KR100749198B1 - 비수전해질 전지, 전지 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온 다습 환경하에서의 충방전 사이클 특성이 우수한 비수전해질 전지, 전지 팩 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 자동차를 제공한다.
본 발명의 비수전해질 전지는 주연부에 열융착에 의해 형성된 밀봉부를 갖는 필름제 외장 부재(1); 상기 외장 부재(1) 내에 수납되는 정극; 상기 외장 부재(1) 내에 수납되고, 리튬 흡장 전위가 0.4 V(vs. Li/Li＋) 이상인 부극 활성 물질을 함유하는 부극; 상기 정극에 전기적으로 접속되고, 선단이 상기 외장 부재(1)의 상기 밀봉부를 통해 외부로 인출되는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금제인 정극 리드 단자(7); 상기 부극에 전기적으로 접속되고, 선단이 상기 외장 부재(1)의 상기 밀봉부를 통해 외부로 인출되는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금제인 부극 리드 단자(6)를 구비하고, 상기 정극 리드 단자(7) 및 상기 부극 리드 단자(6)의 상기 밀봉부에 개재되는 평면 부분(13)에 요철 구조를 갖는 알루미나막(14)이 형성되고, 하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
<수학식 1>
0.6Q≤S≤2Q
비수전해질 전지, 전지 팩, 자동차, 알루미늄박, 적층 필름, 전지 단일체, 조전지

Description

비수전해질 전지, 전지 팩 및 자동차{NONAQUEOUS ELECTROLYTE BATTERY, BATTERY PACK AND VEHICLE}
도 1은 제1 실시 형태에 따른 편평형 비수전해질 이차 전지를 모식적으로 나타내는 부분 절결 사시도.
도 2는 도 1의 A부의 확대 단면도.
도 3은 도 1의 밀봉부의 일례를 나타내는 확대 단면도.
도 4는 도 1의 밀봉부의 다른 예를 나타내는 확대 단면도.
도 5는 도 1의 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자에서의 밀봉부에 개재되는 평면 부분의 확대 단면 모식도.
도 6은 제1 실시 형태에 따른 다른 편평형 비수전해질 이차 전지를 모식적으로 나타내는 부분 절결 사시도.
도 7은 제2 실시 형태에 따른 전지 팩의 분해 사시도.
도 8은 도 7의 전지 팩의 전기 회로를 나타내는 블럭도.
도 9는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 직렬 하이브리드 자동차를 나타내는 모식도.
도 10은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 병렬 하이브리드 자동차를 나타내는 모식도.
도 11은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 직렬·병렬 하이브리드 자동차를 나타내는 모식도.
도 12는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 자동차를 나타내는 모식도.
도 13은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 하이브리드 오토바이를 나타내는 모식도.
도 14는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 전동 오토바이를 나타내는 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 외장 부재 1a: 용기부
2: 전극군 3: 정극
3a: 정극 집전체 3b: 정극 활성 물질 함유층
4: 부극 4a: 부극 집전체
4b: 부극 활성 물질 함유층 5: 세퍼레이터
6: 부극 리드 단자 7: 정극 리드 단자
8: 장변 밀봉부 9a: 제1 단변 밀봉부
9b: 제2 단변 밀봉부 10: 금속층
11: 열가소성 수지층 12: 수지층
13: 평면 부분 14: 알루미나막
15: 돌기부 16: 연속 기공
17: 독립 기공 18: 열가소성 필름
19: 단변 밀봉부 20a, 20b: 장변 밀봉부
Z1: 외연 Z2: 내연
21: 전지 단일체 22: 조전지(22)
23: 점착 테이프 24: 프린트 배선 기판
25: 서미스터 26: 보호 회로
27: 외부 기기로의 통전용 단자 28: 정극측 배선
29: 정극측 커넥터 30: 부극측 배선
31: 부극측 커넥터 31a: 플러스측 배선
31b: 마이너스측 배선 32: 배선
33: 보호 시트 34: 보호 블록
35: 수납 용기 36: 뚜껑
50: 하이브리드 자동차 (직렬 하이브리드 자동차)
51: 내연 기관 52: 발전기
53: 인버터 54: 전지 팩
55: 전동기 56: 차륜
57: 하이브리드 자동차 (병렬 하이브리드 자동차)
58: 부번 59: 하이브리드 자동차 (직렬·병렬 하이브리드차)
60: 동력 분할 기구 61: 뒷좌석
62: 트렁크 룸 63: 하이브리드 오토바이
64: 내연 기관 65: 전동기
66: 차륜 67: 전동 오토바이
[문헌 1] 일본 특허 공개 제2001-84993호 공보
[문헌 2] 일본 특허 공개 제2002-42889호 공보
본 발명은 비수전해질 전지, 상기 비수전해질 전지로 형성된 조전지를 포함하는 전지 팩, 및 상기 전지 팩을 구비한 자동차에 관한 것이다.
리튬 금속, 리튬 합금, 리튬 화합물 또는 탄소질 물질을 부극에 이용한 비수전해질 전지는 고에너지 밀도 전지로서 기대되어 활발히 연구 개발이 진행되고 있다. 지금까지, 활성 물질로서 LiCoO2 또는 LiMn2O4를 포함하는 정극과 리튬을 흡장 방출하는 탄소질 물질을 포함하는 부극을 구비한 리튬 이온 전지가 널리 실용화되어 있다. 또한, 부극에 있어서는 상기 탄소질 물질을 대체하는 금속 산화물 또는 합금의 검토가 이루어지고 있다.
이들 부극 집전체에는 구리박, 리드 단자에는 니켈 또는 구리를 그대로 사용하는 것이 일반적이었다. 예를 들면 일본 특허 공개 제2001-84993호 공보는 정극측의 외부 리드 단자를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성하고, 정극측의 외부 리드 단자에서의 외장 필름으로 밀봉되는 전체 둘레면에 화학적 처리에 의해 다공질 산화막을 형성하는 전지에 관한 것이다. 상기 일본 특허 공개 제2001-84993호 공보에 따르면, 부극 집전체는 구리 또는 니켈로 형성되어 있고, 전해액에 의한 부식을 회피하기 위해 부극측의 외부 리드 단자를 니켈로 형성하고 있다.
그러나, 집전체로서 구리박을 포함하는 부극을 구비한 전지를 과방전 상태로 하면 부극의 전위가 상승하기 때문에 구리극의 용해 반응이 촉진되어 방전 용량이 급격히 저하된다. 이 때문에 상기 전지에는 과방전 상태가 되는 것을 방지하기 위한 보호 회로가 필요하다. 그러나, 보호 회로의 장착은 에너지 밀도 면에서 불리하였다.
따라서, 특정한 부극 활성 물질에 대하여 부극 집전체에 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박을 사용하는 것이 제안되었다(예를 들면, 일본 특허 공개 제2002-42889호 공보 참조). 이에 따라, 에너지 밀도 및 과방전 사이클 성능이 향상된 비수전해질 전지가 가능해졌다.
한편, 부극 집전체에 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박을 구비한 비수전해질 전지는 어시스트 자전거, 전동 스쿠터, 전기 자동차나 하이브리드차에 탑재하는 차량 탑재용 전지나 전자 기기의 비상용 전원으로서 유망시되고 있다. 차량 탑재용 전지에는 장기간의 고온 고습 환경(예를 들면, 60 ℃ 이상, 상대 습도 90％ 이상)에서 급속 충전하고, 고출력 방전하는 것이 요구된다.
이 비수전해질 전지를 경량화하기 위해 전극군이 수납되는 외장 부재를 필름으로 형성하면, 장기간에 걸쳐 고온 환경하에서 사용했을 때에 외장 부재의 밀폐성 이 저하되고, 그 결과, 수분 침입에 의해 방전 용량이 저하되고, 충방전 사이클 수명이 저하된다는 문제점이 발생한다.
차량 탑재용이나 전자 기기의 비상용 비수전해질 전지에서는 고온 다습 환경에 노출될 기회가 많을 뿐 아니라, 정격 용량이 1 Ah 이상으로 클 뿐더러, 급속히 충전하고 고출력으로 방전되는 것이 요구되는 점에서, 충방전에 의한 발열량이, 휴대 전화 등의 정격 용량이 1 Ah 미만인 비수전해질 전지와 비교하여 훨씬 크다. 이 때문에 정격 용량이 1 Ah 이상인 비수전해질 전지를 고온 다습 환경하에서 사용하면 전지 온도가 현저히 상승하여 외장 부재의 밀폐성이 저하되고, 충방전 사이클 수명의 저하를 초래한다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여, 고온 다습 환경하에서의 충방전 사이클 특성이 우수한 비수전해질 전지, 전지 팩 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 비수전해질 전지는
주연부에 열융착에 의해 형성된 밀봉부를 갖는 필름제 외장 부재;
상기 외장 부재 내의 비수전해질;
상기 외장 부재 내에 수납되는 정극;
상기 외장 부재 내에 수납되고, 리튬 흡장 전위가 0.4 V(vs. Li/Li＋) 이상 인 부극 활성 물질을 함유하는 부극;
상기 정극에 전기적으로 접속되고, 선단이 상기 외장 부재의 상기 밀봉부를 통해서 외부로 인출되는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금제인 정극 리드 단자; 및
상기 부극에 전기적으로 접속되고, 선단이 상기 외장 부재의 상기 밀봉부를 통해 외부로 인출되는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금제인 부극 리드 단자를 구비하고,
상기 정극 리드 단자 및 상기 부극 리드 단자의 상기 밀봉부에 개재되는 평면 부분에 요철 구조를 갖는 알루미나막이 형성되고,
하기 수학식 1을 만족시키는 것을 특징으로 한다.
0.6Q≤S≤2Q
S는 상기 정극 리드 단자 및 상기 부극 리드 단자의 단면적(㎟)이고, Q는 정격 용량(Ah)이며, 1 내지 50 Ah의 범위에 있다.
본 발명자들이 예의 연구를 거듭한 결과, 정격 용량이 1 내지 50 Ah인 비수전해질 전지에 있어서, 정극 리드 단자와 부극 리드 단자 둘다를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성했을 때, 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 밀봉부에 접합되는 평면 부분에 다공질 알루미나막이 형성되는 동시에, 상기 수학식 1을 만족시킴으로써, 밀봉부와 리드 단자의 접합 강도를 개선시킬 수 있고, 고온 다습 환경하에서 사용시의 외장 부재의 밀폐성 저하를 억제할 수 있음을 발견하였다. 이에 따라, 고온 다습 환경하에서의 충방전 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지 팩은 상기 비수전해질 전지의 조전지를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 자동차는 상술한 전지 팩을 구비하는 것을 특징으로 한다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
이하에 본 발명의 각 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 한편, 실시 형태를 통해 공통되는 구성에는 동일 부호를 붙이기로 하고, 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 각 도면은 발명의 설명과 그 이해를 촉진하기 위한 모식도이며, 그 형상이나 치수, 비 등은 실제 장치와 상이한 부분이 있지만, 이들은 하기 설명과 공지된 기술을 참작하여 적절히 설계 변경할 수 있다.
