그러한 내부단락에 의해, 전지는 급격히 가열되어, 전지파괴 또는 화재 등의 사고를 야기시킨다.
따라서, 음극물질로서 충 ·방전에 의해 리튬이온을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션하기 위한 물질을 사용하는 소위 리튬이온2차전지가 제안되어, 집중적으로 연구개발되어 현재는 이미 실용화 단계에 들어섰다. 리튬이온2차전지는, 충전시에, 과충전되지 않는 한, 음전극의 표면상에 활성금속리튬결정이 퇴적되지 않아, 안정성의 향상도 기대되며, 또한, 고속충 ·방전특성과 수명싸이클에 있어서 종래의 리튬2차전지보다도 우수하기 때문에 최근 몇년동안 수요가 급격히 늘어나고 있다. 상기 리튬이온2차전지는, 리튬이 활성물질인 바, 리튬2차전지의 한 종류로 간주할 수도 있으나, 음전극으로서 종래의 금속리튬을 사용하는 리튬2차전지와는 구별된다.
대부분의 시스템에서, 리튬이온2차전지의 양(+)극활성물질로서는, 방전된 상태에서 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2또는 LiMn2O4등의 리튬과 천이금속과의 복합산화물(double oxide)이 사용되고, 음극활성물질로서는, 충전상태의 금속리튬과 전위가 비슷한 흑연 등의 탄소물질이 사용되고 있으나, 저전압동작의 기타시스템에서는, 부분적으로, 리튬과 천이금속과의 복합산화물이 음전극에 사용된다.
리튬이온2차전지가 충 ·방전될 때, 양극활성물질은 리튬이온의 디인터칼레이션 및 인터칼레이션을 가역적으로 반복할 수 있고, 음극활성물질은 리튬이온의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션을 가역적으로 반복할 수 있으므로, 싸이클수명이 극단적으로 길어진다. 게다가, 고전압 및/또는 대용량 때문에 전지의 고에너지밀도화가 이루어진다.
그러나, 이러한 리튬이온2차전지는, 종래의 리튬2차전지처람, 비교적 낮은 이온전도도를 가진 유기전해액을 채용한다.
따라서, 활성물질층 또는 활성물질과 도전제와의 혼합층을 전류콜렉터인 금속박상에 얇게 형성함으로써 얇은 양전극과 음전극을 제조하고, 얇은 미소다공질의 폴리올레핀수지격막 세퍼레이터를 통해 양전극과 음전극을 서로 대항하여 설치함으로써, 전극군을 구성하여, 양전극과 음전극의 마주대하고 있는 표면적을 증가시킴으로써 실질적인 고속 충 ·방전특성이 유지되어 그 적응성이 여러 가지 용도로 확장된다. 예를 들면 양전극과 음전극은, 각각 얇고 긴 띠형태로 이루어진 한조각으로, 세퍼레이터를 사이에 두고 나선형으로 감기거나, 아코디언처럼 주름지거나, 또는 복수의 양전극과 음전극이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층되어, 전극군을 구성한다.
이들 리튬이온2차전지에서, 특정온도까지 온도가 상승되어 이온전도도를 손실하여 전류를 차단시킬 때 미세한 구멍을 폐쇄하는 세퍼레이터가 사용된다. 또한,과충전 및 과방전으로 인한 치명적인 열화를 방지하기 위하여, 통상, 각 셀마다 제어하기 위해서는, 전지팩에 전자보호회로를 내장시켜 관리한다. 그러므로, 정상적으로 사용되는 한 안정성은 보장되지만, 비정상적으로 사용될때에는, 안정성을 보장하기 어렵다. 예를 들면, 완전한 충전상태에서의 전지팩이 자동차에 의한 충돌 등의 강한 외부힘에 의해서 압착될 때, 또는 상기 언급한 바와 같은 보호회로의 고장으로 인해 과충전될 때, 셀내의 세퍼레이터가 파손되고, 이에 따라 양전극과 음전극이 주울(Joule)열 또는 반응열에 의해 발열되어 단락되고, 또한 양극활성물질이 분해온도에 이르렀을 때 활성산소가 발생한다. 그러한 활성산소에 의해, 유기전해액중의 용매 또는 전지내의 다른 물질이 심하게 산화되어, 열폭주상태로 떨어진다. 결과로서, 전지온도가 즉시 급속히 상승하여 셀파괴 또는 화재사고를 유발할 가능성이 있다. 그러한 사고의 위험성은 충전된 전지팩을 폐전지와 함께 처리할 경우에도 또한 나타난다.
