KR102563542B1 - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 외장재, 외장재에 수용되는 전극 조립체, 및 외장재의 표면 중 적어도 일면에 부착되는 점착 패드를 포함하고, 점착 패드는 내열물질 및 내열물질에 분산된 난연물질을 포함하는 기재층, 및 기재층의 적어도 일면 상에 형성된 점착층을 포함한다. 리튬 이차 전지의 관통 안전성을 향상시켜 발화 및 폭발의 위험이 감소할 수 있다.

Description

리튬 이차 전지{LITHIUM SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 관통 안전성이 향상된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 컴팩트(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 전지는 대표적으로 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지 및 리튬(Li) 전지, 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 존재한다.
이 중, 리튬 이차 전지는 1970년대 초부터 연구 개발이 진행되었고, 1990년 리튬 금속 대신 탄소를 음극으로 이용한 리튬 이온 전지가 개발되면서 실용화되었으며, 500회 이상의 사이클 수명과 1 내지 2시간의 짧은 충전시간을 특징으로 하여 이차 전지 중 가장 판매 신장률이 높고 니켈-수소 전지에 비해서 30 내지 40% 정도 가벼워 경량화가 가능하다.
또한, 리튬 이차 전지는 현존하는 이차 전지 중 단위 전지 전압(3.0 내지 3.7V)이 가장 높으며 에너지 밀도가 높고, 기억 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 방산업이나 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 충격이나 외형의 변형으로 인해 전지팩이 관통되는 경우가 문제될 수 있다. 특히 전기 자동차와 같은 경우 사고 등의 상황이 발생하면 전지팩이 관통될 가능성이 커진다.
이렇게 전지팩이 관통되는 경우에 충전상태의 음극과 양극이 물리적으로 맞닿아 관통된 주변으로 순간적으로 고 전류가 흐르게 되면 전지팩의 비정상적인 발열 및 열폭주 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 휴대 전자 기기의 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.
한국공개특허 제2012-0102631호는 이종의 활물질이 혼합된 활물질을 포함하는 양극을 개시하고 있으나 전술한 문제점에 대한 대안을 제시하지 못하였다.
한국공개특허 제2012-0102631호
본 발명은 관통 안전성을 향상시켜 발화 및 폭발의 위험성이 개선된 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
예시적인 실시예들에 따른 리튬 이차 전지는 외장재, 상기 외장재에 수용되는 전극 조립체, 및 상기 외장재의 표면 중 적어도 일면에 부착되는 점착 패드를 포함하고, 상기 점착 패드는 내열물질, 및 상기 내열물질에 분산된 난연물질을 포함하는 기재층, 및 상기 기재층의 적어도 일면 상에 형성된 점착층을 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 기재층은 내열물질층, 및 상기 내열물질에 분산된 난연물질을 포함하는 난연물질층을 포함하는 복수의 층으로 형성될 수 있고, 상기 기재층은 내열물질 및 난연물질을 포함하는 단일층일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 기재층의 두께는 5 내지 500㎛일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 점착층은 상기 기재층을 둘러쌀 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 점착층의 두께는 10 내지 1000㎛일 수 있고, 상기 점착층의 상기 기재층에 대한 점착력은 5 내지 100N/㎝일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 점착패드는 연신율이 50 내지 500%일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 점착패드는 복수의 기재층과 복수의 점착층을 포함할 수 있으며, 더욱 구체적으로는 복수의 기재층과 복수의 점착층이 각각 한 층 씩 교대로 적층된 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 기재층에 포함될 수 있는 내열물질은 열경화성 수지 또는 융점이 200℃ 이상인 열가소성 수지 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 열경화성 수지는 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 