KR102394187B1 - 안전성이 향상된 분리막 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지에 포함되는 분리막에 있어서, 상기 분리막은 상기 이차전지의 가로 또는 세로 방향으로 3등분되어 중앙부 및 2개의 단부로 구분되며, 상기 분리막은 중앙부가 단부에 비하여 열수축률이 낮은 분리막을 제공하며, 본 발명에 따르면, 이차전지의 사고 상황에서 분리막의 고온 수축 시 분리막의 파단에 의한 양극과 음극의 단락을 방지하는 효과가 있으며, 이로 인해 과전류 및 전지 폭발과 같은 현상을 방지하여 안전성이 우수하다.

Description

안전성이 향상된 분리막 및 이를 포함하는 이차전지{SEPARATOR WITH ENHANCED STABILITY AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 안전성이 향상된 분리막 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있다. 대표적으로, 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성이 우수한 리튬 코발트 폴리머 전지와 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
그런데, 이차전지는 과열될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우가 있다. 과전류가 흐르면 이차전지가 발열하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한, 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다.
과전류는 뾰족한 금속 물체가 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 전지에 인가되는 등의 경우에 발생된다. 따라서, 과전류로 인해 이차전지의 폭발하는 현상을 방지하기 위하여, 과전류를 신속하게 방지할 수 있는 안전성이 우수한 이차전지의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 이차전지의 사고 상황에서 분리막의 고온 수축 시 분리막의 파단에 의한 양극과 음극의 단락을 방지하는 안전성이 우수한 분리막을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 분리막을 포함함으로써 안전성이 우수한 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차전지에 포함되는 분리막에 있어서, 상기 분리막은 상기 이차전지의 가로 또는 세로 방향으로 3등분되어 중앙부 및 2개의 단부로 구분되며, 상기 분리막은 중앙부가 단부에 비하여 열수축률이 낮은 분리막을 제공한다.
상기 분리막은 중앙부의 너비가, 상기 이차전지의 가로 또는 세로 너비에 대하여, 1/10 이상일 수 있다.
상기 분리막은 중앙부의 열수축률(TD 열수축률)이 10% 이하일 수 있다.
상기 분리막은 단부와 중앙부의 열수축률 차이가 10 내지 20%일 수 있다.
상기 분리막은 중앙부가 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리비닐알콜 및 초고분자량 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있다.
상기 분리막은 단부가 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌 및 폴리에테르설폰으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있다.
상기 분리막은 중앙부의 다공도가 40 내지 60%일 수 있다.
상기 분리막은 단부와 중앙부의 다공도 차이가 30 내지 70%일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 분리막을 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 이차전지의 사고 상황에서 분리막의 고온 수축 시 분리막의 파단에 의한 양극과 음극의 단락을 방지하는 효과가 있으며, 이로 인해 과전류 및 전지 폭발과 같은 현상을 방지하여 안전성이 우수하다.
도 1은 종래의 분리막을 이용한 스택-폴딩형 전극조립체의 권취하기 전 과정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 분리막을 이용한 스택-폴딩형 전극조립체를 권취하기 전 과정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 이차전지에 포함된 안전성이 향상된 분리막 및 상기 분리막을 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
종래의 이차전지는 과충전 등으로 인한 사고 상황에서 전지의 온도 상승에 의해 분리막의 고온 수축 현상이 발생할 수 있으며, 이로 인해 분리막의 파단에 의해 양극과 음극의 단락이 발생할 수 있다. 나아가, 이차전지의 사고 상황에서는 이차전지의 중앙부에서 발열량이 가장 높아 분리막의 중앙부에서 고온 수축이 가장 많이 발생하여 이차전지의 중앙부로부터 단락이 발생할 가능성이 높다. 또한, 뾰족한 금속 물체가 이차전지의 중앙부를 관통하는 상황에서 양극과 음극 사이의 절연이 파괴될 수 있으며, 이로 인해, 과전류로 인해 이차전지의 폭발현상이 발생할 수 있다.
도 1은 종래의 분리막을 이용한 스택-폴딩형 전극조립체의 권취하기 전 과정을 모식적으로 나타낸 도면으로, 분리막(10) 상에 다수 개의 유닛셀(20)이 배치되어 있으며, 이를 권취하여 스택-폴딩형 전극조립체를 제조할 수 있다. 이러한 스택-폴딩형 전극조립체도 마찬가지로 중앙부에서 발열량이 가장 높은 사고 상황에서 분리막 파단 및 양극/음극의 단락 등으로 인한 문제점이 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명은 상술한 문제점을 방지할 수 있는 안전성이 우수한 분리막을 제공할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막을 모식적으로 나타낸 도면으로, 이에 따르면, 상기 분리막(10)은 상기 이차전지의 가로 또는 세로 방향으로 3등분 되어 중앙부 및 2개의 단부로 구분되며, 상기 분리막은 중앙부가 단부에 비하여 열수축률이 낮을 수 있다.