그러한 사고를 방지하기 위하여, 보통, 각 셀에 있어서는, 온도퓨즈와, PTC 장치, 기타 온도상승방지수단 및 폭발강도안전치를 검증하고 있지만, 열폭주로 인한 급작스런 온도상승에 대처하기에는 불충분한다. 그러므로 셀이 구겨지거나 광충전되어 세퍼레이터가 파손되고, 이에 따라 양전극과 음전극이 단락될 경우, 셀의 급작스런 온도상승을 방지하여, 지금까지 경험한 셀파괴와 화재를 방지할 수 있는 전지가 제안되었다. 그 대표적인 예로서, 콜렉터인 금속박의 적어도 한 쪽면에, 활성물질층을 형성하고 있는 양전극 및 음전극을, 세퍼레이터를 사이에 두고 대향배치하여 구성한 적층전극집합제(전극군)에 관한 것이 일본국 특개평 8-153542호에개시되어 있고, 여기서, 적어도 1회전, 또는 한 층이상에 걸쳐 상기 적어도 한쪽면에 세퍼레이터를 통해서 노출된 양전극과 음전극의 클렉터의 금속박의 대향부분은 전극군의 최외부부분, 최내부부분 및 그 중간부분중 어느 한 곳에 제공되어, 셀을 구성하고 있다.
그러한 셀의 구성에서, 측면이 압축되어 셀이 압착될 때, 세퍼레이터가 찢어져, 양전극과 음전극이 서로 접촉하여 단락전류가 활성물질층보다도 높은 전자도전율로 양극전과 음전극의 콜렉터의 금속박간에 선택적으로 유입되어, 충전상태에서의 양극 및 음극활성물질이 단시간동안 방전 ·소모되므로, 셀온도가 임계상태까지 상승하지 않는다. 또한, 이 공보에는, 양전극과 음전극콜렉터의 금속박의 노출된 부분사이를 안전하게 단락되게 하기 위하여, 양전극 및 음전극금속박의 노출된 부분중 적어도 한쪽에 강체 또는 탄성체로 이루어진 부분을 삽입함으로써 양전극 및 음전극의 금속박의 노출된 부분사이의 세퍼레이터를 선택적으로 찢는, 수단도 개시되어 있다.
제안된 이들 셀구성에 대한 면밀한 연구의 결과로서, 본 발명에서는, 셀구성이, 양전극콜렉터의 금속박과 음전극사이의 전자도전율이 높은 위치에서 선택적으로 단락하는 전극군에 의해 결정되어, 부품수를 필요이상으로 증가시키거나 셀용량을 희생시키지 않고도 열을 방출하기 쉽게 되어 있다. 그러한 셀 구성을 채용함으로써, 셀이 압착되는 비정상시의 경우에도, 신뢰성이 높고 안전성이 향상되어, 파괴나 화재 등의 사고를 안전하게 방지할 수 있는 비수계2차전지를 제공하고자 한다.
