KR102440816B1 - 용융-절취부를 가지는 분리막 및 이를 적용한 전기화학 소자 - Google Patents

용융-절취부를 가지는 분리막 및 이를 적용한 전기화학 소자 Download PDF

Info

Publication number
KR102440816B1
KR102440816B1 KR1020170140348A KR20170140348A KR102440816B1 KR 102440816 B1 KR102440816 B1 KR 102440816B1 KR 1020170140348 A KR1020170140348 A KR 1020170140348A KR 20170140348 A KR20170140348 A KR 20170140348A KR 102440816 B1 KR102440816 B1 KR 102440816B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
secondary battery
separator
melting
low
operated
Prior art date
Application number
KR1020170140348A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190046483A (ko
Inventor
김정길
최정석
오송택
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority to KR1020170140348A priority Critical patent/KR102440816B1/ko
Priority to CN201880029495.7A priority patent/CN110603664B/zh
Priority to PCT/KR2018/012759 priority patent/WO2019083307A1/ko
Priority to EP18871737.5A priority patent/EP3624233B1/en
Priority to US16/652,710 priority patent/US11527787B2/en
Publication of KR20190046483A publication Critical patent/KR20190046483A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102440816B1 publication Critical patent/KR102440816B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H01M50/578—Devices or arrangements for the interruption of current in response to pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10—Temperature sensitive devices
    • H01M2200/106—PTC
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Cell Separators (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

본원 발명은 과충전과 같은 한계 상황에서 발화, 폭발 등을 미연에 방지할 수 있는 이차전지 및 이를 방지하는 방법을 제공한다. 저융점 물질을 포함하는 분리막을 적용함으로써, 이상 발열시 내부 단락을 유도하여 일정 온도 이상에서 전극 저항을 증가시켜 전류를 차단하는 PTC가 안정적인 SOC에서 발현하는 효과가 있다. 이를 통해서 전지의 열폭주 현장을 미연에 방지할 수 있다.

