KR101693289B1 - 이차 전지 - Google Patents

이차 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101693289B1
KR101693289B1 KR1020120084199A KR20120084199A KR101693289B1 KR 101693289 B1 KR101693289 B1 KR 101693289B1 KR 1020120084199 A KR1020120084199 A KR 1020120084199A KR 20120084199 A KR20120084199 A KR 20120084199A KR 101693289 B1 KR101693289 B1 KR 101693289B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
active material
electrode
material layer
outermost
negative
Prior art date
Application number
KR1020120084199A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140017766A (ko
Inventor
이종훈
김준식
김태근
노세원
김성수
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020120084199A priority Critical patent/KR101693289B1/ko
Priority to US13/834,732 priority patent/US8999556B2/en
Publication of KR20140017766A publication Critical patent/KR20140017766A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101693289B1 publication Critical patent/KR101693289B1/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058Construction or manufacture
    • H01M10/0585Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/463Separators, membranes or diaphragms characterised by their shape
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/463Separators, membranes or diaphragms characterised by their shape
    • H01M50/469Separators, membranes or diaphragms characterised by their shape tubular or cylindrical
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

이차 전지는 전극 조립체와 케이스 및 전극 단자를 포함한다. 전극 조립체는 세퍼레이터 및 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 양극과 음극을 포함한다. 케이스는 전극 조립체를 수용한다. 전극 단자는 양극에 연결된 양극 단자 및 음극에 연결된 음극 단자를 포함한다. 전극 조립체는 한 쌍의 최외곽 음극을 포함하고, 한 쌍의 최외곽 음극 각각은 음극 집전체 및 음극 집전체의 양면에 형성된 음극 활물질층을 포함한다.

