KR100919691B1

KR100919691B1 - 도전성 시트층을 구비한 이차전지용 단위셀 및 이를 이용한 리튬이온 이차전지

Info

Publication number: KR100919691B1
Application number: KR1020090056406A
Authority: KR
Inventors: 김영재; 김규식; 엄원섭; 우종만
Original assignee: 에너테크인터내셔널 주식회사
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2009-10-06
Also published as: TW201101555A; TWI404250B; DE102009038096A1; JP2011009182A; JP5255538B2; US20100330422A1; CN101931103A

Abstract

본 발명에서는 전극과 분리막을 포함하는 반복단위가 복수개로 적층된 전극적층체; 및, 상기 전극적층체 내의 특정 층 사이에 위치하면서, 전극리드와 전기적으로 연결된 하나 이상의 도전성 시트층이 구비된 리튬이온 이차전지용 단위셀을 제공한다.

본 발명의 리튬이온 이차전지용 단위셀에 구비된 도전성 시트층은 전지에 대한 물리적, 전기적 충격 등으로 인한 쇼트 발생시 전류가 빠르게 외부로 통전되거나, 금속시트의 발열량이 양극전극 및 음극전극의 발열량 보다 낮게하는 역할을 한다. 따라서, 물리적, 전기적 충격에 의한 발화나 폭발의 위험을 줄여 안정성을 향상시킨 리튬이온 이차전지를 제조할 수 있다.

리튬이온 이차전지, 도전성 시트, 전극적층체, 유닛셀, 안정성.

Description

도전성 시트층을 구비한 이차전지용 단위셀 및 이를 이용한 리튬이온 이차전지{UNIT CELL FOR SECONDARY BATTERY HAVING CONDUCTIVE SHEET LAYER AND LITHIUM ION SECONDARY BATTERY HAVING THE SAME}

본 발명은 도전성 시트층을 구비한 이차전지용 단위셀 및 이를 이용한 리튬이온 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 단위셀 내의 특정 층 사이에 하나 이상의 도전성 시트층을 추가로 구비함으로써 전기적 충격에 의한 발화나 폭발의 위험성을 줄인 이차전지 단위셀 및 그를 이용한 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.

통상적으로, 니켈 카드뮴전지, 니켈 수소전지, 니켈 아연전지, 리튬이온 이차전지등이 전자제품의 전원으로 사용되고 있으며, 이중 수명과 용량면에서 유리한 리튬이온 이차전지가 범용화 되고 있다. 상기 리튬이온 이차전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬금속전지, 리튬 이온전지 및 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 구분된다, 리튬 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 유기 전해액이 전혀 함유되지 않은 완전 고체형 리튬 폴리머 전지, 유기 전해액을 함유하는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분된다. 또한 리튬이온 이차전지는 단위셀을 수용하고 있는 외장재의 종류에 따라 원통형전지, 각형전지, 파우치형전지로 구분할 수 있다.

이러한 리튬이온 이차전지는 최근 정보통신산업 및 전지의 힘으로 구동이 가능한 운송수단(HEV, EV LEV등)에 대한 산업이 발달하면서 그 수요가 대폭 증가하고 있고, 이러한 수요에 대응 할 수 있는 리튬이온 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 리튬이온 이차전지가 보완해야 될 주요한 과제중 하나가 전지의 안전성이다.

도1은 종래의 리튬이온 이차전지용 전극적층체(200)에 대한 모식적 단면도이고, 도2는 이를 이용한 종래의 파우치형 리튬이온 이차전지에 대한 분해사시도이다. 도1에서, 리튬이온 이차전지(100)은 양극전극(220)과 음극전극(230)을 와인딩 방식이라고 불리는 공정을 통해 분리막(210)으로 감아 일체화하는 방식, 또는 분리막(210), 양극전극(220), 음극전극(230) 순으로 일정 면적으로 유지하면서 적층하는 스태킹 방식으로 전극적층체(200)를 제작 후, 상기 전극적층체(200)를 수납부에(310) 안착시킨 후 덮개(320)를 덮는다. 이때 전극적층체(200)의 양극과 음극단자를 외부와 연결시키는 전극리드(400)에 전극탭(500)를 연결한다. 도2에서, 전극리드(400)와 전극탭(500)이 연결된 전극적층체(200)를 파우치(300)에 안착시킨 후 덮개(320)를 덮고 전해액을 넣은 다음 밀봉하여 리륨이차전지(100)를 완성한다.

