KR100993705B1 - 안전성 향상을 위한 전기화학소자용 구조체 및 이를포함하는 전기화학소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중공 통형의 관; 고분자로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제1부재; 및 고분자 또는 금속으로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제2부재를 포함하는 구조체로서, 내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 중공 통형의 관 2개 이상이 고분자에 의해 상하로 연결된 관; 상기 상하로 연결된 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제3부재; 및 상기 상하로 연결된 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제4부재를 포함하는 구조체로서, 내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 표면에 1이상의 개구부를 가지며, 양쪽 끝이 밀폐된 중공 통형의 관; 및 상기 개구부를 밀폐하는 고분자부재를 포함하는 구조체로서, 내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 양극, 음극, 세퍼레이터, 전해액, 소자 케이스 및 상기 전기화학소자용 구조체를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.
전기화학소자, 이차전지, 구조체, 센터핀, 과충전, 안전성

Description

안전성 향상을 위한 전기화학소자용 구조체 및 이를 포함하는 전기화학소자 {STRUCTURE FOR ELECTROCHEMICAL DEVICE TO IMPROVE SAFETY AND ELECTROCHEMICAL DEVICE COMPRISING THE SAME}
도 1 내지 도 7은 각각 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체의 일예를 도시한 평면도이다.
도 8은 실시예 3에서 제조한 전지의 시간에 따른 온도와 전압 및 CID의 단락 시간을 나타내는 그래프이다.
도 9는 비교예 1에서 제조한 전지의 시간에 따른 온도와 전압 및 CID의 단락 시간을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 소자 내부 온도 또는 전압이 비정상적으로 상승하여도 안전성을 부여할 수 있는 물질을 내부에 함유하는 전기화학소자용 구조체 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다.
최근 전자 장비의 소형화 및 경량화가 실현되고 휴대용 전자 기기의 사용이 일반화됨에 따라, 고에너지 밀도를 갖는 리튬 이차전지에 대한 연구가 활발히 이루 어지고 있다.
리튬 이차전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 양극(cathode) 및 음극(anode)으로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 상기 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화반응, 환원반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다.
그러나, 이러한 리튬 이차전지는 비수 전해액을 사용함에 따르는 발화 및 폭발 등의 안전 문제가 존재하며, 이와 같은 문제는 전지의 용량 밀도를 증가시킬수록 더 심각해진다. 구체적으로는, 전지가 과충전되어 통상적인 작동 전압을 초과하게 되면 양극은 리튬을 과량 방출하게 되고, 과량의 리튬은 음극에 덴드라이트(dendrite)를 생성하여 양극과 음극이 모두 열적으로 불안정해져 전해액이 분해되는 등 급격한 발열반응이 일어난다. 이와 같은 발열 반응에 의하여 전지에서는 열폭주에 의한 발화 및 파열 현상이 발생하여 전지의 안전성에 문제가 된다.
상기와 같은 전지 내부의 과충전, 온도 상승에 따른 발화 또는 폭발을 제어하기 위해 많은 해결 방법들이 제시되고 있으며, 일례로서 비수 전해액 첨가제를 이용하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 비수 전해액 첨가제를 사용하여 안전성을 향상시키기 위해서는 다량의 첨가제를 투입해야 하나, 이를 비수 전해액에 바로 투입할 경우 전지의 성능이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 전지와 같은 전기화학소자의 안전성을 개선하기 위한 새로운 방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 내부에 빈 공간이 있고, 상기 빈 공간에는 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있으며, 상기 빈 공간에 포함하는 물질의 양은 용이하게 조절할 수 있는 전기화학소자용 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 구조체를 포함하는 소자 내부의 온도가 이상 고온이 되거나 과충전에 의한 과전압의 상태가 될 때, 상기 구조체의 내부 빈 공간에 포함되는 물질, 바람직하게는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질은 상기 구조체의 외부로 방출된 후 열분해되어 기체를 발생시키거나, 또는 열분해에 의해 기체가 발생된 후 상기 구조체의 외부로 방출될 수 있고, 상기 구조체 외부에서 발생된 기체 또는 상기 구조체 외부로 방출된 기체에 의해 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 전기화학소자용 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 전기화학소자용 구조체를 포함하는 전기화학소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 중공 통형의 관; 고분자로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제1부재; 및 고분자 또는 금속으로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제2부재를 포함하는 구조체로서,
내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체를 제공한다.
또한, 본 발명은 중공 통형의 관 2개 이상이 고분자에 의해 상하로 연결된 관; 상기 상하로 연결된 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제3부재; 및 상기 상하로 연결된 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제4부재를 포함하는 구조체로서,
내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체를 제공한다.
또한, 본 발명은 표면에 1이상의 개구부를 가지며, 양쪽 끝이 밀폐된 중공 통형의 관; 및 상기 개구부를 밀폐하는 고분자부재를 포함하는 구조체로서,
내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체를 제공한다.