[발명의 개시]
본 발명은 비수전해액2차전지에 관한 것으로서, 콜렉터인 금속박상에 얇게 형성된 활성물질층 또는 활성물질과 도전제와의 혼합층을 가지는, 박형의 양전극과 음전극을, 세퍼레이터를 사이에 두고 대향하도록 배치함으로써 이루어진 전극군을 포함하는 비수전해액 2차전지에 있어서, 외부에 음전극이 위치되어 있는 전극군의 외부쪽 전체표면은, 양전극과 전기적으로 접속되어 있는 금속박으로 덮여 있고, 세퍼레이터를 사이에 두고 어떠한 활성물질층 또는 활성물질과 도전제와의 어떠한 혼합층도 가지고 있지 않으며, 최외부쪽은 세퍼레이터로 덮여짐으로써 전극군을 이루어서, 비수전해액과 함께 음극성셀용기에 놓인다는 특징이 있다. 즉, 전극군의 외부쪽의 전체표면을 덮는 양전극 콜렉터인 금속박의 한쪽은 음전극과 인접하여 마주대하고 있고 다른쪽은 음극성셀용기의 내측벽과 마주대하고 있으며, 이렇게 이루어진 전극군을 포함함으로써, 셀쪽표면이 강한 외부형에 의해 압축되어 셀이 압착되는 경우, 전극군의 외부쪽에 위치한 양전극콜렉터의 금속박의 한쪽면 또는 양쪽면상의 세퍼레이터가 먼저 파손되고, 양전극의 금속박이 음전극과 음극성셀용기의 내벽중 적어도 한쪽과 단락되며, 충전된 상태에서의 양극 및 음극물질은 단시간에 방전되어 소모되고, 또한 이 단락위치가 셀용기와 인접하여 열이 쉽게 방출됨으로써, 셀온도의 갑작스런 상승을 방지한다. 그 결과로서, 셀파괴, 화재 등의 사고가 방지될 수 있어, 필요이상으로 부품수를 늘이거나 셀용량을 희생시키지 않고도 신뢰성 및 안전성이 훌륭하게 향상된다.
본 발명은, 세퍼레이터를 사이에 두고 서로 마주대하고 있는 박형의 양전극과 음전극으로 이루어진 전극군을 가진 비수전해액2차전지에 관한 것으로서, 특히 그것의 안전성에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 원통형 비수전해액2차전지의 단면도
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서 원통형 셀내의 전극군의 적어도 최외부면을 덮고 있는 콜렉터의 금속박의 양쪽면이 충분한 길이에 걸쳐 노출되어 있는 양 전극을 도시한 도
도 3은 원통형셀의 양전극의 비교예 1, 2, 3을 도시한 도면
도 4는 원통형셀의 양전극의 종래 기술을 도시한 도면
<도면의 참조부호의 일람표>
1: 양전극 1a: Al박(노출된 부분)
1b: 활성물질층 또는 활성물질과 도전제와의 혼합층
1c: 양전극인출편 2: 음전극
3: 세퍼레이터 4: 바닥절연플레이트
5: 셀용기 6: 위쪽절연플레이트
7a: 터미널플레이트 7b: 커버플레이트
7c: 개스킷
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도면 및 표를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 있어서 비수전해액2차전지의 실시예에서의 리튬이온2차원통형 셀(전체높이 70mm, 직경 20mm)의 단면도이다.
도 1에서, 전극군은, 폭 57mm와 길이 520mm의 양전극(1)과, 폭 59mm, 길이550mm, 그리고 두께 0.2mm인 음전극(2)을, 미소다공질폴리프로필렌막으로 이루어진 세퍼레이터(3)를 사이에 두고 나선형으로 감음으로써 구성된다.
양전극(1)은, 리튬탄산염(Li2CO3)과 코발트(IV)코발트(II)산화물(Co3O4)과의 혼합물을 공기중, 900℃에서 구워서 제조한 리튬과 코발트와의 복합산화물(LiCoO2)로 이루어진 활성물질에 도전제로서 인조흑연을 첨가 ·혼합하고, 바인더로서 5중량%의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)분산용액을 첨가 ·혼합하고, 이 양전극의 페이스트로 알루미늄(Al)박(1a)의 양쪽면을 도포하고, 건조시켜, 롤러로 프레스하여(즉, 압연하여), 활성물질과 도전제와의 혼합층(1b)을 형성함으로써 제작된다. 본 발명에 의하면, 양전극(1)에서는, 도 2의 나선형전극군의 외부주위의 적어도 한쪽주변부의 길이에 대응하는 57mm의 부분은 활성물질과 도전제의 어떠한 혼합층도 형성하지 않고, Al박의 콜렉터가 노출되어 있다. 양전극인출편(片)(1c)은 Al박의 노출된 부분의 대향하는 쪽 끝의 Al박의 노출된 부분에 스팟(spot)용접되어 있다.