Description

이차 전지 {SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 조립체의 구조에 관한 것이다.
전지는 내부에 함유된 화학 물질의 산화 환원 반응시 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 전지는 내부의 에너지가 모두 소모되면 폐기해야 하는 일차 전지와, 충전이 가능한 이차 전지로 구분된다. 이차 전지는 화학 에너지와 전기 에너지의 가역적 상호 변환을 이용하여 여러번 충전하여 사용할 수 있다.
이차 전지는 케이스와, 케이스의 내부에 수용되는 전극 조립체를 포함한다. 전극 조립체는 양극과 음극 및 이들 사이에 위치하는 세퍼레이터로 구성된다. 양극과 세퍼레이터 및 음극은 복수개로 적층되어 적층형 전극 조립체를 구성할 수 있다. 최근 이차 전지의 사용이 늘어나면서 다양한 사용 조건, 예를 들어 과충전과 같은 비정상적인 사용 조건에서도 높은 안전성을 발휘하는 이차 전지가 요구되고 있다.
본 발명은 과충전 조건에서 안전성을 높이고 성능 저하를 최소화할 수 있는 이차 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 세퍼레이터 및 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 양극과 음극을 포함하는 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 케이스와, 전극 조립체에 연결된 전극 단자를 포함한다. 전극 조립체는 한 쌍의 최외곽 음극을 포함하고, 한 쌍의 최외곽 음극 각각은 음극 집전체 및 음극 집전체의 양면에 형성된 음극 활물질층을 포함한다.
음극 활물질층은 음극 집전체의 내면에 형성된 내측 활물질층과 음극 집전체의 외면에 형성된 외측 활물질층을 포함하고, 외측 활물질층은 내측 활물질층과 같은 음극 활물질을 포함할 수 있다.
외측 활물질층은 흑연을 포함할 수 있다. 외측 활물질층은 내측 활물질층과 같은 크기 및 같은 두께를 가질 수 있다.
다른 한편으로, 외측 활물질층은 내측 활물질층과 다른 음극 활물질을 포함할 수 있다. 외측 활물질층은 비정질 탄소와 실리콘산화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
외측 활물질층은 결정질 탄소와 비정질 탄소 및 실리콘산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
양극과 음극은 복수개로 적층되며, 한 쌍의 최외곽 음극을 포함한 음극의 전체 개수는 양극의 전체 개수보다 한 개 많을 수 있다.
양극과 음극 사이마다 세퍼레이터가 한 장씩 위치할 수 있다.
다른 한편으로, 세퍼레이터는 한 쌍의 최외곽 음극 중 어느 한 최외곽 음극의 외측에서부터 모든 양극과 모든 음극 사이를 지그재그 패턴으로 통과한 다음 다른 한 최외곽 음극의 외측을 덮도록 배치될 수 있다.
다른 한편으로, 세퍼레이터는 전극 조립체의 중앙에 위치하는 양극과 음극 사이로부터 전극 조립체의 외측을 향해 모든 양극과 모든 음극 사이를 감도록 배치될 수 있다.
다른 한편으로, 세퍼레이터는 복수의 음극과 한 쌍의 최외곽 음극을 각각 둘러싸도록 배치될 수 있다.
본 실시예의 이차 전지는 과충전 조건에서 리튬이 금속으로서 석출되는 것을완화시킬 수 있다. 따라서 과충전 조건에서 리튬 금속에 의한 양극과 음극의 단락을 방지하여 열 폭주 및 폭발과 같은 과충전 위험을 예방할 수 있으며, 이차 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 부분 절개 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 이차 전지 중 전극 조립체의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 과충전 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 비교예 1의 이차 전지의 과충전 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 비교예 2의 이차 전지의 과충전 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 비교예 3의 이차 전지의 과충전 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지 중 전극 조립체의 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지 중 전극 조립체의 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 이차 전지 중 전극 조립체의 개략 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 부분 절개 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 이차 전지 중 전극 조립체의 단면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 이차 전지(100)는 충전과 방전이 행해지는 전극 조립체(10)와, 전극 조립체(10)를 수용하는 케이스(20)와, 전극 조립체(10)에 연결되는 전극 단자(31, 32)를 포함된다.
