KR102139065B1 - 무기물 코팅부를 포함하고 있는 원통형 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 원통형 전지셀로서, 상기 원통형 캔의 적어도 일부 외면에는 원통형 캔의 방열을 촉진하기 위한 무기물 코팅부가 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀에 관한 것이다.

Description

무기물 코팅부를 포함하고 있는 원통형 전지셀 {Cylindrical Battery Cell Comprising Inorganic Material Coating Portion}
본 발명은 무기물 코팅부를 포함하고 있는 원통형 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
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. 이 중, 원통형 전지는, 형상적인 특징에 기인하여, 다양한 디바이스에 적용되어 사용되고 있다.
일반적으로 원통형 전지에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 후, 권심을 기준으로 권취한 젤리-롤 형태로 이루어진다.
이러한, 젤리-롤 형태의 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
그러나, 원통형 전지셀은, 전지셀 내부의 열이 외부로 배출되기 어려운 구조이므로, 반복적인 충방전을 수행하면, 중심부로부터 발열이 촉진되어, 전지셀의 수명이 단축될 수 있고, 나아가 전지셀의 발화 또는 폭발의 원인이 될 수 있다.
따라서, 원통형 전지셀의 냉각 효율성을 크게 개선할 수 있는 기술이 필요한 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, 원통형 전지셀의 일부 외면에 무기물 코팅부를 포함하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 원통형 전지셀은, 양극/분리막/음극 구조의 권취형 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 원통형 전지셀로서,
상기 원통형 캔의 적어도 일부 외면에는 원통형 캔의 방열을 촉진하기 위해 무기물 코팅부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
종래 기술에 따르면, 원통형 전지셀의 경우, 전지셀 내부의 열이 외부로 배출되기 어려운 구조이므로, 충방전이 반복되면서 방출되지 못한 열이 전지셀의 내부를 열화시켜, 발화 내지 폭발의 위험성이 있었다.
이에, 본 발명에 따른 이차전지는 전지케이스가 무기물 코팅부를 포함하고 있으므로, 원통형 전지셀 내부에서 발생한 열이 상기 무기물 코팅부로 신속히 이동하여, 대기 중으로의 열 방출을 촉진할 수 있다.
또한, 전극조립체의 음극 탭이 금속 소재로 이루어진 원통형 캔과 연결되므로, 작동중인 전지셀은 원통형 캔 표면에 전기가 통하는데, 상기의 무기물 코팅부를 원통형 캔의 적어도 일부 외면에 포함시켜, 전지셀의 절연성을 강화시킬 수 있다.
이때, 상기 원통형 캔은 방식 도금된 철 또는 스테인리스 스틸로 이루어질 수 있다.
상기 무기물 코팅부의 무기물 입자는, 원통형 캔의 내부에서 발생하여 전도된 열을 흡수하여, 열 에너지의 적어도 일부를 광(light) 에너지로 변환하여 외부로 방출할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 무기물 입자는 열 에너지와 광 에너지를 함께 방출할 수 있다.
일반적으로, 무기물 입자에서 열 에너지만 방출되는 경우에는, 열원에서 발생하는 열이 방열되는 면적 전체로 확산되어 열원의 온도가 저하된다. 이 경우, 열원과 방열 면적 사이의 온도 차이가 상이한 경우 원활한 방열이 이루어지나, 방열되는 면적 전체가 열원과 유사한 온도를 갖게 된다면, 열이 확산되는 속도가 느려져 방열의 효율이 저하될 수 있다.
반면, 무기물 입자가 광 에너지를 방출할 때는, 무기물 입자가 열원에서 생성된 열 에너지를 에너지원으로 흡수하고, 이 경우 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)에 있던 전자가 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 상태로 올라가게 된다. 상기 LUMO 상태에 있는 불안정한 전자는 빛 에너지를 방출하면서 HOMO 상태로 돌아오게 되고, 상기의 과정을 통하여 열원의 온도가 저하된다. 따라서, 무기물 입자가 광 에너지를 방출하는 경우, 방열되는 면적 전체가 열원과 유사한 온도를 가져도 효율의 저하 없이 열 방출이 진행될 수 있다. 특히, 본 발명에서는, 무기물 코팅부가 열 에너지와 광 에너지를 함께 방출하므로, 상기에서 언급한 장점이 모두 본 발명에 적용될 수 있다.
상기 무기물 코팅부는 무기물 입자만으로 이루어진 무기물 코팅층 또는 상기 무기물 입자를 포함하는 무기물 코팅 시트일 수 있다.
상기 무기물 코팅층은 무기물 입자로 이루어져 있고, 상기 무기물 입자는 금속 산화물 입자를 포함하고 있어, 상기 금속 산화물 입자에 의해 전지케이스를 절연시켜, 전지의 안전성을 향상시키는 효과를 제공한다.
또한, 무기물 코팅부가 무기물 입자를 포함하는 시트일 경우에는 원통형 캔에 무기물 코팅 시트를 부착시키는 것으로 공정이 완료될 수 있어, 타 제조방식 대비 제조가 간편한 장점이 있다.
