KR101796284B1 - 다공성 흡수부재를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 흡수부재를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지는, 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액; 상기 양극의 일 측면에 위치하는 제1 용접부를 통해 용접되고, 상기 전극 조립체의 일 측방향으로 돌출되어 형성된 양극리드; 상기 음극의 일 측면에 위치하는 제2 용접부를 통해 용접되고, 상기 전극 조립체의 일 측방향으로 돌출되어 형성된 음극리드; 상기 양극리드 및 상기 음극리드 각각의 일 부분이 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체 및 비수 전해액을 수납하는 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스의 내부면과 상기 전극 조립체의 적어도 일면 사이, 상기 전지 케이스의 내부면과 상기 양극리드의 적어도 일면 사이, 또는 상기 전지 케이스의 내부면과 상기 음극리드의 적어도 일면 사이에 개재되어 형성된 다공성 흡수부재를 포함한다. 본 발명에 따르면, 전지의 내부 압력 문제 등의 개선과 더불어, 여분의 비수 전해액 저장에 따른 전지의 성능 향상, 및 전극 조립체 내의 용접부 및 이물질에 의한 전지 케이스 손상 방지 등의 현저한 효과를 발휘한다.

Description

다공성 흡수부재를 포함하는 리튬 이차전지{LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING POROUS ABSORBENT MEMBER}
본 발명은, 비수 전해액 및 전극 조립체(electrode assembly)를 내장하기 위한 기본적인 구조에서, 위험 요소인 내부 압력의 흡수와 더불어, 전지 내부 구성요소에 의한 전지 손상의 방지, 전지 성능의 추가 개선 등과 같은 효과를 갖게 하기 위해 다공성 흡수부재를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가 전기 자동차의 에너지까지 적용 분야가 확대되면서 전기화학 소자의 연구 및 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 이러한 측면에서 전기화학 소자는 가장 주목 받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충전/방전 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.
이러한 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는, 전해질 수용액을 사용하는 N-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 종래 재래식 전지에 비해, 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 인해 큰 각광을 받고 있다.
현재 상용화된 리튬 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는 데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 리튬 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
리튬 이차전지는, 비수 용매에 전해질 및 첨가제를 용해시킨 비수 전해액을 이용하고 있으며, 전해질로는 전도성, 전위창, 금속과의 상호작용 등의 측면에서 여러 전해질이 사용되는데, 이러한 전해질의 종류에 따라 특히 전지의 사용 중에서 발생할 수 있는 과충전, 과방전, 단락, 과전류 등의 비정상적인 상태로 인해 리튬 이차전지, 예컨대 전극 조립체 또는 다수의 단위 전극 조립체의 내부 압력이 급격히 증가하게 되어 전지의 외장재, 예컨대 전지 케이스(battery case)가 부풀어 오르는 팽윤(swelling) 현상, 외부 충격 등에 의한 전지 케이스가 그 내부의 구성요소들에 의해 손상되는 현상 등의 부정적인 현상이 발생할 수 있다.
리튬 이차전지의 팽윤 현상은, 리튬 이차전지의 전극의 발열 또는 발화로 인해 기체가 생성되거나, 또는 과전압에 의한 비수 전해액의 분해로 인하여 기체가 생성되는 경우 등과 같이 주로 리튬 이차전지의 내부에서의 기체 생성으로 인해 발생할 수 있다.
이와 같은 리튬 이차전지의 팽윤 현상은, 리튬 이차전지의 폭발을 야기할 수 있어 예컨대 리튬 이차전지의 팩(pack)과 상기 팩이 부착된 다른 장치(들)을 파괴할 뿐만 아니라 주변의 인명에 대한 심각한 피해를 유발시킬 수도 있다. 또한, 리튬 이차전지의 전지 케이스의 파손으로 인해 리튬 이차전지의 내부로부터 비수 전해액이 유출되어 단락, 감전, 화재와 같은 추가적인 피해를 발생시킬 수도 있다.