와인딩 또는 스택킹 방식으로 만들어진 전극적층체는 양극전극(220)과 음극 전극(230)사이에 분리막(210)이 위치해 있으며, 이러한 구조가 반복되어 하나의 전극적층제(200)를 이룬다. 분리막(210)은 전해액을 넣은 후 리튬이온 이차전지(100)가 활성화 되었을 때 양극과 음극의 쇼트 발생을 방지하며, 분리막(210)에 존재하는 기공을 통하여 전지 충방전시 리튬이 통과하여 지나갈 수 있는 역할을 한다.

이러한 리튬이온 이차전지를 사용하는 기기들은 사용환경 및 최종사용자의 행동에 의하여 충격, 열, 과충전, 과방전, 단락, 관통, 압착 등에 노출될 수 있으며, 이러한 환경에서는 리튬이온 이차전지의 안전성에 문제가 발생하여 리륨이차전지가 발화되거나 폭발할 수 있다. 대부분의 리륨이차전지들은 안전성을 고려하여 만들어지고 있으나, 사용자의 요구에 따라 리륨이차전지의 용량이 증가할수록 저장할 수 있는 에너지도 증가하는 반면에, 에너지밀도의 증가에 따라서 리륨이차전지의 안전성이 취약해지는 경우가 발생한다. 특히 관통 및 충격 압착의 경우 물리적인 힘에 의하여 단위셀 내부의 분리막을 손상시켜 전지 내부에서 음극전극과 양극전극에 강제로 쇼트를 일으키게 된다. 내부의 쇼트 발생시 전지내부의 전류와 전극활물질들이 반응하여 열에너지로 변환되어 발열이 발생하여 온도가 급격히 상승하게 되어, 리륨이차전지가 발화나 폭발등의 반응을 일으키는 문제가 발생한다.

이에 본 발명자들은 전극, 분리막과 상기 전극에 연결된 전극리드가 구비된 단위셀에 금속시트층을 추가로 배치하면 관통 및 충격, 압착 기타 전기적 충격에 의한 발열을 최소화 할 수 있음에 착안하여 본 발명에 이르렀다.

본 발명의 목적은 물리적, 전기적 충격에 의한 발화나 폭발의 위험성을 줄인 리튬이온 이차전지용 단위셀을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 단위셀을 이용한 리튬이온 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 리튬이온 이차전지용 단위셀에는, 전극과 분리막으로 구성된 반복단위가 복수개로 적층된 전극적층체에 있어서, 상기 전극적층체 내의 특정 층 사이에 위치하면서 전극리드와 전기적으로 연결되는 하나 이상의 도전성 시트층이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 도전성 시트층의 재질은 알루미늄, 구리, 니켈, 철, 아연, 납 및 티타늄으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속일 수 있으며, 특히, 상기 도전성 시트층이 양극전극과 접촉하는 경우 도전성 시트층의 재질은 알루미늄이고; 상기 도전성 시트층이 음극전극과 접촉하는 경우에는 상기 도전성 시트층의 재질은 구리인 것이 바람직하다. 또한, 상기 도전성 시트층의 두께는 0.001 내지 200mm인 것이 바람직하다.

한편, 상기 도전성 시트층의 수는 2 이상이 바람직하며, 그 위치는 상하의 최외각 전극과 최외각의 분리막 사이인 것이 바람직 하며, 이 경우, 상기 2 이상의 도전성 시트층이 전극리드의 반대측에서 전기적으로 연결되어 있을 수도 있다.

본 발명의 리튬이온 이차전지용 단위셀의 도전성 시트층은 전지에 대한 물리적, 전기적 충격 등으로 인한 쇼트(shortage) 발생시 전류가 빠르게 외부로 통전되거나, 금속시트의 발열량이 양극전극 및 음극전극의 발열량 보다 낮게하는 역할을 한다. 따라서, 물리적, 전기적 충격에 의한 발화나 폭발의 위험을 줄여 안정성을 향상시킨 리튬이온 이차전지를 제조하는 것이 가능하다.

도3a 내지 도3f는 본 발명의 도전성 시트가 적층체 내부의 특정 층에 삽입된 예를 보여주는 모식도들이다. 본 발명의 리튬이온 이차전지용 단위셀에는 전극(220, 230)과 분리막(210)을 포함하는 반복단위가 복수개로 적층된 전극적층체(200); 및, 상기 전극적층체(200) 내의 특정 층 사이에 위치하면서, 전극리드(400)와 전기적으로 연결된 하나 이상의 도전성 시트층(240)이 구비되어 있다.

