KR101937184B1 - 외장재 패턴 구조에 의해 사용 안전성이 향상된 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 갖는 리튬이온 이차전지 - Google Patents

외장재 패턴 구조에 의해 사용 안전성이 향상된 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 갖는 리튬이온 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 리튬이온 이차전지는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 외부를 둘러싸도록 상부 압인부와 하부 압인부가 반복 압인 가공된 구조인 외장재;를 포함하고, 상기 상부 압인부와 하부 압인부는 주름 패턴을 형성하고, 상기 전극 조립체는, 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀; 상기 한 쌍의 전극판의 단면 또는 양면 상에 도포되는 전극 합제; 및 상기 전극판들로부터 각각 돌출되는 동시에 상기 전극 합제가 미도포된 상태의 전극 탭;을 포함하고, 상기 전극 탭은 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 포함하고, 상기 전극판은 상기 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭 중 어느 하나 이상의 전극 탭이 형성되며, 상기 주름 패턴의 간격이 상이한 상태이다.

Description

외장재 패턴 구조에 의해 사용 안전성이 향상된 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 갖는 리튬이온 이차전지{An electrode assembly with improved safety in use by patterned structure of exterior materials and a lithium ion battery with the electrode assembly}
본 발명은 플렉서블한 환경에서 외부의 반복적인 힘인 굽힘과 비틀림 등에 의해 발생할 수 있는 전지의 기계적 문제인 외장재의 파손 및 내부 단락으로 인하여 발생하는 발화 내지 폭발 위험성을 사전에 방지하기 위하여, 외장재의 패턴 간격 조절을 통해 전지를 구성하는 외장재의 파손 내지 내부 쇼트가 발생하는 시점 이전에 전극리드 연결용 탭 및 병렬 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극의 절단을 유도함으로써 사용상의 안전을 확보하게 하는 기술에 대한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 상기 휴대형 전자기기의 경량화와 고기능화 및 사물인터넷(Internet of things, IoT)이 발전함에 따라 그 구동 전원으로 사용되는 이차전지에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도도 높다는 장점이 있어서 그 수요가 증가하고 있는 추세이다.
이차 전지는 전해물질에 양극과 음극을 삽입한 상태에서, 상기한 양극과 음극을 연결했을 때 전해물질과 전극 사이에서 발생되는 전기화학적 반응을 이용한 전지로서, 기존의 일차전지와는 달리 전기전자제품에서 소모된 에너지를 충전기에 의해 재충전하여 반복 사용할 수 있는 충전과 방전이 가능한 전지이므로 무선 전기전자제품의 대중화와 더불어 확산되고 있는 추세이다.
통상적으로, 양극판과 음극판과의 사이에 분리막을 삽입하고 이들을 함께 나선형으로 권취시킨 젤리롤 형태의 권취형 전극 조립체, 또는 분리막을 사이에 두고 다수의 양극판과 음극판을 적층하여 형성된 플렉서블 적층형 전극 조립체를 리튬 이차 전지에 많이 사용하고 있다. 예를 들어, 원통형 전지는 권취형 전극 조립체를 원통형 캔에 수납하고 전해질을 주입한 후 밀봉하는 것이고, 각형 전지는 권취형 전극 조립체나 적층형 전극 조립체를 압박하여 납작하고 평평하게 만든 다음 각형 캔에 수납하는 것이다. 또한, 파우치형 전지는 권취형 전극 조립체나 적층형 전극 조립체를 전해질과 함께 파우치형 외장재로 포장한 것이다. 이러한 전극 조립체에서, 양극판과 음극판으로부터 각각 양극탭과 음극탭이 전극 조립체의 외부로 인출되어 이차 전지의 양극과 음극에 연결될 수 있다.
한편, 기존 파우치 타입의 리튬이차전지는 외부에서 가해지는 의도적인 힘에 의해 리튬이차전지의 외측을 이루는 외장재가 손상됨으로써 외장재 내부에 수용된 전해액 누액 및 외부 공기의 유입이 일어난다. 이러한 전해액 누액은 전지 보호회로와 같은 주변 부품을 부식시키는 등 정상적인 작동을 저해한다. 또한 외부 공기의 유입으로 인한 발화 등의 큰 안전성 문제를 초래한다.
리튬이차전지의 내구성을 향상하기 위한 방안으로서, 리튬이차전지를 이루는 외장재 패턴의 형성과 단자의 보강 구조를 적용함으로써 전지의 내구성을 향상시켜 반복적으로 가해지는 힘인 굽힘, 비틀림 등에도 안정적으로 전기화학 구동을 가능하게 한다.