Description

용융-절취부를 가지는 분리막 및 이를 적용한 전기화학 소자{Separator Having Melting-Cutting Part and Electrochemical Device Prepared Thereby}
본 발명은 용융-절취부를 갖는 분리막 및 이를 적용한 전기화학 소자에 관한 것으로서, 구체적으로는 저융점 물질을 포함하는 용융부와 고온에서 수축되는 수축부로 이루어진 분리막과 이를 적용한 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 또한 급격히 증가하고 있다. 전지는 전지케이스의 형상에 따라, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 원통형 전지와 각형 전지는 금속의 캔에 전극조립체를 장착한 구조의 전지이며, 파우치형 전지는 통상적으로 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 장착한 구조의 전지이다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
모바일 기기에서 크기의 감소, 용량의 증대는 계속되는 화두였다. 줄어든 부피에 많은 에너지가 밀집될 수록 안정성에 대한 문제가 심각해진다. 특히 모바일 기기에 사용되는 이차전지는 항상 사용자와 근접한 위치에 있다는 점에서 무엇보다도 안전성이 우선적으로 담보되어야 한다.
리튬 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 다양한 원인으로 인해 전지의 폭발이 초래될 수 있다. 리튬 이차전지의 안전성을 확보하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 주로 내부 온도 또는 압력에 의해서 물리적으로 내부 단락을 유도하는 기계적인 장치가 1차적으로 사용되었다.
예를 들어, 특허문헌 1에는 전지케이스에 형성된 전극 단자와 상기 단자와 축전 소자를 연결하는 리드와의 전기적 접속을 해제하는 접속 해제 수단과 상기 접속 해제 수단을 수용하는 중공부 내의 온도가 소정 온도 이상일 때 절단 수단을 상기 리드를 향하여 가압하는 가압 수단을 갖는 전지를 개시하고 있다.
소재의 개선을 통해서 내부단락을 방지하는 기술도 다양하게 시도되고 있다. 전극조립체는 못과 같이 전기 전도성을 가진 날카로운 침상 도체로 관통될 경우에, 양극과 음극이 침상도체에 의해 전기적으로 연결되면서 전류가 저항이 낮은 침상 도체로 흐르게 된다. 이 때, 관통된 전극의 변형이 발생하고, 양극 활물질과 음극 활물질간의 접촉 저항부에 통전되는 전류에 의해 높은 저항열이 발생하게 된다. 상기 열로 인하여 전극조립체의 온도가 임계치 이상으로 상승하게 되면, 분리막의 수축으로 인해 양극과 음극의 접촉이 발생하여 단락이 일어난다. 이러한 단락은 열폭주 현상을 유발하며, 이는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 발화 또는 폭발시키는 주요한 원인으로 작용할 수 있다.
또한, 침상 도체에 의해 휘어진 전극 활물질 또는 집전체가 상호 대면하는 반대극과 접촉하는 경우에는 저항열보다 높은 발열이 발생하는 바, 전술한 열폭주 현상을 더욱 가속화 시킬 수 있으며, 이러한 문제점은 다수의 전극들이 포함된 바이셀 및 이를 포함하는 전극조립체에서 더욱 심각하게 발생할 수 있다. 대표적으로 소재를 사용하여 해결하기 위한 시도로서 PTC를 사용한 기술들이 적용되고 있다.
일반적인 전지의 사용 온도에서는 일정한 도전성을 나타내지만 온도가 상승하면 저항이 급격히 증가하여 전류를 차단하는 특성을 가진 PTC (Positive Temperature Coefficient) 물질을 전극에 포함하였다. 전극에 PTC 물질로 별도의 층을 형성하는 경우, 제조 과정이 복잡해져 전극 제조 비용이 과도하게 상승하는 문제, PTC 물질층과 전극 활물질층과의 접착력이 크지 않아 이들의 경계면에서 접착이 해제되는 문제 등이 발생하였다. 특허문헌 2에서는 2개의 슬러리를 사용하여 전극을 제조함으로써 이러한 문제점을 해결한 방안을 제시하고 있다.
그러나, PTC 소자를 사용하여 전류를 차단하기 위해서는 일정 부분 의도적인 단락을 통해서 안정적으로 전류가 차단될 수 있는 방안이 필요하다. PCT 효과가 발현되기 전에 특정 SOC 이상에서 자가 발열로 인한 열폭주가 발생하고 있으나, 현재 이러한 방안에 대해서는 뚜렷한 해결책이 제시되지 않고 있다.
특허문헌 3은 본원 발명의 출원인에 의한 분리막 관련 특허로서 열적 안정성이 매우 우수한 분리막에 관련된 것이다. 특허문헌 3은 원단에 해당하는 다공성 고분자 수지의 표면에 다공성 무기물층을 추가로 도입함으로써, 열적 안정성은 물론 전해액의 이동 특성 등 여러 우수한 효과를 얻을 수 있었다.
특허문헌 4는 리튬이온 캐패시터로서 양극 전극 시트와 음극 전극 시트 사이에 위치하는 영역에 국부적으로 형성된, 다른 부분보다 낮은 온도에서 용융하는 저융점 부분을 가지는 분리막을 개시하고 있다.
그러나, 아직까지 이차전지 내의 다른 소재를 사용하여 PTC의 안정적 발현을 조절할 수 있는 기술에 대해서는 시도된 바가 없다.
일본 공개특허공보 제2011-210390호. 대한민국 등록특허공보 제10-1709569호. 대한민국 등록특허공보 제10-0775310호. 일본 공개특허공보 제2011-192784호.
본원 발명은 전극층에 포함된 PTC의 발현을 내부 소재를 통해서 조절하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로 내부 분리막을 사용하여 고온의 환경에서 의도적으로 부분 단락시켜 PTC 발현을 유도하여 과중전 상황이 안정적으로 종료될 수 있는 구성 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본원 발명은 양극, 음극, 분리막을 포함하는 이차전지에 있어서, 분리막은 다공성 고분자 수지를 포함하는 고온에서 수축되는 비연속적 형태의 수축부와 상기 수축부 사이를 연결하는 고온에서 용융되는 저융점 물질을 포함하는 용융부로 구성되며, 상기 양극 또는 음극은 PTC(Positive Temperature Coefficient) 물질을 포함하는 이차전지를 제공한다.