상기 분리막(10)은 상기 이차전지의 가로 또는 세로 방향으로 3등분되어 중앙부 및 2개의 단부로 구분될 수 있다. 상기 이차전지는 외부의 회로에 전원을 공급하거나 공급받는 역할을 하는 탭이 형성되어 있는 위치를 기준으로 가로 또는 세로로 구분할 수 있다. 예를 들어, 상기 탭이 형성되어 있는 변과 평행하게 3등분하는 것을 이차전지의 가로 방향으로 3등분하는 것이라 할 수 있고, 상기 탭이 형성되어 있는 변과 수직하게 3등분하는 것을 이차전지의 세로 방향으로 3등분하는 것이라 할 수 있다.
본 발명의 분리막(10)은 중앙부가 단부에 비하여 상대적으로 열수축률이 낮은 것이 바람직하며, 이로 인해 이차전지의 중앙부에서 발열량이 가장 높은 사고 상황에서 분리막의 고온 수축 시 분리막의 파단에 의한 양극과 음극의 단락을 방지하는 효과가 있다. 또한, 뾰족한 금속 물체가 이차전지의 중앙부를 관통하는 상황에서 양극과 음극 사이의 절연이 파괴됨으로 인한 과전류 및 전지 폭발과 같은 현상을 방지하여 안전성이 우수하다.
상기 분리막은 중앙부(30)의 너비를 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 상기 이차전지의 가로 또는 세로 너비에 대하여 1/10 이상인 것이 바람직하며, 1/3 내지 1/2인 것이 더욱 바람직하다. 상기 중앙부의 너비가 상기 이차전지의 가로 또는 세로 너비에 대하여 1/10 미만이면 분리막 중앙부의 폭이 지나치게 좁아 중심부에서 발생한 사고 상황에서 분리막 중앙부의 수축을 방지하기 어렵다.
한편, 상기 분리막은 중앙부(30)의 열수축률이 130℃에서 폭 방향의 열 수축률(TD 열 수축률)이 10% 이하일 수 있으며, 상기 중앙부의 열수축률이 10% 초과하면 중심부에서 발생한 사고 상황에서 분리막의 중앙부 수축 현상을 방지하기 어려워 분리막의 파단 및 단락이 발생할 수 있다.
상기 분리막(10)은 소정의 사이즈(예를 들면, 100mm×100mm)로 절취한 후, 텐션이 걸리지 않은 상태에서 지지하고 130℃의 오븐에 1시간 노출하고, 오븐으로부터 취출한 후의 분리막의 폭 방향의 사이즈를 측정하여 오븐에 넣기 전의 값과 비교해 줄어든 비율을 열수축률로 하고 있다.
한편, 상기 분리막은 단부(40)와 중앙부(30)의 열수축률 차이가 10 내지 20%인 것이 바람직하며, 상기 단부와 중앙부의 열수축률 차이가 10% 미만이면 이차전지 사고 상황에서 분리막 중앙부의 수축을 방지하기 어려워 분리막의 파단 및 단락이 발생할 수 있으며, 20% 초과하면 분리막 단부의 수축률이 지나치게 높아 사고 상황에서 분리막 단부의 파단 및 양극/음극의 단락이 발생할 수 있다.
상기 분리막의 중앙부(30)의 소재는 열수축률이 낮은 소재라면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리비닐알콜 및 초고분자량 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있다.
상기 분리막의 단부(40)의 소재는 상기 분리막의 중앙부(30) 소재보다 열수축률이 높으면서 지나치게 열수축률이 높지 않은 소재라면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌 및 폴리에테르설폰으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 분리막의 중앙부(30) 및 단부(40)의 다공도를 제어할 수 있으며, 특히, 상기 중앙부가 단부 보다 열수축률이 낮은 조건을 가지도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기 분리막의 다공도를 높게 제어하면 상기 분리막의 열수축률은 높아질 수 있고, 상기 분리막의 다공도를 낮게 제어하면 분리막의 열수축률은 낮아질 수 있다. 따라서, 상기 분리막의 중앙부(30) 다공도를 상기 분리막의 단부(40) 다공도 보다 낮게 제어함으로써, 상기 분리막은 중앙부가 단부에 비하여 열수축률이 낮을 수 있다.
한편, 이차전지의 사고 상황에서 분리막의 파단 및 양극/음극의 단락을 방지하기 위해서는 분리막의 다공도를 낮게 제어하여 열수축률을 저하시키는 것이 바람직하나, 상기 분리막 전체의 다공도가 지나치게 낮아지면 출력이 저하되고 저항이 상승하는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명은 상기 분리막의 중앙부(30) 다공도를 상기 단부(40) 다공도 보다 상대적으로 낮게 제어하여, 분리막(10) 전체의 다공도가 낮아짐으로 인한 출력 저하 및 저항 상의 문제점을 방지할 수 있다. 나아가, 이차전지의 중앙부에서 발열량이 가장 높은 사고 상황에서 분리막의 고온 수축 시 분리막의 파단에 의한 양극과 음극의 단락을 방지하고, 뾰족한 금속 물체가 이차전지의 중앙부를 관통하는 사고 상황에서 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되는 것을 방지할 수 있다.
