KR102021766B1 - 두께가 상이한 분리막들을 포함하는 전극조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조의 단위셀들과, 상기 단위셀들을 연속적으로 권취한 분리필름을 포함하고 있고, 상기 단위셀들 중에서 내측에 위치한 적어도 하나의 단위셀은 제 1 형 다공성 기재의 적어도 일면에 무기물 코팅층이 형성되어 있는 제 1 형 분리막을 포함하고, 최외곽에 위치한 단위셀들은 제 2 형 다공성 기재의 적어도 일면에 무기물 코팅층이 형성되어 있는 제 2 형 분리막을 포함하며, 상기 제 1 형 다공성 기재의 두께는 제 2 형 다공성 기재의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 전극조립체에 관한 것이다.

Description

두께가 상이한 분리막들을 포함하는 전극조립체 {Electrode Assembly Comprising Separators Having Different Thicknesses}
본 발명은 두께가 상이한 분리막들을 포함하는 전극조립체에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이러한 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 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 분리필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 기존 스택형 전극조립체의 공정성을 향상시키고, 다양한 형태의 이차전지 수요를 충족시키기 위해, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위셀들을 적층한 구조의 라미네이션/스택형 전극조립체도 개발되었다.
한편, 이러한 이차전지 중 최근 수요가 증가하고 있는 리튬 이차전지는 안전성이 취약한 문제가 있으며, 구체적으로, 리튬 이차전지가 과충전되면 양극으로부터 과잉의 리튬이 나오고 음극으로 리튬이 삽입되면서 음극 표면에 반응성이 매우 큰 리튬 금속이 석출되고, 양극 또한 열적으로 불안정한 상태가 되며, 전해액으로 사용하는 유기 용매의 분해반응으로 인한 급격한 발열반응에 의해 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제가 발생한다.
또한, 못과 같이 전기 전도성을 가진 물체가 전지를 관통할 경우, 전지 내부의 전기화학적 에너지가 열 에너지로 변환되면서 급격한 발열이 일어나게 된다. 내부의 발열에 따른 온도 상승으로, 양극 또는 음극 물질이 화학반응을 촉진하게 되어, 발열 반응이 더욱 가속화되어 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제가 생긴다.
더욱이, 못 관통, 압착, 충격, 고온 노출 등의 경우, 전지 내부의 양극과 음극은 내부에서 국부적으로 단락이 발생할 수 있다. 이때, 국부적으로 과도한 전류가 흐르게 되고, 이러한 전류로 인해 발열이 초래된다. 국부적인 단락으로 인한 단락 전류의 크기는 저항에 반비례하므로, 단락 전류는 저항이 낮은 쪽으로 많이 흐르게 되는데, 주로 집전체로 사용되는 금속 호일을 통해서 전류가 흐르게 되고, 이때의 발열을 계산해 보면 가운데 못이 관통된 부분을 중심으로 국부적으로 매우 높은 발열이 일어남을 확인할 수 있다.
전지 내부에서 발열이 일어난 경우, 분리막이 수축되어 다시 양극과 음극의 직접적인 단락을 유발하고, 반복되는 열 발생과 분리막의 수축에 의해 단락구간이 늘어나면서, 열폭주가 발생하거나, 전지 내부를 구성하고 있는 양극, 음극 및 전해액이 서로 반응하거나 연소하는 문제가 있다.
이러한 발열, 연소, 폭발 등의 문제를 해결하고 안전성을 향상시키기 위해, 분리막의 다공성 기재 상에 무기물 입자 및 바인더를 포함하는 슬러리를 도포하여 안전성을 향상시킨 안전 분리막을 사용하려는 시도가 있었다.
다만, 이러한 안전 분리막을 사용하는 경우에도, 소망하는 수준의 안전성을 확보하지는 못하였으며, 또한, 전극조립체의 무기물 코팅층이 차지하는 부피로 인하여 이차전지의 에너지 밀도가 감소하는 문제가 발생하였다.
따라서, 이차전지의 에너지 밀도를 크게 감소시키지 않으면서, 안전성 향상의 효과가 큰 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 내측에 위치한 적어도 하나의 단위셀에 포함되는 분리막의 다공성 기재가 최외곽에 위치한 단위셀들에 위치한 분리팍의 다공성 기재보다 두꺼운 경우, 이차전지의 안전성이 현저하게 향상되고, 충분한 에너지 밀도를 확보할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체는, 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조의 단위셀들과, 상기 단위셀들을 연속적으로 권취한 분리필름을 포함하고 있고, 상기 단위셀들 중에서 내측에 위치한 적어도 하나의 단위셀은 제 1 형 다공성 기재의 적어도 일면에 무기물 코팅층이 형성되어 있는 제 1 형 분리막을 포함하고, 최외곽에 위치한 단위셀들은 제 2 형 다공성 기재의 적어도 일면에 무기물 코팅층이 형성되어 있는 제 2 형 분리막을 포함하며, 상기 제 1 형 다공성 기재의 두께는 제 2 형 다공성 기재의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 전극조립체에 있어서
상기 무기물 코팅층은 무기물 입자 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전극조립체는, 내측에 위치한 단위셀에 상대적으로 두꺼운 다공성 기재를 도입하여, 최외곽에 위치한 단위셀 대비 내측에 위치한 단위셀의 열적 안정성을 향상시킴으로써, 전극조립체의 전체적인 안전성을 향상시킬 수 있다.
전극조립체 내에서 분리막의 여러 역할들 중 양극과 음극 사이의 절연성 확보는 이차전지의 안전성을 확보하기 위해 필수적이다. 이러한 절연성은 분리필름 등의 두께가 두꺼워질수록 향상되며, 내부 단락 방지만을 위해서라면, 분리필름 등의 두께가 두꺼울수록 좋다.