이러한 부정적인 현상은 전극 조립체(또는 셀(cell)) 또는 단위 전극 조립체뿐만 아니라, 상기 전극 조립체 또는 단위 전극 조립체를 내장하기 위한 전지 케이스에서도 문제가 발생할 수 있다. 특히, 이 전지 케이스의 일부 구조에서 내부 압력의 상승으로 인해 또는 내부 구성요소와의 접촉에 의해 찢어지거나, 또는 틈 또는 통로가 생성되고, 이러한 찢긴 공간, 틈 또는 통로에 의해, 비수 전해액이 전지 케이스 내부로부터 외부에 누출되어서 전지 케이스의 외부에 존재하는 다른 구성요소와 접촉하며, 따라서 절연, 부식 등의 추가적인 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 전지의 생산, 저장, 사용 등의 과정에서 전극 조립체 및 비수 전해액을 보호하고, 상기 과정에서 발생할 수 있는 전지의 내부 압력, 전지 내부 손상, 여분의 비수 전해액 저장 등에 대처 가능한 수단이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 케이스와, 그 내부의 구성요소들, 즉 전극 조립체, 상기 전극 조립체에 연결되는 전극리드(electrode lead)의 일부, 및 상기 전극 조립체와 상기 전극리드를 연결하는 용접부(welding part) 등과의 사이에서 형성되는 내부 압력을 효과적으로 흡수할 수 있는 리튬 이차전지 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또다른 과제는, 전지 케이스가 그 내부의 구성요소들에 의해 손상되는 것을 방지하고, 나아가 비수 전해액을 추가로 저장하여서 시간 진행에 따른 비수 전해액의 소모에 대해 보충함으로써 전지의 성능을 추가로 향상시키는 데 목적을 갖는다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액; 상기 양극의 일 측면에 위치하는 제1 용접부를 통해 용접되고, 상기 전극 조립체의 일 측방향으로 돌출되어 형성된 양극리드; 상기 음극의 일 측면에 위치하는 제2 용접부를 통해 용접되고, 상기 전극 조립체의 일 측방향으로 돌출되어 형성된 음극리드; 상기 양극리드 및 상기 음극리드 각각의 일 부분이 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체 및 비수 전해액을 수납하는 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스의 내부면과 상기 전극 조립체의 적어도 일면 사이, 상기 전지 케이스의 내부면과 상기 양극리드의 적어도 일면 사이, 또는 상기 전지 케이스의 내부면과 상기 음극리드의 적어도 일면 사이에 개재되어 형성된 다공성 흡수부재를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 상기 리튬 이차전지를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전지의 내부 구성요소(구성성분)의 물성 변화로부터 기인하는 팽윤 및/또는 내부 압력의 문제, 전지의 내부 구성요소(들) 또는 용접부 등에 의한 전지 케이스의 손상, 여분의 비수 전해액의 추가 저장 및 보유에 의한 리튬 이차전지의 성능 등을 개선시킬 수 있으므로, 리튬 이차전지의 고장 또는 폭발 등의 위험을 방지하고, 리튬 이차전지의 성능을 추가로 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차전지의 구성을 도시한 투시도이며, 본 발명은 결코 이러한 파우치형 리튬 이차전지에 국한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 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.
일반적으로, 리튬 이차전지는 외장(전지 케이스)이나 적용 형태에 따라 캔형 리튬 이차전지와 파우치형 리튬 이차전지로 구분될 수 있으며, 본 발명은 이러한 모든 유형의 리튬 이차전지를 포함한다.
이후, 이들 중에서, 단지 편의상 본 발명의 일례로서 파우치형 리튬 이차전지에 대하여 설명하고 있으나, 본 발명은 결코 이에 국한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차전지의 구성을 도시한 투시도이다.
도 1을 참조하면, 비제한적인 파우치형 리튬 이차전지는, 알루미늄 라미네이트 박막 등(도시되어 있지 않음)을 포함하는 파우치형 전지 케이스(130)와, 상기 파우치형 전지 케이스(130) 내부에 수납되고 양극/분리막/음극을 포함하는 전기화학적 전극 조립체(electrode assembly)(100)를 포함한다.
상기 전극 조립체(100)는, 구체적으로 각각의 전극(즉, 양극 및 음극)에 전기적으로 연결되는 각각의 전극리드(즉, 양극리드 및 음극리드)(120)가 존재한다.
상기 전극 조립체(100)는, 전극리드(120)의 또 다른 일부가 전지 케이스(130)의 외부로 노출되도록, 열융착 등의 결합 공정을 통해 상기 전지 케이스(130) 내부에 밀봉된다. 즉, 전지 케이스(130)는 양극리드 및 음극리드 각각의 일 부분이 외부로 노출되도록 전극 조립체 및 비수 전해액을 수납하고 있다.