구체적으로, 상기 무기물 코팅 시트의 경우, 무기물 외에도 상기 무기물이 도포된 시트의 기재 및 시트의 부착을 위한 점착층을 포함하고 있고, 상기 점착층을 이루는 점착제에는 금속 분말이 소량 포함되어, 전지케이스에서 방출되는 열을 신속히 무기물 코팅층으로 전달하는 역할을 한다.
상기 무기물 코팅 시트를 이루는 기재는 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드 중에서 적어도 하나 이상의 재질이 선택될 수 있으나, 폴리에스테르 필름을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 기재 위에 코팅되는 무기물은 우레탄계 방열 필러 및 바인더가 결합된 도료일 수 있다.
또한, 시트 부착을 위한 점착층에 사용되는 점착제는 아크릴레이트 단량체를 포함하는 아크릴계 에멀젼 수지를 사용할 수 있고, 추가적으로 열전도성 및 방열성의 향상을 위해 점착제에 금속 분말 또는 그라파이트를 첨가할 수 있다. 상기 금속 분말의 경우, 열에 산화되지 않도록 니켈, 구리와 같이 반응성이 낮은 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
또 다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 원통형 캔과 무기물 코팅부 사이에 전기절연성의 열수축성 튜브가 더 포함될 수 있다.
전극조립체의 음극 탭이 금속 소재로 이루어진 원통형 캔과 연결된 구조를 가지고 있는 바, 원통형 캔 표면에 전기가 통하여 전지케이스가 절연되지 않으므로, 이를 해결하기 위해 전기절연성의 열수축성 튜브를 사용해왔으나, 상기 열수축성 튜브가 원통형 전지셀과 공기와의 직접적인 열전도를 막아, 방열을 방해하는 단점이 있었다.
열수축성 튜브가 금속 캔과 무기물 코팅부 사이에 개재된 경우, 전지케이스의 절연성을 더욱 높이면서도, 원통형 전지셀에서 열수축성 튜브로 전달된 열을 상기 무기물 코팅부로 전달하여, 대기 중으로의 열 방출을 촉진할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 무기물 코팅층은 무기물 입자를 특정 용매에 분산시켜 무기물 코팅액을 제조한 후, 상기 코팅액을 원통형 전지셀의 열수축성 튜브 표면에 도포한 후 자연 건조 또는 열 처리에 의해 제조될 수 있다.
상기 무기물 코팅부의 무기물 입자는 Mg, Al, Si, Ca, Ti 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함할 수 있고, 구체적으로, 상기 무기물 입자는 Ti, Si 및 Ca로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소일 수 있다.
상기 무기물 입자로는, 예를 들어, Ti 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 무기물 코팅액 제조에 사용되는 용매는 부틸셀로솔브, 셀로솔브 아세테이트, 프로필렌 글리콜 메틸에테르 아세테이트 중에서 선택된 고비점 유기용매와 자일렌, 톨루엔 중에서 선태된 중비점 유기 용매를 혼합하여 사용할 수 있으며, 전체 무기물 코팅액 중량 대비 10 내지 50 중량% 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
상기 열수축성 튜브는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌나프탈레이트 중에서 적어도 하나 이상의 재질이 선택될 수 있으며, 보다 상세하게는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름을 사용할 수 있다.
상기 무기물 코팅부는 원통형 캔의 전체 두께 대비 1% 내지 30%의 두께로 코팅된 구조일 수 있다.
만일, 상기 무기물 코팅부의 두께가 원통형 캔의 전체 두께 대비 1% 미만일 경우에는, 방열 기능을 수행할 만큼의 무기물 입자의 양이 충분하지 않아, 기대한 만큼의 방열 성능을 발휘하기 어렵다.
이와 반대로, 상기 무기물 코팅부의 두께가 원통형 캔의 전체 두께 대비 30%를 초과하는 경우에는, 무기물 코팅부에서 크랙이 발생할 수 있고, 상기 무기물 코팅부에 대한 비용 또한 함께 상승할 수 있다.
한편, 상기 무기물 코팅부가 열수축성 튜브 위에 도포된 경우, 튜브의 수축성으로 인해 크랙이 더욱 발생하기 쉬우므로, 이를 예방하기 위해 열수축성 튜브와 원통형 캔의 전체 두께 대비 1% 내지 20%의 두께로 코팅된 구조일 수 있다.
한편 본 발명에 따른 전지셀에서, 상기 원통형 캔은 50 내지 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 원통형 캔의 두께가 50 ㎛ 미만인 경우에는 외부의 충격으로부터 전극조립체를 충분히 보호하기 어렵고, 캔의 두께가 500 ㎛ 초과인 경우에는 전지셀의 크기 대비 에너지 밀도가 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
이와 함께, 상기 열수축성 튜브는 20 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 열수축성 튜브의 두께가 20 ㎛ 미만인 경우에는, 원통형 캔을 통해 발생하는 열에 의해 튜브가 융해되거나, 외부로부터의 충격 등에 의해 파열되거나, 무기물 코팅부의 무게를 견디지 못하는 등의 이유로 손상되어 절연 기능 및 안전성이 크게 저하될 수 있고, 튜브의 두께가 100 ㎛ 초과인 경우에는 원통형 캔에서 무기물 코팅부까지의 열전달이 지연되므로 방열 효과가 크지 않을 수 있으며, 열수축성 튜브에서도 수축 편차가 국부적으로 존재하여, 이로 인한 외관 불량이 발생할 수 있다.