종래의 기술 중 일부는 안전성 확보를 위해서 일반적으로 사용되는 두께보다 두꺼운 분리막을 사용하려는 시도가 있었다.
다만, 분리필름 등의 두께가 두꺼워질수록 내부 저항의 상승으로 이차전지의 전반적인 성능이 저하되고, 분리필름 등이 차지하는 부피로 인해 에너지 밀도가 감소하는 문제가 있다.
따라서, 에너지 밀도의 감소를 최소화하면서 안전성을 현저하게 향상시키기 위해서는 내부 단락에 취약하고 열적 안정성이 낮은 부위를 선택적으로 보강하는 것이 중요하다.
당업계의 통상의 지식에 따르면, 못 등의 날카로운 도체가 관통하는 경우, 전극조립체의 최외곽에 위치하는 단위셀에 가장 큰 손상이 있으며, 이러한 손상을 저감하기 위해서는 최외곽 단위셀의 절연성을 향상시키는 것이 중요하다고 알려져 있다.
다만, 본 발명의 발명자들이 확인한 바에 따르면, 최외곽에 위치하는 단위셀의 절연성 확보를 위해, 최외곽 단위셀에 절연성이 향상된 분리막 등을 사용하더라도 이차전지의 안전성이 소망하는 수준으로 향상되지 못하였다.
이에 본 발명의 발명자들은, 면밀한 분석을 통하여, 못 등의 날카로운 도체가 관통하는 경우, 최외곽 단위셀이 아닌 내측에 위치한 단위셀에 가장 큰 손상이 있음을 확인하였고, 이는 당업계 통상의 지식과는 상반되는 것이다.
즉, 본 발명의 발명자들은 이러한 사실들에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀고, 본 발명에 따른 전극조립체는, 상대적으로 열적 안정성이 취약한 내측에 위치한 단위셀에 상대적으로 열적 안정성이 향상된 제 1 형 분리막을 포함하여, 전극조립체의 전체적인 안전성이 향상된다.
또한, 상기 제 1 형 분리막은 안전성에 취약한 일부 단위셀에만 적용되므로, 전극조립체 전체적으로 볼 때 부피의 증가가 크지 않고, 따라서, 에너지 밀도가 크게 감소되지 않는다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 형 다공성 기재의 두께는 제 2 형 다공성 기재의 두께를 기준으로 101% 내지 300%의 크기일 수 있고, 상세하게는 110% 내지 220%일 수 있다.
상기 제 1 형 다공성 기재의 두께가 두꺼울수록 제 1 형 분리막의 열적 안정성이 향상되지만, 제 2 형 다공성 기재의 두께를 기준으로 300% 초과인 경우에는, 두께 증가 대비 안전성의 향상 정도가 크지 않고, 제 1 형 분리막의 부피 증가로 인해 전극조립체의 에너지 밀도가 감소하며, 내부 저항이 크게 증가하여 이차전지의 전반적인 성능이 감소할 수 있다.
상세하게는, 상기 제 1 형 다공성 기재의 두께는 7 ㎛ 내지 20 ㎛이고, 상기 제 2 형 다공성 기재의 두께는 제 1 형 다공성 기재의 두께보다 얇은 범위에서 3 ㎛ 내지 9 ㎛일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 분리필름은 권취를 위해 n개의 단위셀들이 탑재되는 제 1 면과 상기 제 1 면에 반대 면인 제 2 면을 포함하고; 상기 제 1 면에서, 분리필름의 권취 개시점에 제 1 단위셀이 탑재되고, 제 n 단위셀까지 순차적으로 권취 가능하도록 탑재되며; 상기 제 1 단위셀 내지 제 n-2 단위셀 중 적어도 하나는 제 1 형 분리막을 포함하는 구조일 수 있다.
이때, 상기 제 n 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 제 2 형 분리막을 포함하는 구조일 수 있다.
상세하게는, 상기 단위셀들 중에서 적어도 제 1 단위셀은 제 1 형 분리막을 포함할 수 있고, 더욱 상세하게는, 상기 제 1 단위셀은 제 1 형 분리막을 포함하고, 제 2 단위셀 내지 제 n 단위셀은 제 2 형 분리막을 포함하는 구조일 수 있다.
즉, 열적 안정성 측면에서 가장 취약한 상기 제 1 단위셀에는 열적 안정성이 뛰어난 제 1 형 분리막을 포함시키고, 나머지 단위셀들에는 제 2 형 분리막을 포함시켜, 전극조립체의 전체적인 안전성을 향상 시키면서, 충분한 에너지 밀도를 확보할 수 있다.
상기 n은 4 내지 50의 자연수일 수 있으며, n이 50 초과인 경우, 즉, 전극조립체가 단위셀들을 50개 초과로 포함하는 경우에는, 권취를 위해 단위셀들을 배열하고, 실제 권취하는데 많은 시간이 소요되며, 권취를 통해 단위셀들을 일렬로 정렬하는 것이 쉽지 않아서 불량률이 상승할 수 있다.
한편, 상기 단위셀들은 양측 외곽의 전극들의 극성이 동일한 바이셀을 포함 할 수 있고, 또는, 양측 외곽의 전극들의 극성이 다른 풀셀을 포함 할 수 있다.
상세하게는, 상기 분리필름의 권취 개시점의 단위셀로서 전극조립체의 내측에 위치하는 단위셀은 양측 외곽의 전극들이 각각 음극으로 이루어진 C형 바이셀일 수 있다.
다른 예에서, 상기 분리필름의 권취 종료점의 단위셀들로서 전극조립체의 최외곽에 각각 위치하는 단위셀들은 양측 외곽의 전극들이 각각 양극으로 이루어진 A형 바이셀일 수 있다.
