KR101518550B1 - 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극판과 분리막 및 음극판이 순차적으로 적층되는 전극조립체에서 최외곽에 적층되어 내구성을 강화시킬 수 있도록 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지에 관한 것이다.

Description

세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지{Lithium secondary battery including durable enhancement means which manufactured to dual layer structure of ceremic plate and plastic plate}

본 발명은 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극판과 분리막 및 음극판이 순차적으로 적층되는 전극조립체에서 최외곽에 적층되어 내구성을 강화시킬 수 있도록 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지에 관한 것이다.

최근, 고출력, 고에너지 밀도의 전원으로서 비수전해액 이차전지가 주목받아 수많은 연구가 행해지고 있다. 종래, 비수전해액 이차전지로서 리튬 이차전지가 주목받아 검토가 행해져 왔다. 리튬 이차전지는 양극 활성물질로 LiCoO2 , LiNiO 2 등의 리튬함유 천이 금속 산화물이나 MoS2 등의 칼코겐(chalcogen) 화합물이 이용되고, 이것들은 층형상 구조를 가지며, 리튬 이온을 가역적으로 삽입, 이탈시킬 수 있다. 한편, 음극 활성물질로는 금속 리튬이 이용되어 왔다.

그러나, 음극 활성물질로 금속 리튬을 이용하면, 충방전을 반복함에 따라 리튬이 용해, 석출(析出) 반응을 반복하여, 튬 표면상에 나무가지 형상의 리튬이 형성된다. 이 나무 가지 형상의 리튬의 형성은 충방전 효율을 저하 시키거나, 혹은 분리막을 관통하여 양극과 접촉하여, 내부 단락을 생기게 할 가능성이 있다는 문제점을 갖고 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 리튬을 가역적으로 흡장(吸藏), 방출할 수 있는 리튬 합금판, 금속 분말, 흑연질 또는 탄소질(비정질)의 탄소재료, 금속 산화물 혹은 금속 황화물이 금속 리튬을 대신하는 음극 재료로 검토되고 있다.

그러나, 리튬 합금판을 이용한 경우, 심한 충방전을 반복하면 합금의 미세화에 의해 집전성(集電性)이 저하되고, 충방전 사이클 특성이 낮다는 문제가 있었다. 한편, 금속분말, 탄소재료, 금속산화물 또는 금속 황화물 등의 분말체를 이용한 경우는 통상 이들 단독으로는 전극을 형성할 수 없기 때문에, 결합제를 첨가한다. 예를 들면, 탄소재료에 관해서는 탄성을 가진 고무계 고분자 재료를 결합제로서 첨가하여 극판을 형성하는 방법이 특개평 4-255670호 공보에 개시되어 있다. 그리고, 금속 산화물, 금속 황화물에 관해서는 도전성을 높히기 위해 결합제와 더불어 도전재를 첨가한다.

또한 특허등록 제1174923호(2012.08.10일 등록)는 전지용 전극집전체 및 이를 사용한 이차전지를 제안하고 있으며, 기존의 금속 집전체를 양 표면에 금속 박막이 코팅된 수지로 대체하되 수지 양쪽에 형성된 금속 박막을 연결시킴으로써, 집전체의 전기전도성을 확보하면서 전지의 정상적 사용 혹은 전지의 이상 작동시 급격한 온도 상승을 방지할 수 있게 되어 전지 내 회로소자들이나 기타 부품 또는 전지가 장착되는 전기전자장치의 손상 또는 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한, 수지는 금속과 달리 온도 변화에 따른 팽창 및 수축이 그다지 크지 않아 집전체 표면에 코팅되는 전극 활물질층이 집전 체에서 박리될 위험도 최소화된다.

이와 같은 종래의 리튬이차전지는 양극판과 음극판 및 상기 양극판과 음극판을 절연하기 위한 분리막이 순차적으로 적층되는 전극조립체가 포장팩로 패킹되어 출시된다. 상기 양극판과 음극판 및 분리막은 얇은 판으로 자체의 휨이 심하여 다루기가 어렵고, 이는 다수개가 적층된 상태에서도 마찬가지로 휨이 심하다.

따라서 종래의 리튬 이차전지는 과량의 전해액을 주입하기 어려워 성능개선에 한계가 있고, 특히 최외곽이 견고하지 못해 완성 및 포장되는 최종 전지가 외부의 충격에 의한 내부 극판의 손상이 빈번하게 일어나는 문제점이 있었다.

아울러 종래의 리튬 이차전지는 내구성이 약하기 때문에 과충전 및 관통등에 의하여 부피가 팽창으로 인하여 소손되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 양극판과 음극판 및 분리막이 순차적으로 적층되는 리튬 이차전지의 전극조립체에서 외부의 물리적 충격에 의한 내성의 증가와 벤팅 공정이 용이한 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지를 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함한다.

