KR101994948B1 - 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

전지 내부의 방열을 개선하여 전지의 대용량화로 인해 유발되는 열의 축적 문제를 해결함으로써 이차전지의 수명 및 안전성을 향상시킬 수 있는 이차전지 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 이차전지는, 다수의 적층형 단위셀들이 중첩되어 있고 각각의 중첩부에는 연속적인 폴딩 분리막 시트가 개재되는 구조의 전극조립체들이 하나의 전지케이스에 내장되어 있으며, 상기 전극조립체들 사이 및 상기 전극조립체와 상기 전지케이스 사이에 열전도성 플레이트가 배치되어, 상기 전지케이스 내부의 열을 상기 전지케이스 외부로 방열시키는 것이다.

Description

이차전지 및 그 제조방법{Stack and folding-type electrode assembly and method for fabricating the same}

본 발명은 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 이차전지 내부의 방열을 개선한 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.

이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.

이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점이 있다. 반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위셀들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 폴딩 분리막 시트를 사용하여 폴딩한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체가 개발되어 있다.

도 1에는 이러한 스택-폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 단위 셀로서 순차적으로 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 C 타입 바이셀(10, 13, 14)과 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 A 타입 바이셀(11, 12)이 번갈아 중첩되어 있고, 각각의 중첩부에는 폴딩 분리막 시트(20)가 개재되어 있다. 폴딩 분리막 시트(20)는 바이셀을 감쌀 수 있는 단위길이를 갖고, 단위길이마다 내측으로 꺾여서 중앙의 바이셀(10)로부터 시작되어 최외각의 바이셀(14)까지 연속하여 각각의 바이셀을 감싸는 구조로 바이셀의 중첩부에 개재되어 있다. 폴딩 분리막 시트(20)의 말단부는 열융착하거나 접착 테이프(25) 등을 붙여서 마무리한다.

이러한 스택-폴딩형 전극조립체 하나는 예컨대 파우치 외장재 내부에 수납되어 파우치형 이차전지로 제조되고, 이러한 파우치형 이차전지를 적층하여 전지모듈 및 전지팩을 제조한다. 대용량 조건을 충족시키기 위하여 적층되는 단위 이차전지의 개수를 증가시킬 수도 있지만 보통은 하나의 이차전지 안에 포함되는 스택-폴딩형 전극조립체 자체의 용량을 증가시키기 위해서 이를 구성하는 풀셀 또는 바이셀의 개수를 증가시킨다. 하지만, 풀셀 또는 바이셀의 개수가 증가할수록, 폴딩 공정을 위한 공간이 커지고 많은 작업시간이 소요되며, 일부 셀에서 불량이 발생하였을 경우 전체 전극조립체의 불량이 초래되는 문제점을 가지고 있다.

그리고, 이와 같이 이차전지의 대용량화를 위해 권취 회수 및/또는 적층 회수가 늘어남에 따라 방열 문제가 심각하게 대두되고 있다. 리튬 이차전지는 충방전시에 열이 발생하는 바, 이러한 열이 효과적으로 제거되지 못하고 축적되는 경우, 전지의 열화가 초래되고 안전성도 크게 훼손될 수 있다. 특히, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 전원과 같이 고속 충방전 특성이 요구되는 전지에서는 순간적으로 고출력을 제공하는 과정에서 강한 발열이 수반된다. 그리고, 자동차 및 전자 제품에 사용되는 이차전지는 비정상적인 사용 및 과충전으로 고온의 열이 발생하여, 이러한 열로 인하여 안전성에 문제가 발생하게 된다.