케이스(20)는 이차 전지(100)의 외형을 결정하며, 전극 조립체(10)를 수용하는 내부 공간을 형성한다. 전극 조립체(10)는 전해액과 함께 케이스(20)에 내장된다. 케이스(20)는 파우치형 또는 각형 등으로 구성될 수 있다. 도 1에서는 파우치형 케이스를 예로 들어 도시하였다.
파우치형 케이스(20)는 라미네이트 필름으로 제조된 상부 케이스(21)와 하부 케이스(22)로 구성된다. 상부 케이스(21)와 하부 케이스(22)는 열 융착에 의해 가장자리가 일체로 접합되어 전극 조립체(10)를 밀폐시킨다. 각형 케이스는 직육면체 모양이고, 일측에 개구를 형성한다. 케이스의 개구에는 캡 조립체가 장착되어 전극 조립체가 내장된 케이스를 밀봉시킨다. 케이스는 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈이 도금된 스틸 등의 금속으로 제조될 수 있다.
케이스(20)의 형상과 재질은 전술한 예들에 한정되지 않으며 이차 전지(100)의 용도와 크기 및 용량 등에 따라 다양하게 변경 가능하다.
전극 조립체(10)는 양극(40)과 음극(50) 및 양극(40)과 음극(50) 사이에 배치된 세퍼레이터(60)를 포함한다. 전극 단자(31, 32)는 양극(40)과 연결된 양극 단자(31) 및 음극(50)과 연결된 음극 단자(32)로 구성된다. 양극(40)은 양극 무지부(11)를 형성하고, 음극(50)은 음극 무지부(12)를 형성한다. 양극 단자(31)는 양극 무지부(11)에 고정되며, 음극 단자(32)는 음극 무지부(12)에 고정된다.
양극 단자(31)의 일부와 음극 단자(32)의 일부는 케이스(20)의 외측으로 돌출된다. 도 1에서는 양극 단자(31)와 음극 단자(32)가 같은 방향으로 돌출된 경우를 예로 들어 도시하였으나, 양극 단자(31)와 음극 단자(32)는 반대 방향으로 돌출될 수도 있다. 각형 케이스의 경우 양극 단자의 일부와 음극 단자의 일부는 캡 조립체의 외측으로 돌출될 수 있다.
본 실시예의 이차 전지(100)에서 전극 조립체(10)는 양극(40)과 음극(50)이 교대로 적층된 적층형 전극 조립체이다. 이때 양극(40)과 음극(50) 사이마다 세퍼레이터(60)가 위치하며, 세퍼레이터(60)는 양극(40) 및 음극(50)과 같은 크기로 형성될 수 있다. 이 경우 양극(40)과 음극(50) 사이마다 한 장의 세퍼레이터(60)가 개별적으로 위치한다.
양극(40)은 양극 집전체(41) 및 양극 집전체(41)의 양면에 형성된 양극 활물질층(42)으로 구성된다. 양극 집전체(41)는 금속 포일 또는 메쉬 구조의 금속 시트로 형성되며, 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 등으로 제조된다. 양극 활물질층(42)은 양극 활물질과 바인더 및 도전재를 포함한다. 양극 활물질은 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속과 리튬의 복합 산화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 양극 활물질층(42)은 양극 집전체(41) 상에 코팅법으로 형성되거나 라미네이션 방법으로 부착될 수 있다.
음극(50)은 음극 집전체(51) 및 음극 집전체(51)의 양면에 형성된 음극 활물질층(52)으로 구성된다. 음극 집전체(51)는 양극 집전체(41)와 같거나 다른 소재의 금속 포일 또는 메쉬 구조의 금속 시트로 형성된다. 음극 활물질층(52)은 음극 활물질과 바인더 및 도전재를 포함한다. 음극 활물질은 탄소계 물질로서 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형, 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 결정질 탄소를 포함할 수 있다. 음극 활물질층(52)은 음극 집전체(51) 상에 코팅법으로 형성되거나 라미네이션 방법으로 부착될 수 있다.
양극 집전체(41)의 일부가 확장되어 양극 활물질층(42)이 형성되지 않은 양극 무지부(11)를 형성한다. 음극 집전체(51)의 일부가 확장되어 음극 활물질층(52)이 형성되지 않은 음극 무지부(12)를 형성한다.
세퍼레이터(60)는 절연성 및 다공성 소재로 제조되어 양극(40)과 음극(50)을 절연시키면서 전해액을 보유하여 리튬 이온이 이동하는 통로를 제공한다.
전극 조립체(10)의 가장 외측에는 음극이 배치된다. 전극 조립체(10)의 가장 외측에 위치하는 음극을 '최외곽 음극'(70)이라 한다. 따라서 한 쌍의 최외곽 음극(70) 사이로 복수의 양극(40)과 복수의 음극(50)이 세퍼레이터(60)를 사이에 두고 적층된다. 전극 조립체(10)에서 한 쌍의 최외곽 음극(70)을 포함한 전체 음극(50, 70)의 개수는 전체 양극(40)의 개수보다 하나 많다.