상기 분리필름의 권취 종료점의 단위셀들로서 전극조립체의 최외곽에 위치하는 단위셀들 중에서, 하나의 단위셀은 양측 외곽의 전극들이 각각 양극으로 이루어진 A형 바이셀이고, 나머지 단위셀은 풀셀일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단위셀들은 판상형으로 이루어져 있고, 양면 중 일면이 분리필름과 대면된 상태로 탑재되어, 연속적으로 권취되어 있는 구조일 수 있다.
상기 단위셀들은 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있고, 분리막의 크기가 양극 및 음극에 비해 상대적으로 큰 구조일 수 있다.
따라서, 상기 분리필름에 대면하는 단위셀의 부위들은 단위셀의 상대적으로 넓은 면을 의미하며, 단위셀의 양극, 음극 또는 분리막이 분리필름과 대면한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 형 분리막을 포함하는 단위셀은 양측 최외곽에 제 1 형 분리막들이 위치하는 구조일 수 있고, 상기 제 2 형 분리막을 포함하는 단위셀은 양측 최외곽에 전극들이 위치하는 구조일 수 있다.
분리필름에 의해 권취되는 구조로 인해서, 단위셀의 외곽은 분리필름과 최소 1회 이상 대면하는 구조를 가지게 된다. 따라서, 일반적인 경우, 분리필름과 분리막이 중복되는 것을 방지하기 위하여, 단위셀의 최외곽에는 전극들이 위치하게 된다.
다만, 상기 제 1 형 분리막을 포함하는 단위셀은 상대적으로 열전 안정성이 취약하므로, 열전 안정성을 더욱 향상시키기 위하여, 단위셀의 최외곽에 분리막들을 위치시킬 수 있다. 이 경우, 상기 분리필름과 단위셀의 최외곽에 위치하는 분리막이 중복되는 구조를 통해, 단위셀의 전기적 절연성은 물론 열적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 제 2 형 분리막을 포함하는 단위셀은 상대적으로 열적 안정성이 높으므로, 단위셀의 최외곽에 전극들이 위치하는 구조를 통해, 에너지 밀도의 저하를 방지하고, 내부 저항의 증가를 방지하여 전극조립체의 전반적인 성능을 유지할 수 있다.
이와 같이, 일부 단위셀들의 최외곽에는 분리막을 위치시키고, 일부 단위셀들의 최외곽에는 전극들을 위치시키는 조합을 통해, 전극조립체의 열적 안정성을 향상시키면서도, 에너지 밀도를 확보하고 전반적인 성능 저하를 방지를 할 수 있다.
한편, 상기 무기물 코팅층은 분리막의 기계적 강성 및 열적 안정성을 향상시키는 기능을 한다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 형 다공성 기재 및 제 2 형 다공성 기재의 양면에 무기물 코팅층이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 무기물 코팅층의 두께가 증가할수록 기계적 강성은 지속적으로 증가하는 반면, 열적 안정성은, 무기물 코팅층이 형성되어 있으면 증가하기는 하나 코팅층의 두께에는 큰 영향이 없는 것으로 확인되었다.
상기 전극조립체의 외측에 위치하는 제 2 형 분리막은 외력의 작용에 대한 내구성을 향상시키기 위해서 기계적 강성을 높게 유지하는 것이 중요하고, 전극조립체의 내측에 위치하는 제 1 형 분리막은 기계적 강성 보다는 열적 안정성을 향상시키는 것이 중요하다.
따라서, 상기 제 1 형 분리막은, 전체적인 두께가 일정할 때, 열적 안정성 향상을 위해 제 1 형 다공성 기재의 두께를 증가시키고, 무기물 코팅층의 두께를 감소시킬 수 있다. 상기 제 2 형 분리막은, 전체적인 두께가 일정할 때, 기계적 강성을 향상시키기 위해 무기물 코팅층의 두께를 증가시키고, 제 2 형 다공성 기재의 두께를 감소시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 제 1 형 분리막의 전체적인 두께와 제 2 형 분리막의 전체적인 두께가 동일한 구조일 수 있다.
상기 제 1 형 분리막 및 제 2 형 분리막의 전체적인 두께가 동일하므로, 상기 단위셀들의 내부 저항이 유사하게 유지되어, 이차전지의 전반적인 성능의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 상기 제 2 형 분리막에 형성되어 있는 무기물 코팅층의 두께는 제 1 형 분리막에 형성되어 있는 무기물 코팅층의 두께보다 두꺼운 구조일 수 있다.
이러한 구조를 통해, 상기 전극조립체의 에너지 밀도를 유지하면서도, 기계적 강성 및 열적 안정성을 전체적으로 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 무기물 코팅층의 두께는 2 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있고, 상세하게는 2 ㎛ 내지 15 ㎛일 수 있으며, 2 ㎛ 미만인 경우에는 기계적 강성 및 열적 안정성 향상의 효과가 크지 않고, 20 ㎛ 초과인 경우에는 무기물 코팅층의 형성에 필요한 비용이 증가하고, 무기물 코팅층의 유연성이 감소하여 쉽게 탈리되는 문제가 있으며, 두께 증가 대비 성능의 증가가 크지 않을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 무기물 코팅부는 무기물 입자 및 바인더를 포함할 수 있고, 상세하게는, 상기 무기물 입자는 (a) 압전성(piezoelectricity)을 갖는 무기물 입자, 및 (b) 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 압전성(piezoelectricity) 무기물 입자는 상압에서는 부도체이나, 일정 압력이 인가되었을 경우 내부 구조 변화에 의해 전기가 통하는 물성을 갖는 물질을 의미하는 것으로서, 유전율 상수가 100 이상인 고유전율 특성을나타낼 뿐만 아니라 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 한 면은 양으로, 반대편은 음으로 각각 대전됨으로써, 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 기능을 갖는 물질이다.