알키드 수지, 폴리에스테르 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 규소 수지 및 프란 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 열가소성 수지는 아크릴 수지, 염화비닐 수지, 초산비닐 수지, 비닐아세틸 수지, 메틸메타크릴수지, 폴리스티렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리아마이드 수지 및 셀룰로이드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 열가소성 수지의 더욱 구체적인 예를 들면, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리크실렌, 폴리스티렌, 폴리아크리로니트릴 및 폴리-6-아미노카프론산, 폴리헤키사메티렌세바카미드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 기재층에 포함될 수 있는 난연물질은 무기화합물 난연제, 할로겐계 난연제 및 인계 난연제로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 점착층은 아크릴계 점착제 또는 실리콘계 점착제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 점착층에 포함될 수 있는 아크릴계 점착제는 아크릴산 에틸과 아크릴산 부틸, 2-에틸헥실 아크릴산 및 이소노닐 아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지에 있어서, 상기 점착층에 포함될 수 있는 상기 실리콘계 점착제는 폴리디메틸 실록산 또는 폴리디메틸디페닐 실록산 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 기재층 및 상기 기재층의 적어도 일면에 형성되는 점착층을 포함하는 점착 패드가 상기 점착층을 매개로 외장재의 적어도 일면에 부착되어 리튬 이차 전지의 관통시 관통의 원인이 된 물체와 점착면을 형성함으로써, 전지 내부로 외부 산소 유입을 차단하여 발화 및 폭발의 위험성이 작은 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이차 전지는 점착 패드가 점착층을 매개로 외장재의 적어도 일면에 부착되어 이차 전지의 관통시 관통의 원인이 된 물체와 점착면을 형성함으로써, 리튬 이차 전지의 관통시에 온도 상승에 따른 전극과 전해액의 부반응으로 발생된 일산화탄소, 이산화탄소 등의 기체가 이차 전지 외부로 유출되는 것을 방지하여 외부 산소 공급을 억제하여 발화 및 폭발의 위험성을 더욱 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이차 전지는 외장재 외부에 간단하게 점착 패드의 부착이 가능하여 기존의 리튬 이차 전지 제조 공정의 변경없이도 관통 안정성이 개선된 리튬 이차 전지를 구현할 수 있으므로 경제성이 뛰어나다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 5는 각각 본 발명의 일 구현예에 따른 점착 패드의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지에서 관통시 산소 유입이 차단되는 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 기재층 및 상기 기재층의 적어도 일면에 형성되는 점착층을 포함하는 점착 패드가 상기 점착층을 매개로 외장재의 적어도 일면에 부착됨으로써, 관통 안전성을 향상시켜 발화 및 폭발의 위험성이 작은 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하기로 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 구현예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
이차 전지가 외력에 의해 관통되는 경우, 내부 단락이 발생하여 순간적으로 고전류가 흐르게 되면 전지팩의 비정상적인 발열 및 열폭주 현상이 발생할 수 있다. 이에 따라, 이차 전지를 사용하는 기기의 발화 또는 폭발을 초래할 수 있어 리튬 이차 전지의 관통 안정성에 대한 요구가 높아지고 있다.
일반적으로 이차 전지는 외부 공기 중의 수분과의 반응으로 인한 열화를 막기 위해 전해액과 전극 조립체를 수용한 전지 외장재의 내부는 진공 상태를 유지하고 있다. 그런데, 이러한 이차 전지가 관통되는 경우, 진공 상태였던 전지 내부는 대기압과의 평형에 도달하기 위해 외장재의 관통된 부분을 통해 외부 공기를 유입받게 되고 유입된 공기로부터 연소에 필요한 산소가 공급되어 발화 및 급격한 연소 반응 또는 폭발이 발생하게 된다.
이에, 본 발명의 리튬 이차 전지는 기재층 및 상기 기재층의 적어도 일면에 형성되는 점착층을 포함하는 점착 패드가 상기 점착층을 매개로 외장재의 적어도 일면에 부착됨으로써 전술한 문제점을 해결한다.
