KR102695978B1 - 자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법 - Google Patents

자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 절취선과 상기 절취선에 인접한 자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 전지셀 안전성 평가방법에 관한 것으로, 상기 전지셀은 셀의 구조를 물리적으로 변형시키지 않으면서도 내부 단락의 유도가 가능하며, 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가에 효과적으로 적용 가능하다.

Description

자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법{BATTERY CELL COMPRISING SEPERATOR HAVING MAGNETIC PART AND EVALUATION METHOD FOR SAFETY UPON INTERNAL SHORT CIRCUIT OF THE SAME}
본 발명은 자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.
일반적으로, 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 전극조립체를 조립한다. 조립된 전극조립체를 전지 케이스에 장착하고, 전해액을 주입하여 전지셀을 제조한다.
이차전지 중에서, 리튬 이차전지는 우수한 전기적 특성으로 인해 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나, 리튬 이차전지는 안전성이 낮다는 문제점이 있다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 과충전, 과방전, 고온에의 노출 또는 전기적 단락 등의 비정상적인 작동 상태에서 발화 또는 폭발되는 경우가 있다. 구체적으로는, 전지셀의 구성요소들인 활물질 또는 전해질 등이 분해반응을 일으키면서 열과 가스가 발생한다. 발생된 열과 가스는 전지셀 내부의 온도 및 압력을 높이게 된다. 높아진 온도와 압력은 상기 분해반응을 더욱 촉진하고, 급기야 발화 또는 폭발을 초래하기도 한다.
따라서, 전지셀의 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하며, 그 방법 중 하나가 내부 단락이 발생했을 때 전지셀의 안전성을 평가하는 것이다. 그러나, 종래에는 내부 단락을 유도하기 위해 전지셀의 내부에 발열체를 넣고 내부 발열을 유도하는 방식, 분리막을 미리 뚫어 놓고 그 부분에 화학 약품 처리를 해서 일정한 온도에서 녹게 하는 방식, 또는 일정한 형태의 금속물질을 집어넣고 외력을 가하여 분리막을 찢어 내부 단락을 유도하는 방식 등이 있다. 그러나, 이러한 방식들은 분리막에 변형을 주거나 전지셀의 실제 사용 환경과 차이가 난다는 한계가 있다.
미국공개특허 제2013-0209841호 미국특허공개공보 제2008-0143337호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 창안된 것으로서, 전지셀의 구조를 물리적으로 변형시키지 않으면서도 내부 단락에 의한 안전성을 테스트할 수 있는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀 안전성 평가방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이며,
상기 분리막은, 분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및 상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함한다.
하나의 예에서, 상기 절취선은, 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성한다. 또 다른 하나의 예에서, 상기 절취선은, 복수 개의 관통형 슬릿 또는 비드형의 비관통 홈이 비연속적으로 배열된 구조이다.
하나의 예에서, 상기 자성체는, 분말상이며, 분리막에 전부 또는 부분 함침된 상태이다. 또 다른 하나의 예에서, 상기 자성체는, 바 형태이고, 분리막이 일면 또는 양면에 부착된 형태이다.
구체적인 예에서, 상기 자성체는, 자성을 띠는 코어와 상기 코어를 감싸는 절연성 고분자 쉘을 포함하는 구조이다. 예를 들어, 상기 코어는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb) 및 디스프로슘(Dy)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금이다. 또한, 상기 절연성 고분자 쉘은 고분자막으로 형성된다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지셀은 리튬 이차전지이다.
본 발명은 또한 앞서 설명한 전지셀을 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법을 제공한다.
하나의 예에서, 상기 평가방법은, 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계를 포함한다. 구체적인 예에서, 상기 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이다. 상기 분리막은, 분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및 상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함한다. 또한, 상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는, 전지셀 외주면에 자석을 인접 또는 접촉한 상태에서, 상기 자석을 회전 운동시키고, 상기 자석의 회전운동에 대응하여 분리막의 절취선이 부분 또는 전부 파단되어 수행된다.
하나의 예에서, 상기 절취선은, 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성한다.
구체적인 예에서, 상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는, 전지셀에 대한 충방전 싸이클 중에 수행한다.
본 발명에 따른 전지셀은, 전지셀의 구조를 물리적으로 변형시키지 않으면서도 내부 단락의 유도가 가능하며, 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법에 효과적으로 적용 가능하다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 분해도이다.
도 2 내지 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 절취선과 자성체가 구비된 분리막을 모식적으로 나타낸 정면도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀에 자석을 이용하여 내부 단락을 유도하는 과정을 나타낸 모식도이다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 발명의 명세서에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명은 분리막에 절취선 및 자성체가 형성된 전지셀에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이다. 또한, 상기 분리막은, 분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및 상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함한다.
