KR101539835B1 - 리튬 이차전지용 외장재 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지용 외장재 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 전지 내부에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출하여 전지의 수명을 증가시킬 수 있고, 절연 특성을 향상시켜 전지의 안전성을 보장할 수 있으며, 전지 패키징을 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.

Description

리튬 이차전지용 외장재 및 이를 포함하는 리튬 이차전지{OUTER CASE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 이차전지용 외장재 조성물, 이를 이용한 리튬 이차전지용 외장재 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
최근 자동차 및 전력저장장치를 위한 고용량 전지의 요구가 급증하고 있는 상황에서 가벼우면서도 에너지 효율이 좋아 고용량을 달성할 수 있는 리튬 이차전지가 그 대상으로서 주목을 받고 있다. 그러나 통상적으로 고용량 전지는 발열량이 높으며 절연이 불량할 경우 그 안전성의 문제가 저용량 전지의 경우보다 훨씬 크다는 단점이 있다.
특히, 파우치형 전지는 알루미늄(Al) 등을 외장재로 사용한 각형 전지와 달리 수분침투 방지 및 절연성 보장을 위해 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 재질로 된 필름을 사용하고 있는데, 이러한 재질들은 대부분 열전도성이 낮아 전지 내부에서 발생한 열을 빠르게 외부로 방출할 수 없어 전지의 수명을 저하시키는 요인이 되고 있다. 또한, 전기전도성이 높은 물질이 외부와 직접적으로 접촉할 경우 안전성에도 문제가 발생할 수 있다.
이에, 고용량 전지의 내부에서 발생한 열을 외부로 방출시키기 위해 스택-폴딩형 구조의 유닛 셀들 사이에 알루미늄, 구리 등을 재질로 한 방열판(cooling panel)을 개재하여 열을 흡수하도록 설계하고 있다 (특허문헌 1 참조).
하지만, 이러한 방열판은 전지를 패키징(packaging)할 때 절연이 용이하지 않아 외부 전기기기들에 전기적 충격이 가해질 수 있다. 더불어 유닛 셀 사이에 개재된 방열판은 이차전지와 방열판 사이에 공기층을 형성하게 되는데, 공기는 열전도도가 0.02 W/m·K 정도로 매우 낮기 때문에 전지 내부의 열이 외부로 전달되는 것을 방해하게 된다.
따라서, 열전도성을 향상시켜 전지의 수명을 증가시킴과 동시에, 전기전도성을 낮춰 전지의 안전성을 보장할 수 있는 리튬 이차전지용 외장재에 관한 기술의 개발이 요구되고 있었다.
한국공개특허공보 제10-2008-0032748호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것이다.
본 출원의 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 높은 열전도도(heat conductivity)를 갖는 물질인 탄소섬유(carbon fiber)와 낮은 전기전도도(electric conductivity)를 갖는 물질인 세라믹(ceramic)을 포함하는 이차전지용 외장재 조성물 및 이를 이용한 리튬 이차전지용 외장재를 개발하기에 이르렀고, 이 경우 전지의 수명 향상과 안전성을 만족할만한 수준으로 확보할 수 있는 리튬 이차전지를 제공할 수 있음을 확인하였다.
본 발명은 탄소섬유, 세라믹 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 외장재 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 이차전지용 외장재 조성물을 이용하여 열전도도가 10 W/m·K 이상이고, 체적저항률이 1x103Ω-cm이상인 리튬 이차전지용 외장재를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 외장재를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명은 높은 열전도도를 갖는 물질을 이용하여 이차전지 외장재를 형성함으로써, 전지 내부에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출하여 전지의 수명을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 낮은 전기전도도를 갖는 물질을 이용하여 이차전지 외장재를 형성함으로써, 절연 특성을 향상시켜 전지의 안전성도 함께 보장할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 외장재의 사시도이다.
이하, 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에서는 높은 열전도도를 갖는 탄소섬유와 전기전도도가 낮아 절연체로 이용되는 세라믹 및 용매를 포함함으로써, 높은 열전도도와 낮은 전기전도도를 동시에 구현할 수 있는 이차전지용 외장재 조성물을 제공한다.
상기 탄소섬유로는 열전도도가 10 W/m·K 이상인 것이라면 제한 없이 사용 가능하다. 예를 들어 셀룰로오스, 아크릴 섬유, 비닐론, 피치(pitch) 등을 원료로 사용하여 당업계의 일반적인 제조방법을 통해 생산된 탄소섬유를 사용한다. 탄소섬유는 강도가 10 내지 20g/d로서 철보다도 높고, 탄성, 내화학성 및 내충격성이 뛰어나며, 비중이 1.5 내지 2.1로서 가열과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소되므로 알루미늄보다도 가벼운 재질이다.
또한, 상기 세라믹으로는 낮은 전도도를 가져 절연성이 높은 물질, 예컨대 체적저항률이 1x103Ω-cm이상인 것이라면 제한 없이 사용 가능하다. 비제한적인 예로는 금속 산화물, 금속 질화물, 수산화물, 알콕시화물, 케톤화물 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 들 수 있다. 구체적으로 상기 금속 산화물은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 티타늄 산화물(TiO2) 및 베릴륨 산화물(BeO)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 산화물을 포함할 수 있으며, 상기 금속 질화물은 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 붕소(B)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 질화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 세라믹은 파우더 형태의 세라믹을 사용할 수 있다.
본 발명의 이차전지용 외장재 조성물에 있어서, 용매를 제외한 상기 고형분, 즉 탄소섬유: 세라믹의 중량비는 3:7 내지 7:3, 더욱 바람직하게는 4:6 내지 6:4 인 것이 바람직하다.
이때, 탄소섬유의 함량이 7을 초과 (또는, 세라믹 함량이 3 미만)한 경우, 또는 탄소섬유의 함량이 3 미만 (또는, 세라믹 함량이 7을 초과)한 경우 본 발명에서 추구하는 높은 열전도도와 낮은 전기전도도를 동시에 만족하는 외장재 조성물을 얻을 수 없다.
또한, 본 발명의 이차전지용 외장재 조성물에 있어서, 상기 용매는 이차전지 제조 시 사용 가능한 용매면 그 종류를 특별히 제한하지 않으며, 상기 탄소섬유 및 세라믹이 콜로이드 형태로 기재 상에 균일하게 분산될 수 있도록 한다. 상기 유기 용매의 함량 또한 상기 혼합된 고형분이 균일하게 분산될 수 있는 양이면, 그 범위를 특별히 제한하지 않는다.
또한, 본 발명에서는 적어도 하나 이상의 금속박층 및 수지층을 포함하는 이차전지용 외장재에 있어서, 상기 외장재의 일면에 형성된 절연층을 포함하며, 상기 절연층은 본 발명의 외장재 조성물을 도포하여 형성한 것을 특징으로 하는 이차전지용 외장재를 제공한다.
이때, 상기 절연층의 두께는 수 마이크로 범위인 것이 바람직하다.
이와 같이 제조된, 본 발명의 리튬 이차전지용 외장재의 열전도도는 10W/m·K 이상이고, 낮은 전기전도도를 갖기 위해 (상온에서의) 체적저항률은 1x103Ω-cm이상을 가질 수 있다.
만약, 외장재의 열전도도가 10 W/m·K 미만일 경우, 전지 내부에서 발생된 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 없게 되고, 체적저항률이 1x103Ω-cm미만일 경우, 전기전도도가 증가하여 만족할 만한 절연 특성을 확보할 수 없게 된다. 구체적으로, 본 발명에 따른 이차전지용 외장재의 열전도도는 10W/m·K 내지 420W/m·K이고, 체적저항률은 1x103Ω-cm내지 1x1020Ω-cm의 범위일 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같이 열전도도가 높고, 낮은 전도도를 가지는 외장재를 제공함으로써, 전지 내부에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출하여 전지의 수명을 증가시키고, 절연 특성을 향상시켜 전지의 안전성도 함께 보장할 수 있는 이점이 있다.
이때, 본 발명의 이차전지용 외장재를 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예컨대 본 발명에서는 탄소섬유와 세라믹 분말을 용매 내에서 적절 비율로 배합하여 이차전지용 외장재 조성물을 제조하는 단계; 이를 스프레이 방법을 이용하여 이차전지용 외장재 상에 도포하는 단계 및 건조하여 성형하는 단계를 포함하는 본 발명의 이차전지용 외장재 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 이차전지용 외장재는 파우치형 외장재 또는 알루미늄 캔형 외장재의 일부일 수 있다.