이때, 리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위에서 상기 용융부와 상기 수축부는 상호 연결되어 있으며, 상기 용융부는 연속되는 격자형태이며, 상기 수축부는 상기 격자형태의 격자를 채우는 형태가 된다. 이러한 형태는 특정한 형태에만 구속되는 것은 아니지만 구체적인 예시로서 수축부는 삼각형, 사각형, 오각형 등의 다각형 또는 원형 형태가 될 수 있다. 수축부 각각의 모양은 동일할 수도 있고 다를 수도 있다.
다만 각각의 수축부는 상기 용융부에 의해서 단절되어 연속적인 형태가 되지 않는다는 특징이 있다. 또한 각각의 수축부는 크기가 동일한 필요는 없고 배치 또한 일정한 간격 또는 형태를 유지할 필요는 없다. 본원 발명에 따른 분리막에 있어서, 수축부 외는 용융부가 될 수 있다.
한편 수축부, 용융부를 제외한 통상의 분리막이 본원 발명에 따른 분리막의 일부 구성으로 배치될 수 있다. 이러한 분리막은 특허문헌 3에 개시된 다공성 무기물 입자를 포함하는 분리막이 될 수 있다.
용융부는 수축부를 연결하기만 하는 정도이면 충분하므로 전체 분리막에서 차지하는 면적은 5 내지 50%가 될 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 40%, 더욱 바람직하게는 20 내지 30%가 될 수 있다. 상기 범위 보다 작은 경우에는 용융부가 온도가 낮은 상태에서 일찍 제거되어 이상 온도가 되기 전에 단락이 발생할 수 있으며, 상기 범위보다 큰 경우는 수축하는 수축부의 면적이 작아서 원하는 이상의 단락 면적이 형성되지 않는다. 또한 통상의 분리막은 전체 분리막에서 차지하는 면적은 40% 이내가 바람직하다. 상기 범위를 넘어서는 경우 과충분에 따른 본원 발명의 효과를 얻기 어렵다는 문제점이 있다. 분리막의 전체 면적 중 나머지는 수축부가 차지하고 있다.
본원 발명에 따른 분리막은 전지의 형태에 따라서 단위 모양이 반복될 수 있고 아닐 수도 있다. 전지 전극조립체가 젤리-롤과 같은 연속적으로 구성된 형태인 경우 반복적인 모양으로 구성될 수 있으며, 단위셀 형태로 적층되는 경우에는 반복되는 모양으로 형성되지 않을 수 있다.
본원 발명에 따른 수축부 및 용융부 물리적인 형태의 다른 변형으로는 용융부가 비연속적인 형태가 되며, 수축부가 연속적인 형태가 될 수 있다.
상기 저융점 물질은 리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위에서 이차전지 분리막에 필요한 물성을 가지고 있으며, 상기 리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위 이상에서는 녹아 상기 수축부가 사이가 단절이 되게한다. 본원 발명에 따른 저융점 물질은 PEO 또는 폴리카프로락톤(polycarprolactone)중 적어도 하나이며, 상기 저융점 물질은 상기 용융부 전체 중량의 50% 이상이 되는 것이 바람직하다.
상기 수축부는 리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위에서 이차전지 분리막에 필요한 물성을 가지고 있으며, 상기 리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위 이상에서는 수축한다. 상기 수축부에 사용되는 다공성 고분자 수지는 통상의 리튬 이차전지에 사용되는 폴리올레핀계 고분자 수지로서 구체적인 예로는 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이다.
상기 폴리올레핀 계열의 분리막은 온도가 올라감에 따라 수축하는 성질이 있으나, 상기 수축부와 연결된 용융부에 의해서 온도가 올라감에도 그 형태를 유지하고 있게 된다. 고온에서 용융부가 용융하게 되어, 수축부와 용융부의 결합력이 약해짐에 따라서 수축부는 온도에 따른 수축 작용으로 수축하게 되면 상기 용융부 및 수축부의 수축 부위에 의해서 양극과 음극의 단선이 발생한다.
양극과 음극에서 사용된 상기 PTC 물질은 리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위에서는 일정한 도전성을 나타내지만 그 이상으로 온도가 상승하면 저항이 급격히 증가하여 전류를 차단하는 성질을 갖는 물질이다.
PTC 물질이 전류를 차단하는 원리를 구체적으로 살펴보면, 일반적으로 낮은 전기 전도도를 가지는 고분자 재료에 도전성 입자들을 혼합하면 도전성 입자들을 따라 저항이 낮은 전기 통로가 형성된다. 따라서 일반적인 상황에서는 도전성 입자들에 의한 전기 통로에 의해 일정한 도전성을 나타내지만, 온도가 상승하면 고분자 재료의 부피 팽창과 경우에 따라서는 도전성 입자들의 유동에 의해 도전성 입자들 사이의 거리가 증가하게 되어 도전성 입자들 사이의 거리가 멀어지게 되므로 결과적으로, PTC 물질의 저항이 급격히 증가하고, 전류가 차단된다.
상기 고분자 재료는 전기 전도도가 낮고 온도 상승 시 부피가 팽창하여 전기 통로를 단절시키거나, 또는 전극 내의 이온의 이동 통로인 기공(pore)을 막을 수 있는 것이면 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어, 열가소성 폴리머일 수 있다.
