KR102401848B1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관통 안전성이 우수한 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지{Electrode Assembly and Secondary Battery having the Same}
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관통 안전성이 우수한 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
최근, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트(Compact)하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있고, 이러한 전기/저장장치는 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동할 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다.
또한, 하이브리드 자동차(HV, Hybrid Vehicles), 전기 자동차(EV, Electric Vehicles) 등의 모터를 이용하는 자동차가 개발 및 생산되고 있고, 이러한 자동차에도 모터를 구동시킬 수 있는 전지 팩을 내장하고 있다. 상술한 전지 팩은 일정시간 동안 전기/저장장치 또는 자동차를 구동시키기 위해서 소정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
경제적 측면을 고려하여, 최근 전지 팩은 충전/방전이 가능한 이차 전지를 채용하고 있다. 이차 전지 중에서 리튬 이차 전지는 현존하는 이차 전지 중 단위 전지 전압(3.0 내지 3.7V)이 가장 높으며 에너지 밀도가 높고, 메모리 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자연 방전이 일어나는 정도가 작고, 매우 가벼워 노트북, 카메라, 핸드폰 등 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. 이 외에도 에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여 방위산업이나 자동화 시스템, 그리고 자동차, 항공 산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다.
한편, 전지의 사용이 증가할수록 그 안전성에 대한 요구도 커지고 있는데, 예를 들어 외부로부터의 충격으로 변형되거나 예리한 물체로 인해 전지팩이 관통되는 경우가 문제될 수 있다. 특히 전기 자동차와 같은 경우 사고 등의 상황이 발생하면 전지팩이 관통될 가능성이 커진다.
이렇게 전지팩이 관통 시 관통 부재가 도체인 경우 충전상태의 음극과 양극이 관통 부재를 통해 단락되어 관통된 주변으로 순간적으로 고전류가 흐르게 되면 전지팩의 비정상적인 발열 및 열폭주 현상이 발생할 수 있다. 관통 부재가 도체가 아닌 경우에도 음극과 양극이 물리적으로 맞닿아 위와 같은 현상이 발생할 수 있다.
즉, 유기 전해액은 전지의 연소반응의 연료로 작용하여 연소반응이 자발적으로 진행되고 연소열이 셀 내부에 축적되어 온도가 계속적으로 상승하여 연쇄적인 열분해 반응을 유도하게 된다. 이에 따라 전지팩이 장착된 기기 또는 장치의 발화 또는 폭발을 초래할 수 있다.
특히, 전기 자동차와 같은 수송 장치에 있어서 관통 안전성은 수송 장치를 이용하는 인명과 직결되는 문제이므로 관통 안전성이 담보되지 않은 경우, 리튬 이차 전지의 수송 장치로의 적용이 제한적일 수밖에 없으며, 자동차와 같이 대용량 전원공급을 요구하는 분야에서는 전지의 안전성이 더욱 더 중요한 요소로 부각되고 있다.
이와 같이 이차 전지의 안전성에 대한 요구가 높아지면서 이차 전지에 대한 여러 안전성 평가 항목 중에서 관통 안전성이 중요한 평가 항목으로 인식되고 있고, 이를 개선하기 위해 여러 시도가 수행되고 있다.
한국공개특허공보 제2016-0129571호(2016.11.09. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 전극 조립체의 최외층에 구비된 음극판의 외측면에 구리 재질의 전도성 기재를 부착하여 관통 부재 관통 시 전도성 기재를 통해 방열 및 방전을 유도하여 관통 안정성이 우수한 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체는, 복수의 양극판과, 복수의 음극판이 교번 적층되되, 양극판과 음극판 사이에 분리막이 배치되는 이차 전지용 전극 조립체에 있어서, 상기 전극 조립체는, 상기 적층 방향의 최외측에 음극판이 배치되며, 상기 음극판의 외면에는 전도성 기재; 가 구비된다.
또한, 상기 전도성 기재는, 단일 층으로 상기 음극판의 두께보다 두껍게 형성되거나, 복수 개가 층을 이루어 결합된다.