이와 같은 방열 문제는 전지의 대용량화를 위해 전극판들을 높은 밀집도로 충적시키는 구조에서 불가피하게 발생하며, 특히, 여러 개의 단위셀이 폴딩 분리막으로 말려 있는 스택-폴딩형 전극조립체는 두꺼울수록 최표면으로부터 가장 먼 거리를 이루는 중앙 부위에서 발생한 열이 외부로 방출되기 어려운 구조를 가지고 있기 때문에, 내부와 외부의 온도차가 크게 발생하여 방열이 잘 이루어지지 않아 안전성 확보가 어렵다. 따라서, 용이한 방법으로 전지의 용량을 증가시키면서, 고속 충방전시 발생하는 많은 열을 외부로 배출하기 용이한 구조로 구성하여 이차전지의 수명 및 안전성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전지 내부의 방열을 개선하여 전지의 대용량화로 인해 유발되는 열의 축적 문제를 해결함으로써 이차전지의 수명 및 안전성을 향상시킬 수 있는 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 다수의 적층형 단위셀들이 중첩되어 있고 각각의 중첩부에는 연속적인 폴딩 분리막 시트가 개재되는 구조의 전극조립체들이 하나의 전지케이스에 내장되어 있으며, 상기 전극조립체들 사이 및 상기 전극조립체와 상기 전지케이스 사이에 열전도성 플레이트가 배치되어, 상기 전지케이스 내부의 열을 상기 전지케이스 외부로 방열시키는 것이다.

상기 전극조립체들은 적층 배열 구조로 이루어져 있다. 여기서, '적층 배열 구조'는 전극조립체들이 그것의 두께 방향으로 인접되도록 배열된 구조를 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 열전도성 플레이트와 상기 전지케이스는 열적으로 결합되어 있을 수 있다.

상기 열전도성 플레이트는 상기 전극조립체들 사이 및 상기 전극조립체들 최외층의 최표부에 연속적으로 구비될 수 있다.

상기 전극조립체들은 상기 열전도성 플레이트로 권취되어 있을 수 있다.

상기 단위셀들은 바이셀 및/또는 풀셀이다. 전지의 조립 공정, 작동 성능 등을 고려할 때, 하나의 전극조립체에서 상기 단위셀의 바람직한 개수는 3 내지 5 개이다.

상기 열전도성 플레이트는 방열 효율성과 전지의 용량을 고려하여 0.1 내지 1 mm의 두께를 가질 수 있다.

상기 열전도성 플레이트는 카본 시트, 알루미늄 메쉬 및 열도전성 고무 중 어느 하나일 수 있다. 상기 열전도성 플레이트가 도전성을 가지는 경우에, 상기 전극조립체들과의 전기적 절연이 보장된 상태에서 상기 전극조립체들 사이에 개재되어야 한다.

본 발명에 따른 이차전지는 대용량의 중대형 전지모듈 또는 전지팩의 제조에 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기 대용량의 범위는 특별히 한정되지 않는다.

따라서, 본 발명은 단위전지로서 상기 이차전지를 다수 개 포함하고 있는 중대형 전지모듈, 및 그러한 중대형 전지모듈 하나 이상과 상기 전지모듈의 작동을 제어할 수 있는 제어부를 포함하고 있는 중대형 전지팩을 제공한다.

본 발명에서는 이와 같은 이차전지를 제조하는 방법도 제공한다. 이 방법은, 다수의 적층형 단위셀들이 중첩되어 있고 각각의 중첩부에는 연속적인 폴딩 분리막 시트가 개재되는 구조의 전극조립체들을 준비하는 단계; 상기 전극조립체들 사이를 지나 상기 전극조립체들을 감싸도록 열전도성 플레이트를 배치하는 단계; 및 상기 전극조립체들을 전지케이스에 내장하는 단계를 포함하여, 상기 전극조립체들 사이 및 상기 전극조립체와 상기 전지케이스 사이에 열전도성 플레이트가 배치되어, 상기 전지케이스 내부의 열을 상기 전지케이스 외부로 방열시키는 이차전지를 제조하는 것이다.

스택-폴딩형 전극조립체의 경우 두께가 두꺼워질수록 내부에서 발생한 열은 방열이 어렵기 때문에 기존에 이차전지 안에 한 개만 포함되던 스택-폴딩형 전극조립체를 본 발명에서는 여러 개로 나누고 이를 하나의 전지케이스 안에 내장한다. 같은 용량의 이차전지라도 전극조립체를 하나 포함하는 경우에 비하여 본 발명과 같이 전극조립체를 여러 개 포함시키면 하나의 전극조립체 안에 포함되는 단위셀 적층수는 적게 할 수 있으므로 일부 셀에서 불량이 발생하더라도 전체적인 이차전지의 불량에 대응하는 일이 수월해지는 효과도 있다.