본 발명에 따른 전지셀은 내부 단락 시험에 유효하게 적용 가능하다. 상기 자성체는 분리막과 접합된 상태이며, 외부에서 자석을 움직이게 되면, 상기 자성체도 자석의 움직임에 대응하여 이동하게 된다. 자성체의 이동 방향에 따라 분리막에도 응력이 가해진다. 예를 들어, 자석을 전지셀의 외부에 접촉 내지 인접한 상태에서 상기 자석을 이동 또는 회전하게 되면, 상기 분리막에 형성된 자성체가 자석의 움직임에 대응하여 움직이게 된다. 자성체가 움직이게 되면, 상기 자성체와 인접한 절취선이 파단되면서 전지셀의 내부 단락을 유도하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 자성체는 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된다. 예를 들어, 분리막에 선형 구간을 포함하는 절취선이 형성된 경우, 절취선의 제1 지점과 상기 제1 지점과 일정 간격이 이격된 제2 지점을 설정한다. 상기 절취선의 제1 및 제2 지점과 인접한 영역에 각각 자성체가 형성된다. 이 경우, 상기 자성체는 선형으로 이어진 형태이거나 상기 제1 및 제2 지점 인근에 분리되어 각각 형성된 구조일 수 있다. 본 발명에서 전지셀 외부에서 자석이 회전 운동하게 되면, 상기 절취선의 제1 지점 인근에 위치하는 자성체와 제2 지점 인근에 위치하는 자성체가 서로 다른 방향으로 이동하게 된다. 이를 통해, 2 지점에 이격되어 형성된 자성체가 서로 다른 방향으로 이동하게 되면, 분리막에 형성된 절취선 역시 서로 다른 방향으로 응력이 가해진다. 서로 다른 방향으로 가해지는 응력은 상기 절취선을 부분적으로 파단시키면서, 전지셀의 내부 단락을 유도하게 된다.
하나의 예에서, 상기 절취선은 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성한다. 본 발명은 폐쇄된 형상의 절취선을 형성함으로써, 외부 자석의 회전에 따른 전지셀의 내부 단락을 보다 명확히 유도한다. 구체적인 예에서, 상기 절취선이 형성하는 2차원의 폐쇄된 형상은, 일측 방향의 직경과 상기 일측 방향과 수직되는 방향의 직경이 서로 다른 형상일 수 있다. 이는 전지셀 외부에서 자석을 회전하는 경우, 절취선의 파단을 보다 용이하게 하기 위함이다. 예를 들어, 상기 절취선이 형성하는 2차원의 폐쇄된 형상은 타원형, 직사각형 또는 어느 한 변의 길이가 다른 삼각형 형태이다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 절취선은 복수 개의 관통형 슬릿 또는 비드형의 비관통 홈이 비연속적으로 배열된 구조이다. 구체적으로, 상기 절취선은 복수 개의 관통형 슬릿 또는 비드형의 비관통 홈이 일정 간격으로 이격되어 배열된 구조이다. 상기 절취선을 비연속적으로 배열하는 것은, 분리막의 절취선 부분이 작은 충격에도 파단되는 것을 방지한다.
본 발명에서 상기 자성체는 다양한 형태로 분리막에 결합되어 있는 구조이다. 예를 들어, 상기 자성체는 분말상이며, 분리막에 전부 또는 부분 함침된 상태이다. 또 다른 예를 들어, 상기 자성체는 바 형태이고, 분리막이 일면 또는 양면에 부착된 형태이다. 상기 자성체가 분말상인 경우에는, 상기 자성체는 분리막의 일면에 바인더와 혼합된 상태로 절취선 인근에 도포될 수 있다. 또한, 상기 자성체가 바 형태인 경우에는, 상기 자성체는 바인더가 개재된 상태로 분리막과 접합된 형태일 수 있다.
하나의 예에서, 상기 자성체는 자성을 띠는 코어와 상기 코어를 감싸는 절연성 고분자 쉘을 포함하는 구조이다. 예를 들어, 상기 코어는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb) 및 디스프로슘(Dy)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금이다. 또한, 상기 절연성 고분자 쉘은 고분자막으로 형성된 구조이다. 자성을 띠는 코어에 절연성 고분자 쉘을 형성함으로써, 자성체의 자성을 저하하지 않으면서 전기적 절연성을 부여하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 앞서 설명한 전지셀을 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법을 제공한다.
하나의 예에서, 상기 평가 방법은, 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계를 포함한다. 상기 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이고, 상기 분리막은, 분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및 상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함한다. 구체적으로, 상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는, 전지셀 외주면에 자석을 인접 또는 접촉한 상태에서, 상기 자석을 회전 운동시키고, 상기 자석의 회전운동에 대응하여 분리막의 절취선이 부분 또는 전부 파단되어 수행된다.