이때, 상기 도전성 시트층(240)의 재질로서는 전기가 통전될 수 있는 것이면 금속재 또는 비금속재를 가릴 것은 아니나, 알루미늄, 구리, 니켈, 철, 아연, 납 및 티타늄으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속이 사용되는 것이 전기도전성 측면에서 바람직하다. 또한, 상기 도전성 시트층(240)이 양극전극(220)과 접촉하는 경우 도전성 시트층의 재질은 알루미늄이고; 상기 도전성 시트층(240)이 음극전극(230)과 접촉하는 경우에는 상기 도전성 시트층(240)의 재질은 구리인 것이 더욱 바람직하다. 전극과 동일한 재질을 사용할 경우 전지 제작성 및 안전성 이 더 우수하기 때문이다.

한편, 상기 도전성 시트층(240)의 두께는 0.001 내지 200mm인 것이 바람직하다. 전지 용량이 높을 경우 도전성 시트층의 두께가 두꺼워 질수록 안전성이 향상된다. 따라서 대용량 전지의 경우 두께가 필요한 만큼 두꺼워 질 수 있으며, 이 경우 반드시 한겹의 시트층이 사용될 필요는 없어서 얇은 도전성 시트를 여러 장 겹처서 두께를 두껍게 하여도 안전성이 향상시킬 수도 있다. 도전성 시트층의 크기에는 특별한 제한이 없다. 전극의 크기와 동일한 크기를 사용하는 것이 일반적이나 리튬이온 이차전지 제작에 문제가 되지 않는다면 작거나 커도 무방하다.

또한, 본 발명에서 사용되는 도전성 시트층(240)의 매(枚)수에 있어서 특별한 제한은 없으며, 전지의 쇼트 발생시 필요한 통전 효율성에 비추어 필요한만큼 사용될 수 있다. 이 경우에, 도전성 시트층(240)이 삽입되는 위치에도 특별한 제한이 없다. 전극, 분리막 및 도전성 시트층을 적층하는 방식에 있어서도 양극전극과 음극전극을 분리막으로 감아 일체화하는 와인딩 방식(winding type) 또는 분리막, 양극전극, 음극전극 순으로 일정 면적을 유지하면서 적층하는 스태킹 방식(stacking type) 중 어느 것을 사용하여도 관계 없다.

도3a 내지 도3f는 본 발명의 도전성 시트층(240)이 적층체(200) 내부의 특정 층에 삽입된 예를 보여주는 모식도적 단면도들이다. 2매의 도전성 시트층(40)이 전극적층체(200)의 상하 최외각에 있는 2장의 분리막(210)들 사이에 각각 위치하거 나(도3a); 1매의 도전성 시트층(240)이 전극적층체 (200)내부에 존재하는 분리막(210)들 사이에 위치하거나(도3b); 전극적층체(200) 상하의 최외각에는 하나의 분리막(210) 만이 있고, 이들 전극(220)과 분리막(210) 사이에 각각 도전성 시트층(240)이 위치할 수 있으며(도3c), 전지의 구조나 효율에 비추어 적당한 형태를 선택할 수 있다. 또한, 2매 이상의 도전성 시트층(240)이 구비된 경우에는 이들의 말단들이 도전성 시트층(240)의 재질과 같거나 또는 다른 도전성 물질에 의해 전기적으로 연결된 형태일 수도 있다(도3d 내지 도3f).

도4는 도3a의 단위셀(200) 외각에 도전성 시트층(240)을 삽입 후에 전극리드(400)과 전극탭(500)과 연결되는 상태를 나타낸 모식도이다. 도4에서는 삽입된 도전성 시트층 전극리드가 양극전극 전극리드와 연결된다. 이렇게 연결된 전극리드는 다시 양극전극용 전극탭과 연결되며, 음극전극의 전극리드는 도전성 시트와 연결되지 않고 음극전용 전극탭과 연결되여 도전성 시트가 포함된 단위셀이 완성된다. 이러한 전극적층체와 전극리드 전극탭의 연결방식은 도 3a내지 도3f의 전극적층체에 동일한 방식으로 적용될 수 있음은 물론이며, 도전성 시트의 종류에 따라 연결되는 전극리드가 음극으로 바뀔 수도 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

양극전극은 리튬전위금속산화물인 리튬코발트산화물 양극활물질과 카본블랙(Carbon Black) 도전재, PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 바인더 및 NMP(N-methy-pyrrolidone) 용매를 기반으로 슬러리를 제조한 후 알루미늄 집전체에 박막 도포한 다음 건조하여 사용하였다. 음극전극은 흑연(Graphite) 분말과, 카본블랙 도전재, PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 바인더, 및 NMP(N-methy-pyrrolidone)용매를 기반으로 슬러리를 제조한 후 구리 집전체에 도포하고 건조한 다음 전극 탭 부분을 일정크기의 돌출한 형태로 재단하여 사용하였다.