음전극(2)은, 평균입자크기가 3㎛인 인조흑연분말로 이루어진 활성물질에 바인더로서 5중량%의 부타디엔스티렌고무를 혼합하고, 카르복시메틸셀룰로스(CMC)수용액에 분산된 음전극페이스트를 구리(Cu)박콜렉터의 양쪽에 도포하고, 건조시켜, 압연하여 절단함으로써 제조된다. 음전극인출편(2c)은 절단된 음전극(2)의 한쪽 끝의 Cu박노출부분에 스팟용접된다.
전극군에는 세퍼레이터(3)로 시작하는 와인딩코어(winding core)부분이 있고, 이것은 세퍼레이터(3)와 최외부주위의 음전극(2)을 사이에 두고 양전극(1)의노출된 부분(1a)에서 적어도 1회전 감아서, 세퍼레이터(3)로 최외부주위를 덮음으로써 이루어진다. 전극군의 외부직경은 18mm이다.
그후에, 전극군의 상부면 및 하부면을 열기에 의해 가열하고, 전극군의 위쪽 끝과 아래쪽 끝에 연장되어 있는 세퍼레이터(3)를 수축시켜, 바닥절연플레이트(4)를 끼워넣어서, 셀용기(5)안에 놓는다. 그리고, 음전극인출편(2c)을 셀용기(5)의 내부바닥면에 스팟용접한다. 다음에, 전극군상에 위쪽절연플레이트(6)를 장착하여, 셀용기(5)의 개구의 특정위치에서 홈을 절단하고, 적당량의 비수전해액을 부어 넣는다. 비수전해액으로서는, 헥사플루오로인산리튬(LiPF6)1몰을 에틸렌카보네이트 (EC)와 디에틸렌카보네이트(DEC)와의 부피비 1:1의 혼합용액에 용해시켜서, 1리터의 유기전해액을 제조한다. 그 후, 터미널플레이트(7A)와 커버플레이트(7b)를 일체적으로 크림핑(crimping)하여, 주변부 가장자리에 개스킷(gasket)(7c)을 끼워 넣고, 양전극인출편(1c)을 이 조립된 커버의 아래쪽의 커버플레이트(7b)에 스팟용접한다. 이 조립된 커버를 셀용기(5)의 개구안으로 끼워넣고, 셀용기(5)의 위쪽 가장자리를 안으로 구부려서 봉인한다. 그러면 셀(A)이 완성된다.
도 3A, 3B, 3C는 본 발명의 효과를 확인시켜주기 위해 제조된 비교예 1, 2, 3이다.
비교예 1에서는, 양전극의 Al박의 노출부분의 길이는, 본 발명의 양전극Al박의 노출부분의 길이가 57mm인데 비해서, 30mm이다. 전극군이 비교예 1의 양전극을 사용함으로써 이루어질 때, 전극의 전체외부주위는 Al박의 노출된 부분이 있을 수가 없다.
비교예 2에서는, 양전극에는, 양전극인출편(1c)이 용접되어 있는 전극군의 와인딩코어쪽에서 57mm길이에 걸쳐 Al박이 노출되어 있다.
비교예 3에서의 양전극은, 와인딩코어쪽에서 Al박의 노출된 부분의 길이가 30mm이다.
도 4에 도시된 종래 기술에서는, 본 발명과 각 비교예에서의 양전극과 달리, Al박의 노출된 부분이 없다.