상기와 같은 특징을 갖는 무기물 입자를 사용하는 경우, 침상 도체와 같은 외부 충격에 의해 양(兩) 전극의 내부 단락이 발생하는 경우 무기물 입자로 인해 양극과 음극이 직접 접촉하지 않을 뿐만 아니라, 무기물 입자의 압전성으로 인해 입자 내 전위차가 발생하게 되고 이로 인해 양(兩) 전극 간의 전자 이동, 즉 미세한 전류의 흐름이 이루어짐으로써, 완만한 전지의 전압 감소 및 이로 인한 안전성 향상을 도모할 수 있다.
상기 압전성을 갖는 무기물 입자의 예로는 BaTiO3, PZT (Pb(Zr,Ti)O3), PLZT (Pb1-xLaxZr1-yTiyO3, 0<x<1, 0<y<1), PMN-PT (PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3), 산화하프늄 (HfO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 지칭하는 것으로서, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전지 내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트 (LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), (LiAlTiP)xOy 계열 glass(0<x<4, 0<y<13), 리튬란탄티타네이트 (LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬게르마니움티오포스페이트 (LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), 리튬나이트라이드 (LixNy, 0<x<4, 0<y<2), SiS2 (LixSiySz, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4) 계열 glass 및 P2S5 (LixPySz, 0<x<3, 0<y< 3, 0<z<7) 계열 glass로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 무기물 코팅부의 무기물 입자 및 바인더 고분자의 조성비는 크게 제약은 없으나, 10:90 내지 99:1 중량% 비율 범위 내에서 조절 가능하며, 80:20 내지 99:1 중량% 비율 범위가 바람직하다.
10:90 중량% 비율 미만인 경우, 고분자의 함량이 지나치게 많게 되어 무기물 입자들 사이에 형성된 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 최종 전지 성능 저하가 야기되며, 반대로 99:1 중량% 비율을 초과하는 경우, 바인더 고분자 함량이 너무 적기 때문에 무기물 사이의 접착력 약화로 인해 분리막의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
상기 무기물 코팅부는 전술한 무기물 입자 및 고분자 이외에, 통상적으로 알려진 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.
하나의 예에서, 상기 무기물 코팅부는 무기물 입자 및 바인더 이외에 증점제를 더 포함할 수 있으며, 상기 증점제는, 화학적 변화를 유발하지 않으면서, 무기물 합제 슬러리의 점도를 높여줄 수 있는 물질이라면 특별히 한정되지는 아니하나, 예를 들어, 아크릴계 폴리머와 셀룰로우즈계 폴리머를 사용할 수 있으며, 아크릴계 폴리머에는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrolidone, PVP) 또는 폴리비닐알콜(Polybinylalcohol, PVA) 등이 있고, 셀룰로우즈계 폴리머에는 히드록시 에틸 셀룰로우즈(Hydroxy ethyl cellulose, HEC), 히드록시 프로필 셀룰로우즈(hydroxy propyl cellulose, HPC), 에틸히드록시 에틸 셀룰로오즈(ethylhydroxy ethyl cellulose, EHEC), 메틸 셀룰로우즈(methyl cellulose, MC), 카르복시메틸 셀룰로우즈(carboxymethyl cellulose, CMC), 히드록시 알킬 메틸 셀룰로우즈(hydroxyalkyl methyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택 된 하나 이상일 수 있다.
상기 바인더는, 필요한 점착 특성을 얻기 위하여 하나 또는 둘 이상의 물질을 혼합하여 사용할 수 있고, 예를 들어, 폴리비닐리덴 풀루오라이드 -헥사풀루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타클릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 아크리로니트릴-스티렌부타디엔공중합체 (acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 폴리이미드(polyimide), 스티렌-부타디엔 계열 고무(styrene butadiene rubber: SBR), 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에피클로로하이드린, 폴리포스파젠, 폴리비닐피리딘, 클로로설폰화폴리에틸렌, 라텍스, 폴리에스테르수지, 아크릴수지, 에폭시수지, 폴리비닐알콜, 및 히드록시프로필셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상 일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 전지셀을 제공한다.
이하, 상기 전지셀의 기타 성분에 대해서 설명한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체에 양극 활물질, 도전재 및 바인더가 혼합된 양극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 201 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 양극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 양극에 포함되는 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
반면에, 음극은 음극 집전체에 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 포함하는 음극 합제를 도포하여 제조될 수 있으며, 이에 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에서 음극 집전체의 두께는 3 내지 201 ㎛의 범위 내에서 모두 동일할 수 있으나, 경우에 따라서는 각각 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 분리막 및 분리필름은, 당업계에서 통상적으로 사용되는 폴리올레핀 계열의 필름일 수 있고, 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드로(polyphenylenesulfidro), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 및 이들의 혼합체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 시트일 수 있다.
상기 분리막 및 분리필름은, 동일한 물질로 이루어진 것일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 전지셀의 안전성, 에너지 밀도, 및 전반적인 성능에 따라서, 서로 상이한 물질로 이루어질 수 있음은 물론이다.
