KR101501435B1 - 우수한 고온 성능의 중대형 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고출력, 고용량, 긴 수명특성 및 우수한 안전성을 모두 요구하는 하이브리드 전기자동차, 플러그 인 하이브리드 전기자동차, 전력저장장치 등의 중대형 디바이스의 동력원 등으로 사용되는 중대형 전지팩에 관한 것으로서, 공랭식 냉각 시스템만을 사용하여 충방전시 단위 셀들로부터 발생하는 열을 제거함으로써 공간 활용도를 극대화하는 동시에 체적 에너지 밀도를 증대시키고, 상온(25℃)를 초과하는 고온에서의 충방전 용량이 상온에서의 충방전 용량보다 큰 중대형 전지팩에 관한 것이다.

Description

우수한 고온 성능의 중대형 전지팩 {Middle or Large-Sized Battery Pack of Excellent High Temperature Performance}
본 발명은 우수한 고온 성능의 중대형 전지팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고출력, 고용량, 긴 수명특성 및 우수한 안전성을 모두 요구하는 하이브리드 전기자동차, 플러그 인 하이브리드 전기자동차, 전기자동차 및 전력저장장치 등의 중대형 디바이스의 동력원 또는 전원으로 사용되는 중대형 전지팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 하이브리드 전기자동차(HEV), 전기자동차(EV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있다. 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고, 특히, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
특히, 하이브리드 전기자동차, 전기자동차 등의 동력원으로서 사용되는 리튬 이차전지는 높은 에너지 밀도와 단시간에 큰 출력을 발휘할 수 있는 특성과 더불어, 대전류에 의한 충방전이 단시간에 반복되는 가혹한 조건 하에서 10년 이상 사용될 수 있어야 하므로, 기존의 소형 리튬 이차전지보다 월등히 우수한 안전성 및 장기 수명 특성이 필연적으로 요구된다.
또한, 최근에는 사용하지 않는 전력을 물리적 또는 화학적 에너지로 바꾸어 저장해 두었다가 필요한 때 전기에너지로 사용할 수 있게 하는 전력저장 장치에 리튬 이차전지를 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 전기 자동차, 전력저장장치 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 이차전지로 구성되어 있으므로, 충방전 과정에서 전지셀들로부터 발생한 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지셀의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 중대형 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
상대적으로 발열량이 적은 하이브리드 전기자동차용 전지팩에는 공랭식 냉각 시스템이 적용하는 반면에, 상대적으로 발열량이 많은 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전기자동차 및 전력저장장치의 경우, 주로 수냉식 냉각시스템을 적용하고 있다.
그러나, 현재의 수냉식 냉각 시스템은 전지모듈 연결방법, 전지모듈 내의 전지셀들의 적층방식, 온도 센싱 방법, 전압 측정 방법 등이 공냉식 냉각 시스템과 큰 차이가 있고, 냉각장치 등과 같은 별도의 부재를 설치해야 하므로, 체적 에너지 밀도가 상대적으로 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 상온(25℃)를 초과하는 고온에서의 성능이 최적화된 전지셀들 또는 단위모듈들을 사용하여 전지팩을 구성하는 경우, 불필요한 냉각 장치의 도입을 감소시킴으로써 공간 활용도를 극대화할 수 있고, 고안전성, 고용량 및 고출력의 중대형 전지팩을 구현할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기한 목적을 이루기 위해서, 본 발명에 따른 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위 셀') 다수 개를 포함하는 전지모듈 둘 또는 그 이상이 팩 케이스에 내장되어 있는 중대형 전지팩은,
상기 단위 셀들이, 냉매 유로가 확보될 수 있도록 상호 이격된 상태로 배열되어 있고, 상온(25℃)를 초과하는 고온에서의 방전 용량이 상온에서의 방전 용량보다 적어도 1% 이상 크며, 상기 중대형 전지팩은 충방전시 단위 셀들로부터 발생하는 열을 단위 셀들 사이에 형성된 이격 공간을 관통하는 냉매를 이용하여 제거하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 전기 자동차 등의 동력원으로 사용되는 중대형 전지팩의 경우, 단위 셀들로부터 발생하는 발열량이 매우 크므로 공냉식 냉각 시스템만으로는 안전하고 안정적인 구동이 어려운 문제가 있다.
그러나, 본 출원의 발명자들은, 상온보다 고온에서 높은 충방전 용량을 발휘하고 고온 안전성이 우수한 단위 셀들로 구성된 경우에는, 냉각된 저온의 공기 등을 단위 셀들 사이에 형성된 이격 공간으로 흘려주는 냉각 시스템으로도 안전하고 안정적인 전지 팩 구동이 가능함을 확인하였다.