구체적으로, 본 발명의 리튬 이차 전지(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 외장재(110)의 적어도 일면에 점착 패드(120)를 부착하여, 도 6에 도시된 바와 같이 이차 전지의 관통시 점착층(20)이 관통의 원인이 된 물체(40)와 점착면을 형성함으로써, 전지 내부(30)로의 산소 유입을 차단하여 이차 전지의 발화 또는 폭발을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 점착 패드(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 내열성과 난연성이 우수한 기재층(10) 및 상기 기재층(10)의 적어도 일면에 형성되는 점착층(20)을 포함함으로써 상기 점착층을 매개로 외장재의 적어도 일면에 부착되므로, 도 6에 도시된 바와 같이 이차 전지의 관통시 점착층(20)이 관통의 원인이 된 물체(40)와 점착면을 형성함으로써, 리튬 이차 전지의 관통시에 온도 상승에 따른 전극과 전해액의 부반응으로 발생된 일산화탄소, 이산화탄소 등의 기체가 이차 전지 외부로 유출되는 것을 방지하여 외부 산소 공급을 억제하여 발화 및 폭발의 위험성을 더욱 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 점착 패드는 간단하게 외장재에 탈착이 가능하므로, 기존의 리튬 이차 전지의 제조 공정의 변경없이도 안정성이 우수한 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다는 점에서 경제성이 뛰어나다.
점착 패드
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 점착 패드(200)는 기재층(10) 및 상기 기재층(10)의 적어도 일면에 형성되는 점착층(20)을 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 점착패드(200)의 연신율은 특별히 제한되지 않으나 예를 들면, 상온에서 측정한 점착패드(200)의 연신율은 50 내지 500%일 수 있고, 바람직하게는 50 내지 200%일 수 있다. 상기 범위에서 전지 내부로의 산소 유입을 차단하는 효과가 우수하다는 점에서 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따라, 본 발명에 따른 기재층(10) 및 점착층(20)을 포함하는 점착 패드(200)는 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 기재층(10)과 복수의 점착층(20)을 포함할 수 있고, 구체적으로 예를 들면, 점착 패드는 복수의 기재층과 복수의 점착층이 각각 한층 씩 교대로 적층된 구조로 형성되어 이차 전지의 관통 시 산소 유입 차단 효과를 극대화할 수 있다.
기재층(10)
본 발명의 일 구현예에 따른 기재층(10)은 내열성 및 난연성이 우수하여 이차 전지의 관통시에도 이차 전지의 급격한 온도변화, 발화 및 폭발을 방지하는 역할 및 점착층(20)이 적층되는 기재 역할을 동시에 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 기재층(10)은 도 3에 도시된 바와 같이, 내열물질 및 난연물질을 포함하는 단일층일 수 있다.
본 발명의 기재층(10)에 사용될 수 있는 내열물질은 내열성이 우수한 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 구체적인 예를 들면 열경화성 수지, 융점이 200℃ 이상인 열가소성 수지 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
열경화성 수지의 구체적인 예를 들면, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 알키드 수지, 폴리에스테르 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 규소 수지, 프란 수지 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
융점이 200℃ 이상인 열가소성 수지의 예를 들면, 아크릴 수지, 염화비닐 수지, 초산비닐 수지, 비닐아세틸 수지, 메틸메타크릴수지, 폴리스티렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리아마이드 수지, 셀룰로이드 수지 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
융점이 200℃ 이상인 열가소성 수지의 구체적인 예를 들면, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리크실렌, 폴리스티렌, 폴리아크리로니트릴, 폴리-6-아미노카프론산, 폴리헤키사메티렌세바카미드 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
본 발명의 기재층(10)에 사용될 수 있는 난연물질은 난연성이 우수한 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 구체적인 예를 들면 무기화합물 난연제, 할로겐계 난연제, 인계 난연제 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
무기화합물 난연제의 구체적인 예를 들면, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화안티몬, 수산화주석, 산화주석, 산화몰리브덴, 지르코늄화합물, 칼슘염, 붕소 함유 화합물 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
할로겐계 난연제의 구체적인 예를 들면, 트리브로모 페녹시에탄, 테트라 브로모 비스페놀-A (TBBA), 옥타브로모 디페닐에테르 (OBDPE), 브롬화 에폭시, 브롬화 폴리 카보네이트 올리고모로 이루어진 브롬계 난연제, 염소화 파라핀, 염소화 폴리에틸렌, 지환족 등의 염소계 난연제 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
인계 난연제의 구체적인 예를 들면, 포스핀 옥사이드(phosphine oxide), 포스핀 옥사이드 디올(phosphine oxide diols), 포스파이트(phosphites), 포스포네이트(phosphonates), 트리아릴 포스페이트(triaryl phosphate), 알킬디아릴 포스페이트(alkyldiaryl phosphate), 트리알킬 포스페이트(trialkyl phosphate), 레소시놀 비스디페닐 포스페이트(resorcinaol bisdiphenyl phosphate, RDP) 등을 들 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 내열물질 및 난연물질을 포함하는 단일층인 기재층은 전술한 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 바인더로 하여 난연물질이 분산되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 기재층(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 내열물질층(10a) 및 난연물질층(10b)을 포함하는 복수의 층으로 구성될 수 있다.