또한, 본 발명은 양극, 음극, 세퍼레이터, 전해액, 소자 케이스 및 상기 전기화학소자용 구조체를 포함하는 전기화학소자를 제공한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체는 내부에 빈 공간을 가진 밀폐된 형태의 구조체로서, 본 발명의 구조체를 사용하는 전기화학소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질인, 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 내부 빈 공간에 포함하며, 상기 빈 공간에 포함하는 물질의 양을 용이하게 조절할 수 있는 것이 특징이다.
또한, 본 발명에 따른 구조체는 이를 포함하는 소자 내부의 온도 및 전압이 정상의 상태인 경우에는 소자에 영향을 주지 않으나, 소자 내부의 온도가 이상 고온이 되거나 과충전에 의한 과전압의 상태가 될 때에는 상기 구조체의 일정 부분, 바람직하게는 고분자 성분으로 된 부분이 용융될 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따 른 전기화학소자용 구조체의 일정 부분이 용융되면 상기 구조체의 내부는 외부에 개방이 되는데, 이때 상기 구조체 내부 빈 공간에 포함된 물질, 즉 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질은 상기 구조체의 외부로 방출된 후 열분해되어 기체를 발생시키거나, 또는 열분해에 의해 기체가 발생된 후 상기 구조체의 외부로 방출될 수 있고, 상기 구조체 외부에서 발생된 기체 또는 상기 구조체 외부로 방출된 기체(이산화탄소 및/또는 질소)에 의해 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 것이 특징이다. 상기 열분해에 의해 발생되는 기체는 다량의 비활성 기체로서, 이러한 기체는 소자 내 발열될 수 있는 물질과 산소의 접촉을 차단할 수 있으므로 소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체를 포함하는 소자 내부에, 압력 변화 감지를 통해 소자의 충전을 중지시키거나 또는 충전 상태를 방전 상태로 전환시키는 CID 등의 압력 감응 장치가 구비되어 있거나, 압력 변화 감지를 통해 소자 내부의 열 또는 가스를 발산시키는 벤트(vent) 등과 같은 압력 개방 밸브가 구비되어 있으면, 상기 구조체의 외부로 방출되는 물질의 열분해에 의해 발생되는 기체 또는 상기 구조체 외부로 방출된 기체에 의해 상기 압력 감응 장치나 상기 압력 개방 밸브가 작동할 수 있고, 이에 의해 소자의 안전성 향상을 도모할 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체의 내부 빈 공간에 포함되는 물질은 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질로서, 열에 의해 물질 자체가 분해되어 이산화탄소나 질소와 같은 기체를 발생시키는 물질이다. 이러한 물질의 비제한적인 예로는 유기 과산화물(peroxide), 카보네이트(carbonate) 화합물, 아조(azo) 화합물, 하이드라자이드(hydrazide) 화합물, 카바자이드(carbazide) 화합물 등이 있다. 이들 화합물은 단독으로 또는 2종 이상이 혼합되어 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체 내부에 포함될 수 있다.
상기 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 본 발명의 전기화학소자용 구조체에 포함하여 전기화학소자에 사용하지 않고 직접 전기화학소자에 포함시키면, 상기 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질은 0~3V 구간과 3.5V~4.5V에서 반응을 일으키기 때문에 전기화학소자의 성능을 저하시키게 된다. 따라서, 이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명은 상기 열분해되어 기체를 발생시키는 화합물을 상기 전기화학소자용 구조체 내부 빈 공간에 포함시켜 전기화학소자에 사용한다.
상기 유기 과산화물의 비제한적인 예로는 디벤조일 퍼옥사이드(dibenzoyl peroxide), 디-(2,4-디클로로벤조일) 퍼옥사이드 (di-(2,4-dichlorobenzoyl) peroxide), 비스(3-메틸-3-메톡시부틸)퍼옥시디카보네이트(bis(3-methyl-3-methoxybutyl)peroxy dicarbonate), t-부틸 퍼옥시네오데카노에이트(t-butyl peroxyneodecanoate), t-부틸 퍼옥시피발레이트(t-butyl peroxy pivalate), 라우릴퍼옥사이드(dilauroyl peroxide), 스테아릴 퍼옥사이드(distearyl peroxide), t-부틸 퍼옥시-2-에틸헥사노에이트(t-butyl peroxy-2-ethylhexanoate), t-부틸 퍼옥시라우레이트(t-butyl peroxylaurate), t-부틸퍼옥시 2-에틸헥실 카보네이트(t-butylperoxy 2-ethylhexylcarbonate), t-부틸 퍼옥시벤조에이트(t-butylperoxybenzoate) t-헥실 퍼옥시벤조에이트(t-hexyl peroxybenzoate), 디쿠밀퍼옥사이드(dicumyl peroxide), t-부틸 쿠밀 퍼옥사이드(t-butyl cumylperoxide), 디-t-부틸 퍼옥사이드(di-t-butyl peroxide), 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸 퍼옥시)헥산(2,5-dimethyl-2,5-bis(t-butyl peroxy)hexane 등이 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 이들 유기 과산화물은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 카보네이트(carbonate) 화합물의 비제한적인 예로는 나트륨 바이카보네이트(NaHCO3) 가 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
상기 아조(azo) 화합물의 비제한적인 예로는 아조비스이소부티로니트릴(2,2'-Azobis(isobutyronitrile)), 아조비스(2-메틸부티로니트릴) (2,2'-Azobis(2-methylbutyronitrile)), 아조비스(2-메틸발레로니트릴) (2,2'-azobis(2-methylvaleronitrile)), 아조비스(2,3-디메틸부티로니트릴) (2,2'-azobis(2,3-dimethylbutyronitrile), 아조비스(2-메틸카프로니트릴) (2,2'-azobis(2-methylcapronitrile)), 아조비스(2,4-디메틸발레로니트릴) (2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile)), 아조비스(1-시클로헥실사아니드)(1,1'-Azobis(1-cyclohexylcyanide), 디메톡시아조프로판(2,2'-dimethoxy-2,2'-azopropane), 디에톡시아조프로판(2,2'-diethoxy-2,2'-azopropane), 디프로폭시아조프로판(2,2'-dipropoxy-2,2'-azopropane), 디이소프로폭시아조프로판(2,2'-diisopropoxy-2,2'-azopropane), 디부톡시아조프로판(2,2'-dibutoxy-2,2'-azopropane), 