KR102119050B1 - 비수전해질 이차 전지 팩 - Google Patents

비수전해질 이차 전지 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비수전해질 이차 전지에 관한 것으로, 비수전해질 이차 전지의 안전성을 따라 향상되는 것이 가능하고 신규하며 개량된 비수전해질 이차 전지 팩을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 비수전해질 이차 전지를 내장하는 외장체, 외장체의 외부에 돌출되고 비수전해질 이차 전지의 양극 집전체에 연결된 양극 집전체 탭, 외장체의 외부에 돌출되고 비수전해질 이차 전지의 음극 집전체에 연결된 음극 집전체 탭, 외장체의 외측에 설치되고 양극 집전체 탭에 연결되는 양극 접속용 금속판, 외장체의 외측에 설치되고 음극 집전체 탭에 연결되는 음극 접속용 금속판 및 양극 접속용 금속판과 음극 접속용 금속판과의 사이에 배치되는 절연체를 구비하는 비수전해질 이차 전지 팩이 제공된다.

Description

비수전해질 이차 전지 팩 {NON-AQUEOUS ELECTROLYTE RECHARGEABLE BATTERY PACK}
본 발명은 비수전해질 이차 전지 팩에 관한 것이다.
특허문헌 1 및 2에는 리튬 이온 이차전지 등의 비수전해질 이차 전지가 개시되어 있다.
비수전해질 이차 전지에는 전해액으로서 유기용매 등의 비수용매와 이차 전지가 단락될 때 집전체 보다 발열되기 쉬운 활물질이 사용되고 있으므로, 활물질의 발열에 대한 안전대책이 강하게 요구되고 있다.
특허문헌 1 및 2에는 비수전해질 이차 전지의 단락에 의해 발생되는 활물질의 발열에 대한 안전대책이 개시되어 있다.
보다 상세하게는, 특허문헌 1에는 라미네이트 외장체의 외측에 금속판을 배치하고, 이 금속판과 양극 탭을 연결하는 것이 개시되어 있다.
특허문헌 1에 의하면, 못 등의 도체가 비수전해질 이차 전지를 관통할 때, 금속판과 비수전해질 이차 전지의 양극 집전체와의 사이에서 최초 단락이 발생된다.
따라서, 특허문헌 1에 따르면 양극 활물질과 음극 활물질사이에 단락이 발생되기 전까지 비수전해질 이차 전지의 전압이 저하되므로, 상기 활물질들의 발열이 억제될 수 있다.
특허문헌 2에는 양극, 음극, 및 세퍼레이터로 이루어지는 전극 구조체 시트를 권취하여 권회 소자가 제작되고, 상기 권회 소자를 라미네이트 외장체에 삽입하여 밀봉하는 것이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는 권회 소자의 최외주를 구성하는 전극 구조체 시트가 양극 집전체, 음극 집전체, 및 세퍼레이터로 구성된 것이 개시되어 있다.
여기서, 특허문헌 2의 최외주의 전극 구조체 시트에는 활물질이 도포되어 있지 않다.
결국, 특허문헌 2에 따르면 못 등의 도체가 비수전해질 이차 전지를 관통할 때, 최외주의 전극 구조체 시트를 구성하는 양극 집전체와 음극 집전체와의 사이에 최초 단락이 발생된다.
따라서, 특허문헌 2에 따르면 양극 활물질과 음극 활물질 사이에 단락이 발생되기 전까지 비수전해질 이차 전지의 전압이 저하되므로, 상기 활물질들의 발열이 억제될 수 있다.
상기의 특허문헌 1 및 2에 의하면 비수전해질 이차 전지의 안전성이 향상될 수 있다,
그러나, 근래 들어 비수전해질 이차 전지에 대하여 특허문헌 1 및 2에 기재된 안전 대책 보다 더 확실한 안전성이 요구되고 있다.
1. 특허문헌1: 일본특허공개 2012-28089호 공보 2. 특허문헌2: 일본특허공개 2011-187241호 공보
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 안전성이 향상하고 신규하며 개량된 비수전해질 이차 전지 팩을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 비수전해질 이차 전지 팩은 비수전해질 이차 전지가 내장되는 외장체, 외장체의 외부로 돌출되고 비수전해질 이차 전지의 양극 집전체에 연결된 양극 집전체 탭, 외장체의 외부로 돌출되고 비수전해질 이차 전지의 음극 집전체에 연결된 음극 집전체 탭, 외장체의 외측에 설치되고 양극 집전체 탭에 연결되는 양극 접속용 금속판, 외장체의 외측에 설치되고 상기 음극 집전체 탭에 연결되는 음극 접속용 금속판 및 양극 접속용 금속판과 음극 접속용 금속판과의 사이에 배치되는 절연체를 구비한다.
또한, 절연체는 열수축성을 가질 수 있다.
또한, 절연체는 120도에서의 면적 수축률이 16%이상 일 수 있다.
또한, 양극 접속용 금속판 및 상기 음극 접속용 금속판은 구리, 알루미늄, 및 이들의 합금 중 하나로 구성될 수 있다.
또한, 양극 접속용 금속판 및 상기 음극 접속용 금속판은 0.05mm∼1.0mm의 두께를 가질 수 있다.