상기 분리막 및 분리필름의 기공 크기 및 기공도는 특별한 제한이 없으나, 기공도는 10 내지 95% 범위, 기공 크기(직경)는 0.1 내지 50 ㎛일 수 있다. 기공 크기 및 기공도가 각각 0.1 ㎛ 및 10% 미만인 경우에는 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기 및 기공도가 50 ㎛ 및 95%를 초과할 경우에는 기계적 물성을 유지하기가 어렵게 된다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수 전해질일 수 있고, 상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로서 포함하는 전지팩, 상기 전지팩을 전원으로서 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는, 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는, 내측에 위치한 단위셀에 상대적으로 두께가 두꺼운 제 1 형 다공성 기재를 포함하는 제 1 형 분리막을 포함하여, 에너지 밀도의 감소를 최소화 하면서, 전극조립체의 안전성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 2는 도 1의 전극조립체를 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 1의 전극조립체의 최내측에 위치한 단위셀을 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 4는 도 3의 단위셀에 포함되어 있는 제 1 형 분리막을 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 5는 도 1의 전극조립체의 최외곽에 위치한 단위셀을 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 6은 도 5의 단위셀에 포함되어 있는 제 2 형 분리막을 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 내측에 위치하는 단위셀을 모식적으로 나타낸 수직단면도이다;
도 8은 일반적인 스택/폴딩형 전극조립체에 못 관통 실험을 한 후 분리필름을 전개한 모습을 나타낸 사진이다;
도 9 및 도 10은 도 8의 분리필름의 일부를 확대한 사진들이다;
도 11은 못 관통 실험이 종료된 후 도 8의 전극조립체의 최내측에 위치한 단위셀을 분해한 사진이다;
도 12 내지 도 14는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체에 못 관통 실험을 한 후 최내측에 위치한 단위셀을 분해한 사진이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전극조립체를 제조하는 방법을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전극조립체(200)는 동일한 극성의 전극이 단위셀의 양단에 위치하고 있는 구조의 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290)이 긴 시트형의 분리필름(201) 상에 배치되어 있고, 분리필름(201)을 화살표와 같이 반시계 방향으로 권취함으로써 제조된다.
구체적으로, 전극조립체(200)는 9개의 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290)을 포함하고 있다. 각각의 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290)은 2개의 분리막과 3개의 전극들이 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조를 이루고 있다.
단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290) 중 단위셀들(210, 240, 250, 280, 290)은 최외곽 전극이 양극으로 구성되어 있는 A형 바이셀이고, 단위셀(220, 230, 260, 270)은 최외곽 전극이 음극으로 구성되어 있는 C형 바이셀이다.
단위셀(210)은 양극이 하면을 향하여 분리필름(201)의 상면과 대면해 있으며, 단위셀(210)의 전극 방향에 따라, 단위셀(220)로부터 단위셀(290)까지 분리필름(201)의 상면에 위치하고 있다.
이러한 배열에 의해, 전극조립체(200)의 최외곽에는 양극이 각각 위치하게 되고, 전극조립체(200)의 최외곽에 위치하는 단위셀(280)과 단위셀(290)은 양극들이 각각 하면을 향하여 분리필름(201)의 상면과 대면한 상태로 배열되어 있다.
한편, 전극조립체(200)는 단위셀(210)이 최내측에 위치하도록, 단위셀로(210)부터 단위셀(290)까지 반시계 방향으로 권취하여 제조된다.
단위셀(210)과 단위셀(220) 사이에는 단위셀의 크기에 상응하는 이격 부위(W1)가 위치하고 있고, 이에 따라, 단위셀(210)이 분리필름(201)과 함께 권취되는 과정에서, 단위셀(210)의 상면에 위치한 양극과 단위셀(230)의 상면에 위치한 음극 사이에 분리필름(201)이 개재된다.
구체적으로, 단위셀(210)은 권취 과정에서 도립된 상태로 단위셀(210)과 단위셀(220) 사이의 이격 부위(W1)로 이동하고, 그 후 최초에 단위셀(210)의 하면에 위치했던 양극이 단위셀(220)의 상면에 위치한 음극과 분리필름(201)을 사이에 두고 대면하도록 권취된다.
또한, 분리필름(201)을 사이에 두고 대면하는 단위셀(210)과 단위셀(220)은 분리필름(201)에 의해 동시에 권취되며, 이에 따라, 단위셀(210)의 상면에 위치했던 양극이 단위셀(230)의 상면에 위치한 음극과 분리필름(201)을 사이에 두고 대면하게 된다.
상기 과정은 단위셀(290)까지 순차적으로 진행되며, 이에 따라, 최내측에 단위셀(210)이 위치하고, 최외곽에 단위셀(280)과 단위셀(290)이 각각 위치하는 구조의 전극조립체(200)가 완성된다.
전극조립체(200) 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290) 중 최외곽에 위치하는 단위셀들(280, 290)은 다공성 기재의 두께가 상대적으로 얇은 제 2 형 분리막을 포함하며, 내측에 위치한 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270) 중 적어도 하나는 다공성 기재의 두께가 상대적으로 두꺼운 제 1 형 분리막을 포함하고 있다.
특히, 내측에 위치한 단위셀들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270) 중 최내측에 위치한 단위셀(210)은 열적 안정성이 가장 취약하므로, 제 1 형 분리막을 포함하고 있다.
도 3에는 도 1의 전극조립체의 최내측에 위치한 단위셀의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 단위셀에 포함되어 있는 제 1 형 분리막의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 단위셀(210)은 판상형으로 이루어져 있고, 3개의 전극판들(211, 212, 213) 및 2개의 제 1 형 분리막들(215, 216)을 포함하고 있으며, 전극판(211, 213)은 양극이고, 전극판(212)는 음극이다.
구체적으로, 아래쪽부터 전극판(211), 제 1 형 분리막(215), 전극판(212), 제 1 형 분리막(216), 및 전극판(213)이 순서대로 적층되어 있다.
