KR102579929B1 - 이차전지 셀 절연용 스페이서 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이차전지 케이스와 셀 단위체 또는 이차전지 셀 단위체와 셀 단위체 사이에 개재되며,
탄성 파우치 내부에 충진된 절연 코팅액을 포함하는 이차전지 셀 절연용 스페이서에 관한 것으로, 본 발명의 이차전지 셀 절연용 스페이서는 화재 또는 폭발과 같은 사고를 예방하면서도, 사용에 의한 이차전지 셀 스웰링의 완충작용이 가능한 장점이 있다.
탄성 파우치 내부에 충진된 절연 코팅액을 포함하는 이차전지 셀 절연용 스페이서에 관한 것으로, 본 발명의 이차전지 셀 절연용 스페이서는 화재 또는 폭발과 같은 사고를 예방하면서도, 사용에 의한 이차전지 셀 스웰링의 완충작용이 가능한 장점이 있다.
Description
본 발명은 이차전지에 포함되며, 탄성의 파우치 및 이에 내장된 절연 코팅액에 의하여, 이차전지의 사용에 의한 스웰링의 완충작용을 수행하면서도 관통체 등에 의한 화재등과 같은 문제를 예방할 수 있는 셀 절연용 스페이서에 관한 것이다.
이차전지(secondary battery)는 일차전지와 달리 충방전이 가능한 전지이다. 이차전지는 이러한 충방전 특성에 의하여 휴대용 전자기기의 발전 및 수요증가에 발맞추어 함께 발전해 왔다. 최근 들어 소형화, 고성능화된 휴대전화, 카메라 및 노트북 등이 개발됨에 따라 이러한 휴대용 전자기기들이 많은 양의 에너지를 필요로 하게 되며, 결과적으로 보다 많은 에너지를 집적하고 있는 이차전지에 대한 연구 개발이 활발히 수행되고 있다.
이렇게 다량의 에너지가 집적된 이차전지가 개발 및 상용화됨에 따라, 이차전지의 사용 시 필연적으로 발생할 수 있는 이차전지의 결함 또는 외부 충격으로 인한 화재 또는 폭발에 대한 위험성이 더욱 커지는 문제가 있다. 이러한 화재 또는 폭발은 충격 등으로 인하여 이차전지 내부에서 단락에 의하여 발생할 수 있으며, 이러한 내부 단락을 방지하기 위하여 다양한 절연물질을 첨가하고 이차전지의 구조 및 물질에 변화를 주는 시도들이 계속되고 있다.
통상적으로 이차전지는 통상적으로 양극, 음극, 분리막, 전해질 및 첨가제 등을 포함하는 셀이 단독으로 포함되거나, 여러 개의 셀을 포함하여 하나의 전지로 만들기도 한다. 여러 개의 셀을 이용하여 하나의 전지로 제조하는 경우, 상술한 단락을 방지하고, 셀에서 발생하는 열을 흡수하기 위하여 셀 사이에 이격부재를 개재하기도 한다. 대한민국 공개특허공보 10-2017-0135476호에서는 셀에서 발생하는 열을 상변환을 통해 흡수할 수 있는 완충 패드를 구비하고 있으나, 이러한 경우에도 이차전지에 가해지는 외부 충격에 의한 손상으로 발생하는 화재 또는 폭발을 예방하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 외부 충격에 의해 발생하는 이차전지 내부의 셀 손상 또는 물체의 관통 등과 같은 사고의 발생 시, 셀의 손상표면 또는 관통체의 표면에 순간적으로 절연 코팅막을 형성함으로써, 이차전지의 화재 또는 폭발과 같은 사고를 예방할 수 있는 이차전지 셀 절연용 스페이서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 이러한 셀 절연용 스페이서는 탄성 파우치를 외장재로 포함하여, 이차전지의 사용에 의한 스웰링을 완충할 수 있는 완충작용이 가능한 이차전지 셀 절연용 스페이서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서는
이차전지 케이스와 셀 단위체 또는 이차전지 셀 단위체와 셀 단위체 사이에 개재되며,
탄성 파우치 내부에 충진된 절연 코팅액을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에서 상기 절연 코팅액은 절연성 입자 및 바인더를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에서 상기 절연성 입자는 테트라플루오로에틸렌, 에틸렌테트라플로오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌 등에서 선택되는 단량체의 단일중합체 또는 공중합체를 포함하는 폴리머 입자 또는 알루미나, 이산화규소, 탄화규소, 이산화티탄, 이산화지르코늄, 산화주석, 산화 마그네슘 및 산화칼슘에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에서 상기 절연성 입자는 평균 입경이 0.05 내지 1 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에서 상기 바인더는 폴리이미드계 수지, 에폭시 수지 및 페놀 수지에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에서 절연 코팅액에 포함된 절연성 입자 : 바인더의 중량비는 1:0.5 내지 5일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에서 상기 절연 코팅액은 점도가 2000 내지 10000 cps일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에서 상기 탄성 파우치는 상기 탄성 파우치는 가로 및 세로방향 연신율이 120 내지 400%인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 또한 이차전지를 제공하며, 본 발명에 의한 이차전지는