또한, 양극 접속용 금속판 또는 음극 접속용 금속판은 복수의 양극 접속용 금속판 또는 복수의 음극 접속용 금속판을 포함하고, 양극 접속용 금속판 및 음극 접속용 금속판은 외장체의 외측에 교대로 적층 될 수 있다.
또한, 외장체는 비수전해질 이차 전지를 내장하는 내측 외장체와, 내측 외장체를 덮는 외측 외장체를 구비하고, 양극 접속용 금속판, 음극 접속용 금속판 및 절연체는 내측 외장체의 외측에 설치되며, 외측 외장체는 양극 접속용 금속판, 음극 접속용 금속판 및 절연체의 외측에 설치될 수 있다.
또한, 외장체는 라미네이트형의 외장체 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도체가 비수전해질 이차 전지 팩을 관통할 때, 외장체의 외측에서 최초 단락이 일어난다.
따라서, 전지전압의 강하가 시작된 후 활물질들 사이에 단락이 발생될 때까지 일정 시간이 소요 되므로, 비수전해질 이차 전지의 안전성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 에 따른 비수전해질 이차 전지 팩의 구성을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 비수전해질 이차 전지 팩의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1의 실시예의 변형예를 나타내는 측단면도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명이 바람직한 실시예에 대해서 상세하게 설명한다.
한편, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 및 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일한 부호가 부여되는 것에 의해 중복 설명을 생략한다.
도 1은 본 실시예 에 따른 비수전해질 이차 전지 팩의 구성을 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 비수전해질 이차 전지 팩의 구성을 나타내는 사시도이다.
이하에서는 도 1 및 도 2 를 참고하여, 본 실시예에 따른 비수전해질 이차 전지 팩(10)에 대하여 설명한다.
본 실시예에 따른 비수전해질 이차 전지 팩(10)은 방전 유닛(10a)와, 라미네이트 외장체(100)과, 양극 집전체 탭(110)과, 음극 집전체 탭(120)을 포함한다.
방전 유닛(10a)는 비수전해질 이차 전지내의 활물질간 단락이 발생되기 전에 비수전해질 이차 전지를 방전시키는 구성으로 라미네이트 외장체(100)의 외측에 설치된다.
여기서, 방전 유닛(10a)을 라미네이트 외장체(100)에 설치하는 방법은 특별히 제한되지 않는다.
예를 들면, 방전 유닛(10a)은 각종 점착 재료, 양면 테이프 등에 의해 라미네이트 외장체(100)에 설치될 수 있다.
또한, 방전 유닛(10a)은 라미네이트 외장체(100)을 감싸도록 설치될 수 있다.
방전 유닛(10a)은 양극 접속용 금속판(20), 음극 접속용 금속판(30) 및 절연체(40)로 구성된다.
양극 접속용 금속판(20)은 도체 관통 시에 단락을 일으키기 위한 금속판으로 라미네이트 외장체(100)의 외측에 설치된다.
보다 상세하게는, 양극 접속용 금속판(20)은 라미네이트 외장체(100)의 평면부분에 설치된다.
양극 접속용 금속판(20)은 양극 접속용 돌출부(21)를 구비한다.
양극 접속용 돌출부(21)는 양극 집전체 탭(110)에 접속된다.
여기서, 양극 접속용 돌출부(21)와 양극 집전체 탭(110)은 서로 전기가 통하는 다양한 방법으로 접속될 수 있다.
예를 들면, 양극 접속용 돌출부(21)와 양극 집전체 탭(110)는 초음파용접 등으로 접속될 수 있다.
양극 접속용 금속판(20)은 구리, 알루미늄, 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 한가지 종류이상의 금속으로 구성될 수 있다.
여기서, 양극 접속용 금속판(20)이 상기의 금속들 중 하나 이상으로 구성될 경우, 단락시의 전지전압은 현저하고 신속하게 강하될 수 있다.
또한, 양극 접속용 금속판(20)의 두께는 특별히 제한되지 않는다. 따라서, 양극 접속용 금속판(20)의 두께는 비수전해질 이차 전지의 두께에 따라 조정 가능하다.
다만, 양극 접속용 금속판(20)의 두께는 라미네이트형 이차전지의 특징인 경량성을 해치지 않은 정도의 두께인 것이 바람직하다.
보다 상세하게는, 양극 접속용 금속판(20)의 두께는 0.05mm~1.0mm인 것이 바람직하다.
음극 접속용 금속판(30)은 도체 관통시에 단락을 일으키기 위한 금속판으로 라미네이트 외장체(100)의 외측에 설치된다.
보다 상세하게는 양극 접속용 금속판(20)은 라미네이트 외장체(100)의 평면부분에 설치된다.
음극 접속용 금속판(30)은 음극 접속용 돌출부(31)를 구비한다.
음극 접속용 돌출부(31)는 음극 집전체 탭(120)에 접속된다.
여기서, 음극 접속용 돌출부(31)와 음극 집전체 탭(120)은 서로 전기가 통하는 다양한 방법으로 접속될 수 있다.
예를 들면, 음극 접속용 돌출부(31)와 음극 집전체 탭(120)는 초음파용접 등으로 접속될 수 있다.
음극 접속용 금속판(30)은 구리, 알루미늄, 및 이들의 합금으로 선택되는 한가지 종류이상의 재료로 구성될 수 있다.