전극 조립체(100)는, 양극의 일 측면 및 음극의 일 측면에서, 제1 용접부(110) 및 제2 용접부(110)를 통하여 각각의 전극리드(120)와 결합된다.
또한, 각각의 전극(즉, 양극 및 음극)의 일 측면에 위치하는 용접부(110, 즉, 제1 용접부 및 제2 용접부)를 통해 용접되고, 이러한 제1 용접부 및 제2 용접부 각각은 상기 전극 조립체(100)의 일 측방향으로 돌출되어 각각의 전극리드(즉, 양극리드 및 음극리드)(120)를 형성한다.
나아가, 전극 조립체(100)와 전극리드(120)의 각 용접부(110)도 각 전극들과 함께 파우치형 전지 케이스(130) 내에 밀봉되어야 하므로 전지 케이스(130)의 내부 상단에는 상기 각 용접부(110)를 수용하기 위한 여유 공간이 존재한다. 상기 여유 공간은 각 용접부를 수용하는 기능뿐만 아니라, 전지를 충전 및 방전하는 과정 중 비수 전해액에서 발생하는 기체를 포획 및 저장할 수 있는 공간을 제공할 수 있다.
전지 케이스(130)는, 전극 조립체(100), 용접부(110), 비수 전해액 등의 전지의 구동에 필수적인 구성요소를 그의 내부에 실장하고, 유지하고, 보호하며, 전극 조립체(100)와 비수 전해액에 의한 전기화학적 성질에 대한 보완, 보충 및 방열 등을 제고하기 위하여 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성된다. 그리고, 이러한 알루미늄 박막은 전극 조립체(100), 용접부(110) 및 비수 전해액과 같은 리튬 이차전지 내부의 필수 구성요소와 더불어 리튬 이차전지 외부의 다른 구성요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층 사이에 개재될 수 있다.
그러나, 리튬 이차전지는, 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의한 발열로 인해 비수 전해액 분해 반응과 열폭주 현상이 발생할 경우, 전지의 내부 압력이 급격히 상승하여 전지의 폭발 또는 고장이 유발될 수 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명의 일례에 따라, 전지 케이스(130)의 내부면과 전극 조립체(100)의 적어도 일면 사이, 또는 전지 케이스(130)의 내부면과 전극리드(120)(즉, 양극리드 및 음극리드)의 적어도 일면 사이에 하나 또는 그 이상의 다공성 흡수부재(150)를 개재함으로써, 전지의 내부 압력이 발생되었을 경우, 상기 다공성 흡수부재(150)가 이러한 내부 압력을 효과적으로 흡수한다.
또한, 다양한 외부 충격이 인가될 경우, 전극 조립체(100) 및 상기 전극 조립체에 결합되어 있는 여러 구성요소가 이들과 인접해 있는 전지 케이스(130)에 손상을 가할 수 있다. 이 외부 충격이 가해지는 과정에서 리튬 이차전지의 내부 단락이 유발될 수 있다. 나아가, 전지의 생산 공정, 기타 후속적인 공정, 저장, 소비자의 사용 중에 리튬 이차전지의 내부에서 발생될 수 있는 버어(burr), 데브리스(debris) 등과 같은 이물질에 의해 내부 단락, 전지 케이스의 손상 등이 초래될 수 있다.
이러한 문제를 해결하며, 나아가 전지 케이스(130) 내에서 전극 조립체(100) 및 다른 구성요소에 의한 손상을 방지하기 위하여, 전극 조립체(100)의 적어도 일면과 전지 케이스(130)의 내부면 사이, 또는 전극리드(120)의 적어도 일면과 전지 케이스(130)의 내부면 사이에 다공성 흡수부재(150)가 개재될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따라, 다공성 흡수부재(150)는, 상기 제1 용접부, 상기 제2 용접부, 상기 양극리드의 엣지부(edge part) 또는 상기 음극리드의 엣지부에 대응되는 부위에 형성된다. 이로 인해, 상기 용접부(110) 또는 엣지부에 의한 전지의 손상을 확실하게 방지할 수 있다.
