KR100749645B1 - 세퍼레이터와 이를 이용한 리튬 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세퍼레이터와 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극판과 음극판 사이에 서로 강도가 다른 복수장의 다공성 필름을 형성하되, 충방전 반복시 상대적으로 두께 증가량이 크고 이물질이 석출되기 쉬운 음극판과 접하는 부분에 강도가 큰 다공성 필름을 위치시킨 후 전극조립체를 권취함으로써, 복수장의 다공성 필름 사이에 형성된 공간을 통하여 전해액의 보유량이 증가할 뿐만 아니라, 전극조립체의 전극판간 쇼트를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 세퍼레이터와 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것이다.
리튬 이차전지, 세퍼레이터, 안전성, 인장 강도

Description

세퍼레이터와 이를 이용한 리튬 이차전지{Separator and Lithium rechargeable battery using the same}
도 1은 일반적인 리튬 이차전지의 수직 단면도
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 수직 단면도
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 사시도
도 2c는 도 2b의 전극조립체가 권취되기 전의 수평 단면도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체가 권취되기 전의 수평 단면도
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체가 권취되기 전의 수평 단면도
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
200 - 리튬 이차전지 210 - 캔
212, 312, 412 - 전극조립체 213, 313, 413 - 양극판
214, 314, 414 - 세퍼레이터 215, 315, 415 - 음극판
220 - 캡조립체
본 발명은 세퍼레이터와 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극판과 음극판 사이에 서로 강도가 다른 복수장의 다공성 필름을 형성하되, 충방전 반복시 상대적으로 두께 증가량이 크고 이물질이 석출되기 쉬운 음극판과 접하는 부분에 강도가 큰 다공성 필름을 위치시킨 후 전극조립체를 권취함으로써, 복수장의 다공성 필름 사이에 형성된 공간을 통하여 전해액의 보유량이 증가할 뿐만 아니라, 전극조립체의 전극판간 쇼트를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 세퍼레이터와 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는, 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 리튬 이차전지의 수직 단면도를 나타낸다.
상기 리튬 이차전지(100)는 양극판(113), 음극판(115) 및 세퍼레이터(114)로 구성되는 전극조립체(112)를 전해액과 함께 캔(110)에 수납하고, 이 캔(110)의 상단개구부를 캡조립체(120)로 밀봉함으로써 형성된다.
상기 캔(110)은 일반적으로 알루미늄 또는 그 합금 재질로 형성되며, 딥드로 잉 방식에 의하여 제작된다. 상기 캔(110)의 하면(110b)은 일반적으로 거의 평면 형상으로 형성된다.
상기 전극조립체(112)는 양극판(113)과 음극판(115) 사이에 세퍼레이터(114)가 개재되면서 권취되어 형성된다. 상기 양극판(113)에는 양극탭(116)이 결합되어 전극조립체(112)의 상단부로 돌출되며, 음극판(115)에는 음극탭(117)이 결합되어 전극조립체(112)의 상단부로 돌출된다. 상기 전극조립체(112)에서 상기 양극탭(116)과 음극탭(117)은 소정거리 떨어져 형성되어 전기적으로 절연되도록 한다. 상기 양극탭(116)과 음극탭(117)은 일반적으로 니켈 금속으로 형성된다.
상기 캡조립체(120)는 캡플레이트(140)와 절연플레이트(150)와 터미널플레이트(160) 및 전극단자(130)를 포함하여 구성된다. 캡조립체(120)는 별도의 절연케이스(170)와 결합되어 캔(110)의 상단개구부(110a)에 결합되어 캔(110)을 밀봉하게 된다.
상기 캡플레이트(140)는 상기 캔(110)의 상단개구부(110a)와 상응하는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 상기 캡플레이트(140)의 중앙에는 소정 크기의 단자통공1이 형성되며, 단자통공1에 삽입될 때는 전극단자(130)와 캡플레이트(140)의 절연을 위하여 전극단자(130)의 외면에는 튜브형의 개스킷튜브(146)가 결합되어 함께 삽입된다. 한편, 상기 캡플레이트(140)의 일측에는 전해액주입공(142)이 상기 캡플레이트(140)의 타측에 소정크기로 형성된다. 상기 캡조립체(120)가 상기 캔(110)의 상단개구부에 조립된 후 전해액주입공(142)을 통하여 전해액이 주입되고, 전해액주입공(142)은 별도의 밀폐수단(180)에 의하여 밀폐된다.
