KR101192147B1 - 안전성이 향상된 이차전지용 케이스 및 이를 포함하고 있는리튬 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극조립체의 형상에 대응하는 수납부가 형성되어 있는 이차전지용 케이스로서, 상기 수납부에 장착될 전극조립체의 외면과 케이스 내면 사이에 개재될 수 있도록 고분자 시트가 부가되어 있는 이차전지용 케이스를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지용 케이스는 내면에 고분자 시트가 부가되어 있어서, 외부에서 가해지는 물리적 충격에 의한 전지 내부의 영향을 최소화할 수 있으므로 이를 포함하는 이차전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 고분자 시트에 수분 흡착제 등 전지 성능의 향상을 위한 첨가제 등이 포함되어 있는 경우, 전지 내에서의 부반응을 최소화하면서도 간단하고 용이한 방법에 의해 전지의 성능과 수명 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

안전성이 향상된 이차전지용 케이스 및 이를 포함하고 있는 리튬 이차전지 {Case for Secondary Battery Having Improved Safety and Lithium Secondary Battery Containing the Same}
본 발명은 안전성이 향상된 이차전지용 케이스로서, 전극조립체의 형상에 대응하는 수납부가 형성되어 있는 이차전지용 케이스에서 상기 수납부에 장착될 전극조립체의 외면과 케이스 내면 사이에 개재될 수 있도록 고분자 시트가 부가되어 있는 이차전지용 케이스에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두 께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있고, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로 파우치형 이차전지는, 파우치형 전지케이스 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체가 장착된 상태에서, 상기 전극조립체로부터 돌출되어 있는 양극 및 음극 탭들과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드가 전지케이스의 일측에서 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
구체적으로, 도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(32, 34), 전극 탭들(32, 34)에 용접되어 있는 전극리드(40, 41), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(32, 34)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(40, 41)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(32, 34)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(40, 41)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(50)이 부착되어 있다. 전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간인 수납부(23)를 제공하며, 수납부(23)의 외주면에는 실링부가 형성되어 있는 본체(21)와 그와 일 면에서 일체로 형성된 커버(22)로 이루어져 있다. 전극조립체(30)를 수납부(23)에 장착한 상태에서 커버(22)를 본체(21) 방향으로 절곡한 후 실링부를 열융착 등의 방법으로 밀봉함으로써 전체적으로 파우치 형상을 갖는 전지가 형성된다.
이러한 구조의 파우치형 전지케이스는 물리적 충격을 받거나 또는 뾰족한 물체에 의해 눌려질 때 쉽게 손상되어, 발화 또는 폭발되는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 예를 들어, 시트의 두께를 증가시키거나 기계적 강성이 우수한 재료로 구성된 외부 케이스 등을 사용하는 기술들이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나, 이러한 케이스 두께의 증가 또는 특정 소재의 사용은 전지의 부피를 증가시키고 제조 공정을 복잡하게 하는 등 문제가 있다.
더욱이, 파우치형 이차전지를 전기자동차, 하이브리드 전지자동차 등의 전원으로서 중대형 전지팩의 단위전지로 사용할 때, 지속적인 외부적 충격이 가해지거나 예기치 못한 상황 전개로 인해 전지케이스가 손상되는 경우, 전해액의 누액이 발생할 수 있고, 다수의 전지셀들이 밀집되는 특성상 안전성 확보가 매우 중요하다.
따라서, 파우치형 전지의 기계적 안정성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 물리적 충격으로부터 전지를 보호하여 안전성을 확보하는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
한편, 일반적으로 전지의 제조 과정 등에서 미량의 수분이 전지 내에 포함될 수 있고, 특히 파우치형 케이스의 경우에는 수분이 실링 부위 등을 통해 침투할 가능성이 매우 높다. 다양한 원인에 의해 전지 내에 수분이 존재하는 경우, 전지 성분들과의 반응에 의해 HF 등의 반응 생성물이 발생한다. 이러한 HF는 SEI 층을 파괴시키고, 양극의 분해(dissolution)를 야기하며, 이러한 현상은 고온에서 더욱 현저하게 발생하는 바, 전지의 안전성에 심각한 문제가 발생할 수 있다.
