KR200259608Y1 - 비수성 전해질 전지 - Google Patents

Abstract

라미네이트 필름의 기밀성을 유지하면서 내충격성을 향상시킬 수 있는 비수성 전해질 전지가 기재되어 있다. 라미네이트 필름으로 된 외장재에 전지 소자를 수용하고 외장재를 열용착하여 전지 소자를 봉합할때, 전지 소자의 적어도 한면에 수지층을 제공한다. 수지층은 미리 성형한 수지판이거나 수지를 충전시켜 형성시킬 수 있다. 수지층은 전지 소자의 전체 면 중 최소 면적을 갖는 2 면에 존재한다. 감겨진 형태의 전지 소자인 경우, 수지층은 감겨진 전지 소자의 양단부 면에 존재한다. 수지층은 전지 소자를 충격으로부터 보호하는 충격 완충 작용을 갖는다.

Description

비수성 전해질 전지{NON-AQUEOUS ELECTROLYTE BATTERY}

본 고안은 라미네이트 필름으로 된 외장재에 전지 소자가 수용된 구조를 갖는 비수성 전해질 전지에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 고안은 비수성 전해질 전지의 내충격성 향상에 관한 것이다.

최근에 캠코더, 휴대 전화 및 휴대용 컴퓨터를 비롯한 다수의 휴대용 전자 기기가 보급되고 있다. 따라서, 이러한 전자 기기를 소형화 및 경량화하려는 시도가 이루어지고 있다. 이러한 휴대용 전자 기기의 전원으로서의 전지, 특히 2차 전지, 그 중에서도 비수성 전해질 2차 전지 (소위 '리튬 이온 전지')에 있어서 전지의 두께를 줄이고 접을 수 있는 구조로 하려는 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

이러한 여러가지 형태의 전지용 전해질로서는 고체화한 전해액이 활발히 연구되고 있다. 특히, 가소제를 함유하는 고체 전해질인, 겔상 전해질 또는 고분자내에 리튬염이 용해되어 있는 고분자 고체 전해질이 주목받고 있다.

한편, 이러한 전지의 얇은 두께 및 가벼운 중량과 같은 장점을 실용화하려는 시도가 진행되고 있다. 따라서, 플라스틱 필름 또는 플라스틱 필름과 금속 시트가 서로 결합되어 있는 라미네이트 필름을 사용하여 봉입한 다양한 전지가 연구되고있다.

금속제의 기밀 외장재를 사용한 종래의 전지는 강성이 큰 장점을 갖는다. 따라서, 전지의 외장재가 쉽게 변형되지 않는다. 따라서, 전지내 전극 소자가 충격으로부터 충분히 보호될 수 있다. 반면에, 소위 라미네이트 필름은 강성이 약하다. 그 결과, 외부 충격에 대한 내성이 약하다. 따라서, 전지를 떨어뜨리는 경우, 전지내 전극 소자가 쉽게 손상된다. 이로 인해 양극과 음극 사이에 단락이쉽게 발생하는 문제가 생긴다.

전술한 바와 같이, 본 고안의 목적은 외부 충격에 대해 전극 소자를 우수하게 보호할 수 있으며 라미네이트 필름에 봉입된 비수성 전해질 전지를 제공하는 것이다.

이 목적을 달성하기 위해, 본 고안은 라미네이트 필름으로 된 외장재에 전지 소자가 수용되어 있고 열용착에 의해 봉입된, 전지 소자의 1면 이상에 수지층이 삽입되어 전지 소자와 외장재가 서로 격리되어 있는 것을 특징으로 하는 비수성 전해질 전지를 제공한다.

이러한 구조를 갖는 비수성 전해질 전지는 수지층의 충격 완충 작용에 의해 외부 충격으로부터 전지 소자를 보호할 수 있다. 따라서, 낙하 등과 같이 전지에 충격이 가해지는 경우에도 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.

본 고안의 기타 목적, 특징 및 장점이 첨부된 도면과 함께 기재된 바람직한 실시태양의 자세한 설명에 의해 명백해질 것이다.

도 1은 본 고안에 따른 비수성 전해질 전지 구조의 한 예를 나타내는 분해 사시도이다.

도 2는 본 고안에 따른 비수성 전해질 전지 구조의 한 예를 나타내는 개략적 사시도이다.

도 3은 전지 소자의 전체 면을 수지로 덮은 상태를 나타내는 개략적 사시도이다.

도 4는 전지 소자의 전체 면을 수지로 덮은 경우 체적 손실부를 나타내는 3면도이다.

도 5는 미리 성형한 수지판을 수지층으로서 합하는 상태를 나타내는 개략적 사시도이다.

도 6은 수지를 충전함으로써 형성된 수지층의 상태를 나타내는 개략적 사시도이다.

도 7은 실시태양에 따른 전지 소자의 치수를 나타내는 개략적 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 전지 소자

2 : 외장재

3 : 음극 단자 리드

4 : 양극 단자 리드

5, 6, 7 : 수지층

본 고안에 따른 비수성 전해질 전지의 구조가 도면을 참조로 하여 이하에 설명된다.