또한, 이 경우, 제한된 공간을 효율적으로 활용할 수 있어 공간 활용도를 극대화할 수 있고, 그 결과, 다양한 디바이스에 적용이 가능함을 확인하였다.
하나의 구체적인 실시예에서, 상기 전지모듈은 육면체 구조로 이루어져 있을 수 있고, 상기 팩 케이스는 상기 전지모듈에 대응하는 구조로 이루어져 있을 수 있으므로, 차량 내부의 제한된 공간을 최대한 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은 온도가 상승함에 따라 상온에 비해 큰 충방전 용량을 발휘하는 단위 셀들을 포함하고, 불필요한 냉각 장치 등을 사용하지 않으므로, 고용량 및 고 체적 에너지 밀도의 중대형 전지팩의 구현이 가능하다.
구체적으로, 상기 상온을 초과하는 고온은 30℃ 내지 60℃이고, 본 출원의 발명자들이 확인한 바에 따르면, 상기 온도 범위에서의 방전용량은 상온에서의 방전용량 대비 101% 초과 내지 115% 미만이고, 바람직하게는 106% 초과 내지 110% 미만이다. 이하에서 자세히 설명하겠지만, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은 고출력 특성과 수명특성 또한 우수하다.
구체적으로, 상기 전지모듈은 다수의 단위 셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 단위 셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 상하방향으로 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 소정의 장착부재에 내장하고, 전지셀이 내장된 이러한 장착부재들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 후자의 경우를 본 발명에서는 '단위모듈'로 칭한다.
다수의 단위모듈들을 적층하여 전지모듈을 구성하는 경우에는, 적층된 전지셀들 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 사이 및/또는 단위모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
특히, 단위 셀들을 상하 방향으로 적층하는 구조는 측면 방향으로 적층하는 구조와 비교하여 냉매의 유로가 수직으로 변경되지 않고 냉매의 유동방향과 동일하게 수평으로 형성되므로 단위 셀들 사이를 통과하는 냉매의 마찰력을 최소화할 수 있고, 이는 냉각 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 단위모듈의 구조는 다양한 구성으로 이루어질 수 있으며, 바람직한 예를 하기에서 설명한다.
단위모듈은 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀들이 전기적으로 상호 연결되어 있는 구조로서, 상기 전극단자들이 전기적으로 상호 연결되어 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 고강도 셀 커버를 포함하는 것으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 전기적 연결은 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결될 수 있다.
즉, 상기 단위모듈은 금속 소재의 셀 커버 내부에 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 장착되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 전지셀이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 '파우치형 전지셀'로 칭하기도 한다.
이러한 전지셀들은 앞서 언급한 바와 같이, 둘 또는 그 이상의 단위로 금속 소재의 고강도 셀 커버에 감싸인 구조로 하나의 단위모듈을 구성할 수 있는 바, 상기 고강도 셀 커버는 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다. 따라서, 궁극적으로 더욱 안전성이 우수한 전지모듈의 제조가 가능해 진다.
단위모듈 내부 또는 단위모듈 상호간의 전지셀들은 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결되어 있으며, 바람직한 예에서, 전지셀들을 그것의 전극단자들이 연속적으로 상호 인접하도록 길이방향으로 직렬 배열한 상태에서 전극단자들을 결합시킨 뒤, 둘 또는 그 이상의 단위로 전지셀들을 중첩되게 접고 소정의 단위로 셀 커버에 의해 감쌈으로써 다수의 단위모듈들을 제조할 수 있다.
상기 전극단자들의 결합은 용접, 솔더링, 기계적 체결 등 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 용접으로 달성될 수 있다.
전극단자들이 상호 연결되어 있고 높은 밀집도로 충적된 다수의 전지셀 또는 단위모듈들은, 바람직하게는, 조립식 체결구조로 결합되는 상하 분리형의 케이스에 적층 형태로 장착되어 상기 장방형 전지모듈을 구성할 수 있다.
상기 전지셀은 이차전지로서, 대표적으로 니켈 수소 이차전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도가 높고 방전 전압이 큰 리튬 이차전지가 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 중대형 전지팩은 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차 및 전력 저장장치 등의 동력원 또는 전원으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 전지모듈은 필요로 하는 중대형 디바이스의 출력 및 공간적 제약에 따라 단위 셀들의 개수가 달라질 수 있으며, 예를 들어, 8 내지 24개의 단위 셀들로 이루어질 수 있다.