한편으로, 플렉서블한 환경에서는 반복적인 굽힘과 비틀림 등에 의해 외장재의 파손 및 내부 전극들의 오정렬, 이탈 등으로 인한 단락이 발생하여 발화 내지 폭발 위험성이 있을 수 있다. 내부 단락은 양극과 음극이 접촉되는 면적에 비례하여 전류가 과다하게 흘러 많은 열이 발생하는데, 이런 경우에 2차 단락이 추가적으로 발생하여 발화 및 폭발의 위험성이 있을 수 있다.
일반적인 전지 구조를 보면, 와인딩 방식이나 일반 적층형 전지의 경우에 모든 전극에 외부로 연결되어 있어서 외부의 충격으로 인한 전극 및 분리막의 손상 시에 내부 단락이 일어난다.
상기와 같이 내부 단락이 발생하는 경우에, 전극 조립체의 어느 한 부분일 수 있는 내부 전극 또는 최외곽 전극이 끊어지는 경우에도 단지 용량이 감소하는 문제는 있을 수 있으나, 전극 조립체의 외부로 전류가 흐르는 데는 문제가 없으므로 전지의 작동에는 이상이 없게 된다. 다만, 상기 내부 전극의 파손 및 절단 상태에서 지속적으로 사용 시에는 안전성에 문제가 될 수 있다는데 그 심각성이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0090104호를 참조하면, 기존의 파우치형 전지 내부에 포함되는 전극조립체에서 외부에서 외력이 가해지는 경우 파손 발생 및 내 전해액성 부족이라는 문제점을 극복하기 위하여 플렉서블 전지용 전극조립체의 일면에 보강부재를 구비함으로써 외력이 가해지는 경우에도 파손을 방지한다는 내용이 개시된다.
(특허문헌 1) KR10-2016-0090104 A
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 외장재의 패턴 간격 조절을 통해 전지를 구성하는 외장재의 파손 내지 내부 단락이 발생하는 시점 이전에 전극리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극의 절단을 유도함으로써 사용상의 안전을 확보하게 하는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 외부를 둘러싸도록 상부 압인부와 하부 압인부가 반복 압인 가공된 구조인 외장재;를 포함하고, 상기 상부 압인부와 하부 압인부는 주름 패턴을 형성하고, 상기 전극 조립체는, 분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀; 상기 한 쌍의 전극판의 단면 또는 양면 상에 도포되는 전극 합제; 및 상기 전극판들로부터 각각 돌출되는 동시에 상기 전극 합제가 미도포된 상태의 전극 탭;을 포함하고, 상기 전극 탭은 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 포함하고, 상기 전극판은 상기 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭 중 어느 하나 이상의 전극 탭이 형성되며, 상기 주름 패턴의 간격이 상이한 상태이다.
상기 전극 조립체는 최외곽에 배치되는 최외곽 음극판 및 상기 최외곽 음극판의 내측에 일체적으로 배치되는 최외곽 양극판을 포함하고, 상기 최외곽 음극판 및 최외곽 양극판은 각각 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 모두 포함한다.
상기 외장재의 주름 패턴 간격은 상기 상부 압인부와 하부 압인부 각각의 폭을 기본 패턴 간격인 X로 설정한 상태에서, 상기 외장재 일부 영역에서의 상이한 주름 패턴 간격인 Y는 X<Y≤5X 이다.
상기 전극 조립체는, 상기 전극 조립체를 구성하는 전극 탭 중 어느 하나의 전극 리드 연결용 탭 상에 용착 고정된 보강 탭;을 더 포함한다.
상기 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드를 상기 보강 탭을 이용하여 덧대어진 구조의 탭 리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입 정렬된 상태이다.
상기 전극 조립체를 구성하는 전극 탭 중 어느 하나의 전극 리드 연결용 탭 상에 결합된 전극 리드는 상기 전극 조립체를 향하도록 접합된 상태에서 180˚ 반대 방향으로 굽혀져 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 향한 굽힘 구조를 더 포함한다.
상기 전극 리드 연결용 탭과 굽힘 구조의 전극 리드가 결합된 탭-리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입 정렬된 상태이다.