(제1 실시 형태)
제1 실시 형태에 따른 비수전해질 전지의 일례에 대하여 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 도 1은 제1 실시 형태에 따른 편평형 비수전해질 이차 전지를 모식적으로 나타내는 부분 절결 사시도이고, 도 2는 도 1의 A부의 확대 단면도이고, 도 3은 도 1의 밀봉부의 일례를 나타내는 확대 단면도이고, 도 4는 도 1의 밀봉부의 다른 예를 나타내는 확대 단면도이고, 도 5는 도 1의 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자에서의 밀봉부에 개재되는 평면 부분의 확대 단면 모식도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 적층 필름제의 외장 부재(1) 내에는 적층형 전극군(2)이 수납되어 있다. 적층형 전극군(2)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 직사각형의 정극(3)과 직사각형의 부극(4)을 그 사이에 직사각형의 세퍼레이터(5)를 개재시키면서 교대로 적층한 구조를 갖는다. 정극(3)은 복수매 존재하고, 각각이 정극 집전체(3a)와 정극 집전체(3a)의 양면에 담지된 정극 활성 물질 함유층(3b)을 구비한다. 부극(4)은 복수매 존재하고, 각각이 부극 집전체(4a)와 부극 집전체(4a)의 양면에 담지된 부극 활성 물질 함유층(4b)을 구비한다. 각각의 부극(4)의 부극 집전체(4a)는 한 변이 정극(3)으로부터 장변 방향으로 돌출되어 있다. 정극(3)으로부터 돌출된 부극 집전체(4a)의 단부는 벨트형의 부극 리드 단자(6)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 여기서는 도시하지 않지만, 정극(3)의 정극 집전체(3a)는 부극 집전체(4a)의 돌출변과 반대측에 위치하는 변이 부극(4)으로부터 장변 방향으로 돌출되어 있다. 부극(4)으로부터 돌출된 정극 집전체(3a)의 단부는 벨트형의 정극 리드 단자(7)에 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 도 2에 대하여 편의상 집전체(4a)와 부극 리드 단자(6)의 두께는 동등하게 기재되어 있지만, 실제적으로 부극 리드(6)의 두께는 집전체(4a)에 비해 두꺼울 수도 있다.
부극 리드 단자(6)는 리튬 이온 금속에 대한 전위가 0.4 V 이상 3 V 이하인 범위에서의 전기적 안정성과 도전성을 구비하는 재료로 형성될 수 있다. 구체적으로는, Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, Si 등의 원소를 포함하는 알루미늄 합금, 알루미늄을 들 수 있다. 접촉 저항을 감소시키기 위해 부극 집전체(4a)와 동일한 재료가 바람직하다.
정극 리드 단자(7)는 리튬 이온 금속에 대한 전위가 3 V 이상 5 V 이하인 범위에서의 전기적 안정성과 도전성을 구비하는 재료로 형성할 수 있다. 구체적으로는, Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, Si 등의 원소를 포함하는 알루미늄 합금, 알루미늄을 들 수 있다. 접촉 저항을 감소시키기 위해 정극 집전체(3a)와 동일한 재료가 바람 직하다.
외장 부재(1)에 대하여 설명한다. 컵형의 용기부(1a)가 형성된 적층 필름에 상기 전극군을 수납한 후, 적층 필름을 두개로 접으면, 장변 방향의 일단부와 단변 방향의 양단부에서 적층 필름이 중첩된다. 이 중첩된 적층 필름을 열융착에 의해 접합시키면, 외장 부재(1)의 주연부 중 3 변에 장변 밀봉부(8), 제1 단변 밀봉부(9a), 및 제2 단변 밀봉부(9b)가 형성된다. 이에 따라, 밀폐 용기로서의 외장 부재(1)가 얻어진다. 적층 필름은 예를 들면 도 3에 나타낸 바와 같이, 금속층(10), 금속층(10)의 한쪽 면에 형성된 열가소성 수지층(11), 및 금속층(10)의 반대측 면에 형성된 수지층(12)을 구비한다. 열가소성 수지층(11)이 외장 부재(1)의 내면에 위치하고, 수지층(12)이 외장 부재(1)의 표면에 위치한다. 장변 밀봉부(8)는 중첩된 적층 필름의 열가소성 수지층(11)끼리를 열융착시킴으로써 형성된다. 제1 단변 밀봉부(9a)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 중첩된 적층 필름의 열가소성 수지층(11) 사이에 부극 리드 단자(6)를 협지한 상태로 열융착시킴으로써 형성된다. 부극 리드 단자(6)의 선단은 제1 단변 밀봉부(9a)로부터 외부로 인출되어 있다. 또한, 제2 단변 밀봉부(9b)는 중첩된 적층 필름의 열가소성 수지층 사이에 정극 리드 단자(7)를 협지한 상태로 열융착시킴으로써 형성된다. 정극 리드 단자(7)의 선단은 제2 단변 밀봉부(9b)로부터 외부로 인출되어 있다.
경량화를 위해 적층 필름의 금속층(10)은 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박인 것이 바람직하다. 알루미늄박 및 알루미늄 합금박에는 후술하는 부극 집전체에서 설명하는 것과 동일한 구성의 것을 사용할 수 있다. 적층 필름의 열가소성 수 지층(11)은 폴리올레핀으로 형성할 수 있다. 폴리올레핀에는 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE) 중 적어도 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 폴리에틸렌이 바람직하다. 적층 필름의 수지층(12)은 금속층(10)을 보강하기 위한 것으로, 폴리올레핀, 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 고분자로 형성할 수 있다. 적층 필름은 외측(외장 부재 표면측)으로부터 PET 필름 또는 나일론 필름/알루미늄박 또는 알루미늄 합금박/무연신 PE 필름 또는 PP 필름 순서로 적층된 적층 구조를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 금속층(10)과 열가소성 수지층(11) 사이 및 금속층(10)과 수지층(12) 사이에는 이들을 접착하기 위한 접착제층이 존재할 수 있다.
적층 필름의 두께는 0.3 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 0.1 내지 0.3 ㎜이다.
부극 리드 단자(6)의 제1 단변 밀봉부(9a)와 접해 있는 평면 부분과 정극 리드 단자(7)의 제2 단변 밀봉부(9b)와 접해 있는 평면 부분에는 요철 구조를 갖는 알루미나막이 다공질형으로 형성되어 있다. 이들 평면 부분의 모식도를 도 5에 나타낸다. 평면 부분(13)에는 요철 구조의 알루미나막(14)이 형성되어 있다. 요철 구조를 갖는 알루미나막(14)은 스폰지 구조와 같은 다공질 구조를 갖는다. 구체적으로는, 다수의 돌기부(15)가 불연속적이면서 불균일하게 형성되고, 돌기부(15) 사이에 연속 기공(16) 및 독립 기공(17)이 다수 형성되어 있다. 돌기부(15)의 높이는 0.01 내지 10 ㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, 요철 구조를 갖는 알루미나막(14)의 두께는 10 ㎛ 이하가 바람직하다. 두께가 10 ㎛를 초과하면, 전기적인 접촉 저항이 증대할 가능성이 있기 때문이다. 두께의 보다 바람직한 범위는 0.01 내지 1 ㎛의 범위이다. 이에 따라, 밀봉부와 리드 단자의 접합 강도를 충분하게 할 수 있다. 여기서, 요철 구조를 갖는 알루미나막(14)의 두께(T)는 금속 현미경 또는 전자현미경에 의해 관찰되며, 돌기부(15)의 최대 높이(H)와 최소 높이(h)의 중간치이다. 요철 구조를 갖는 알루미나막(14)은 평면 부분(13)뿐 아니라, 부극 리드 단자(6)의 제1 단변 밀봉부(9a)와 접해 있는 측면 부분과 정극 리드 단자(7)의 제2 단변 밀봉부(9b)와 접해 있는 측면 부분에도 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 요철 구조를 갖는 알루미나막(14)은 도 5에 나타낸 바와 같이 공극이 삼차원적으로 배치된 다공질 구조에 한정되지 않고, 메쉬와 같이 공극이 이차원적으로 배치된 다공질 구조를 가질 수도 있다.
요철 구조를 갖는 알루미나막(14)은 부극 리드 단자(6) 및 정극 리드 단자(7)에 표면 처리를 실시하거나 또는 줄로 처리함으로써 형성할 수 있다. 상기 표면 처리로서는 예를 들면, 에칭, 플라즈마 처리, 정극 산화 등 화학 용액에 의한 화학적 처리, 입자를 충돌시켜 표면을 거칠게 하는 블라스트 처리 등의 물리적 처리를 들 수 있다. 이러한 표면 처리는 부극 리드 단자(6)의 제1 단변 밀봉부(9a)로 둘러싸인 전체 둘레면 및 정극 리드 단자(7)의 제2 단변 밀봉부(9b)로 둘러싸인 전체 둘레면에 대하여 이루어진다. 화학 용액에 의한 화학 처리로서는 부극 리드 단자(6) 및 정극 리드 단자(7)를 중크롬산나트륨과, 인산 또는 황산을 포함하는 수용액 중에 침지하는 중크롬산 처리를 들 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 적층 필름의 열가소성 수지층(11)과 부극 리드 단자(6) 사이에는 열가소성 필름(18)을 개재시킬 수 있다. 열가소성 필름(18)은 부 극 리드 단자(6)의 평면 부분(13) 상의 요철 구조를 갖는 알루미나막(14)을 피복하는 정도의 크기로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제1 단변 밀봉부(9a)와 부극 리드 단자(6)의 접합 강도를 높일 수 있다. 또한, 제2 단변 밀봉부(9b)와 정극 리드 단자(7)의 접합 강도를 높이기 위해 정극 리드 단자(7)와 적층 필름의 열가소성 수지층(11) 사이에도 열가소성 필름을 개재시킬 수 있다.