비교예 1, 2, 3 및 종래 기술의 양전극을 사용한 경우, 셀은 모두 셀(A)의 물질 및 방법과 동일하게 다른 부분도 모두 동일하게 이루어진 전극군을 설치함으로써 제조되었다. 이들 셀을 각각 (B),(C),(D),(E)라 부른다.
제조된 각각의 셀(A),(B),(C),(D),(E) 50개에 있어서, 셀당 일정전류 800mA, 일정전압 4.2V로 20℃에서 2.0시간 동안 충전한 바, 충전된 모든 셀에 대해 크러싱 테스트(crushing test)하여, 불꽃 즉, 화재가 발생한 셀의 수를 세었다. 그 결과를 표 1에 요약하여 나타낸다. 크러싱테스트에서는, 강철 등으로 된 직경 10mm의 원통형 금속봉은, 각 셀전체높이의 중간의 셀외벽쪽에서, 셀축라인에 대해 수직으로 되도록 놓고, 셀은 직경이 1/2이 될 때까지 압축기에 의해 압축하여 압착시킨다.
Figure pct00001
표 1의 결과로부터 명백히 알 수 있듯이, 종래기술의 셀(E)에서는 7개의 셀에서 화재가 발생하였으나, 본 발명의 셀(A)에서는 전혀 발생하지 않았다. 또, 전극군의 외부주위 또는 와인딩코어부에 노출된 Al박부분이 있는 양전극을 사용한 (B), (C), (D)셀에서는, 화재가 발생한 셀의 수가 셀E의 약 절반이며, 화재가 발생한 셀의 수가 없는 것은 아니다.
본 발명의 셀(A)에서는, 상기한 바와 같이, 전극군의 전체외부주위는, 양전극으로 전기적으로 도통하는 양전극용 금속박이 세퍼레이터를 사이에 두고 1회전 이상 감겨져 있고, 최외부주위는 세퍼레이터로 감싸여져 있어 전극군을 이룬다. 즉, 전극군의 외부주위에 1회전이상 감겨진 양전극용 금속박의 한쪽은 세퍼레이터를 사이에 두고 음전극과 인접하여 마주대하고 있고, 다른 쪽은 세퍼레이터를 사이에 두고 음극성셀용기의 내벽과 인접하여 마주대하고 있다. 셀이 이 상태에서 압착될 때, 셀의 외부쪽과 더 가까운 세퍼레이터가 먼저 찢어지고, 양전극콜렉터인 금속박은 셀용기와 최외부주위의 음전극중 적어도 하나와 선택적으로 단락한다. 상기한 바와 같이, 전극군의 외부주위는 양전극에 전기적으로 도통하는 양전극콜렉터용 금속박에 의해 1회전이상 감겨지기 때문에, 셀쪽 표면의 어떤 위치가 압축에 의해 압착되는 경우, 상기한 바와 같이 단락이 일어나서, 화재가 발생한 셀은 없는 것으로 판정된다.
이와 대조적으로, 셀(B)에서는, 상기한 바와 같이, 전극군의 외부주위 전체가 양전극의 Al박의 노출된 부분으로 덮여 있지 않으므로, 크러싱테스트용의 금속봉이 Al박의 노출된 부분을 항상 압축할 수 있는 것은 아니다. 이것은 화재가 발생하는 셀이 셀(B)에서 완전히 제거될 수 없기 때문인 것 같다.