디이소부톡시아조프로판(2,2'-diisobutoxy-2,2'-azopropane), 디네오부톡시아조프로판(2,2'-dineobutoxy-2,2'-azopropane), 아조디카본아미드(azodicarbondmide) 등이 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 이들 아조 화합물은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 하이드라자이드(hydrazide) 화합물의 비제한적인 예로는 벤조술포닐하이드라자이드(benzosulfonylhydrazide), 4,4'-옥시비스(벤젠술포닐하이드라자이드(4,4'-oxybis(benzenesulfonylhydrazide), 파라-톨루엔술포닐하이드라자이드(p-toluenesulfonylhydrazide), 폴리벤젠술포닐하이드라자이드(polybenzenesulfonylhydrazide), 비스(하이드라조술포닐벤젠)(bis(hydrazosulfonyl)benzene), 4,4'-비스(하이드라조술포닐)비페닐 (4,4'-bis(hydrazosulfonyl)biphenyl), 디페닐디술포닐하이드라자이드(diphenyldisulfonylhydrazide), 디페닐술폰-3,3-디술포닐하이드라자이드(diphenylsulfone-3,3-disulfonylhydrazide) 등이 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 이들 하이드라자이드 화합물은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 카바자이드(carbazide) 화합물의 비제한적인 예로는 테레프탈자이드(terephthalzide)와 기타 지방산 아자이드와 방향족산 아자이드 등이 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 또한, 이들 카바자이드 화합물은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체는 크게 3가지 형태로 구분할 수 있다.
본 발명에 따른 제1 형태의 전기화학소자용 구조체는 중공 통형의 관; 고분자로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제1부재; 및 고분자 또는 금속으로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제2부재를 포함하는 구조체로서, 상기 구조체의 내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하고 있다.
상기 제1 형태의 전기화학소자용 구조체는 이를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 제1부재, 또는 제1부재와 제2부재 모두 용융되는 것이 특징이다. 이때, 상기 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 제1 형태의 전기화학소자용 구조체에서 상기 제1부재, 또는 제1부재와 제2부재가 모두 용융되면, 상기 구조체의 내부가 외부에 개방이 될 수 있다.
상기 제1부재와 제2부재를 형성하는 고분자는 상기 전기화학소자용 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 용융될 수 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다. 이의 비제한적인 예로는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드 등이 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 제1부재를 형성하는 고분자와 제2부재를 형성하는 고분자는 동일 또는 이종 성분일 수 있다.
또한, 상기 중공 통형의 관은 고분자 또는 금속으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 중공 통형의 관은 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체의 골격을 이루는 것으로 내구성, 전기화학적 안전성, 열적 안전성이 있는 것이 바람직하다.
상기 중공 통형의 관을 형성하는 고분자는 상기 제1부재와 제2부재를 구성하는 고분자와 동일 성분 또는 이종 성분의 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 상기 제1부재와 제2부재를 구성하는 고분자의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 고분자, 보다 바람직하게는 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않고 원래의 형태가 유지될 수 있는 것을 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예로는 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리스티렌, 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이트(PVC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아마이드, 폴리카프로락탐, 폴리카보네이트(PC), 폴리-(p-자일렌), 폴리이미드(PI), 폴리옥시벤조에이트(POB), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르술폰(PES), 폴리술폰(PSU), 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드 등이 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 중공 통형의 관과 제2부재를 형성하는 금속은 상기 제1부재와 제 2부재를 구성하는 고분자의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 금속, 바람직하게는 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않는 금속이면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 이러한 금속의 비제한적인 예로는 니켈, 구리, 알루미늄, 티타늄, 크롬, 탄소, 철, 코발트, 몰리브덴, 금, 은, 바나듐, SUS 등이 있으며, 이들의 합금도 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체의 일예를 나타낸 평면도로서, 중공 통형의 관(10)과 상기 중공 통형의 관의 양쪽 끝을 밀폐하는 고분자로 이루어진 제1부재(20) 및 제2부재(30)를 포함하고, 내부에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 제1 형태의 전기화학소자용 구조체를 도시한 것이다. 상기 고분자로 이루어진 부재와 상기 중공 통형의 관의 끝은 열융착과 같은 방법으로 연결하여 밀폐할 수 있고, 이러한 구조체에서 고분자로 이루어진 부재는 실링(sealing)된 형태로 중공 통형의 관의 끝에 도입된 것이다. 이때, 제1부재(20) 및/또는 제2부재(30)가 중공 통형의 관(10)과 동일 성분이라면, 별도의 제1부재 및/또는 제2부재를 사용하지 않고 상기 중공 통형의 관의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝을 그대로 열융착하여 구조체를 밀폐할 수도 있다.
