KR100875607B1 - 스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 안전성이 향상된 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체가 스택형 구조인 이차전지로서, 전극 조립체의 외면에 전기 절연성 부재를 개재한 상태로 판상의 도전성 부재가 부착되어 있고, 상기 도전성 부재는 전극 단자에 전기적으로 연결되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 낙하, 외부 충격, 침상도체의 관통 등에 의해 내부 단락이 발생하더라도 전지내의 전자 흐름을 빠르게 분산하여 열 발생이 집중되는 것을 방지함으로써 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 안전성이 향상된 이차전지 {Stability-improved Secondary Battery Containing Stacking-typed Electrode Assembly}

도 1은 일반적인 스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 파우치형 전지의 분해 사시도이다;

도 2는 도 1의 전지를 조립한 상태에서의 평면 투시도이다;

도 3은 본 발명의 전지에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 도전성 부재의 사시도이다;

도 4는 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 도전성 부재의 모식적 사시도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

100: 파우치형 이차전지

200: 전지 케이스

300: 전극 조립체

400: 410: 전극 단자

500: 절연필름

600: 도전성 부재

본 발명은 스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 각형 또는 파우치형 이차전지에서 전극 조립체의 외면에 활물질이 도포되지 않은 도전성 부재가 결합되어 있어서, 전지의 낙하나 외부 충격의 인가에 의한 전지의 변형, 침상도체의 관통 등 전지의 내부 단락시 전자의 흐름을 빠르게 분산하여 열 발생의 집중을 해소함으로써 전지의 안전성을 향상시킨다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지와 같은 이차전지에 대한 수요가 높다.

이러한 전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상 태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형, 침상 도체에 의한 관통 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다.

따라서, 전지 안전성을 향상시키기 위한 방법으로서 보호회로 및 보호소자를 장착하는 방법 또는 분리막에 의한 열폐색을 이용한 방법 등이 제안되고 있다. 그러나, 보호 회로의 이용은 전지팩의 소형화와 저비용화에 큰 제약을 주고, 분리막에 의한 열폐색 기구는 발열이 급격하게 생긴 경우에는 유효하게 작용하지 못하는 경우가 많다.

그 외에도 전지 안전성의 문제를 해결하기 위하여 유기 전해액 첨가제를 통한 해결 방법이 제시되고 있다. 예를 들면, 미국특허 제6,074,776호에는 중합가능한 모노머를 이용한 과충전 방지의 예가 기재되어 있다. 또한, 일본특허 공개 제2000-215909호에는 측쇄를 갖는 다환식 방향족 화합물 및 벤젠화합물을 유기용매에 1 ~ 10 중량%로 첨가하는 예가 기재되어 있다. 그러나, 이와 같이 유기 전해액 첨가제를 사용하는 경우에는 전지의 성능이 저하되는 문제가 있다.

또한, 상기와 같은 전해액 첨가제와는 다른 방향의 방법으로서, 일본 특허출원공개 제2000-164206호에는 과충전 방지방법이 기재되어 있다. 이 방법에 의하면, 도전재인 카본블랙류와 결합제를 미리 양극 집전체에 도포하고 그 위에 양극 활물질과 결합제를 도포하는 경우에 충전이 일어날 때 도전재층의 저항이 약 100 배 정도 증가하여 전류를 차단하게 된다.

그 외, 전지의 안전성을 향상시키기 위해 활물질 표면을 개질하는 방법이 개 시되어 있다. 일본 특허출원공개 제1997-55210호에는 리튬-니켈계 산화물을 Co, Al, Mn의 알콕사이드로 코팅한 후 열처리하여 제조되는 양극 활물질이 기재되어 있고, 일본 특허출원공개 제1999-16566호에는 Ti, Sn, Bi, Cu, Si, Ga, W, Zr, B 또는 Mo의 금속 및 이들의 산화물로 코팅된 리튬계 산화물이 기재되어 있으며, 일본 특허출원공개 제1999-185758호에는 리튬망간 산화물의 표면에 금속산화물을 공침법으로 코팅한 후 열처리한 양극 활물질이 기재되어 있다.