최외곽 음극(70)은 음극 집전체(71)와, 음극 집전체(71)의 양면에 형성된 음극 활물질층(72)으로 구성된다. 음극 활물질층(72)은 내측 활물질층(721)과 외측 활물질층(722)으로 구분된다. 내측 활물질층(721)은 세퍼레이터(60)를 사이에 두고 양극(40)과 마주하므로 이차 전지(100)의 충방전에 기여한다. 외측 활물질층(722)은 전극 조립체(10)의 외측을 향해 위치하며, 양극(40)과 마주하지 않으므로 이차 전지(100)의 충방전에 기여하지 않지만 과충전 시 잉여 리튬을 소모하여 이차 전지(100)의 과충전 위험을 완화시키는 기능을 한다.
통상의 이차 전지에서 전극 조립체의 가장 외측에 위치하는 전극은 양극과 음극 중 어느 하나이고, 집전체의 내면에만 활물질층을 형성한 구조로 이루어진다. 이는 집전체의 외면에 위치하는 활물질층의 경우 이차 전지의 충방전에 기여하지 않으므로 불필요한 재료 소모를 방지하기 위한 것이다.
그러나 본 실시예의 이차 전지(100)는 전극 조립체(10)의 가장 외측에 한 쌍의 최외곽 음극(70)을 의도적으로 배치하고, 최외곽 음극(70)이 내측 활물질층(721)뿐만 아니라 외측 활물질층(722)을 구비하여 과충전 조건에서 외측 활물질층(722)이 잉여 리튬을 소모하도록 구성된다. 외측 활물질층(722)은 과충전 시 잉여 리튬을 소모하여 음극 활물질층 표면에 리튬이 금속으로서 석출되는 현상을 완화시킨다.
통상의 리튬 이온 이차 전지는 열과 충격에 약하며, 과충전을 방지하기 위해 보호 회로를 구비하고 있지만 보호 회로가 오작동하거나 다른 원인에 의해 과충전이 발생할 수 있다. 과충전 시 리튬은 이온 상태로 존재할 수 없게 되어 금속으로서 석출되기 시작하고, 높은 전위를 가진 리튬 금속의 결정이 양극과 음극의 단락을 일으켜 열 폭주와 폭발을 유발할 수 있다.
최외곽 음극(70)의 외측 활물질층(722)은 통상의 충방전 조건에서 충방전 반응에 기여하지 않지만, 과충전 조건에서 잉여 리튬을 충분히 소모하여 음극 활물질층 표면에 리튬이 금속으로서 석출되는 것을 완화시킨다. 따라서 본 실시예의 이차 전지(100)는 리튬 금속에 의한 양극(40)과 음극(50)의 단락을 방지하여 열 폭주 및 폭발과 같은 이차 전지(100)의 과충전 위험을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 제1 실시예의 이차 전지(100)에서는 음극(50)과 한 쌍의 최외곽 음극(70)을 별도로 제작할 필요가 없으므로(즉 최외곽 전극의 내측에만 활물질층을 형성할 필요가 없으므로) 음극(50, 70) 제작 과정과 전극 조립체(10)의 조립 과정을 단순화하여 이차 전지(100)의 제조를 용이하게 할 수 있다.
최외곽 음극(70)의 외측 활물질층(722)은 내측 활물질층(711)과 같은 음극 활물질을 포함할 수 있다. 즉 외측 활물질층(722)은 흑연과 같은 결정질 탄소를 포함할 수 있다. 다른 한편으로 외측 활물질층(722)은 내측 활물질층(721)과 다른 음극 활물질, 예를 들어 소프트 카본(저온 소성 탄소) 또는 하드 카본과 같은 비정질 탄소 및 실리콘산화물(SiOx)과 같이 과충전 조건에서 리튬을 흡수할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 외측 활물질층(722)이 내측 활물질층(721)과 같은 물질을 포함하는 경우 이차 전지(100)의 제조 공정을 단순화할 수 있다.
외측 활물질층(722)은 내측 활물질층(721)과 같은 두께 및 같은 크기를 가질 수 있다. 다른 한편으로 과충전 안전성을 높이기 위해 외측 활물질층(722)은 내측 활물질층(721)보다 큰 두께를 가질 수 있다. 예를 들어 외측 활물질층(722)의 두께는 0.5mm 내지 1mm일 수 있다. 외측 활물질층(722)에서 음극 활물질의 용량은 가역 용량 기준 330mAh/g 내지 390mAh/g일 수 있다. 외측 활물질층(722)의 재료와 두께 및 크기 등은 전술한 예에 한정되지 않으며 다양하게 변경 가능하다.
도 3은 제1 실시예에 따른 이차 전지의 과충전 실험 결과를 나타낸 그래프이고, 도 4 내지 도 6은 각각 비교예 1, 비교예 2, 및 비교예 3에 따른 이차 전지의 과충전 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 이차 전지의 온도 측정은 세 지점에서 이루어졌으며, 전극 단자와 가까운 순서대로 온도(상), 온도(중), 온도(하)로 표기하였다.
비교예 1의 이차 전지에서 전극 조립체의 최외곽에는 음극이 위치하며, 최외곽 음극은 집전체와 내측 활물질층으로 구성된다. 비교예 2 이차 전지에서 전극 조립체의 최외곽에는 양극이 위치하고, 최외곽 양극은 집전체와 내측 활물질층으로 구성된다. 비교예 3의 이차 전지에서 전극 조립체의 최외곽에는 양극이 위치하며, 최외곽 양극은 집전체와 내측 활물질층 및 외측 활물질층을 포함한다.