본 발명에 따른 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지는 양의 전원을 출력하는 양극판과, 음의 전원을 출력하는 음극판; 상기 양극판과 음극판 사이에 적층되어 절연시키는 분리막; 및 상기 양극판과 음극판 및 분리막이 순차적으로 적층되는 전극조립체의 최외곽층에서 적층되어 상기 전극조립체의 강도를 보강하는 내구성 강화수단을 구비하고, 상기 내구성 강화수단은 세라믹판과 수지판이 적층되는 이중판이며, 상기 세라믹판은 수지판의 일면에서 세라믹 계열의 수지가 코팅된 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 상술한 바와 같이 전극조립체의 상측과 하측에서 세라믹과 수지로 이루어진 내구성 강화수단중에서 선택적으로 하나 이상을 적층 시킬 수 있어 외부의 물리적인 충격에 의한 내성이 강화될 수 있고, 세라믹 계열의 소재로 전극조립체를 지지함에 따라서 전해액 함침량이 증가하여 수명특성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지에서 전극조립체의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지에서 전극조립체의 분해 단면도,
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지에서 양극판과 음극판을 도시한 평면도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지를 도시한 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지에서 전극조립체의 단면도, 도 3은 본 발명에 따른 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지에서 전극조립체의 분해 단면도, 도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지에서 양극판과 음극판을 도시한 평면도이다.

본 발명에 따른 내구성 강화수단(40)을 구비한 리튬 이차전지는 다 수개의 양극판(10)과 음극판(20) 및 분리막(30)이 순차적으로 적층되는 전극조립체와, 상기 전극조립체의 상단과 하측에서 내구성 강화수단(40)을 포함한다.

리튬 이차전지(100)는 상기 전극조립체가 진공포장된 제품을 도시한 도면으로서 상기 전극조립체와 내구성 강화수단이 적층되어 포장팩(130)에 포장되었다. 상기 리튬 이차전지(100)는 상단에서 전극조립체의 양과 음의 전지탭조립체(110, 120)가 열융착 또는 초음파 융착에 의하여 돌출되도록 형성된다.

도 2와 도 3은 상기 전극조립체가 진공 포장되기 이전상태로서 양극판(10)과 음극판(20)이 적층되는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 여기서 도 2와 도 3의 전극탭은 융착 이전 상태를 도시한 것이다.

상기 전극조립체는 몸체(12)의 상단 일측에서 전원이 입출력되는 양의 전지탭(11)이 형성되는 양극판(10)과, 몸체(22)의 상단 타측에서 음의 전원이 입출력되는 음의 전지탭(21)이 형성되는 음극판(20)과, 상기 양극판(10)과 음극판(20) 사이에 적층되어 상기 양극판(10)과 음극판(20) 사이를 절연시키는 분리막(30)을 포함한다.

상기 전극조립체는, 예를 들면, 상기 양극판(10)의 상면에 분리막(30)이 적층되고, 상기 분리막(30)의 상면에 음극판(20)이 적층된다. 그리고 상기 음극판(20)의 상면에서 다시 분리막(30)이 적층 된다.

이와 같은 과정으로서 다 수개의 양극판(10)과 분리막(30) 및 음극판(20)이 순차적으로 적층된다. 여기서 상기 양극판(10)의 몸체(12)와 음극판(20)의 몸체(22)는 상기 분리막(30)에 의하여 상호 절연된 상태로서 적층되며, 상기 양의 전지탭(11)과 음의 전지탭(21)은 극성에 따라서 동일 방향으로 적층된다.

아울러 상기와 같이 다 수개의 양극판(10)과 분리막(30) 및 음극판(20)이 적층시킨 이후에 상기 양과 음의 전지탭(11, 21)을 초음파 또는 열융착방법으로 융착시켜 일체화된 양과 음의 전지탭 조립체(110, 120)를 형성한다. 도 2와 도 3은 양극판(10)과 음극판(20)의 적층과정을 도시한 도면으로서 전지탭의 융착 이전 상태를 도시한 것이다.

상기 내구성 강화수단(40)은 가장 위쪽과 가장 하측에서 각각 적층되어 상기 전극조립체를 지지하여 상기 전극조립체가 휘어지지 않도록 강도를 보강한다.

이를 위하여 상기 내구성 강화수단(40)은 폴리머, 아크릴, 불소 계열의 합성 수지로서 제조가능한 플라스틱 계열의 수지판과, 세라믹 계열로 제조되는 세라믹판중 하나 이상이 적층된다.

