KR101023142B1 - 리튬 이차전지 - Google Patents

Abstract

안전성에 크게 영향을 주지 않으면서 박형화가 가능하고 전기화학적인 신뢰성이 우수하도록, 음극판의 내면쪽에는 전기화학적 특성이 우수한 재질의 세퍼레이터를 배치하고 음극판의 외면쪽에는 기계적 성질이 우수한 재질의 세퍼레이터를 배치한 다음 음극판과 양극판 및 2매의 세퍼레이터를 젤리-롤 형태로 감아서 형성하는 전극조립체와, 전극조립체와 전해액이 내부에 수납되고 전극조립체의 음극판 또는 양극판과 전기적으로 연결되는 캔과, 전극조립체가 수납된 캔의 상부에 조립되고 전극조립체의 양극판 또는 음극판과 전기적으로 연결되는 캡조립체를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.

이차전지, 리튬, 세퍼레이터, 기계적 강도, 전기화학적 특성, 찌름강도, 활물질, 석출, 박막화

Description

리튬 이차전지 {Lithium Secondary Battery}

도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 일실시예를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 일실시예에 있어서 전극조립체의 구성을 나타내는 사시도이다.

본 발명은 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적 성질이 우수한 세퍼레이터와 화학적 특성이 우수한 세퍼레이터를 조합하여 사용하는 것에 의하여 박형화와 안전성을 동시에 만족하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.

일반적으로 전지는 충전과 방전이 반복하여 이루어지는 이차전지와 재충전이 불가능하고 1회 사용후 폐기되는 일차전지로 나누어지고, 필요로 하는 기기의 형상에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등 다양한 형상으로 제조된다.

종래 이차전지는 음극판과 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 젤리-롤(jelly-roll)형태로 감겨져 형성되는 전극조립체와, 이 전극조립체와 전해액이 수납되는 캔과, 상기 캔의 상부에 조립되는 캡조립체로 구성된다.

상기 전극조립체의 양극판은 양극리드를 통하여 캡조립체에 전기적으로 연결 되고, 상기 전극조립체의 음극판은 음극리드를 통하여 캔에 전기적으로 연결된다.

리튬이온 이차전지에 있어서는 양극판을 이루는 양극활물질로 리튬복합산화물을 사용하고, 음극판을 이루는 음극활물질로 탄소로 사용하며, 리튬이온의 양극과 음극 사이의 이동에 의하여 충방전이 이루어진다.

리튬이온 이차전지는 고전압, 고전지용량이 가능하여 휴대기기용 전원으로 우수한 특성을 갖고 있는 반면에, 전해액으로 유기전해액을 사용하므로 안전성에 주의를 요한다. 따라서 안전성을 확보하기 위하여 다른 비수계 이차소형전지와는 다른 세퍼레이터 특성을 필요로 하며, 화학안정성, 두께, 기계적 강도, 전류차단특성 등을 고려하여 전지의 설계시스템에 맞는 최적의 세퍼레이터를 적용하는 것이 전지의 성능 및 안전성 확보에 매우 중요하다.

상기 세퍼레이터의 기본적인 기능은 양극과 음극을 분리하여 단락을 방지하는 것이며, 나아가 전지반응에 필요한 전해액을 흡입하여 높은 이온전도도를 유지하는 것이 중요하다. 특히 리튬이온 이차전지의 경우에는 전지반응을 저해하는 물질의 이동을 방지하거나 이상이 발생할 때에 안전성을 확보할 수 있는 부가적인 기능이 요구된다.

종래 리튬이온 이차전지에 있어서는 음극을 기준으로 내면과 외면에 각각 동일한 종류, 동일한 두께의 세퍼레이터를 배치하여 전극조립체를 형성한다.

그런데 최근 리튬이온 이차전지의 고용량화와 박형화가 가속화되면서 세퍼레이터의 두께가 점점 박막화되고 있다. 그러나 고용량화에 따른 세퍼레이터의 박막화는 세퍼레이터 자체의 찌름강도(puncture strength), 인장강도 등과 같은 기계적 성질을 악화시키고, 이로 인하여 전지의 안전성에 문제가 있다.