도 2 및 도 3은 중공 통형의 관(10); 고분자로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제1부재(20); 및 금속으로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제2부재(30)를 포함하고, 내부에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 본 발명에 따른 또 다른 제1 형태의 전기화학 소자용 구조체의 일예를 나타낸 평면도들로서, 상기 고분자로 이루어진 제1부재는 각각 마개 형태 및 캡슐 형태로 중공 통형의 관의 한쪽 끝에 도입된 것이다.
본 발명에 따른 제2 형태의 전기화학소자용 구조체는 중공 통형의 관 2개 이상이 고분자에 의해 상하로 연결된 관; 상기 상하로 연결된 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제3부재; 및 상기 상하로 연결된 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제4부재를 포함하는 구조체로서, 상기 구조체의 내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하고 있다.
상기 제2 형태의 전기화학소자용 구조체는 이를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자는 용융되어 상기 상하로 연결된 관은 서로 분리될 수 있고, 이에 의해 밀폐된 구조의 상기 전기화학소자용 구조체의 내부가 외부에 개방될 수 있는 것이 특징이다. 이때, 상기 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 바람직하다.
상기 제2 형태의 전기화학소자용 구조체에서 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자는 예를 들면, 관 또는 판 형태로 존재할 수 있으나, 그 형태 및 두께는 특별히 한정하지 않는다.
또한, 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자는 상기 전기화학소자용 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 용융될 수 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다. 이러한 고분자의 비제한 적인 예로는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드 등이 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 제2 형태의 전기화학소자용 구조체에서, 상기 중공 통형의 관, 제3부재, 및 제4부재는 각각 독립적으로 고분자 또는 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 중공 통형의 관, 제3부재 및 제4부재를 형성하는 고분자는 특별히 제한하지 않는다. 따라서, 상기 중공 통형의 관, 제3부재 및 제4부재를 형성하는 고분자는 각각 독립적으로 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자와 동일 성분 또는 이종 성분의 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 고분자, 보다 바람직하게는 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않고 원래의 형태가 유지될 수 있는 것을 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예는 상기 제1 형태의 전기화학소자용 구조체에서 전술한 중공 통형의 관을 형성하는 고분자의 예와 동일하다.
또한, 상기 중공 통형의 관, 제3부재 및 제4부재를 형성하는 금속은 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 금속, 바람직하게는 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않는 금속이면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예는 상기 제1 형태의 전기화학소자용 구조체에서 전술한 중공 통형의 관을 형성하는 금속의 예와 동일하다.
도 4는 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체의 일예를 나타낸 평면도로서, 2개의 중공 통형의 관(10, 11)이 고분자(40)에 의해 상하로 연결된 관과 상기 중공 통형의 관의 양쪽 끝을 밀폐하는 고분자로 이루어진 제3부재(20) 및 제4부재(30)를 포함하고, 내부에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 제2 형태의 전기화학소자용 구조체를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 제3 형태의 전기화학소자용 구조체는, 표면에 1이상의 개구부를 가지며, 양쪽 끝이 밀폐된 중공 통형의 관; 및 상기 개구부를 밀폐하는 고분자부재를 포함하는 구조체로서, 상기 구조체의 내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하고 있다.
상기 제3 형태의 전기화학소자용 구조체는 이를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 개구부를 밀폐하는 상기 고분자부재는 용융될 수 있고, 이에 의해 밀폐된 구조의 상기 전기화학소자용 구조체의 내부가 외부에 개방될 수 있는 것이 특징이다. 이때, 상기 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 바람직하다.
상기 중공 통형의 관의 표면에 형성되는 개구부의 형태와 크기는 특별히 한정하지 않는다.
상기 개구부를 밀폐하는 고분자부재의 형태와 크기도 특별히 한정하지 않는 다. 예를 들면, 고분자부재(50)는 도 5와 같이 중공 통형의 관(10) 안쪽으로 오목하게 들어간 노치(notch) 형태, 또는 도 6과 같이 중공 통형의 관(10) 표면에 얇게 형성된 스크래치(scratch) 형태, 또는 도 7과 같이 중공 통형의 관(10) 밖으로 볼록하게 튀어나온 엠보싱(embossing) 형태, 또는 이들의 혼합 형태로 구조체에 도입될 수 있다.
