KR101511817B1

KR101511817B1 - 안전성이 향상된 리튬 이차전지

Info

Publication number: KR101511817B1
Application number: KR20110089130A
Authority: KR
Inventors: 조영석; 양정훈; 최승돈; 홍승택; 김여진; 주용규; 김창호; 홍슬기; 이성우; 박정규
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2015-04-14
Also published as: KR20130025680A

Abstract

본 발명은 전극조립체와 전해액으로 이루어진 전지셀 및 상기 전극조립체의 전체 또는 일부를 감싸면서 상기 전해액과 반응하지 않는 필름으로 코팅된 솔더링 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 리튬 이차전지에 적용되는 솔더링 재료는 전지의 성능을 제약하지 않으면서도 전지의 이상현상 발생시 발생하는 열을 흡수하는 흡열제로 사용될 수 있어, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

안전성이 향상된 리튬 이차전지{Lithium secondary battery having improved safety}

본 발명은 안전성이 향상된 리튬 이차전지에 관한 것이다.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다. 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발이 진행되고 있다.

현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. 그러나, 이러한 리튬 이차전지는 유기 전해액을 사용하는 데 따르는 발화 및 폭발 등의 안전 문제가 존재하고, 제조가 까다로운 단점이 있다.

상기와 같은 전지의 안전성 평가 및 안전성 확보는 매우 중요하다. 가장 중요한 고려사항은 전지가 오작동시 사용자에게 상해를 입혀서는 안 된다는 것이며, 이러한 목적을 위하여 전지 안전규격에 의해 전지 내의 발화 및 발연 등을 엄격히 규제하고 있다. 따라서, 안전성 문제를 해결하기 위하여 많은 해결 방법들이 제시되고 있다.

본 발명은 전극조립체와 전해액으로 이루어진 전지셀 및 상기 전극조립체의 전체 또는 일부를 감싸면서 상기 전해액과 반응하지 않는 필름으로 코팅된 솔더링 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공하고자 한다.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 전극조립체와 전해액으로 이루어진 전지셀 및 상기 전극조립체의 전체 또는 일부를 감싸면서 상기 전해액과 반응하지 않는 필름으로 코팅된 솔더링 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지을 제공한다.

본 발명의 일 구현예로, 상기 리튬 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈 또는 전지팩을 제공한다.

본 발명은 솔더링 재료를 적용한 리튬 이차전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 리튬 이차전지에 적용되는 솔더링 재료는 전지의 성능을 제약하지 않으면서도 전지의 이상현상 발생시 발생하는 열을 흡수하는 흡열제로 사용될 수 있어, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 전체를 감싸면서, 전해액과 반응하지 않는 필름으로 코팅된 솔더링 재료를 적용한 리튬 이차전지 단면도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 일부를 감싸면서, 전해액과 반응하지 않는 필름으로 코팅된 솔더링 재료를 적용한 리튬 이차전지 단면도를 도시한 것이다.

종래에는 리튬 이차전지에 흡열 작용을 하는 솔더링 재료를 적용한 예는 없다. 이에, 본 발명자들은 리튬 이차전지에 전극조립체를 감싸면서 전해액과 반응하지 않는 필름으로 코팅된 솔더링 재료를 적용함으로써, 전지의 이상현상 발생시 발생하는 열을 흡수함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

구체적으로, 본 발명은 전극조립체와 전해액으로 이루어진 전지셀 및 상기 전극조립체의 전체 또는 일부를 감싸면서 상기 전해액과 반응하지 않는 필름으로 코팅된 솔더링 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공한다.

상기 리튬 이차전지는 전해액과 반응하지 않는 필름으로 코팅된 솔더링 재료를 전극조립체를 감싸도록 삽입한 후, 전극조립체와 전해액으로 이루어진 전지셀을 외장재에 밀봉함으로써 형성된다.