참고로, 본 명세서에서 사용된 용어 "전지모듈"은 둘 또는 그 이상의 충방전 전지셀들 또는 단위모듈들을 기계적으로 체결하고 동시에 전기적으로 연결하여 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있는 전지 시스템의 구조를 포괄적으로 의미하므로, 그 자체로서 하나의 장치를 구성하거나, 또는 대형 장치의 일부를 구성하는 경우를 모두 포함한다. 예를 들어, 소형 전지모듈을 다수 개 연결한 대형 전지모듈의 구성도 가능하고, 전지셀들을 소수 연결한 단위모듈을 다수 개 연결한 구성도 가능하다.
상기 단위 셀들은 냉매가 단위 셀들 사이로 통과하며 단위 셀들을 효과적으로 냉각할 수 있도록 단위 셀의 두께를 기준으로 20 내지 50%의 크기로 상호 이격되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 단위 셀들 사이의 이격 공간이 단위 셀의 두께를 기준으로 20% 크기 미만인 경우 소망하는 냉매의 냉각 효과를 얻기 어렵고, 50% 크기를 초과하는 경우 다수 개의 단위 셀들로 구성된 전지모듈의 크기가 전체적으로 커지므로 바람직하지 않다.
한편, 상기 전지모듈의 외측면과 팩 케이스의 내측면 사이에는 냉매 유로를 형성할 있도록 소정의 폭으로 이격되어 있는 구조로 구성되어 있어서, 팩 케이스의 일측으로부터 유입된 냉매는 이러한 이격 공간을 통과하면서 전지모듈들을 소정의 온도 편차 범위 내에서 균일하게 냉각시킬 수 있다. 구체적으로, 단위 셀들의 온도 편차는 4℃ 이내인 것이 바람직하다.
상기 구조에서, 전지모듈의 외측면과 팩 케이스의 내측면 사이에 형성된 이격 폭은 전지모듈을 소정의 온도 편차 범위 내에서 균일하게 냉각시킴과 동시에 전체적인 전지팩의 크기를 적정하게 할 수 있는 범위에서 설정될 수 있으며, 예를 들어 전지모듈의 너비를 기준으로 10 내지 30%의 크기로 이루어질 수 있다.
상기 팩 케이스에는 외부로부터 냉매를 공급하는 냉매 유입구 및 단위 셀들로부터 발생한 열을 외부로 배출하는 냉매 배출구가 형성되어 있을 수 있고, 예를 들어, 상기 냉매 유입구 및 냉매 배출구는, 팩 케이스의 상부, 하부, 중간부 등에 형성될 수 있고, 경우에 따라서는, 상기 냉매 유입구 및 냉매 배출구에 냉매의 유동 구동력을 제공하는 구동 팬이 장착될 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 냉매 흡입구는 냉각된 저온의 공기가 유입될 수 있도록 에어컨 시스템과 연결되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 저온의 공기를 사용하여 상온의 공기를 이용하는 공냉식 냉각 구조보다 더욱 효과적으로 단위 셀들을 냉각시킬 수 있다.
상기 전극 조립체는 분리막 및/또는 분리시트를 사이에 두고 양극과 음극이 대면하는 구조로 이루어져 있을 수 있고, 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 전극조립체는 양극과 음극이 순차적으로 적층되고, 양극과 음극 사이에 연속적인 분리시트가 개재되어 있는 구조로 이루어져 있을 수 있고, 금속 집전체에 양극/분리막/음극으로 이루어지는 기본 단위체들 복수 개가 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 연속적인 분리시트가 개재되어 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 기본 단위체는 최상단을 구성하는 전극과 최하단을 구성하는 전극의 극성이 서로 반대되도록 구성되는 풀셀(full cell)일 수 있고, 상기 풀셀은 단위셀의 최상단의 전극과 최하단의 전극이 서로 반대 전극인 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, i) 양극/분리막/음극, 또는 ii) 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극의 적층 구조 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 양극/분리막/음극의 적층구조이다. 상기 분리막 시트 상에 위치된 상태로 권취되는 풀셀들의 수는 각 풀셀의 구조와 최종 제조된 전지의 소망하는 용량 등 다양한 요소들에 의해 결정될 수 있으며, 바람직하게는 6 내지 30 개일 수 있다.