이와 관련하여, 일부 선행기술들에서는 전지 내에 소정의 수분 흡착제를 포함시키는 기술을 개시하고 있다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 제1997-92255호는 알루미나(alumina), 알루미나-실리카(silica), 티탄산칼륨(Kalium) 등의 세라믹(ceramic) 단섬유로 구성된 부직포를 세퍼레이터로서 사용하는 기술을 개시하고 있고, 한국 특허출원공개 제2000-0031096호는 전극에 분자 시브나 흄드 실리카 미분을 첨가하는 기술을 개시하고 있다. 또한, 미국 등록특허 제6337153호는 금속박과 수지 필름의 라미네이트 시트를 이용한 외장체의 내부에, 전극 또는 전해액 중에 불화수소산이나 수분 등의 물질을 흡착하는 무기산 미분체가 포함된 밀폐형 비수 전해질 전지를 개시하고 있다.
상기 기술들은 전극조립체를 구성하는 전극 또는 분리막, 전해액, 외장체 자체에 소정의 무기물을 첨가제의 형태로 포함시키는 기술인 바, 상기 무기물 첨가제들이 전지의 작동에 직접적으로 작용하는 부위에 다량 존재하는 경우, 리튬 이온 이동도를 크게 저하시키고, 그에 따라 전도도가 감소되어 전지 성능이 저하될 수 있으며 전지 내에서 다양한 부반응을 유발할 수 있다. 또한, 외장체 자체에 포함된 무기물은 외장체의 내수분성을 크게 저하시킬 수 있으므로, 앞서 설명한 바와 같이 수분에 의한 전지 내 부반응이 유발될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 수납부에 장착될 전극조립체의 외면과 케이스 내면 사이에 개재될 수 있도록 고분자 시트를 부가함으로써, 전지케이스에 가해지는 물리적 충격을 흡수함으로써 충격량을 최소화하고, 바람직하게는 그러한 고분자 시트에 소정의 첨가제를 부가하여 전지내 수분 등을 제거함으로써, 전지의 안전성과 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 이차전지용 케이스를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 케이스는 전극조립체의 형상에 대응하는 수납부가 형성되어 있는 이차전지용 케이스로서, 상기 수납부에 장착될 전극조립체의 외면과 케이스 내면 사이에 개재될 수 있도록 고분자 시트가 부가되어 있는 것으로 구성되어 있다.
이차전지의 조립 과정에서 전극조립체와 케이스 사이에 개재되는 상기 고분 자 시트는, 충방전 과정에서 전지의 작동 부위에 직접 위치하지 않으므로 전지의 성능 저하를 유발하지 않으면서, 외부 충격을 효과적으로 흡수하여 전극조립체에 가해지는 충격량을 최소화할 수 있다. 결과적으로, 상기 고분자 시트는 전지의 물리적, 기계적 안전성을 향상시킨다.
이러한 고분자 시트는, 상기 정의된 바와 같이, 전지케이스의 내면과 전극조립체의 외면 사이에 부가되는 바, 예를 들어, 전지케이스의 밀봉을 위한 외주부(실링부위)를 제외한 내면 상단, 내면 하단, 또는 내측면에 대하여 전부 또는 일부에 부가될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 고분자 시트는 전지케이스의 내면 상단 및/또는 내면 하단에 위치할 수 있다. 여기서, 상기 전지케이스의 내면 상단과 내면 하단은 판상형 전극조립체에서 가장 넓은 외면 부위인 상단면과 하단면에 각각 대면하는 전지케이스 내면을 의미한다. 따라서, 이차전지의 조립 과정에서 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착할 때, 전극조립체의 상단면과 하단면에 고분자 시트를 부가하는 것으로 손쉽게 해당 부위에 위치시킬 수 있다.
한편, 전지케이스는 일반적으로 딥-드로잉 방식에 의해 전극조립체가 장착될 수 있는 수납부를 형성하는 바, 이 때 수납부에는 굴곡이 형성되기 때문에 전극조립체와 전지케이스 사이에는 소정의 잉여 공간이 만들어진다. 즉, 전극조립체의 측면과 전지케이스의 내측면 사이에 잉여 공간이 존재하게 되므로, 상기 고분자 시트를 전지케이스의 내측면에 부가하는 경우에는, 이러한 잉여 공간을 활용하여 동일 규격 대비 전지 용량이 감소되는 것을 최소화할 수 있다.