본 발명에 따른 전극조립체는 양극활물질을 포함하는 양극과, 음극활물질을 포함하는 음극, 및 분리막으로 구성된 것이다. 구체적으로 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다. 또한, 음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다. 상기 양극과 음극 사이에서 상기 전극들을 절연시키는 분리막으로는 통상 알려진 폴리올레핀계 분리막이나, 상기 올레핀계 기재에 유·무기 복합층이 형성된 복합 분리막 등을 모두 사용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 전극조립체는 양극에 연결된 양극탭과 음극에 연결된 음극탭이 더 형성될 수 있는데, 이때 양극탭과 음극탭이 동일한 방향으로 형성될 수도 있고, 양극탭과 음극탭이 서로 반대 방향으로 형성될 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해질로서, 이는 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 전체를 감싸면서, 전해액과 반응하지 않는 필름으로 코팅된 솔더링 재료를 적용한 리튬 이차전지 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체의 일부를 감싸면서, 전해액과 반응하지 않는 필름으로 코팅된 솔더링 재료를 적용한 리튬 이차전지 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 전해액(200)과 반응하지 않는 필름(400)으로 코팅된 솔더링 재료(300)는 전극조립체(100)의 전체 또는 일부를 감싸면서 전극조립체(100)의 전면, 상부, 하부, 및 측면 등 다양한 위치에 적용 가능하다.

특히 도 1에 도시한 바와 같이, 전해액(200)과 반응하지 않는 필름(400)으로 코팅된 솔더링 재료(300)는 전극조립체(100) 전체를 감싸면서 형성될 수도 있고, 도 2에 도시한 바와 같이, 전해액(200)과 반응하지 않는 필름(400)으로 코팅된 솔더링 재료(300)는 전극조립체(100) 상/하부에 일부 형성될 수도 있다.

상기 필름(400)은 전해액(200)과 반응하지 않는 재질의 고분자 수지로 형성된 것으로, 솔더링 재료(300)를 코팅함으로써 솔더링 재료(300)가 전해액(200)과 직접적으로 반응하지 않도록 보호하는 역할을 한다. 상기 코팅은 당해 기술 분야에 알려진 방법이면 어느 것이나 사용 가능하며, 3-롤 리버스(3-roll reverse) 방식, 스프레이(spray) 방식, 그라비아 롤(gravure roll) 방식에 의해 코팅될 수 있다.

상기 필름(400)은 상기 솔더링 재료(300) 표면의 전체에 소정의 두께로 코팅된다. 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 필름(400)은 솔더링 재료(300) 표면의 전체에 균일한 두께로 형성되어 있으나, 솔더링 재료(300) 표면의 전체에 형성되되, 불균일한 두께로 형성될 수도 있음은 물론이다. 다만, 균일성을 확보한다는 측면에서 균일한 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 필름(400)은 전해액과 반응하지 않도록 형성되는 경우라면 두께는 특별히 한정하지 않으나, 0.1㎛ 내지 20㎛인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 고분자 수지는 고밀도폴리에틸렌(high density polyethylene), 저밀도폴리에틸렌(low density polyethylene), 선형저밀도폴리에틸렌(linear low density polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 고결정성 폴리프로필렌(high crystalline polypropylene), 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체(polyethylene-propylene copolymer), 폴리에틸렌-부틸렌 공중합체(polyethylene-butylene copolymer), 폴리에틸렌-헥센 공중합체(polyethylene-hexene copolymer), 폴리에틸렌-옥텐 공중합체(polyethylene-octene copolymer), 폴리스티렌-부틸렌-스티렌 공중합체(polystyrene-butylene-styrene copolymer), 폴리스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체(polystyrene-ethylene-butylene-styrene copolymer), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenylene oxide), 폴리술폰(polysulfone), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아미드(polyamide), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리비닐리덴클루오라이드(polyvinylidene chloride), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리올레핀(polyolefin) 아이오노머(ionomer), 폴리메틸펜텐(polymethyl pentene), 하이드로제네이티드 올리고사이클로펜타디엔(hydrogenated oligocyclopentadiene: HOCP), 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

상기 솔더링 재료(300)는 전지의 성능을 제약하지 않으면서도 전지의 이상현상 발생시 상기 솔더링 재료층(300)이 낮은 온도에서 용융함으로써 발생하는 열을 흡수하는 흡열제로 사용될 수 있어 전지의 발화 및 폭발을 방지하는 등 전지의 안전성을 높일 수 있고, 상기 솔더링 재료(300)는 전해액(200)과 반응하지 않는 필름(400)으로 코팅된 것으로, 상기 솔더링 재료(300)는 전해액(200)의 총 중량을 기준으로 30중량% 내지 250중량%인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 솔더링 재료(300)가 250중량%를 초과하는 경우 이차전지의 무게가 너무 무거워지는 문제점이 있고, 30중량% 미만인 경우 충분한 흡열이 불가능한 문제점이 있다.