또한, 셀 (C),(D)에서와 같이 전극군의 와인딩코어쪽에서의 양전극콜렉터인 Al박의 노출된 부분이 있는 셀에서는, 이들 셀이 압착되는 경우, 와인딩코어부분의 양전극 금속박의 노출된 부분의 세퍼레이터가 항상 찢어지는 것은 아니다. 양극 및 음극활성물질이 세퍼레이터의 파손으로 인하여 서로 직접 접촉할 때, 소정 셀에서 열폭주현상이 일어나는 경우가 있다. 그러나 전극군 구성은, 셀용량이, 일본국 특개평 8-153542호에 개시된 바와 같이 거의 회생되지 않는다는 점에서 이점이 있으나, 화재가 발생한 셀을 완전히 제거할 수 없어, 이것이 신뢰성면에서 문제가 된다. 따라서, 동 공보에서 제안된 바와 같이, 금속바아로 이루어진 세퍼레이터 파손부분은 와인딩코어안으로 삽입되어 있고, 이들 셀을 크러싱테스트에서 평가한바, 화재가 발생한 셀이 거의 제거될 수 있음을 확인하였다. 그러나, 그러한 셀 구성에 있어서는, 부품의 수가 증가하기 때문에, 셀 제조비용 및 무게가 증가하여, 유익한 방법은 아니다.
상기한 바와 같이, 일본국 특개평 8-153542호에 개시된 제안에 의하면, 전극군의 최외부쪽, 최내부쪽 및 중간부분의 어느 하나에서, 1회전 또는 한 층의 길이에 걸쳐, 적어도 한쪽이 노출된 양전극 및 음전극콜렉터금속박의 마주대하고 있는 부분을 세퍼레이터를 사이에 두고 배치함으로써 셀이 이루어진다. 반면에, 본 발명에서는, 활성물질층 또는 활성물질과 도전제와의 혼합층을 양쪽면에 전혀 형성하지 않은 양전극용 금속박이 양전극에 대해 전기적으로 도통하고, 외부쪽에 위치된 음전극을 갖는 전극군의 외부표면 전체는 세퍼레이터를 사이에 두고 양전극용 금속으로 덮여 있고, 최외부쪽이 세퍼레이터로 감싸여진 전극군이 음극성 셀용기안에 설치되어 있다. 본 발명에서, 노출부분이 음전극콜렉터의 금속박에 없는 이유는 리튬이온 2차전지와 리튬 2차전지의 충전된 상태에서의 활성물질, 예를 들면, 리튬이 삽입되어 C6Li로 표현되는 탄소물질과 금속성 리튬은 모두 도전성이 높고, 단락된 경우, 양극활성물질과 직접 접촉하지 않는다면 활성산소발생원이 얻어지지 않는다. 따라서, 본 발명의 셀구성에서는, 음전극 또는 셀의 용량이 희생되지 않는다. 전극군의 외부표면 전체가 매우 얇은 양전극용 금속박과 세퍼레이터로 덮여 있다는 것이 본 발명의 이점이다. 그러한 셀구성에서는, 셀용량이 약간 희생되지만, 셀압축에 있어 신뢰성이 높고, 안전성이 보장된다. 이것은 그 어떤 것 보다도 중요하다.
지금까지, 원통형 셀에 대하여 실시예로서 설명하였지만, 본 발명은 단지 원통형 셀에만 한정되지 않는다. 본 발명은, 와인딩 코어부분에서 얇고 긴 양전극 및 음전극을 편평한 플레이트상태로 세퍼레이터를 사이에 두고 형성하여, 한 방향으로 주름잡아 내리고 감아올린 타원단면의 전극군을 사용한 타원형 셀에도 적용해도 되며, 얇고 긴 양전극 및 음전극을 세퍼레이터를 사이에 두고 아코디언 형태로 주름잡아 내린 전극군을 사용한 각기둥형 셀과, 복수의 양전극 및 음전극을 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층한 전극군을 사용한 각기둥형 셀에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 그러나, 이러한 형태의 셀중에, 각기둥형 셀에서, 얇고 긴 형태의 양전극 및 음전극 모두다 세퍼레이터를 사이에 두고 아코디언 형태로 주름잡아 내린 전극플레이트인 경우, 양전극의 양쪽끝 모두에 콜렉터인 금속박의 노출된 부분이있어야만 한다. 또 복수의 양전극 및 음전극을 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적충하여 이루어진 전극군의 경우에는, 양전극보다 하나 이상 많은 음전극을 사용함으로써, 음전극이 외부쪽에 위치되고, 양전극콜렉터용인 2개의 금속박이 더미(dummy)플레이트로서 세퍼레이터를 사이에 두고 외부쪽에 배치되고, 최외부쪽은 세퍼레이터로 감싸여진다. 이 경우에는, 물론, 음전극과, 양전극 및 더미플레이트는 각각 전기적으로 병렬로 접속된다.