이차전지용 셀 단위체; 및
이차전지 케이스와 상기 셀 단위체 또는 상기 이차전지 셀 단위체와 셀 단위체 사이에 개재된 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지에서 임의로 선택된 제 1 이차전지 셀 절연용 스페이서 및 상기 제 1 이차전지 셀 절연용 스페이서와 접하는 제 1 이차전지용 셀 단위체는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
관계식 1에서 는 상기 이차전지의 단면에 있어서, 이차전지의 중심부터 이차전지 셀 절연용 스페이서 단부 까지의 길이이며, 은 이차전지 중심부터 이차전지용 셀 단위체 단부 까지의 길이이고, 는 이차전지 중심부터 이차전지 외부 케이스까지의 길이이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지에서 임의로 선택된 제 2 이차전지 셀 절연용 스페이서 및 상기 제 2 이차전지 셀 절연용 스페이서와 접하는 제 2 이차전지용 셀 단위체는 하기 관계식 2를 만족할 수 있다.
[관계식 2]
관계식 2에서, 는 제 2 이차전지 셀 절연용 스페이서의 두께이며, 은 제 2 이차전지용 셀 단위체의 두께이다.
본 발명은 셀 단위체 사이 또는 셀 단위체와 이차전지 케이스 사이에 개재되며, 탄성 파우치 내부에 충진된 절연 코팅액을 포함하는 이차전지 셀 절연용 스페이서를 제공함으로써, 외부 충격에 의한 셀의 손상 시 손상 표면을 순간적으로 절연 코팅하며, 관통체 등이 이차전지를 관통하는 사고 등이 발생하는 경우, 관통체를 순간적으로 절연 코팅하여 화재 또는 폭발과 같은 사고를 예방할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 이차전지 초기상태의 단면을 대략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 이차전지에서 셀의 스웰링 이후 단면을 대략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지의 단면을 대략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 이차전지에서 셀의 스웰링 이후 단면을 대략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지의 단면을 대략적으로 도시한 것이다.
이하 본 발명에 따른 이차전지 셀 절연용 스페이서에 대해 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명은
이차전지 케이스와 셀 단위체 또는 이차전지 셀 단위체와 셀 단위체 사이에 개재되며,
탄성 파우치 내부에 충진된 절연 코팅액을 포함하는 이차전지 셀 절연용 스페이서에 관한 것이다.
본 발명은 이차전지 셀 절연용 스페이서가 탄성 파우치 내부에 충진된 절연 코팅액을 포함함으로써, 셀 내부에서 완충작용을 수행함과 동시에 외부 충격에 의해 발생하는 셀의 내부손상이 발생하는 경우 순간적으로 손상 부위를 절연 코팅할 수 있으며, 이차전지의 관통과 같은 사고 발생 시 관통체를 순간적으로 절연 코팅함으로써 이차전지에서 발생할 수 있는 화재 또는 폭발을 예방할 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점에 의하여, 본 발명에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서를 이차전지에 적용 시, 안전성이 현저히 향상된 이차전지의 제조가 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에서, 상기 절연 코팅액은 절연성 입자 및 바인더를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서의 절연 코팅액이 절연성 입자 및 바인더를 포함함으로써, 절연성 입자에 의하여 절연성이 우수하면서도, 바인더와 절연성 입자의 혼합으로 관통체 등의 표면에 용이하게 절연 피막의 형성이 가능한 장점이 있다.
상세하게는, 상기 절연성 입자는 통상적으로 알려진 절연성을 갖는 입자상의 물질인 경우 제한이 없으나, 구체적으로 테트라플루오로에틸렌, 에틸렌테트라플로오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌 등에서 선택되는 단량체의 단일중합체 또는 공중합체를 포함하는 폴리머 입자 또는 알루미나, 이산화규소, 탄화규소, 이산화티탄, 이산화지르코늄, 산화주석, 산화마그네슘 및 산화칼슘에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 세라믹 입자를 포함할 수 있다.
좋게는, 절연성 입자는 추후 관통과 같은 문제 발생 시 절연 코팅액의 슬라이딩성의 향상을 위하여 폴리테트라플루오로에틸렌 입자를 포함할 수 있다. 절연 코팅액의 슬라이딩성이 향상되는 경우, 관통체의 슬라이딩에 의하여 관통 시 빠른 속도로 절연 코팅액이 관통체의 표면에 도포되게 되며, 이에 따라 빠른 속도로 절연 피막을 형성할 수 있는 장점이 있다.
더욱 좋게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 절연 코팅액은 테트라플루오로에틸렌 입자 및 산화티탄 입자를 포함할 수 있으며, 상기 절연 코팅액이 테트라플로오로에틸렌 입자 및 산화티탄 입자를 동시에 포함하는 경우 슬라이딩성과 함께 표면 평활성의 향상으로 관통체 표면에 균일한 도막을 형성함으로써 절연성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이때, 본 발명에 의한 산화 티탄 입자는 아나타형, 루틸형 또는 브루카이트형에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 산화티탄 입자의 제형에 관계없이 상술한 표면 평활성 향상을 도모할 수 있고, 이에 따라 산화티탄의 제형이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에서 절연성 입자는 평균 입경이 0.05 내지 1 ㎛, 구체적으로는 0.05 내지 0.8 ㎛, 더욱 구체적으로는 0.1 내지 0.6 ㎛일 수 있다. 상술한 입자크기 범위에서, 입자 크기에 의한 표면 평활성 도모가 가능하면서도, 절연 코팅액의 분산성을 확보할 수 있고, 절연 코팅액 내부에서 균일한 절연성을 나타내는 효과를 도모할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서의 절연 코팅액에 포함되는 바인더는 통상적으로 절연 코팅액에 사용되는 수지 조성물인 경우 제한없이 이용이 가능하나, 구체적으로 내열성이 우수한 폴리이미드계 수지, 에폭시 수지 및 페놀 수지에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 좋게는, 상기 절연 코팅액에 포함되는 바인더는 도막 형성의 용이성을 고려하여 폴리이미드계 수지를 이용할 수 있다. 나아가 상술한 바인더는 폴리이미드계 수지, 에폭시계 수지 및 페놀 수지에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 수지계 물질 및 용매를 포함하는 상태일 수 있으며, 이때 용매는 통상적으로 이용되는 수지계 물질의 용매인 경우 제한이 없다. 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 수지계 물질의 용해에 이용되는 용매는 N-메틸피롤리돈(NMP), N-에틸-2-피롤리돈(NEP), N,N-다이메틸아세타미드(DMAc), 다이메틸폼아미드(DMF) 및 자일렌 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
더욱 구체적으로, 상기 바인더에 포함되는 용매는 수지계 물질을 용해시킬 수 있는 범위인 경우 제한없이 첨가될 수 있다. 구체적으로 상기 바인더는 수지계 물질을 20 내지 40 중량%, 용매를 60 내지 80 중량% 포함할 수 있으며, 바인더가 수지계 물질 및 용매를 상술한 범위로 포함하는 경우, 절연 코팅액에서 별도의 용매 첨가 없이 바인더에 포함된 용매가 절연성 입자의 분산매가 되어 절연 코팅액을 형성할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에서 절연 코팅액에 포함된 절연성 입자 : 바인더의 중량비는 1:0.5 내지 5, 구체적으로는 1:1 내지 3일 수 있다. 좋게는 커플링제를 더 포함하여 본 발명에 의한 절연 코팅액으로 제조되는 피막에서, 바인더와 절연입자의 결합을 강화시킬 수 있다. 이때 상기 절연 코팅액에 포함되는 절연성 입자 : 커플링제의 중량비는 1:0.05 내지 0.7일 수 있다. 이러한 바인더와 절연입자와의 결합력 강화로 관통체 등에 견고한 피막의 형성이 가능하며, 절연성을 장기간 유지할 수 있는 장점이 있다.
이때 커플링제는 실란 커플링제, 티타네이트계 커플링제 및 알루미네이트계 커플링제에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으며, 좋게는 실란 커플링제를 포함할 수 있다. 실란 커플링제를 이용한 경우, 상술한 바인더와 절연입자의 결합효과를 더욱 상승시킬 수 있는 장점이 있다.
구체적으로 실란 커플링제는 통상적으로 이용되는 실란 커플링제인 경우 제한없이 이용이 가능하다. 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 실란 커플링제는 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 트리메틸메톡시실란, n-프로필트리메톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 디에틸디에톡시실란, n-부틸트리메톡시실란, n-헥실트리에톡시실란, n-옥틸트리메톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 디페닐디메톡시실란, 사이클로헥실메틸디메톡시실란, 비닐트리클로로실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐트리스(β-메톡시에톡시)실란, β-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필트리에톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필메틸디메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필메틸디에톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란, γ-아크릴옥시프로필트리메톡시실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필트리메톡시실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필트리에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, N-페닐-γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-클로로프로필트리메톡시실란, γ-머캅토프로필트리메톡시실란, γ-머캅토프로필메틸디메톡시실란, 비스-(3-[트리에톡시실릴]프로필)테트라설파이드 및 γ-이소시아네이토프로필트리에톡시실란 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에 포함된 절연 코팅액은 점도가 2000 내지 10000 cps일 수 있다. 이러한 범위에서 점도에 의한 코팅망 형성을 촉진할 수 있으며, 지나치게 높은 점도로 인하여 코팅막이 형성되지 못하고 절연 코팅액이 뭉쳐져 절연성이 저하되는 문제를 예방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서에서 절연 코팅액이 충진된 탄성 파우치는 셀의 부피팽창을 흡수하여 이차전지 내부의 안정성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 탄성 파우치는 절연성을 띠며, 탄성을 띠고 절연 코팅액의 누설을 방지할 수 있는 재질인 경우 제한없이 이용이 가능하다. 구체적이고 비한정적인 일 예로 탄성 파우치는 올레핀을 포함하는 단일 중합체 또는 공중합체, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄 및 에틸렌 비닐 알코올 공중합체에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 단일층 혹은 다층 필름일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
좋게는, 상기 탄성 파우치는 가로 및 세로방향 연신율이 120 내지 400%일 수있다. 상술한 연신율 범위에서 셀의 스웰링에 의한 부피팽창을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라, 이차전지의 관통과 같은 불의의 사고 발생 시 일차적으로 파우치가 늘어나면서 관통체를 감쌀 수 있으며, 이에 따라 이차전지의 화재 또는 폭발 위험을 현저히 낮출 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 또한 이차전지를 제공한다.
본 발명에 의한 이차전지는
이차전지용 셀 단위체; 및
이차전지 케이스와 상기 셀 단위체 또는 상기 이차전지 셀 단위체와 셀 단위체 사이에 개재된 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서;를 포함한다.
본 발명에 의한 이차전지는 상술한 바와 같이 안전성이 현저히 향상된 이차전지 셀 절연용 스페이서를 포함함으로써, 화재 또는 폭발의 위험이 현저히 낮은 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지는 이차전지의 목적, 크기 및 용량 등에 따라 다양한 개수의 이차전지용 셀 단위체 및 이차전지 셀 절연용 스페이서를 포함할 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지는 1 내지 30 개의 이차전지 셀 절연용 스페이서 및 2 내지 100 개의 이차전지용 셀 단위체를 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지에서 이차전지 셀 절연용 스페이서 및 이차전지용 셀 단위체는 하기 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[관계식 1]
관계식 1에서 는 상기 이차전지의 단면에 있어서, 이차전지의 중심부터 이차전지 셀 절연용 스페이서 단부 까지의 길이이며, 은 이차전지 중심부터 이차전지용 셀 단위체 단부 까지의 길이이고, 는 이차전지 중심부터 이차전지 외부 케이스까지의 길이이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지에서, 이차전지에 포함된 이차전지 셀 절연용 스페이서 및 이차전지용 셀 단위체 전부 또는 일부는 상기 관계식 1을 만족할 수 있으며, 나아가 상기 관계식 1의 이차전지 셀 절연용 스페이서 및 이차전지용 셀 단위체는 서로 접한 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
더 좋게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지는 단면에 위치하는 하나의 축이 상기 관계식 1을 만족할 뿐만 아니라, 상기 하나의 축과 동일면상에서 수직하는 축이 상기 관계식 1을 만족할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지에 포함된 셀 단위체 및 이차전지 셀 절연용 스페이서는 가로 또는 세로가 상기 관계식 1을 만족하거나, 가로 및 세로 모두 상기 관계식 1을 만족할 수 있다.
나아가 상기 관계식 1을 도 3과 함께 상세히 설명한다. 관계식 1을 더욱 상세히 설명하면, 이차전지의 단면을 기준으로 이차전지의 중심부터 이차전지 셀 절연용 스페이서 단부까지의 길이는, 이차전지 중심부터 이차전지용 셀 단위체의 단부 보다는 길고, 상기 이차전지 외부 케이스와의 길이보다는 짧거나 같을 수 있다. 이러한 구조를 통하여 셀의 스웰링이 발생하는 경우, 이차전지 셀 절연용 스페이서의 내부에 충진된 절연 코팅액이 이차전지 셀과 케이스의 빈공간으로 늘어난 부피를 분산시킬 수 있으며, 이러한 분산을 통하여 셀의 스웰링에 의해 셀 내부 압력이 높아짐으로써 발생할 수 있는 셀의 결함 또는 이차전지 외부 케이스의 손상과 같은 문제를 예방할 수 있다.
아울러 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지는, 상기 이차전지에서 임의로 선택된 제 2 이차전지 셀 절연용 스페이서 및 상기 제 2 이차전지 셀 절연용 스페이서와 접하는 제 2 이차전지용 셀 단위체는 하기 관계식 2를 만족하할 수 있다.
[관계식 2]
관계식 2에서, 는 제 2 이차전지 셀 절연용 스페이서의 두께이며, 은 제 2 이차전지용 셀 단위체의 두께이다.
도 3을 참고하여 관계식 2를 검토하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지에 포함된 이차전지 셀 절연용 스페이서의 두께는, 이와 인접한 이차전지용 셀 두께의 0.03 내지 0.5배, 더욱 구체적으로는 0.05 내지 0.4배일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지에 포함된 이차전지 셀 절연용 스페이서가 상기 관계식 2를 만족하는 두께로 포함되는 경우, 부피 완충 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 지나치게 얇은 두께에 의한 완충작용 저하나, 지나치게 두꺼운 두께에 의하여 불필요하게 이차전지의 크기가 커지는 문제를 예방할 수 있다. 아울러 상술한 두께 범위에서 상기 절연 코팅액이 일정 수준 이상으로 셀에서 발생하는 열을 흡수함으로써, 고온에 한 셀의 손상을 예방할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 본 발명에 의한 이차전지는 본 발명의 일 실시예에 의한 이차전지 셀 절연용 스페이서 외에 통상적으로 이차전지를 형성을 위하여 차용되는 구조 및 물질을 이용할 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이하 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 실시예에 한정되지 않는다.
[실시예 1]
1. 이차전지용 셀 단위체
전극이 대향하여 형성되며, 가로 400mm, 세로 110mm, 두께 10 ㎜의 파우치형 이차전지용 셀 단위체를 2개 준비한다. 이때 셀 단위체는 알루미늄 파우치를 포함하며, 용량이 80Ah인 리튬이온 셀을 이용하였다.
2. 이차전지 셀 절연용 스페이서
가로 370mm, 세로 105mm, 두께 1.5mm인 폴리프로필렌 재질 파우치에 절연 코팅액을 내부 기포 없이 100% 충진하고 밀봉하여 이차전지 셀 절연용 스페이서를 제조하였다.
이때 절연 코팅액은 입경이 0.3 ㎛인 폴리테트라플루오로에틸렌 25 중량%, 입경이 0.3 ㎛인 루틸형 이산화티탄 8 중량%, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란 5 중량% 및 폴리아미드이미드 바인더 62 중량%를 균일하게 혼합하여 절연 코팅액을 제조하였다.
폴리아미드이미드 바인더는 폴리아미드이미드 : N-메틸-2-피롤리돈을 3:7의 중량비로 포함하며, 폴리아미드이미드는 수평균 분자량이 16000인 것을 이용하였다.
3. 이차전지
2개의 이차전지용 셀 단위체 사이에, 2에서 제조된 이차전지 셀 절연용 스페이서를 개재하며, 셀 단위체 및 스페이서의 가로 및 세로가 각각 동일선상에 위치하도록 적층하고, 이차전지 케이스에 넣어 이차전지 셀 절연용 스페이서를 포함하는 이차전지를 제조하였다.
[비교예 1]
실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 제조하되, 이차전지 셀 절연용 스페이서 대신 가로 370mm, 세로 105mm, 두께 1.5mm인 폴리프로필렌 재질 파우치에 상전이물질(PCM)로 Na2HPO4·10H2O 및 Na2SO4·10H2O를 1:1의 중량비로 충진하여 스페이서를 제조하였으며, 이 스페이서를 이차전지 셀 단위체 사이에 개재하여 이차전지를 제조하였다.