또한, 상기 기본 단위체는 최상단과 최하단을 구성하는 전극이 모두 양극 또는 음극으로 동일한 구조로 이루어진 바이셀(bi-cell)일 수 있고, 이러한 바이셀들은 셀 양측의 전극이 동일한 구조라면 그것을 이루는 양극 및 음극과 분리막의 수가 특별히 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 적층 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 적층 구조 등을 들 수 있으며, 바이셀은 음극/분리막/양극/분리막/음극 적층 구조의 셀, 즉, 양측에 음극이 위치하는 A형 바이셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극 적층 구조의 셀, 즉, 양측에 양극이 위치하는 C형 바이셀로 분류할 수 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 시트 상에 탭이 형성될 부위를 제외한 나머지 부위에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제, 점도 조절제 등을 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 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 양극 활물질은 리튬 이차전지인 경우 예를 들어, 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 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 전이금속 산화물인 것이 바람직하고, x 가 0.3 < x < 0.7 이고, y 가 0.3 < x <0.5 이며, z 가 0.1 < z < 0.4 인 것이 더욱 바람직하다.
Li[LiaNixMnyCozMw]O2-tAt (1)
상기 식에서,
0<a≤0.2, 0<x≤0.9, 0<y≤0.9, 0<z≤0.9, 0≤w≤0.5, 0≤t<0.2;
z≤y≤x을 만족하는 조건에서 a+x+y+z+w=1이며;
M은 +2가 내지 +4가 산화수의 하나 이상의 금속 또는 전이금속 양이온이고;
A는 -1 또는 -2가의 음이온이다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 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 바인더는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 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 공중합제 등을 들 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 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
본 발명에 따른 양극은 상기와 같은 화합물들을 포함하는 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 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 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 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 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. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 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, (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, 암모늄염, 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FPC(Fluoro-Propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은 상온에비해 고온에서 높은 용량을 발현하고, 최소한의 냉각 시스템, 예를 들어 공냉식 냉각 시스템만으로도 안정적이고 안전한 구동이 가능하므로, 고용량, 고 체적 에너지 밀도 및 공간 활용도를 극대화할 수 있는 중대형 전지팩을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 구체적인 실시예들의 상온과 고온에서의 용량 발현량을 비교한 그래프이다;
도 2는 도 1의 실시예들의 상온과 고온에서의 레이트 특성을 비교한 그래프이다;
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 구체적인 실시예들의 상온과 고온에서의 수명특성을 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 일부 실시예들을 참조하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
Li[Li0.048Ni0.322Mn0.315Co0.315]O2 : 도전재 : 바인더의 양이 95 : 2.5 : 2.5가 되도록 계량한 후 NMP에 넣고 믹싱(mixing)하여 양극 합제를 제조하고, 20 ㎛ 두께의 알루미늄 호일에 상기 양극 합제를 200 ㎛ 두께로 코팅한 후 압연 및 건조하여 전극을 제조하였다.
상기 전극을 코인 모양으로 타발하고, 음극으로 Li금속, 전해질로 LiPF6가 1몰 녹아있는 카보네이트 전해액을 이용하여 코인 형태의 전지를 제작하였다. (A 전지)
<실시예 2>
Li[Li0.048Ni0.428Mn0.333Co0.191]O2 : 도전재 : 바인더의 양이 95 : 2.5 : 2.5가 되도록 계량한 후 NMP에 넣고 믹싱(mixing)하여 양극 합제를 제조하고, 20 ㎛ 두께의 알루미늄 호일에 상기 양극 합제를 200 ㎛ 두께로 코팅한 후 압연 및 건조하여 전극을 제조하였다.
상기 전극을 코인 모양으로 타발하고, 음극으로 Li금속, 전해질로 LiPF6가 1몰 녹아있는 카보네이트 전해액을 이용하여 코인 형태의 전지를 제작하였다. (B 전지)
<실시예 3>
Li[Li0.065Ni0.421Mn0.374Co0.14]O2 : 도전재 : 바인더의 양이 95 : 2.5 : 2.5가 되도록 계량한 후 NMP에 넣고 믹싱(mixing)하여 양극 합제를 제조하고, 20 ㎛ 두께의 알루미늄 호일에 상기 양극 합제를 200 ㎛ 두께로 코팅한 후 압연 및 건조하여 전극을 제조하였다.
상기 전극을 코인 모양으로 타발하고, 음극으로 Li금속, 전해질로 LiPF6가 1몰 녹아있는 카보네이트 전해액을 이용하여 코인 형태의 전지를 제작하였다. (C 전지)
<실시예 4>
실시예 1의 전극과, 음극으로 카본(Carbon), 전해질로 LiPF6가 1몰 녹아있는 카보네이트 전해액을 이용하여 전지를 제작하였다.
<실시예 5>
실시예 2의 전극과, 음극으로 카본(Carbon), 전해질로 LiPF6가 1몰 녹아있는 카보네이트 전해액을 이용하여 전지를 제작하였다.