제 1 형 분리막들(215, 216)은 전극판들(211, 212, 213)에 비해 상대적으로 큰 구조이며, 제 1 형 분리막(215)은 제 1 형 다공성 기재(218)의 상면 및 하면 전체에 무기물 코팅층(217, 219)이 형성되어 있으며, 제 1 형 분리막(216)은 제 1 형 분리막(215)과 동일한 구조를 이루고 있다.
단위셀(210)의 열적 안정성 향상을 위해서 두께가 두꺼운 제 1 형 다공성 기재(218)를 사용하였고, 제 1 형 분리막(215)의 두께가 L로 일정할 때, 무기물 코팅층(217, 219)의 두께는 상대적으로 얇게 하여 기계적 강성 대비 열적 안정성의 향상에 중점을 두었다.
도 5에는 도 1의 전극조립체의 최외곽에 위치한 단위셀의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 단위셀에 포함되어 있는 제 2 형 분리막의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 단위셀(290)은 판상형으로 이루어져 있고, 3개의 전극판들(291, 292, 293) 및 2개의 제 2 형 분리막들(295, 296)을 포함하고 있으며, 전극판(291, 293)은 양극이고, 전극판(292)는 음극이다.
구체적으로, 아래쪽부터 전극판(291), 제 2 형 분리막(295), 전극판(292), 제 2 형 분리막(296), 및 전극판(293)이 순서대로 적층되어 있다.
제 2 형 분리막들(295, 296)은 전극판들(291, 292, 293)에 비해 상대적으로 큰 구조이며, 제 2 형 분리막(295)은 제 2 형 다공성 기재(298)의 상면 및 하면 전체에 무기물 코팅층(297, 299)이 형성되어 있으며, 제 2 형 분리막(296)은 제 2 형 분리막(295)과 동일한 구조를 이루고 있다.
단위셀(290)은 상대적으로 열에 덜 취약한 부위인 최외곽에 위치하므로, 상대적으로 두께가 얇은 제 2 형 다공성 기재(298)를 사용하였고, 제 2 형 분리막(295)의 두께가 L로 일정할 때, 무기물 코팅층(297, 299)의 두께는 상대적으로 두껍게 하여 열적 안정성 대비 기계적 강성의 향상에 중점을 두었다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 제 1 형 분리막(215) 및 제 2 형 분리막(295)은 다공성 기재(218, 298) 및 무기물 코팅층들(217, 219, 297, 299)의 두께를 포함하는 전체적인 두께가 L로 동일하다. 열적으로 취약한 내부의 단위셀에 포함되는 제 1 형 분리막(215)은 동일한 두께일 경우 열적 안정성을 더욱 향상시키기 위해 상대적으로 두께가 두꺼운 제 1 형 다공성 기재(218)를 사용하였고, 열적으로는 취약하지 않으나 외력에 취약한 제 2 형 분리막(295)은 동일한 두께일 경우 기계적 강성을 더욱 향상시키기 위해 상대적으로 얇은 제 2 형 다공성 기재(298)을 사용하였다.
무기물 코팅층의 두께가 증가해도 열적 안정성은 크게 향상되지 않지만, 기계적 강성은 두께가 증가할수록 지속적으로 향상되므로, 제 1 형 분리막(215)의 무기물 코팅층들(217, 219)은 두께가 상대적으로 얇고, 제 2 형 분리막(295)의 무기물 코팅층들(297, 299)은 두께가 상대적으로 두껍다.
이러한 구조를 통해, 전극조립체의 에너지 밀도를 유지하면서도, 기계적 강성 및 열적 안정성을 전체적으로 향상시킬 수 있다.
도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 내측에 위치하는 단위셀의 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 단위셀(210a)은 판상형으로 이루어져 있고, 3개의 전극판들(211, 212, 213) 및 4개의 제 1 형 분리막들(215, 215a, 216, 216a)을 포함하고 있으며, 전극판(211, 213)은 양극이고, 전극판(212)는 음극이다.
구체적으로, 아래쪽부터 제 1 형 분리막(215a), 전극판(211), 제 1 형 분리막(215), 전극판(212), 제 1 형 분리막(216), 전극판(213), 및 제 1 형 분리막(216a)이 순서대로 적층되어 있다. 즉, 단위셀(210a)의 최외곽에는 전극판이 아닌 제 1 형 분리막들(215a. 216a)이 위치하고 있다.
제 1 형 분리막들(215, 215a, 216, 216a)은 전극판들(211, 212, 213)에 비해 상대적으로 큰 구조이며, 제 1 형 분리막(215)은 제 1 형 다공성 기재(218)의 상면 및 하면 전체에 무기물 코팅층(217, 219)이 형성되어 있으며, 다른 제 1 형 분리막들(215a, 216, 216a)은 제 1 형 분리막(215)과 동일한 구조를 이루고 있다.
단위셀(210a)의 열적 안정성 향상을 위해서 두께가 두꺼운 제 1 형 다공성 기재(218)를 사용하였고, 무기물 코팅층(217, 219)의 두께는 상대적으로 얇다.
도 2와 함께 도 7을 참조하면, 단위셀(210a)의 최외곽에는 전극판이 아닌 제 1 형 분리막들(215a. 216a)이 위치하고 있으므로, 도 2와 같이 분리필름(201) 상에 단위셀(210a)을 탑재하는 경우, 분리필름(201)과 분리막들(215a, 216a)이 중복되는 구조가 형성된다. 이러한 구조를 통해, 단위셀(210a)의 열적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 8은 일반적인 스택/폴딩형 전극조립체에 못 관통 실험을 한 후 분리필름을 전개한 모습을 나타낸 사진이고, 도 9 및 도 10은 도 8의 분리필름의 일부를 확대한 사진들이다.