화재 발생 여부
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 이차전지를, 이차전지의 케이스 온도가 35 ℃가 될 때까지 인위적으로 충방전을 수행하였다. 이차전지의 케이스 온도가 35 ℃가 되면 폭발에 대비한 안전장비를 준비한 뒤, 길이가 95 ㎜인 콘크리트용 못으로 셀의 적층면을 기준으로 수직방향으로 관통시킨 후, 관통 5분 이내 화재 또는 폭발의 발생여부를 관찰하였다. 이후, 실시예 1 및 비교예 1에 해당하는 이차전지를 각각 20개씩 제조하여 동일한 실험을 20번 반복 수행하였다.
그 결과, 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 이차전지는 화재 발생률이 35%로 나타났으나, 비교예 1에 의해 제조된 이차전지는 화재 발생률이 95%로 나타났으며, 본 발명의 실시예에 의한 이차전지가 60%의 화재 발생률 저감효과가 있음을 확인하였다.
100 이차전지 셀 절연용 스페이서
110 팽창부
210, 220, 230, 240 리드탭
310, 320 이차전지용 셀 단위체
400 전극
110 팽창부
210, 220, 230, 240 리드탭
310, 320 이차전지용 셀 단위체
400 전극
Claims (11)
- 이차전지 케이스와 셀 단위체 또는 이차전지 셀 단위체와 셀 단위체 사이에 개재되며,
탄성 파우치 내부에 충진된 절연 코팅액을 포함하고, 상기 탄성 파우치는 가로 및 세로방향 연신율이 120 내지 400 %인, 이차전지 셀 절연용 스페이서. - 제 1항에 있어서,
상기 절연 코팅액은 절연성 입자 및 바인더를 포함하는 이차전지 셀 절연용 스페이서. - 제 2항에 있어서,
상기 절연성 입자는 테트라플루오로에틸렌, 에틸렌테트라플로오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌에서 선택되는 단량체의 단일중합체 또는 공중합체를 포함하는 폴리머 입자 또는 알루미나, 이산화규소, 탄화규소, 이산화티탄, 이산화지르코늄, 산화주석, 산화 마그네슘 및 산화칼슘에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 세라믹 입자를 포함하는 이차전지 셀 절연용 스페이서. - 제 3항에 있어서,
상기 절연성 입자는 평균 입경이 0.05 내지 1 ㎛인 이차전지 셀 절연용 스페이서. - 제 3항에 있어서,
상기 바인더는 폴리이미드계 수지, 에폭시 수지 및 페놀 수지에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 이차전지 셀 절연용 스페이서. - 제 3항에 있어서,
상기 절연 코팅액에 포함된 절연성 입자 : 바인더의 중량비는 1:0.5 내지 5인 이차전지 셀 절연용 스페이서. - 제 1항에 있어서,
상기 절연 코팅액은 점도가 2000 내지 10000 cps인 이차전지 셀 절연용 스페이서. - 삭제
- 이차전지용 셀 단위체; 및
이차전지 케이스와 상기 셀 단위체 또는 상기 이차전지용 셀 단위체와 셀 단위체 사이에 개재된 제 1항 내지 제 7항에서 선택되는 어느 한 항의 이차전지 셀 절연용 스페이서;를 포함하는 이차전지. - 제 9항에 있어서,
상기 이차전지에서,
이차전지 셀 절연용 스페이서 및 이차전지용 셀 단위체는 하기 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
[관계식 1]
(관계식 1에서 는 상기 이차전지의 단면에 있어서, 이차전지의 중심부터 이차전지 셀 절연용 스페이서 단부 까지의 길이이며, 은 이차전지 중심부터 이차전지용 셀 단위체 단부 까지의 길이이고, 는 이차전지 중심부터 이차전지 외부 케이스까지의 길이이다.) - 제 9항에 있어서,
상기 이차전지에서 임의로 선택된 제 2 이차전지 셀 절연용 스페이서 및 상기 제 2 이차전지 셀 절연용 스페이서와 접하는 제 2 이차전지용 셀 단위체는 하기 관계식 2를 만족하는 이차전지.
[관계식 2]
(관계식 2에서, 는 제 2 이차전지 셀 절연용 스페이서의 두께이며, 은 제 2 이차전지용 셀 단위체의 두께이다.)
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| KR1020180043905A KR102579929B1 (ko) | 2018-04-16 | 2018-04-16 | 이차전지 셀 절연용 스페이서 및 이를 포함하는 이차전지 |
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-
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