여기서, 음극 접속용 금속판(30)이 상기의 금속 들 중 하나 이상으로 구성될 경우, 단락시의 전지전압은 현저하고 신속하게 강하될 수 있다.
또한, 음극 접속용 금속판(30)의 두께는 특별히 제한 되지 않는다. 따라서, 비수전해질 이차 전지의 두께에 따라 적당히 조정 가능하다.
단, 음극 접속용 금속판(30)의 두께는 음극 접속용 금속판(30)은 라미네이트형 이차전지의 특징인 경량성을 해치지 않은 정도의 두께 인 것이 바람직하다.
보다 상세하게는, 음극 접속용 금속판(30)의 두께는 0.05mm~1.0mm인 것이 바람직하다.
절연체(40)는 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)과의 사이에 배치되고, 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)을 절연한다.
절연체(40)는 열수축성을 가질 수 있다.
절연체(40)가 열수축성을 가지는 경우, 절연체(40)는 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)과의 단락시에 아래와 같은 기능을 가질 수 있다.
즉, 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)이 단락 되었을 경우, 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)을 단락시킨 도체가 발열되므로, 절연체(40)는 도체를 중심으로 해서 동심원상으로 도체로부터 멀어지는 방향으로 수축한다.
따라서, 절연체(40)에 의하여 도체를 중심으로하는 개구가 형성되므로, 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)은 상기 개구를 통하여 접촉된다.
따라서, 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)에 흐르는 전류가 증대되므로, 전지전압이 보다 신속하게 강하된다..
보다 상세하게는, 절연체(40)의 면적 수축률은 120C°에서 16%이상인 것이 바람직하다.
여기에서, 면적 수축률은 이하의 수학식 1로 나타낸다.
Figure 112013101631617-pat00001
여기에서, a는 면적 수축률, b은 수축전의 절연체(40)의 면적(절연체(40)의 두께 방향으로 수직면의 면적) 및 c는 수축후의 절연체(40)의 면적을 나타낸다.
면적 수축률이 상기의 범위내의 값이 될 경우에, 단락시의 전지전압은 보다 신속하게 강하된다.
또한, 절연체(40)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 한가지 종류이상의 고분자로 구성된다.
라미네이트 외장체(100)는 라미네이트형의 외장체를 의미한다.
본 실시예에 따른 비수전해질 이차 전지 팩(10)은 라미네이트형 비수전해질 이차 전지의 외부에 방전 유닛(10a)를 설치하는 것에 관한 것이다.
다만, 본 실시예에 따른 방전 유닛(10a)은 각형의 비수전해질 이차 전지에 한정되지 않고 원통형의 비수전해질 이차 전지 등에 적용 될 수도 있다.
라미네이트 외장체(100)에는 비수전해질 이차 전지가 내장된다.
라미네이트 외장체(100)를 구성하는 물질은 특별히 제한 되지 않으며, 리튬 이온 이차전지의 라미네이트 외장체에 적용 가능한 물질이라면 라미네이트 외장체(100)에 적용될 수 있다.
양극 집전체 탭(110)은 라미네이트 외장체(100)의 외부에 돌출되고, 비수전해질 이차 전지의 양극 집전체에 연결된다.
음극 집전체 탭(120)은 라미네이트 외장체(100)의 외부에 돌출되고, 비수전해질 이차 전지의 음극 집전체에 연결된다.
이하에서는, 비수전해질 이차 전지 팩(10)의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시예에 따르면 비수전해질 이차 전지로서 리튬 이온 이차전지를 사용하는 것을 하나의 예로 비수전해질 이차 전지로서 제조 방법을 설명한다.
양극은 아래와 같이 제작된다.
먼저, 양극 활물질, 도전제 및 결착제를 원하는 비율로 혼합한 후 유기용매 (예를 들면 N-메틸-2-피롤리돈)에 분산하여 슬러리를 형성한다.
또한, 슬러리를 집전체(21)위에 도포하여 건조시켜 양극 활물질층을 형성한다.
여기서, 슬러리의 도포 방법은 특별히 한정되지 않는다.
예를 들면, 슬러리의 도포 방법은 나이프 코터(coater)법 및 그라비아 코터(coater)법 등 중 하나 일 수 있다.
이하의 각 도포 공정도 동일한 방법에 의해 행하여 진다.
또한, 프레스기에 의해 양극 활물질층이 설정 두께가 되도록 프레스 한다.
상기에 기술된 바와 같은 방법으로 본 실시예에 따라 양극이 제작된다.
이때, 양극 활물질층의 두께는 특별히 제한 되지 않으며 리튬 이온 이차전지의 양극 활물질층의 일반적인 두께와 동일한 정도이면 된다.
또한, 양극 집전체에 양극 집전체 탭(110)을 용접한다.
본 실시예에 따른 음극도 양극과 동일하게 제작된다.
먼저, 음극 활물질 및 결착제를 상기의 비율로 혼합한 후 유기 용매 (예를 들면 N-메틸-2-피롤리돈)에 분산하여 슬러리를 형성한다.
또한, 슬러리를 집전체위로 도포 한 후 건조시켜 음극 활물질층을 형성한다.
또한, 프레스기에 의해 음극 활물질층을 원하는 두께가 되게 프레스 한다.
상기에 기술된 것과 같은 방법으로 음극이 제작된다.
또한, 음극 집전체에 음극 집전체 탭(120)을 용접한다.
또한, 세퍼레이터를 양극 및 음극 사이에 위치시켜 전극 구조체 시트를 제작한다.
또한, 전극 구조체를 라미네이트형으로 가공한다.
예를 들면, 본 실시예에 따르면 전극 구조체 시트를 감은 후 권취된전극 구조체 시트를 눌러 으깨어 권회 소자를 제작한다.
그리고, 권회 소자를 라미네이트 외장체(100)에 삽입한다.
여기에서, 권회 소자는 양극 집전체 탭(110) 및 음극 집전체 탭(120)은 라미네이트 외장체(100)의 외측으로 돌출되도록 라미네이트 외장체(100)에 삽입될 수 있다.
또한, 라미네이트 외장체(100)의 주액부 이외의 부분을 열용착 한다.
또한, 주액부에서 라미네이트 외장체(100)안에 상기 조성의 전해액을 주입하는 것으로, 세퍼레이터내의 각기공에 전해액을 함침시킨다.
따라서, 상기와 같이 복수의 공정을 거쳐 본 실시예 따라 리튬 이온 이차전지가 제작된다.
이어서, 미리 제작해 둔 방전 유닛(10a)을 라미네이트 외장체(100)의 외측의 평면부분에 장착한다.
이때, 라미네이트 외장체(100)의 외측의 평면부분에 양극 접속용 금속판(20)과 절연체(40)과 음극 접속용 금속판(30)을 순차 적층 할 수도 있다.
또한, 양극 접속용 금속판(20)과 양극 집전체 탭(110)을 연결하고, 음극 접속용 금속판(30)과 음극 집전체 탭(120)을 연결하여 비수전해질 이차 전지 팩(10)을 제작한다.
상기한 바와 같이, 본 실시예에 따른 비수전해질 이차 전지 팩(10)은 방전 유닛(10a)를 포함한다.
본 실시예에 따른 방전 유닛(10a)은 양극 접속용 금속판(20), 음극 접속용 금속판(30) 및 절연체(40)를 구비한다.
따라서, 본 실시예에 따르면 도체가 비수전해질 이차 전지 팩(10)을 관통할 때 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)과의 사이에서 최초 단락이 일어난다.
결국, 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)과의 사이에서 최초 단락에 의해 비수전해질 이차 전지 팩(10)의 전지전압이 강하된다.
또한, 최초의 단락은 비수전해질 이차 전지의 외부에서 일어나므로 최초의 단락에 의한 비수전해질 이차 전지의 내부 발열이 억제된다.
한편, 특허문헌 1, 2에 따르면 특허문헌 1, 2에서는 최초의 단락이 비수전해질 이차 전지 내부에서 발생되므로, 최초의 단락에 의해 비수전해질 이차 전지가 발열될 가능성이 본 실시예보다도 높다.
또한, 본 실시예에 따르면 최초 단락이 발생된 후 전지 전압의 강하가 진행함에 따라 도체가 발열되므로, 도체의 발열에 의해 절연체(40)가 열수축한다.
따라서, 절연체(40)의 열수축에 의해 절연체(40)에 개구가 형성되고, 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)이 접촉한다.
따라서, 본 실시예에 따르면 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)과의 사이에 흐르는 전류가 증대되어 전지 전압의 강하 속도가 빨라지게 된다.
한편, 도체는 방전 유닛(10a)를 통과한 후, 라미네이트 외장체(100)에 도달하여 라미네이트 외장체(100)을 관통하고, 도체에 활물질들 사이에 단락이 발생된다.
상기한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 도체는 방전 유닛(10a)이 단락된 후 활물질 사이에 단락이 발생될 때까지 라미네이트 외장체(100)을 관통한다.
결국, 본 실시예에 따르면 전지전압의 강하가 시작된 후 나서 활물질들 사이에 단락이 발생 될 까지 일정 시간이 소요된다.
즉, 활물질들의 단락이 시작되는 시간은 전지전압의 강하가 시작될때 부터 도체가 라미네이트 외장체(100)를 관통할 때까지 소요되는 시간만큼 지연된다.
한편,특허문헌 1, 2는 최초의 단락이 비수전해질 이차 전지 내부에서 일어나므로, 전지의 전압강하가 시작된 후 활물질들이 단락 될 때까지 시간이 충분하지 않은 문제점이 있다.
그러나, 특허문헌 1 및 2와 달리 본 실시예에 따르면 활물질간의 단락이 발생될때 전지전압이 크게 저감 될 수 있다.
결국, 본 실시예에 따르면 최초의 단락에 의한 발열을 억제하며, 활물질들이 단락되었을때의 전지전압이 크게 낮아질 수 있으므로, 비수전해질 이차 전지의 안전성이 향상될 수 있다.
(제1 변형예)
이하에서는, 본 실시예의 각종변형 예를 설명한다.
제1 변형예에서는 방전 유닛(10a)를 라미네이트 외장체(100)의 양면에 배치한다.
제1 변형예에 의하면, 라미네이트 외장체(100)의 양면 어느 분에서 도체가 관통해도 상술한 효과가 얻어진다.
(제2 변형예)
제2 변형예에서는 양극 접속용 금속판(20) 및 음극 접속용 금속판 (30)중 적어도 하나는 복수의 양극 접속용 금속판 또는 복수의 음극 접속용 금속판을 포함한다.