상기 열가소성 폴리머는 반-결정(semi-crystalline) 물질일 수 있고, 이는 비정질 열가소성 물질과 비교하였을 때 반-결정 물질에서 PTC 특성을 획득하는 것이 더 용이할 수 있기 때문이다. 상기 반-결정 열가소성 물질은 5% 이상의 결정도, 상세하게는 10% 이상의 결정도, 더욱 상세하게는 15% 이상의 결정도를 가질 수 있다. 상기 열가소성 폴리머는 상기한 특성에 부합하는 것이라면, 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 기능기화된 폴리에틸렌, 말레산 무수물 기능기화된 엘라스토머, 에틸렌 공중합체(예컨대, 엑손모빌(ExxonMobil)의 EXXELOR VA1801 및 VA1803), 에틸렌 부텐 공중합체, 에틸렌 옥텐 공중합체, 에틸렌 메틸 아크릴레이트, 에틸렌 에틸 아크릴레이트 및 에틸렌 부틸 아크릴레이트 공중합체와 같은 에틸렌 아크릴레이트 공중합체, 글리시딜 메타크릴레이트 변형 폴리에틸렌을 포함하는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 말레산무수물 기능기화된 폴리프로필렌(maleic anhydride functionalized polypropylene), 글리시딜 메타크릴레이트 변형된 폴리프로필렌(glycidyl methacrylate modified polypropylene), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 아세틸, 아크릴 수지, 교대배열 폴리스티렌(syndiotactic polystyrene: sPS), PA6, PA66, PA11, PA12, PA6T, PA9T을 포함하나, 이에 제한되지 않는 폴리아미드, 폴리 테트라 플루오로에틸렌(poly-tetra-fluoroethylene: PTFE), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 글리시딜 메타크릴레이트 변형 폴리에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리이소부틸렌, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리메틸 아크릴레이트, 폴리 아크릴로니트릴, 폴리부타디엔, 폴리에틸렌-테레프탈레이트(PET), 폴리8-아미노카프릴산, 폴리비닐 알코올(PVA), 및 폴리카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 기재는 하나의 예시에 불과하며, 상기 열가소성 폴리머 외에 열경화성 폴리머를 사용하여 PTC 물질을 제조할 수 있음은 물론이다.
본원 발명은 또한 상기 이차전지의 과충전을 방지하는 아래와 같은 단계의 방법을 제공한다.
1) 과충전에 의한 온도 상승으로 상기 용융부가 녹는 단계;
2) 상기 수축부가 수축하는 단계;
3) 상기 양극과 상기 음극이 상기 용융부 및 상기 수축부의 변형에 의해서 일정 부위가 단락되는 단계;
4) 상기 단락으로 전압이 하강하여 계속 충전상태가 유지되어 온도가 상승하는 단계;
5) 상기 PTC의 용해로 셀 저항이 급격하게 상승하여 충전 종료 전압에 도달하는 단계;를
포함하는 이차전지의 과충전을 방지하는 방법.
본원 발명에 따른 이차전지는 종래의 다양한 방법으로 사용되는 전지에 모두 적용이 가능하다. 원통형, 각형, 및 파우치형 전지에 모두 적용이 가능하다. 전국 조립체에 있어서도, 통상적으로 z-폴딩, 젤리-졸 타입. 스택&폴딩형 등 양극, 음극, 분리막으로 구성된 모든 전기 소자에 적용이 가능하다.
또한 본원 발명은 본원 발명에 따른 이차전지를 포함하는 과충전 방지 전지팩 및 이를 포함하는 모바일 또는 원동 장치를 제공한다.
본원 발명은 과충전과 같은 한계 상황에서 발화, 폭발 등을 미연에 방지할 수 있는 이차전지 및 이를 방지하는 방법을 제공한다. 저융점 물질을 포함하는 분리막을 적용함으로써, 이상 발열시 내부 단락을 유도하여 일정 온도 이상에서 전극 저항을 증가시켜 전류를 차단하는 PTC가 안정적인 SOC에서 발현하는 효과가 있다. 이를 통해서 전지의 열폭주 현장을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 본원 발명에 따른 분리막의 일 실시예를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본원 발명의 분리막이 온도 증가에 따라서 용융부가 녹고 수축부가 수축한 상태를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본원 발명에 따른 또 다른 일 실시예를 나타내는 모식도이다.
도 4는 종래의 발명에 따른 과충전에서 발생하는 폭주 형상을 나타내는 모식이다.
도 5는 본원 발명에 따른 구성을 적용할 경우나 과충전에서 나타나는 안정적인 종료 현상을 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 제시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본원 발명에 따른 분리막(100)의 일실시예를 보여주고 있다. 본원 발명에 따른 분리막은 수축부(10)과 용융부(20)으로 구성되어 있다. 도 1의 실시예에 따르면 수축부는 직사각형의 분리된 형태이며 용융부를 이를 둘러싼 격자형태를 이루고 있다.
도 2는 도 1에 따른 분리막(100)이 용융부(10)가 용융된 상태에서 수축부(20)가 온도 상승에 따라서 수축한 형태는 나타내는 모식도이다. 수축 비율, 단락 면적, 온도 등은 각 전지의 운전 조건에 따라서 통상의 기술자가 조절이 가능하다.
도 3은 본원 발명에 따른 분리막(200)의 다른 실시예를 보여주는 모식도이다. 수축부에 해당하는 모양은 다양한 모양, 크기 등이 선택 가능하며, 반복될 필요가 없다는 것을 보여주는 모식도이다.
도 4는 통상의 분리막을 사용한 전지의 경우 과충전에 따른 폭주현상을 시간에 따라서 보여주는 모식도이다. 통상의 전지는 어느 시점에서 일부 단락(short)이 발생하면, 충전이 계속됨에도 불구하고 일부 단락으로 인해서 전압은 상승하지 않게 되지만 온도는 계속 상승하다가 어느 시점 이상에서 열이 급작스럽게 상승하면서 전지가 폭발하면서 종료하게 된다.
반면에 본원 발명에 따른 분리막을 포함하는 전지는 도 5에서 볼 수 있는 것과 같이 일부에서 단락이 발생하는 경우 전압이 하강하고 온도가 상승하게 된다. 이때 분리막의 용융부가 녹고 일부가 우선적으로 단락이 발생해 온도가 기준 온도 이상으로 상승할 경우 PTC 발현으로 전압이 상승하므로 충전을 더 이상 진행하지 않게되어 폭주가 발생하지 않는다.
본원 발명에 따른 실시예와 통상의 폴리올레핀계 분리막을 사용한 비교예를 아래와 같이 볼 수 있다
100, 200 분리막
10 수축부
20 용융부