열가소성 필름(18)은 적층 필름의 열가소성 수지층(11)과 동등한 특성 및 성형성을 구비하고, 동시에, 요철 구조를 갖는 알루미나막(14)과 열가형성 수지층(11)의 접착성을 양호하게 하기 위해, 전기 화학적으로 안정하고 융점이 100 내지 200 ℃인 유기 중합체 필름을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 유기 중합체 필름으로서는 프로필렌 카르보네이트(PC) 및 폴리에틸렌(PE) 중 적어도 하나를 함유하는 폴리올레핀에 산 무수물을 첨가한 재료로 형성된 필름을 들 수 있다. 특히 폴리에틸렌에 무수 말레산을 수％ 그래프트화함으로써 얻어지는 필름이 바람직하다. 이에 따라, 고온 다습 환경하에서의 충방전 사이클 수명을 더욱 향상시킬 수 있다.
상술한 구성의 비수전해질 전지는 하기 수학식 1을 만족시킨다.
<수학식 1>
0.6Q≤S≤2Q
S는 정극 리드 단자(7) 및 부극 리드 단자(6)의 단면적(㎟)이고, Q는 정격 용량(Ah)이며, 1 내지 50 Ah의 범위에 있다.
여기서, 단면적(S)은 정극 리드 단자(7) 및 부극 리드 단자(6) 각각을 단변 방향을 따라 절단했을 때에 얻어지는 단면적을 의미한다. 정극 리드 단자(7)의 단면적(S)과 부극 리드 단자(6)의 단면적(S)은 상술한 수학식 1을 만족시키는 값을 가지면 서로 동일하지 않을 수 있다. 또한, 비수전해질 전지의 정격 용량(Q)이란 0.2 C 속도로 방전했을 때의 용량을 의미한다.
단면적(S)을 0.6Q 미만으로 하면, 정극 리드 단자(7) 및 부극 리드 단자(6)로부터의 방열이 충분하지 않게 되기 때문에, 고온 다습 환경하에서 사용했을 때에 제1 단변 밀봉부(9a) 또는 제2 단변 밀봉부(9b)가 박리될 가능성이 있다. 한편, 단면적(S)이 2Q를 초과하면, 제1 단변 밀봉부(9a) 및 제2 단변 밀봉부(9b)의 접합 강도가 저하되어 고온 다습 환경하에서 사용했을 때에 제1 단변 밀봉부(9a) 또는 제2 단변 밀봉부(9b)가 박리될 가능성이 있다.
단면적(S)의 보다 바람직한 범위는 1.2Q≤S≤1.8Q이다.
단면적(S)의 측정은 하기에 설명하는 방법으로 수행된다. 정극 리드 단자(7)의 임의의 5개소에서 정극 리드 단자(7)의 단변 방향을 따르는 단면의 면적을 측정하고, 그 평균을 정극 리드 단자(7)의 단면적(S)으로 한다. 또한, 부극 리드 단자(6)의 임의의 5개소에서 부극 리드 단자(6)의 단변 방향을 따르는 단면의 면적을 측정하고, 그 평균을 부극 리드 단자(6)의 단면적(S)으로 한다.
상기 수학식 1과 함께 하기 수학식 2 내지 4 중 어느 하나를 만족시킴으로써 고온 다습 환경하에서 고입력(급속 충전) 및 고출력(고율 방전)했을 때의 충방전 사이클 특성을 더욱 개선시킬 수 있다. 한편, 수학식 2 내지 4에 의한 특성 개선 효과는 정격 용량(Q)(Ah)이 3≤Q≤5일 때에 현저히 나타나기 때문에, 정격 용량 (Q)(Ah)은 3≤Q≤5를 만족시키는 것이 바람직하다.
상기 정극 리드 단자(7) 및 상기 부극 리드 단자(6)의 두께(t)(㎜)는 하기 수학식 2를 만족시키는 것이 바람직하다.
0.001Q＋0.1≤t≤0.02Q＋1.0
두께(t)(㎜)의 측정은 하기에 설명하는 방법으로 수행된다. 정극 리드 단자(7)의 임의의 5개소에서, 예를 들면 버니어캘리퍼스에 의해 두께를 측정하고, 그 평균을 정극 리드 단자(7)의 두께(t)로 한다. 또한, 부극 리드 단자(6)의 임의의 5개소에서, 예를 들면 버니어캘리퍼스에 의해 두께를 측정하고, 그 평균을 부극 리드 단자(6)의 두께(t)로 한다.
상기 정극 리드 단자(7) 및 상기 부극 리드 단자(6)의 폭(X)(㎜)은 하기 수학식 3을 만족시키는 것이 바람직하다. 여기서, 폭(X)이란 리드 단자의 단변 방향의 길이를 의미한다.
1.2Q≤X≤13Q
폭(X)의 측정은 하기에 설명하는 방법으로 수행된다. 정극 리드 단자(7)의 임의의 5개소에서 정극 리드 단자(7)의 단변 방향의 길이를 측정하고, 그 평균을 정극 리드 단자(7)의 폭(X)으로 한다. 또한, 부극 리드 단자(6)의 임의의 5개소에서 부극 리드 단자(6)의 단변 방향의 길이를 측정하고, 그 평균을 부극 리드 단자(6)의 폭(X)으로 한다.
밀봉부의 외연과 내연 사이의 거리(Y)(㎜)는 하기 수학식 4를 만족시키는 것이 바람직하다.
0.1Q＋2≤Y≤0.4Q＋10
밀봉부는 외장 부재의 주연부 중 적어도 일단부(1 변) 또는 전체 둘레(4 변)에 형성될 수 있다. 외장 부재의 주연부 3 변에 밀봉부를 형성한 예가 상술한 도 1과 후술하는 도 6에 나타나 있다. 도 1의 경우, 밀봉부는 장변 밀봉부(8), 제1 단변 밀봉부(9a) 및 제2 단변 밀봉부(9b)로 구성되어 있다. 장변 밀봉부(8)의 임의의 5개소에서 외연(Z1)(외장 부재(1)의 외주)과 내연(Z2)(밀봉부의 경계선) 사이의 거리(Y)를 측정하고, 그 평균치를 산출한다. 또한, 제1 단변 밀봉부(9a)의 임의의 5개소에서, 외연(Z1)(외장 부재(1)의 외주)과 내연(Z2)(밀봉부의 경계선) 사이의 거리(Y)를 측정하고, 그 평균치를 산출한다. 제2 단변 밀봉부(9b)에 대해서도 임의의 5개소에서 외연(Z1)(외장 부재(1)의 외주)과 내연 (Z2)(밀봉부의 경계선) 사이의 거리(Y)를 측정하고, 그 평균치를 산출한다. 장변 밀봉부(8), 제1 단변 밀봉부(9a) 및 제2 단변 밀봉부(9b) 각각에 대하여 산출한 평균 거리(Y)가 상술한 수학식 4를 만족시킬 수 있다. 따라서, 장변 밀봉부(8), 제1 단변 밀봉부(9a) 및 제2 단변 밀봉부(9b)에서 평균 거리(Y)는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
이하, 부극, 정극, 세퍼레이터, 비수전해질 및 외장 부재에 대하여 설명한다.
1) 부극
이 부극은 부극 집전체 및 상기 집전체의 한쪽 면 또는 양면에 담지되어 활성 물질, 도전제 및 결착제를 포함하는 부극 활성 물질 함유층을 갖는다.
부극 활성 물질의 리튬 흡장 전위를 0.4 V(vs. Li/Li＋) 이상으로 한정하는 것은 리튬 흡장 전위가 0.4 V(vs. Li/Li＋) 미만인 부극 활성 물질(예를 들면 탄소질 물질, 리튬 금속)에서는 리튬과 알루미늄의 합금화 반응에 의해 부극 리드 단자 및 부극 집전체가 미세 분말화되기 때문이다. 한편, 고전압을 얻기 위해서는 부극 활성 물질의 리튬 흡장 전위를 0.4 내지 3 V(vs. Li/Li＋)로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위는 0.4 내지 2 V(vs. Li/Li＋)이다.
0.4 내지 3 V(vs. Li/Li＋)의 범위에서 리튬을 흡장할 수 있는 부극 활성 물질은 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물 또는 합금인 것이 바람직하다.
이러한 금속 산화물로서는 예를 들면, 티탄-함유 금속 복합 산화물, 예를 들면 SnB0 .4P0 .6O3 .1 등의 비정질 주석 산화물, 예를 들면 SnSiO3 등의 주석 규소 산화물, 예를 들면 SiO 등의 산화규소, 예를 들면 WO3 등의 텅스텐 산화물 등을 들 수 있다. 그 중에서도 티탄-함유 금속 복합 산화물이 바람직하다.
티탄-함유 금속 복합 산화물로서는 예를 들면, 리튬-티탄 산화물, 산화물 합성시에는 리튬을 포함하지 않는 티탄계 산화물 등을 들 수 있다. 리튬-티탄 산화 물로서는 예를 들면, 스피넬형 티탄산리튬(예를 들면 Li4 ＋ xTi5O12(x는 -1≤x≤3)), 램스델라이트(ramsdellite)형 티탄산리튬(예를 들면, Li2 ＋ xTi3O7(x는 -1≤x≤3)) 등을 들 수 있다. 티탄계 산화물로서는 TiO2, Ti와 P, V, Sn, Cu, Ni 및 Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 금속 복합 산화물 등을 들 수 있다. TiO2는 아나타제형으로 열처리 온도가 300 내지 500 ℃인 저결정성의 것이 바람직하다. Ti와 P, V, Sn, Cu, Ni 및 Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 금속 복합 산화물로서는 예를 들면, TiO2-P2O5, TiO2-V2O5, TiO2-P2O5-SnO2, TiO2-P2O5-MeO(Me는 Cu, Ni 및 Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소) 등을 들 수 있다. 이 금속 복합 산화물은 결정성이 낮고, 결정상과 비정질상이 공존하거나, 또는 비정질상 단독으로 존재하는 마이크로 구조인 것이 바람직하다. 이러한 마이크로 구조임으로써 사이클 성능을 대폭 향상시킬 수 있다. 그 중에서도 리튬-티탄 산화물, Ti와 P, V, Sn, Cu, Ni 및 Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 금속 복합 산화물이 바람직하다.
금속 황화물로서는 예를 들면, TiS2 등의 황화티탄, 예를 들면 MoS2 등의 황화몰리브덴, 예를 들면, FeS, FeS2, LixFeS2 등의 황화철 등을 들 수 있다.
금속 질화물로서는 예를 들면, 리튬 코발트 질화물(예를 들면, LixCoyN, 0＜x＜4, 0＜y＜0.5) 등을 들 수 있다.
