KR101431278B1 - 온도 분포의 균일성이 향상된 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소정 크기의 단위로 양극과 음극을 절취한 후 분리막을 개재시켜 순차적으로 적층한 구조의 전극조립체로서, 상기 전극조립체의　중앙과　외곽의　전극집전체의　두께　편차가　2 내지　20㎛가　되도록　전극집전체의　셀 중앙과 외곽의 두께를　상이하게 설계하여 셀 내부와 외부의 온도 균일성을 유지하여 셀의 수명을 연장시킬 수 있다.

스택*집전체*두께*편차*온도*균일성*이차전지

Description

온도 분포의 균일성이 향상된 이차 전지 {Secondary battery having enhanced uniformity of temperature distribution}

본 발명은 셀의 중앙에는 전극집전체 두께를 두껍게 하고 외곽으로 갈수록 얇게 설계하는 등 전극 집전체의 두께를 다양하게 설계하여 셀 내부와 외부의 온도 균일성을 향상시킨 이차전지에 관한 것이다.

최근 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 병렬형 하이브리드 전기자동차(PHEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하 므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

한편, 중대형 전지모듈이 사용되는 디바이스의 종류에 따라 요구되는 특성이 서로 다르므로, 그에 따라 전지모듈을 구성하는 이차전지 역시 출력 및 용량 측면에서 서로 다른 것이 요구된다. 예를 들어, 전기자동차(EV)용 전지모듈에는 고용량의 전지가 바람직하고, 하이브리드 전기자동차(HEV)용 전지모듈에는 고출력의 전지가 바람직하며, 병렬형 하이브리드 전기자동차(PHEV)용 전지모듈에는 고용량 및 고출력의 전지가 바람직하다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

상기 젤리-롤형 전극조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극을 분리막이 개재된 상태로 적층한 후, 둥글게 권취하여 단면상 원형 구조로 만들거나, 또는 그러한 원형 구조로 권취 후 일측 방향으로 압축하여 단면상으로 대략 판상형 구조로 만들 수 있다.

상기와 같은 통상의 와인딩 타입의 전지는 긴 시트형의 양극 및 음극을 분리막으로 절연시켜 적층하는 젤리-롤형 전극조립체로서, 상기 각 전극의 전극집전체는 일정한 두께를 가진 것을 사용하기 때문에 제조 공정상, 전극 위치별(중앙, 외곽)로 다양한 두께를 가지는 전극집전체를 적용하기 힘들다.

따라서, 방전시 셀 발열 특성에 의해 셀 중앙과 외곽의 온도차가 항상 존재하였으며, 이런 온도 차에 의해 셀 중앙이 외곽에 비해 퇴화가 보다 가속화되는 문제가 있었다.

　　　　　　따라서, 본 발명에서는 일정한 두께를 가지는 전극집전체를 사용함에 따라 방전시 전극의 위치에 따라 온도차가 상이함에 따라 발생되는 종래 이차 전지의 여러 가지 문제들을 해결하여 전지의 성능을 향상시키기 위한 것이다.

이에 본 발명은 위에서 설명한 바와 같이 셀 내부의 온도차에 의한 퇴화를 감소시키기 위해 근본적으로 셀 내부의 온도 분포를 균일하게 유지하는 것이 필요한 것을 인식하고, 와인딩 타입의 전지 셀의 경우 집전체의 두께를 부위별로 다르게 하는 것은 제조 공정상 어렵지만 스택형 셀에서는 바이셀(bi-cell)별로 집전체의 두께를 다르게 적용하여 셀 제조가 가능한 것으로부터 힌트를 얻어, 셀 중앙과 외곽의 열 발산을 균형있게 조절하기 위해 셀 중앙부에는 집전체의 두께를 두껍게 하며, 외곽부로는 집전체의 두께를 중앙에 비해 보다 얇게 하는 방식으로 설계를 함으로써 상기한 문제를 해결하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 고출력 방전 시 발생하는 열에 의한 셀 내부의 온도 분포 정도에 따라 셀 수명이 달라지므로 셀 내부의 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있는 전극조립체와 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 데 있다.

본 발명과 같이 전극 집전체의 두께를 다양하게 설계하여 셀 내부와 외부의 온도 균일성을 유지하여 셀의 수명을 연장시킬 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전극조립체는 소정 크기의 단위로 양극과 음극을 절취한 후 분리막을 개재시켜 순차적으로 적층한 구조의 전극조립체로서, 상기 전극조립체의　중앙과　외곽의　전극집전체의　두께　편차가　2 내지　20㎛가　되도록　전극집전체의　두께를　상이하게　구성시킨　것을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 파우치형 이차전지는 상기 전극조립체를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 소정 크기의 단위로 양극과 음극을 절취한 후 분리막을 개재시켜 순차적으로 적층함으로써 판상형의 구조로 만든 스택형 전극조립체를 기본 구조로 가지되, 상기 각각의 단위 셀을 적층함에 있어 셀의 중앙에는 집전체 두께가 두꺼운 단위 셀이 위치하도록 하고, 외곽에는 집전체 두께가 얇은 단위 셀이 위치하도록 단위 셀의 집전체 두께를 상이하게 설계한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 전극조립체는 다음 도 1에서와 같이 스택형 방식으로 작 은 단위의 유닛셀로서 바이셀 또는 풀셀을 만든다. 상기 '풀 셀(full cell)'은, 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 단위 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀이다. 이러한 풀 셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 셀 등을 들 수 있다. 이러한 풀 셀을 사용하여 이차전지 등의 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀 셀들을 적층하여야 한다.

상기 '바이셀(bicell)'은, 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 단위 셀이다. 이러한 바이셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이셀과 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이셀이 서로 대면하도록 다수의 바이셀들을 적층하여야 한다.