Claims (11)

  1. 양극, 음극, 분리막을 포함하는 이차전지에 있어서,
    상기 분리막은 다공성 고분자 수지를 포함하는 고온에서 수축되는 비연속적 형태의 수축부와 상기 수축부 사이를 연결하는 고온에서 용융되는 저융점 물질을 포함하는 용융부로 구성되며,
    상기 양극 또는 음극은 PTC(Positive Temperature Coefficient) 물질을 포함하고,
    리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위에서 상기 용융부와 상기 수축부는 상호 연결되어 있으며, 상기 용융부는 연속되는 격자형태이며, 상기 수축부는 상기 격자형태의 격자를 채우는 형태이며,
    상기 PTC 물질은 리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위에서는 일정한 도전성을 나타내지만 그 이상으로 온도가 상승하면 저항이 급격히 증가하여 전류를 차단하는 성질을 갖는 물질이고,
    상기 PTC 물질은 낮은 전기 전도도를 가지는 고분자 재료에 도전성 입자를 혼합하여 제조한 것인 이차전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저융점 물질은 리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위에서 이차전지 분리막에 필요한 물성을 가지고 있으며, 상기 리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위 이상에서는 녹아 상기 수축부가 사이가 단절이 되게 하는 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 저융점 물질은 PEO 또는 폴리카프로락톤(polycarprolactone)중 적어도 하나인 것인 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수축부는 리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위에서 이차전지 분리막에 필요한 물성을 가지고 있으며, 상기 리튬 이차전지가 운용되는 통상의 온도 범위 이상에서는 수축하는 이차전지
  6. 제5항에 있어서,
    상기 다공성 고분자 수지는 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 이차전지.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 이차전지의 과충전을 방지하는 방법에 있어서,
    1) 과충전에 의한 온도 상승으로 상기 용융부가 녹는 단계;
    2) 상기 수축부가 수축하는 단계;
    3) 상기 양극과 상기 음극이 상기 용융부 및 상기 수축부의 변형에 의해서 일정 부위가 단락되는 단계;
    4) 상기 단락으로 전압이 하강하여 계속 충전상태가 유지되어 온도가 상승하는 단계;
    5) 상기 PTC의 용해로 셀 저항이 급격하게 상승하여 충전 종료 전압에 도달하는 단계;를 포함하는 이차전지의 과충전을 방지하는 방법.
  10. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 이차전지를 포함하는 과충전 방지 전지팩.
  11. 제10항의 전지팩을 포함하는 모바일 또는 원동 장치.
KR1020170140348A 2017-10-26 2017-10-26 용융-절취부를 가지는 분리막 및 이를 적용한 전기화학 소자 KR102440816B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170140348A KR102440816B1 (ko) 2017-10-26 2017-10-26 용융-절취부를 가지는 분리막 및 이를 적용한 전기화학 소자
CN201880029495.7A CN110603664B (zh) 2017-10-26 2018-10-25 具有熔化截止部分的隔膜和包括该隔膜的电化学装置
PCT/KR2018/012759 WO2019083307A1 (ko) 2017-10-26 2018-10-25 용융-절취부를 가지는 분리막 및 이를 적용한 전기화학 소자
EP18871737.5A EP3624233B1 (en) 2017-10-26 2018-10-25 Separator having melting cut-off portion and electrochemical device including the same
US16/652,710 US11527787B2 (en) 2017-10-26 2018-10-25 Separator having melting-cutoff portion and electrochemical device including the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170140348A KR102440816B1 (ko) 2017-10-26 2017-10-26 용융-절취부를 가지는 분리막 및 이를 적용한 전기화학 소자