또한, 상기 전도성 기재는, 상기 음극판에 대응되는 재질 또는 구리 재질로 이루어진다.
또한, 상기 음극판은, 음극 집전체와, 상기 음극 집전체의 일면 또는 양면에 코팅되는 음극 활물질을 포함하되, 상기 최외측에 배치된 음극판은, 상기 전도성 기재와의 결합면에 상기 음극 활물질이 코팅되지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극판은, 양극 집전체와, 상기 양극 집전체의 일면 또는 양면에 코팅되는 양극 활물질을 포함하되, 상기 양극 활물질은 니켈 함량이 60%중량비 이상인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 전도성 기재는, 결합되는 음극판의 외면에 전해액이 함습 되도록 적층 방향을 따라 관통 형성되는 함습홀; 을 포함한다.
또한, 상기 함습홀은, 결합면으로 갈수록 직경이 증가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시 예에 따른 이차 전지는 위와 같은 구성의 전극 조립체 및 전해액을 포함한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 관통 안정성이 우수한 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지는 일정 에너지 밀도 이상으로 전극 조립체를 제조하여도 관통으로 인한 발화 또는 폭발을 예방하기 때문에 전극 조립체의 설계 자유도가 높아지고, 고 안전성을 갖는 이차 전지의 설계 및 제작이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지의 전체 사시도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체의 전체사시도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체의 단면도
도 4는 도 3의 부분 확대 단면도
도 5는 전극 조립체에 관통 부재가 관통 시 동작 상태를 나타낸 단면도
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전극 조립체의 단면도
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체(10)를 포함하는 이차 전지(1)의 전체 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체(10)의 전체사시도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 이차 전지(1)는 전극 조립체(10)와, 전극 조립체(10)가 수용되는 공간을 제공하는 케이스(2)와 케이스(2) 내부에 충전되는 비수 전해액(미도시)을 포함하고 있다. 전극 조립체(10)는 전극판(11)과, 분리막(12)과, 전극탭(13, 14)과, 필름(20)을 포함하여 이루어진다. 도면상에는 전극 조립체(10)가 필름(20)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 필름(20)을 제외한 전극 조립체(10)로도 구성할 수 있다.
전극 조립체(10)는 다수의 전극판(11)이 적층되는 형태로 이루어질 수 있으며, 전극판(11)은 양극판과 음극판이 교번 적층될 수 있다. 이때 상기 양극판과 음극판 사이에는 분리막(12)이 삽입 구성될 수 있다.
이하, 위와 같은 구성을 이루기 위한 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 전극 조립체(10)를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체(10)의 횡단면도(도 2의 AA')가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체(10)의 부분 확대 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 본 발명의 일실시 예의 전극 조립체(10)는 양극판(11a)과, 음극판(11b)과, 분리막(12)을 포함하여 이루어진다.
전극 조립체(10)는 다수의 양극판(11a)과 음극판(11b)이 교번 적층될 수 있으며, 전극 조립체(10)의 최외각층에는 음극판(11b)이 배치되도록 구성될 수 있다. 또한, 양극판(11a)과 음극판(11b) 사이에는 절연을 위해 분리막(12)이 삽입 구성될 수 있으며, 상기와 같은 구성을 이루기 위한 전극 조립체(10)의 제조 방법은 다음과 같다.
우선 분리막(12)을 지그재그로 절곡 하여 다단으로 층을 이루도록 구성하며, 층을 이루는 분리막과 분리막 사이에 양극판(11a)과 음극판(11b)을 삽입하여 적층 형성한다. 상기 각각의 양극판(11a)은 양극탭과 연결되며, 음극판(11b)은 음극탭과 연결된다.
또한, 양극판(11a)과 음극판(11b)은 각각 집전체(111, 113)의 적어도 일면에 양극 활물질층(112) 및 음극 활물질층(114)이 코팅되어 형성된 것이다. 양극 활물질층(112) 및 음극 활물질층(114)의 각 활물질은 당 분야에서 통상적으로 사용되는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
음극 활물질(114)로는 특별히 한정되지 않고 음극 활물질로 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 예를 들면 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬과 다른 원소의 합금, 규소 또는 주석 등이 사용될 수 있다.