부극 활성 물질로서 티탄-함유 금속 복합 산화물을 사용하면 충방전 사이클에 의한 부극의 부피 변화를 작게 할 수 있기 때문에 충방전 사이클 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 티탄-함유 금속 복합 산화물 중에서도 스피넬형 티탄산리튬이 고용량을 얻을 수 있기 때문에 바람직하다.
부극 활성 물질의 평균 입경은 1 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 사이클 성능을 향상시킬 수 있다. 특히, 급속 충전시 및 고출력 방전시에 있어서 이 효과는 현저해진다. 이는 예를 들면, 리튬 이온을 흡장 방출하는 부극 활성 물질에 대해서는 입경이 미소해질수록 활성 물질 내부에서의 리튬 이온의 확산 거리가 짧아지고, 비표면적이 커지기 때문이다. 보다 바람직한 평균입경은 0.3 ㎛ 이하이다. 단, 평균 입경이 작으면 입자의 응집이 발생하기 쉬워지고, 부극의 균질성 저하를 초래할 우려가 있기 때문에 하한치는 0.001 ㎛로 하는 것이 바람직하다.
평균 입경이 1 ㎛ 이하인 부극 활성 물질은 활성 물질 원료를 반응 합성하여 활성 물질 전구체를 제조한 후, 소성 처리를 수행하고, 볼밀이나 제트밀 등의 분쇄기를 이용하여 분쇄 처리를 실시함으로써 얻어진다. 한편, 소성 처리에 있어서, 활성 물질 전구체의 일부는 응집하여 입경이 큰 이차 입자로 성장할 수 있다. 이 때문에, 부극 활성 물질에 이차 입자를 포함하는 것이 허용된다. 입경이 작은 물질 쪽이 분쇄 처리가 간편하기 때문에, 활성 물질 전구체는 1 ㎛ 이하의 분말인 것이 바람직하다. 이러한 미립자의 활성 물질을 사용함으로써 리튬 이온을 신속하게 흡장 방출할 수 있고, 높은 입출력 성능을 제공할 수 있기 때문에 차량용 이차 전 지로서 최적이다.
부극 집전체는 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박인 것이 바람직하다. 부극 집전체는 평균 결정 입경이 50 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 집전체의 강도를 비약적으로 증대시킬 수 있기 때문에 부극을 높은 프레스압으로 고밀도화하는 것이 가능해져 전지 용량을 증대시킬 수 있다. 또한, 고온 환경하(40 ℃ 이상)에서의 과방전 장기 사이클에서의 부극 집전체의 용해·부식 열화를 방지할 수 있기 때문에 부극 임피던스의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 출력 특성, 급속 충전, 충방전 사이클 특성도 향상시킬 수 있다. 평균 결정 입경의 보다 바람직한 범위는 30 ㎛ 이하이고, 보다 바람직한 범위는 5 ㎛ 이하이다.
평균 결정 입경은 다음과 같이 하여 구해진다. 집전체 표면의 조직을 전자 현미경으로 관찰하여 1 ㎜×1 ㎜ 내에 존재하는 결정 입자수 n을 구한다. 이 n을 이용하여 S＝1×106/n(㎛2)으로부터 평균 결정 입자 면적 S를 구한다. 얻어진 S의 값으로부터 하기 수학식 A에 의해 평균 결정 입경 d(㎛)를 산출한다.
<수학식 A>
d＝2(S/π)1/2
상기 평균 결정 입경의 범위가 50 ㎛ 이하의 범위에 있는 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박은 재료 조성, 불순물, 가공 조건, 열 처리 이력 및 어닐링의 가열 조건 등 많은 인자에 복잡하게 영향받으며, 상기 결정 입경(직경)은 제조 공정 중에서 상기 여러 인자를 유기적으로 조합하여 조정된다.
알루미늄박 및 알루미늄 합금박의 두께는 20 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 15 ㎛ 이하이다. 알루미늄박의 순도는 99.99 ％ 이상이 바람직하다. 알루미늄 합금으로서는 마그네슘, 아연, 규소 등의 원소를 포함하는 합금이 바람직하다. 한편, 철, 구리, 니켈, 크롬 등의 전이 금속은 100 ppm 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 도전제로서는 예를 들면, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 코우크스, 탄소 섬유, 흑연, 알루미늄 분말, TiO 등을 들 수 있다. 보다 바람직하게는 열 처리 온도가 800 ℃ 내지 2000 ℃인 평균 입경 10 ㎛ 이하의 코우크스, 흑연, TiO의 분말, 평균 섬유 직경 1 ㎛ 이하의 탄소 섬유이다. 상기 탄소 재료의 N2 흡착에 의한 BET 비표면적은 10 ㎡/g 이상이 바람직하다.
상기 결착제로서는 예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVdF), 불소계 고무, 스티렌부타디엔 고무, 코어쉘 결합제 등을 들 수 있다.
상기 부극의 활성 물질, 도전제 및 결착제의 배합비는 부극 활성 물질 80 내지 95 중량％, 도전제 3 내지 18 중량％, 결착제 2 내지 7 중량％의 범위로 하는 것이 바람직하다.
부극은 상술한 부극 활성 물질, 도전제 및 결착제를 적당한 용매에 현탁시키고, 이 현탁물을 집전체에 도포하고, 건조하고, 가온 프레스를 실시함으로써 제조된다.
2) 정극
이 정극은 정극 집전체와, 상기 집전체의 한쪽 면 또는 양면에 담지되고 활성 물질, 도전제 및 결착제를 포함하는 정극 활성 물질 함유층을 갖는다.
정극 활성 물질로서는 산화물, 황화물, 중합체 등을 들 수 있다. 그 중에서도 코발트, 니켈, 망간 및 철로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 함유하는 리튬 금속 화합물이 바람직하다.
이러한 리튬 금속 화합물로서는 리튬 망간 복합 산화물(예를 들면 LixMn2O4 또는 LixMnO2), 리튬 니켈 복합 산화물(예를 들면 LixNiO2), 리튬 코발트 복합 산화물(예를 들면 LixCoO2), 리튬 니켈 코발트 복합 산화물(예를 들면 LixNi1-yCoyO2), 리튬 망간 코발트 복합 산화물(예를 들면 LixMnyCo1 - yO2), 스피넬형 리튬 망간 니켈 복합 산화물(LixMn2 - yNiyO4, x, y는 0≤x≤1, 0.4≤y≤1), 올리빈 구조를 갖는 리튬 인 산화물(LixFePO4, LixFe1 - yMnyPO4, LixVPO4F, LixCoPO4 등), 층상 결정 구조를 갖는 리튬 니켈 코발트 망간 복합 산화물 등을 들 수 있다. 한편, x, y는 특별히 기재가 없는 한 0 내지 1의 범위인 것이 바람직하다.
고전압이고, 출력 성능이 우수한 비수전해질 전지를 얻기 위해서는 리튬 망간 복합 산화물, 리튬 니켈 복합 산화물, 리튬 코발트 복합 산화물, 리튬 니켈 코발트 복합 산화물, 스피넬형 리튬 망간 니켈 복합 산화물, 리튬 망간 코발트 복합 산화물, 리튬 인산철, 층상 결정 구조를 갖는 리튬 니켈 코발트 망간 복합 산화물 등을 사용하는 것이 바람직하다.
층상 결정 구조를 갖는 리튬 니켈 코발트 망간 복합 산화물의 조성은 LiaNibCocMndO2(단, 몰비 a, b, c 및 d는 0≤a≤1.1, b＋c＋d＝1)로 표시되는 것이 바람직하다. 몰비 a, b, c 및 d의 보다 바람직한 범위는 0≤a≤1.1, 0.1≤b≤0.5, 0≤c≤0.9, 0.1≤d≤0.5이다.
또한, 산화물로서는 상기 종류의 산화물 외에 이산화망간(Mn02), 산화철, 산화구리, 산화니켈, 황산철(Fe2(SO4)3), 바나듐 산화물(예를 들면 V2O5) 등도 들 수 있다. 중합체로서는 폴리아닐린이나 폴리피롤 등의 도전성 중합체 재료, 디술피드계 중합체 재료 등을 들 수 있다. 그 밖에, 황(S), 불화탄소 등도 사용할 수 있다.
상기 도전제로서는 예를 들면 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 흑연 등을 들 수 있다.
상기 결착제로서는 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVdF), 불소계 고무 등을 들 수 있다.
상기 정극의 활성 물질, 도전제 및 결착제의 배합비는 정극 활성 물질 80 내지 95 중량％, 도전제 3 내지 19 중량％, 결착제 1 내지 7 중량％의 범위로 하는 것이 바람직하다.
상기 정극은 예를 들면, 정극 활성 물질, 도전제 및 결착제를 적당한 용매에 현탁하고, 이 현탁물을 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박의 집전체에 도포하고, 건조하고, 프레스를 실시함으로써 제조된다.
상기 집전체의 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박은 부극 집전체와 마찬가지로 평균 결정 입경이 50 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 평균 결정 입경이 30 ㎛ 이하이다. 더욱 바람직하게는 5 ㎛ 이하이다. 상기 평균 결정 입경의 범위가 50 ㎛ 이하임으로써 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박의 강도를 비약적으로 증대시킬 수 있고, 정극을 높은 프레스압으로 고밀도화하는 것이 가능해져 전지 용량을 증대시킬 수 있다.
상기 평균 결정 입경의 범위가 50 ㎛ 이하의 범위에 있는 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박은 재료 조성, 불순물, 가공 조건, 열처리 이력 및 어닐링의 가열 조건 등 많은 인자에 복잡하게 영향받으며, 상기 결정 입경(직경)은 제조 공정 중에서 상기 여러 인자를 유기적으로 조합하여 조정된다.
상기 알루미늄박 및 알루미늄 합금박의 두께는 20 ㎛ 이하, 보다 바람직하게는 15 ㎛ 이하이다.
3) 세퍼레이터
정극과 부극 사이에는 세퍼레이터를 배치할 수 있다. 세퍼레이터로서는 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 셀룰로오스, 또는 폴리불화비닐리덴(PVdF)을 포함하는 다공질 필름, 합성 수지제 부직포 등을 들 수 있다. 그 중에서도 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌으로 이루어지는 다공질 필름은 일정 온도에서 용융되어 전류를 차단하는 것이 가능하기 때문에 안전성 향상 측면에서 바람직하다.