이 실시예에서, 양전극에서의 활성물질은 LiCoO2이고, 음전극에서는 탄소였지만, 본 발명은 이러한 시스템에만 한정되지 않는다. 예를 들면, 양극활성물질로서는, LiMO2또는 LiM2O4(M:Mn, Fe, Co, Ni로 구성된 군으로부터 선택된 1종)로 표현되는 리튬과 천이금속과의 복합산화물을 사용해도 된다. 또, 음극활성물질로서는, 탄소는 제쳐놓고, 금속성리튬, Nb, Ti 등의 다른 천이금속산화물을 사용해도 된다.
본 실시예에서는, 미소다공질폴리프로필렌박막을 세퍼레이터로서 사용하지만, 목적에 맞게, 박막 세퍼레이터를 폴리에틸렌, 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌과의 혼합물 등의 폴리올레핀으로 형성해도 된다.
본 발명의 비수전해액으로서는, 유기전해액에 한정되지 않고, 중합체 고체전해질에도 역시, 충분히 적용가능하다.
따라서, 본 발명의 비수2차전지는, 양전극 및 전기적으로 양전극콜렉터용 금속박을 도전시키고, 세퍼레이터를 사이에 두고 양전극과 음전극을 마주대하게 하고, 음전극이 전극군의 외부쪽에 위치되어 있는 전극군의 외부표면전체를 양전극콜렉터용 금속박으로 덮고, 그 외부전체를 세퍼레이터로 감싸고, 이렇게 구성된 전극군을 음극성셀용기안에 설치한다는 데에 특징이 있다. 그러한 셀구성을 채용함으로써, 셀용량을 필요이상으로 희생시키지 않고, 또 부품의 수를 증가시키지 않고도, 측면에서 강하게 압축함으로써 셀을 압착하는 가혹한 조건속에서도 화재나 파괴 사고가 발생하지 않고, 신뢰성이 높고, 안정성이 대단히 향상된다.

Claims (10)

  1. 사이에 세퍼레이터재가 끼워유지되고, 활성물질 또는 활성물질과 도전제와의 혼합물로 이루어진 피복을 가진 제 1도전금속박으로 이루어진 양전극 및 음전극과, 상기 양전극에 전기적으로 접속된 제 2금속박으로 이루어진 전극군과,
    상기 전극군이 비수전해액과 함께 내장된 음극성 셀용기를 구비하고 있는 비수전해액 2차전지에 있어서,
    상기 음전극의 최외부분은 상기 양전극의 최외부부분의 외부에 위치하고, 상기 제 2금속박은 상기 음전극의 최외부부분의 외부에 위치하며, 상기 세퍼레이터재는 상기 제 2금속박과 상기 음전극의 최외부부분사이에 위치하고, 상기 제 2금속박의 최외부쪽을 덮는 것을 특징으로 하는 비수전해액2차전지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전극군은 사이에 끼워 유지된 상기 세퍼레이터재와 함께 나선형으로 감긴 상기 양전극과 상기 음전극으로 이루어지고,
    상기 제 2금속박은 상기 양전극의 외부주위 끝에 전기적으로 접속되고, 상기 음전극의 최외부부분은 제 2외부주위로 이루어진 상기 제2금속박으로 완전히 덮힌 제 1외부주위로 이루어지고, 상기 세퍼레이터재는 상기 제 1 및 제 2외부주위 사이에 위치하여, 상기 제 2외부주위를 덮는 것을 특징으로 하는 비수전해액2차전지.