양극 활물질(112)로는 양극 활물질로 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 구체적인 예를 들면, 코발트, 망간, 니켈에서 선택되는 최소한 1종 및 리튬의 복합 산화물 중 1종 이상의 것일 수 있다.
최근에는 양극 활물질로 니켈코발트망간계(NCM)가 적용되는 추세이고, 니켈코발트망간계(NCM) 중에서도 니켈 함량이 높아질수록 전지 특성이 우수하기 때문에 최근에는 니켈 함량이 높은 NCM 523(위 숫자는 순서대로 니켈 코발트 망간의 중량비임, 즉 523은 니켈이 50%, 코발트가 20%, 망간의 30%를 나타냄), NCM 622 등이 사용되며, 최근에는 NCM 811 등의 고용량 물질이 양극 활물질로 각광받고 있다.
다만 니켈 함량이 높은 양극 활물질을 적용한 양극 전극의 경우 관통 시 니켈 함량이 적은 양극 활물질을 적용한 경우 보다 많은 전류가 흐르게 되고, 폭발 가능성이 더 높아지게 된다. 특히 니켈 함량이 높은 양극 활물질을 적용한 양극판은 다량의 니켈 함량으로 인해 전류가 많이 발생하고, 열폭주온도(열에 의한 폭발 온도)가 낮은 특성이 있기 때문에 동일한 온도 조건에서 폭발 가능성이 커지게 된다.
따라서 일반적인 종래의 전극 조립체에 NCM 811을 양극 활물질로 적용할 경우 관통 시 폭발 가능성이 높아지기 때문에 폭발 가능성을 낮추기 위한 다양한 기술개발이 시도되고 있으나, 구체화된 기술은 전무한 실정이다.
그러나 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체(10)는 전도성 기재(15)를 통해 방열 및 전극 조립체(10)의 충전 전류를 소모하기 때문에 니켈 함량이 높은 양극 활물질을 적용한 양극판을 포함한다 하더라도 양극판(11a) 관통에 의한 폭발 가능성이 줄어들게 된다.
따라서 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체(10)는 니켈 함량이 60% 중량비 이상이 함유된 양극활물질이 코팅된 양극판(11a)을 적용하더라고, 관통 시 안정성이 우수한 장점이 있다.
양극판(11a)과 음극판(11b)의 집전체(111, 113)는 전도성이 높고 상기 양극 또는 음극 활물질의 합제가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로서, 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다.
음극 집전체(113)로는 구리 또는 구리 합금이 사용될 수 있고, 양극 집전체(111)로는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
분리막(12)은 양극판(11a)과 음극판(11b)을 절연시키기 위하여, 양극판(11a)과 음극판(11b) 사이에 개재된다, 분리막(12)의 소재는 절연 물질이라면 특별히 한정되지 않으며, 양극판(11a)과 음극판(11b) 사이에 이온이 이동할 수 있도록 다공성 막으로 구성되는 것이 바람직하다. 분리막(12)의 구체적인 예를 들면, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 구체적으로 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다.
이때 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체(10)는, 관통 안정성을 향상시키기 위해 다음과 같은 구성을 갖는다. 전극 조립체(10)의 적층 방향 최외각층에 배치되는 음극판(11b)에는 전도성 기재(15)가 구비될 수 있다. 즉 전도성 기재(15)는 도면상의 최상측에 배치된 음극판(11b)과 최하측에 배치된 음극판(11b)에 각각 구비될 수 있다. 전도성 기재(15)는 통전 재질이면 적용이 가능하나 보다 바람직하게는 음극판(11b)의 집전체(113)와 동일한 재질 보다 바람직하게는 구리 재질로 이루어질 수 있다. 이는 집전체(113)와 다른 통전 재질 및 구리 이외의 재질로 이루어진 경우 전극 조립체(10)의 전해액에 수용 시 전도성 기재(15)로 인해 석출 반응이 일어나는 것을 방지하기 위함이다. 또한 위와 같은 재질로 이루어진 전도성 기재(15)는 음극판(11b)에 용접을 통해 용이하게 결합될 수 있다. 전도성 기재(15)와 음극판(11b)의 집전체(113) 사이에는 음극 활물질(114)이 코팅되지 않는 것이 바람직하다. 따라서 기존의 전극 조립체(10) 제조 공정을 크게 벗어나지 않는 범위 내에서 적용이 가능하기 때문에 기존 생산 시설의 변경에 따른 비용과 시간을 절약할 수 있다.