내열물질층(10a)은 전술한 열경화성 수지 또는 열가소성 수지로 형성된 층일 수 있으며, 난연물질층(10b)은 고분자 수지를 바인더로 하여 난연물질이 분산된 층일 수 있다. 난연물질층(10b)에 사용되는 고분자 수지는 바람직하게는 내열물질층(10a)에 사용되는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 기재층(10)의 전체 두께는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 두께는 5 내지 500㎛일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 150㎛일 수 있다. 기재층(10)의 두께가 5㎛ 미만인 경우에는 내열물질층 또는 난연물질층 형성용 조성물을 기재층에 도포할 때 기재가 파단될 수 있고, 내열물질층 또는 난연물질층의 두께가 불균일 할 수 있으며, 500㎛ 이상인 경우에는 이차 전지의 부피당 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
점착층(20)
본 발명의 일 구현예에 따른 점착층(20)은 기재층(10)의 적어도 일면에 형성되어 리튬 이차 전지의 관통시에도 외부 산소 유입을 차단하는 역할을 하여 리튬 이차 전지의 관통 안정성을 개선시킬 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 구현예에 따른 점착 패드(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 기재층(10)의 적어도 일면에 점착층(20)을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 점착층(20)을 포함하는 점착 패드(200)는 상기 점착층을 매개로 외장재의 적어도 일면에 부착되므로, 도 6에 도시된 바와 같이, 이차 전지의 관통시 점착층(20)이 관통의 원인이 된 물체와 점착면을 형성함으로써, 관통의 원인이 된 물체(40) 주변부를 둘러쌈으로써 전지 내부(30)로의 산소 유입을 차단하여 이차 전지의 발화 또는 폭발을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지는 도 6에 도시된 바와 같이, 점착 패드(200)가 점착층(20)을 매개로 외장재(110)의 적어도 일면에 부착되어 이차 전지의 관통시 관통의 원인이 된 물체(40)와 점착면을 형성함으로써, 리튬 이차 전지의 관통시에 온도 상승에 따른 전극과 전해액의 부반응으로 발생된 일산화탄소, 이산화탄소 등의 기체가 이차 전지 외부로 유출되는 것을 방지하여 외부 산소 공급을 억제하여 발화 및 폭발의 위험성을 더욱 개선시킬 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 구현예에 따른 점착 패드는 탈착기능을 부여하는 점착층을 포함하여 간단하게 외장재에 탈착이 가능하므로, 기존의 리튬 이차 전지의 제조 공정의 변경없이도 안정성이 우수한 리튬 이차 전지를 구현할 수 있다는 점에서 경제성이 뛰어나다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따라, 점착 패드(400)에서 점착층(20)은 도 4에 도시된 바와 같이, 기재층(10)을 둘러싸게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 점착층(20)의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 10 내지 1000㎛일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 50㎛일 수 있다. 점착층(20)의 두께가 10㎛ 미만인 경우에는 산소 유입 차단의 효과가 미미할 수 있으며, 1000㎛ 이상인 경우에는 이차 전지의 부피당 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 점착층(20)의 기재층(10)에 대한 점착력은 특별히 제한되지 않으나 예를 들면, 상온에서 측정한 점착층(20)의 기재층(10)에 대한 점착력은 5 내지 100N/㎝일 수 있고, 상기 범위에서 관통의 원인이 된 물체(40) 주변부를 둘러쌈으로써 전지 내부(30)로의 산소 유입을 차단하는 효과가 우수하다는 점에서 바람직하다.