본 발명은 이와 같이 전극조립체들을 중층화하고, 나아가 전극조립체들 사이에 열전도성 플레이트를 개재하여, 전극조립체 사이에 생기는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있다. 따라서, 보다 안전하고 게다가 체적 에너지 밀도가 높은 이차전지 및 이를 포함하는 전지모듈 및 전지팩을 제공할 수 있다.

열전도성 플레이트는 여러 개의 전극조립체들을 감싸는 형태로 개재되고, 이로써 간소한 조립공정에 의해 대용량의 이차전지를 방열 문제없이 제조할 수 있다. 이러한 이차전지는 특히 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 전지모듈의 단위전지로서 바람직하게 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 전극조립체를 2개 이상 겹쳐 사용하고 발열 효율의 향상 효과를 부여하는 열전도성 플레이트를 통해, 전지의 대용량화로 인해 유발되는 열의 축적 문제를 해결함으로써, 이차전지의 수명 및 안전성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 스택-폴딩형 전극조립체의 예시적인 구조에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 구조에 대한 모식도이다.
도 3은 도 2의 구조에 포함되는 전극조립체 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 열전도성 플레이트로 전극조립체들을 권취하는 경우의 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4와 다른 방법을 이용해 열전도성 플레이트로 전극조립체들을 권취한 상태의 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 제조방법의 순서도이다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

또한, 본 발명에 포함되는 전극조립체는 특별히 그 형태를 한정하지 아니하고 다양한 형태가 모두 포함될 수 있음은 물론이며, 예를 들어, 다수의 적층형 단위셀들을 길게 재단된 폴딩 분리막 시트로 권취한 스택-폴딩형 전극조립체, 적층형 단위셀들을 폴딩 분리막 시트로 권취하는 경우, 지그재그 방향으로 폴딩하는 Z형 스택-전극조립체 등이 모두 포함될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 구조에 대한 모식도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지(100)는 여러 개의 전극조립체(120)들이 하나의 전지케이스(140)에 내장되어 있다. 전극조립체(120)는 다수의 적층형 단위셀(110)들이 중첩되어 있고 각각의 중첩부에는 연속적인 폴딩 분리막 시트(115)가 개재되는 구조이다. 전극조립체(120)들을 거둘 수 있는 전지 케이스(140)는 특별히 제한되는 것이 아니지만, ABS 수지, 폴리카보네이트 등의 수지재나, 알루미늄, SUS 등의 금속재료가 바람직하게 이용된다. 또, PET나 염화 비닐의 필름을 이용하는, 소위 소프트 팩이어도 좋다.

본 실시예에서 하나의 단위셀(110)은 양극(111)/분리막(112)/음극(113) 구조를 가지는 예를 도시하였지만, 단위셀(110)은 이것과는 다른 종류일 수 있으며, 양측이 동일한 전극으로 이루어진 바이셀 및/또는 양측이 다른 전극으로 이루어진 풀셀 중에서 선택될 수 있다. 단위셀 양극은, 예를 들어 양극 집전체의 양면에 양극 활물질, 도전재, 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다. 단위셀 음극은 음극 집전체 상에 음극활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다. 이와 같이 양극 및 음극들은 각각의 집전체(전극시트) 양면에 양극 활물질 또는 음극 활물질이 도포되어 있을 수 있으나, 편의상 도시하지 않았다.

폴딩 분리막 시트(115)는 단위셀(110)을 구성하는 분리막(112)과 동일한 소재일 수 있다. 상기 폴딩 분리막 시트(115) 또는 분리막(1120)은 미세 기공을 포함하는 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체의 고분자 전해질용 고분자 필름으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있으며, 상기 재질을 이용하여 제조된 단층 또는 이중층 이상의 다층으로 이루어진 폴딩 분리막 시트 또는 분리막일 수 있다.