상기 분리막의 중앙부(30)는 다공도가 40 내지 60%인 것이 바람직하며, 상기 분리막의 중앙부 다공도가 40% 미만이면 이차전지의 출력이 저하되고 저항이 상승할 수 있고, 60% 초과하면 이차전지 사고 상황에서 분리막 중앙부의 수축을 방지하기 어려워 분리막의 파단 및 단락이 발생할 수 있다.
상기 분리막은 단부(40)와 중앙부(30)의 다공도 차이가 30 내지 70%인 것이 바람직하며, 상기 단부와 중앙부의 다공도 차이가 30% 미만이면 이차전지 사고 상황에서 분리막 중앙부의 수축을 방지하기 어려워 분리막의 파단 및 단락이 발생할 수 있으며, 70% 초과하면 분리막 단부의 다공도가 지나치게 높아져 강도가 저하되며 내전압 측면에서 바람직하지 않다.
한편, 상기 분리막(10)을 포함하는 전극조립체를 제공할 수 있다. 한편, 상기 전극조립체는 스택형, 젤리-롤형, 스택-폴딩형 또는 라미네이션-스택형일 수 있다.
상기 분리막(10)을 포함하는 전극조립체는 젤리-롤형일 수 있다. 젤리-롤형 전극조립체는 양극 및 음극 시트 사이에 분리막을 개재한 상태에서 나선형으로 권취하여 제조된 것으로, 상기 젤리-롤형 전극조립체에 포함되는 분리막이 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막이면, 이차전지의 중앙부에서 발열량이 가장 높은 사고 상황에서 분리막의 고온 수축 시 분리막의 파단에 의한 양극과 음극의 단락을 방지하는 효과가 있으며, 또한, 뾰족한 금속 물체가 이차전지의 중앙부를 관통하는 상황에서 양극과 음극 사이의 절연이 파괴됨으로 인한 과전류 및 전지 폭발과 같은 현상을 방지하여 안전성이 우수하다.
또한, 본 발명의 분리막(10)을 포함하는 전극조립체는 스택-폴딩형일 수 있다. 상기 스택-폴딩형 전극조립체에 포함된 분리막이 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막이면, 젤리-롤형 전극조립체와 마찬가지로, 이차전지의 중앙부에서 발열량이 가장 높은 사고 상황에서 분리막의 고온 수축 시 분리막의 파단에 의한 양극과 음극의 단락을 방지하고, 과전류 및 전지 폭발과 같은 현상을 방지하여 안전성이 우수하다.
도 3은 본 발명의 분리막(10)을 포함하는 스택-폴딩형 전극조립체의 권취하기 전 과정을 나타낸 도면으로, 이에 따르면, 상기 분리막상에 복수의 유닛셀(20)들이 나열되어 있다. 상기 유닛셀은 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell)이거나, 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이-셀(bi-cell)일 수 있다. 또는 유닛셀 대신에 양극 또는 음극 중 하나의 전극이 분리막 상에 배치될 수 있다. 상기 유닛셀이 배열된 분리막을 권취함으로써 전극조립체를 제조할 수 있으며, 권취 방법으로는 한쪽 끝에서 반대쪽 끝으로 권취하여 하나의 중심을 가지는 스택-폴딩형 전극조립체를 가질 수 있고, 양쪽 끝에서 중심 방향을 향해 권취하여 두 개의 중심을 가지는 스택-폴딩형 전극조립체를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 분리막을 포함하는 이차전지를 제공할 수 있다. 상기 이차전지는 상기 분리막, 상기 분리막을 포함하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스, 및 상기 전극 조립체에 함침된 전해질을 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10 분리막
20 유닛셀
30 분리막의 중앙부
40 분리막의 단부

Claims (9)

  1. 이차전지에 포함되는 분리막에 있어서,
    상기 분리막은 상기 이차전지의 가로 또는 세로 방향으로 3등분되어 중앙부 및 2개의 단부로 구분되며,
    상기 분리막은 중앙부가 단부에 비하여 열수축률이 낮은 분리막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 중앙부의 너비가, 상기 이차전지의 가로 또는 세로 너비에 대하여, 1/10 이상인 분리막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 중앙부의 열수축률(TD 열수축률)이 10% 이하인 분리막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 단부와 중앙부의 열수축률 차이가 10 내지 20%인 분리막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 중앙부가 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리비닐알콜 및 초고분자량 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재로 이루어진 분리막.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 단부가 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌 및 폴리에테르설폰으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재로 이루어진 분리막.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 중앙부의 다공도가 40 내지 60%인 분리막.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 단부와 중앙부의 다공도 차이가 30 내지 70%인 분리막.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 분리막을 포함하는 이차전지.
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