그러나, 상기 방법들은 활물질의 표면과 전해액이 반응하는 초기온도, 즉 충전시 양극 활물질의 금속과 결합된 산소가 유리되는 온도(발열온도)를 상승시키지 못하고 발열량도 감소시키지 못하였다.

미국특허 제5,705,291호에는 양극 활물질의 구조적 안정성을 증가시키는 방법으로서, 양극 활물질의 표면을 보레이트, 알루미네이트, 실리케이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 조성물로 코팅하는 방법이 기재되어 있으나, 여전히 구조적인 안정성이 좋지 못한 문제점이 있다.

한편, 이차전지 중 스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 이차전지는 구조적 취약성으로 인해, 낙하, 외부 충격, 침상도체의 관통 등에 의해 내부 단락이 발생할 가능성이 더욱 높다.

도 1에는 스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지를 조립한 상태의 평면 투시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1 및 2를 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 파우치형 전지 케이스 (200) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 고체 전해질 코팅 분리막으로 이루어진 전극 조립체(300)가 그것의 양극 및 음극 탭들(302, 304)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극 단자(400, 410)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전지 케이스(200)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극 조립체(300)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(230)를 포함하는 케이스 본체(210)와 그러한 본체(210)에 일체로서 연결되어 있는 덮개(220)로 이루어져 있다. 전지 케이스(200)의 수납부(230)는 전극 조립체(300)가 안착될 수 있도록 판상의 라미네이트 시트를, 예를 들어, 그에 대응하는 형상이 각인되어 있는 금형에서 성형함으로써 형성될 수 있다.

파우치형 이차전지(100)에 사용되는 전극 조립체(300)는, 도 1에서와 같은 스택형 구조 이외에 젤리롤형 구조도 가능하다. 스택형 전극 조립체(300)는 다수의 양극 탭들(302)과 다수의 음극 탭들(304)이 각각 융착되어 전지 전극(400, 410)에 함께 결합되어 있고, 전극 단자(400, 410)에는 전지 케이스(200)와의 전기적 절연성과 밀봉성을 확보하기 위하여 절연필름(500)이 상하면에 부착된다.

이와 같은 파우치형 이차전지(100)의 큰 단점은, 전지 케이스(200)가 강도가 약한 연포장재로 되어 있음으로 인해 낙하, 외부 충격 등에 의해 쉽게 변형되거나 침상 도체(도시하지 않음)에 의해 관통되기 쉽다는 점이다. 전지의 낙하, 외부 충격의 인가 등에 의해 전극 조립체(300)가 움직이게 되며, 그로 인해 전지 상부의 전극 탭(302, 304) 또는 전극 단자(400, 410)가 전극 조립체(300)의 반대 전극과 접촉되어 단락이 유발될 수 있다. 또한, 침상도체가 전지를 관통하게 되면, 전기 저항값이 높은 활물질이 침상 도체를 경유하여 반대 전극의 집전체 또는 활물질과 전기적으로 접촉되어 단락이 유발될 수 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 한국 특허출원공개 제2003-66959호에서도 스택형 폴리머 전지에서, 전극 탭이 그것과 극성을 달리하는 극판과 단락되는 것을 방지하기 위한 수단으로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 비정질 폴리이미드 계열의 고분자 수지로 구성된 필름형태 또는 액상형태의 절연부재가 상기 전극 탭 상에 접착 또는 적하하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 경우, 절연부재가 도포되는 부분이 극판으로부터 돌출된 탭의 일부분이기 때문에 완벽한 단락의 방지가 확보될 수 없으며, 외부 충격 및 침상도체의 관통에 대한 전지의 안전성 확보 측면에서도 한계가 있다.