도 3은 도 2의 구조에 포함되는 전극조립체 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 전극조립체는 긴 길이의 폴딩 분리막 시트(115) 상에 단위셀(110)들을 전극 방향을 극성에 맞게 배열하고 폴딩 분리막 시트(115)의 일 단부에서 시작하여 순차적으로 화살표 방향으로 권취함으로써 제조된다. 이와 같이, 본 실시예에서는 지그재그 방향으로 폴딩하는 Z형 스택-전극조립체의 예를 들었으나, 도 1에 도시한 것처럼 중앙 단위셀(110)을 폴딩 분리막 시트(115)로 1회 권취한 후, 인접하는 단위셀(110)이 위치하는 외측으로 폴딩 분리막 시트(115)를 접어서 각각의 단위셀(110)을 중첩하여 폴딩한 구조에도 적용될 수 있다. 즉, 도 2 및 도 3에서 전극조립체(120)는 폴딩 분리막 시트(115)가 최상단의 단위셀(110)에서부터 중앙의 단위셀(110)들을 지나 최하단의 단위셀(110)까지 Z 형태로 감싸는 구조로 단위셀(110)들을 폴딩한 것을 나타내고 있지만, 단위셀(110)의 종류, 배열 순서 및 폴딩 방식은 배터리팩 설계 기준에 따라 변경 가능하다.

단위셀(110)은 편평한 직육면체 혹은 판상체이고, 최대면적을 가지는 평면부와 두께 부분이 되는 측면부를 가지며, 이중 평면부끼리가 대향되도록 적층되어지므로 전극조립체(120)도 편평한 블록 내지 판형을 이루게 된다.

본 실시예에서 전극조립체(120)는 3개가 중첩되어 있는 적층 배열 구조로 이루어져 있다. 여기서, '적층 배열 구조'는 전극조립체들이 그것의 두께 방향으로 인접되도록 배열된 구조를 의미한다. 다시 말해, 전극조립체(120)는 편평한 블록 내지 판형이고, 최대면적을 가지는 평면부와 두께 부분이 되는 측면부를 가지며, 이중 평면부끼리가 대향되도록 적층되게 된다.

하나의 전극조립체(120)에 포함되는 풀셀 또는 바이셀 등의 단위셀(110)들의 수 및 전극조립체(120)의 개수는 각 단위셀의 구조와 최종 제조되는 전지의 소망하는 용량 등 다양한 요소들에 의하여 결정될 수 있다. 보통 기존 스택-폴딩형 전극조립체에 포함되는 단위셀 개수는 3개 이상일 수 있으며, 특히 HEV 용도로 사용될 전극조립체는 스택수가 10 이상이다. 전지의 조립 공정, 작동 성능 등을 고려할 때, 하나의 전극조립체(120)에서 단위셀(110)의 바람직한 개수는 3 내지 5 개이다. 이와 같이, 본 발명에서는 하나의 전극조립체(120) 안에 포함되는 단위셀의 개수를 3 내지 5개로 하고 이러한 전극조립체(120)를 여러 개 적층하여 10개 이상의 스택수를 구현한다.

본 실시예 도면에서, 하나의 전극조립체(120)에서 단위셀(110)은 5개인 경우를 예로 들었다. 예를 들어 기존에는 15개의 단위셀들을 이용해 스택-폴딩한 전극조립체를 하나의 전지케이스에 내장하였다면, 본 발명에서는 5개의 단위셀들을 이용해 스택-폴딩한 전극조립체 3개를 하나의 전지케이스에 내장한 것으로 이해될 수 있다.

본 실시예에서는, 전극조립체(120)들 사이 및 전극조립체(120)와 전지케이스(140) 사이에 열전도성 플레이트(160)가 배치되어, 전지케이스(140) 내부의 열을 전지케이스(140) 외부로 방열시킨다. 열전도성 플레이트(160)는 전극조립체(120)들 표면을 연결시킨다. 전극조립체(120)가 편평한 블록 내지 판형을 이루고 있으므로, 체적에 차지하는 열전도성 플레이트(160)와의 접촉 면적이 크고, 효율적으로 열을 열전도성 플레이트(160)로 전달할 수 있다. 따라서, 열전도성 플레이트(160)는 이차전지(100) 내부의 열을 외부로 방열시키는 효과가 뛰어나다.

보통의 이차전지의 경우, 과충전 및 비정상적인 구동환경에서 아래와 같은 반응으로 많은 양의 열이 발생한다.

(a) 허용치 이상의 전압 상승

(b) 상승된 전압으로 인한 전해액의 분해 반응

(c) 양극, 음극 각각과 전해액의 반응.