상기 전극 조립체(100)는, 양극 및 음극이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 구성된다. 이때, 전극 조립체(100)는 하나의 양극 및 하나의 음극이 분리막을 사이에 두고 권취된 구조를 갖거나, 다수의 양극 및 다수의 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조 등 다양한 구조를 가질 수 있다. 그리고, 이러한 양극과 음극은 각각 전극집전체에 전극활물질의 슬러리가 도포된 구조로서 형성될 수 있는 데, 이러한 슬러리는 통상적으로 입상의 전극활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다.
한편, 전극 조립체(100)에는, 전극에 슬러리가 도포되지 않은 무지부(non-coated area)가 존재할 수 있으며, 이러한 무지부에는 각각의 전극에 대응되는 전극탭이 구비될 수 있다. 즉, 전극 조립체(100)의 양극 및 음극에는 각각 양극탭 및 음극탭이 부착될 수 있다. 그리고, 이러한 양극탭 및 음극탭은, 전지 케이스(130)의 외부로 돌출되어서 전극 단자(즉, 양극 단자 및 음극 단자)를 형성할 수 있다. 다만, 이러한 양극탭 및 음극탭은 전지 케이스(130)의 외부로 직접 노출되지 않고, 전극리드(120)(즉, 양극리드 및 음극리드)와 같은 다른 구성요소에 연결되어서, 이러한 전극리드(120)가 전지 케이스(130)의 외부로 노출되도록 할 수 있다.
통상적으로, 전지 케이스(130)는, 전극 조립체(100)를 수용할 수 있는 형태라면 제한 없이 사용될 수 있고, 그 예로서 원통형, 각형 또는 파우치형 등이 사용될 수 있다. 그 결과, 전극 조립체(100)는 수용되는 전지 케이스(130)의 형상에 따라서, 단면이 원형 또는 타원형 등으로 형성될 수 있다.
예컨대, 파우치와 같은 형태로서 상부 전지 케이스와 하부 전지 케이스를 포함할 수 있다. 이러한 상부 전지 케이스 및 하부 전지 케이스에는 오목하게 들어간 형태의 내부 공간이 형성되어, 이러한 내부 공간에 전극 조립체(100), 용접부, 전극리드(120)의 일부 및 비수 전해액을 수납한다.
그리고, 전지 케이스(130)는, 실링부(sealing part)가 서로 접착됨으로써 밀봉 상태를 유지할 수 있다. 즉, 상부 전지 케이스 및 하부 전지 케이스는 각각 테두리에 실링부를 구비하고, 테두리 내측으로 형성된 수납 공간에 전극 조립체(100) 및 비수 전해액을 수납한 후, 이러한 실링부가 서로 접착(실링)된다. 이때, 상부 전지 케이스 및 하부 전지 케이스의 실링부의 접착은 열융착 등의 결합 방식으로 이루어질 수 있다.
한편, 상부 전지 케이스 및 하부 전지 케이스는, 각각 외부 절연층, 알루미늄층 및 내부 절연층으로 구성될 수 있다. 여기서, 외부 절연층은, 리튬 이차전지와 외부와의 절연성을 확보하기 위하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET) 수지 또는 나일론(nylon) 수지 등의 절연물질로 구성될 수 있다. 또한, 내부 절연층은, 상부 전지 케이스와 하부 전지 케이스의 실링시, 접착성을 개선시키기 위해 폴리프로필렌(PP)과 같은 폴리올레핀계 물질로 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이 발생하는 전지의 내부 압력에 의해, 이러한 상부 전지 케이스와 하부 전지 케이스를 결합시키는 실링부에서 틈 또는 통로를 생성시킬 수 있다. 이러한 전지의 구조상 발생될 수 있는 문제들을 해결하기 위해 전지의 내부에 다공성 흡수부재를 포함할 수 있다.
다공성 흡수부재(150)는 전극 조립체(100)의 적어도 일면, 용접부의 적어도 일면, 전극리드(120)의 적어도 일면(즉, 양극리드의 적어도 일면 및 음극리드의 적어도 일면)과 전지 케이스(130)의 내부면 사이에 개재된다.