이러한 고분자 시트는 전지의 조립 과정에서 전지케이스와 전극조립체 사이의 해당 부위에 단순히 삽입되는 형태이거나, 전지케이스의 해당 부위에 부착된 형태일 수 있다. 후자의 경우에는, 전지의 작동에 영향을 미치지 않은 비반응성 접착제(non-reactive adhesive)를 사용하여 고분자 시트를 접착하거나 열융착 등에 의해 접착시킬 수 있다.
케이스의 적어도 내면 일부에 고분자 시트를 부착하는 경우에는 전지케이스 제조용 시트 상에 고분자 시트를 부착한 후 전극조립체에 대응하는 형상의 수납부를 형성하거나, 수납부를 형성한 후 전지케이스의 내면에 고분자 시트를 부착할 수 있다.
상기 비반응성 접착제는 전해액이나 전극 활물질 등과 부반응을 유발하지 않는 접착제를 의미하며, 예를 들어, 실리콘 폴리머 접착제 또는 탄소 광섬유 폴리머 접착제일 수 있다.
상기 고분자 시트는 내전해액성을 갖는 소재로 이루어져 있으며, 소재 자체의 특성 또는 시트의 형태적 특성으로 인해 외부 충격을 흡수한다. 예를 들어, 고분자 시트는 PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene), PVdF(polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), PET(polyethylene-terephthalate), PMMA (PolyMethy lMethAcrylate), PAN(polyacrylonitrile) 등의 소수성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 소재로 이루어져 있고, 필름, 직포, 부직포 등의 다양한 형태로 이루어져 있다. 바람직하게는 충격 흡수성이 더욱 우수한 부직포 또는 크라프트지의 형태로 이루어져 있으며, 더욱 바람직하게는 PP 고분자로 이루어진 부직포일 수 있다.
고분자 시트의 두께는 전지케이스의 수납부 용적과 전극조립체의 크기 등을 고려하여 적절히 결정할 수 있다. 다만, 고분자 시트의 두께가 너무 얇은 경우, 소망하는 충격 흡수 효과를 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼운 경우, 상대적으로 전지 용량이 감소하게 되는 문제가 있으므로, 이를 고려하여 바람직하게는 1 ㎛ ~ 1 mm 일 수 있고, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ~ 0.5 mm일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 고분자 시트에는 전지의 성능 향상을 위한 다양한 첨가제가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 첨가제로서 수분 흡착제가 고분자 시트에 담지 또는 코팅되어 있을 수 있다.
일반적으로 비수계 이차전지에는 전지의 제조 과정에서 발생 또는 유입된 수분이 미량 포함되어 있고, 또한 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스의 경우, 실링부위 등을 통해 외부로부터 수분이 침투할 수 있다. 이러한 수분은 전지 내에서 전해액 중의 리튬염이나 전극 활물질 등과 반응하여 전지 성능을 저하시킬 수 있고, 특히 HF를 발생시키는 바 고온 안전성에 심각한 문제를 유발한다.
구체적으로 살펴보면, 예를 들어, 전해액에 LiPF6 리튬염이 포함되어 있는 경우, LiPF6는 Li+와 PF6 - 이온 형태로 존재해야 하지만, 의도와는 달리 부반응이 일어나서 그 부산물로 불안정한 PF5가 생성되며, 이는 전해액에 미량으로 존재하는 H2O와 반응하여 HF를 형성한다. HF는 SEI 층을 파괴시키며, 양극의 분 해(dissolution)를 야기시키고, 이러한 현상은 고온에서 더욱 현저하게 발생한다. 전해질로 사용되는 리튬염의 종류에 따라 HF 이외에 HF, HCl, HBr, HI 등의 물질들이 생성되어 산(Acid)으로서 HF와 같은 작용을 할 수 있는 문제가 있다.
따라서, 수분 흡착제를 첨가하여 HF 등의 산이 생성되는 것을 근본적으로 방지할 필요가 있으나, 앞서 설명한 바와 같이 전해액 또는 전극조립체 내에 이러한 첨가제를 직접 첨가하는 경우, 리튬 이온의 이동도가 저하될 수 있고, 상대적으로 전지의 용량 감소되며, 전극 물질과의 직접적인 접촉으로 인해 다양한 부반응이 발생할 수 있다.