또한, 상기 고분자부재는 상기 전기화학소자용 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 용융될 수 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다. 이러한 고분자의 비제한적인 예로는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드 등이 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 제3 형태의 전기화학소자용 구조체에서, 상기 중공 통형의 관은 고분자 또는 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 중공 통형의 관을 형성하는 고분자는 특별히 제한하지 않는다. 따라서, 상기 중공 통형의 관을 형성하는 고분자는 상기 고분자부재와 동일 성분 또는 이종 성분의 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 상기 고분자부재의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 고분자, 보다 바람직하게는 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않고 원래의 형태가 유지될 수 있는 것을 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예는 상기 제1 형태의 전기화학 소자용 구조체에서 전술한 중공 통형의 관을 형성하는 고분자의 예와 동일하다.
또한, 상기 중공 통형의 관을 형성하는 형성하는 금속은 상기 고분자부재의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 금속, 바람직하게는 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않는 금속이면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예는 상기 제1 형태의 전기화학소자용 구조체에서 전술한 중공 통형의 관을 형성하는 금속의 예와 동일하다.
한편, 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체는 상기 제1 형태 내지 제3 형태의 전기화학소자용 구조체에 한정되는 것은 아니고, 이들 각각을 서로 조합한 형태의 구조체도 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체는 그 크기에 대해 특별히 제한하지 않는다.
본 발명에 따른 전기화학소자는 양극, 음극, 세퍼레이터, 전해액, 소자 케이스 및 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 전기화학소자는 전기화학 반응을 하는 모든 소자를 포함한다. 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 일차전지, 이차전지, 연료전지, 태양전지 또는 캐퍼시터(capacitor) 등이 있다. 상기 전기화학소자는 이차전지가 바람직하며, 이차전지 중 리튬금속 이차전지, 리튬이온 이차전지, 리튬폴리머 이차전지 또는 리튬이온폴리머 이차전지 등을 포함하는 리튬 이차전지가 바람직하다.
본 발명의 전기화학소자에서, 상기 전기화학소자용 구조체는 소자 내의 빈 공간이나 전해액 중에 포함되거나, 또는 센터핀으로서 포함될 수 있다. 상기 소자 내 빈 공간의 예로는 젤리롤 형태의 전극 조립체와 소자 케이스 사이의 공간, 또는 젤리롤 형태의 전극 조립체와 파우치 사이의 공간 등이 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
본 발명에 따른 전기화학소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서, 상기 전기화학소자용 구조체의 내부 빈 공간에 함유된 물질은 상기 구조체의 외부로 방출된 후 열분해되어 기체를 발생시키거나, 또는 열분해에 의해 기체가 발생된 후 상기 구조체의 외부로 방출될 수 있다. 상기 열분해에 의해 발생되는 기체는 다량의 비활성 기체(이산화탄소 및/또는 질소)로서, 이러한 기체는 소자 내 발열될 수 있는 물질과 산소의 접촉을 차단할 수 있으므로 소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 전기화학소자용 구조체를 구비하는 전기화학소자는 (a) 소자 내부의 압력 변화를 감지하여 소자의 충전을 중지시키거나 또는 충전 상태를 방전 상태로 전환시키는 제1 안전 수단, 또는 (b) 소자 내부의 압력 변화를 감지하여 소자 내부의 열 또는 기체를 발산시키는 제2 안전 수단, 또는 상기 제1 안전 수단과 제2 수단 모두를 추가로 구비할 수 있다.
사용 가능한 제1 안전 수단의 비제한적인 예로는 당업계에 알려진 통상적인 CID 등의 압력 감응 장치 등이 있다. 또는, 상기 (i) 압력 감응 장치; (ii) 상기 압력 감응 장치에서 전달된 전류를 전달하는 도선; 및 (iii) 상기 도선을 통해 전 달되는 전류에 응답하여 소자의 충전을 중지시키거나 또는 충전 상태를 방전 상태로 전환시키는 부재를 포함할 수도 있다.
이때, 압력 감응 장치는 밀폐된 소자 내 압력 변화, 즉 압력 상승을 감지하고 그 자체가 전류를 차단하거나, 또는 외부나 제어 회로 쪽으로 전류를 발생시킴으로써 전기화학소자의 충전이 더 이상 진행되지 않도록 하는 장치를 지칭하는 것으로서, 안전 장치 기능과 압력 감응 장치의 기능을 모두 포함하는 일체형일 수 있으며, 또한 전술한 바와 같이 압력 감응 장치와 안전 장치가 별도로 존재할 수도 있다. 그러나 특정 압력 범위에서 전술한 작동을 수행하기만 한다면 이들의 종류나 방식 등은 특별히 제한되지 않는다.
상기 압력 감응 장치의 예로는 압력 변화를 감지하여 전류를 발생시키는 압전성(piezoelectricity)을 갖는 결정 등이 있다. 또한, 압력 감응 장치가 작동하는 압력 범위는 통상적인 소자 내부 압력을 벗어나고, 폭발이 발생하지 않는 범위이기만 하면 특별한 제한이 없다.