상기 솔더링 재료(300)는 저용융점 및 고전도성을 가지는 무연 솔더링 재료로서, 250℃ 이하에서 용융되는 금속합금으로 이루어진 것이 바람직하고, 100℃ 이상 250℃ 이하에서 용융되는 금속합금으로 이루어진 것이 더욱 바람직하다. 상기 금속합금의 용융점이 100℃ 미만인 경우 전지의 충방전 또는 급속 충방전시에 전지 성능의 저하를 초래할 수 있고, 250℃를 초과하는 경우 전지의 오작동에 의한 전지의 과열시 접촉저항에 의존한 온도상승으로 인해 안전성이 문제된다. 상기 금속합금은 납과 같은 유해물질을 포함하지 않아 환경친화적 무연 솔더링 재료로 사용되며, 상대적으로 용융점이 낮은 금속에 해당하는 주석을 주성분으로 포함하고 이외에 구리, 니켈, 아연, 및 은 중에서 선택된 1 이상의 금속을 부성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는데, 상기 금속합금은 주석을 80 중량% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 상기 금속합금은 주석 80~99.9 중량%, 구리 0.01~10 중량%, 니켈 0.01~10 중량%, 아연 0.01~10 중량%, 및 은 0.01~10 중량%를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 리튬 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈 또는 전지팩을 제공한다.

상기 중대형 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬 이차전지에 적용되는 솔더링 재료는 전지의 성능을 제약하지 않으면서도 전지의 이상현상 발생시 발생하는 열을 흡수하는 흡열제로 사용될 수 있어, 전지의 발화 및 폭발을 방지하는 등 전지의 전기적 안전성 및 열적 안전성이 충족됨을 알 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 리튬 이차전지
10: 전지셀
20: 외장재
100: 전극조립체
200: 전해액
300: 솔더링 재료
400: 필름

Claims

전극조립체와 전해액으로 이루어진 전지셀; 및
상기 전지셀을 수납하는 외장재를 포함하는 리튬 이차전지로서,
상기 외장재 내에 수납되는 전극조립체는 상기 전해액과 반응하지 않는 필름으로 코팅된 솔더링 재료로 전체 또는 일부가 감싸여 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
제 1항에 있어서,
상기 필름은 전해액과 반응하지 않는 재질의 고분자 수지로 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
제 2항에 있어서,
상기 고분자 수지는 고밀도폴리에틸렌(high density polyethylene), 저밀도폴리에틸렌(low density polyethylene), 선형저밀도폴리에틸렌(linear low density polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 고결정성 폴리프로필렌(high crystalline polypropylene), 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체(polyethylene-propylene copolymer), 폴리에틸렌-부틸렌 공중합체(polyethylene-butylene copolymer), 폴리에틸렌-헥센 공중합체(polyethylene-hexene copolymer), 폴리에틸렌-옥텐 공중합체(polyethylene-octene copolymer), 폴리스티렌-부틸렌-스티렌 공중합체(polystyrene-butylene-styrene copolymer), 폴리스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체(polystyrene-ethylene-butylene-styrene copolymer), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenylene oxide), 폴리술폰(polysulfone), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아미드(polyamide), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리비닐리덴클루오라이드(polyvinylidene chloride), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리올레핀(polyolefin) 아이오노머(ionomer), 폴리메틸펜텐(polymethyl pentene), 하이드로제네이티드 올리고사이클로펜타디엔(hydrogenated oligocyclopentadiene: HOCP), 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상인 리튬 이차전지.
제 1항에 있어서,
상기 필름의 두께는 0.1㎛ 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
제 1항에 있어서,
상기 솔더링 재료는 250℃ 이하에서 용융되는 금속합금인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
제 5항에 있어서,
상기 금속합금은 주석, 구리, 니켈, 및 은 중에서 선택된 2 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
제 5항에 있어서,
상기 금속합금은 주석을 80 중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
제 5항에 있어서,
상기 금속합금은 주석 80~99.9 중량%, 구리 0.01~10 중량%, 니켈 0.01~10 중량%, 및 은 0.01~10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
제 1항에 있어서,
상기 솔더링 재료는 전해액의 총 중량을 기준으로 30중량% 내지 250중량%인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
제 1항에 따른 리튬 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
제 10항에 있어서,
상기 중대형 전지모듈은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
제 1항에 따른 리튬 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제 12항에 있어서,
상기 중대형 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.