한국 특허출원공개 제2004-26544호에서는 파우치형 이차전지에서, 외부로 돌출된 전극 탭과 외장재간의 밀봉상태를 양호하게 유지하고 전극 탭과 외장재간의 단락을 효과적으로 방지하며 접착 테이프가 한꺼번에 녹는 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 천연고무, 합성고무 등의 절연부재를 접착 테이프를 사용하여 파우치 케이스의 상, 하부를 밀봉하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 접착 테이프는 전해액이 닿으면서 접착력이 떨어지는 단점이 있으며, 탭과 외장재 사이의 단락은 방지할 수 있지만, 전지 내부의 단락은 방지할 수 없는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 전지에 있어서, 외부 충격, 침상 도체의 관통 등에 의한 내부 단락시 보다 효율적인 방법으로 전지의 안전성을 담보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 이차전지에서, 전극 조립체의 외면에 절연성 부재를 개재한 상태로 도전성 부재를 부착하고 상기 도전성 부재를 전극 탭 또는 리드에 전기적으로 연결하는 경우, 낙하, 외부 충격, 침상도체의 관통 등에 의해 내부 단락이 발생하더라도 전지내의 전자 흐름을 빠르게 분산하여 열 발생이 집중되는 것을 방지함으로써 전지의 안전성을 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체가 스택형 구조인 이차전지로서, 전극 조립체의 외면에 전기 절연성 부재를 개재한 상태로 판상의 도전성 부재가 부착되어 있고, 상기 도전성 부재는 전극 단자에 전기적으로 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전지의 낙하, 외부 충격의 인가, 침상도체의 관통 등에 의해 전지가 폭발 또는 발화하는 주된 원인은, 그로 인한 전극 조립체의 이동, 전극의 변형 등에 의해 양극 활물질과 음극 활물질간의 접촉 저항부에 통전되는 전류에 의한 높은 저항열 때문이다. 상기 저항열로 인하여 전지 내부온도가 임계치 이상으로 상승하게 되면, 양극 활물질의 산화물 구조가 붕괴되어 열폭주 현상이 발생하게 되며, 이로 인해 전지의 발화 또는 폭발이 발생한다.

따라서, 본 발명에서는 전극 조립체의 외면에 전극 조립체와 전기적으로 절연된 상태로 도전성 부재를 부착하고 동시에 상기 도전성 부재가 전극 단자(예를 들어, 전극 탭 또는 리드)에 전기적으로 연결되도록 구성함으로써, 전극 조립체의 이동, 전극의 변형, 침상도체의 관통시, 낮은 저항값의 상기 도전성 부재가 우선적으로 반대 전극의 활물질에 접촉되게 하여, 서로 반대 전극의 활물질들 간의 접촉시 발생하는 높은 저항열을 방지할 수 있도록 한다. 또한, 도전성 부재는 전극 조립체의 외면을 기계적으로 보호하는 역할도 한다.

상기 도전성 부재는 바람직하게는 전극 조립체를 구성하는 양극 또는 음극 집전체와 동일하거나 그보다 클 수 있다.

도전성 부재는 판상의 형태로 전극 조립체의 적어도 일면에 부착될 수 있는 크기 내지 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 양극 집전체 또는 음극 집전체와 동일한 소재로 되어있을 수 있다. 일반적으로 양극 집전체로는 알루미늄 호일이 사용되고 음극 집전체로는 구리 호일이 사용되다. 따라서, 상기 도전성 부재는 바람직하게는 알루미늄 판, 구리 판, 알루미늄 호일, 또는 구리 호일로 만들어질 수 있다.