  3. 제 1항에 있어서 상기 전극군은 중심의 와인딩코어부분에서 편평한 플레이트상태로 하여 구성된, 상기 양전극, 상기 음전극 및 그 사이의 상기 세퍼레이터재로 타원형의 횡단면을 가지며, 상기 제 2금속박은 상기 양전극의 외부주위 끝에 전기적으로 접속되고, 상기 음극성셀용기는 타원형의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 비수전해액2차전지.
  4. 제 1항에 있어서, 얇고 긴 양전극과 음전극을 세퍼레이터를 사이에 두고 아코디언형태로 주름잡아내림으로써 이루어진 전극군을 구비하고 있는 비수전해액2차전지이며, 양전극콜렉터용 금속박은 양전극의 양 끝에 전기적으로 접속되고, 음전극은 세퍼레이터를 사이에 두고 양 외부쪽에 위치된 전극군의 양 외부표면 전체를 양전극콜렉터용 금속박으로 덮고, 최외부쪽은 또한 세퍼레이터로 감싸이고, 이렇게 구성된 전극군이 비수전해액과 함께 음극성 각기둥형 셀용기안에 놓여있는 것을 특징으로 하는 비수전해액2차전지.
  5. 제 1항에 있어서, 양전극을 이루는 상기 제 1금속박은 상기 피복이 없는 노출된 부분을 가지며, 상기 노출된 부분은 상기 제 2금속박을 규정하는 것을 특징으로 하는 비수전해액2차전지.
  6. 콜레터인 금속박상에 얇게 형성된 활성물질층 또는 활성물질과 도전제와의 혼합층을 가지는 양전극 및 음전극을 교대로 적충하고, 음전극은 세퍼레이터를 사이에 두고 양전극보다도 하나 이상 많고, 양쪽 외부쪽의 음전극의 표면전체를 세퍼레이터를 사이에 두고 양전극콜렉터용 금속박으로 이루어진 2개의 더미플레이트와 마주대하게 하고, 최외부쪽을 세퍼레이터로 감싸고, 양전극 및 더미플레이트와, 음전극을 서로 전기적으로 접속함으로써 전극군을 형성하고, 이렇게 구성된 전극군을 비수전해액과 함께 음극성의 각기둥형 셀용기안에 넣음으로써 이루어진 것을 특징으로 하는 비수전해액2차전지.
  7. 제 2항에 있어서, 양전극콜렉터로 이루어진 제 1금속박은 상기 피복이 없는 노출된 부분을 가지며, 상기 노출된 부분은 제 2금속박을 규정하는 것을 특징으로 하는 비수전해액2차전지.
  8. 제 3항에 있어서, 양전극콜렉터로 이루어진 제 1금속박은 상기 피복이 없는 노출된 부분을 가지며, 상기 노출된 부분은 제 2금속박을 규정하는 것을 특징으로 하는 비수전해액2차전지.
  9. 제 4항에 있어서, 상기 양전극에 전기적으로 접속된 양전극콜렉터용 금속박은, 상기 콜렉터용 금속박위에 활성물질 또는 활성물질과 도전제의 혼합물층을 형성해서 양전극을 제조할 때, 상기 금속박의 특정영역의 양면에 활성물질층 또는 활성물질과 도전제의 혼합물층을 전혀 형성하지 않은 노출된 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 비수전해액2차전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전극군은, 크러싱힘이 가해지면 i) 제2금속박이 상기 셀용기의 내벽과 단락하도록 먼저 파손하는 상기 제2금속박의 최외부쪽에 있는 세퍼레이터재와, ii) 제2금속박이 상기 음전극과 단락하도록 먼저 파손하는 상기 제2금속박과 상기 음전극 사이의 세퍼레이터재로 이루어진 무리로부터 선택된 적어도 하나의 파괴모드에 의해 파괴되도록 적응되는 것을 특징으로하는 비수전해액2차전지 것을 특징으로 하는 비수전해액 2차전지.
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