종래 리튬이온 이차전지의 전극조립체 구조에 있어서, 음극판을 기준으로 내면과 외면에 위치하는 세퍼레이터는 전지 내에서의 환경이 서로 다르다. 즉 전극조립체는 원통형의 경우에는 전체적으로 원형을 이루고, 각형의 경우에도 꺽이는 모서리부분에서 원형을 이루게 되므로, 음극판의 내면에서는 N/P(음극활물질의 양/양극활물질의 양)비가 크지만 외면에서는 N/P비가 작아 과충전시에 리튬 석출이 예상된다. 그리고 리튬 석출이 과다할 경우에는 리튬이온 이차전지의 안전성에 치명적인 영향을 미치게 된다. 또한 양극판의 경우에는 활물질이 주로 구형인 데 비하여 음극활물질은 다양한 형상의 활물질이 존재하고 음극판이 꺽이는 부위의 외부(외면)는 활물질에 의한 세퍼레이터의 손상이 발생할 수 있고, 이것도 전지의 안전성에 치명적일 수 있다.

따라서 음극판의 외면에 위치하는 세퍼레이터는 음극판의 내면에 위치하는 세퍼레이터에 비하여 더 우수한 기계적 강도를 필요로 한다는 점에 착안하여 본 발명에 이르게 되었다.

그런데 세퍼레이터는 제조방법이나 제조공정에 의해 기계적 강도를 강하게 제조하는 경우에는 전기화학적인 특성이 악화되고, 전기화학적인 특성을 향상시키는 경우에는 기계적인 강도가 약해지는 경향이 있으므로, 본 발명은 음극판의 내면에는 전기화학적인 특성이 우수한 재질의 세퍼레이터를 배치하고 외면에는 기계적 성질이 우수한 재질의 세퍼레이터를 배치하여 안전성에 크게 영향을 주지 않으면서 박형화가 가능하고 전기화학적인 신뢰성이 우수한 리튬 이차전지를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명이 제안하는 리튬 이차전지는 음극판의 내면쪽에는 전기화학적 특성이 우수한 재질의 세퍼레이터를 배치하고 음극판의 외면쪽에는 기계적 성질이 우수한 재질의 세퍼레이터를 배치한 다음 음극판과 양극판 및 2매의 세퍼레이터를 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 감아서 형성하는 전극조립체와, 상기 전극조립체와 전해액이 내부에 수납되고 상기 전극조립체의 음극판 또는 양극판과 전기적으로 연결되는 캔과, 상기 전극조립체가 수납된 캔의 상부에 조립되고 상기 전극조립체의 양극판 또는 음극판과 전기적으로 연결되는 캡조립체를 포함하여 이루어진다.

상기 전기화학적 특성이 우수한 세퍼레이터는 건식법으로 제조된 PE, PP, PP/PE/PP, PE/PP/PE 등이 있고, 기계적 성질이 우수한 세퍼레이터는 습식법으로 제조된 PE 단층이나 PE 다층 등이 있다.

다음으로 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 일실시예는 도 1∼도 2에 나타낸 바와 같이, 음극판(14)의 내면쪽에는 전기화학적 특성이 우수한 재질의 세퍼레이터(11)를 배치하고 음극판(14)과 양극판(12) 사이, 다시 말해 음극판(14)의 외면쪽에는 기계적 성질이 우수한 재질의 세퍼레이터(13)를 배치한 다음 음극판(14)과 양극판(12) 및 2매의 세퍼레이터(11, 13)를 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 감아서 형 성하는 전극조립체(10)와, 상기 전극조립체(10)와 전해액이 내부에 수납되고 상기 전극조립체(10)의 양극판(12)과 전기적으로 연결되는 캔(20)과, 상기 전극조립체(10)가 수납된 캔(20)의 상부에 조립되고 상기 전극조립체(10)의 음극판(14)과 전기적으로 연결되는 캡조립체(30)를 포함하여 이루어진다.