본 발명에서는 열전도성 플레이트(160)가 이러한 반응에 따른 열을 외부로 효과적으로 방출할 수 있다.

열전도성 플레이트(160)는 카본 시트, 알루미늄 메쉬 및 열도전성 고무 중 어느 하나임이 바람직하다. 그러나, 아래 설명하는 바와 같이 다양한 종류의 재질을 적용할 수도 있다. 어떠한 경우이든 열전도성 플레이트(160)가 도전성을 가지는 경우에, 전극조립체(120)들과의 전기적 절연이 보장된 상태에서 전극조립체(120)들 사이에 개재되어야 한다.

열전도성 플레이트(160)로서는, 예를 들면, 알루미늄, 구리, 스테인리스 등의 열전도성이 양호하고, 내부식성, 강도를 가지는 금속박, 또는 금속 메쉬나, 펀칭 등의 천공 처리를 실시한 금속박을 들 수 있다. 또한, 열전도성을 올리기 위해서 매트릭스 수지에 열전도율의 큰 금속이나 세라믹스, 탄소섬유 등이 충전된 것 등을 이용할 수 있다. 예를 들면, 금속 산화물이나 질화 붕소를 실리콘 겔에 혼입하고 표면에 홈을 설치한 전열시트를 이용할 수 있다.

또한, 강도를 갖게 해 작업성을 향상시키기 위해서, 열전도성 필러를 혼입한 실리콘 고무를 강도 지지층으로 하고, 열전도성 필러를 혼입한 유연성 실리콘 겔을 변형층으로서 복합화한, 열전도성 시트도 이용할 수 있다. 뿐만 아니라, 수지제 필름 혹은 부직포로부터 선택되는 보강층을 가진 저경도 실리콘고무 시트 등을 이용해도 괜찮다.

덧붙여 열전도성 시트는 간편하게 사용할 수 있는 장점은 있지만, 전극조립체(120) 표면이 일견 평활하게 보여도 마이크로적으로 보면 요철이 있기 때문에, 실제는 이들의 피착면에 확실히 밀착을 하지 못하고, 공기층이 개재하는 결과, 방열 효과를 성능 대로에 발휘할 수 없을 수도 있다. 이와 같이, 열전도성 시트만으로는 불충분한 경우, 열전도성 시트의 표면에 점착층 등을 설치해 밀착성을 향상시켜도 무방하다.

상기와 같이 열전도성 플레이트(160)는 박형, 시트형인 것이 바람직하다. 그 막 두께로서는, 너무 두꺼우면 이차전지 전체의 체적 에너지 밀도를 저하시키기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 소정의 강도, 열전도성을 가지기 위해서는 어느 정도의 막 두께가 필요하다. 구체적으로는, 이용하는 재질에 따라 다르나 방열 효율성과 전지의 용량을 고려하여 0.1 내지 1 mm의 두께를 가지도록 할 수 있다.

열전도성 플레이트(160)의 열전도율은, 적어도 전극조립체(120)의 외장체(복합 부재의 경우에는 전체적으로) 보다 높을 필요가 있다. 구체적으로는, 금속재료로 바람직하게는 100~400 W/mk, 수지계의 재료에서는 바람직하게는 0.8~1.8 W/mk정도이다. 예를 들어 알루미늄은 열전도율 237W/mk이어서 열전도성 플레이트(160) 재료로 사용하기 적합하다.

또한, 열전도성 플레이트(160)는 난연제를 가지고 있어도 괜찮다. 난연제는 상기 금속박의 표면에 바인더 등에 의해 도설되어 있어도 좋고, 금속 메쉬 간에 존재하고 있어도 괜찮다. 또한, 수지 재료 중에 분산되어 있어도 괜찮다. 이와 같이 난연제를 가짐으로써, 만일 전극조립체(120)가 열폭주해 발화하는 경우에도 연소를 방지해 안전성을 확보할 수 있다. 이러한 난연제로서는, 할로겐화 인산 에스테르, 브롬화 에폭시 수지 등의 할로겐화물, 또, 인산 에스테르 아미드계 등의 유기 화합물이나, 삼산화 안티몬, 수소화 알루미늄 등의 무기 재료를 이용할 수 있다.