<실험예 1>
실시예 1 내지 3의 전지를 사용하여 최초 충방전을 진행하고, 상온과 고온에서의 용량 발현량을 확인하였다. 도 1을 참조하면, 실시예 1 내지 3의 전지 모두 고온에서 더 많은 용량이 발현됨을 알 수 있다.
<실험예 2>
실시예 1 내지 3의 전지를 0.5C으로 충전하고, 상온과 고온에서의 레이트(Rate) 특성을 확인하였다 도 2는 0.1C의 방전 rate에 대비하여 2.0C의 방전 rate의 %비를 나타낸 것으로서, 이를 참조하면, 실시예 1 내지 3의 전지 모두 고온에서 레이트 특성이 더 높음을 알 수 있다.
<실험예 3>
실시예 4 및 5의 전지를 각각 25℃ 온도 조건 및 45℃ 온도 조건하에서 700 회 충방전을 반복하고 수명특성을 비교하였다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 실시예 4 및 5의 전지 모두 상온과 고온에서의 수명특성이 동등함을 알 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위 셀') 다수 개를 포함하는 전지모듈 둘 또는 그 이상이 팩 케이스에 내장되어 있는 중대형 전지팩으로서,
    상기 단위 셀들은, 냉매 유로가 확보될 수 있도록 상호 이격된 상태로 배열되어 있고, 상온(25℃)를 초과하는 고온에서의 방전 용량이 상온에서의 방전 용량보다 적어도 1% 이상 크며,
    상기 중대형 전지팩은 충방전시 단위 셀들로부터 발생하는 열을 단위 셀들 사이에 형성된 이격 공간을 관통하는 냉매를 이용하여 제거하고,
    상기 전지셀은 판상형 전지셀로서, 수지층과 금속층을 포함하는 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어 있으며,
    상기 전극조립체는 i) 분리막, ii) 분리시트, iii) 분리막 및 분리시트를 사이에 두고 양극과 음극이 대면하는 구조이고,
    상기 전극조립체는 양극과 음극이 순차적으로 적층되고, 양극과 음극 사이에 연속적인 분리시트가 개재되어 있는 구조이며,
    상기 전극조립체는 금속 집전체에 양극/분리막/음극으로 이루어지는 기본 단위체들 복수 개가 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 연속적인 분리시트가 개재되어 있는 구조로 이루어져 있고,
    상기 기본 단위체는 최상단과 최하단을 구성하는 전극이 모두 양극 또는 음극인 구조로 이루어진 바이셀(bi-cell)이며,
    상기 양극은 금속 집전체 상에 양극 활물질과 바인더를 포함하는 양극 합제를 코팅한 것이고,
    상기 양극 활물질은 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 전이금속 산화물인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
    Li[LiaNixMnyCozMw]O2-tAt (1)
    상기 식에서,
    0<a≤0.2, 0<x≤0.9, 0<y≤0.9, 0<z≤0.9, 0≤w≤0.5, 0≤t<0.2;
    z≤y≤x을 만족하는 조건에서 a+x+y+z+w=1이며;
    M은 +2가 내지 +4가 산화수의 하나 이상의 금속 또는 전이금속 양이온이고;
    A는 -1 또는 -2가의 음이온이다.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상온을 초과하는 고온은 30℃ 내지 60℃이고, 상기 온도 범위에서의 방전용량은 상온에서의 방전용량 대비 101% 초과 내지 115% 미만인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 전극단자들이 전기적으로 상호 연결되어 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 셀 커버를 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 단위모듈은 금속 소재의 셀 커버 내부에 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 장착되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 따른 중대형 전지팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 8 내지 24개의 단위 셀들로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 셀들은 단위 셀의 두께를 기준으로 20 내지 50%의 크기로 상호 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들 간의 온도편차는 4℃ 이내인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈의 외측면과 팩 케이스의 내측면 사이에는 냉매 유로를 형성할 있도록 소정의 폭으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 이격 폭은 전지모듈의 너비를 기준으로 10 내지 30%의 크기인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 팩 케이스에는 외부로부터 냉매를 공급하는 냉매 유입구 및 단위 셀들로부터 발생한 열을 외부로 배출하는 냉매 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 기본 단위체는 최상단을 구성하는 전극과 최하단을 구성하는 전극의 극성이 서로 반대되도록 구성되는 풀셀(full cell)인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 활물질은 Ni:Mn:Co의 원소비가 45:35:20, 1:1:1 또는 45:40:15인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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