도 5에는 위와 같은 전극 조립체(10)에 관통 부재(P)가 관통 되었을 때의 동작 상태를 나타낸 확대 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 도체인 관통 부재(P)가 전극 조립체(10) 관통 시 전도성 기재(15)와 최초로 접촉하게 되며, 이때 관통 부재(P)로 돌입 전류(rush current, R)가 순간적으로 발생하게 되어 전도성 기재(15)를 통해 방열 및 전극 조립체(10)의 충전 전류를 소모시키게 된다. 따라서 관통 부재(P)가 양극판(11a)과 음극판(11b)을 관통하여 단락 시킨다 하더라도 전도성 기재(15)를 통해 열이 방출되고, 일정 전류가 소모된 상태이기 때문에 전극 조립체(10)의 발열을 최소화하고, 전극 조립체(10)의 발화나 폭발을 예방하게 된다.
도 6에는 본 발명의 일실시 예에 따른 전극 조립체(10)를 응용한 전도성 기재(15)의 추가 실시 예의 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 전도성 기재(15) 상에는 전극 조립체(10)의 적층 방향을 따라 함습홀(15a)이 복수 개 일정거리 이격 형성될 수 있다. 위 함습홀(15a)은 전극 조립체(10)가 전해액에 수용 시 음극판(11b)에 전해액의 함습이 용이하게 이루어지도록 하여 전극 조립체(10)의 충방전 효율을 더욱 높이기 위함이다.
이때 함습홀(15a)은 음극판(11b)과의 결합면으로 갈수록 직경이 커지도록 구성된다. 이는 관통 부재 관통 시 함습홀(15a)로 인해 관통 부재가 음극판(11b)과 직접 맞닿는 것을 방지하면서도, 음극판(11b)의 함습 효율을 증가시키기 위함이다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
10 : 전극조립체
11a : 양극판
11b : 음극판
12 : 분리막
15 : 전도성 기재

Claims (8)

  1. 복수의 양극판과, 복수의 음극판이 교번 적층되되, 양극판과 음극판 사이에 분리막이 배치되는 이차 전지용 전극 조립체에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 적층 방향의 최외측에 음극판이 배치되고,
    상기 음극판의 외면에는 전도성 기재가 구비되며,
    상기 전도성 기재에는
    결합되는 음극판의 외면에 전해액이 함습 되도록 적층 방향을 따라 관통 형성된 함습홀이 복수개 형성되어 있는, 전극 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 기재는,
    단일 층으로 상기 음극판의 두께보다 두껍게 형성되거나, 복수 개가 층을 이루어 결합되는, 전극 조립체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 기재는,
    상기 음극판에 대응되는 재질 또는 구리 재질로 이루어진, 전극 조립체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 음극판은,
    음극 집전체와, 상기 음극 집전체의 일면 또는 양면에 코팅되는 음극 활물질을 포함하되,
    상기 최외측에 배치된 음극판은, 상기 전도성 기재와의 결합면에 상기 음극 활물질이 코팅되지 않는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 양극판은,
    양극 집전체와, 상기 양극 집전체의 일면 또는 양면에 코팅되는 양극 활물질을 포함하되,
    상기 양극 활물질은 니켈 함량이 60%중량비 이상인 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 함습홀은,
    결합면으로 갈수록 직경이 증가하는 것을 특징으로 하는, 전극 조립체.
  8. 제1항의 전극 조립체를 포함하는, 리튬 이차 전지.
KR1020170096126A 2017-07-28 2017-07-28 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 KR102401848B1 (ko)

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