또한, 양극 접속용 금속판(20) 및 음극 접속용 금속판(30)은 라미네이트 외장체(100)의 외측에 교대로 적층된다.
또한, 양극 접속용 금속판(20) 및 음극 접속용 금속판(30)의 사이에는 절연체(40)가 배치되고, 각 양극 접속용 금속판(20)은 양극 집전체 탭(110)에 연결되며 각 음극 접속용 금속판(30)은 음극 집전체 탭(120)에 연결된다.
제2 변형예에 의하면, 보다 많은 금속판에 의해 비수전해질 이차 전지를 방전 시킬 수 있으므로, 활물질들이 단락 될 때 전지전압이 크게 낮아질 수 있다.
(제3 변형예)
도 3은 도 1의 실시예의 변형예를 나타내는 측단면도이다
이하에서는 도 3 을 참고하여, 본 발명의 제3 변형 예를 설명한다.
도 3 에 도시한 바와 같이, 제3 변형예에서는 라미네이트 외장체 (100)는 비수전해질 이차 전지(300)를 내장하는 내측 외장체(100a)와, 내측 외장체(100a)를 덮는 외측 외장체(100b)을 구비한다.
그리고, 방전 유닛(10a)은 내측 외장체(100a)의 외측에 설치되고, 외측 외장체(100b)은 방전 유닛(10a)의 외측에 설치된다.
양극 접속용 금속판(20)은 양극 집전체 탭(110)에 연결된다.
여기서, 양극 접속용 금속판(20)과 양극 집전체 탭(110)의 연결 방법으로는 외측 외장체(100b)을 두께 방향으로 관통하는 개구부를 형성하고, 개구부를 개재해서 양극 접속용 금속판(20)과 양극 집전체 탭(110)을 연결하는 것이 사용될 수 있다.
음극 접속용 금속판(30)은 음극 집전체 탭(120)에 연결된다.
여기서, 음극 접속용 금속판(30)과 음극 집전체 탭(120)의 연결 방법으로는 외측 외장체(100b), 양극 접속용 금속판(20) 및 절연체(40)를 이들의 두께 방향으로 관통하는 개구부를 형성하고, 이 개구부를 개재해서 음극 접속용 금속판(30)과 음극 집전체 탭(120)을 연결하는것이 사용될 수 있다.
또한, 음극 접속용 금속판(30)과 양극 접속용 금속판(20)과의 절연이 확보되게 음극 접속용 금속판(30)과 음극 집전체 탭(120)을 연결 할 필요가 있다.
제3 변형 예에 의하면 상술한 효과가 얻어질 뿐만 아니라 비수전해질 이차 전지 팩(10)을 소형화 할 수 있다.
그 다음에, 본 실시예의 실시예 및 비교예를 설명한다.
(실시예1)
먼저, 이하의 처리에 의해 실시예 1에 관한 비수전해질 이차 전지를 제작했다.
(양극의 제작)
Li2CO3과 CoCO3을 Li와 Co와의 몰비가 1:1이 되게 막자 사발에서 혼합한 후, 혼합물을 공기분위기 중에서 800C°로 24시간 열처리했다.
또한, 열처리에 의해 얻어진 것을 분쇄하여 LiCoO2분말을 형성하였다.
또한, 상기 제작된 양극 활물질 분말, 양극도전제로서의 카본블랙 분말, 양극 바인더(결착제)로서의 폴리불화비닐리덴을 사용하며, 각각을 활물질:도전제: 바인더의 질량비가 96:2:2이 되게 건식 혼합하여 양극 혼합제가 제작되었다.
또한, 양극 혼합제를 N-메틸-2-피롤리돈에 분산되게 하여 양극 혼합제 슬러리를 얻었다.
또한, 양극 혼합제 슬러리를 양극 집전체로서의 두께 13μm의 알루미늄박의 양면에 도포하여 건조한 후 압연하였다.
또한, 집전체위로 양극 활물질층을 형성하여 양극을 제작하였다.
여기서, 양극 활물질층의 면밀도 및 충전 밀도는 집전체의 양면에 양극 활물질층이 형성되어 있는 부분에서 45mg/cm2, 및 3.95g/cc이었다.
(음극의 제작)
탄소재료(인조흑연), CMC(카르복시메틸셀룰로오스 나트륨) 및 SBR(스틸렌 부타디엔 고무)을 97.5:1:1.5의 질량비로 혼합하여 음극 혼합제를 제작했다.
또한, 음극 혼합제를 용매인 물에 분산되게 하여 음극 혼합제 슬러리를 얻었다.
또한, 음극 혼합제 슬러리를 음극 집전체로서의 두께 8μm의 구리박의 양면에 도착하고 건조하여 압연했다.
따라서, 집전체 위로 음극 활물질층을 형성하여, 음극을 제작했다.
여기서, 집전체상의 음극 활물질층의 면밀도 및 충전 밀도는 집전체의 양면에 음극 활물질층이 형성되어 있는 부분에서 23mg/cm2, 및 1.60g/cc이었다.
(주액전 전지의 제작)
소정의 치수로 슬릿 된 양극 및 음극에 각각 집전 탭을 용접했다.
또한, 양극과 음극과의 사이에 리튬 이온 이차전지용 폴리에틸렌미세미세다공막 세퍼레이터(Toray Industries, Inc사 제조, 제품번호: F12BMS)을 삽입하여 전극 구조체 시트를 제작했다.
또한, 전극 구조체 시트를 감고, 권취된 전극 구조체 시트를 눌러 으깨어 편평한 형상의 권회 소자를 제작했다.
또한, 얻어진 편평한 형상의 권회 소자를 컵 형성한 알루미늄 라미네이트로 이루어지는 라미네이트 외장체에 수납했다.
또한, 라미네이트 외장체의 개구부 중 주액부 이외를 열용착에 의해 봉합하여 주액전 전지를 제작했다.
(비수전해 액의 조제)
전해액에는 LiPF6을 1.0mol/l의 비율로 EC: EMC: DMC을 3:5:2의 용적비로 용해 혼합한 것을 이용했다.
(전지의 제작)
주액전 전지에 비수전해액을 주액한후 함액 처리를 하였다.
이어, 주액부를 열용착에 의해 봉합 하여 설계 용량 1800mAh의 비수전해질 이차 전지를 완성시켰다.
(방전 유닛의 접속)
두께 50μm의 알루미늄박 2장을 두께 12μm의 폴리에틸렌제 미세다공막X (특성을 표1에 나타낸다) 으로 이루어지는 절연체를 개재 적층하여 방전 유닛을 제작했다.
또한, 방전 유닛을 양면 테이프에 의해 알루미늄 라미네이트 외장체의 평면부에 접착하고, 방전 유닛을 구성하는 알루미늄박을 양극 탭에 초음파 용접에 의해 접속하고, 다른 쪽의 알루미늄박을 음극 탭에 초음파 용접에 의해 접속했다.
상기와 같은 방법으로, 실시예 1에 관한 비수전해질 이차 전지 팩을 제작했다.
한편, 못찌르기 시험을 위하여 동일한 비수전해질 이차 전지 팩을 20개 제작했다.
이하의 실시예 2~5, 비교예 1~3도 동일하다.
(실시예2)
절연체를 두께 12μm의 폴리에틸렌제 미세다공막Y로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 처리방법으로 실시예 2에 관한 비수전해질 이차 전지 팩을 제작했다.
폴리에틸렌 미세다공막(Y)의 특성은 표1에 기재되어 있다.
(실시예3)
절연체를 두께 7μm의 폴리에틸렌제 미세다공막(Z)을 제외하고는 실시예 1과 같은 처리를 하여 실시예 3에 관한 비수전해질 이차 전지 팩을 제작했다.
폴리에틸렌 미세다공막(Z)의 특성은 표1에 나타낸다.
(실시예4)
방전 유닛의 알루미늄박을 두께 200μm의 알루미늄박으로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 처리를 하여, 실시예 4에 관한 비수전해질 이차 전지 팩을 제작했다.
(실시예5)
방전 유닛의 알루미늄박을 두께 50μm의 구리박으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 처리를 하여, 실시예 5에 관한 비수전해질 이차 전지 팩을 제작했다.
(비교예1)
실시예 1로부터 방전 유닛을 제거하여 비교예 1 비수전해질 이차전지 팩을 제작했다.
(비교예2)
실시예 1과 같은 처리에 의해 비수전해질 이차 전지를 제작했다.
또한, 두께 50μm의 알루미늄박의 이면을 양면 테이프에 의해 알루미늄 라미네이트 외장체의 평면부에 접착했다.
또한, 알루미늄박과 양극 탭을 초음파용접에 의해 접속했다.
이에 따라, 비교예 2에 관한 비수전해질 이차 전지 팩을 제작했다.
(비교예3)
먼저, 실시예 1과 같은 처리에 의해 비수전해질 이차 전지를 제작했다.
또한, 두께 50μm의 알루미늄박의 이면을 양면 테이프에 의해 알루미늄 라미네이트 외장체의 평면부에 접착했다.
또한, 알루미늄박과 음극 탭을 초음파용접에 의해 접속했다.
이에 따라, 비교예 3에 관한 비수전해질 이차 전지 팩을 제작했다.
(폴리에틸렌제 미세다공막의 열수축률의 측정)
한편, 폴리에틸렌제 미세다공막(X, Y, Z)를 각각 5cm×cm의 크기로 잘라내는 것으로 시험용 시트를 제작했다.
또한, 시험용 시트를 슬라이드 글라스에서 사이에 두었다.
또한, 슬라이드 글라스의 양단을 클립으로 고정하고, 이 상태에서 시험용 시트를 120C°로 10분간 열처리했다..
그리고, 각 시험용 시트의 면적 수축률을 측정했다.
그 결과를 표1에 나타낸다.
폴리에틸렌제
미세다공막(X)		 폴리에틸렌제
미세다공막(Y)		 폴리에틸렌제
미세다공막(Z)
두께(μm) 12 12 7
120도 면적 수축율(%) 16.2 22.4 30.2
(못찌르기 시험)
또한, 실시예 1~5, 비교예 1~3의 비수전해질 이차 전지 팩에 대해서, 이하의 못찌르기 시험을 행했다.
보다 상세하게는, 비수전해질 이차 전지 팩을, CC-CV충전, 즉 정전류 (1800mA)로 전지전압이 4.3V가 될 때까지 충전하고, 그 후 정전압(4.3V)의 전류가 (90mA)이 될 때까지 충전했다.
비수전해질 이차 전지 팩을 충전한 후, 비수전해질 이차 전지 팩의 중심부에, 직경 3mm, 길이 50mm의 못을 찌르고, 전지의 파열 및 발화의 유무를 확인했다.
여기에서, 못찌르기 속도는 2가지 조건으로 10개의 비수전해질 이차 전지 팩에 평가를 진행하였으며, 그 결과는 표2에 기재되어 있다.
NG은 전지의 파열 또는 발화 중 어느 하나가 확인된 것을 나타낸다.
예를 들면 「9/10NG」은 10개중 9개의 비수전해질 이차 전지 팩에 발화 및 파열 중 어느 하나가 확인된 것을 나타낸다.
(표2) 못 찌르기 시험 결과
못 찌르시 시험(찌르는 속도)
10mm/sec 50mm/sec
비교예1 9/10 NG 4/10 NG
비교예2 6/10 NG 2/10 NG
비교예3 6/10 NG 3/10 NG
실시예1 3/10 NG 0/10 NG
실시예2 1/10 NG 0/10 NG
실시예3 1/10 NG 0/10 NG
실시예4 0/10 NG 0/10 NG
실시예5 2/10 NG 0/10 NG
상기 표2에 의하면, 라미네이트 외장체의 외부에 방전 유닛을 배치 함으로써, NG 되는 전지수가 감소한다.
이는 폴리에틸렌 미세다공막이 120℃에서 열수축에 의하여 알루미늄박층이 단락되어 NG 전지수가 감소되는 것이다.
비교예 1(방전 유닛을 구비하지 않는 비수전해질 이차 전지)에서는 전지에 못이 찔리면, 양극 집전체-양극 활물질층-못-음극 활물질층의 경로에서 단락이 일어난다.
활물질층은 금속으로 이루어지는 집전체보다도 도전성이 낮기 때문에, 활물질층의 저항 발열은 집전체의 저항 발열보다 크다.
따라서, 고온의 활물질과 전해액이 반응하여 전지가 파열 또는 발화될 수 있다.
비교예 2, 3(양극 탭 또는 음극 탭과 전기적으로 접속된 알루미늄박을 구비하는 비수전해질 이차 전지)에 의하면, 전지가 못이 찔리면 라미네이트 외장의 외측에 배치된 알루미늄박-양극 집전체-양극 활물질층-못-음극 활물질층의 경로에서 단락이 일어난다.
양극 활물질과 음극 활물질이 단락되기 전에, 라미네이트 외장의 외측에 배치된 알루미늄박과 양극 집전체의 사이에서 단락이 일어나는 때문에, 양극 활물질과 음극 활물질의 저항 발열이 작아질 수 있다.
그러나, 상기와 같은 특허문헌 1에 따른 양극 활물질과 음극 활물질의 저항 발열의 감소에 따른 효과는 안전대책으로서 충분하지 않을 수 있다.
즉, 못이 전지 내부의 권회 소자에 도달해서 처음으로 단락이 일어나기 때문에, 전지전압이 충분히 저하되는 시간을 확보 할 수 없으므로, 양극 활물질과 음극 활물질의 저항 발열이 충분히 작아지지 않을 수 있기 때문이다.
한편, 실시예 1~5(방전 유닛을 구비하는 비수전해질 이차 전지)에 의하면 전지에 못이 찔리면, 라미네이트 외장체의 외측에 배치된 알루미늄박간에서 단락된 후 양극 집전체-양극 활물질층-못-음극 활물질층의 사이에서 단락이 일어난다.
따라서, 라미네이트 외장체의 외부에서 단락이 일어났을 때에 전지전압이 충분히 저하되기 때문에, 라미네이트 외장체의 내부에서 단락이 발생되는 경우보다 양극 활물질과 음극 활물질의 저항 발열이 작아지므로 안전성이 향상될 수 있다.
또한, 라미네이트 외장체의 외측에 배치된 2장의 알루미늄박을 사이에 두는 폴리에틸렌제의 미세다공막의 열수축률이 큰 만큼 전지의 안전성은 향상될 수 있다.
즉, 2장의 알루미늄박간에서 단락이 일어났을 때의 발열에 의해 세퍼레이터가 수축하여 단락 면적이 넓어지므로 전지전압이 충분히 저하될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 도체가 비수전해질 이차 전지 팩(10)을 관통할때 양극 접속용 금속판 20과 음극 접속용 금속판 30과의 사이에 최초 단락이 발생된다.
따라서, 본 실시예에 따르면 상기 최초 단락에 의해 전지전압이 강하된다.
또한, 최초의 단락은 비수전해질 이차 전지의 외부에서 일어나므로, 최초의 단락에 의한 비수전해질 이차 전지의 발열이 억제된다.
또한, 본 실시예에 따르면 도체는 방전 유닛(10a)이 단락된 후 활물질들이 단락될 때까지의 사이에 라미네이트 외장체(100)를 관통한다.
따라서, 본 실시예에 따르면 전지 전압의 강하가 시작된 후 활물질들이 단락될 때까지의 걸리는 시간이 증가된다.
따라서, 본 실시예에 따르면 활물질들이 단락될 때의 전지전압이 크게 감소 될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면 비수전해질 이차 전지의 안전성이 보다 향상된다.
또한, 본 실시예에 따르면 절연체(40)는 열수축성을 가진다.
따라서, 도체의 발열에 의해 절연체(40)가 열수축한다.
또한, 열수축에 의해 절연체(40)에 개구가 형성되고, 개구를 경유하여 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)이 접촉된다.
따라서, 양극 접속용 금속판(20)과 음극 접속용 금속판(30)과의 사이에 흐르는 전류가 증대되어, 전지 전압의 강하 속도가 빨라진다.
또한, 절연체(40)는 120C°에서의 면적 수축률이 16%이상이다.
이에 따라, 절연체(40)는 도체의 발열에 의해 신속하게 수축하므로, 전지전압의 강하 속도가 보다 향상된다.
또한, 절연체(40)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리 염화비닐, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 한 종류이상의 고분자로 구성된다.
이에 따라, 절연체(40)는 도체의 발열에 의해 신속하게 수축하므로, 전지전압의 강하 속도가 보다 향상된다.
또한, 양극 접속용 금속판(20), 및 음극 접속용 금속판(30)은 구리, 알루미늄 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 한 종류이상의 금속으로 구성된다.
이에 따라, 금속판간의 단락 시에 전지전압이 보다 신속하게 내려간다.
또한, 양극 접속용 금속판(20) 및 음극 접속용 금속판(30)은 0.05mm~1.0mm의 두께를 가진다.
이에 따라, 비수전해질 이차 전지 팩의 경량성을 유지하면서, 금속판간의 단락 시에 전지전압이 보다 신속하게 내려간다.
또한, 제2 변형 예에서는 양극 접속용 금속판(20) 및 음극 접속용 금속판(30)은 라미네이트 외장체(100)의 외측에 교대로 적층 되어 있으므로, 금속판간의 단락 시에 전지전압이 보다 신속하게 내려간다.
또한, 제3 변형 예에서는 방전 유닛(10a)이 라미네이트 외장체(100)에 내장되어 있으므로, 비수전해질 이차 전지 팩(10)이 소형화된다.
또한, 본 실시예에 따르면 라미네이트 외장체(100)에 방전 유닛(10a)이 배치되어 있으므로, 라미네이트형 이차전지의 안전성이 향상될 수 있다.
이상을 통해 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.
10: 비수전해질 이차 전지 팩 20: 양극 접속용 금속판
30: 음극 접속용 금속판 40: 절연체
100: 라미네이트 외장체 110: 양극 집전체 탭
120: 음극 집전체 탭

Claims (8)

  1. 비수전해질 이차 전지가 내장되는 외장체;
    상기 외장체의 외부로 돌출되고, 상기 비수전해질 이차 전지의 양극 집전체에 연결된 양극 집전체 탭;
    상기 외장체의 외부로 돌출되고, 상기 비수전해질 이차 전지의 음극 집전체에 연결된 음극 집전체 탭;
    상기 외장체의 외측에 설치되고, 상기 양극 집전체 탭에 연결되는 양극 접속용 금속판;
    상기 외장체의 외측에 설치되고, 상기 음극 집전체 탭에 연결되는 음극 접속용 금속판; 및
    상기 양극 접속용 금속판과 상기 음극 접속용 금속판과의 사이에 배치되는 절연체를 포함하고,
    상기 외장체는 상기 비수전해질 이차 전지를 내장하는 내측 외장체와, 상기 내측 외장체를 덮는 외측 외장체를 구비하고,
    상기 양극 접속용 금속판, 상기 음극 접속용 금속판 및 상기 절연체는 상기 내측 외장체의 외측에 설치되며,
    상기 외측 외장체는 상기 양극 접속용 금속판, 상기 음극 접속용 금속판 및 상기 절연체의 외측에 설치되며,
    상기 양극 접속용 금속판은 상기 외측 외장체의 두께 방향으로 상기 외장체에 관통 형성된 개구부를 통해 상기 양극 집전체 탭에 연결되고,
    상기 음극 접속용 금속판은 상기 양극 접속용 금속판과 절연되면서 상기 외측 외장체, 상기 양극 접속용 금속판 및 상기 절연체의 두께 방향으로 상기 외측 외장체, 상기 양극 접속용 금속판 및 상기 절연체에 관통 형성된 개구부를 통해 상기 음극 집전체 탭과 연결된, 비수전해질 이차 전지 팩.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 절연체는 열수축성을 가지는 비수전해질 이차 전지 팩.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 절연체는 120C°에서의 면적 수축률이 16%이상 인 비수전해질 이차 전지 팩.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극 접속용 금속판 및 상기 음극 접속용 금속판은 구리, 알루미늄, 및 이들의 합금 중 하나로 구성되는 비수전해질 이차 전지 팩.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 양극 접속용 금속판 및 상기 음극 접속용 금속판은 0.05mm~1.0mm의 두께를 가지는 비수전해질 이차 전지 팩.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 양극 접속용 금속판 또는 상기 음극 접속용 금속판은 복수의 양극 접속용 금속판 또는 복수의 음극 접속용 금속판을 포함하고,
    상기 양극 접속용 금속판 및 상기 음극 접속용 금속판은 상기 외장체의 외측에 교대로 적층 되는 비수전해질 이차 전지 팩.
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 외장체는 라미네이트형의 외장체인 비수전해질 이차 전지 팩.
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