도 3을 참고하면, 제1 실시예의 이차 전지에서는 과충전 시 온도 상승이 100℃ 정도에 머물러 과충전에 의한 열 폭주가 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다. 반면 도 4 내지 도 6을 참고하면, 비교예 1 내지 비교예 3의 이차 전지에서는 과충전 시 온도가 800℃ 이상으로 상승하여 열 폭주가 발생한 것을 확인할 수 있다. 이러한 열 폭주는 이차 전지의 폭발로 이어질 수 있다.
전술한 실험 결과에 따라, 최외곽 음극(70)이 외측 활물질층(722)을 구비한 제1 실시예의 이차 전지(100)가 과충전에 따른 열 폭주를 예방하여 높은 안전성을 확보하고 있음을 확인할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 각각 본 발명의 제2 실시예, 제3 실시예, 및 제4 실시예에 따른 이차 전지 중 전극 조립체의 개략 단면도이다. 도 7 내지 도 9에서는 도시의 편의를 위해 한 장의 음극(50)과 두 장의 양극(40) 및 두 장의 최외곽 음극(70)을 예로 들어 도시하였으나, 양극(40)과 음극(50)은 도시한 예시보다 많은 개수로 구비된다.
도 7을 참고하면, 제2 실시예의 이차 전지는 전극 조립체(110)의 세퍼레이터(61)가 지그재그 패턴으로 적층되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 이차 전지와 동일한 구조로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
제2 실시예의 이차 전지에서 전극 조립체(110)는 한 장의 세퍼레이터(61)를 구비한다. 한 장의 세퍼레이터(61)는 한 쌍의 최외곽 음극(70) 중 어느 한 최외곽 음극(70)의 외측에서부터 모든 음극(50)과 모든 양극(40) 사이를 지그재그 패턴으로 통과한 다음 다른 최외곽 음극(70)의 외측을 덮도록 배치된다. 이 경우 전극 조립체(110)의 조립과 제조가 용이해진다.
도 8을 참고하면, 제3 실시예의 이차 전지는 전극 조립체(120)의 세퍼레이터(62)가 전극 조립체(120)의 중앙으로부터 외측을 향해 양극(40)과 음극(50) 사이를 와인딩(winding) 패턴으로 감아 형성되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 이차 전지와 동일한 구조로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
제3 실시예의 이차 전지에서 전극 조립체(120)는 한 장의 세퍼레이터(62)를 구비한다. 한 장의 세퍼레이터(62)는 전극 조립체(120)의 중앙에 위치하는 양극(40)과 음극(50) 사이로부터 전극 조립체(120)의 외측을 향해 모든 양극(40)과 모든 음극(50) 사이를 감아 도는 방식으로 배치된다. 이로써 세퍼레이터(62)의 일측 단부는 전극 조립체(120) 중앙의 양극(40)과 음극(50) 사이에 위치하고, 반대측 단부는 최외곽 음극(70)의 외측에 위치한다.
도 9를 참고하면, 제4 실시예의 이차 전지는 전극 조립체(130)의 세퍼레이터(63)가 각각의 음극(50) 및 한 쌍의 최외곽 음극(70)을 둘러싸는 봉지형 세퍼레이터인 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 이차 전지와 동일한 구조로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
제4 실시예의 이차 전지에서 전극 조립체(130)는 음극(50) 및 한 쌍의 최외곽 음극(70)을 합한 개수와 동일한 개수의 세퍼레이터(63)를 포함한다. 각각의 세퍼레이터(63)는 음극(50) 및 최외곽 음극(70) 각각의 내면과 외면 및 측면을 둘러싸도록 형성된다.
제2 실시예 내지 제4 실시예의 이차 전지에서 세퍼레이터(61, 62, 63)는 전극(40, 50)의 측면 일부 또는 측면 전체를 둘러싸도록 형성된다. 이 경우 세퍼레이터(61, 62, 63) 수축에 의한 내부 단락을 효과적으로 예방할 수 있다.
통상의 이차 전지는 고온 환경에서 세퍼레이터의 수축률이 전극(양극과 음극)의 수축률보다 크기 때문에 전극의 가장자리에서 양극 활물질층과 음극 활물질층이 서로 접촉하여 내부 단락을 일으킬 수 있다. 제2 실시예 내지 제4 실시예의 이차 전지에서는 세퍼레이터(61, 62, 63)가 전극(40, 50)의 측면 일부 또는 측면 전체를 둘러싸도록 형성됨에 따라 전술한 내부 단락을 효과적으로 억제할 수 있다. 그 결과 이차 전지의 내구성과 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 이차 전지 10, 110, 120, 130: 전극 조립체
11: 양극 무지부 12: 음극 무지부
20: 케이스 21: 상부 케이스
22: 하부 케이스 31: 양극 단자
32: 음극 단자 40: 양극
41: 양극 집전체 42: 양극 활물질층
50: 음극 51: 음극 집전체
52: 음극 활물질층 60, 61, 62, 63: 세퍼레이터
70: 최외곽 음극 71: 음극 집전체
721: 내측 활물질층 722: 외측 활물질층

Claims (12)

  1. 세퍼레이터와, 상기 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 양극과 음극을 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
    상기 전극 조립체에 연결된 전극 단자를 포함하며,
    상기 전극 조립체는 한 쌍의 최외곽 음극을 포함하고,
    상기 한 쌍의 최외곽 음극 각각은 음극 집전체와, 상기 음극 집전체를 사이에 두고 적층된 내측 활물질층과 외측 활물질층을 포함하며,
    상기 외측 활물질층은 상기 내측 활물질층과 다른 음극 활물질을 포함하는 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외측 활물질층은 상기 내측 활물질층과 같은 크기 및 같은 두께를 가지는 이차 전지.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외측 활물질층은 비정질 탄소와 실리콘산화물 중 어느 하나를 포함하는 이차 전지.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 양극과 상기 음극은 복수개로 적층되고,
    상기 한 쌍의 최외곽 음극을 포함한 상기 음극의 전체 개수는 상기 양극의 전체 개수보다 한 개 많은 이차 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 양극과 상기 음극 사이마다 상기 세퍼레이터가 한 장씩 위치하는 이차 전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 한 쌍의 최외곽 음극 중 어느 한 최외곽 음극의 외측에서부터 모든 양극과 모든 음극 사이를 지그재그 패턴으로 통과한 다음 다른 한 최외곽 음극의 외측을 덮도록 배치되는 이차 전지.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 전극 조립체의 중앙에 위치하는 상기 양극과 상기 음극 사이로부터 상기 전극 조립체의 외측을 향해 모든 양극과 모든 음극 사이를 감도록 배치되는 이차 전지.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 복수의 음극과 상기 한 쌍의 최외곽 음극을 각각 둘러싸도록 배치되는 이차 전지.
KR1020120084199A 2012-07-31 2012-07-31 이차 전지 KR101693289B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120084199A KR101693289B1 (ko) 2012-07-31 2012-07-31 이차 전지
US13/834,732 US8999556B2 (en) 2012-07-31 2013-03-15 Rechargeable battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120084199A KR101693289B1 (ko) 2012-07-31 2012-07-31 이차 전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140017766A KR20140017766A (ko) 2014-02-12
KR101693289B1 true KR101693289B1 (ko) 2017-01-06