상기 전극 조립체의 최상단 및 최하단에 배치된 최외곽 음극판은 전극 합제가 단면으로 도포된다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체 상에 외부 굽힘에 의한 인장 응력과 압축 응력이 반복적으로 가해질 경우, 전극 조립체를 이루는 최외곽 전극 중에서 외장재의 상이한 패턴 상에 일치하는 부분이 손상 및 절단됨으로써 전류가 차단되는 구조로 전지의 기능을 상실케하고 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.
즉, 전극 조립체에 대한 충방전과 동시에 굽힘 평가를 진행하는 경우에, 전극 조립체를 둘러싸는 외장재의 패턴 너비가 기본 패턴보다 상대적으로 큰 부분에 대면하는 최외곽 전극 부분은 상기 최외곽 전극인 음극과 내측의 양극 간의 이격 거리가 증가하고, 저항이 커짐으로 인해서 최외곽 전극 내에 리튬이 남아있게 되어 상대적으로 두께 차이가 발생한다. 이러한 전극 두께의 차이가 있는 상태에서 반복적으로 외부 힘에 의한 굽힘 및 휘어짐 평가 시에는 의도적인 최외곽 전극을 절단이 가능하게 됨을 알 수 있다.
또한, 충/방전이 진행됨에 따라 전극은 부피 팽창과 수축이 발생하는데, 기본 패턴보다 상이한 패턴 상의 일치하는 전극 부분은 계속해서 부피 팽창이 유지되고, 외부에서의 반복적인 휘어짐과 굽힘으로 인해 스트레스가 상대적으로 다른 부분에 비해 국부적으로 심하게 걸린다.
전극리드 연결용 탭과 병렬연결용 탭이 동시에 구비된 최외곽 전극이 절단될 경우에, 활물질 내의 전자가 외부로 연결되는 유일한 통로가 끊김으로써 전류가 차단되는 구조로 전지의 기능을 상실케 하는 과정을 통해 사용상의 안전성을 확보한다.
본 발명에 따른 전극 조립체를 이루는 최외곽 전극 및 일반 전극들은 병렬 연결용 탭으로 접속되고, 최외곽 전극 상에는 전극리드 연결용 탭 부분에 단자가 형성되어 있는데, 외부에서 굽힘 및 비틀림 등의 외력이 가해지는 경우에는 내부의 일반 전극들보다는 최외곽 전극이 우선적으로 손상되며 절단된다. 이 때, 전극리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극이 끊어지게 되면, 병렬연결용 탭에 의해 연결된 일반 전극들은 전류가 차단된 상태에서 폐쇄 상태(shutdown)가 되어 용량이 급감하여 전지가 원래의 기능을 하지 못한다.
즉, 전극 조립체를 이루는 최외곽 전극의 종류 및 배치를 적절하게 활용하여 외장재 파손 내지 내부 단락이 발생하는 시점 이전에 전극리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극의 절단을 유도함으로써 이루어지는 전류 차단 구조를 통해 전지의 안전성을 확보한다.
따라서, 본 발명은 병렬연결용 탭과 전극리드 연결용 탭이 동시에 구비된 전극의 형상과 적층 구조를 통해 전지의 유연성을 향상시킬 뿐 아니라 외장재의 파손 내지 리튬 석출로 인한 내부 단락의 위험에 이르기 전에, 의도적으로 최외곽 전극의 절단을 유도함에 의해 전지 기능을 상실케 함으로써 전지 사용 상의 안전성까지 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 플렉서블 전지를 구성하는 전극 조립체의 예시적인 구성을 보인다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 최외곽 전극을 음극으로 배치한 상태의 전극 조립체의 분해도를 보인다.
도 4 및 도 5는 전극 조립체를 둘러싸는 외장재의 패턴 간격을 조절한 경우에 최외곽 음극 상에 발생하는 두께의 차이로 인한 합제층의 크랙 및 탈리를 보인다.
도 6은 최외곽 전지 상에 절단이 발생함으로써 전극 조립체를 이루는 다른 내부 전극들이 폐쇄 상태(셧다운, shutdown)로 설정된 상태를 보인다.
도 7은 본 발명에 따라 전극 조립체를 감싸는 외장재부를 갖는 플렉서블 전지를 보인다.
도 8은 기존의 플렉서블 전지 및 본 발명에 따른 플렉서블 전지에 대한 반복적인 굽힘 평가 결과를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플렉서블 전지에 대하여 설명하기로 한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따라 외장재의 패턴 간격 조절을 통해 최외곽 전극의 절단 유도를 가능하게 함으로써 전지의 안정성을 향상한 전극 조립체의 일 실시예를 설명한다.