4) 비수전해질
비수전해질에는 리튬염 전해질을 유기 용매에 용해시킴으로써 조정되는 액상 전해질, 상기 액상 전해질과 고분자 재료를 복합화한 겔상 전해질, 또는 리튬염 전해질과 고분자 재료를 복합화한 고체 전해질을 사용할 수 있다. 고분자 재료로서는 예를 들면, 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌 옥시드(PEO) 등을 들 수 있다. 또한, 비수전해질에는 휘발성이 없는 불연성의 이온성 액체로 이루어지는 상온 용융염을 함유시킬 수도 있다. 상온 용융염(이온성 융체)은 리튬 이온, 유기물 양이온 및 유기물 음이온으로 구성되고, 또한 100 ℃ 이하, 바람직하게는 실온 이하에서도 액상인 것이 바람직하다.
전해질인 리튬염으로서는 예를 들면, 과염소산리튬(LiClO4), 육불화인산리튬(LiPF6), 사불화붕산리튬(LiBF4), 육불화비소리튬(LiAsF6), 트리플루오로메타술폰산리튬(LiCF3SO3), 비스트리플루오로메틸설포닐이미드리튬[LiN(CF3SO2)2], Li N(C2F5SO2)2, Li(CF3SO2)3C, LiB[(OCO)2]2 등을 들 수 있다. 사용하는 전해질의 종류는 1종 또는 2종 이상으로 할 수 있다. 그 중에서도 사불화붕산리튬은 비수전해질의 가수 분해를 억제하는 효과가 높기 때문에 충방전 사이클 수명을 보다 향상시킬 수 있다.
리튬염은 유기용매에 0.5 내지 2 mol/L 용해시키는 것이 바람직하다.
상기 유기용매로서는 예를 들면, 프로필렌 카르보네이트(PC), 에틸렌 카르보네이트(EC) 등의 환상 카르보네이트나, 디에틸 카르보네이트(DEC), 디메틸 카르보네이트(DMC), 메틸 에틸 카르보네이트(MEC) 등의 쇄상 카르보네이트나, 디메톡시에탄(DME), 디에톡시에탄(DEE) 등의 쇄상 에테르나, 테트라히드로푸란(THF), 디옥솔 란(DOX) 등의 환상 에테르나, γ-부티로락톤(GBL), 아세토니트릴(AN), 술포란(SL) 등을 들 수 있다. 이들 유기용매는 단독으로 또는 2종 이상의 혼합물의 형태로 사용할 수 있다. 그 중에서도 PC, EC, DEC 및 GBL로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 이차 전지의 출력 특성 또는 충방전 사이클 수명을 향상시킬 수 있다. 충분한 특성 향상을 도모하기 위해서는 PC, EC, DEC 및 GBL로 이루어지는 군에서 2종 이상 선택하는 것이 바람직하다.
제1 실시 형태에 따른 비수전해질 전지는 상술한 도 1 내지 도 5에 나타내는 구성의 것에 한정되지 않으며, 예를 들면, 도 6에 나타내는 구성으로 할 수 있다. 도 6은 제1 실시 형태에 따른 다른 편평형 비수전해질 이차 전지를 모식적으로 나타내는 부분 절결 사시도이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 전극군은 정극(3) 및 부극(4)을 그 사이에 세퍼레이터(5)를 개재시켜 편평 형상이 되도록 소용돌이형으로 권취한 구조를 갖는다. 상기 전극군은 정극(3) 및 부극(4)을 그 사이에 세퍼레이터(5)를 개재시켜 편평 형상이 되도록 소용돌이형으로 권취한 후, 가열 프레스를 실시함으로써 제조된다. 전극군에서의 정극(3), 부극(4) 및 세퍼레이터(5)는 접착성을 갖는 고분자에 의해 일체화될 수 있다. 벨트형의 정극 리드 단자(7)는 정극(3)에 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 벨트형의 부극 리드 단자(6)는 부극(4)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 전극군은 적층 필름제 외장 부재(1) 내에 수납되어 있다. 외장 부재(1)는 두개로 접은 적층 필름으로 전극군을 협지하고, 적층 필름이 중첩된 부분을 열융착에 의해 접합시킴으로써 얻어진다. 이 외장 부재(1)는 단변 밀봉부(19) 및 장변 밀봉 부(20a, 20b)를 갖는다. 정극 리드 단자(7)와 부극 리드 단자(6)의 선단은 외장 부재(1)의 단변 밀봉부(19)를 통해 외부로 인출되어 있다.
충방전 사이클 수명의 향상에는 상술한 도 1에 나타낸 바와 같이, 마주 대하는 밀봉부 각각으로부터 정극 리드 단자와 부극 리드 단자가 인출되어 있는 구성을 갖는 것이 바람직하다. 이는 정극 리드 단자와 부극 리드 단자의 폭을 충분히 확보할 수 있어 전지의 열확산성이 우수하기 때문이다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태에 따른 전지 팩은 제1 실시 형태에 따른 전지 단일체를 복수개 갖는다. 각각의 전지 단일체는 전기적으로 직렬 또는 병렬로 배치되어 조전지를 이루고 있다.
제1 실시 형태에 따른 전지 단일체는 조전지화에 적합하고, 제2 실시 형태에 따른 전지 팩은 사이클 특성이 우수하다. 이에 대하여 설명한다.
제1 실시 형태에 따른 전지 단일체는 장기간에 걸쳐 높은 기밀성을 유지할 수 있기 때문에 전지의 용량 개체차나 임피던스의 개체차를 매우 작게 하는 것이 가능해진다. 그 결과, 예를 들면, 직렬 접속의 조전지에 있어서, 전지 용량의 개체차에 따른 만충전시의 전지 전압 편차를 감소시킬 수 있다. 이 때문에, 제2 실시 형태에 따른 전지 팩은 조전지의 제어성이 우수하고, 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.
전지 단일체에는 도 1 또는 도 6에 나타내는 편평형 전지를 사용할 수 있다.
도 7의 전지 팩에서의 전지 단일체(21)는 도 6에 나타내는 편평형 비수전해 질 전지로 구성되어 있다. 복수의 전지 단일체(21)는 정극 리드 단자(7)와 부극 리드 단자(6)가 돌출되어 있는 방향을 하나로 정렬시켜 두께 방향으로 적층되어 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 전지 단일체(21)는 직렬로 접속되어 조전지(22)를 이루고 있다. 조전지(22)는 도 7에 나타낸 바와 같이 점착 테이프(23)에 의해 일체화되어 있다.
정극 리드 단자(7) 및 부극 리드 단자(6)가 돌출되는 측면에 대해서는 프린트 배선 기판(24)이 배치되어 있다. 프린트 배선 기판(24)에는 도 8에 나타낸 바와 같이, 서미스터(25), 보호 회로(26) 및 외부 기기로의 통전용 단자(27)가 탑재되어 있다.
도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 조전지(22)의 정극측 배선(28)은 프린트 배선 기판(24)의 보호 회로(26)의 정극측 커넥터(29)에 전기적으로 접속되어 있다. 조전지(22)의 부극측 배선(30)은 프린트 배선 기판(24)의 보호 회로(26)의 부극측 커넥터(31)에 전기적으로 접속되어 있다.
서미스터(25)는 전지 단일체(21)의 온도를 검지하기 위한 것으로, 검지 신호는 보호 회로(26)에 송신된다. 보호 회로(26)는 소정 조건으로 보호 회로와 외부 기기로의 통전용 단자 사이의 플러스측 배선(31a) 및 마이너스측 배선(31b)을 차단할 수 있다. 소정 조건이란 예를 들면, 서미스터의 검출 온도가 소정 온도 이상이 되었을 때, 전지 단일체(21)의 과충전, 과방전, 과전류 등을 검지했을 때 등이다. 이 검지 방법은 개개의 전지 단일체(21) 또는 전지 단일체(21) 전체에 대하여 이루어진다. 개개의 전지 단일체(21)를 검지하는 경우, 전지 전압을 검지할 수도 있 고, 정극 전위 또는 부극 전위를 검지할 수도 있다. 후자의 경우, 개개의 전지 단일체(21) 중에 참조극으로서 이용하는 리튬 전극이 삽입된다. 도 8의 경우, 전지 단일체(21) 각각에 전압 검지를 위한 배선(32)을 접속하고, 이들 배선(32)을 통해 검지 신호가 보호 회로(26)에 송신된다.
제2 실시 형태의 경우, 전지 전압의 검지에 의한 정극 또는 부극 전위의 제어가 우수하기 때문에 보호 회로가 전지 전압만을 검지하는 경우에 특히 적합하다.
조전지(22)에 대하여 정극 리드 단자(7) 및 부극 리드 단자(6)가 돌출되는 측면 이외의 3개의 측면에는 고무 또는 수지로 이루어지는 보호 시트(33)가 배치된다. 정극 리드 단자(7) 및 부극 리드 단자(6)가 돌출되는 측면과 프린트 배선 기판(24) 사이에는 고무 또는 수지로 이루어지는 블록형의 보호 블록(34)이 배치된다.
이 조전지(22)는 각 보호 시트(33), 보호 블록(34) 및 프린트 배선 기판(24)과 함께 수납 용기(35)에 수납된다. 즉, 수납 용기(35)의 장변 방향의 양쪽 내측면과 단변 방향의 내측면 각각에 보호 시트(33)가 배치되고, 단변 방향의 반대측 내측면에 프린트 배선 기판(24)이 배치된다. 조전지(22)는 보호 시트(33) 및 프린트 배선 기판(24)으로 둘러싸인 공간내에 위치한다. 수납 용기(35)의 상면에는 뚜껑(36)이 부착된다.
한편, 조전지(22)의 고정에는 점착 테이프(23) 대신에 열수축 테이프를 사용할 수도 있다. 이 경우, 조전지의 양쪽 측면에 보호 시트를 배치하고, 열수축 튜브를 감은 후, 상기 열수축 튜브를 열수축시켜 조전지를 결속시킨다.
한편, 도 7, 8에 나타낸 전지 단일체(21)는 직렬로 접속되어 있지만, 전지 용량을 증대시키기 위해서는 병렬로 접속할 수 있다. 물론, 조립된 전지 팩을 직렬, 병렬로 접속할 수도 있다.
또한, 전지 팩의 양태는 용도에 따라 적절히 변경된다.
전지 팩의 용도로서는 고온 환경하에서의 사용이 상정되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 이륜 내지 사륜의 하이브리드 전기 자동차, 이륜 내지 사륜의 전기 자동차, 어시스트 자전거 등의 차량 탑재용이나 전자 기기의 비상용을 들 수 있다.