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190046483A KR20190046483A (ko) 2019-05-07
KR102440816B1 true KR102440816B1 (ko) 2022-09-06

Family

ID=66247901

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170140348A KR102440816B1 (ko) 2017-10-26 2017-10-26 용융-절취부를 가지는 분리막 및 이를 적용한 전기화학 소자

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11527787B2 (ko)
EP (1) EP3624233B1 (ko)
KR (1) KR102440816B1 (ko)
CN (1) CN110603664B (ko)
WO (1) WO2019083307A1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112421128B (zh) * 2019-08-05 2021-10-22 宁德时代新能源科技股份有限公司 一种锂离子电池
KR102695978B1 (ko) * 2019-09-20 2024-08-19 주식회사 엘지에너지솔루션 자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법
KR102707193B1 (ko) * 2019-12-17 2024-09-20 주식회사 엘지에너지솔루션 내부 단락 평가용 전지 셀 및 이를 이용한 전지 셀의 내부 단락 평가 방법
CN111987282B (zh) * 2020-09-08 2022-10-11 宁德新能源科技有限公司 电化学装置及电子装置
CN112151853B (zh) * 2020-09-22 2021-09-07 浙江锋锂新能源科技有限公司 一种具有熔融重组特性的电池极片及包含其的锂离子电池