또한, 제2 안전 수단은 소자 내부의 압력 변화 감지를 통해 소자 내부의 열 또는 가스를 발산시키는 기능만 한다면 특별한 제한이 없으며, 이의 비제한적인 예로는 벤트(vent) 등과 같은 압력 개방 밸브 등이 있다.
본 발명에 따른 전기화학소자가 상기 제1 안전 수단 및/또는 제2 안전 수단을 추가로 구비하는 경우, 상기 전기화학소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 전기화학소자용 구조체의 내부 빈 공간에 함유된 물질은 상기 구조체의 외부로 방출된 후 열분해되어 기체를 발생시키거나, 또는 열분 해에 의해 기체가 발생된 후 상기 구조체의 외부로 방출되며,
상기 구조체 외부에서 발생된 기체 또는 상기 구조체 외부로 방출된 기체에 의해 증가된 소자 내부의 압력 변화를 감지하여 상기 제1 안전 수단, 또는 상기 제2 안전 수단, 또는 상기 제1 안전 수단과 제2 안전 수단이 모두 작동할 수 있고, 이러한 일련의 메커니즘에 의해 전기화학소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학소자는 당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 이의 일 실시예를 들면, 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체를 센터핀으로 사용하고, 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재(介在)시킨 전극군을 상기 센터핀을 중심으로 젤리롤 형태로 권취하여 전극 조립체를 형성한 후, 이를 소자 케이스에 넣고 전해액을 주입함으로써 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학소자에서 전극은 당 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 전극활물질에 용매, 필요에 따라 바인더, 도전재, 분산재를 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조한 후, 이를 금속 재료의 집전체에 도포(코팅)하고 압축한 뒤 건조하여 전극을 제조할 수 있다.
전극활물질은 양극활물질 또는 음극활물질을 사용할 수 있다.
양극활물질은 LiMxOy(M = Co, Ni, Mn, CoaNibMnc)와 같은 리튬 전이금속 복합산화물(예를 들면, LiMn2O4 등의 리튬 망간 복합산화물, LiNiO2 등의 리튬 니켈 산화물, LiCoO2 등의 리튬 코발트 산화물 및 이들 산화물의 망간, 니켈, 코발트의 일부를 다른 전이금속 등으로 치환한 것 또는 리튬을 함유한 산화바나듐 등) 또는 칼 코겐 화합물(예를 들면, 이산화망간, 이황화티탄, 이황화몰리브덴 등) 등이 사용 가능하나, 이에 한정하지 않는다.
음극활물질은 종래 전기 화학 소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 사용 가능하며, 이의 비제한적인 예로는 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 리튬 금속, 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 흑연(graphite), 탄소 섬유(carbon fiber) 등이 있다. 기타, 리튬을 흡장 및 방출할 수 있고, 리튬에 대한 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2 등과 같은 금속 산화물을 사용할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 특히, 흑연, 탄소섬유(carbon fiber), 활성화 탄소 등의 탄소재가 바람직하다.
금속 재료의 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 전극활물질의 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 양극 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
전해액은 비수 용매와 전해질 염을 포함할 수 있으며, 물이 포함될 수도 있다.
상기 비수 용매는 통상 비수 전해액용 비수 용매로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않으며, 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테 르, 설폭사이드, 아세토니트릴, 락탐, 및/또는 케톤을 사용할 수 있다.
상기 환형 카보네이트의 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 등이 있고, 상기 선형 카보네이트의 예로는 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디프로필 카보네이트(DPC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 및 메틸 프로필 카보네이트(MPC) 등이 있다. 상기 락톤의 예로는 감마부티로락톤(GBL)이 있으며, 상기 에테르의 예로는 디부틸에테르, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄 등이 있다. 상기 에스테르의 예로는 메틸 포메이트, 에틸 포메이트, 프로필 포메이트, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트, 메틸 피발레이트 등이 있다. 또한, 상기 설폭사이드로는 디메틸설폭사이드 등이 있고, 상기 락탐으로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등이 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐 케톤이 있다. 또한, 상기 유기 용매의 할로겐 유도체도 사용 가능하다. 이들 비수 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 전해질 염은 통상 비수 전해액용 전해질 염으로 사용하고 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다. 전해질 염의 비제한적인 예는 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 양이온을 포함하고, B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 음이온을 포함하며, 상기 양이온과 음이온의 조합으로 이루어진 염이다. 특히, 리튬 염이 바람직하다. 이들 전해질 염은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 세퍼레이터는 특별한 제한이 없으나, 다공성 세퍼레이터를 사용하는 것이 바람직하며, 비제한적인 예로는 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 또는 폴리올레핀계 다공성 세퍼레이터 등이 있다.
본 발명의 전기화학소자는 외형에 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1) 전기화학소자용 구조체의 제조
폴리프로필렌 재질로 되어 있고 지름이 3 mm이며 길이가 57.5mm인 중공 통형의 관 내부에 벤조일 퍼옥사이드 0.3g을 넣은 후, 상기 중공 통형의 관의 양쪽 끝은 열융착으로 밀봉하여 전기화학소자용 구조체를 제조하였다.
(실시예 2) 전기화학소자용 구조체의 제조
벤조일 퍼옥사이드 대신에 di(2,4-dichlorobenzoyl) peroxide을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 전기화학소자용 구조체를 제조하였다.
(실시예 3) 전기화학소자의 제조
양극활물질로서 LiCoO2 94 중량%, 도전재로서 아세틸렌블랙 3 중량%와 바인더로서 PVDF 3 중량%를 혼합하고 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 슬러리를 제조한 후, 이를 알루미늄(Al) 집전체 상에 도포, 건조하여 양극을 제조하였다.
음극활물질로는 인조흑연 95 중량%를 사용하였으며, 바인더로 PVDF 5 중량%를 NMP에 첨가하여 음극 슬러리를 제조한 후, 구리(Cu) 집전체 상에 도포, 건조하여 음극을 제조하였다.
전해액은 에틸렌 카보네이트(EC): 에틸메틸카보네이트(EMC)= 1: 2(v: v)의 조성을 갖는 비수 용매에 LiPF6를 1M 농도가 되도록 용해하여 제조하였다.
세퍼레이터로는 다공성 폴리에틸렌 필름을 사용하였으며, 상기 실시예 1에서 제조한 전기화학소자용 구조체를 센터핀으로 사용하였다.
상기 세퍼레이터에 상기 띠 모양의 음극과 띠 모양의 양극을 적층하고, 이들을 상기 센터핀을 중심으로 여러 번 감아 돌려서 젤리 롤(Jelly roll)을 제작하였다. 이를 외경 18mm, 높이 65mm인 전지 캔 속에 수납하고 전극 소자의 상하 양면에 절연판을 배치하였다. 그리고, 집전체로부터 니켈로 된 음극 리드를 도출하고 전지 캔에 용접하였으며, 양극 집전체로부터 알루미늄으로 된 양극 리드를 도출하여 전지 덮개에 장착된 알루미늄 압력 개방 밸브에 용접하였고, 상기 제조된 전해액을 주입하여 전지를 제조하였다.
(실시예 4) 전기화학소자의 제조
실시예 1에서 제조한 전기화학소자용 구조체 대신 실시예 2에서 제조한 전기화학소자용 구조체를 센터핀으로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
(비교예 1) 전기화학소자의 제조
센터핀으로 실시예 1에서 제조한 전기화학소자용 구조체 대신 양 끝이 밀폐되지 않은 스테인레스 재질의 중공 통형의 일반적인 센터핀(동진사업, 철제 3φ 센터핀)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
(실험 1: 전지의 과충전 안전성 평가)
실시예 3 및 비교예 1에서 제조된 전지를 사용하여 전지의 안전성 평가를 수행하였다. 전지의 안전성 평가는 용량 2400mAh인 전지를 0.5C로 4.2V까지 만충전하고 과충전 실험을 진행하였다. 과충전은 18.5V, 2C로 진행하였으며, 실험 진행 시 전지의 표면을 완벽하게 단열하여 팩에서와 같은 상황에서 실험을 하였고, 이때 CID의 단락 시간과 전지의 온도, 전압을 측정하였고, 그 결과를 도 8 및 도 9에 나타내었다.
도 8 및 도 9에 의하면, 실시예 3에서 제조된 전지의 단락 시간이 비교예 1에서 제조된 전지의 단락 시간보다 단축(20분에서 17분으로 단축)되는 것을 확인할 수 있었으며, 또한 전지의 최고 상승 온도도 낮아지는 것을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체를 구비하는 전기화학소자(실시예 3)는 안전성이 향상될 수 있음을 알 수 있었다.
(실험 2: 고온 보존 평가)
실시예 3 및 비교예 1에서 제조된 전지의 고온 보존 안전성을 평가하기 위해 열충격 실험을 하였다. 실험은 0.5C, 4.2V까지 만충전 한 후, 75℃로 승온하여 6시간 유지하고, 다시 -40℃로 냉각하여 6시간 유지하는 과정을 12회 반복한 후 전지의 전압 강하와 저항의 증가를 관찰하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.