한편, 차량 탑재용의 경우, 60 ℃ 정도의 고온 환경하에서의 사이클 특성이 요구된다. 전자 기기의 비상용의 경우, 45 ℃ 정도의 고온 환경하에서의 사이클 특성이 요구된다. 후술하는 실시예에 나타낸 바와 같이, 60 ℃에서의 충전 사이클 특성이 개선되기 때문에 차량 탑재용이나 전자 기기의 비상용으로도 적용 가능하다. 특히, 차량 탑재용이 바람직하다.
(제3 실시 형태)
제3 실시 형태에 따른 자동차는 제2 실시 형태에 따른 전지 팩을 구비한다. 여기서 말하는 자동차로서는 이륜 내지 사륜의 하이브리드 전기 자동차, 이륜 내지 사륜의 전기 자동차, 어시스트 자전거 등을 들 수 있다.
도 9 내지 11은 내연 기관과 전지 구동의 전동기를 조합하여 주행 동력원으로 한 하이브리드 타입의 자동차를 나타낸다. 자동차의 구동력에는 그 주행 조건에 따라 광범위한 회전수 및 토크의 동력원이 필요하게 된다. 일반적으로 내연 기관은 이상적인 에너지 효율을 나타내는 토크·회전수가 한정되어 있기 때문에 그 이외의 운전 조건에서는 에너지 효율이 저하된다. 하이브리드 타입의 자동차는 내연 기관을 최적 조건으로 가동시켜 발전하는 동시에 차륜을 고 효율의 전동기로 구동시킴으로써, 또는 내연 기관과 전동기의 동력을 합쳐서 구동시킴으로써, 자동차 전체의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 특징을 갖는다. 또한, 감속시에 차량이 갖는 운동 에너지를 전력으로서 회생시킴으로써 통상적인 내연 기관 중독 주행의 자동차와 비교하여 단위 연료당 주행 거리를 비약적으로 증대시킬 수 있다.
하이브리드 자동차는 내연 기관과 전동기의 조합 방법에 따라 크게 3개로 분류할 수 있다.
도 9에는 일반적으로 직렬 하이브리드 자동차라 불리는 하이브리드 자동차(50)가 도시되어 있다. 내연 기관(51)의 동력을 일단 모두 발전기(52)에서 전력으로 변환하고, 이 전력을 인버터(53)를 통해 전지 팩(54)에 저장한다. 전지 팩(54)에는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 전지 팩이 사용된다. 전지 팩(54)의 전력은 인버터(53)를 통해 전동기(55)에 공급되고, 전동기(55)에 의해 차륜(56)이 구동한다. 전기 자동차에 발전기가 복합된 것과 같은 시스템이다. 내연 기관은 고효율인 조건으로 운전할 수 있고, 전력 회생도 가능하다. 반면, 차륜의 구동은 전동기에 의해서만 이루어지기 때문에 고출력의 전동기가 필요하다. 또한, 전지 팩도 비교적 대용량의 것이 필요하다. 전지 팩의 정격 용량은 5 내지 50 Ah의 범위로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 10 내지 20 Ah이다. 여기서, 정격 용량이란 0.2 C 속도로 방전했을 때의 용량을 의미한다.
도 10에는 병렬 하이브리드 자동차라 불리는 하이브리드 자동차(57)가 도시 되어 있다. 부번(58)은 발전기와 전동기를 겸한 발전기/전동기를 나타낸다. 내연 기관(51)은 주로 차륜(56)을 구동하고, 경우에 따라 그 동력의 일부가 발전기/전동기(58)의 발전기에서 전력으로 변환되며, 그 전력으로 전지 팩(54)이 충전된다. 부하가 커지는 발진이나 가속시에는 발전기/전동기(58)의 전동기에 의해 구동력을 보조한다. 통상적인 자동차를 기본으로 하고, 내연 기관(51)의 부하 변동을 적게 하여 고효율화를 도모하고, 전력 회생 등도 아울러 행하는 시스템이다. 차륜(56)의 구동은 주로 내연 기관(51)에 의해 수행되기 때문에 발전기/전동기(58)의 전동기의 출력은 필요한 보조 비율에 따라 임의로 결정될 수 있다. 비교적 작은 발전기/전동기(58) 및 전지 팩(54)을 이용하더라도 시스템을 구성할 수 있다. 전지 팩의 정격 용량은 1 내지 20 Ah의 범위로 할 수 있다. 보다 바람직한 범위는 5 내지 10 Ah이다.
도 11에는 직렬·병렬 하이브리드차라 불리는 하이브리드 자동차(59)가 도시되어 있다. 직렬과 병렬 양쪽을 조합한 방식이다. 동력 분할 기구(60)는 내연 기관(51)의 출력을 발전용과 차륜 구동용으로 분할한다. 병렬 방식보다도 치밀하게 엔진의 부하 제어를 수행하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
전지 팩의 정격 용량은 1 내지 20 Ah의 범위로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 5 내지 10 Ah이다.
본 발명 실시 형태에 따른 전지 팩은 직렬·병렬 방식의 하이브리드 자동차에서의 사용에 특히 적합하다.
전지 팩(54)은 일반적으로 외기 온도 변화의 영향을 받기 어렵고, 충돌시 등 에 충격을 받기 어려운 장소에 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들면 도 12에 도시한 바와 같은 세단 타입의 자동차에서는 뒷좌석(61) 후방의 트렁크 룸(62) 내 등에 배치할 수 있다. 또한, 좌석(61) 아래나 뒤에 배치할 수 있다. 전지 중량이 큰 경우에는 차량 전체를 저중심화하기 위해 좌석 아래나 바닥 밑 등에 배치하는 것이 바람직하다.
전기 자동차(EV)는 자동차 외부로부터 전력을 공급하여 충전된 전지 팩에 저장된 에너지로 주행한다. 따라서, 전기 자동차는 다른 발전 설비 등을 이용하여 고효율로 발전된 전기 에너지를 이용하는 것이 가능하다. 또한, 감속시에는 자동차의 운동 에너지를 전력으로서 회생시킬 수 있기 때문에 주행시의 에너지 효율을 높게 할 수 있다. 전기 자동차는 이산화탄소 외의 배기 가스를 전혀 배출하지 않기 때문에 청정한 자동차이다. 그 반면, 주행시의 동력은 모두 전동기에 의하기 때문에 고출력의 전동기가 필요하다. 일반적으로는 1회의 주행에 필요한 모든 에너지를 한 번의 충전으로 전지 팩에 저장하여 주행할 필요가 있기 때문에 매우 큰 용량의 전지가 필요하다. 전지 팩의 정격 용량은 100 내지 500 Ah의 범위로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 200 내지 400 Ah이다.
또한, 차량의 중량에 차지하는 전지 중량의 비율이 크기 때문에 전지 팩을 바닥 밑에 부설하는 등, 낮은 위치이면서 차량의 중심에서 크게 벗어나지 않는 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 1회의 주행에 상당하는 큰 전력량을 단시간 내에 충전하기 위해서는 대용량의 충전기와 충전 케이블이 필요하다. 이 때문에, 전기 자동차는 이들을 접속하는 충전 커넥터를 구비하는 것이 바람직하다. 충전 커넥터 에는 전기 접점에 의한 통상적인 커넥터를 사용할 수 있지만, 전자 결합에 의한 비접촉식 충전 커넥터를 사용할 수도 있다.
도 13에는 하이브리드 오토바이(63)의 일례를 나타낸다. 이륜차의 경우에 있어서도 하이브리드 자동차와 마찬가지로 내연 기관(64), 전동기(65), 전지 팩(54)을 구비한 에너지 효율이 높은 하이브리드 오토바이를 구성할 수 있다. 내연 기관(64)은 주로 차륜(66)을 구동하며, 경우에 따라 그 동력의 일부에서 전지 팩(54)이 충전된다. 부하가 커지는 발진이나 가속시에는 전동기(65)에 의해 구동력을 보조한다. 차륜(66)의 구동은 주로 내연 기관(64)에 의해 수행되기 때문에 전동기(65)의 출력은 필요한 보조 비율에 따라 임의로 결정될 수 있다. 비교적 작은 전동기(65) 및 전지 팩(54)을 이용하더라도 시스템을 구성할 수 있다. 전지 팩의 정격 용량은 1 내지 20 Ah의 범위로 할 수 있다. 보다 바람직한 범위는 3 내지 10 Ah이다.
도 14에는 전동 오토바이(67)의 일례를 나타낸다. 전동 오토바이(67)는 외부로부터 전력을 공급하여 충전된 전지 팩(54)에 저장된 에너지로 전동기(56)를 구동하여 차륜(66)으로 주행한다. 주행시의 동력은 모두 전동기(65)에 의하기 때문에 고출력의 전동기(65)가 필요하다. 일반적으로는 1회의 주행에 필요한 모든 에너지를 한 번의 충전으로 전지 팩에 저장하여 주행할 필요가 있기 때문에 비교적 큰 용량의 전지가 필요하다. 전지 팩의 정격 용량은 10 내지 50 Ah의 범위로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 15 내지 30 Ah이다.
<실시예>
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 이하에 기재되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
이하에 설명하는 방법으로 부극을 제조하였다. 평균 입경이 0.5 ㎛, N2 가스에 의한 BET 비표면적이 20 ㎡/g, 리튬 흡장 전위가 1.55 V(vs. Li/Li＋)인 스피넬형 티탄산리튬(Li4Ti5O12) 분말, 도전제로서 평균 입경 4 ㎛의 탄소 분말, 및 결착제로서 폴리불화비닐리덴(PVdF)을 중량비로 90:7:3이 되도록 배합하였다. 이들을 n-메틸피롤리돈(NMP) 용매에 분산시켜 슬러리를 제조하였다. 얻어진 슬러리를 두께가 10 ㎛이고 평균 결정 입경이 50 ㎛인 알루미늄박(순도 99％)에 도포하고, 건조하고, 가열 프레스 공정을 거침으로써 전극 밀도가 2.4 g/㎤인 부극을 제조하였다.
부극 리드 단자의 제조 방법을 설명한다. 두께(t) 0.15 ㎜, 폭(X) 12 ㎜, 높이 30 ㎜, 단면적(S)이 1.8 ㎟이고, 0.5 ％ Mg를 함유하는 조성의 알루미늄 합금박(순도 99％)을 중크롬산나트륨 및 인산으로 이루어지는 수용액 중에 침지함으로써 중크롬산 표면 처리를 실시하여 두께 1 ㎛의 요철 구조를 갖는 알루미나막을 형성하였다. 이 알루미나막은 상술한 도 5에 도시한 바와 같은 다공질형이었다. 얻어진 부극 리드 단자의 외장 부재와 접합되는 평면 부분을 열가소성 필름으로서의 폴리에틸렌 필름으로 피복하고, 열처리에 의해 부극 리드 단자에 폴리에틸렌 필름을 밀착시켰다.