전극 조립체는 분리막(30)을 사이에 두고 음극판(10)과 양극판(20)으로 구분된 단위셀(A), 음극판과 양극판 사이에서 이온 전달 매개체 역할을 하는 전해액, 전극판으로부터 돌출되어진 상태에서 용도에 따라 분리되는 전극 병렬 연결용과 전극 리드 연결용으로 나뉘는 전극 탭을 포함한다. 상기 음극판(10)과 양극판(20)을 포함하는 전극판들 중 어느 하나 이상의 전극판은 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 양측에 이격 배치할 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(100)의 최하단에 배치되는 임의의 최외곽 음극판(10)은 음극 병렬 연결용 탭(12)과 음극 리드 연결용 탭(14)을 구비하고, 상기 최외곽 음극판의 직상단에 배치된 임의의 양극판은 양극 병렬 연결용 탭(22)과 양극 리드 연결용 탭(24)을 구비한다. 즉, 전극 조립체의 최하단에는 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭을 모두 갖는 음극 및 양극이 일체적으로 배치된다.
여기에서, 전극판들은 전극 합제가 전극 집전체인 전극판의 단면 또는 양면에 도포되며, 상기 전극 병렬 연결용 탭 및 전극 리드 연결용 탭은 상기 전극판으로부터 돌출된 형태이다. 한편, 상기 전극 병렬 연결용 탭 및 전극 리드 연결용 탭에는 전극 합제가 미도포된 상태로 노출된 형태이다.
상기 복수의 전극판들은 전극 병렬 연결용 전극 탭을 통해 동일한 극끼리 연결된다. 즉, 복수의 음극판(10)들 및 복수의 양극판(20)들은 각각 전극 탭들 간을 연결하는 탭-탭 결합부에 의해서 전기적으로 병렬 연결된다.
한편, 전극 조립체는 전극 리드 연결용 탭을 통해 외장재 외부로 노출되어 있는 전극 리드와 전기적으로 연결되는 구조를 갖는다. 분리막은 전극판들을 물리적으로 이격시키지만 전해액에 포함된 이온은 통과시키는 기능을 한다.
상기 전극 조립체의 최상단 및 최하단에 배치되는 음극판은 음극 합제(40)가 단면에만 도포된 상태일 수 있다.
음극판(10) 또는 양극판(20) 상에서 돌출된 상태의 전극 병렬 연결용 탭(12, 22)은 동일한 극성의 전극판들로 서로 전기적인 병렬 연결을 하게 한다. 병렬 연결된 탭-탭 결합부는 전극 조립체의 최상단 또는 최하단을 이루는 최외각 전극판의 외면을 감싸고 있는 분리막 상에 위치하여 마감 테이핑 처리된다.
본 발명에서 전극판에 형성된 전극 병렬 연결용 탭(12, 22)이 서로 병렬 연결된 탭-탭 결합부 및 전극 리드 연결용 탭(14, 24)과 전극 리드가 서로 연결된 탭-리드 결합부 간의 연결 및 접합은 스팟 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 및 도전성 접착제에 의한 결합을 포함하는 접합 방식 중 어느 하나를 통해 전기적으로 연결된다.
전극 조립체 내 최상단 및 최하단에 배치되는 전극이 모두 음극판이지만, 이는 일 실시예 일뿐 이에 한정하는 것은 아니다. 본 발명에서 최상단 및 최하단 전극은 음극/음극, 양극/음극, 음극/양극, 양극/양극 중 어느 하나의 조합으로 전극 조립체 내 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 전극 조립체의 일측에 배치된 전극 리드 연결용 탭(14, 24) 상에는 별도의 보강 탭을 보강할 수 있다. 상기 보강 탭에 전극 리드를 결합함으로써 전극 리드 연결용 탭(14, 24)과 전극 리드를 보강 탭을 이용하여 덧댐 구조의 탭 리드 결합부를 형성한다. 보강 탭을 이용하여 전극 리드 연결용 탭(14, 24)과 전극 리드를 결합하는 보강 접합 방식은 양극 탭 및 음극 중 적어도 어느 하나에 해당한다.