다공성 흡수부재(150)는 전지와 화학적 반응을 일으키지 않는 다공성 고분자 기재라면 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어, 소수성, 내화학성이 우수한 폴리올레핀계 물질(PO)이 사용될 수 있으며, 특히 폴리에틸렌계 물질(PE), 폴리프로필렌계 물질(PP), 폴리비닐리덴플루오라이드계 물질(PVdF) 및 폴리우레탄계 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질이 바람직하다. 또한, 이러한 다공성 흡수부재(150)는 발포된 구조(foamed structure)를 취할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 다공성 흡수부재(150)의 두께가 약 0.3 mm 내지 약 5 mm, 바람직하게는 1.0 mm 내지 4.0 mm일 수 있다. 이러한 두께의 다공성 흡수부재(150)는 앞서 언급한 전지의 내부 압력 문제, 내부 구성요소로 인한 전지 케이스(130)의 손상 문제 등을 해결하면서, 여분의 비수 전해액을 추가로 저장하기 위한 충분한 공간을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 다공성 흡수부재(150)의 공극률은 약 10 내지 약 90%, 바람직하게는 약 20 내지 약 80%일 수 있다. 다공성 흡수부재(150)는, 그의 공극률이 전술된 범위 내에 속하는 경우, 전지의 전지 케이스(130) 내의 내부 압력, 내부 구성요소에 의한 전지 케이스(130)의 손상에 대한 보호, 비수 전해액 등의 유체에 대한 다공성 흡수부재(150)의 포획 및 보유하는 능력, 즉 다공성 흡수부재(150)의 다수의 기공 내에 상기 유체가 유입되고, 포획되고, 보유되는 능력이 크게 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 이러한 다공성 흡수부재(150)는 도 1에서와 같이 하나의 층(layer) 형태로 존재할 수 있다. 도 1의 경우는, 오직 다공성 흡수부재(150)의 배치를 더욱 명료하게 제시되도록 하기 위한 것일 뿐이며, 이러한 다공성 흡수부재(150)는 전지 케이스(130) 내에서 각 구성요소, 즉 전극 조립체(100)의 적어도 일면, 전극리드(120)의 적어도 일면, 용접부의 적어도 일면 등에 대해 빈틈없이 또는 치밀하게 개재되어서 그들 자체의 제자리(자기 위치)를 유지시키는 데 충분한 도움을 줄 수 있으며, 또한 이러한 하나의 층으로 존재하는 다공성 흡수부재(150)는 전술된 범위의 두께 및/또는 공극률을 가질 것이다.
또한, 다공성 흡수부재(150)의 다수의 층 형태로 존재할 수 있다. 이러한 다수의 층으로 존재하는 다공성 흡수부재(150)는 적층된 층들 사이의 여러 높이로 인해 또는 여러 길이와 폭의 층들에 의해 전지 케이스(130)와 다른 구성요소 사이를 빈틈 없이 또는 치밀하게 개재될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 다공성 흡수부재(150)는 각각 하나 또는 그 이상의 블록(block) 형태로 개재될 수 있다. 이러한 다공성 흡수부재(150)의 블록이 다수로 존재하는 경우, 이들 블록 사이는 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이렇게 각각의 블록 형태로 다수 존재하는 다공성 흡수부재(150)는 배치된 블록들 사이의 여러 거리(이격 거리), 높이, 폭 등에 의해 전지 케이스(130)와 다른 구성요소 사이를 빈틈 없이 또는 치밀하게 개재될 수 있다.
특히, 이러한 각각의 다공성 흡수부재(150)는 전지 케이스(130) 내에서 각 구성요소, 즉 전극 조립체(100)의 적어도 일면, 전극리드(120)의 적어도 일면, 용접부의 적어도 일면에 대해 빈틈없이 또는 치밀하게 개재되어서 그들 자체의 제자리(자기 위치)를 유지시키는 데 충분한 도움을 줄 수 있으며, 또한 이러한 하나 또는 그 이상의 블록으로 존재하는 다공성 흡수부재(150)는 전술된 범위의 두께 및/또는 공극률을 가질 것이다.
그러나, 첨부된 도면에는 제시되어 있지 않지만, 본 발명의 다공성 흡수부재(150)가 반드시 이와 같이 층 또는 블록의 형태로 한정되는 것은 아니며, 다공성 흡수부재(150)는 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 다공성 흡수부재(150)는 다양한 모양의 빈 공간을 갖는 패턴화된 형태 등을 가질 수도 있으며, 이러한 빈 공간은, 다공성 흡수부재(150)의 기공과 덧붙여, 유체의 포획에 있어서 그의 모양에 따라 다량의 유체 포획(예컨대, 원형, 다각형의 빈 공간), 유체의 유도를 위한 통로(예컨대, 선형 등의 긴 형태의 공간) 및 상기 통로부터 이어지는 유체의 포획 등이 이루어질 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상술한 리튬 이차전지를 포함한다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은 다공성 흡수부재(150)가 개재된 리튬 이차전지를 하나 또는 그 이상 포함한다. 그리고, 본 발명에 따른 배터리 팩은 이러한 리튬 이차전지 이외에도, BMS(Battery Management System)와 같은 리튬 이차전지의 충방전을 제어하기 위한 여러 보호 장치들을 더 포함할 수 있다.
또한, 전술된 전극 조립체는 본 발명에서 구체적으로 언급되어 있지 않지만, 당업계에 잘 공지되어 있는 바와 같이 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함한다.
양극 및 음극은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질을 전극집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다. 전극활물질 중 양극활물질의 비제한적인 예로는 종래기술의 전기화학소자(예컨대, 리튬 이차전지)의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 음극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 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. 양극집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
분리막으로는 다양한 고분자로 형성된 다공성 막이나 부직포 등 예컨대 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하다. 예를 들어 전기화학소자 특히, 리튬 이차전지의 분리막으로서 사용되는 폴리올레핀계 다공성 막이나, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유로 이루어진 부직포 등을 사용할 수 있으며, 그 재질이나 형태는 목적하는 바에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예를 들어 폴리올레핀계 다공성 막은 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성할 수 있으며, 부직포 역시 폴리올레핀계 고분자 또는 이보다 내열성이 높은 고분자를 이용한 섬유로 제조될 수 있다. 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 약 1 내지 약 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 약 5 내지 약 50 ㎛이고, 다공성 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 약 0.001 내지 약 50 ㎛ 및 약 10 내지 약 95%인 것이 바람직하다.
리튬 이차전지의 내부에는 전술된 전극 조립체(전극 조립체)과 더불어 비수 전해액(도시되어 있지 않음)이 수용된다. 본 발명의 전극 조립체에서 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 (g-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 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.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 전극 조립체
110: 용접부
120: 전극리드
130: 전지 케이스
150: 다공성 흡수부재

Claims (9)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액;
    상기 양극의 일 측면에 위치하는 제1 용접부를 통해 용접되고, 상기 전극 조립체의 일 측방향으로 돌출되어 형성된 양극리드;
    상기 음극의 일 측면에 위치하는 제2 용접부를 통해 용접되고, 상기 전극 조립체의 일 측방향으로 돌출되어 형성된 음극리드;
    상기 양극리드 및 상기 음극리드 각각의 일 부분이 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체 및 비수 전해액을 수납하는 전지 케이스; 및
    상기 전지 케이스의 내부면과 상기 전극 조립체의 적어도 일면 사이, 상기 전지 케이스의 내부면과 상기 양극리드의 적어도 일면 사이, 또는 상기 전지 케이스의 내부면과 상기 음극리드의 적어도 일면 사이에 개재되어 형성된 다공성 흡수부재를 포함하고,
    상기 다공성 흡수부재는 하나 이상의 블록 형태로 개재되어 있으며, 상기 블록들 사이가 서로 이격되어 배치되며,
    상기 다공성 흡수부재는 여분의 비수 전해액을 저장하고 있는 리튬 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 흡수부재는, 상기 제1 용접부, 상기 제2 용접부, 상기 양극리드의 엣지부 또는 상기 음극리드의 엣지부에 대응되는 부위에 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 흡수부재는, 고분자 기재인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 흡수부재는 폴리에틸렌계 물질(PE), 폴리프로필렌계 물질(PP), 폴리비닐리덴플루오라이드계 물질(PVdF) 및 폴리우레탄계 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로부터 형성된 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 흡수부재의 두께가 0.3 mm 내지 5 mm인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 흡수부재의 공극률이 10 내지 90%인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 흡수부재가 하나 또는 그 이상의 층 형태로 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  8. 삭제
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이차전지를 하나 이상 포함하는 배터리 팩.
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JP4878791B2 (ja) * 2004-07-28 2012-02-15 三星エスディアイ株式会社 二次電池
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