정극 활성 물질로서 평균 입경이 3 ㎛인 층상 구조의 리튬 니켈 코발트 망간 복합 산화물(LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2)을 준비하였다. 여기에 도전재로서 정극 전체에 대하여 8 중량％의 흑연 분말, 결착제로서 정극 전체에 대하여 5 중량％의 PVdF를 각각 배합하여 n-메틸피롤리돈(NMP) 용매에 분산시켜 슬러리를 제조하였다. 두께가 15 ㎛이고 평균 결정 입경이 10 ㎛인 알루미늄 합금박(순도 99％)의 양면에 슬러리를 도포하고, 건조하고, 프레스 공정을 거쳐 전극 밀도가 3.5 g/㎤인 정극을 제조하였다.
정극 리드 단자의 제조 방법을 설명한다. 두께(t) 0.15 ㎜, 폭(X) 12 ㎜, 높이 30 ㎜, 단면적(S) 1.8 ㎟이고, 0.5 ％ Mg를 함유하는 조성의 알루미늄 합금박(순도 99％)을 중크롬산나트륨 및 인산으로 이루어지는 수용액 중에 침지함으로써 중크롬산 표면 처리를 실시하여 두께 0.1 ㎛의 다공질 알루미나막을 형성하였다. 이 알루미나막은 상술한 도 5에 도시한 바와 같은 다공질 구조를 갖는 것이었다. 얻어진 정극 리드 단자의 외장 부재와 접합되는 평면 부분을 열가소성 필름으로서의 폴리에틸렌 필름으로 피복하고, 열 처리에 의해 정극 리드 단자에 폴리에틸렌 필름을 밀착시켰다.
정극과 부극을 그 사이에 두께 12 ㎛의 폴리에틸렌제 다공질 필름의 세퍼레이터를 개재시키면서 교대로 적층하여 적층 전극군을 얻었다. 상기한 방법으로 제조한 부극 리드 단자를 부극 집전체와 전기적으로 접합시켰다. 또한, 정극 리드 단자를 정극 집전체와 전기적으로 접합시켰다.
외장 부재를 구성하는 적층 필름의 두께는 0.1 ㎜로 하였다. 또한, 이 적층 필름은 막 두께가 약 0.03 ㎜이고 평균 결정 입경이 약 100 ㎛인 알루미늄층, 알루미늄층의 한쪽 면에 형성된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름, 및 알루미늄층의 반대측 면에 형성된 폴리에틸렌(PE) 필름을 구비하는 것을 사용하였다. 밀봉부의 외연과 내연 사이의 거리(Y)는 부극 리드 단자가 인출되어 있는 제1 단변 밀봉부, 정극 리드 단자가 인출되어 있는 제2 단변 밀봉부, 장변 밀봉부를 각각 4 ㎜로 하였다.
한편, 비수전해질로서 에틸렌 카르보네이트(EC) 및 γ-부티로락톤(BL)의 혼합 용매(부피 비율 25:75)에 전해질로서의 사불화붕산리튬(LiBF4)을 2.0 mol/L 용해시킴으로써 액상 비수전해질(비수 전해액)을 제조하였다.
이 비수전해질을 외장 부재 내의 전극군에 주액하여 상술한 도 1에 나타낸 바와 같은 구조를 갖고, 정격 용량(Q)이 3 Ah이고, 두께 6.8 ㎜, 폭 72 ㎜, 높이 110 ㎜의 편평형 비수전해질 전지를 제조하였다.
정격 용량(Q)이 3 Ah이기 때문에 상술한 수학식 1에 기초하여 단면적(S)의 허용 범위는 1.8 내지 6 ㎟의 범위가 된다. 실시예 1의 단면적(S)이 1.8 ㎟인 값은 0.6Q에 상당한다. 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 두께(t)의 허용 범위는 상술한 수학식 2에 기초하여 0.103 내지 1.06 ㎜의 범위가 된다. 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 폭(X)의 허용 범위는 상술한 수학식 3에 기초하여 3.6 내지 39 ㎜의 범위가 된다. 밀봉부의 외연과 내연 사이의 거리(Y)의 허용 범위는 상술 한 수학식 4에 기초하여 2.3 내지 11.2 ㎜의 범위가 된다.
이하에 부극 활성 물질의 입경 및 리튬 흡장 전위의 측정 방법을 설명한다.
<부극 활성 물질의 입경>
부극 활성 물질의 입경 측정은 레이저 회절식 분포 측정 장치(시마즈 SALD-300)를 이용하여, 우선 비이커에 시료 약 0.1 g과 계면활성제와 1 내지 2 mL의 증류수를 첨가하여 충분히 교반한 후, 교반 수조에 주입하고, 2초 간격으로 64회 광도 분포를 측정하여 입도 분포 데이터를 해석하는 방법으로 측정하였다.
<리튬 흡장 전위>
부극을 1 cm×1 cm의 크기로 잘라내어 작용극으로 하였다. 작용극과 2 cm×2 cm의 리튬 금속박으로 이루어지는 대극을 유리 필터(세퍼레이터)를 개재하여 대향시키고, 작용극과 대극이 닿지 않도록 리튬 금속을 참조극으로서 삽입하였다. 이들 전극을 3극식 유리 셀에 넣고, 작용극, 대극, 참조극의 각각을 유리 셀의 단자에 접속시키고, EC와 BL이 부피비 25:75로 혼합된 혼합 용매에 LiBF4를 2 mol/l 용해한 전해액을 50 mL 붓고, 세퍼레이터와 전극에 충분히 전해액이 함침된 상태로 하여 유리 용기를 밀폐시켰다. 제조한 유리 셀을 25 ℃의 항온조 내에 배치하고, 0.1 mA/㎠의 전류 밀도로 충전했을 때의 작용극의 리튬 이온 흡장 전위를 측정하였다.
(실시예 2 내지 22 및 비교예 1 내지 11)
정격 용량(Q), 단면적(S), 리드 두께, 리드 폭 및 밀봉부의 폭을 하기 표 1 내지 2에 나타낸 바와 같이 설정하는 점 이외에는 상술한 실시예 1과 동일하게 하여 편평형 비수전해질 전지를 제조하였다.
실시예 11 내지 13 및 비교예 4, 5에 있어서는 정격 용량(Q)이 1 Ah이기 때문에 상술한 수학식 1에 기초한 단면적(S)의 허용 범위는 0.6 내지 2 ㎟의 범위가 된다. 실시예 11의 단면적(S)은 0.6 ㎟이기 때문에 정격 용량(Q)으로 나타내면 0.6Q가 된다. 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 두께(t)의 허용 범위는 상술한 수학식 2에 기초하여 0.101 내지 1.02 ㎜의 범위가 된다. 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 폭(X)의 허용 범위는 상술한 수학식 3에 기초하여 1.2 내지 13 ㎜의 범위가 된다. 밀봉부의 외연과 내연 사이의 거리(Y)의 허용 범위는 상술한 수학식 4에 기초하여 2.1 내지 10.4 ㎜의 범위가 된다.
실시예 14 내지 16 및 비교예 6, 7에 있어서는 정격 용량(Q)이 5 Ah이기 때문에 상술한 수학식 1에 기초한 단면적(S)의 허용 범위는 3 내지 10 ㎟의 범위가 된다. 예를 들면, 실시예 14의 단면적(S)은 3 ㎟이기 때문에 정격 용량(Q)으로 나타내면 0.6Q가 된다. 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 두께(t)의 허용 범위는 상술한 수학식 2에 기초하여 0.105 내지 1.1 ㎜의 범위가 된다. 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 폭(X)의 허용 범위는 상술한 수학식 3에 기초하여 6 내지 65 ㎜의 범위가 된다. 밀봉부의 외연과 내연 사이의 거리(Y)의 허용 범위는 상술한 수학식 4에 기초하여 2.5 내지 12 ㎜의 범위가 된다.
실시예 17 내지 19 및 비교예 8, 9에 있어서는 정격 용량(Q)이 10 Ah이기 때문에 상술한 수학식 1에 기초하여 단면적(S)의 허용 범위는 6 내지 20 ㎟의 범위가 된다. 예를 들면, 실시예 17의 단면적(S)은 6 ㎟이기 때문에 정격 용량(Q)으로 나타내면 0.6Q가 된다. 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 두께(t)의 허용 범위는 상술한 수학식 2에 기초하여 0.11 내지 1.2 ㎜의 범위가 된다. 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 폭(X)의 허용 범위는 상술한 수학식 3에 기초하여 12 내지 130 ㎜의 범위가 된다. 밀봉부의 외연과 내연 사이의 거리(Y)의 허용 범위는 상술한 수학식 4에 기초하여 3 내지 14 ㎜의 범위가 된다.
실시예 20 내지 22 및 비교예 10, 11에 있어서는 정격 용량(Q)이 50 Ah 이기 때문에 상술한 수학식 1에 기초하여 단면적(S)의 허용 범위는 30 내지 100 ㎟의 범위가 된다. 예를 들면, 실시예 20의 단면적(S)은 30 ㎟이기 때문에 정격 용량(Q)으로 나타내면 0.6Q가 된다. 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 두께(t)의 허용 범위는 상술한 수학식 2에 기초하여 0.15 내지 2 ㎜의 범위가 된다. 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 폭(X)의 허용 범위는 상술한 수학식 3에 기초하여 60 내지 650 ㎜의 범위가 된다. 밀봉부의 외연과 내연 사이의 거리(Y)의 허용 범위는 상술한 수학식 4에 기초하여 7 내지 30 ㎜의 범위가 된다.
얻어진 실시예 및 비교예의 비수전해질 이차 전지에 대하여 충방전 사이클 시험을 실시하였다.
평가 조건은 습도 90 ％, 60 ℃의 환경하에서 2.8 V의 정전압 충전(최대 전류 속도 10 C)를 6분간 수행한 후, 0 V까지 5 C 속도의 정전류 방전을 반복하는 방식의 고온, 고습의 급속 충전과 방전 사이클 시험이다. 용량 유지율이 80％가 되었을 때를 사이클 횟수로 하였다.