상기 보강 탭은 전극 리드 연결용 탭(14, 24)과 전극 리드의 연결 부분의 강도를 보강함으로써 물리적으로 강화한다. 예시적으로, 전극 조립체의 전극판에서 연장되는 전극 리드 연결용 탭 상단에 상기 전극 리드 연결용 탭보다 1배 내지 5배 두꺼운 동종 또는 이종의 금속 보강 탭을 덧댐으로 보강시켜 용착한다. 덧댐으로 보강된 보강 탭 및 전극 리드 연결용 탭은 동일 또는 상이한 폭을 갖는다. 보강되는 보강 탭의 폭은 3 ㎜ 내지 5 ㎜, 길이는 2 ㎜ 내지 4 ㎜일 수 있지만, 이는 일 실시예 일 뿐 이에 한정하는 것은 아니다.
덧댐으로 보강된 보강 탭 상에 접합함으로써 전극 리드 연결용 탭과 결합하는 전극 리드는 구체적으로 2 ㎜ 내지 3 ㎜의 폭 및 0.5 ㎜ 내지 1 ㎜의 길이를 가질 수 있지만, 이는 일 실시예 일 뿐 이에 한정하는 것은 아니다. 본 발명에서 전극판의 집전체는 알루미늄, 스테인레스 스틸 및 구리를 포함하는 그룹 중 어느 하나일 수 있고, 전극 리드는 알루미늄, 니켈 및 니켈이 코팅된 구리를 포함하는 그룹 중 어느 하나의 재질을 가질 수 있다. 전극 리드 연결용 탭과 전극 리드의 탭-리드 결합부 상에 덧댐으로 보강시키는 보강 탭은 원, 타원 및 다각형을 포함하는 그룹 중 1개의 모양으로 형성된다.
한편, 본 발명에 따른 전극 조립체는 전극 리드 연결용 탭(14, 24) 상에 전극 리드 굽힘 구조를 결합하는 형태일 수 있다.
전극 리드를 전극 리드 연결용 탭의 상부에 나란하게 배치한 상태에서, 전극 리드의 끝단 일부를 전극 리드 연결용 탭의 상단에 용착한다. 상기 상태에서, 전극 리드를 180ㅀ 구부리는 과정을 통해서, 전극 리드가 전극 리드 연결용 탭으로부터 전극 조립체의 외측 방향으로 향하도록 한다. 이는 플렉서블한 환경에서 국부적인 기계적 부하를 최소화하여 전극 탭과 전극 리드 간의 결합 보강 구조의 특징을 갖는다.전극 리드 연결용 탭과 전극 리드의 굽힘을 통한 접합 방식은 양극 탭 및 음극 탭 중 적어도 어느 하나에 해당할 수 있고, 전극 리드 연결용 탭 상에 결합되는 전극 리드(60)의 폭은 2 ㎜ 내지 3 ㎜, 길이는 1 ㎜ 내지 3 ㎜일 수 있지만, 이는 일 실시예일 뿐 이에 한정하는 것은 아니다.
한편, 전극 리드 연결용 탭(14, 24)과 전극 리드를 보강 탭을 이용하여 결합한 탭-리드 결합부 및 전극 리드 연결용 탭과 굽힘 탭 구조의 전극 리드가 결합된 탭-리드 결합부는 분리막의 내측으로 삽입/정렬된 상태를 갖는다. 이를 통해 플렉서블 전지의 최대 약점인 단자 부분의 외부노출을 방지함으로써 보호시킨다.
도 4 및 도 5는 전극 조립체를 둘러싸는 외장재의 패턴 간격을 조절한 경우에 최외곽 전극 상에 발생하는 두께의 차이로 인한 합제층의 크랙 및 탈리를 보인다.
외장재 상에 형성된 주름 패턴은 상기 외장재의 길이 방향을 따라 산골부가 연속적으로 형성되는 구조를 보이는 것으로서, 주름 패턴의 외장재 내에 전극조립체를 구비하게 되는 경우에, 패턴 간격의 차이가 상대적으로 넓게 형성된 영역에서는 국부적으로 스트레스가 가해지게 된다.
구체적으로는, 외장재의 전체 길이 중 중간 영역 상에서 패턴 간격의 변화를 줄 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 외장재의 어느 영역에서든지 패턴 간격의 차이를 줄 수 있다.
여기에서, 굽힘 평가 시에 외장재의 파손 및 내부 단락이 발생하는 시점 이전에 패턴 간격이 넓게 형성된 외장재에 대면되는 병렬연결용 탭과 전극리드 연결용 탭이 동시에 구비된 최외곽 전극의 절단을 유도할 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 5를 참조하여 패턴 간격에 차이를 가한 외장재 내에 전극 조립체를 내장한 상태에서 굽힘 후 분해해본 결과를 설명한다.