전극조립체(120)들이 중첩되어 있는 경우 전지케이스(140)에서 가장 먼 제일 안쪽의 가운데 전극조립체(120)에서의 방열이 문제될 수 있으므로, 열전도성 플레이트(160)는 되도록 가운데 전극조립체(120)와 다른 전극조립체(120) 사이에는 개재될 수 있도록 배치함이 바람직하다. 열전도성 플레이트(160)가 흡수한 열을 전지케이스(140)로 빠르게 전달하여 외부로 방열할 수 있도록 하기 위해서는 열전도성 플레이트(160)가 직접 전지케이스(140)에 닿아 열적으로 결합되어 있는 것이 바람직하다. 이를 위해서, 열전도성 플레이트(160)는 전극조립체(120)들 사이뿐만 아니라, 전극조립체(120)와 전지케이스(140) 사이에도 구비됨이 바람직하다. 이와 같이 본 발명에 따른 열전도성 플레이트(160)는 인접하는 전극조립체(120)들 사이뿐 아니라 전극조립체(120)들 사이와 외부를 연결하여 내부의 열을 외부로 전달하기 용이하게 한 구조이다.

필요한 부분에 열전도성 플레이트(160)를 배치하기 위하여 여러 개의 열전도성 플레이트(160)를 이용해 각각을 적소에 배치하여 사용해도 되지만, 본 발명에서는 공정의 용이성을 위하여 긴 길이의 열전도성 플레이트(160)가 전극조립체(120)들을 감싸도록 하여, 전극조립체(120)들 사이 및 전극조립체(120)들 최외층의 최표부에까지 연속적으로 구비되도록 한다. 이와 같이 구성함으로써, 전체의 열분포를 균일화할 수 있음과 동시에, 전극조립체(120) 최외층 표면에 존재하는 열전도성 플레이트(160)에 내부로부터의 열이 효과적으로 전달되어 열의 발산 효과가 향상된다.

특히, 전극조립체(120)들을 여러 개 마련한 후 열전도성 플레이트(160) 위에 놓고 한쪽 끝에서부터 전극조립체(120)들을 권취하여 제조하면 도시한 바와 같은 구조를 얻을 수 있다. 이와 같이 열전도성 플레이트(160)로 권취하면 전극조립체(120)들이 전지케이스(140) 안에 수납될 수 있는 일체형 복합체가 되어 취급이 용이한 장점도 있다.

도 4는 열전도성 플레이트로 전극조립체들을 권취하는 경우의 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 긴 길이의 열전도성 플레이트(160) 상에 전극조립체(120)들을 전극 방향을 극성에 맞게 배열하고 열전도성 플레이트(160)의 일 단부에서 시작하여 순차적으로 화살표 방향으로 권취한다. 이 때에도, 본 실시예에서는 지그재그 방향으로 폴딩하는 예를 들었으나, 중앙 전극조립체(120)를 열전도성 플레이트(160)로 1회 권취한 후, 인접하는 전극조립체(120)이 위치하는 외측으로 열전도성 플레이트(160)를 접어서 각각의 전극조립체(120)을 중첩하여 폴딩하여 도 5에 도시한 바와 같이 권취할 수도 있다.

즉, 도 4와 도 5에 예로 든 것 이외에도, 전극조립체(120) 2 및 도 3에서 전극조립체(120)는 폴딩 분리막 시트(115)가 최상단의 단위셀(110)에서부터 중앙의 단위셀(110)들을 지나 최하단의 단위셀(110)까지 Z 형태로 감싸는 구조로 단위셀(110)들을 폴딩한 것을 나타내고 있지만, 단위셀(110)의 종류, 배열 순서 및 폴딩 방식은 배터리팩 설계 기준에 따라 변경 가능하다.

이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 제조방법에 대해 간략히 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 제조방법의 순서도이다.

먼저 전극조립체(120)들을 준비한다(단계 S1).

전극조립체(120)들은 앞서 설명한 도 3과 같은 방법으로 준비할 수 있다.

그 다음, 전극조립체(120)들 사이를 지나 전극조립체(120)들을 감싸도록 열전도성 플레이트(160)를 배치한다(단계 S2). 열전도성 플레이트(160)를 배치하는 방법은 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 바 있다.

다음으로, 전극조립체(120)들을 전지케이스(140)에 내장한다(단계 S3).