분리막으로서 다층 폴리에틸렌 다공질막을 사이에 두고 상기 양극 및 음극전극을 스태킹 방식으로 적층하여 전극적층체를 조립하였다. 이때, 도전성 시트층으로서 두께 0.1mm의 알루미늄시트를 사용하되, 위치는 도3a와 같이 2매의 도전성 시트층이 전극적층체의 상하 최외각에 있는 2장의 분리막들 사이에 각각 위치하게 하였다. 알루미늄 시트는 단위셀 외각에 위치한 전극과 동일한 전극리드에 연결하고, 단위셀 조립이 완료된 뒤 전극리드 부분에 전극탭을 부착하였다.

알루미늄 외장재를 단위셀이 안착하기 쉬운 크기로하여 오목한 공간형태로 수납부를 만들고, 수납부 전체를 덮을 수 있는 덮개를 재단하여 파우치를 제작하였다. 다음으로, 조립이 완료된 단위셀을 알루미늄 파우치에 안착시키고 한 면만 남기고 각 면을 실링하였다. 마지막으로, 리튬이온 이차전지용 LiPF₆ 리튬염이 에틸렌 카보네이트(EC, ethylene carbonate)에 용해된 전해액을 주입하고 진공 하에서 최 종 실링을 하여 밀봉한 후 전해질을 전극에 충분히 함침 되도록 숙성시켜 초충전하고, 전지를 안정화하여 파우치형 리튬이온 이차전지를 제조하였다.

<실시예2>

단위셀을 제조함에 있어서 도전성 시트층으로서 1매의 알루미늄 시트층을 도3b에서 보이는 바와 같이 전극적층체 내부에 존재하는 분리막들 사이에 위치하게 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단위셀 및 리튬이온 이차전지를 제조하였다.

<실시예3>

단위셀을 제조함에 있어서 2매의 알루미늄 시트층을, 도3c에서와 같이 전극적층체 상하의 최외각에는 하나의 분리막 만이 있고, 이들 전극과 분리막 사이에 각각 도전성 시트층이 위치하게 한 것을 제외하고는 실시예1과 같이 단위셀 및 리튬이온 이차전지를 제조하였다.

<실시예4>

단위셀을 제조함에 있어서 도3d에 보는 바와 같이, 2매의 알루미늄 시트층을 실시예1과 같이 배치하되 금속시트가 전극리드의 반대쪽에서 전기적으로 연결되도록 한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 단위셀 및 리튬이온 이차전지를 제조하였다.

<실시예5>

단위셀을 제조함에 있어서 도3e에서와 같이, 알루미늄 시트층의 배치는 실시예3와 같되 금속시트가 전극리드의 반대쪽에서 전기적으로 연결되도록 하였다. 그 밖에는 실시예1과 동일하게 단위셀 및 리튬이온 이차전지를 제조하였다.

<실시예6>

단위셀을 제조함에 있어서 도3f에서와 같이, 금속시트중 하나는 최외각에 존재하는 2개의 분리막 사이에, 나머지 하나는 적층체 내부에 있는 2개의 분리막 사이에 배치한 다음, 금속리드의 반대쪽에서 이들 2매의 금속시트가 전기적으로 연결되도록 하였다. 그 밖에는 실시예1과 동일하게 단위셀 및 리튬이온 이차전지를 제조하였다.

<비교예>

단위셀을 제조함에 있어서 단위셀 내부에 도전성 시트층으로서 알루미늄 시트층을 삽입하지 않은 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 단위셀 및 리튬이온 이차전지를 제조하였다.

<관통성 평가>

충전된 파우치형 리튬이온 이차전지에 대해 넓은 면을 위로 향하게 하여 놓은 후, 지름 5m의 강철로 이루어진 바늘모양의 침상체를 사용하여 일정한 속도로 넓은 면의 중심부를 찔러서 침상체가 전지를 관통하게 하여 관통성평가를 한 다음 그 결과를 표1에 정리하였다.