하나의 예에서, 상기 절취선은, 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성한다. 상기 절취선이 형성하는 형상은 앞서 설명한 바와 같다.
구체적인 예에서, 상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는, 전지셀에 대한 충방전 싸이클 중에 수행한다. 예를 들어, 전지셀에 대한 충방전 싸이클 테스트를 수행하되, 상기 충방전 싸이클 진행 중에 전지셀 내부 단락이 발생된 경우를 상정한 전지셀의 내부 단락 시험을 수행할 수 있다.
본 발명에서, '내부 단락 시험'이란 전지셀의 안전성 시험 중에서도 셀 내부 단락에 대한 내성을 평가하는 시험으로, 전지셀 내부에서 양극과 음극이 단락되는 경우를 모의한 시험이다. 내부 단락 시험에서는 만충전된 전지셀에 대하여 셀 내부 단락을 발생시키고 전지셀의 거동을 평가한다. 일반적으로 셀 내부 단락이 발생하면 전지셀이 방전되면서 전압이 감소하며, 전압이 일정 수치 이하로 감소시 전지셀의 파열 유무, 전압 내지 온도의 변화 등을 평가하게 된다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액; 및 상기 전극 조립체와 상기 전해액을 내장하는 전지 케이스를 포함한다.
상기 양극은, 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층이 적층된 구조이다. 하나의 예에서, 양극 활물질층은 양극 활물질, 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 양극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 함유 산화물일 수 있으며, 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 리튬 함유 산화물로는, 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은, LixCoO2(0.5<x<1.3), LixNiO2(0.5<x<1.3), LixMnO2(0.5<x<1.3), LixMn2O4(0.5<x<1.3), Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1-yCoyO2(0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1-yMnyO2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), LixNi1-yMnyO2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2-zNizO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2-zCozO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixCoPO4(0.5<x<1.3) 및 LixFePO4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 양극 활물질층 중에 94.0 내지 98.5 중량% 범위로 포함될 수 있다. 양극 활물질의 함량이 상기 범위를 만족할 때 고용량 전지의 제작, 그리고 충분한 양극의 도전성이나 전극재간 접착력을 부여하는 면에서 유리하다.
상기 양극에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 양극 활물질 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속이면서, 전기화학소자의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 양극용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
양극 활물질층은 도전재를 더 포함한다. 상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전재로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더 고분자는 당업계에서 통상적으로 사용되는 바인더가 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose, CMC) 등의 다양한 종류의 바인더가 사용될 수 있다.
상기 바인더 고분자 함량은 상부 양극 활물질층 및 하부 양극 활물질층에 포함되는 도전재 함량에 비례한다. 이는 활물질에 비해 입자 크기가 상대적으로 매우 작은 도전재에 접착력을 부여하기 위함으로 도전재 함량이 증가하면 바인더 고분자가 더 필요하게 되고, 도전재 함량이 감소하면 바인더 고분자가 적게 사용될 수 있기 때문이다.
상기 음극은, 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층이 적층된 구조이다. 하나의 예에서, 음극 활물질층은 음극 활물질, 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 음극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 포함할 수 있다. 음극 활물질로서 탄소재가 사용되는 경우, 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (mesocarbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum orcoal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 음극에 사용되는 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다.
또한, 상기 음극은 당해 분야에 통상적으로 사용되는 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.
상기 분리막은 리튬 이차전지에서 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50 ㎛일 수 있고, 다공성 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95 %일 수 있다.
한편, 상기 다공성 기재로 구성된 분리막의 기계적 강도 향상 및 양극과 음극 사이의 단락 억제를 위해, 상기 다공성 기재의 적어도 일면에, 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 전해액은 유기용매 및 전해질 염을 포함할 수 있으며, 상기 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 비수 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 포함할 수 있다.
전술한 전해액에 포함되는 유기용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.
또한, 상기 유기용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 유기용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오 네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전기화학소자의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전기화학소자 조립 전 또는 전기화학소자 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은, 전기 화학 반응을 하는 전기화학소자를 총칭한다. 예를 들어, 상기 전지셀은 리튬 금속 이차전지, 리튬 이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차전지 등을 포함하는 리튬 이차전지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하 도면을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 분해도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 양극(120), 음극(130) 및 상기 양극(120)과 상기 음극(130) 사이에 개재된 분리막(110)을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액(미도시); 및 상기 전극 조립체와 상기 전해액을 내장하는 전지케이스(140, 150)를 포함한다. 상기 양극(120)의 일 방향에는 돌출되어 연장된 양극 탭(121)이 형성되어 있고, 상기 음극(130)의 반대편 일 방향에는 돌출되어 연장된 음극 탭(131)이 형성되어 있다.