본 발명의 점착층(20)에 사용될 수 있는 점착제는 당분야에서 일반적으로 사용되는 점착제라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있으며, 구체적인 예를 들면, 아크릴계 점착제, 실리콘계 점착제 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
아크릴계 점착제는 아크릴산과 에스테르의 공중합으로 이루어진 화합물로, 구체적인 예를 들면, 아크릴산 에틸과 아크릴산 부틸, 2-에틸헥실 아크릴산, 이소노닐 아크릴레이트 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
실리콘계 점착제의 구체적인 예를 들면, 실라놀기를 작용기로 갖는 고분자량의 폴리디메틸 실록산, 폴리디메틸디페닐 실록산 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
점착제의 구체적인 예를 들면, 실라놀기를 작용기로 갖는 고분자량의 폴리디메틸 실록산, 폴리디메틸디페닐 실록산 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
리튬 이차 전지
본 발명의 일 구현예에 따른 점착 패드가 부착되는 리튬 이차 전지는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전극 조립체를 수용하는 외장재의 형태에 따라 캔(can)형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
제조예 1
융점이 615K인 폴리아크릴로니트릴이 포함된 내열물질층 및 수산화알루미늄이 상기 폴리아크릴로니트릴에 분산된 난연물질층을 형성하여 전체 두께가 150㎛인 기재층을 형성하였고, 상기 기재층의 일면에 아크릴계 점착제로 두께가 30㎛이고 상온에서 측정한 기재층에 대한 점착력이 6.7N/cm인 점착층이 형성된 점착 패드를 준비하였다. 제조한 점착패드의 상온에서 측정한 연신율은 120%이었다.
제조예 2
융점이 600K인 폴리테트라플루오르에틸렌 및 포스핀 옥사이드를 혼합하여 두께 150㎛의 기재층을 형성하였고, 상기 기재층의 일면에 실리콘계 접착제로 두께가 30㎛이고 상온에서 측정한 기재층에 대한 점착력이 5.3N/cm인 점착층이 형성된 점착 패드를 준비하였다. 제조한 점착패드의 상온에서 측정한 연신율은 110%이었다.
실시예 및 비교예
실시예 1
양극 활물질은 Li1Mn2O2, 도전재로 Denka Black, 바인더로 PVDF를 사용하였고 92 : 5 : 3의 각각의 질량비 조성으로 양극 슬러리를 제조한 후, 이를 알루미늄 기재 위에 코팅, 건조시켜 양극을 제조하였다.
음극 활물질로 천연 흑연 90 wt%, PVDF계 바인더 5 wt%, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO) 5 wt%를 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다. 이를 구리 기재 위에 코팅, 건조를 실시하여 음극을 제조하였다.
상기 양극, 음극, 분리막(폴리에틸렌, 두께 25㎛), 비수전해질(EC/EMC/DEC(25/45/30 부피비)의 혼합 용매)을 사용하여 전지를 구성하고 폴리프로필렌-알루미늄-나일론-폴리에틸렌테레프탈레이트 재질의 4층으로 구성된 파우치에 수납하였다.
파우치 외부에 제조예 1의 점착 패드를 2층으로 적층하여 부착하였다.
실시예 2
파우치 외부에 제조예 2의 점착 패드를 부착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1
파우치 외부에 점착 패드를 부착하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지를 제조하였다.
실험예
실시예 및 비교예의 리튬 이차 전지에 대하여 하기 평가를 수행하였다.
(1) 관통 안정성 평가
실시예 및 비교예에서 제조된 리튬 이차 전지의 관통 안정성을 평가하기 위해, 각 실시예 및 비교예에서 10개의 샘플을 준비하고 만충전 시킨 다음 20A 조건에서 SBA G 1101(지름 3πmm의 스테인리스 못)에 따른 못 관통 시험을 수행하였다. 하기의 평가 기준에 따라 평가하였고, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
또한, 못 관통 시험 후 각 샘플 표면의 최대 온도를 측정하였다.
<평가 기준>
L1: 배터리 성능에 이상 없음
L2: 배터리의 성능에 비가역적 손상이 발생함
L3: 배터리의 전해액의 무게가 50% 미만 감소함
L4: 배터리의 전해액의 무게가 50% 이상 감소함
L5: 발화 또는 폭발이 발생함
구분 관통 안정성 평가
(못 관통 시험)		 표면의 최대 온도
(℃)
실시예 1 L4 163
실시예 2 L3 149
비교예 1 L5 628
표 1를 참고하면, 본 발명에 따른 리튬 이차 전지용 점착 패드를 포함하는 실시예들의 경우, 못 관통 시험 결과 관통 안정성이 우수하며, 전지 표면의 최대 온도도 낮아 발화 및 폭발의 위험이 억제된 것을 확인할 수 있었다.
하지만, 본 발명에 따른 점착 패드를 포함하지 않는 비교예의 경우에는 전지 표면의 최대 온도가 실시예 보다 4배 이상 높으며, 못 관통 시험 결과 순간적인 열 폭주가 일어나 이차 전지의 폭발이 발생한 것을 확인할 수 있었다.
100: 리튬 이차 전지
110: 외장재
120, 200, 300, 400, 500: 점착 패드
10: 기재층
10a: 내열물질층
10b: 난연물질층
20: 점착층
30: 리튬 이차 전지 내부
40: 관통의 원인이 된 물체

Claims (18)

  1. 외장재;
    상기 외장재에 수용되는 전극 조립체; 및
    상기 외장재의 표면 중 적어도 일면에 부착되는 점착 패드를 포함하고,
    상기 점착 패드는
    내열물질, 및 상기 내열물질에 분산된 난연물질을 포함하는 기재층; 및
    상기 기재층의 적어도 일면 상에 형성되며, 전지 내부로의 산소 유입을 차단하는 점착층을 포함하는, 리튬 이차 전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 기재층은 내열물질층, 및 상기 내열물질에 분산된 난연물질을 포함하는 난연물질층을 포함하는 복수의 층으로 형성되는, 리튬 이차 전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 기재층은 내열물질 및 난연물질을 포함하는 단일층인, 리튬 이차 전지.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 기재층의 두께는 5㎛ 내지 500㎛인, 리튬 이차 전지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 점착층은 상기 기재층을 둘러싸는, 리튬 이차 전지.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 점착층의 두께는 10㎛ 내지 1000㎛인, 리튬 이차 전지.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 점착층의 상기 기재층에 대한 점착력은 5N/㎝ 내지 100N/㎝인, 리튬 이차 전지.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 점착패드는 연신율이 50% 내지 500%인, 리튬 이차 전지.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 점착패드는 복수의 기재층과 복수의 점착층을 포함하는, 리튬 이차 전지.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 점착패드는 복수의 기재층과 복수의 점착층이 각각 한층씩 교대로 적층된 구조로 형성된, 리튬 이차 전지.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 내열물질은 열경화성 수지 또는 융점이 200℃ 이상인 열가소성 수지 중 적어도 하나인, 리튬 이차 전지.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 열경화성 수지는 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 알키드 수지, 폴리에스테르 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 규소 수지 및 프란 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 리튬 이차 전지.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 열가소성 수지는 아크릴 수지, 염화비닐 수지, 초산비닐 수지, 비닐아세틸 수지, 메틸메타크릴수지, 폴리스티렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리아마이드 수지 및 셀룰로이드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 리튬 이차 전지.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리크실렌, 폴리스티렌, 폴리아크리로니트릴 및 폴리-6-아미노카프론산, 폴리헤키사메티렌세바카미드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 리튬 이차 전지.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 난연물질은 무기화합물 난연제, 할로겐계 난연제 및 인계 난연제로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 리튬 이차 전지.
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 점착층은 아크릴계 점착제 또는 실리콘계 점착제 중 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이차 전지.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 아크릴계 점착제는 아크릴산 에틸과 아크릴산 부틸, 2-에틸헥실 아크릴산 및 이소노닐 아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인, 리튬 이차 전지.
  18. 청구항 16에 있어서, 상기 실리콘계 점착제는 폴리디메틸 실록산 또는 폴리디메틸디페닐 실록산 중 적어도 하나인, 리튬 이차 전지.
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