또한, 본 발명의 이차전지용 외장재는 전극조립체 또는 단위셀 표면에 형성되는 방열판 또는 전지팩 외장재 커버 등의 일부일 수 있다. 예컨대, 리튬 이차전지에 있어서 각각의 단위셀을 조립하여 팩 형태로 제조할 때, 본 발명의 외장재를 단위셀 자체나, 단위셀 사이에 개재되는 방열판 또는 전지팩 외장재 등에 부착함으로써 향상된 수명과 안전성을 보장하는 전지팩을 제조할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 이차전지용 외장재에 의해 각각 단위셀 외면이 모두 감싸지도록 부착하고, 전지모듈의 최외곽을 이루는 방열판에도 한번 더 본 발명의 이차전지용 외장재를 부착하도록 하여 열 방출과 절연성을 극대화한다.
이때, 본 발명의 절연층을 포함하는 이차전지용 외장재는 개별 셀의 열전도도의 구별이 가능하도록 유색성을 지니는 것이 바람직하다. 일반적으로 탄소섬유는 금속광택이 있고 검은색이나 회색을 띠게 되므로, 탄소섬유의 함량에 따라 외장재의 색상이 달라진다. 즉, 외장재의 색상을 통해 간접적으로 외장재의 열전도도를 가늠할 수 있게 되고, 이를 통해 셀 제조공정에서 불량 셀 감별 등 셀의 분류 작업을 용이하게 수행할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 수용하는 본 발명의 이차전지용 외장재를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 상기 외장재의 열 방출 효과에 의해 공냉식, 수냉식 등 종래 사용되던 냉각시스템을 대체할 수 있으므로, 상기 리튬 이차전지는 별도의 냉각시스템을 배제할 수 있다. 바람직하게는, 종래의 냉각시스템을 그대로 채용하되 본 발명의 외장재를 추가적으로 부착함으로써 전지 내부에서 발생한 열의 외부 방출을 최대화하도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 본 발명의 외장재 조성물과 접착성분을 포함하는 이차전지용 접착제를 제공한다.
상기 접착제로는 탄소섬유 및 세라믹과 혼합되어 접착력을 부여할 수 있는 성분이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하다.
상기 접착제는 상기 외장재 조성물 100 중량부에 대하여 20 내지 50 중량부로 함유할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 외장재 조성물에 접착성분을 첨가하여 열전달재 및 절연재의 기능을 갖는 전지 패키징용(또는 하우징용) 접착제로 제공함으로써, 절연 성능 향상으로 안정성이 향상되며 열전도도 향상을 통해 전지 성능을 향상시키는 효과를 추가로 얻을 수 있다.
아울러, 본 발명의 이차전지용 접착제를 사용하여 코팅이 아닌 도포 형식으로 사용하여 전지를 조립할 경우 기존의 나사 등을 이용하여 고정/조립하는 방법보다 전지의 패키징이 용이 해지고 생산비용이 감소하는 장점이 있다. 또한, 본 발명에서는 각 단위셀, 내장 배터리, 이차전지 셀들 사이에 삽입되어 이차전지 셀로부터 열을 흡수하는 방열판 등의 냉각시스템, 또는 전지팩 외장재 등 사이에 본 발명의 접착제를 도포(즉, 밀봉 접착)하여 서로 결합시킴으로써, 공기층의 형성을 방지하여, 냉각효율 및 열전달을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 접착제를 도포하는 방법으로는 당업계에서 일반적으로 채용되어 있는 방법을 제한 없이 사용할 수 있다. 바람직하게는, 작업의 용이성 측면에서 스프레이 코터 등을 이용한 스프레이 도포 방법이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 본 발명의 리튬 이차전지와, 상기 리튬 이차전지를 패킹 또는 하우징하기 위한 본 발명의 이차전지용 접착제를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
즉, 본 발명에서는 복수 개의 이차전지;
상기 복수 개의 이차전지가 적층되어 수용된 하우징 어셈블리; 및
접착 부재에 의해 접착된 복수 개의 하우징 어셈블리를 포함하는 복수 개의 배터리 모듈을 구비한 배터리 팩에 있어서,
상기 이차전지는 본 발명의 리튬 이차전지를 포함하며,
상기 접착 부재는 본 발명의 이차전지용 접착제를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
이하, 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이때, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 외장재의 사시도이다.
먼저, 도 1을 살펴보면, 음극, 세퍼레이터 및 양극이 적층된 구조를 권취하여 젤리롤 타입의 전극 전극조립체(10)를 형성한다.
본 발명의 전극조립체는 이러한 젤리롤 타입에만 국한되는 것은 아니고, 다수의 제1 극판 및 제2 극판과 세퍼레이터를 교번하여 적층하는 적층식 등 다양한 방식으로 형성된 전극 조립체를 이용할 수 있다.