상기 분리막(110)에는 사각형 형태의 절취선(111)이 형성되어 있고, 상기 절취선(111)은 복수 개의 선형 슬릿 또는 선형 홈이 일정 간격으로 배열된 구조이다. 상기 절취선(111)과 인접한 위치에는 자성체(112)가 배열된 구조이다. 상기 자성체(112)는 바 형태이고, 절취선에 의해 형성된 사각형 구조의 각 변의 내측에 위치한다.
도 2 내지 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 절취선과 자성체가 구비된 분리막을 모식적으로 나타낸 정면도들이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막(210)은 사각형 형태의 절취선(211)이 형성되어 있고, 상기 절취선(211)은 복수 개의 선형 슬릿들이 일정 간격으로 배열된 구조이다. 상기 절취선(211)과 인접하도록 자성체(212)가 배열된 구조이다. 상기 자성체(212)는 바 형태이고, 절취선에 의해 형성된 사각형 구조의 내측에 11자를 형성하면서 평행하게 위치한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막(310)은 사각형 형태의 절취선(311)이 형성되어 있고, 상기 절취선(311)은 복수 개의 선형 홈들이 일정 간격으로 배열된 구조이다. 상기 절취선(311)과 인접하도록 자성체(312)가 배열된 구조이다. 상기 자성체(312)는 짧은 바 형태가 일정 간격을 두고 배열된 형태이고, 절취선에 의해 형성된 사각형 구조의 내측에 11자를 형성하면서 평행하게 위치한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막(410)은 삼각형 형태의 절취선(411)이 형성되어 있고, 상기 절취선(411)은 복수 개의 선형 홈들이 일정 간격으로 배열된 구조이다. 상기 절취선(411)과 인접하도록 자성체(412)가 배열된 구조이다. 상기 자성체(412)는 바 형태이고, 절취선에 의해 형성된 삼각형 구조의 내측에 절취선과 인접하여 위치한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막(510)은 삼각형 형태의 절취선(511)이 형성되어 있고, 상기 절취선(511)은 복수 개의 선형 슬릿들이 일정 간격으로 배열된 구조이다. 상기 절취선(511)과 인접하도록 자성체(512)가 배열된 구조이다. 상기 자성체(512)는 짧은 바 형태가 일정 간격을 두고 배열된 형태이고, 절취선에 의해 형성된 삼각형 구조의 내측에 절취선과 인접하여 위치한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀에 자석을 이용하여 내부 단락을 유도하는 과정을 나타낸 모식도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀(100)을 이용하여 내부 단락에 따른 안전성 평가가 가능하다. 전지셀(100) 외부에서 자석(400)을 움직이게 되면, 분리막의 절취선에 인접하여 부착된 자성체도 상기 자석(400)의 움직임에 대응하여 이동하게 된다. 구체적으로, 자석(400)을 전지셀(100)의 외부에 접촉 내지 인접한 상태에서 상기 자석(400)을 제자리에서 회전시키면, 분리막에 결합된 자성체가 자석(400)의 움직임에 대응하여 움직이게 된다. 자성체가 움직이게 되면, 상기 자성체와 인접한 절취선이 파단되면서 전지셀(100)의 내부 단락을 유도하게 된다.
100: 전지셀
110, 210, 310, 410, 510: 분리막
111, 211, 311, 411, 511: 절취선
112, 212, 312, 412, 512: 자성체
120: 양극
121: 양극 탭
130: 음극
131: 음극 탭
140, 150: 전지케이스
400: 자석

Claims (12)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이며,
    상기 분리막은,
    분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및
    상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절취선은, 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절취선은, 복수 개의 관통형 슬릿 또는 비드형의 비관통 홈이 비연속적으로 배열된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성체는,
    분말상이며, 분리막에 전부 또는 부분 함침된 상태인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성체는,
    바 형태이고, 분리막이 일면 또는 양면에 부착된 형태인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성체는, 자성을 띠는 코어와 상기 코어를 감싸는 절연성 고분자 쉘을 포함하는 구조인 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 코어는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb) 및 디스프로슘(Dy)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연성 고분자 쉘은 고분자막으로 형성된 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계를 포함하며,
    상기 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이고,
    상기 분리막은, 분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및 상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함하고,
    상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는,
    전지셀 외주면에 자석을 인접 또는 접촉한 상태에서, 상기 자석을 회전 운동시키고, 상기 자석의 회전운동에 대응하여 분리막의 절취선이 부분 또는 전부 파단되어 수행되는 것을 특징으로 하는 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 절취선은, 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는,
    전지셀에 대한 충방전 싸이클 중에 수행하는 것을 특징으로 하는 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법.
KR1020190116176A 2019-09-20 2019-09-20 자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법 KR102695978B1 (ko)

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