Family

ID=50025788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120084199A KR101693289B1 (ko) 2012-07-31 2012-07-31 이차 전지

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8999556B2 (ko)
KR (1) KR101693289B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10275007B2 (en) * 2014-09-26 2019-04-30 Intel Corporation Performance management for a multiple-CPU platform
KR101826142B1 (ko) * 2015-08-27 2018-02-07 삼성에스디아이 주식회사 전극 조립체 및 그 제조 방법과 이차 전지
KR102217447B1 (ko) 2017-07-06 2021-02-22 주식회사 엘지화학 이차전지
KR102259747B1 (ko) 2019-05-14 2021-06-02 주식회사 엘지에너지솔루션 전극조립체 및 그 제조방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011210524A (ja) * 2010-03-30 2011-10-20 Sanyo Electric Co Ltd 積層式電池

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6049575A (ja) * 1983-08-29 1985-03-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解質二次電池
JPH04355069A (ja) * 1991-05-31 1992-12-09 Yuasa Corp リチウム二次電池
JPH08102315A (ja) 1994-09-29 1996-04-16 Toray Ind Inc 電池用電極体およびそれを用いた二次電池
JPH08293325A (ja) * 1995-04-24 1996-11-05 Sony Corp リチウムイオン二次電池
KR100515571B1 (ko) * 2000-02-08 2005-09-20 주식회사 엘지화학 중첩 전기 화학 셀
KR100509437B1 (ko) * 2003-01-27 2005-08-26 주식회사 에너랜드 적층형 리튬이차전지 및 그 제조방법
KR100555848B1 (ko) 2003-04-25 2006-03-03 주식회사 에너랜드 전극판의 한방향 접착이 가능한 적층형 리튬이차전지의제조방법
KR101161721B1 (ko) 2005-03-31 2012-07-03 후지 주코교 카부시키카이샤 리튬 이온 커패시터
JP4784730B2 (ja) * 2005-07-21 2011-10-05 ソニー株式会社 電池
JP5070703B2 (ja) 2006-01-19 2012-11-14 日産自動車株式会社 双極型電池
JP4599314B2 (ja) * 2006-02-22 2010-12-15 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び自動車
KR100925857B1 (ko) * 2006-03-14 2009-11-06 주식회사 엘지화학 향상된 안전성의 다중 중첩식 전기화학 셀
JP4580949B2 (ja) * 2006-06-02 2010-11-17 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び充電式掃除機
JP4766057B2 (ja) * 2008-01-23 2011-09-07 ソニー株式会社 非水電解質電池および非水電解質電池の製造方法
KR101147208B1 (ko) 2009-10-16 2012-05-29 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지, 바이폴라 전극, 및 이차 전지의 제조 방법
US9269984B2 (en) 2009-11-16 2016-02-23 Samsung Sdi Co., Ltd. Electrode assembly and rechargeable battery using the same
US9209463B2 (en) 2010-03-04 2015-12-08 Samsung Sdi Co., Ltd. Secondary battery and method of fabricating of the secondary battery

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011210524A (ja) * 2010-03-30 2011-10-20 Sanyo Electric Co Ltd 積層式電池

Also Published As

Publication number Publication date
US20140038032A1 (en) 2014-02-06
KR20140017766A (ko) 2014-02-12
US8999556B2 (en) 2015-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101407772B1 (ko) 전극조립체 및 그를 이용한 이차전지
KR101379957B1 (ko) 단차를 갖는 전극 조립체 및 이를 포함하는 전지셀, 전지팩 및 디바이스
JP5593451B2 (ja) 新規な構造体を有するキャップアセンブリ、およびそれを含む円筒状電池
KR100786875B1 (ko) 전지 모듈
EP2325925B1 (en) Electrode assembly and rechargeable battery using the same
JP5776005B2 (ja) 密閉型二次電池
KR101629499B1 (ko) 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
US20120015244A1 (en) Electrode assembly and rechargeable battery using the same
CN111554863A (zh) 全固体电池层叠体
KR20130111697A (ko) 배터리셀
KR101693289B1 (ko) 이차 전지
KR20190005296A (ko) 노치가 형성된 리드박스를 포함하는 파우치형 이차전지
TWI398030B (zh) 鋰離子儲能電池
KR20210074743A (ko) 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스
KR101154872B1 (ko) 신규한 구조의 전극조립체
US9553302B2 (en) Electrode assemblage and rechargeable battery using the same
KR102108113B1 (ko) 외주변이 절곡된 분리막을 포함하는 전극조립체
KR102279002B1 (ko) 전극조립체
US7166387B2 (en) Thin battery with an electrode having a higher strength base portion than a tip portion
KR101431726B1 (ko) 안전성이 향상된 전극조립체 및 이를 이용한 이차전지
EP4044331A1 (en) Pouch-type secondary battery having increased energy density, and method for manufacturing same
JP4439870B2 (ja) 非水電解質二次電池
KR20000039287A (ko) 리튬이온 이차전지
CN114631218A (zh) 电极组件和包括该电极组件的二次电池
KR20150051516A (ko) 캡 조립체 및 이를 포함하는 이차전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191203

Year of fee payment: 4