일반적으로 리튬이차전지는 충/방전이 진행되면서 리튬 이온에 삽입/탈리에 의해, 음극의 부피 팽창 및 수축이 발생한다. 충전상태(SOC, State of Charge)는 이차전지의 전지 용량을 의미하며, 0% 내지 100%로 그 상태를 나타낸다. SOC를 측정하는 방법은 전해질의 비중과 pH를 이용한 화학적 방법(Chemical method), 전압 측정법(Voltage method), 전지의 전류를 측정하고 이를 시간에 대해 적분하여 계산하는 전류 적분 방법(Current integration method, 쿨럼 카운팅), 전지의 내부 압력을 계산하는 압력 측정 방법(Pressure method)이 있으나, 본 발명에서는 간단하게 전압을 통해 음극의 완전 방전 상태(SOC 0%)와 완전 충전 상태(SOC 100%)에서 음극의 두께를 측정하였다. 보통, 음극이 흑연일 경우 완전 충전 상태(SOC 100%)에서 평균 7%, 최대 10%의 부피팽창이 일어난다.
또한, 외부 공기와의 반응으로 인한 두께 변수가 작용하지 않도록, 온도와 습도가 일정하게 유지되는 드라이룸 내에서 전지의 분해가 이루어졌음은 물론이다.
외장재의 표면 중에서 주름 패턴 간격에 차이를 주었던 부분과 직접 대면되는 최외곽 전극 상에서 두께 차이가 발생한 것을 확인할 수 있다.
이는 패턴 간격이 넓은 부분에서는 분리막 내부 전극들 간의 간격이 벌어지는 것을 알 수 있다. 즉, 최외곽 전극인 음극과 양극이 분리막을 사이에 두고 최대한 가깝게 대면되어야 하지만, 굽힘 평가가 진행되면서 상대적으로 패턴 간격이 넓은 외장재 부분에 인접한 전극들 사이가 벌어지면서 최외곽 전극인 음극과 양극 간의 거리가 멀어지고 저항이 크게 걸리게 된다.
최외곽 전극인 음극과 양극 부분에 전극 저항이 크게 걸릴 경우에는 비용량이 감소하게 되고, 방전 때 리튬이 양극 쪽으로 이동하지 못하여 음극 내에 남아 있게 된다.
정리하면, 본 발명에 따라 외장재의 패턴 간격을 조절한 플렉서블 전지의 굽힘 평가 방전 시에, 패턴 간격이 넓어진 부분에 대응되는 전극 두께(t')과 그렇지 않은 전극의 두께(t)를 측정해 보았을 때 두께 차이(t'-t)가 발생한다.
일 실시예로, 외장재의 패턴 간격이 d인 전극 부분과 패턴 간격이 2d인 전극 부분의 패턴 간격 차이로 인해 전극 조립체 내 전극의 일반 패턴 간격이 아닌 특정 영역의 상이한 패턴과 대면되는 전극들 간의 거리가 상대적으로 멀어지거나 전극 저항으로 인해 방전이 덜 되어 그 부분에 두께 차이(t'-t)가 발생하며, 다수의 표본을 통해 음극 합제층 두께의 2 내지 4% 임을 알 수 있다.
충방전을 진행하면서 굽힘 평가를 할 때, 상기한 두께 차이로 인해 방전 상태에서 상대적으로 전극의 두꺼운 부위에서 1500-2500회 정도의 굽힘에서 절단됨을 알 수 있다.
또한, 충방전이 진행됨에 따라 전극은 부피 팽창과 수축이 발생하는데, 일반 패턴 간격이 아닌 특정 영역의 상이한 패턴과 대면되는 전극 부분은 계속해서 부피 팽창이 유지되고, 외부에서의 반복적인 휘어짐과 굽힘으로 인해 스트레스가 상대적으로 다른 부분에 비해 국부적으로 심하게 작용한다. 결국에는 합제층이 집전체로부터 크랙 및 탈리 손상되어 노이즈가 발생하면서 전지의 정상적인 기능 또한 다하지 못하게 된다.