 승온 및 냉각 과정 전
(Before storage)		 승온 및 냉각 과정 후
(After storage)
Vol (V) Imp (Ω) Vol (V) Imp (Ω)
실시예 3 4.1763 54.45 4.1325 57.48
비교예 1 4.1758 55.61 4.1359 58.71
상기 표 1에 의하면, 고온 및 냉각 과정을 반복한 후의 전압 강하와 저항 증가의 결과는 실시예 3과 비교예 1에서 거의 동일하였다. 따라서, 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체를 구비하여도 전지 성능은 저하되지 않음을 알 수 있었다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체는 내부에 빈 공간을 가진 밀폐된 형태의 구조체로서, 본 발명의 구조체를 사용하는 전기화학소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질인, 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 내부 빈 공간에 포함하며, 상기 빈 공간에 포함하는 물질의 양을 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 구조체는 이를 포함하는 소자 내부의 온도 및 전압이 정상의 상태인 경우에는 소자에 영향을 주지 않으나, 소자 내부의 온도가 이상 고온이 되거나 과충전에 의한 과전압의 상태가 될 때에는 상기 구조체의 일정 부분이 용융될 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체의 일정 부분이 용융되면 상기 구조체의 내부는 외부에 개방이 되는데, 이때 상기 구조체 내부 빈 공간에 포함된 물질, 즉 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질은 상기 구조체의 외부로 방출된 후 열분해되어 기체를 발생시키거나, 또는 열분해에 의해 기체가 발생된 후 상기 구조체의 외부로 방출될 수 있고, 상기 구조체 외부에서 발생된 기체 또는 상기 구조체 외부로 방출된 기체(이산화탄소 및/또는 질소)에 의해 소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 기체에 의해 소자 내에 구비된 안전수단이 조기 작동함으로써 소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Claims (24)

  1. 중공 통형의 관; 고분자로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제1부재; 및 고분자 또는 금속으로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제2부재를 포함하는 구조체로서,
    내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기화학소자용 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 제1부재, 또는 제1부재와 제2부재 모두 용융되는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질은 퍼옥사이드 계열 화합물, 카보네이트 계열 화합물, 아조 계열 화합물, 하이드라자이드 계열 화합물 및 카바자이드 계열 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1부재를 이루는 고분자 및 상기 제2부재를 이루는 고분자는 각각 독립적으로 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드 및 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중공 통형의 관은 고분자 또는 금속으로 이루어진 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  7. 중공 통형의 관 2개 이상이 고분자에 의해 상하로 연결된 관; 상기 상하로 연결된 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제3부재; 및 상기 상하로 연결된 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제4부재를 포함하는 구조체로서,
    내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전기화학소자용 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자는 용융되는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  10. 제7항에 있어서, 상기 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질은 퍼옥사이드 계열 화합물, 카보네이트 계열 화합물, 아조 계열 화합물, 하이드라자이드 계열 화합물 및 카바자이드 계열 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  11. 제7항에 있어서, 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드 및 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  12. 제7항에 있어서, 상기 중공 통형의 관, 제3부재, 및 제4부재는 각각 독립적으로 고분자 또는 금속으로 이루어진 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  13. 표면에 1이상의 개구부를 가지며, 양쪽 끝이 밀폐된 중공 통형의 관; 및 상기 개구부를 밀폐하는 고분자부재를 포함하는 구조체로서,
    내부 빈 공간에는 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질을 포함하는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전기화학소자용 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 고분자부재는 용융되는 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  15. 제14항에 있어서, 상기 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  16. 제13항에 있어서, 상기 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질은 퍼옥사이드 계열 화합물, 카보네이트 계열 화합물, 아조 계열 화합물, 하이드라자이드 계열 화합물 및 카바자이드 계열 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  17. 제13항에 있어서, 상기 고분자부재는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드 및 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  18. 제13항에 있어서, 상기 중공 통형의 관은 고분자 또는 금속으로 이루어진 것이 특징인 전기화학소자용 구조체.
  19. 양극, 음극, 세퍼레이터, 전해액, 소자 케이스 및 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 전기화학소자용 구조체를 포함하는 전기화학소자.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전기화학소자는 이차전지인 것이 특징인 전기화학소자.
  21. 제19항에 있어서, 상기 전기화학소자용 구조체는 소자 내의 빈 공간이나 전해액 중에 포함되거나 또는 센터핀으로서 포함되는 것이 특징인 전기화학소자.
  22. 제19항에 있어서, 상기 전기화학소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 전기화학소자용 구조체의 내부 빈 공간에 함유된 물질은 상기 구조체의 외부로 방출된 후 열분해되어 기체를 발생시키거나, 또는 열분해에 의해 기체가 발생된 후 상기 구조체의 외부로 방출되는 것이 특징인 전기화학소자.
  23. 제19항에 있어서, 상기 전기화학소자는 (a) 소자 내부의 압력 변화를 감지하 여 소자의 충전을 중지시키거나 또는 충전 상태를 방전 상태로 전환시키는 제1 안전 수단, 또는 (b) 소자 내부의 압력 변화를 감지하여 소자 내부의 열 또는 기체를 발산시키는 제2 안전 수단, 또는 상기 제1 안전 수단과 제2 수단 모두를 추가로 구비하는 것이 특징인 전기화학소자.
  24. 제23항에 있어서, 상기 전기화학소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 전기화학소자용 구조체의 내부 빈 공간에 함유된 물질은 상기 구조체의 외부로 방출된 후 열분해되어 기체를 발생시키거나, 또는 열분해에 의해 기체가 발생된 후 상기 구조체의 외부로 방출되며,
    상기 구조체 외부에서 발생된 기체 또는 상기 구조체 외부로 방출된 기체에 의해 증가된 소자 내부의 압력 변화를 감지하여 상기 제1 안전 수단, 또는 상기 제2 안전 수단, 또는 상기 제1 안전 수단과 제2 안전 수단이 모두 작동하는 것이 특징인 전기화학소자.
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