본 발명에서는 상기 풀셀 또는 바이셀을 제조할 때, 집전체 두께를 부위별로 다르게 제조한다. 즉, 다음 도 1과 같이 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극)의 적층 구조를 가진 다수의 바이셀들(10)을 긴 길이의 연속적인 분리필름(30) 상에 위치시키는 데 있어서, 상기 셀의 중앙에 위치하는 각 바이셀들의 집전체와 상기 셀의 외곽에 위치하는 각 바이셀들의 집전체 간의 두께 편차가 2 내지 20㎛의 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 "셀의 중앙에 위치하는 바이셀"과 "셀의 외곽에 위치하는 바이셀"은 상기와 같은 바이셀을 최종 폴딩한 후의 셀의 구조에서의 위치를 의미한다.

따라서, 다수의 바이셀들을 폴딩하는 시작점에 위치한 바이셀이 최종 폴딩 후에는 가장 중앙에 위치하게 됨으로 다음 도 1에서와 같이 다수의 바이셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 살피면, 도면의 오른쪽 즉, 제7바이셀을 폴딩 시작점일 경우(화살표 방향으로 폴딩시), 상기 제7바이셀에 사용된 집전체의 두께가 가장 두껍게 되도록 구성한다.

상기 제7바이셀에 사용되는 집전체의 경우, 통상적으로 사용되는 양극 또는 음극 집전체 두께인 5 내지 50 ㎛의 4 내지 40% 두껍게 형성시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제7바이셀로부터 제1바이셀로 갈수록 각 바이셀에 사용되는 집전체의 경우, 통상적으로 사용되는 양극 또는 음극 집전체 두께인 5 내지 50 ㎛의 4 내지 40% 얇은 두께 범위에서 순차적으로 얇아지도록 형성시키는 것이 바람직하다.

구체적으로 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예에 따르면, 다음 도 2와 같이 상기 집전체의 두께가 중앙으로부터 외곽으로 점점 가늘어지는 테이퍼드 상태로 형성되는 것도 가능하다. 즉, 상기 제7바이셀의 양극 및 음극 집전체의 두께를 50㎛로 하는 경우, 상기 제7바이셀과 인접한 제6바이셀의 양극 및 음극 집전체의 두께를 상기 제7바이셀 대비 4 내지 10 % 감소시켜 45 내지 48㎛로 구성하고, 또한, 상기 제6바이셀과 인접한 제5바이셀의 양극 및 음극 집전체의 두께를 상기 제7바이셀 대비 8 내지 20% 감소시켜 40 내지 46 ㎛로 구성하는 등의 방법으로, 폴딩 시작점을 기준으로 끝으로 갈수록 바이셀의 두께가 서서히 감소하는 구조로 설계할 수도 있다.

상기한 방법 이외에도 중앙에 위치하는 바이셀과 외곽에 위치하는 바이셀의 두께 변화를 줄 수 있는 방법이라면 특별히 한정되지 않는다.

상기 바이셀 및 풀셀을 구성하는 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 상기 슬러리를 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

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 본 발명의 양극 활물질의 구체적인 예를 들면, 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-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 LiMn_2-xM_xO₂(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li₂Mn₃MO₈(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.　 바람직하게 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간-코발트-니켈 산화물, 또는 이들 둘 이상의 복합물일 수 있다.

상기 바인더는 활물질과 도전재의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다.　이러한 바인더의 예로는, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 도전재는 전극 활물질의 도전성을 더욱 향상시키기 위한 성분으로서, 전극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가될 수 있다.　 이러한 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.

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.

상기 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 결합력을 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), LixWO₂(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 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.

스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 더욱 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원들은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

본 발명의 스택/폴딩형 전극조립체는 소정 단위의 유닛셀들을 권취하는 형태이므로, 스택형 적층체의 형성 과정이 상대적으로 간소하고, 일부 유닛셀들을 선택적으로 변경하여 소망하는 전지를 제조하게 되므로, 기설정된 구조에 따라 전지를 제조하는 과정에서 종래의 공정에 대한 변경이 크지 않다.

상기 세퍼레이터는 양극판과 음극판 사이에 개재되어 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 발생할 수 있는 쇼트를 방지한다. 세퍼레이터는 통상적으로 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 열가소성 수지로 형성되며, 그 표면은 다공막 구조로 되어 있다. 이러한 다공막 구조는, 전지 내부의 온도 상승으로 상기 열가소성 수지의 융점 근처가 되면 세퍼레이터가 용융하여 동공이 막힘으로써 절연필름이 된다.

본 발명과 같이 전극 집전체의 두께를 다양하게 설계하여 셀 내부와 외부의 온도 균일성을 유지하여 셀의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은 다수의 바이셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태를 나타낸 것이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 두께가 상이한 집전체를 가지는 다수의 바이셀을 분리필름 상에 위치시킨 상태를 나타낸 것이다.

Claims (10)

1. 소정 크기의 단위로 양극과 음극을 절취한 후 분리막을 개재시켜 순차적으로 적층한 구조의 전극조립체로서, 상기 전극조립체의　중앙과　외곽의　전극집전체의두께　편차가　2 내지　20㎛이고,

   상기 중앙의 전극집전체는 상기 외곽의 전극집전체보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 전극조립체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극집전체는　양극　또는 음극 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
3. 제　１항에　있어서，

   상기　단위셀은 양면의 전극들이 서로 다른 구조의 풀셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 단위셀은 양면의 전극들이 서로 동일한 구조의 바이셀인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극조립체는 스택&폴딩형(stack & folding type)인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 전극조립체를 포함하는 전기화학소자.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 전기화학소자는 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
8. 제 7항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
9. 제 7항에 따른 전기화학소자를 단위전지로서 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기자전거, 전기오토바이의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.

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