반면에, 본 발명에서와 같이 수분 흡착제를 고분자 시트에 담지 또는 코팅 방식으로 포함시키는 경우, 전지 내부에서 부반응이 발생하는 것을 최소화하면서 수분을 효과적으로 제거할 수 있으므로, 우수한 전지 성능을 발휘할 수 있다. 즉, 수분 흡착제가 전지 자체에 존재하는 수분을 흡수함으로써, 전극 활물질 또는 전해질의 분해와 같은 의도하지 않은 부반응으로 HF와 같은 유해 물질이 생성되는 것을 방지할 수 있으므로, 전지의 성능, 수명 특성 저하 및 전지 열화를 방지할 수 있다.
상기 수분 흡착제는 전해액 및 전극 활물질과 반응하지 않고 전지의 성능을 저하시키지 않는 물질로서, 바람직하게는, 활성탄(Activated Carbon), 제올라이트(Zeolite), 알루미나(Alumina), 실리카겔(Silica Gel), 모레큘라 시브 (Molecular Sieve), 마그네시아(magnesia: MgO), 이산화티타늄(titania: TiO2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
상기 수분 흡착제의 함량은 고분자 시트의 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 50 중량%로 함유되어 있는 것이 바람직한 바, 수분 흡착제의 함량이 너무 적은 경우 소망하는 정도의 수분 흡수 효과를 기대하기 어렵고, 반대로 너무 많은 경우 고분자 시트와의 결합이 용이하지 않고, 전지 용량 및 경량화 측면에서 바람직하지 않다.
상기 수분 흡착제가 고분자 시트에 부가되는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 고분자 시트를 수분 흡착제가 분산되어 있는 용액에 침지하는 등의 방법으로 고분자 시트 내에 담지하거나, 또는 유동코팅법(flow coating), 스핀코팅법(spin coating), 딥코팅법(dip coating), 바코팅법(bar coating) 등 다양한 방법에 의해 고분자 시트의 표면에 코팅할 수도 있으며, 수분 흡착제를 기화시켜 고분자 시트의 표면에 증착하는 방법도 가능하다.
이러한 코팅 과정에서 고분자 시트에 대한 수분 흡착제의 결합력을 높이기 위하여 소정의 결합 조력제가 부가될 수 있는 바, 상기 결합 조력제로는 전지 내에서 화학적 반응을 유발하는 것이 아니면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, PVdF, PTFE 등의 불소계 고분자, PVdF계 공중합체 고분자, PMMA, PAN, PEO, SBR 등을 들 수 있다.
상기 전지케이스는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성된 라미네이트 시트로부터 형성될 수 있다. 상기 외측 피복층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 연신 나일론 필름 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 베리어층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 상기 내부 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌(cPP)이 사용될 수 있다.
상기 수납부는 전지케이스의 일측에 전극조립체에 대응하는 크기로 형성될 수도 있고, 전지케이스의 양측에 형성될 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지케이스를 포함하는 이차전지를 제공한다. 상기 이차전지는 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 리튬 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는, 이른바, 리튬이온 폴리머 전지일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지는 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 구체적으로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지일 수 있다.
상기 전극조립체는 충방전이 가능할 수 있도록 양극과 음극으로 구성되어 있으며, 예를 들어, 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조로서 폴딩형(젤리-롤) 방식, 스택형 방식 또는 스택/폴딩형 방식으로 이루어져 있다. 상기 전극조립체의 양극과 음극은 그것의 전극 탭이 직접 전지의 외부로 돌출된 형태이거나, 또는 상기 전극 탭이 별도의 리드에 접속되어 전지의 외부로 돌출된 형태일 수 있다.
상기 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 바인더 및 도전재와 필요에 따라 앞서 양극의 구성과 관련하여 설명한 성분들이 더 포함될 수도 있다.
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 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - 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 LiNi1 - xMxO2 (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 LiMn2 - xMxO2 (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 음극은 전류 집전체 상에 음극 활물질과 바인더를 포함하는 음극 재료를 도포하고 건조 및 압축하여 제작되며, 필요에 따라, 도전재와 충진제 등의 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 재료는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (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 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, 알루 미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 양극 집전체에서와 마찬가지로, 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 바인더의 예로는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 셀룰로오즈, 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, 고분자 고검화 폴리비닐알콜 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 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; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다. 시판되고 있는 도전재의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙 계열인 쉐브론 케미칼 컴퍼니(Chevron Chemical Company)나 덴카 블랙(Denka Singapore Private Limited), 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케트 젠블랙(Ketjenblack), EC 계열(아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼(Super P, Timcal 사 제품) 등이 있다.