도 1 및 도 2와 비교하여 도 8을 참조하면, 전극조립체(300)은 전극조립체(200)와 유사하게, 분리필름(301) 및 단위셀들(310, 320, 330)을 포함하고 있다.
전극조립체(300)는 전극조립체(200)보다 단위셀을 3개 더 포함하고 있는 점을 제외하고는 대부분 유사하다. 전극조립체(300)의 제조 방법에 있어서도, 도 2에 도시되어 있는 전극조립체(200)의 제조 방법과 거의 유사하다.
구체적으로, 전극조립체(300)는 분리필름(301) 상에 12개의 단위셀들(310, 320, 330)이 탑재되며, 권취 개시점인 분리필름(301)의 우측에 단위셀(310)이 탑재되고, 단위셀(310)의 다음으로 단위셀(320), 순으로 단위셀(330)까지 12개의 단위셀들이 소정의 간격을 두고 권취 가능하도록 탑재된다.
단위셀(310) 및 단위셀(320)은 단위셀 하나의 폭 간격으로 이격 부위(420)를 두고 탑재되며, 단위셀들(310, 320, 330)의 배열이 완료된 후 화살표와 같이 반시계 방향으로 권취하여 도 1의 전극조립체(200)와 유사한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체를 완성하였다.
이와 같이 제조된 전극조립체(300)를 파우치형 전지케이스에 전해액과 함께 밀봉하여 전지셀을 제조하고, 활성화 과정을 거친 후, 충전량(State of Charge, SOC)가 70%가 되도록 충전한 후 못 관통 실험을 실시하였다. 직경 2.5 mm의 철 소재의 못으로 전지셀을 전체적으로 관통하고, 1분 뒤 못을 제거한 후, 전극조립체(300)를 전개하여 분리필름(301)의 손상 정도를 관찰하였다.
분리필름(301)의 손상 정도를 살펴보면, 대체적으로 좌측에서 우측으로 갈수록 손상 정도가 커지는 것을 확인 할 수 있다.
특히, 도 9 및 도 10을 참조하면, 전극조립체의 최내측에 위치한 단위셀(310)에 대응하는 분리필름의 부위(410)가 전극조립체의 최외곽에 위치한 단위셀(330)에 대응하는 분리필름의 부위(430)에 비해 더욱 많이 손상되었음을 확인할 수 있다.
구체적으로, 분리필름의 부위(410)은 단위셀 하나의 면적 대비 약 12%가 손상되었으며, 분리필름의 부위(430)은 단위셀 하나의 면적 대비 약 0.2%가 손상되어, 최내측에 위치한 단위셀(310)에 대응하는 분리필름의 부위(410)의 손상 정도가 분리필름의 부위(430)의 약 60배에 달함을 알 수 있다.
이러한 결과는, 당업계에 일반적으로 알려져 있는, 못 등의 날카로운 도체가 관통하는 경우, 전극조립체의 최외곽에 위치하는 단위셀에 가장 큰 손상이 있을 수 있다는 것과는 상반되는 것이다.
따라서, 에너지 밀도의 감소를 최소화하면서 전극조립체의 안전성을 현저하게 향상시키기 위해서는 내부 단락에 취약한 내측에 위치한 단위셀들을 선택적으로 보강하는 것이 중요하다.
도 11은 도 8의 전극조립체(300)의 못 관통 실험이 종료된 후 전극조립체(300)의 최내측에 위치한 단위셀(310)을 분해하여 전극판들(311, 312, 313) 및 분리막들(315, 316)을 전개한 사진이다.
도 11을 참조하면, 도 11은 아래쪽부터 전극판(311), 분리막(315), 전극판(312), 분리막(316), 및 전극판(313)이 순서대로 적층되어 있는 구조의 단위셀(310)을 전개한 것이고, 7 ㎛ 두께의 다공성 기재의 양면에 각각 3.5 ㎛ 두께의 무기물 코팅층이 형성되어 있는 구조의 분리막들(315, 316)을 사용하였다.
못 관통 실험 결과, 단위셀(310)의 분리막들(315, 316)은 전체 면적의 약 30%가 손상되었고, 전극판들(311, 312, 313)의 경우도 분리막들(315, 316)의 손상 정도에 비례하여 열적인 변형이 있었음을 확인할 수 있다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체에 못 관통 실험을 한 후 최내측에 위치한 단위셀을 분해하여 전극판들 및 분리막들을 전개한 사진이다.
도 8의 전극조립체(300)에서 단위셀(310)을 본 발명에 따른 단위셀(210b, 210c, 210d)로 각각 대체한 것을 제외하고는, 전극조립체(300)과 동일한 구조의 전극조립체를 제조하였다.
이와 같이 제조된 전극조립체를 파우치형 전지케이스에 전해액과 함께 밀봉하여 전지셀을 제조하고, 활성화 과정을 거친 후, 충전량(State of Charge, SOC)가 70%가 되도록 충전한 후 못 관통 실험을 실시하였다. 직경 2.5 mm의 철 소재의 못으로 전지셀을 전체적으로 관통하고, 1분 뒤 못을 제거한 후 최내측에 위치한 단위셀들(210b, 210c, 210d)을 전개하였다.
도 12를 참조하면, 도 12는 아래쪽부터 전극판(211b), 분리막(215b), 전극판(212b), 분리막(216b), 및 전극판(213b)이 순서대로 적층되어 있는 구조의 단위셀(210b)을 전개한 것이고, 9 ㎛ 두께의 다공성 기재의 양면에 각각 2.5 ㎛ 두께의 무기물 코팅층이 형성되어 있는 구조의 분리막들(215b, 216b)을 사용하였다.