외장재의 패턴 간격은 도 7과 같이 X,Y로 상이하게 배치 가능할 수 있고, 여기에서 외장재 일부 영역에서의 상이한 주름패턴 간격인 Y는 기본 패턴 간격인 X에 비해 5배인 5X로 넓어진 간격이 바람직하다. 그 이유는 상기한 패턴 간격 설계에 따라 외부에서 가해지는 힘에 대해 플렉서블한 성능을 유지하면서 효과적으로 최외곽 전극의 절단을 유도할 수 있기 때문이다.
외장재 일부 영역에서의 상이한 주름패턴 간격인 Y가 기본 패턴 간격 X 이하일 경우에는 효과적으로 최외곽 전극의 절단을 유도할 수 없으며, 외장재의 패턴 형성이 용이하지 않다.
또한, 5X를 초과할 경우에는 플렉서블 전지로서의 성능을 구현할 수 없다. 외장재 상에 반복적으로 압인 가공된 패턴은 굽힘, 비틀림 또는 구겨짐 같은 동작에서 플렉서블 전지의 압축 및 인장이 가능하게 하는 구조인데, 5X를 초과하게 되면 패턴 형성이 되지 않은 일반 배터리를 구부리는 것과 같기 때문에 외장재와 동시에 전극이 손상됨은 당연하다.
도 6은 최외곽 전지 상에 절단이 발생함으로써 전극 조립체를 이루는 다른 내부 전극들이 폐쇄 상태(셧다운, shutdown)로 설정된 구조를 보인다.
구체적으로는, 전극 조립체를 이루는 복수의 전지들은 우측의 병렬 연결용 탭을 통해 연결되어 있고, 복수의 전지들 중 하단부 최외곽에 배치되는 극판에는 전극리드 연결용 탭 부분에 단자가 형성되어 있다.
상기 상태에서, 전극 조립체 상에 외부에서 굽힘 및 비틀림 등의 외력이 가해지는 경우에는 전극 조립체의 내부보다는 하단부의 최외곽에 있는 전극이 우선적으로 손상되며 절단된다.
이 때, 전극리드 연결용 탭이 구비된 최외곽 전극이 끊어지게 되면, 병렬연결용 탭에 의해 연결된 전극들은 전류가 차단되어, 폐쇄 상태가 되고, 용량이 급감하여 전지가 제 기능을 하지 못하게 된다, 이는 내부 전극의 손상에도 불구하고 지속적으로 사용 시 내부 단락으로 이어져 발생할 수 있는 발화 위험성을 갖는 기존의 전지와는 차별적으로 미연에 방지하는 기능을 제공한다.
이를 위해, 본 발명은 최외곽 전극의 종류 및 배치를 적절하게 활용하여 외장재 파손 내지 내부 쇼트가 발생하는 시점 이전에 전극리드 연결용 탭이 구비된 전극의 절단을 유도한다. 이런 의도된 구조는 사용자의 부주의나 과도한 굽힘으로 인한 위험성으로부터 전지를 안전하게 하고, 외부 힘에 의한 일정 굽힘 횟수 이상에서의 플렉서블 전지의 성능의 보장 및 제어를 필요로 하는 디바이스에 적용될 수 있다.
도 8은 기존의 플렉서블 전지 및 본 발명에 따른 플렉서블 전지에 대한 반복적인 굽힘 평가 결과를 보인다. 구체적으로는, 기존의 플렉서블 전지, 외장재의 상이한 패턴 간격에 의해 전극이 절단된 플렉서블 전지 및 합제층의 크랙 및 탈리된 플렉서블 전지를 위에서부터 차례로 보인다.
각각의 경우의 플렉서블 전지의 충방전 및 굽힘 평가(25 cpm) 결과를 설명한다.
기존의 플렉서블 전지는 5,000회 이상에서도 정상적인 전기화학구동을 보여주고 있다. 하지만, 일부 영역에 상이한 패턴 간격의 외장재부를 갖는 플렉서블 전지로 2,000회 부근에서 방전 3.6V를 시작으로 작은 노이즈가 생기더니 최외곽 음극의 절단과 동시에 전압이 작동전압 이하로 떨어져 버린 것을 확인할 수 있다.
제일 하단의 그래프를 보면, 일부 영역에 상이한 패턴 간격의 외장재부를 갖는 플렉서블 전지로 전극 상 도포된 합제층의 크랙 및 탈리가 일어난 상태로, 방전 초반 4.2V 부근에서 집전체로부터 합제층이 1차로 탈리되면서 전압이 급격하게 떨어짐과 동시에 지속적으로 노이즈가 발생하였으며, 2차로 합제층과 집전체에 크랙이 가면서 용량 또한 급감하며 전압이 작동 전압 이하로 떨어지는 것을 보여주고 있다.