앞의 도면들에서 상세하게 도시하지는 않았지만, 단위셀(110)의 각 전극판에는 각각의 극성에 따라 전극탭이 연장되거나 연결되어 있다. 이러한 전극탭을 모아 전극리드에 연결한다. 이러한 전극리드의 타단이 전지케이스(140)의 외부로 연장되게 전극조립체(120)들을 수납하고 전지케이스(140) 내부에 전해액을 주입한 다음, 전지케이스(140)의 실링부를 열융착시킨다. 그 다음, 이차전지의 에이징(aging), 충방전, 포메이션(formation) 및 디개싱(degasing)등의 후속 공정이 진행될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 하나의 전지케이스(140) 내부에 둘 이상의 전극조립체(120)들을 포함함으로써 전지 용량이 증가되고, 그것을 구성하는 전극조립체(120)들 사이에는 열전도성 플레이트(160)가 개재되어 있다. 열전도성 플레이트(160)로 권취하는 경우, 전극조립체(120)들은 하나의 단위체로서 안정적으로 결합되어 충격 또는 진동 등의 외부환경에 대한 구조적 안정성이 향상되는 장점이 있다. 또한, 이차전지의 조립 과정에서 취급이 용이하다는 장점이 있다. 열전도성 플레이트(160)는 고속 충방전시 발생하는 많은 전극조립체(120)들 중심부에 있는 열을 흡수하여 전지케이스(140) 외부로 발산하도록 유도함으로써 전지를 구성하는 요소들의 열화에 의한 전지의 수명이 단축되거나 고열 발생으로 인한 전지의 발화를 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지는 대용량의 중대형 전지모듈 또는 전지팩의 제조에 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기 대용량의 범위는 특별히 한정되지 않는다.

따라서, 본 발명은 단위전지로서 상기 이차전지를 다수 개 포함하고 있는 중대형 전지모듈, 및 그러한 중대형 전지모듈 하나 이상과 상기 전지모듈의 작동을 제어할 수 있는 제어부를 포함하고 있는 중대형 전지팩을 제공한다.

이러한 중대형 전지모듈 및 전지팩의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 관한 설명을 생략한다.

본 발명의 중대형 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등과 같이 고출력, 대용량의 전기가 요구되며, 진동, 충격 등과 같은 많은 외력이 가해지는 디바이스의 동력원으로 특히 바람직하다.

<실험예>

도 2와 같은 이차전지(100)를 제조하여 기존의 이차전지와 비교하였다.

열전도성 플레이트(160)로는 메쉬 구조를 가지는 알루미늄을 이용하였다. 도 2에 도시한 바와 같이 스택수 5개 짜리의 Z 폴딩 전극조립체(120) 3개를 열전도성 플레이트(160)로 폴딩하여 전극조립체(120) 최외층과 전극조립체(120)들 사이에 열전도성 플레이트(160)가 배치되도록 하였다. 기존의 이차전지는 스택수 15개 짜리 Z 폴딩 전극조립체를 비교예로서 선택하였다.

본 발명 실험예와 비교예를 동일 환경하의 실온에서 과충전 시험을 수행하였다. 먼저 정전압 정전류 장치를 이용하고, 소정의 전류를 인가해 시험 대상이 되는 샘플이 열폭주·발화하는지 확인하였다.

실험 결과, 본 발명 실험예의 이차전지는 발화 파열을 일으키지 않았지만, 비교예는 발화하였다. 이 결과로부터, 본 발명의 이차전지가 온도 상승이 억제되고 있기 때문에 안전성이 향상되고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명 실험예와 비교예에서 이차전지 외부와 전지 중심부 사이의 온도차를 측정하였는데, 본 발명 실험예의 경우 온도차가 10℃이내인 것이 비해 비교예에서는 30℃ 이상이 되었다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100 : 이차전지 110 : 단위셀
111 : 양극 112 : 분리막
113 : 음극 115 : 폴딩 분리막 시트
120 : 전극조립체 140 : 전지케이스
160 : 열전도성 플레이트

Claims (19)