Figure 112006048602123-pat00001
Figure 112006048602123-pat00002
표 1의 결과로부터, 정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 단면적(S)이 0.6Q≤S≤2Q를 만족한 실시예 1 내지 10의 비수전해질 전지는 고온 다습 환경하에서의 충방전 사이클 수명이 우수하다는 것을 이해할 수 있다.
이에 반해, 단면적(S)이 0.6Q 미만인 비교예 1의 전지, 단면적이 2Q를 초과하는 비교예 2의 전지, 및 정격 용량(Q)이 1 Ah에 미치지 않는 비교예 3의 전지에서는 고온 다습 환경하에서의 충방전 사이클 수명이 실시예 1 내지 10에 비해 짧아졌다.
단면적(S)에 대해서는, 실시예 1 내지 5의 비교에 의해 단면적(S)이 1.2Q≤S≤1.8Q를 만족한 실시예 2 내지 4의 사이클 수명이 단면적(S)이 이 범위를 벗어난 실시예 1, 5보다 길어짐을 알 수 있었다. 이 결과로부터, 특히 우수한 사이클 수명을 얻기 위해서는 단면적(S)을 1.2Q≤S≤1.8Q로 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 두께(t)에 대해서는 실시예 1 내지 10의 결과로부터, 상술한 수학식 2로 규정되는 범위 내에서 긴 사이클 수명이 얻어짐을 알 수 있었다.
정극 리드 단자 및 부극 리드 단자의 폭(X)에 대해서는 실시예 1 내지 10의 결과로부터, 상술한 수학식 3으로 규정되는 범위 내에서 긴 사이클 수명이 얻어짐을 알 수 있었다.
또한, 밀봉부의 외연과 내연 사이의 거리(Y)에 대해서는 실시예 1 내지 10의 결과로부터, 상술한 수학식 4로 규정되는 범위 내에서 긴 사이클 수명이 얻어짐을 알 수 있었다.
표 2의 결과로부터, 정격 용량(Q)을 1, 5, 10, 50 Ah로 변화시켰을 때에도 단면적(S)이 0.6Q≤S≤2Q를 만족한 실시예 11 내지 22의 비수전해질 전지는 단면적(S)이 이 범위를 벗어난 비교예 4 내지 11보다 고온 다습 환경하에서의 충방전 사이클 수명이 우수함을 이해할 수 있다.
이상의 결과로부터, 정극 리드 단자 및 상기 부극 리드 단자의 단면적(S)이 0.6Q≤S≤2Q를 만족했을 때에, 비수전해질 전지의 고온 다습 환경하에서의 충방전 사이클 수명이 개선됨이 분명해졌다.
한편, 본 발명은 상기 실시 형태 그대로에 한정되는 것은 아니며, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 또한, 상기 실시 형태에 개시되어 있는 복수 구성 요소의 적절한 조합에 의해 다양한 발명을 형성할 수 있다. 예를 들면, 실시 형태에 나타난 전체 구성 요소로부터 몇 개의 구성 요소를 삭제할 수도 있다. 또한, 다른 실시 형태에 걸친 구성 요소를 적절하게 조합할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 고온 다습 환경하에서의 충방전 사이클 수명이 우수한 비수전해질 전지, 전지 팩 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 자동차를 제공할 수 있다.

Claims (20)

  1. 필름으로 형성되며, 외장 부재의 하나 이상의 연부상에 형성된 열밀봉부를 포함하는 외장 부재;
    상기 외장 부재 내에 제공된 비수전해질;
    상기 외장 부재 내에 제공된 정극;
    상기 외장 부재 내에 제공되고, 리튬 이온 흡장 전위가 0.4 V(vs. Li/Li＋) 이상인 부극 활성 물질을 함유하는 부극;
    상기 외장 부재의 상기 열밀봉부를 통해서 상기 외장 부재의 외부로 인출되는 선단부를 포함하고, 밀봉부가 열밀봉부에 위치하는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 정극 단자;
    상기 정극 단자의 상기 밀봉부의 하나 이상의 부분 상에 형성된, 요철 구조를 갖는 제1 알루미나층;
    상기 외장 부재의 상기 열밀봉부를 통해 상기 외장 부재의 외부로 인출되는 선단부를 포함하고, 밀봉부가 열밀봉부에 위치하는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 부극 단자; 및
    상기 부극 단자의 상기 밀봉부의 하나 이상의 부분 상에 형성된, 요철 구조를 갖는 제2 알루미나층을 포함하고,
    상기 정극 단자 및 부극 단자는 하기 수학식 1을 만족시키는 단면적(S)(㎟) 을 갖는 비수전해질 전지.
    <수학식 1>
    0.6Q≤S≤2Q
    상기 식에서, Q는 비수전해질 전지의 정격 용량(Ah)을 의미하며, 1 내지 50 Ah의 범위내이다.
  2. 제1항에 있어서, 정극 단자 및 부극 단자가 하기 수학식 1a를 만족시키는 단면적(S)(㎟)을 갖는 것인 비수전해질 전지.
    <수학식 1a>
    1.2Q≤S≤1.8Q
    상기 식에서, Q는 비수전해질 전지의 정격 용량(Ah)을 의미하며, 1 내지 50 Ah의 범위내이다.
  3. 제1항에 있어서, 정격 용량(Q)이 3 내지 5 Ah의 범위내인 비수전해질 전지.
  4. 제1항에 있어서, 정극 단자 및 부극 단자가 하기 수학식 2를 만족시키는 두께(t)(㎜)를 갖는 것인 비수전해질 전지.
    <수학식 2>
    0.001Q＋0.1≤t≤0.02Q＋1.0
    상기 식에서, Q는 비수전해질 전지의 정격 용량(Ah)을 의미하며, 1 내지 50 Ah의 범위내이다.
  5. 제1항에 있어서, 정극 단자 및 부극 단자가 하기 수학식 3을 만족시키는 폭(X)(㎜)을 갖는 것인 비수전해질 전지.
    <수학식 3>
    1.2Q≤X≤13Q
    상기 식에서, Q는 비수전해질 전지의 정격 용량(Ah)을 의미하며, 1 내지 50 Ah의 범위내이다.
  6. 제1항에 있어서, 외장 부재가 하기 수학식 4를 만족시키는, 열밀봉부의 외연부와 내연부 사이의 거리(Y)(㎜)를 갖는 것인 비수전해질 전지.
    <수학식 4>
    0.1Q＋2≤Y≤0.4Q＋10
    상기 식에서, Q는 비수전해질 전지의 정격 용량(Ah)을 의미하며, 1 내지 50 Ah의 범위내이다.
  7. 제1항에 있어서,
    열밀봉부가 외장 부재의 한 연부에 형성된 제1 밀봉부 및 상기 연부의 반대측에 위치하는 다른 연부에 형성된 제2 밀봉부를 포함하고;
    부극 단자의 선단부가 상기 제1 밀봉부를 통해 외장 부재의 외부로 인출되 고;
    정극 단자의 선단부가 상기 제2 밀봉부를 통해 외장 부재의 외부로 인출된 비수전해질 전지.
  8. 제1항에 있어서, 외장 부재를 형성하는 필름이 열가소성 수지층, 수지층, 및 상기 열가소성 수지층과 수지층 사이에 배열된 알루미늄층 또는 알루미늄 합금층을 포함하는 것인 비수전해질 전지.
  9. 제1항에 있어서, 제1 알루미나층 및 제2 알루미나층을 피복하는 열가소성 필름을 더 포함하는 비수전해질 전지.
  10. 제1항에 있어서, 정극이 LiaNibCocMndO2(단, 몰비 a, b, c 및 d는 0≤a≤1.1, 0.1≤b≤0.5, 0≤c≤0.9, 0.1≤d≤0.5임)로 나타내지는 화합물을 함유하는 것인 비수전해질 전지.
  11. 제1항에 있어서, 부극 활성 물질이 티탄-함유 금속 복합 산화물을 포함하는 것인 비수전해질 전지.
  12. 제11항에 있어서, 티탄-함유 금속 복합 산화물이 스피넬형 리튬-티탄 산화물 을 포함하는 것인 비수전해질 전지.
  13. 제11항에 있어서, 티탄-함유 금속 복합 산화물이 P, V, Sn, Cu, Ni 및 Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것인 비수전해질 전지.
  14. 제1항에 있어서, 부극 활성 물질이 평균 입경이 1 ㎛ 이하인 입자로 형성된 것인 비수전해질 전지.
  15. 제1항에 있어서, 부극이 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박으로 형성된 부극 집전체를 포함하는 것인 비수전해질 전지.
  16. 제15항에 있어서, 알루미늄박 및 알루미늄 합금박의 각각의 평균 결정 입도가 50 ㎛ 이하인 비수전해질 전지.
  17. 제1항에 있어서, 비수전해질이 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트 및 γ-부티로락톤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종 이상의 비수성 용매를 포함하는 것인 비수전해질 전지.
  18. 필름으로 형성되며, 외장 부재의 하나 이상의 연부상에 형성된 열밀봉부를 포함하는 외장 부재;
    상기 외장 부재 내에 제공된 비수전해질;
    상기 외장 부재 내에 제공된 정극;
    상기 외장 부재 내에 제공되고, 리튬 이온 흡장 전위가 0.4 V(vs. Li/Li＋) 이상인 부극 활성 물질을 함유하는 부극;
    상기 외장 부재의 상기 열밀봉부를 통해서 상기 외장 부재의 외부로 인출되는 선단부를 포함하고, 밀봉부가 열밀봉부에 위치하는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 정극 단자;
    상기 정극 단자의 상기 밀봉부의 하나 이상의 부분 상에 형성된, 요철 구조를 갖는 제1 알루미나층;
    상기 외장 부재의 상기 열밀봉부를 통해 상기 외장 부재의 외부로 인출되는 선단부를 포함하고, 밀봉부가 열밀봉부에 위치하는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 부극 단자; 및
    상기 부극 단자의 상기 밀봉부의 하나 이상의 부분 상에 형성된, 요철 구조를 갖는 제2 알루미나층을 포함하고,
    상기 정극 단자 및 부극 단자는 하기 수학식 1을 만족시키는 단면적(S)(㎟)을 갖는 비수전해질 전지를 포함하는 전지 팩.
    <수학식 1>
    0.6Q≤S≤2Q
    상기 식에서, Q는 비수전해질 전지의 정격 용량(Ah)을 의미하며, 1 내지 50 Ah의 범위내이다.
  19. 제18항에 있어서, 비수전해질 전지의 전압을 검지하는 보호 회로를 더 포함하는 전지 팩.
  20. 제18항에 기재된 전지 팩을 구비한 자동차.
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