상기와 같이 다수의 실험결과, 외장재에 형성된 주름 패턴 형성을 상이하게 구현함으로써 굽힘 횟수수 1,500~2,500회 부근에서 최외곽 전극 상의 국부적인 부위에서 전극 절단 및 합제층의 크랙 또는 탈리 현상이 일어나게 된다. 이를 통해서, 외장재가 파손되거나 리튬 석출로 인한 내부 단락의 발생 확률이 높은 과도한 굽힘 횟수 이전에 의도적으로 최외곽 전극의 손상 및 절단을 설계함으로써 전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명은 전극 조립체 상에 외부 굽힘에 의한 인장 응력과 압축 응력이 반복적으로 가해질 경우, 전극 조립체를 이루는 최외곽 전극의 외장재의 상이한 패턴 상에 일치하는 부분이 절단됨으로써 전류가 차단되는 구조를 통해 사용자의 부주의나 과도한 굽힘으로 인한 위험성으로부터 전지를 안전하게 하고, 외부 힘에 의한 일정 굽힘 횟수 이상에서의 플렉서블 전지의 성능 보장 및 제어를 필요로 하는 디바이스에 적용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 플렉서블 리튬이온 이차전지에 있어서,
    전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체의 외부를 둘러싸는 외장재;를 포함하고,
    상기 전극 조립체는,
    분리막을 사이에 두고 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 전극판을 갖는 하나 이상의 단위셀;
    상기 한 쌍의 전극판의 단면 또는 양면 상에 도포되는 전극 합제; 및
    상기 전극판들로부터 각각 돌출되는 전극 탭;을 포함하고,
    상기 전극 탭은,
    상기 전극판들을 서로 동일한 극끼리 연결하는 전극 병렬 연결용 탭; 및
    상기 외장재 외부로 노출되어 있는 전극 리드와 결합되는 전극 리드 연결용 탭을 포함하고,
    상기 전극 조립체의 최외곽에서의 손상에 의해 상기 전극 조립체가 폐쇄 상태가 되도록,
    상기 전극 리드 연결용 탭은 상기 전극 조립체의 최외곽에 배치되는 전극판에 형성되고,
    상기 외장재는, 주름 패턴을 형성하도록 반복되는 상부 압인부와 하부 압인부를 구비하고,
    상기 주름 패턴의 상기 최외곽에 배치되는 전극판과 맞닿는 영역 중 일부 영역 사이의 간격이 나머지 영역 사이의 간격보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는,
    리튬이온 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 최외곽에 배치되는 최외곽 음극판 및 상기 최외곽 음극판의 내측에 일체적으로 배치되는 최외곽 양극판을 포함하고,
    상기 최외곽 음극판 및 최외곽 양극판에는 각각 전극 병렬 연결용 탭과 전극 리드 연결용 탭이 모두 형성되는,
    리튬이온 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외장재의 주름 패턴 간격은 상기 상부 압인부와 하부 압인부 각각의 폭을 기본 패턴 간격인 X로 설정한 상태에서, 상기 일부 영역에서의 주름 패턴 간격인 Y는 X<Y≤5X 인,
    리튬이온 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 조립체는,
    상기 전극 리드 연결용 탭에 결합되는 보강 탭;을 더 포함하는,
    리튬이온 이차전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 리드는,
    상기 전극 리드 연결용 탭 상에서, 상기 전극 조립체를 향하는 측에서 상기 전극 조립체의 외측을 향하는 방향으로 굽혀지도록 형성되는 굽힘 구조를 더 포함하는,
    리튬이온 이차전지.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 보강 탭에 의해 덧대어진 탭 리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입되어 있는,
    리튬이온 이차전지.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 전극 리드 연결용 탭과 굽힘 구조의 전극 리드가 결합된 탭-리드 결합부는 상기 분리막의 내측으로 삽입되어 있는,
    리튬이온 이차전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 최상단 및 최하단에 배치된 최외곽 음극판은 전극 합제가 단면 도포된,
    리튬이온 이차전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 최외곽에서의 손상은, 상기 일부 영역에 대응되는 영역에서 상기 전극판들 사이의 간격이 벌어짐에 따라, 상기 전극 합제의 크랙 또는 상기 전극 합제의 상기 전극판으로부터의 탈리에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는,
    리튬이온 이차전지.
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