본 발명은, 상기 전지셀을 단위전지로 포함하는 전지모듈, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
이 때, 상기 디바이스의 구체적인 예로는, 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 원통형 전지셀의 최외곽 표면에 무기물 코팅부를 포함하므로, 충전 및 방전 과정에서 발생하는 전지셀 내부의 열을 효과적으로 제거하여 원통형 전지셀의 냉각 효율성을 크게 개선시키고, 전지셀의 열화를 방지하여 안전성 및 수명 특성을 개선시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
방열 파우더 20 중량%, 바인더 5 중량%, 용매 74 중량% 및 분산 첨가제 1 중량%를 첨가하고 교반 및 분산공정을 통하여 무기물 코팅액을 제조한 후, 150㎛ 두께의 원통형 캔 표면에 스프레이 코팅을 통해 상기 무기물 코팅액을 40㎛ 두께로 도포하여 무기물 코팅층을 형성한 원통형 전지셀을 제조하였다.
<실시예 2 >
실시예 1에서 사용된 무기물 코팅액을 사용하여 제조된 무기물 코팅 시트를 150㎛ 두께의 원통형 캔의 표면에 부착하였다는 점을 제외하고, 나머지 구성은 실시예 1과 동일한 원통형 전지셀을 제조하였다.
<실시예 3>
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 소재의 튜브에 실시예 1에서 사용된 무기물 코팅액을 스프레이 코팅으로 도포하여 무기물 코팅층을 형성한 후, 원통형 전지셀에 상기 튜브를 장착시키고, 튜브가 수축되도록 90℃에서 열풍 건조하였다는 점을 제외하고, 나머지 구성은 실시예 1과 동일한 원통형 전지셀을 제조하였다.
<비교예 1>
원통형 캔 표면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 소재의 튜브를 장착시키고, 튜브가 수축되도록 150~200℃에서 열풍 건조시켜 원통형 전지셀을 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 원통형 전지셀들을 고속 방전하고, 비교예 1에 대한 각각의 원통형 전지셀들의 온도를 비교하여, 하기 표 1에 나타내었다.
Set 실시예1
(캔 표면에 스프레이)		 실시예2
(무기물 코팅 시트 부착)		 실시예3
(튜브에 무기물코팅층 형성)		 비교예1
(무기물 코팅부 없이 튜브장착)
고속 방전에 따른 전지셀 온도 (℃) 83.28 84.74 85.99 93.02
비교예 1에 대한 온도 차이(ΔT , ℃) 9.74 8.28 7.03 -
비교예 1에 대한 방사율(%) 10.5 8.9 7.6 -
상기 표 1에서 보이는 바와 같이, 캔 표면에 무기물 코팅부가 직접 도포된 실시예 1, 무기물 코팅 시트가 부착된 실시예 2 및 열수축성 튜브 위에 무기물 코팅층이 형성된 실시예 3 모두, 비교예 1과 비교하여 낮은 온도를 가지는 것을 확인하였다. 즉, 실시예 1 내지 3이 비교예 1보다 높은 방열효과를 갖는 것이 확인되었다.
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 (13)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 권취형 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 원통형 전지셀로서,
    상기 원통형 캔의 적어도 일부 외면에는 원통형 캔의 방열을 촉진하기 위해 무기물 코팅부를 포함하고,
    상기 무기물 코팅부는 절연물질로 이루어지며,
    상기 무기물 코팅부는 무기물 입자만으로 이루어진 무기물 코팅층 또는 상기 무기물 입자를 포함하는 무기물 코팅 시트이며,
    상기 무기물 입자는 절연성으로서 금속 산화물 입자를 포함하고 있으며, 상기 무기물 입자는 Mg, Al, Si, Ca, Ti 및 Zr로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하고,
    상기 무기물 코팅부의 무기물 입자는, 원통형 캔의 내부에서 발생하여 전도된 열을 흡수하여, 열 에너지와 광 에너지를 함께 방출하는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 원통형 캔은 방식 도금된 철 또는 스테인리스 스틸로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 원통형 캔과 무기물 코팅부 사이에 전기절연성의 열수축성 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 열수축성 튜브는 20 내지 100 ㎛의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 무기물 코팅부는 원통형 캔의 외면 전체에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 무기물 코팅부는 원통형 캔의 두께 대비 1% 내지 30%의 두께로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 원통형 캔은 50 내지 500 ㎛의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  12. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 6 항, 제 10 항, 및 제 11 항 중 어느 하나에 따른 원통형 전지셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 12 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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