경우에 따라서는, 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 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.
또한, 점도 조절제, 접착 촉진제 등의 기타의 성분들이 선택적으로 또는 둘 이상의 조합으로서 더 포함될 수 있다.
상기 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 전극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.
상기 바인더와 도전재 및 필요에 따라 첨가되는 충진제는 양극에서의 설명과 동일하다.
상기 분리막은 양극과 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.
경우에 따라서, 상기 분리막 위에는 전지의 안정성을 높이기 위하여 겔 폴리머 전해질이 코팅될 수 있다. 이러한 겔 폴리머 중 대표적인 것으로 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리아크릴로나이트릴 등이 있다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해질은 유기용매 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다.
상기 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 1,2-디에톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 4-메틸-1,3-디옥센, 디에틸에테르, 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 중합제 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, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 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, 암모 늄염, 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.
본 발명에 따른 상기 이차전지는 바람직하게는 단위전지로서 다수 개 조합되어 고출력 대용량의 중대형 전지모듈에 사용될 수 있다. 고출력 대용량 중대형 전지모듈은 진동, 외부 충격 등의 외력이 자주 가해지므로, 외력에 대해 우수한 기계적 강도가 요구되고, 또한 전지팩을 구성하는 전지셀의 구조에서, 집전체에 대한 전극 활물질의 로딩량이 많으므로 소정의 작동 특성을 발휘하기 위해서는 고온 수명 특성이 중요한 요소로 작용할 수 있기 때문이다.
본 발명은 또한, i) 전극조립체의 형상에 대응하는 수납부가 형성된 전지케이스 내면의 전부 또는 일부에 고분자 시트를 부가하는 단계; ii) 고분자 시트가 부가된 전지케이스에 전극조립체를 삽입하는 단계; 및 iii) 선택적으로 전극조립체의 상단면에 고분자 시트를 부가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.
따라서, 간단하고 용이한 방법으로 전지케이스의 수납부 내면과 전극조립체의 외면 사이에 분리막 시트를 부가함으로써 외부 충격이 가해지는 경우에도 충격을 흡수 또는 완화할 수 있으므로 안전성이 우수하고, 바람직하게는 앞서 설명한 바와 같이 고분자 시트에 수분 흡착제 등이 담지 또는 코팅 등에 의해 포함되어 있는 경우에는, 전지의 제작 과정 또는 전지케이스의 실링부위 등을 통해 유입된 수 분 등을 제거하여 전지의 성능을 향상시킬 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 2에 따른 이차전지의 사시도가 도시되어 있으며, 도 4 및 도 5에는 도 3에서 라인 A-A'에 대한 단면도가 각각 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 전극조립체(300), 전극조립체(300)로부터 연장되어 있는 전극 탭들에 용접되어 있는 전극리드(310), 전극조립체(300)를 수용하는 수납부가 형성된 전지케이스(200), 및 고분자 시트(410, 420)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(300)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 폴딩형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들은 전극조립체(300)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(310)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 양극 및 음극 리드 일부가 각각 전지케이스(200)의 상부와 하부로 노출되어 있다. 또한, 전극리드(310)의 상하면 일부에는 전지케이스(200)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(320)이 부착되어 있다.
전지케이스(200)는 상부 케이스(210)와 하부 케이스(220)로 구성되어 있고, 상부 케이스(210) 및 하부 케이스(220)에 각각 전극조립체(300)가 장착되기 위한 수납부가 형성되어 있으며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 상부 케이스(210) 중 수납부의 내면 상단에 고분자 시트(410)가 부착되어 있고, 하부 케이스(220) 중 수납부의 내면 하단에도 고분자 시트(420)가 부가되어 있다.