1. 다수의 적층형 단위셀들이 중첩되어 있고 각각의 중첩부에는 연속적인 폴딩 분리막 시트가 개재되는 구조의 전극조립체들 여러 개가 하나의 전지케이스에 내장되어 있으며,
   상기 전극조립체들은 각자 편평한 블록 내지 판형이고, 최대면적을 가지는 평면부와 두께 부분이 되는 측면부를 가지며,
   열전도성 플레이트가 상기 전극조립체들을 감싸도록 권취하여, 상기 전극조립체들의 평면부끼리가 대향되도록 적층되어 있으며,
   상기 전지케이스로부터 가장 먼 안쪽의 전극조립체와 다른 전극조립체의 평면부 사이를 반드시 포함하여 상기 전극조립체들의 평면부 사이, 상기 전극조립체들의 측면부 및 상기 전극조립체들 최외층의 최표부에 상기 열전도성 플레이트가 연속적으로 구비되도록 하여
   상기 전극조립체들 사이 및 상기 전극조립체와 상기 전지케이스 사이에 상기 열전도성 플레이트가 배치되고,
   상기 열전도성 플레이트가 직접 상기 전지케이스에 닿아 상기 열전도성 플레이트와 상기 전지케이스가 열적으로 결합됨으로써 상기 전지케이스 내부의 열을 상기 전지케이스 외부로 방열시키는 이차전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 단위셀들은 바이셀 및/또는 풀셀인 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제5항에 있어서, 하나의 상기 전극조립체에서 상기 단위셀의 수는 3 내지 5 개인 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 플레이트는 0.1 내지 1 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 플레이트는 금속박 또는 금속 메쉬인 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 플레이트는 카본 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
10. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 플레이트는 매트릭스 수지에 금속, 세라믹스 또는 탄소섬유가 충전된 전열시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
11. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 플레이트는 수지제 필름 혹은 부직포로부터 선택되는 보강층을 가진 저경도 실리콘고무 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
12. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 플레이트는 상기 전극조립체 및 전지케이스보다 열전도율이 높은 것을 특징으로 하는 이차전지.
13. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 플레이트는 난연제를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
14. 제13항에 있어서, 상기 난연제는, 할로겐화 인산 에스테르, 브롬화 에폭시 수지, 인산 에스테르 아미드계 유기 화합물, 삼산화 안티몬 또는 수소화 알루미늄인 것을 특징으로 하는 이차전지.
15. 단위전지로서 제 1 항 또는 제 5 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 다수 개 포함하고 있는 중대형 전지모듈.
16. 제 15 항에 따른 하나 또는 그 이상의 중대형 전지모듈과 상기 전지모듈의 작동을 제어할 수 있는 제어부를 포함하고 있는 중대형 전지팩.
17. 다수의 적층형 단위셀들이 중첩되어 있고 각각의 중첩부에는 연속적인 폴딩 분리막 시트가 개재되는 구조의 전극조립체들을 여러 개 준비하는 단계;
    상기 전극조립체들은 각자 편평한 블록 내지 판형이고, 최대면적을 가지는 평면부와 두께 부분이 되는 측면부를 가지며, 열전도성 플레이트로 상기 전극조립체들을 감싸도록 권취하여 상기 전극조립체들의 평면부끼리가 대향되도록 적층하되, 전지케이스로부터 가장 먼 안쪽의 전극조립체와 다른 전극조립체의 평면부 사이를 반드시 포함하여 상기 전극조립체들의 평면부 사이, 상기 전극조립체들의 측면부 및 상기 전극조립체들 최외층의 최표부에 상기 열전도성 플레이트가 연속적으로 구비되게끔 하면서, 상기 전극조립체들 사이를 지나 상기 전극조립체들을 감싸도록 상기 열전도성 플레이트를 배치하는 단계; 및
    상기 전극조립체들을 전지케이스에 내장하는 단계를 포함하여,
    상기 전극조립체들 사이 및 상기 전극조립체와 상기 전지케이스 사이에 상기 열전도성 플레이트가 배치되고 상기 열전도성 플레이트가 직접 상기 전지케이스에 닿아 상기 열전도성 플레이트와 상기 전지케이스가 열적으로 결합되게 함으로써, 상기 전지케이스 내부의 열을 상기 전지케이스 외부로 방열시키는 이차전지를 제조하는 이차전지 제조방법.
18. 삭제
19. 삭제

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