못 관통 실험 결과, 단위셀(210b)의 분리막들(215b, 216b)은 전체 면적의 약 10%가 손상되었고, 전극판들(211b, 212b, 213b)은 분리막들(215b, 216b)의 손상 정도에 비례하여 열적인 변형이 있었음을 확인할 수 있다.
도 11과 비교하여 도 12를 참조하면, 단위셀(210b)의 분리막들(215b, 216b)의 경우, 단위셀(310)의 분리막들(315, 316)과 전체적인 두께가 14 ㎛로 동일 하나, 다공성 기재의 두께가 상대적으로 두꺼운 제 1 형 분리막에 해당하므로, 동일한 실험 조건에도 불구하고, 단위셀(310)에 비해 분리막의 손상 정도가 약 1/3로 감소하였다.
도 13을 참조하면, 도 13은 아래쪽부터 전극판(211c), 분리막(215c), 전극판(212c), 분리막(216c), 및 전극판(213c)이 순서대로 적층되어 있는 구조의 단위셀(210c)을 전개한 것이고, 9 ㎛ 두께의 다공성 기재의 양면에 각각 3.5 ㎛ 두께의 무기물 코팅층이 형성되어 있는 구조의 분리막들(215c, 216c)을 사용하였다.
못 관통 실험 결과, 단위셀(210c)의 분리막들(215c, 216c)은 전체 면적의 약 6%가 손상되었고, 전극판들(211c, 212c, 213c)은도 분리막들(215c, 216c)의 손상 정도에 비례하여 열적인 변형이 있었음을 확인할 수 있다.
도 14를 참조하면, 도 14는 아래쪽부터 전극판(211d), 분리막(215d), 전극판(212d), 분리막(216d), 및 전극판(213d)이 순서대로 적층되어 있는 구조의 단위셀(210d)을 전개한 것이고, 12 ㎛ 두께의 다공성 기재의 양면에 각각 3.25 ㎛ 두께의 무기물 코팅층이 형성되어 있는 구조의 분리막들(215d, 216d)을 사용하였다.
못 관통 실험 결과, 단위셀(210d)의 분리막들(215d, 216d)은 전체 면적의 약 2%가 손상되었고, 전극판들(211d, 212d, 213d)은 분리막들(215d, 216d)의 손상 정도에 비례하여 열적인 변형이 있었음을 확인할 수 있다.
도 11 내지 도 14의 결과를 참조하면, 전극조립체의 최내측에 위치한 단위셀은 못 관통 실험에 의한 열적 안정성이 취약하며, 분리막의 다공성 기재의 두께가 두꺼울수록 열적 안정성이 현저하게 증가함을 알 수 있다. 다만, 당업계의 통상의 지식과는 달리, 무기물 코팅층의 두께를 증가시켜도 열적 안정성은 크게 증가하지 않음을 알 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (22)

  1. 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조의 단위셀들과, 상기 단위셀들을 연속적으로 권취한 분리필름을 포함하고 있고,
    상기 단위셀들 중에서 내측에 위치한 적어도 하나의 단위셀은 제 1 형 다공성 기재의 적어도 일면에 무기물 코팅층이 형성되어 있는 제 1 형 분리막을 포함하고, 최외곽에 위치한 단위셀들은 제 2 형 다공성 기재의 적어도 일면에 무기물 코팅층이 형성되어 있는 제 2 형 분리막을 포함하며,
    상기 제 1 형 다공성 기재의 두께는 제 2 형 다공성 기재의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체에 있어서
    상기 무기물 코팅층은 무기물 입자 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 형 다공성 기재의 두께는 제 2 형 다공성 기재의 두께를 기준으로 101% 내지 300%의 크기인 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 형 다공성 기재의 두께는 7 ㎛ 내지 20 ㎛이고, 상기 제 2 형 다공성 기재의 두께는 제 1 형 다공성 기재의 두께보다 얇은 범위에서 3 ㎛ 내지 9 ㎛인 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름은 권취를 위해 n개의 단위셀들이 탑재되는 제 1 면과 상기 제 1 면에 반대 면인 제 2 면을 포함하고;
    상기 제 1 면에서, 분리필름의 권취 개시점에 제 1 단위셀이 탑재되고, 제 n 단위셀까지 순차적으로 권취 가능하도록 탑재되며;
    상기 제 1 단위셀 내지 제 n-2 단위셀 중 적어도 하나는 제 1 형 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 n 단위셀 및 제 n-1 단위셀은 제 2 형 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 단위셀들 중에서 적어도 제 1 단위셀은 제 1 형 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 단위셀은 제 1 형 분리막을 포함하고, 제 2 단위셀 내지 제 n 단위셀은 제 2 형 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 n은 4 내지 50의 자연수인 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 양측 외곽의 전극들의 극성이 동일한 바이셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 양측 외곽의 전극들의 극성이 다른 풀셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 판상형인 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 형 분리막을 포함하는 단위셀은 양측 최외곽에 제 1 형 분리막들이 위치하는 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 형 분리막을 포함하는 단위셀은 양측 최외곽에 전극들이 위치하는 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 형 다공성 기재 및 제 2 형 다공성 기재의 양면에 무기물 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전극조립체는 제 1 형 분리막의 전체적인 두께와 제 2 형 분리막의 전체적인 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 형 분리막에 형성되어 있는 무기물 코팅층의 두께는 제 1 형 분리막에 형성되어 있는 무기물 코팅층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 무기물 코팅층의 두께는 2 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  18. 삭제
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 무기물 입자는 (a) 압전성(piezoelectricity)을 갖는 무기물 입자, 및 (b) 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체.
  20. 제 1 항에 따른 열적 안정성이 향상된 이차전지 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  21. 제 20 항에 따른 전지셀을 단위전지로서 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  22. 제 21 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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