본 도면에서는 고분자 시트(410, 420)가 전극조립체(300)의 상단면 및 하단면의 형상과 대략 동일한 형상으로 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 전지케이스(200)의 내면에 다양한 형상으로 부가될 수 있음은 물론이다. 전지가 외부 충격을 받는 경우에 고분자 시트(410, 420)에 의해 충격이 부분적으로 흡수됨으로써 전극조립체(300)에 가해지는 충격량을 감소시킬 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 고분자 시트(410, 420)에는 수분 흡착제 등이 담지 또는 코팅에 의해 포함될 수 있는 바, 이 경우 전지 내부에 존재하는 수분을 흡착함으로써, HF 의 생성 및 이로 인한 전해액 분해 등을 방지함으로써 고온 안전성이 우수하다.
이차전지(100)는 하부 케이스(220)의 내면에 고분자 시트(420)를 부가한 후 전극조립체(300)를 장착하고, 그 상단면에 또 다른 고분자 시트(410)를 부가한 뒤 상부 케이스(210)를 장착하고, 외주면(230)을 열융착함으로써 제조될 수 있다.
고분자 시트(410, 420)는 비반응성 접착제 등에 의해 전지케이스의 내면에 부착될 수도 있고, 전극조립체(300)와 전지케이스 내면의 사이에 단순히 삽입되는 방식으로 부가될 수도 있다.
고분자 시트(410, 420)의 부가 위치는 전지케이스(200)의 내면의 일부 또는 전부일 수 있는 바, 도 4에서와 같이, 전지케이스 수납부의 내면 상단 및 내면 하단과, 전극조립체(300)의 상단면 및 하단면 사이에 부가될 수도 있다. 또한, 도 5에서와 같이, 전지케이스(200)의 내측면과 전극조립체(300)의 측면 사이에 부가될 수도 있다.
도 6에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 이차전지(101)는 수납부가 형성된 본체(221)와 그에 대응하는 커버(211)로 이루어진 전지케이스(201)에 전극조립체(301)가 장착되는 있는 구조로 이루어져 있다. 전극조립체(301)의 전극리드(311)가 일측 방향으로 함께 돌출되어 있다는 점을 제외하고는 도 2 내지 도 4에서와 동일하다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 케이스는 내면에 고분자 시트가 부가되어 있어서, 외부에서 가해지는 물리적 충격에 의한 전지 내부의 영향을 최소화할 수 있으므로 이를 포함하는 이차전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 고분자 시트에 수분 흡착제 등 전지 성능의 향상을 위한 첨가제 등이 포함되어 있는 경우, 전지 내에서의 부반응을 최소화하면서도 간단하고 용이 한 방법에 의해 전지의 성능과 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다;
도 3은 도 2에 따른 이차전지의 사시도이다;
도 4 및 도 5는 도 3에서 라인 A-A'에 대한 단면도로서, 도 4는 전지케이스의 내면 상단과 내면 하단에 각각 고분자 시트가 삽입된 구조이고, 도 5는 전지케이스의 내측면에 고분자 시트가 삽입된 구조이다;
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다.

Claims (18)

  1. 전극조립체의 형상에 대응하는 수납부와 전지케이스의 밀봉을 위한 외주부(실링부위)를 포함하는 이차전지용 케이스로서,
    상기 수납부는, 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성된 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스 제조용 시트에 고분자 시트를 비반응성 접착제(non-reactive adhesive) 또는 열융착으로 접착한 상태에서, 전극 조립체에 대응하는 형상으로 성형되어 수납부에 장착될 전극조립체의 외면 전부를 감싸고 있고,
    상기 고분자 시트는 부직포의 형태로 이루어져 있으며, 표면에는 활성탄(Activated Carbon), 제올라이트(Zeolite), 알루미나(Alumina), 실리카겔(Silica Gel), 모레큘라 시브 (Molecular Sieve), 마그네시아(magnesia: MgO), 이산화티타늄(titania: TiO2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 수분 흡착제가 코팅 또는 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 케이스.
  2. 삭제
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  6. 제 1 항에 있어서, 상기 비반응성 접착제는 실리콘 폴리머 접착제 또는 탄소 광섬유 폴리머 접착제인 것을 특징으로 하는 이차전지용 케이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 시트는 PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene), PVdF(polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), PET(polyethylene-terephthalate), PMMA (PolyMethy lMethAcrylate), 및 PAN(polyacrylonitrile)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 케이스.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 시트는 PP 고분자로 이루어진 부직포인 것을 특징으로 하는 이차전지용 케이스.
  10. 삭제
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  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 따른 이차전지용 케이스를 포함하는 이차전지.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전지는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  18. 삭제
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