상기 세퍼레이터(11)로는 전기화학적 특성이 우수한 세퍼레이터인 건식법으로 제조된 PE, PP, PP/PE/PP, PE/PP/PE 등이 사용 가능하다.

그리고, 상기 세퍼레이터(13)로는 기계적 성질이 우수한 세퍼레이터인 습식법으로 제조된 PE 단층이나 PE 다층 등이 사용 가능하다.

상기와 같이 음극판(14)의 내면에는 찌름강도, 인장강도, 연신율 등의 기계적 강도는 약간 낮지만 전기화학적인 특성이 우수한 재질의 세퍼레이터(11)를 사용하고, 음극판(14)의 외면에는 찌름강도, 인장강도, 연신율 등의 기계적 강도가 우수한 재질의 세퍼레이터(13)를 사용하면, 안전성을 충분하게 확보하면서 전기화학적인 신뢰성도 향상시키는 것이 가능하다.

상기 전극조립체(10)는 세퍼레이터(11), 음극판(14), 세퍼레이터(13), 양극판(12)을 차례로 겹치게 배치한 다음, 젤리-롤(jelly-roll)형상으로 감아서 형성한다.

각형 전지의 경우에는 젤리-롤 형상으로 감겨진 전극조립체(10)를 각형 캔(20)에 삽입하고 전체 두께를 감소시키기 위하여 프레스공정을 행한다.

상기 양극판(12)에는 양극리드(15)가 연결되고, 상기 음극판(14)에는 음극리드(16)가 연결된다.

상기 캡조립체(30)는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 캔(20)의 개구부에 조립되는 캡플레이트(32)와, 상기 캡플레이트(32)에 가스켓(35)을 통하여 절연된 상태로 설치되는 음극단자(34)와, 상기 캡플레이트(32)에 형성된 전해액 주입구를 통하여 전해액을주입한 다음 밀봉하는 플러그(38)를 포함하여 이루어진다.

상기 음극단자(34)에는 음극리드(16)가 연결되고, 상기 양극리드(15)는 상기 캡플레이트(32)에 연결된다.

상기 캡조립체(30), 캔(20) 등의 구성은 일반적인 리튬-이온 전지 등의 구성을 적용하여 실시하는 것이 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.

상기에서는 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 리튬 이차전지에 의하면, 리튬의 석출이 발생하기 쉽고 활물질에 의해서 세퍼레이터가 손상될 가능성이 높은 음극판의 외면에는 기계적 성질이 우수한 재질의 세퍼레이터를 사용하고 상대적으로 세퍼레이터의 손상이 발생할 가능성이 낮은 음극판 내면에는 전기화학적인 특성이 우수한 재질의 세퍼레이터를 사용하므로, 안전성을 확보하는 것이 가능함과 동시에 고성능의 전지를 제조하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 리튬 이차전지에 의하면, 박형화를 위하여 세퍼레이터를 기 계적 성질이 우수한 재질을 사용하는 경우에 발생하는 전기화학적인 특성의 저하를 보완하는 것이 가능하므로, 전기화학적인 신뢰성이 향상되고 박형화된 고용량의 전지를 제조하는 것이 가능하다.

Claims (3)

1. 음극판의 내면쪽에는 건식법으로 제조된 PE, PP, PP/PE/PP, PE/PP/PE 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어지는 세퍼레이터를 배치하고 음극판의 외면쪽에는 습식법으로 제조된 PE 단층이나 PE 다층으로 이루어지는 세퍼레이터를 배치한 다음 음극판과 양극판 및 2매의 세퍼레이터를 젤리-롤 형태로 감아서 형성하는 전극조립체와,

   상기 전극조립체와 전해액이 내부에 수납되고 상기 전극조립체의 양극판 또는 음극판과 전기적으로 연결되는 캔과,

   상기 전극조립체가 수납된 캔의 상부에 조립되고 상기 전극조립체의 음극판 또는 양극판과 전기적으로 연결되는 캡조립체를 포함하는 리튬 이차전지.
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