상기 도전성 부재가 전기적으로 연결되는 전극은 전극 조립체의 구성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 스택형 전극 조립체의 최외각을 구성하는 전극이 음극인 경우에 도전성 부재는 양극에 전기적으로 연결되며, 전극 조립체의 최외각을 구성하는 전극이 양극인 경우에 도전성 부재는 음극에 전기적으로 연결될 수 있다. 일반적으로 양극 활물질은 산화물로 되어 있어서 전기전도도가 낮고 음극 활물질에 비하여 높은 저항값을 가지므로, 바람직하게는 전극 조립체의 최외각을 구성하는 전극이 음극이고 도전성 부재는 양극에 전기적으로 연결되어 있다. 더욱 바람직하게는, 전극 조립체의 최외각을 구성하는 음극의 집전체 중 상기 도전성 부재와 대면하는 표면에는 활물질이 도포되어 있지 않아서 내부 단락시 발열량을 더욱 낮출 수 있다.

전극 조립체와 도전성 부재의 사이에 개재되는 절연성 부재는 특별히 제한되지 않는다. 하나의 바람직한 예에서 상기 절연성 부재는 전극 조립체를 구성하는 분리막과 동일한 소재로 되어 있다. 다만, 전극 조립체와 도전성 부재 사이에는 전기 화학적 반응을 위한 이온의 이동이 요구되지 않으므로, 절연성 부재가 다공성 구조를 가질 필요는 없다. 바람직하게는, 도전성 부재와 절연성 부재 및/또는 도전성 부재와 전지 케이스 내면은 접착제에 의해 부착되어 있어서, 낙하 또는 외부 충격에 의해서도 쉽게 분리되지 않는다.

전극 조립체의 일면(예를 들어, 정면)에 부착된 도전성 부재(제 1 도전성 부재)와 다른 면(예를 들어, 후면)에 부착된 도전성 부재(제 2 도전성 부재)는 동일한 소재로 되어 있을 필요는 없으며, 또한 동일한 전극에 전기적으로 연결될 필요도 없다. 특히 바람직한 구조는 제 1 도전성 부재와 제 2 도전성 부재는 측면 또 는 하단면으로 연결되어 있고 동일한 전극에 전기적으로 연결되어 있는 구조이다. 서로 측면 또한 하단면이 연결된 도전성 부재들은 전극 조립체를 전체적으로 감싸는 구조를 이루므로, 전지의 낙하 또는 외부 충격시 전극 조립체의 움직임을 크게 억제할 수 있다.

본 발명에 따른 전지는 상기와 같은 전극 조립체를 포함하는 각형 전지 또는 파우치형 전지일 수 있으며, 특히, 전극 조립체가 약한 물리적 강도의 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지에 더욱 바람직하게 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 전지는 안전성이 낮은 리튬 이차전지에 특히 바람직하게 적용될 수 있다.

리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄ (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페 닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 결착제는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 결착제의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력 을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.

상기 음극 재료는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, and Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 분리막은 음극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전극 조립체의 외면에 도전성 부재가 부착되어 있는 파우치형 전지의 투시도가 모식적으로 도시되어 있다. 이해의 편의를 위하여, 도전성 부재와 전극 조립체의 사이에 개재되는 절연성 부재는 표시하지 않았다.

도 3을 참조하면, 전극 조립체의 상단에는 양극 단자(400)와 음극 단자(410)가 돌출되어 있고, 전극 조립체의 최외각은 음극(310: 일점쇄선)으로 구성되어 있다. 도전성 부재(600)는 전극 조립체의 외면 형상과 거의 동일하며 양극 단자(400)에 결합되어 있다.

도전성 부재(600)는 바람직하게는 전극 조립체의 외면 뿐만 아니라 전지 케이스(200)의 내면에도 접착제에 의해 부착되어 있어서, 전지의 낙하 또는 외부 충 격의 인가시에 전극 조립체(300)의 움직임을 더욱 억제하여 그러한 이동으로 인한 내부 단락을 크게 저하시킬 수 있다.