예를 들면, 상기 수지판과 상기 세라믹판중 어느 하나를 상기 전극조립체의 최외곽층에 각각 적층시키도록 구성할 수 있다.

또는 상기 내구성 강화수단(40)은 상기 세라믹판(41)과 수지판(42)을 결합시킨 이중판을 적용함도 가능하다. 도 2와 도 3의 내구성강화수단(40)은 상기 세라믹판(41)과 수지판(42)이 결합되는 이중판이 적용된 예를 도시한 것이다.

여기서 상기 이중판은 상기 수지판(42)에 적층되는 세라믹판 대신 상기 수지판의 일면을 세라믹계열의 액상 수지로서 코팅시킴도 가능하다. 즉, 상기 내구성강화수단은 세라믹 코팅층이 형성되는 플라스틱 계열의 소재로서 제조되는 수지판을 적용함도 가능하다.

특히, 본 발명은 상기와 같은 세라믹 계열로 제조되는 세라믹판 또는 수지판의 일면에 코팅되는 세라믹코팅층에 의하여 전해액의 함침량이 증가될 수 있다. 즉, 일반적으로 세라믹 소재는 전해액의 활물질 반응에 우수한 특징을 갖는 것으로 알려졌다. 따라서 본 발명은 상기와 같은 세라믹을 이용하여 전극조립체를 지지하기 때문에 전해액의 함침량을 증가시킬 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 구성을 포함하며, 이하에서는 상기 구성을 포함하여 달성되는 작용을 상세히 설명한다.

먼저 작업자는 양극판(10)과 음극판(20), 그리고 상기 양극판(10)과 음극판(20) 사이에서 분리막(30)을 순차적으로 적층시켜 다 수개의 극판이 적층되는 전극조립체를 조립한다.

여기서 상기 양극판(10)과 음극판(20)은 몸체(12, 22)에서 연장되는 전지탭(11, 12)이 극성에 따라서 동일한 위치에 형성된다. 따라서 상기 전극조립체는 양극판(10)의 몸체(12)에서 돌출되는 양의 전지탭(11)은 일측, 음극판(20)의 몸체(22) 상단에서 돌출되는 음의 전지탭(21)은 타측에 위치되어 적층된다.

그리고 작업자는 상기와 같이 적층된 전극조립체의 최외곽층에 상기 세라믹판(41)과 수지판(42)중 어느 하나 또는 세라믹판(41)과 수지판(42)이 접착되는 이중판중에서 어느 하나를 선택하여 적층시킨다.

또한 작업자는 상기 전극조립체를 적층시키고 몸체(12, 22)의 상단 일측과 타측에 각각 적층되는 양과 음의 전지탭(11, 12)을 열 또는 초음파 융착 방법으로 접착시켜 일체형으로 형성한다.

아울러 상기 작업자는 포장팩(130)에 상기 내구성 강화수단(40)이 적층된 전극조립체를 인입시킨 뒤에 진공 포장장치를 이용하여 내부를 진공상태로 유지시킨 뒤에 열융착 또는 초음파 융착에 의하여 상기 포장팩(130)을 밀봉시킨다. 포장된 리튬 이차전지는 도 1에 도시된 바와 같다.

이와 같이 본 발명에 따른 리튬 이차전지는 상기 내구성 강화수단(40)에 의하여 강도가 보강됨에 이동이나 사용과정에서 외부에 가해지는 충격으로부터 전극조립체를 보호할 수 있고, 소형 및 대형 에너지저장시스템에 탑재시에 공구를 이용한 벤팅(Venting)이 용이하다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10 : 양극판 11 : 양의 전지탭
12 : 몸체 20 : 음극판
21 : 음의 전지탭 22 : 몸체
30 : 분리막 40 : 내구성 강화수단
41 : 세라믹판 42 : 수지판
100 : 이차전지 110, 120 : 전지탭
130 : 포장팩

Claims (3)

1. 양의 전원을 출력하는 양극판과, 음의 전원을 출력하는 음극판;
   상기 양극판과 음극판 사이에 적층되어 절연시키는 분리막; 및
   상기 양극판과 음극판 및 분리막이 순차적으로 적층되는 전극조립체의 최외곽층에서 적층되어 상기 전극조립체의 강도를 보강하는 내구성 강화수단을 구비하고,
   상기 내구성 강화수단은 세라믹판과 수지판이 적층되는 이중판이며,
   상기 세라믹판은 수지판의 일면에서 세라믹 계열의 수지가 코팅된 것을 특징으로 하는 세라믹판과 수지판의 이중구조를 갖는 내구성 강화수단을 구비한 리튬 이차전지.
   
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