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7087343B2 (en) * 2003-07-15 2006-08-08 Celgard, Inc. High melt integrity battery separator for lithium ion batteries
KR100775310B1 (ko) 2004-12-22 2007-11-08 주식회사 엘지화학 유/무기 복합 다공성 분리막 및 이를 이용한 전기 화학소자
KR100751633B1 (ko) 2006-01-11 2007-08-22 엘에스전선 주식회사 Ｐｔｃ특성을 갖는 이차전지용 전극재료 및 전극의제조방법
JP2011192784A (ja) 2010-03-15 2011-09-29 Jm Energy Corp リチウムイオンキャパシタ
JP2011210390A (ja) 2010-03-29 2011-10-20 Honda Motor Co Ltd 電池及び電池モジュール
KR101453034B1 (ko) 2011-01-11 2014-10-21 주식회사 엘지화학 전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지
JP2013191391A (ja) 2012-03-13 2013-09-26 Nissan Motor Co Ltd 二次電池
KR101551359B1 (ko) * 2012-08-21 2015-09-08 주식회사 아모그린텍 셧다운 기능을 갖는 복합 다공성 분리막 및 그 제조방법과 이를 이용한 이차전지
JP2014179279A (ja) 2013-03-15 2014-09-25 Japan Vilene Co Ltd 電気化学素子用セパレータ
JP6186783B2 (ja) * 2013-03-19 2017-08-30 ソニー株式会社 セパレータ、電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム
US10573875B2 (en) * 2013-09-30 2020-02-25 Hitachi Chemical Company, Ltd. Cathode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery using the same
CN103928649B (zh) 2014-04-10 2016-08-24 佛山市金辉高科光电材料有限公司 一种改性无纺布锂离子电池隔膜及其制备方法
KR101551358B1 (ko) * 2014-09-26 2015-09-09 주식회사 아모그린텍 셧다운 기능을 갖는 복합 다공성 분리막 및 그 제조방법과 이를 이용한 이차전지
US10608289B2 (en) 2014-12-16 2020-03-31 Lg Chem, Ltd. Method of manufacturing secondary battery electrode containing PTC material and electrode manufactured thereby
KR101770334B1 (ko) * 2015-04-06 2017-08-22 주식회사 엘지화학 보호회로 부재가 내장되어 있는 전지셀 및 그 제조 방법
KR20160121998A (ko) * 2015-04-13 2016-10-21 울산과학기술원 이차 전지 및 파우치형 이차 전지
CN107743479A (zh) 2015-04-24 2018-02-27 霍尼韦尔国际公司 降低244bb中的1233xf浓度的方法
JPWO2017014245A1 (ja) * 2015-07-23 2018-01-25 日立化成株式会社 リチウムイオン二次電池
KR102438137B1 (ko) * 2015-12-02 2022-08-30 에스케이이노베이션 주식회사 내열성 및 셧다운 특성이 우수한 이차전지용 분리막
JPWO2017126510A1 (ja) 2016-01-20 2018-08-09 日立化成株式会社 リチウムイオン二次電池

Also Published As

Publication number Publication date
CN110603664A (zh) 2019-12-20
US20200295414A1 (en) 2020-09-17
US11527787B2 (en) 2022-12-13
KR20190046483A (ko) 2019-05-07
WO2019083307A1 (ko) 2019-05-02
EP3624233A4 (en) 2020-08-19
EP3624233B1 (en) 2023-07-26
CN110603664B (zh) 2022-05-24
EP3624233A1 (en) 2020-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102440816B1 (ko) 용융-절취부를 가지는 분리막 및 이를 적용한 전기화학 소자
US10985433B2 (en) Battery module having structure breaking connector by using venting gas
US10998597B2 (en) Battery module provided with connector breaking device
EP1998401A2 (en) Electrode assembley and secondary battery using the same
KR102221807B1 (ko) 이차 전지
JP2007035638A (ja) 二次電池
US8530077B2 (en) Insulating case for secondary battery and secondary battery having the same
US6727021B1 (en) Lithium ion secondary battery
JP4382557B2 (ja) 非水二次電池
KR100893226B1 (ko) 고온 안전성이 향상된 스택/폴딩형 전극조립체 및 이를포함하는 전기화학 셀
JP2017050241A (ja) リチウムイオン二次電池
KR100709872B1 (ko) 이차전지
US10644345B2 (en) Short circuiting structure for lithium secondary battery having excellent stability against overcharge and pouch type lithium secondary batter comprising the same
KR20190136202A (ko) 과충전을 방지하기 위한 원통형 이차전지
KR101780036B1 (ko) 안전성이 향상된 스택/폴딩형 전극 조립체 및 이를 포함하는 전기 화학 셀
KR101472202B1 (ko) 이차 전지용 파우치 및 파우치형 이차 전지
KR102440243B1 (ko) 전극조립체
KR20210050255A (ko) 이종금속으로 이루어진 버스바 및 이의 제조 방법
JP2005251548A (ja) 角形二次電池
JP4439870B2 (ja) 非水電解質二次電池
KR102690896B1 (ko) 전지 모듈
KR102067004B1 (ko) 열수축된 분리막을 포함하는 전지셀
CN115224280A (zh) 二次电池的集电体和二次电池
CN114830429A (zh) 由异种金属制成的电极引线及其制造方法
JP4479236B2 (ja) 非水電解液二次電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant