KR101555662B1 - Lithium secondary battery including phase change material - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상변화 물질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체; 상기 전극조립체의 외부를 감싸며 형성된 전지케이스; 상기 전지케이스의 내부에 주입되며, 상기 전극조립체를 함침시키는 비수 전해액; 및 상기 전지케이스의 내부에 존재하는 상변화 물질(phase change material, PCM);을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는, 내부에 상변화 물질을 포함하고 있어, 고온의 환경하에서는 주위의 열을 축적하고 있다가, 주변의 온도가 낮아지면서 서서히 액체에서 고체로의 상변화가 일어남과 동시에, 상변화 물질의 계 외부로 열을 발산함으로써, 저온의 환경에서도 IR 드롭을 최소화하여 고율방전을 가능하게 한다. 이로써, 저온의 환경에서도 예열 없이 전지의 사용이 가능하다.The present invention relates to a lithium secondary battery including a phase change material, and more particularly, to an electrode assembly including a cathode, an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode; A battery case formed to surround the outside of the electrode assembly; A nonaqueous electrolyte injected into the battery case to impregnate the electrode assembly; And a phase change material (PCM) existing inside the battery case.
The lithium secondary battery according to the present invention contains a phase change material therein and accumulates ambient heat under a high temperature environment and gradually changes phase from liquid to solid as the temperature around the lithium ion secondary battery decreases , The heat is radiated to the outside of the system of the phase change material so that the IR drop can be minimized even in a low temperature environment, thereby enabling a high rate discharge. This makes it possible to use the battery without preheating even in a low-temperature environment.
Description
본 발명은 상변화 물질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온환경 하에서도 리튬 이차전지의 초기 IR 드롭 (IR-drop)을 최소화하여 고율방전이 가능하도록 하는, 상변화 물질을 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lithium secondary battery including a phase-change material, and more particularly, to a lithium secondary battery including a phase-change material capable of minimizing an initial IR drop of a lithium secondary battery, And more particularly, to a lithium secondary battery including the lithium secondary battery.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.Recently, interest in energy storage technology is increasing. As the application fields of cell phones, camcorders, notebook PCs and even electric vehicles are expanding, efforts for research and development of electrochemical devices are becoming more and more specified. Electrochemical devices have attracted the most attention in this respect. Among them, the development of rechargeable secondary batteries has become a focus of attention. In recent years, in order to improve capacity density and specific energy in developing such batteries, Research and development on the design of new electrodes and batteries are underway.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 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.Among the currently applied secondary batteries, the lithium secondary battery developed in the early 1990s has advantages such as higher operating voltage and higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd and sulfuric acid-lead batteries using an aqueous electrolyte solution .
한편, 일반적으로 리튬 이차전지는 구동방식의 화학적 특성에 따라 저온 환경에서의 방전 용량 및 특성이 상온 혹은 고온 환경에서의 방전 용량과 특성에 비해서 낮다. 이는 저온 방전시에 급격하게 전압이 강하(voltage drop)되는 것에 기인한 것이다.On the other hand, lithium secondary batteries generally have lower discharge capacities and characteristics in a low-temperature environment than discharge capacities and characteristics in a room-temperature or high-temperature environment depending on the chemical characteristics of the driving system. This is due to a sudden voltage drop in the low temperature discharge.
이러한 리튬 이차전지의 특성은 추운 겨울 등의 저온환경에서 리튬 이차전지를 이용한 기기, 예를 들어 전동공구 또는 자동차용 전지를 이용할 때에, 사용 시간이 급격하게 감소되거나 전원이 꺼지는 현상 등을 야기하곤 한다.The characteristics of such a lithium secondary battery often cause a phenomenon in which the use time is suddenly reduced or power is turned off when a device using a lithium secondary battery such as a power tool or an automotive battery is used in a low temperature environment such as a cold winter .
상기한 리튬 이차전지의 특성을 이해하지 못하는 일반 사용자는 상기한 현상을 막연히 리튬 이차전지의 결함으로 오인하여, 제품의 신뢰도가 저하되는 문제가 있었다.A general user who does not understand the characteristics of the lithium secondary battery has mistakenly believed that the above phenomenon is a defect of the lithium secondary battery, thereby lowering the reliability of the product.
이에 저온 환경에서 리튬 이차전지의 방전특성을 개선하기 위한 노력이 계속되고 있다.Therefore, efforts have been made to improve the discharge characteristics of the lithium secondary battery in a low temperature environment.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 저온의 환경에서도 리튬 이차전지의 초기 IR 드롭을 최소화함으로써 고율방전이 가능하도록 하는, 상변화 물질을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a lithium secondary battery including a phase-change material capable of high-rate discharge by minimizing an initial IR drop of the lithium secondary battery even in a low-temperature environment.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체; 상기 전극조립체의 외부를 감싸며 형성된 전지케이스; 상기 전지케이스의 내부에 주입되며, 상기 전극조립체를 함침시키는 비수 전해액; 및 상기 전지케이스의 내부에 존재하는 상변화 물질(phase change material, PCM);을 포함하는 리튬 이차전지가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electrode assembly including a cathode, an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode; A battery case formed to surround the outside of the electrode assembly; A nonaqueous electrolyte injected into the battery case to impregnate the electrode assembly; And a phase change material (PCM) existing inside the battery case.
이때, 상기 상변화 물질은, 수화물 형태의 무기물, 파라핀계 탄화수소 및 유기산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.At this time, the phase change material may be any one selected from the group consisting of an inorganic substance in the form of a hydrate, a paraffinic hydrocarbon and an organic acid, or a mixture of two or more thereof.
여기서, 상기 수화물 형태의 무기물은, NaNH4SO4·2H2O, Na2SO4·10H2O, Na2SiO3·5H2O, Na3PO4·12H2O, Na(CH3COO) ·3H2O, NaHPO4·12H2O, K2HPO4·3H2O, Fe(NO3)3·9H2O, FeCl3·2H2O, Fe2O3·4SO4·9H2O, Ca(NO3)2·3H2O, CaCl2·6H2O, K2HPO4·3H2O 및 K3PO4·7H2O로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.Here, the inorganic material of the hydrate forms, NaNH 4 SO 4 · 2H 2 O, Na 2 SO 4 · 10H 2 O, Na 2 SiO 3 · 5H 2 O, Na 3 PO 4 · 12H 2 O, Na (CH 3 COO ) 3H 2 O, NaHPO 4 .12H 2 O, K 2 HPO 4 .3H 2 O, Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O, FeCl 3 .2H 2 O, Fe 2 O 3 .4SO 4 .9H 2 O, Ca (NO 3 ) 2 .3H 2 O, CaCl 2 .6H 2 O, K 2 HPO 4 .3H 2 O and K 3 PO 4 .7H 2 O, Or more.
그리고, 상기 파라핀계 탄화수소는, n-옥타코산, n-헵타코산, n-펜타코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-에이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸 및 n-트리데칸으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The paraffinic hydrocarbon may be at least one selected from the group consisting of n-octanoic acid, n-heptanoic acid, n-pentanoic acid, n-tetracholic acid, n- n-nonadecane, n-octadecane, n-heptadecane, n-hexadecane, n-pentadecane, n-tetradecane and n-tridecane, or a mixture of two or more thereof .
그리고, 상기 유기산은, n-옥타노익산, 타르타르산, 옥살산, 아세트산, 유산 및 클로로아세트산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The organic acid may be any one selected from the group consisting of n-octanoic acid, tartaric acid, oxalic acid, acetic acid, lactic acid and chloroacetic acid, or a mixture of two or more thereof.
그리고, 상기 상변화 물질은, 상기 상변화 물질의 외부면을 둘러싸는 캡슐 코팅층;을 더 포함하는 캡슐형의 상변화 물질일 수 있다.The phase change material may be a capsule-type phase change material further comprising a capsule coating layer surrounding the outer surface of the phase change material.
이때, 상기 캡슐 코팅층의 두께는 1 nm 내지 1 mm일 수 있다.At this time, the thickness of the capsule coating layer may be 1 nm to 1 mm.
그리고, 상기 캡슐 코팅층은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스타이렌, 나일론, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 젤라틴, 키토산, 셀룰로오스, 폴리메틸메타크릴레이트 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The capsule coating layer may be formed of any one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polystyrene, nylon, polycaprolactone, polyethylene terephthalate, polyurethane, gelatin, chitosan, cellulose, polymethyl methacrylate, Or a mixture of two or more thereof.
한편, 상기 상변화 물질은, 상기 비수 전해액 내에 분산되어 있는 것일 수 있다.On the other hand, the phase change material may be dispersed in the non-aqueous electrolyte.
그리고, 상기 전극조립체는, 권취형 전극조립체로서 상기 전극조립체의 권취축인 센터핀을 더 포함하며, 상기 상변화 물질은, 상기 센터핀에 도포되어 있는 것일 수 있다.The electrode assembly may further include a center pin as a winding axis of the electrode assembly as the wound electrode assembly, and the phase change material may be coated on the center pin.
그리고, 상기 상변화 물질은, 상기 센터핀에 도포되어 상변화 물질층을 이루며 형성되고, 상기 상변화 물질층의 상면에 코팅층을 더 포함할 수 있다.The phase change material may be formed on the center pin to form a phase change material layer, and may further include a coating layer on the phase change material layer.
이때, 상기 코팅층의 두께는 1 nm 내지 1 mm일 수 있다.At this time, the thickness of the coating layer may be 1 nm to 1 mm.
그리고, 상기 코팅층은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스타이렌, 나일론, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 젤라틴, 키토산, 셀룰로오스, 폴리메틸메타크릴레이트 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.The coating layer may be formed of any one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polystyrene, nylon, polycaprolactone, polyethylene terephthalate, polyurethane, gelatin, chitosan, cellulose, polymethyl methacrylate, And mixtures of two or more thereof.
그리고, 상기 상변화 물질은, 상기 전지케이스의 내부면에 도포되어 있는 것일 수 있다.The phase change material may be applied to the inner surface of the battery case.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지는, 내부에 상변화 물질을 포함하고 있어, 고온의 환경하에서는 주위의 열을 축적하고 있다가, 주변의 온도가 낮아지면서 서서히 액체에서 고체로의 상변화가 일어남과 동시에, 상변화 물질의 계 외부로 열을 발산함으로써, 저온의 환경에서도 IR 드롭을 최소화하여 고율방전을 가능하게 한다. 이로써, 저온의 환경에서도 예열 없이 전지의 사용이 가능하다.The lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a phase change material therein and accumulates ambient heat under a high temperature environment and gradually changes the phase from liquid to solid And at the same time, dissipates heat to the outside of the system of the phase change material, thereby enabling high-rate discharge by minimizing IR drop even in a low-temperature environment. This makes it possible to use the battery without preheating even in a low-temperature environment.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는, 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체; 상기 전극조립체의 외부를 감싸며 형성된 전지케이스; 상기 전지케이스의 내부에 주입되며, 상기 전극조립체를 함침시키는 비수 전해액; 및 상기 전지케이스의 내부에 존재하는 상변화 물질(phase change material, PCM);을 포함한다.A lithium secondary battery according to the present invention includes: an electrode assembly including a cathode, an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode; A battery case formed to surround the outside of the electrode assembly; A nonaqueous electrolyte injected into the battery case to impregnate the electrode assembly; And a phase change material (PCM) existing inside the battery case.
여기서, 상변화 물질은 물질이 갖고 있는 잠열의 흡수 또는 방출 효과를 이용하여 에너지를 저장하거나 온도를 일정하게 유지하는 목적으로 사용되는 물질을 일컫는다. 여기서, 잠열은 물질이 상변화될 때, 즉 고체에서 액체로 또는 액체에서 고체로, 액체에서 기체로 또는 기체에서 액체로 변할 때에 동일한 온도를 유지하며, 흡수하거나 방출하는 열을 의미하며, 잠열은 현열(상변화가 일어나지 않은 상태에서의 흡수 또는 방출되는 열)의 양보다 매우 크다.Here, the phase change material refers to a substance used for the purpose of storing energy or maintaining a constant temperature by utilizing absorption or release effect of latent heat contained in the material. Here, latent heat means heat that absorbs or releases the same when the material is phase-changed, that is, from solid to liquid or from liquid to solid, from liquid to gas or from gas to liquid, Is much greater than the amount of sensible heat (heat absorbed or released in the absence of phase change).
이와 같이, 상변화 물질은 주변 온도가 높을 때에는 서서히 온도가 상승되도록 하고, 주변 온도가 낮을 때에는 서서히 온도가 하강되도록 한다.As described above, the phase change material gradually increases the temperature when the ambient temperature is high, and gradually decreases when the ambient temperature is low.
구체적으로, 상기 상변화 물질이 그의 고유 상변화 온도를 갖거나 또는 물질에 대하여 일정한 온도를 기억시켜 놓으면, 해당 온도 범위에서 상변화 물질이 상을 변화시키면서 열을 방출하거나 열을 저장하여서 주변 온도를 높이거나 낮출 수 있다. 그러므로, 저온 장소에서 고온 장소로 옮긴 경우, 고체 상에서 액체 상으로 변화되면서 주변의 열을 빼앗아 주변을 냉각시킬 수 있게 되며, 이와 반대로 고온 장소에서 저온 장소로 옮긴 경우, 액체에서 고체로 상이 변화되면서 주변에 열을 방출하여 주변 온도를 증가시킬 수 있다.Specifically, when the phase-change material has its intrinsic phase-change temperature or stores a constant temperature for the material, the phase-change material changes the phase in the temperature range and releases heat or stores heat to maintain the ambient temperature Can be raised or lowered. Therefore, when transferred from a low-temperature place to a high-temperature place, the solid phase changes into a liquid phase and the surrounding heat is taken away to cool the surroundings. On the other hand, To increase the ambient temperature.
전술한 상변화 물질의 특성을 이용하여, 리튬 이차전지의 내부에 상기 상변화 물질이 포함됨으로써 저온의 환경에서도 IR 드롭을 최소화하여 리튬 이차전지의 고율방전을 가능하게 한다. 이로써, 저온의 환경에서도 예열 없이 리튬 이차전지의 사용이 가능하다.By using the phase change material characteristic described above, the phase change material is contained in the lithium secondary battery to minimize the IR drop even in a low temperature environment, thereby enabling a high rate discharge of the lithium secondary battery. This makes it possible to use a lithium secondary battery without preheating even in a low temperature environment.
여기서, 상기 상변화 물질은, 수화물 형태의 무기물, 파라핀계 탄화수소 및 유기산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.Here, the phase change material may be any one selected from the group consisting of an inorganic substance in the form of a hydrate, a paraffinic hydrocarbon and an organic acid, or a mixture of two or more thereof.
이때, 상기 수화물 형태의 무기물은, NaNH4SO4·2H2O, Na2SO4·10H2O, Na2SiO3·5H2O, Na3PO4·12H2O, Na(CH3COO) ·3H2O, NaHPO4·12H2O, K2HPO4·3H2O, Fe(NO3)3·9H2O, FeCl3·2H2O, Fe2O3·4SO4·9H2O, Ca(NO3)2·3H2O, CaCl2·6H2O, K2HPO4·3H2O 및 K3PO4·7H2O로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.At this time, the inorganic material of the hydrate forms, NaNH 4 SO 4 · 2H 2 O, Na 2 SO 4 · 10H 2 O, Na 2 SiO 3 · 5H 2 O, Na 3 PO 4 · 12H 2 O, Na (CH 3 COO ) 3H 2 O, NaHPO 4 .12H 2 O, K 2 HPO 4 .3H 2 O, Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O, FeCl 3 .2H 2 O, Fe 2 O 3 .4SO 4 .9H 2 O, Ca (NO 3 ) 2 .3H 2 O, CaCl 2 .6H 2 O, K 2 HPO 4 .3H 2 O and K 3 PO 4 .7H 2 O, Or more.
그리고, 상기 파라핀계 탄화수소는, n-옥타코산, n-헵타코산, n-펜타코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-에이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸 및 n-트리데칸으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The paraffinic hydrocarbon may be at least one selected from the group consisting of n-octanoic acid, n-heptanoic acid, n-pentanoic acid, n-tetracholic acid, n- n-nonadecane, n-octadecane, n-heptadecane, n-hexadecane, n-pentadecane, n-tetradecane and n-tridecane, or a mixture of two or more thereof .
그리고, 상기 유기산은, n-옥타노익산, 타르타르산, 옥살산, 아세트산, 유산 및 클로로아세트산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The organic acid may be any one selected from the group consisting of n-octanoic acid, tartaric acid, oxalic acid, acetic acid, lactic acid and chloroacetic acid, or a mixture of two or more thereof.
한편, 상기 상변화 물질은 고체에서 액체로 상전이 될 경우 액체로 상전이 된 상변화 물질의 흐름성으로 인한 문제를 극복하기 위하여, 상기 상변화 물질은, 상변화 물질의 외부면을 둘러싸는 캡슐 코팅층을 더 포함하는 캡슐형의 상변화 물질일 수 있다.In order to overcome the problem caused by the flowability of the phase-change material phase-transformed to the liquid when the phase-change material is phase-transformed from solid to liquid, the phase-change material includes a capsule coating layer surrounding the outer surface of the phase- Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI >
여기서, 상기 캡슐형의 상변화 물질은 수십 nm에서 수 mm의 입자크기를 가질 수 있으며, 이때 상기 캡슐 코팅층의 두께는, 상기 상변화 물질 전체 직경 대비 5 내지 50 %일 수 있다. 더욱 자세하게는, 상기 캡슐 코팅층의 두께는, 상기 캡슐형의 상변화 물질의 크기에 따라 1 nm 내지 1 mm까지 다양하게 존재할 수 있으며, 캡슐 코팅층 내부의 상변화 물질이 캡슐 코팅층 외부와의 열전달이 원활하게 이루어지는 것에 지장이 없는 두께라면 이에만 한정되는 것은 아니다.Here, the capsule-type phase change material may have a particle size of several tens nm to several mm, and the thickness of the capsule coating layer may be 5 to 50% of the total diameter of the phase change material. More specifically, the thickness of the capsule coating layer may vary from 1 nm to 1 mm depending on the size of the capsule-type phase change material, and the phase change material inside the capsule coating layer is smoothly transferred to the outside of the capsule coating layer The thickness is not limited thereto.
그리고, 상기 캡슐 코팅층은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스타이렌, 나일론, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 젤라틴, 키토산, 셀룰로오스, 폴리메틸메타크릴레이트 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.The capsule coating layer may be formed of any one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polystyrene, nylon, polycaprolactone, polyethylene terephthalate, polyurethane, gelatin, chitosan, cellulose, polymethyl methacrylate, Or a mixture of two or more thereof.
한편, 상기 상변화 물질은, 상기 비수 전해액 내에 분산되어 존재할 수 있다. 비수 전해액은 전극조립체를 포함한 리튬 이차전지 내부에 골고루 분포되어 있기 때문에, 상변화 물질이 비수 전해액에 분산되어 존재하게 되면, 전지 내부의 온도가 균일하게 유지될 수 있다.Meanwhile, the phase change material may be dispersed in the non-aqueous electrolyte. Since the nonaqueous electrolyte solution is uniformly distributed within the lithium secondary battery including the electrode assembly, if the phase change material is dispersed in the nonaqueous electrolyte solution, the temperature inside the battery can be kept uniform.
이때에도, 상기 상변화 물질은, 상변화 물질의 외부면을 둘러싸는 캡슐 코팅층을 더 포함하는 캡슐형의 상변화 물질일 수 있다.Again, the phase change material may be a capsule-shaped phase change material further comprising a capsule coating layer surrounding the outer surface of the phase change material.
이때, 상기 캡슐 코팅층을 이루는 물질들은, 비수 전해액과 반응성이 없는 물질이어야 한다.At this time, the material forming the capsule coating layer should be a material which is not reactive with the non-aqueous electrolyte.
그리고, 상기 전극조립체의 형상은 권취형일 수도 있고, 스택형일 수도 있어, 그 형상에는 제한이 없으나, 권취형의 전극조립체인 경우, 상기 전극조립체의 권취축으로 작용하는 센터핀을 더 포함할 수 있으며, 이때, 상기 상변화 물질은, 상기 센터핀에 도포된 형태로 존재할 수 있다.The shape of the electrode assembly may be a winding type or a stack type, and the shape of the electrode assembly is not limited. In the case of a wound electrode assembly, the electrode assembly may further include a center pin acting as a winding axis of the electrode assembly Here, the phase change material may exist in a form coated on the center pin.
상기 상변화 물질이 상기 센터핀에 도포되어 있음으로써, 상변화 물질에서 발생된 열이 전지의 전 방향으로 균일하게 확산될 수 있고, 전지 내부의 열이 균일한 방향을 갖고, 상변화 물질로 흡수될 수 있어, 전지 내부의 온도를 모든 영역에서 일정하게 유지할 수 있다.Since the phase change material is applied to the center pin, heat generated from the phase change material can be uniformly diffused in all directions of the cell, heat in the cell can be uniformly oriented, So that the temperature inside the battery can be kept constant in all areas.
이때, 상기 상변화 물질은, 그 입자 각각에, 상기 상변화 물질의 외부면을 둘러싸는 캡슐 코팅층을 더 포함하는 캡슐형의 상변화 물질일 수 있다.The phase change material may be a capsule type phase change material further comprising a capsule coating layer surrounding each of the particles on the outer surface of the phase change material.
그리고, 상기 상변화 물질은, 상기 센터핀에 도포되어 상변화 물질층을 이루며 형성되고, 상기 상변화 물질층의 상면에 코팅층을 더 포함하는 것일 수 있다.The phase change material may be formed on the center pin to form a phase change material layer, and may further include a coating layer on the phase change material layer.
이때, 상기 코팅층의 두께는 1 nm 내지 1 mm일 수 있으나, 코팅층 내부의 상변화 물질이 코팅층 외부와의 열전달이 원활하게 이루어지는 것에 지장이 없는 두께라면 이에만 한정되는 것은 아니다.At this time, the thickness of the coating layer may be 1 nm to 1 mm, but it is not limited thereto as long as the phase change material in the coating layer does not interfere with smooth transfer of heat to the outside of the coating layer.
그리고, 상기 코팅층은, 전술한 상기 캡슐 코팅층을 이루는 물질과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.The coating layer may be formed of the same material as the material forming the capsule coating layer.
그리고, 상기 상변화 물질은, 상기 전지케이스의 내부면에 부착되어 존재할 수도 있으며, 그 상변화 물질이 형성되어 있는 모습은 캡슐형 또는 필름형 등으로 전술한 바와 같다.The phase change material may be attached to the inner surface of the battery case, and the phase change material may be formed in a capsule shape or a film shape.
한편, 본 발명의 리튬 이차전지에 적용될 전극으로는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질을 전극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다. 상기 전극 활물질 중 캐소드활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 캐소드에 사용될 수 있는 통상적인 캐소드활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간 산화물, 리튬코발트 산화물, 리튬니켈 산화물, 리튬철 산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합 산화물을 사용할 수 있다. 애노드활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 애노드에 사용될 수 있는 통상적인 애노드활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등과 같은 리튬 흡착물질 등이 바람직하다. 캐소드 전류집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 애노드 전류집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.Meanwhile, the electrode to be applied to the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and the electrode active material may be bound to an electrode current collector according to a conventional method known in the art. Examples of the cathode active material include, but are not limited to, lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium iron oxide, or a combination thereof A lithium complex oxide may be used. As a non-limiting example of the anode active material, a conventional anode active material that can be used for an anode of an electrochemical device can be used. In particular, lithium metal or a lithium alloy, carbon, petroleum coke, activated carbon, Lithium-adsorbing materials such as graphite or other carbon-based materials and the like are preferable. Non-limiting examples of the cathode current collector include aluminum, nickel, or a combination thereof, and examples of the anode current collector include copper, gold, nickel, or a copper alloy or a combination thereof Foil to be manufactured, and the like.
또한, 본 발명에서 사용될 수 있는 세퍼레이터로는, 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.As the separator that can be used in the present invention, any porous substrate used in an electrochemical device can be used. For example, a polyolefin porous membrane or a nonwoven fabric may be used, It is not.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.Examples of the polyolefin-based porous film include polyolefin-based polymers such as polyethylene, polypropylene, polybutylene, and polypentene, such as high density polyethylene, linear low density polyethylene, low density polyethylene and ultra high molecular weight polyethylene, One membrane can be mentioned.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.The nonwoven fabric may include, in addition to the polyolefin nonwoven fabric, for example, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate ), Polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylenesulfide, and polyethylene naphthalene, which may be used alone or in combination, And nonwoven fabrics formed by mixing these polymers. The structure of the nonwoven fabric may be a spun bond nonwoven fabric or a meltblown nonwoven fabric composed of long fibers.
한편, 본 발명에서는 상기 다공성 기재의 적어도 일면상에, 무기물 입자와 고분자 바인더의 혼합물을 포함하는 다공성 코팅층을 더 구비하는 것을 사용할 수 있다. 이러한 다공성 코팅층을 구비하는 다공성 기재에 있어서, 다공성 기재에 형성된 다공성 코팅층 내의 무기물 입자들은 다공성 코팅층의 물리적 형태를 유지할 수 있는 일종의 스페이서(spacer) 역할을 함으로써, 리튬 이차전지의 과열 시 다공성 기재가 열 수축되는 것을 억제하며, 다공성 기재가 손상되는 경우에도 캐소드와 애노드가 직접 접촉하는 것을 방지한다.Meanwhile, in the present invention, a porous coating layer containing a mixture of inorganic particles and a polymeric binder may be further provided on at least one surface of the porous substrate. In the porous substrate having such a porous coating layer, the inorganic particles in the porous coating layer formed on the porous substrate serve as a kind of spacer capable of maintaining the physical form of the porous coating layer, so that when the lithium secondary battery is overheated, And prevents direct contact between the cathode and the anode even when the porous substrate is damaged.
그리고, 본 발명에서 사용될 수 있는 비수 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마-부티로락톤 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.Then, the non-aqueous electrolyte that may be used in the present invention is A + B - A salt of the structure, such as, A + comprises Li +, Na +, an alkali metal cation or an ion composed of a combination thereof, such as K + and B - is PF 6 -, BF 4 -, Cl -, Br -, I -, ClO 4 -, AsF 6 -, CH 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, N (CF 3 SO 2) 2 -, C ( CF 2 SO 2) 3 - anion, or a salt containing an ion composed of a combination of propylene carbonate (PC like), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate (DPC), dimethylsulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethylmethyl carbonate (EMC), gamma- , And the like, but the present invention is not limited thereto.
상기 비수 전해액 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지 조립 전 또는 전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.The non-aqueous electrolyte injection may be performed at an appropriate stage of the battery manufacturing process, depending on the manufacturing process and required properties of the final product. That is, it can be applied before assembling the cell or at the final stage of assembling the cell.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (17)
상기 전극조립체의 권취축인 센터핀;
상기 전극조립체의 외부를 감싸며 형성된 전지케이스;
상기 전지케이스의 내부에 주입되며, 상기 전극조립체를 함침시키는 비수 전해액; 및
상기 센터핀에 도포되어 있는 상변화 물질(phase change material, PCM);을 포함하는 리튬 이차전지.A wound electrode assembly having a cathode, an anode, and a separator interposed between the cathode and the anode;
A center pin as a winding shaft of the electrode assembly;
A battery case formed to surround the outside of the electrode assembly;
A nonaqueous electrolyte injected into the battery case to impregnate the electrode assembly; And
And a phase change material (PCM) applied to the center pin.
상기 상변화 물질은, 수화물 형태의 무기물, 파라핀계 탄화수소 및 유기산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
Wherein the phase change material is any one selected from the group consisting of an inorganic substance in the form of a hydrate, a paraffinic hydrocarbon and an organic acid, or a mixture of two or more thereof.
상기 수화물 형태의 무기물은, NaNH4SO4·2H2O, Na2SO4·10H2O, Na2SiO3·5H2O, Na3PO4·12H2O, Na(CH3COO) ·3H2O, NaHPO4·12H2O, K2HPO4·3H2O, Fe(NO3)3·9H2O, FeCl3·2H2O, Fe2O3·4SO4·9H2O, Ca(NO3)2·3H2O, CaCl2·6H2O, K2HPO4·3H2O 및 K3PO4·7H2O로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.3. The method of claim 2,
Minerals of the hydrate forms, NaNH 4 SO 4 · 2H 2 O, Na 2 SO 4 · 10H 2 O, Na 2 SiO 3 · 5H 2 O, Na 3 PO 4 · 12H 2 O, Na (CH 3 COO) · 3H 2 O, NaHPO 4 .12H 2 O, K 2 HPO 4 .3H 2 O, Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O, FeCl 3 .2H 2 O, Fe 2 O 3 .4SO 4 .9H 2 O, Ca (NO 3) 2 · 3H 2 O, CaCl 2 · 6H 2 O, K 2 HPO 4 · 3H 2 O and K 3 PO 4 · one selected from 7H group consisting of 2 O or a mixture of two or more of these And a lithium secondary battery.
상기 파라핀계 탄화수소는, n-옥타코산, n-헵타코산, n-펜타코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-에이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸 및 n-트리데칸으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.3. The method of claim 2,
The paraffinic hydrocarbon may be at least one selected from the group consisting of n-octanoic acid, n-heptanoic acid, n-pentanoic acid, n-tetracholic acid, n- N-octadecane, n-heptadecane, n-hexadecane, n-pentadecane, n-tetradecane, and n-tridecane, or a mixture of two or more thereof By weight.
상기 유기산은, n-옥타노익산, 타르타르산, 옥살산, 아세트산, 유산 및 클로로아세트산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.3. The method of claim 2,
Wherein the organic acid is any one selected from the group consisting of n-octanoic acid, tartaric acid, oxalic acid, acetic acid, lactic acid and chloroacetic acid or a mixture of two or more thereof.
상기 상변화 물질은, 상기 상변화 물질의 외부면을 둘러싸는 캡슐 코팅층;을 더 포함하는 캡슐형의 상변화 물질인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
Wherein the phase change material is a capsule type phase change material further comprising a capsule coating layer surrounding the outer surface of the phase change material.
상기 캡슐 코팅층의 두께는 1 nm 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 6,
Wherein the capsule coating layer has a thickness of 1 nm to 1 mm.
상기 캡슐 코팅층은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스타이렌, 나일론, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 젤라틴, 키토산, 셀룰로오스, 폴리메틸메타크릴레이트 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 6,
Wherein the capsule coating layer is at least one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polystyrene, nylon, polycaprolactone, polyethylene terephthalate, polyurethane, gelatin, chitosan, cellulose, polymethyl methacrylate, And a mixture of two or more thereof.
상기 비수 전해액 내에 분산되어 있는 상변화 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
And a phase change material dispersed in the non-aqueous electrolyte.
상기 센터핀에 도포되어 있는 상변화 물질은 상변화 물질층을 이루며 형성되고,
상기 상변화 물질층의 상면에 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
The phase change material applied to the center pin is formed as a phase change material layer,
And a coating layer on the upper surface of the phase change material layer.
상기 코팅층의 두께는 1 nm 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.13. The method of claim 12,
Wherein the thickness of the coating layer is 1 nm to 1 mm.
상기 코팅층은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스타이렌, 나일론, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 젤라틴, 키토산, 셀룰로오스, 폴리메틸메타크릴레이트 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.13. The method of claim 12,
Wherein the coating layer is at least one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polystyrene, nylon, polycaprolactone, polyethylene terephthalate, polyurethane, gelatin, chitosan, cellulose, polymethyl methacrylate, A lithium secondary battery comprising:
상기 전지케이스의 내부면에 도포되어 있는 상변화 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
And a phase change material applied to the inner surface of the battery case.
상기 전지케이스의 내부면에 도포된 상변화 물질은, 상기 전지케이스의 내부면에 필름형으로 도포되어 상변화 물질층을 이루며 형성되고,
상기 상변화 물질층의 상면에 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.16. The method of claim 15,
The phase change material applied on the inner surface of the battery case is formed on the inner surface of the battery case in the form of a film to form a phase change material layer,
And a coating layer on the upper surface of the phase change material layer.
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