상기 전극단자(130)는 상기 음극판(115)의 음극탭(117) 또는 상기 양극판(113)의 양극탭(116)에 연결되어 양극단자 또는 음극단자로 작용하게 된다.
상기 절연플레이트(150)는 가스켓과 같은 절연물질로 형성되며, 캡플레이트(140)의 하면에 결합된다. 절연플레이트(150)에는 상기 캡플레이트(140)의 단자통공1(141)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(130)가 삽입되는 단자통공2가 형성되어 있다. 상기 절연플레이트(150)의 하면에는 상기 터미널플레이트(160)가 안착되도록 터미널플레이트(160)의 크기에 상응하는 안착홈이 형성된다.
상기 터미널플레이트(160)는 일반적으로 니켈 합금으로 형성되며, 상기 절연플레이트(150)의 하면에 장착된다. 상기 터미널플레이트(160)에는 캡플레이트(140)의 단자통공1에 대응되는 위치에 상기 전극단자(130)가 삽입되는 단자통공3이 형성되어 있으며, 상기 전극단자(130)가 상기 개스킷튜브(146)에 의하여 절연되면서 캡플레이트(140)의 단자통공1을 통하여 결합되므로 상기 터미널플레이트(160)는 상기 캡플레이트(140)와 전기적으로 절연되면서 상기 전극단자(130)와 전기적으로 연결된다.
상기 터미널플레이트(160)의 일측에는 상기 음극판(115)에 결합된 음극탭(117)이 용접되며, 캡플레이트(140)의 타측에는 상기 양극판(113)에 결합된 양극탭(116)이 용접된다. 상기 음극탭(117)과 양극탭(116)을 결합시키는 용접방법으로는 저항용접, 레이저 용접 등이 사용되며, 일반적으로는 저항용접이 사용된다.
최근 리튬 이차전지는 연료전지와 조합하여 하이브리드(hybrid) 전지의 일 구성요소로 사용되는 경우가 있다. 또한, 리튬 이차전지는 향후 기술 개발에 따라 하이파워(high power)용으로 사용되어 질 가능성이 많다. 이 경우, 리튬 이차전지는 높은 출력을 필요로 하며, 그에 따라 리튬 이차전지의 안전성을 더욱 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 리튬 이차전지용 세퍼레이터는 양극판과 음극판 사이에 한 장, 그리고 양극판의 외측면에 한 장을 배치하고 이를 권취기로 권취하여 전극조립체를 구성하게 된다. 또한, 일반적으로 세퍼레이터는 대략 25 내지 30㎛ 의 두께를 가지고 있다. 따라서, 상기 두께보다 직경이 큰 활물질 입자가 세퍼레이터를 뚫으면 내부 쇼트를 일으키게 된다는 문제점이 있다. 그렇다고 해서 세퍼레이터의 두께가 지나치게 두꺼워지면 내부저항이 증가할 뿐만 아니라, 체적이 커져 상대적으로 전극판의 두께를 줄여야 하므로 전지 성능이 저하된다는 문제점이 있다. 한편, 세퍼레이터는 폴리에틸렌 등 전해액과 친하지 않은 재질로 이루어진다. 따라서, 이러한 세퍼레이터가 전극판 사이 및 외주면에 각각 1장씩 사용된 전극조립체는 전해액의 보유량이 떨어져서 리튬 이온의 이동이 원활하지 못하게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 양극판과 음극판 사이에 서로 강도가 다른 복수장의 다공성 필름을 형성하되, 충방전 반복시 상대적으로 두께 증가량이 크고 이물질이 석출되기 쉬운 음극판과 접하는 부분에 강도가 큰 다공성 필름을 위치시킨 후 전극조립체를 권취함으로써, 복수장의 다공성 필름 사이에 형성된 공간을 통하여 전해액의 보유량이 증가할 뿐만 아니라, 전극조립체의 전극판간 쇼트를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 세퍼레이터와 이를 이용한 리튬 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 리튬 이차전지용 세퍼레이터는 리튬 이차전지의 양극판과 음극판 사이에 개재되며, 기공의 크기가 서로 다른 적어도 2장의 다공성 필름이 겹쳐져서 이루어지며, 상기 다공성 필름들 사이에는 전해액이 보유될 수 있는 공간이 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 기공의 크기가 작게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름과 상기 양극판에 접하는 다공성 필름의 인장 강도가 서로 다르도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 인장 강도가 크도록 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름과 상기 양극판에 접하는 다공성 필름의 두께가 서로 다르도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 두께가 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 리튬 이차전지는 서로 대향하는 양극판과 음극판, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 캔, 상기 캔의 상단 개구부를 밀봉하는 캡조립체를 포함하여 이루어지는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 세퍼레이터는 기공의 크기가 서로 다른 적어도 2장의 다공성 필름이 겹쳐져서 이루어지며, 상기 다공성 필름들 사이에는 전해액이 보유될 수 있는 공간이 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 기공의 크기가 작게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름과 상기 양극판에 접하는 다공성 필름의 인장 강도가 서로 다르도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 인장 강도가 크도록 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름과 상기 양극판에 접하는 다공성 필름의 두께가 서로 다르도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 두께가 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면에서는 각형 리튬 이차전지의 경우만 도시하였으나, 원통형 리튬 이차전지와 파우치형 리튬 이차전지의 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음은 물론이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 수직 단면도를 나타내며, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 사시도를 나타내며, 도 2c 는 도 2b의 전극조립체가 권취되기 전의 수평 단면도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는, 도 2a를 참조하면, 전극조립체(212)와 캔(210) 및 캡조립체(220)를 포함하여 형성된다.
상기 전극조립체(212)는, 도 2b를 참조하면, 양극판(213)과 음극판(215) 및 세퍼레이터(214)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 양극판(213)의 일측 단부에는 양극탭(216)이 부착되고, 음극판(215)의 일측 단부에는 음극탭(217)이 부착된다.
상기 양극판(213)은 화학반응에 의하여 발생한 전자를 모아서 외부 회로로 전달해 주는 양극집전체(290)와, 상기 양극집전체(290)의 일측면 혹은 양측면에 코팅되며 리튬 이온을 흡장 또는 탈리할 수 있는 구조로 되어 있는 양극활물질부(291), 상기 양극집전체(290) 중 양극활물질이 코팅되어 있지 않아 양극집전체(290)가 그대로 드러나 있는 양극무지부(292)가 형성되어 있다. 양극집전체(290)에 모인 전자들을 외부 회로로 전달해 주는 양극탭(216)은 상기 양극무지부(292)에 초음파 용접방식으로 용접되어 있으며, 여기서 상기 양극탭(216)의 용접 방식을 한정하는 것은 아니다. 상기 양극집전체(290)는 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질로 형성되며, 상기 양극탭(216)도 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질로 형성된다. 또한, 상기 양극활물질부(291)는 리튬 이온을 내어 놓을 수 있는 금속산화물에 도전재와 바인더를 혼합하여 형성된다.
상기 음극판(215)은 화학반응에 의해 발생한 전자를 모아서 외부 회로로 전달해주는 음극집전체(295)와, 상기 음극집전체(295)의 일측면 혹은 양측면에 코팅되며 리튬 이온을 흡장 또는 탈리할 수 있는 구조로 되어 있는 음극활물질부(296), 상기 음극집전체(295) 중 음극활물질이 코팅되어 있지 않아 음극집전체(295)가 그대로 드러나 있는 음극무지부(297)가 형성되어 있다. 상기 음극집전체(295)는 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)과 같은 금속 재질로 형성되며, 여기서 음극집전체(295)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 음극활물질부(296)는 탄소재료에 도전재와 바인더를 혼합하여 형성된다. 상기 음극탭(217)은 음극무지부(297)의 일측 단부에 형성되며, 음극집전체(295)에 모인 전자들을 외부 회로로 전달해 주는 부분이다. 상기 음극탭(217)은 음극무지부(297)에 초음파 용접방식으로 용접되며, 다만 여기서 상기 음극탭(217)의 용접방식을 한정하는 것은 아니다. 상기 음극탭(217)은 니켈(Ni)과 같은 금속 재질로 형성되며, 다만 여기서 상기 음극탭(217)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 세퍼레이터(214)는, 도 2c를 참조하면, 양극판에 접하는 다공성 필름(214a)(이하, 제 1필름이라 한다)과 음극판에 접하는 다공성 필름(214b)(이하, 제 2필름이라 한다)을 포함하여 형성된다. 이 때, 상기 세퍼레이터(214)는 제 1필름(214a)과 제 2필름(214b)으로 이루어질 수도 있으며, 제 3의 필름이 더 추가되어 형성될 수도 있음은 물론이다. 상기 세퍼레이터(214)는 양극판(213)과 음극판(215) 사이에 개재되어 상기 양극판(213)과 상기 음극판(215) 사이에 발생할 수 있는 쇼트를 방지한다. 세퍼레이터(214)는 열가소성 수지로 형성되며, 그 표면은 다공막 구조로 되어 있다. 이러한 다공막 구조는, 전지 내부의 온도 상승으로 상기 열가소성 수지의 융점 근처가 되면 세퍼레이터(214)가 용융하여 기공이 막힘으로써 절연필름이 된다. 이러한 현상은 세퍼레이터의 봉공 또는 셧다운(shut down) 현상이라 고 한다. 상기 세퍼레이터(214)가 이렇게 절연필름으로 바뀜으로써 양극판(213)과 음극판(215)간의 리튬 이온의 이동이 차단되고, 더 이상의 전류가 흐르지 못하게 됨으로써 전지내부의 온도 상승이 중단된다.
상기 세퍼레이터(214)는 양극판(213)과 음극판(215) 사이에 적어도 2장이 개재되며, 상기 양극판(213)의 외주면 또는 상기 음극판(215)의 내주면에 상기 적어도 2장의 세퍼레이터(214)와 분리된 별도의 세퍼레이터(214)가 형성된다. 상기 전극조립체(212)는 권취되었을 때, 양극판(213)이 음극판(215)보다 최외곽에 위치하게 되나, 이와 반대로 음극판(215)이 양극판(213)보다 최외곽에 위치하도록 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 세퍼레이터(214)는 양극판(213)과 음극판(215) 사이에 적어도 2장이 개재되며, 상기 음극판(215)의 외주면 또는 양극판(213)의 내주면에 별도의 세퍼레이터(214)가 위치하도록 형성될 수도 있음은 물론이다. 이하에서는 양극판(213)이 음극판(215)보다 최외곽에 위치하는 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 상기 세퍼레이터(214)는 양극판(213)의 외주면 또는 음극판(215)의 내주면에는 한 장 만으로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 세퍼레이터(214)는 양극판(213)과 음극판(215) 사이 또는 양극판(213)의 외주면 또는 음극판(215)의 내주면에는 3장으로 형성될 수도 있다. 상기 세퍼레이터(214)는 서로 강도가 다른 복수 장의 다공성 필름이 겹쳐져서 이루어진다. 이 때, 상기 세퍼레이터(214)는 상기 필름들 사이에 전해액이 보유될 수 있는 공간이 확보되게 된다. 상기 세퍼레이터(214)는 전해액과 친하지 않은 재질로 이루어지므로 복수 장을 사용하여 전해액이 보유될 수 있는 공간을 확보해 줄 필요가 있다. 따라서, 상기 세퍼레이터(214)는 전해액 사이로 리튬 이온이 보다 원활하게 이동할 수 있도록 한다.
상기 제 1필름(214a)은 양극판(213)에 접하는 위치에 형성된다. 보다 상세하게는 상기 제 1필름(214a)은 양극판(213)과 제 2필름(214b) 사이에 한 장이 개재되고, 양극판(213)의 외면에 다른 한 장이 개재된다. 또한, 상기 제 2필름(214b)은 음극판(213)에 접하는 위치에 형성되며, 보다 상세하게는 음극판(215)과 제 1필름(214a) 사이에 한 장이 개재되고, 제 1필름(214a)의 외면에 다른 한 장이 개재된다. 여기서, 상기 제 1필름(214a)과 제 2필름(214b)은 양극판(213) 또는 음극판(215)보다 약간 높게 형성되어 절연케이스(270)에 의해 양극판(213)과 음극판(215)이 변형되지 않도록 한다. 이 때, 상기 제 1필름(214a)은 제 2필름(214b)과 다공성 특성이 서로 다르도록 형성된다. 상기 다공성 특성은 제 1필름(214a)과 제 2필름(214b)에 각각 형성된 기공의 크기, 밀도 등이 서로 다름으로 인해, 세퍼레이터(214)의 인장 강도 등의 값이 다르게 나타나게 되는 것을 의미한다. 상기 다공성 특성이 다르게 설계되는 것은 제 1필름(214a)과 제 2필름(214b)의 두께와 재질이 같은 것을 전제로 하지만, 다공성 특성이 다르게 설계되는 것과 동시에 두께와 재질도 서로 다르게 형성될 수도 있다. 상기 세퍼레이터(214)는 인장 강도가 서로 다른 제 1필름(214a)과 제 2필름(214b)으로 이루어진다. 상기 제 2필름(214b)의 인장 강도가 상기 제 1필름(214a)보다 크도록 이루어진다. 또한, 상기 제 1필름(214a)은 상기 제 2필름(214b)보다 기공의 크기가 크게 형성된다. 상기 기공 부분은 세퍼레이터(214)의 타측에 비해 강도가 낮은 부분이므로, 상기 제 2필름(214b)는 제 1필름(214a)보다 큰 강도를 가지게 된다. 상기 음극판(215)은 충전시 양극판(213)보다 전극의 팽창이 크기 때문에 음극활물질이 탈락하기 쉽고, 이렇게 탈락한 활물질들은 세퍼레이터(214)를 변형 또는 손상시켜 전극판간 쇼트를 유발할 가능성이 있다. 또한, 상기 음극판(215)은 방전시 양극판(213)보다 발열량이 커서 세퍼레이터(214)를 변형 또는 손상시킬 수 있다. 따라서, 상기 제 2필름(214b)은 제 1필름(214a)보다 기공의 크기가 작게 형성되는 것이 바람직하다. 기공의 크기는 기공 각각의 크기일 수도 있고, 기공의 평균 직경일 수도 있다. 이 때, 상기 제 2필름(214b)의 기공의 평균 직경에 대한 제 1필름(214a)의 기공의 평균 직경의 비가 1.2 내지 10인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2 내지 5가 되도록 형성된다. 상기 기공의 평균 직경비가 1.2 미만으로 형성되면, 제 1필름(214a)과 제 2필름(214b)의 직경이 거의 비슷해지므로 본 발명의 효과를 기대하기 어려울 뿐만 아니라 전지의 저온 특성 및 사이클 특성이 저하된다는 문제점이 발생할 수 있다. 한편, 상기 기공의 평균 직경비가 10을 초과하도록 형성되면, 제 1필름(214a)의 기공이 너무 커지게 되므로 전지의 생산시 불량률이 증가한다는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 상기 제 1필름(214a)의 기공의 평균 직경은 0.1 내지 0.15㎛로 형성되고, 상기 제 2필름(214b)의 기공의 평균 직경은 0.2 내지 0.5㎛로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 기공의 평균 직경은 상기 범위를 벗어나도록 형성되는 경우, 전지의 불량률이 증가하거나 전지의 저온 특성이 나빠진다는 문제점이 발생할 수 있다. 다만, 여기서 상기 제 1필름(214a)과 제 2필름(214b)의 평균 직경 또는 평균 직경비를 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 제 1필름(214a)은 제 2필름(214b)과 다른 재질로 형성될 수 있 다. 이 때, 상기 제 1필름(214a)은 폴리에틸렌(PE), 제 2필름(214b)은 폴리프로필렌(PP)으로 형성될 수 있으며, 다만 여기서 상기 세퍼레이터(214)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 폴리프로필렌은 폴리에틸렌보다 파단강도가 우수하며 융점이 170℃에 달하므로 전지의 내부온도가 고온으로 상승하여 세퍼레이터가 녹는 현상이 멜트 다운(melt down)에 대응할 수 있다. 이에 반해 폴리에틸렌은 파단강도가 떨어지며 융점이 130℃ 정도이므로 기공이 막히는 현상인 셧 다운(shut down)에 대응할 수 있다.
상기 캔(210)는 대략 직사각형 형상의 한 쌍의 장측벽부과, 한 쌍의 단측벽부 및 하면(210b)을 포함하여 대략 박스 형상으로 형성되며, 상부는 개구되어 상단 개구부를 이루고 있다. 또한, 상기 캔(210)는 대략 박스형상으로 형성될 때 수평방향으로의 단면의 형상이 사각형상 또는 타원형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 상단개구부로는 상기 전극조립체(212)가 삽입된다. 또한, 상기 전극조립체(212) 사이로 함침하여 리튬 이온의 이동을 가능하게 해 주는 전해액이 주입된다. 캔(210)의 재질은 주로 가벼운 알루미늄(Al)이 사용된다. 상기 캔(210)의 상부는 캡조립체(220)에 의해 밀봉되어, 전해액의 누출이 방지된다. 상기 캔(210)는 바람직하게는 딥드로잉(deep drawing) 방식에 의하여 형성되며, 상기 장측벽부과 단측벽부 및 상기 저면(210b)은 일체형으로 형성된다.
상기 캡 조립체(220)는 캡 플레이트(240)와 절연 플레이트(250)와 터미널 플레이트(260) 및 전극단자(230)를 포함하여 구성된다. 캡 조립체(220)는 별도의 절연케이스(270)와 결합되어 캔(210)의 상단 개구부에 결합되어 캔(210)을 밀봉하게 된다.
상기 캡 플레이트(240)는 상기 캔(210)의 상단개구부에 용접되어 상기 캔(210)을 밀봉한다. 상기 캡 플레이트(240)는 일측에 전해액 주입공(242)이 형성되어 있으며, 상기 전해액 주입공(242)은 볼(280) 등으로 압입, 용접되어 있다. 상기 캡 플레이트(240)의 대략 중앙에는 단자통공1이 형성되어 있으며, 상기 단자통공1에는 가스캣 튜브(246)에 의해 절연된 전극단자(230)가 삽입된다.
상기 절연 플레이트(250)는 가스켓과 같은 절연물질로 형성되며, 캡 플레이트(240)의 하면에 결합된다. 절연 플레이트(250)에는 상기 캡 플레이트(240)의 단자통공1에 대응되는 위치에 상기 전극단자(230)가 삽입되는 단자통공2가 형성되어 있다. 상기 절연 플레이트(250)의 하면에는 상기 터미널 플레이트(260)가 안착되도록 터미널 플레이트(260)의 크기에 상응하는 안착홈이 형성된다.
상기 터미널 플레이트(260)는 일반적으로 Ni합금으로 형성되며, 상기 절연 플레이트(250)의 하면에 장착된다. 상기 터미널 플레이트(260)에는 캡 플레이트(240)의 단자통공1에 대응되는 위치에 상기 전극단자(230)가 삽입되는 단자통공3이 형성되어 있으며, 상기 전극단자(230)가 상기 개스킷 튜브(246)에 의하여 절연되면서 캡 플레이트(240)의 단자통공1을 통하여 결합되므로 상기 터미널 플레이트(260)는 상기 캡 플레이트(240)와 전기적으로 절연되면서 상기 전극단자(230)와 전기적으로 연결된다.
상기 터미널 플레이트(260)의 일측에는 상기 음극판(215)에 결합된 음극탭(217)이 용접되며, 캡 플레이트(240)의 타측에는 상기 양극판(213)에 결합된 양극 탭(216)이 용접된다. 상기 음극탭(217)과 양극탭(216)을 결합시키는 용접방법으로는 저항용접, 레이저 용접 등이 사용되며 일반적으로는 저항용접이 사용된다.
상기 전극단자(230)는 상기 음극판(215)의 음극탭(217) 또는 상기 양극판(213)의 양극탭(216)에 연결되어 음극단자 또는 양극단자로 작용하게 된다.
상기 전해액주입공(242)은 캡플레이트(240)의 일측에 형성되어 있으며, 연한 금속재질의 볼(280)로 압입, 용접되어 밀봉된다. 상기 용접은 통상적으로 레이저용접으로 이루어지며, 상기 볼(280)이 압입된 전해액주입공(242) 주변으로 이루어진다. 용접이 끝난후에는 전해액의 누출을 방지하기 위하여 볼(280)을 포함한 전해액주입공(242) 주변에 광경화성 물질이 도포될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체가 권취되기 전의 수평 단면도를 나타낸다. 상기 도 3의 실시예는 양극판(313)과 음극판(315) 사이에 위치하는 세퍼레이터(314)와 양극판(313)의 외주면에 위치하는 세퍼레이터(314)가 서로 분리되지 않고 연결되어 있다는 점을 제외하면 상기 도 2c의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지(도면 미도시, 도 2a의 도면부호 200 참조)는 전극조립체(312)와 캔 및 캡조립체를 포함하여 형성된다. 상기 캔과 캡조립체는 도 2c의 실시예에서 충분히 설명하였으므로, 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
상기 전극조립체(312)는, 도 3을 참조하면, 양극판(313)과 음극판(315) 및 세퍼레이터(314)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 양극판(313)의 일측 단부에는 양극탭(316)이 부착되고, 음극판(315)의 일측 단부에는 음극탭(317)이 부착된다. 상기 양극판(313), 음극판(315), 양극탭(316) 및 음극탭(317)은 상기 도 2c의 실시예와 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 세퍼레이터(314)는 제 1필름(314a)과 제 2필름(314b)을 포함하여 형성된다. 이 때, 상기 세퍼레이터(314)는 양극판(313)과 음극판(315) 사이에 적어도 두 장이 개재되며, 상기 적어도 두 장의 세퍼레이터(314)를 양극판(313)의 일측 단부를 감싸도록 접어 양극판(313)의 외주면을 덮도록 형성된다. 즉, 양극판(313)을 기준으로 볼 때, 먼저 제 1필름(314a)이 양극판(313)의 양면을 감싸고 다음으로 제 2필름(314b)이 상기 제 1필름(314a)을 감싸도록 형성된다. 상기 제 1필름(314a)은 상기 제 2필름(314b)보다 기공의 평균 직경이 크게 형성되며, 바람직하게는 제 2필름(314b)의 기공의 평균 직경에 대한 제 1필름(314a)의 기공의 평균 직경의 비가 1.2 내지 10으로 형성되며, 보다 바람직하게는 2 내지 5가 되도록 형성된다. 상기 제 1필름(314a)의 기공의 평균 직경은 0.2 내지 0.5㎛가 되도록 형성되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.5㎛가 되도록 형성된다. 또한, 상기 제 2필름(314b)의 기공의 평균 직경은 0.1 내지 0.15㎛가 되도록 형성되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.1㎛가 되도록 형성된다. 또한, 상기 제 1필름(314a)은 폴리에틸렌 재질로, 제 2필름(314b)은 폴리프로필렌 재질로 이루어질 수 있다. 상기 세퍼레이터(314)는 두 부분이 분리되지 않고 하나로 연결되어 있으므로, 하나의 전 극조립체 당 한 번의 세퍼레이터 절단 공정을 감소시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체가 권취되기 전의 수평 단면도를 나타낸다. 상기 도 4의 실시예는 제 1필름(414a)과 제 2필름(414b)의 두께가 다르게 형성된다는 점을 제외하면 상기 도 2c의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다. 또한, 상기 세퍼레이터(414)는 도 2c의 실시예와 같이 별도의 두 부분으로 형성될 수도 있고 도 3의 실시예와 같이 서로 연결되어 하나로 형성될 수도 있다. 즉, 상기 도 4의 실시예는 도 2c의 실시예와 도 3의 실시예가 선택적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지(도면 미도시, 도 2a의 도면부호 200 참조)는, 전극조립체(412)와 캔과 캡조립체를 포함하여 형성된다. 상기 캔과 캡조립체는 도 2c의 실시예에서 충분히 설명하였으므로, 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
상기 전극조립체(412)는, 도 4를 참조하면, 양극판(413)과 음극판(415) 및 세퍼레이터(414)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 양극판(413)의 일측 단부에는 양극탭(416)이 부착되고, 음극판(415)의 일측 단부에는 음극탭(417)이 부착된다. 상기 양극판(413), 음극판(415), 양극탭(416) 및 음극탭(417)은 상기 도 2c의 실시예와 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 세퍼레이터(414)는 제 1필름(414a)과 제 2필름(414b)을 포함하여 형성된다. 이 때, 상기 세퍼레이터(414)는 양극판(413)과 음극판(415) 사이에 적어도 두 장이 개재되며, 양극판(413)의 외주면 또는 음극판(415)의 내주면에 상기 적어도 두 장의 세퍼레이터(414)와 분리된 별도의 세퍼레이터(414)가 형성된다. 상기 제 2필름(414b)은 상기 제 1필름(414a)보다 두께가 두껍게 형성된다. 이 때, 상기 제 2필름(414b)은 기공의 평균 직경이 제 1필름(414a)와 같으면서 두께만 더 두껍도록 형성될 수 있고, 또한 상기 제 2필름(414b)은 기공의 평균 직경이 제 1필름(414a)보다 작으면서 두께가 더 두껍도록 형성될 수도 있다. 또한, 상기 제 2필름(414b)은 재질이 제 1필름(414a)과 같으면서 두께만 더 두껍도록 형성될 수 있고, 재질이 제 1필름(414a)과 다르면서 두께가 더 두껍도록 형성될 수도 있다. 즉, 상기 제 1필름(414a)은 두께가 상대적으로 얇으면서 폴리에틸렌(PE) 재질로 형성되고, 제 2필름(414b)은 두께가 상대적으로 두꺼우면서 폴리프로필렌(PP) 재질로 형성될 수 있다. 상기 제 2필름(414b)에 대한 제 1필름(414a)의 두께비는 25% 내지 70%로 형성되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 45% 내지 55%로 형성된다. 상기 두께비가 25% 미만이 되도록 형성되면 전지의 저온 특성이 나빠지게 되고, 70%를 초과하도록 형성되면 세퍼레이터의 셧 다운(shut down) 속도가 느려진다는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 상기 제 1필름(414a)의 두께는 5 내지 10㎛로 형성되고, 제 2필름(414b)의 두께는 15 내지 20㎛ 가 되도록 형성될 수 있다. 상기 세퍼레이터(414)는 제 2필름(414b)의 두께를 제 1필름(414a)보다 두껍게 형성함으로써 음극활물질의 탈리에 의한 세퍼레이터의 변형/파손을 방지하고 음극판의 발열에 견 딜 수 있게 된다. 다만, 여기서 상기 제 1필름(414a)과 제 2필름(414b)의 두께 또는 두께비를 한정하는 것은 아니다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 세퍼레이터가 적용된 리튬 이차전지의 작용에 대해 설명한다. 이하의 설명에서는 도 2c의 실시예에 따른 세퍼레이터가 적용된 경우에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는 전극조립체(212), 캔(210) 및 캡조립체(220)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 전극조립체(212)는 양극판(213), 음극판(215) 및 세퍼레이터(214)를 포함하여 형성된다. 상기 세퍼레이터(214)는 기공의 직경이 커서 강도가 작은 제 1필름(214a)과, 기공의 직경이 상대적으로 작아 강도가 큰 제 2필름(214b)을 포함하여 형성된다. 전지의 충방전이 반복되어 전극조립체(212)가 두꺼워지고, 특히 충전 중에 음극활물질은 양극활물질에 비해 상대적으로 팽창의 정도가 크게 된다. 이 때, 음극활물질은 음극집전체(295)로부터 탈리하여 음극판(215)과 제 2필름(214b) 사이에 존재하는 전해액으로 녹아나오게 될 수 있다. 이렇게 탈락한 음극활물질은 제 2필름(214b)에 압박을 가하게 되고 모서리가 날카로울 경우 제 2필름(214b)에 미치는 국부적인 힘은 더욱 커지게 된다. 그러나, 상기 제 2필름(214b)은 기공의 크기가 작게 형성되고 인장강도가 크게 형성되므로 탈락한 음극활물질의 국부적인 압박에도 불구하고 손상 또는 파손되지 않고 양극판(413)과 음극판(415) 사이에서 전극판간 쇼트를 방지할 수 있다. 또한, 상기 제 2필름(414b)은 폴리프로필렌 재질로 되어 있으므로, 방전시 음극측의 상당한 발열량에도 셧 다운 또는 멜트 다운 되지 않고 변형없이 리튬 이온을 통과시킬 수 있다. 또한, 상기 제 1필름(214a)과 제 2필름(214b) 사이에 형성되는 계면공간에 의해 전해액이 보유되어 리튬 이온의 이동을 원활하게 해 준다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지에 의하면, 양극판과 음극판 사이에 서로 강도가 다른 복수장의 다공성 필름을 형성하되, 충방전 반복시 상대적으로 두께 증가량이 크고 이물질이 석출되기 쉬운 음극판과 접하는 부분에 강도가 큰 다공성 필름을 위치시킨 후 전극조립체를 권취함으로써, 복수장의 다공성 필름 사이에 형성된 공간을 통하여 전해액의 보유량이 증가할 뿐만 아니라, 전극조립체의 전극판간 쇼트를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 리튬 이차전지의 양극판과 음극판 사이에 개재되며, 기공의 크기가 서로 다른 적어도 2장의 다공성 필름이 겹쳐져서 이루어지며, 상기 다공성 필름들 사이에는 전해액이 보유될 수 있는 공간이 존재하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 세퍼레이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 기공의 크기가 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 세퍼레이터.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름과 상기 양극판에 접하는 다공성 필름의 인장 강도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 세퍼레이터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 인장 강도가 크도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지용 세퍼레이터.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름과 상기 양극판에 접하는 다공성 필름의 두께가 서로 다른 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 세퍼레이터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 두께가 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 세퍼레이터.
  7. 서로 대향하는 양극판과 음극판, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체,
    상기 전극조립체를 수용하는 캔,
    상기 캔의 상단 개구부를 밀봉하는 캡조립체를 포함하여 이루어지는 리튬 이차전지에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 기공의 크기가 서로 다른 적어도 2장의 다공성 필름이 겹쳐져서 이루어지며, 상기 다공성 필름들 사이에는 전해액이 보유될 수 있는 공간이 존재하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 기공의 크기가 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름과 상기 양극판에 접하는 다공성 필름의 인장 강도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 인장 강도가 크도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  11. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름과 상기 양극판에 접하는 다공성 필름의 두께가 서로 다른 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 음극판에 접하는 다공성 필름이 상기 양극판에 접하는 다공성 필름보다 두께가 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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