또한, 도전성 부재(600)는 전극 조립체의 음극(310)보다 약간 크게 제작되어 있으므로, 전지의 낙하 또는 외부 충격의 인가시, 전극 조립체의 이동 또는 전지 케이스(200)의 변형에 의해 음극 단자(410)의 하단부(304: 탭 또는 리드)가 전극 조립체(정확하게는 양극)와 접촉되어 내부 단락이 유발될 때, 음극 탭 또는 리드(304)가 도전성 부재(600)에 우선적으로 접촉되게 하여 양극 활물질(도시하지 않음)과의 접촉으로 인한 열 발생을 크게 줄일 수 있다. 이러한 구성은, 전극 조립체의 최외각 전극을 양극으로 구성하고 도전성 부재(600)를 음극에 전기적으로 연결한 구조에서도 가능하다.

또한, 침상도체(도시하지 않음)가 관통되는 경우에도, 도전성 부재(600)와 그것에 인접한 전극 조립체의 최외각 전극인 음극(310)이 침상도체에 의해 단락되므로, 활물질들간의 접촉에 의한 단락과 비교하여 발열량을 크게 저하시킬 수 있다.

도 4에는 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 도전성 부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 도전성 부재(600)가 전극 조립체(도시하지 않음)의 외면을 감쌀 수 있도록 전극 조립체의 전면에 부착되는 제 1 도전성 부재(601)와 배면에 부착되는 제 2 도전성 부재(602)가 그것의 하단면을 통해 서로 연결되어 있다는 점에 특징이 있다.

구체적으로, 제 1 도전성 부재(601)에는 특정 전극 단자(도시하지 않음)에 결합될 수 있는 연결 탭(611)이 상단에 형성되어 있고, 제 2 도전성 부재(602)에는 그와 동일한 전극 단자에 결합될 수 있는 연결 탭(612)이 역시 상단에 형성되어 있다. 제 1 도전성 부재(601)와 제 2 도전성 부재(602)는 그것의 하단면이 연결되도록 일체로 성형되며, 그러한 하단면은 전극 조립체의 하단을 감쌀 수 있도록 절곡부(620)가 형성되어 있다. 이러한 일체형 도전성 부재(600)는 전극 조립체를 안정적으로 감싸므로 낙하 또는 외부 충격의 인가시 전극 조립체의 이동을 크게 억제할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예에 따른 전지를 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다. 예를 들어, 도 4의 제 1 도전성 부재(601)와 제 2 도전성 부재(602)는 측면이 연결되도록 일체로 성형될 수 있으며, 이 경우 절곡부는 측면에 형성된다. 따라서, 이러한 변형들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따르면, 낙하, 외부 충격, 침상도체의 관통 등에 의해 내부 단락이 발생하더라도 전지내의 전자 흐름을 빠르게 분산하여 열 발생이 집중되는 것을 방지함으로써 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체가 스택형 구조인 이차전지로서, 전극 조립체의 외면에 전기 절연성 부재를 개재한 상태로 판상의 도전성 부재가 부착되어 있고, 상기 도전성 부재는 전극 단자에 전기적으로 연결되어 있는 구조로 이루어진 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 부재는 전극 조립체를 구성하는 양극 또는 음극 집전체와 동일하거나 그보다 큰 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 부재는 양극 집전체 또는 음극 집전체와 동일한 소재로 되어있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 부재는 알루미늄 판, 구리 판, 알루미늄 호일, 또는 구리 호일로 되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 조립체의 최외각을 구성하는 전극이 음극이고 상기 도전성 부재는 양극에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 전극 조립체의 최외각을 구성하는 음극의 집전체 중 상기 도전성 부재와 대면하는 표면에는 활물질이 도포되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 부재는 전극 조립체를 구성하는 분리막과 동일한 소재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 부재와 절연성 부재 및/또는 도전성 부재와 전지 케이스 내면은 접착제에 의해 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서, 전극 조립체의 일면에 부착된 도전성 부재인 제 1 도전성 부재와 다른 면에 부착된 도전성 부재인 제 2 도전성 부재는 동일한 소재 또는 다른 소재로 되어 있고, 동일한 전극 또는 다른 전극에 각각 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 각형 전지 또는 파우치형 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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