이어서, 본 발명에서는 상기 전극조립체를 수용하기 위한 파우치형 외장재를 형성한다.
상기 파우치형 외장재는 전극조립체를 수용하는 수용부가 되는 하단부(110)와 커버로 이용되는 상단부(120)로 구분된다. 또한, 상기 파우치 외장재의 하단부와 상단부의 말단에는 실링을 위한 밀봉부(112, 122)가 구비된다.
그 다음으로, 상기 파우치형 외장재 상단부(120)에 본 발명의 이차전지용 외장재 조성물을 도포하고, 건조하여 절연층(200)을 형성한다.
이때, 상기 절연층의 열전도도는 10W/m·K 내지 420W/m·K이고, 체적저항률은 1x103Ω-cm내지 1x1020Ω-cm의 범위일 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 열전도도가 높고, 낮은 전도도를 가지는 절연층을 포함하는 이차전지용 외장재를 제공함으로써, 전지 내부에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출하여 전지의 수명을 증가시키고, 절연 특성을 향상시켜 전지의 안전성도 함께 보장할 수 있다.
이어서, 파우치 외장재의 상,하단부의 밀봉부(112, 122)를 접착한 다음, 리튬 이온의 공급원으로 작용하는 리튬염과, 전기화학적 반응에 관여하는 이온들의 이동을 위한 매질 역할을 하는 비수성 유기 용매를 포함하는 전해액(미도시)을 주입하여 본 발명의 파우치형 이차전지(100)를 제조한다.
이때, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 파우치 외장재의 상,하단부의 밀봉부(112, 122)에 본 발명의 이차전지용 접착제 (미도시)를 스프레이 도포한 다음, 이 두 부분을 접착함으로써, 전지의 패키징이 용이하고, 냉각 효율이 향상될 뿐만 아니라, 생산비용이 감소하는 장점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 전극조립체
100: 이차전지
110: 파우치 외장재의 수용부
120: 파우치 외장재의 상단부
112, 122: 파우치 외장재의 밀봉부
200: 절연층

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 적어도 하나 이상의 금속박층 및 수지층을 포함하는 리튬 이차전지용 외장재에 있어서,
    상기 외장재의 일면에 형성된 절연층을 포함하며, 상기 절연층은 탄소섬유, 세라믹 및 용매를 포함하고,
    상기 리튬 이차전지용 외장재의 열전도도는 10W/m·K 이상이고, 체적저항률은 1x103Ω-cm 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 외장재.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 외장재 조성물은 스프레이 방법으로 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 외장재.
  7. 삭제
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 리튬 이차전지용 외장재의 열전도도는 10W/m·K 내지 420W/m·K이고, 체적저항률은 1x103Ω-cm내지 1x1020Ω-cm인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 외장재.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 절연층을 포함하는 외장재는 개별 셀의 열전도도 구별이 가능하도록 유색성을 지니는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 외장재.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 리튬 이차전지용 외장재는 파우치형 외장재 또는 알루미늄 캔형 외장재인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 외장재.
  11. 청구항 5에 있어서,
    상기 리튬 이차전지용 외장재는 적어도 하나 이상의 단위셀, 방열판 또는 전지팩 외장재의 일면에 부착되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 외장재.
  12. 전극조립체; 및
    상기 전극조립체를 수용하는 청구항 5에 기재된 외장재를 포함하는 리튬 이차전지.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 복수 개의 이차전지;
    상기 복수 개의 이차전지가 적층되어 수용된 하우징 어셈블리; 및
    접착 부재에 의해 접착된 복수 개의 하우징 어셈블리를 포함하는 복수 개의 배터리 모듈을 구비한 배터리 팩에 있어서,
    상기 이차전지는 청구항 12에 기재된 이차전지를 포함하며,
    상기 접착 부재는 탄소섬유, 세라믹, 용매 및 접착제로 이루어진 이차전지용 접착제를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 청구항 5에 있어서,
    상기 탄소섬유는 셀룰로오스, 아크릴 섬유, 비닐론 및 피치로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 외장재.
  19. 청구항 5에 있어서,
    상기 세라믹은 금속 산화물, 금속 질화물, 수산화물, 알콕시화물, 케톤화물 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 외장재.
  20. 청구항 5에 있어서,
    상기 탄소 섬유 : 세라믹의 중량비는 3:7 내지 7:3인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 외장재.
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