시험조건	실시예						비교예
시험조건	1	2	3	4	5	6	비교예
Φ5mm, 80mm/sec.	발화없음	발화없음	발화없음	발화없음	발화없음	발화없음	발화없음
Φ5mm, 60mm/sec.	발화없음	발화없음	발화없음	발화없음	발화없음	발화없음	발화
Φ5mm, 40mm/sec.	발화없음	발화없음	발화없음	발화없음	발화없음	발화없음	발화
Φ5mm, 20mm/sec.	발화없음	발화없음	발화없음	발화없음	발화	발화없음	발화
Φ5mm, 15mm/sec.	발화없음	발화없음	발화	발화없음	발화	발화	발화
Φ5mm, 10mm/sec.	발화	발화	발화	발화없음	발화	발화	발화

상기 표1에서, 실시예1 내지 4의 경우 침전체의 속도가 20 mm/sec까지 감소하여 내부쇼트 시간이 증가하여도 발화가 일어나지 않는 것을 알 수 있으며, 특히 실시예 4의 경우는 침전체의 속도가 20 mm/sec까지 내려가도 발화가 일어나지 않았다. 이는 단위셀 외각에 있는 금속시트가 관통시 전류가 빠르게 외부로 통전되는 역할을 하였으며, 내부 쇼트시 양극전극 및 음극전극에 비하여 발생하는 발열량이 매우 낮아 전지의 안전성을 향상 시킨 때문이다.

한편, 실시예5 및 6의 경우에서도, 침전체의 속도가 약 약 20 내지 40mm/sec까지 감소하여 내부쇼트 시간이 증가하여도 발화가 일어나지 않는 것을 알 수 있으며, 이는 단위셀 내부에 있는 금속시트가 단위셀 외부에 위치하게 한 단위셀 보다 안전성 향상 효과가 감소하기는 하였으나, 도전성 시트층이 구비되지 않은 비교예에 비해 리튬이온 이차전지의 안전성을 향상된 것이다.

반면, 비교예의 경우는 빠른 속도인 60mm/sec에서도 발화가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도1은 종래의 리튬이온 이차전지용 전극적층체의의 모식적 단면도이다.

도2은 파우치형 리튬이온 이차전지의 모식적 분해사시도이다.

도3a 내지 도3f는 본 발명에 따라 도전성 시트층이 적층체 내부의 특정 층에 삽입된 예를 보여주는 전극적층체의 모식적 단면도들이다.

도4는 도3a 전극적층체 외각에 도전성 시트층을 삽입한 후 전극리드 및 전극탭과의 연결된 단위셀을 보여주는 모식도이다.

<도면 주요부의 부호설명>

100 : 리튬이온 이차전지 200 : 전극적층체

210 : 분리막 220 : 양극전극

230 : 음극전극 240 : 도전성 시트층

300 : 파우치 310 : 수납부

320 : 덮개 400 : 전극리드

500 : 전극탭

Claims

전극과 분리막을 포함하는 반복단위가 복수개로 적층된 전극적층체; 및 상기 전극적층체 내의 특정 층 사이에 위치하면서, 전극리드와 전기적으로 연결된 하나 이상의 도전성 시트층을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 단위셀.
제1항에 있어서, 상기 도전성 시트층의 재질은 알루미늄, 구리, 니켈, 철, 아연, 납 및 티타늄으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 상기 리튬이온 이차전지용 단위셀.
제1항에 있어서, 상기 도전성 시트층이 양극전극과 접촉하는 경우 도전성 시트층의 재질은 알루미늄이고; 상기 도전성 시트층이 음극전극과 접촉하는 경우에는 상기 도전성 시트층의 재질은 구리인 것을 특징으로 하는 상기 리튬이온 이차전지용 단위셀.
제1항에 있어서, 상기 도전성 시트층은 복수의 겹으로 구성된 시트층인 것을 특징으로 하는 상기 리튬이온 이차전지용 단위셀.
제1항에 있어서, 상기 도전성 시트층의 두께는 0.001 내지 200mm인 것을 특 징으로 하는 상기 리튬이온 이차전지용 단위셀.
제1항에 있어서, 상기 도전성 시트층의 매수가 2 이상이되, 상기 도전성 시트층의 위치는 상하의 최외각 전극과 분리막 사이인 것을 특징으로 하는 상기 리튬이온 이차전지용 단위셀.
제6항에 있어서, 상기 2 이상의 도전성 시트층이 전극리드의 반대측에서 전기적으로 서로 연결된 것임을 특징으로 하는 상기 리튬이온 이차전지용 단위셀.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 단위셀을 구비한 리튬이온 이차전지.