본 고안에 따른 비수성 전해질 전지는 예를 들면, 고체 전해질 전지 또는 겔상 전해질 전지이다. 도 1 및 2에 나타낸 바와 같이 양극 활성 물질층과 음극 활성 물질층 사이에 고체 전해질 또는 겔상 전해질이 배치된 전지 소자(1)은 라미네이트 필름으로 된 외장재(2)에 수용되어 있다. 라미네이트 필름의 주변은 열용착되어 전지 소자(1)이 봉입되어 있다.

전지 소자(1)은 전지 소자(1)을 구성하는 음극에 전기적으로 연결되어 있는 음극 단자 리드(3), 및 양극에 전기적으로 연결되어 있는 양극 단자 리드(4)로 되어 있다. 음극 단자 리드(3) 및 양극 단자 리드(4)는 외장재(2)의 바깥쪽으로 돌출되어 있다.

본 고안에 따른 비수성 전해질 전지는 전지 소자(1)과 라미네이트 필름 (외장재(2)) 사이의 1면 이상이 수지층인 구조를 갖는다. 이 실시태양에서, 수지층(5 및 6)은 감겨진 전지 소자(1)의 단부 면에 배치된다. 따라서, 전지 소자(1) 및 라미네이트 필름으로 된 외장재(2)는 서로 격리되어 있다. 각각 충격 완충 작용을 갖는 수지층(5 및 6)은 외부 충격으로부터 내부의 전지 소자(1)을 보호한다.

도 3에 나타낸 바와 같이 전지 소자(1)의 전체 면을 수지층(8)로 보호하는 경우, 전술한 목적이 용이하게 달성될 수 있다. 그러나, 이와 같이 전체 면을 덮는 경우는 도 4에 나타낸 사선 영역은 체적 손실분이 된다. 따라서, 제한된 용량의 전지 케이스내 전지 소자(1) 이외의 것이 차지하는 비율이 바람직하지 않게 증가된다. 그 결과, 전지의 체적 에너지 효율이 바람직하지 않게 저하된다.

낙하 등의 경우에서 최대 충격은 전지의 면이 아닌, 전지가 처음 떨어진 코너 부분의 점에 가해진다. 이를 효과적으로 피하기 위해서는 제한된 위치, 즉, 전지 소자(1)의 면 중 면적이 최소인 면에 수지층을 배치하는 것이 바람직하다.

본 고안에 따른 편평형 전지를 라미네이트 필름으로 팩킹한 전지에 있어서 전지 소자를 봉입하는 경우, 습기를 제거하고 기밀성을 향상시키기 위해서 내압을 저하시킨다. 이 경우, 라미네이트 필름에 가해지는 응력은 전지의 코너에 집중된다. 따라서, 전지 소자의 코너는 외부로부터의 충격, 예를 들면, 낙하에 대한 내구성이 불량하다. 따라서, 전지의 내구성은 코너를 효과적으로 보호하면 개선될 수 있다.

전지의 치수 중 최단 치수를 두께라고 정의할 경우, 두께를 줄이는 것이 중요하다. 두께 3 mm의 전지를 100 ㎛ 줄이면, 체적 효율은 3 % 저하된다. 두께 0.5 mm의 전지를 100 ㎛ 줄이면, 체적 효율은 20 % 저하된다. 따라서, 본 고안의 전지는 전지 소자와 라미네이트 필름 사이에 형성된 수지층이 체적 에너지 효율의 감소를 최소화하면서 수지층의 충격 완충 작용으로 인해 외부 충격으로부터 전지 내부를 보호할 수 있다.

상기 수지층을 배치하는 경우, 도 5에 나타낸 바와 같이 미리 성형되고 수지 박판으로 된 수지층(5 및 6)을 삽입하여 라미네이트 필름내에 전지 소자(1)을 봉입하는 방법을 사용할 수 있다. 전지 소자에 경화 수지를 도포하고, 수지를 경화시켜 전지 소자를 라미네이트 필름에 봉입하는 단계를 갖는 또다른 방법을 사용할 수도 있다. 전지를 수용하는 공간을 갖는 형태의 라미네이트 필름을 사용하는 경우, 전지 소자를 그 공간에 수용한다. 이어서, 경화 수지를 봉합하고 수지를 경화시킨 후 라미네이트 필름을 밀봉한다. 이 경우에 도 6에 나타낸 바와 같이 전지 소자(1)의 주변에 수지층(7)이 형성되어 있다. 수지층(7)은 전지 소자(1)의 양단부 면을 덮는 수지층(7a 및 7b)와 전지 소자(1)의 모서리를 따라 형성된 수지층(7c)로 되어 있다. 따라서, 내충격성이 한층 향상된다.

각 수지층(5, 6 및 7)의 두께가 50 ㎛보다 크지 않은 경우, 충분한 내충격성을 수득할 수 없다. 두께가 50 ㎛ 이상인 경우는 내충격성이 다소 향상된다. 확실한 효과를 얻고 작업을 용이하게 하기 위해서는 두께가 100 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 필요하고 충분한 효과를 얻기 위해서는 두께가 약 500 ㎛인 것이 바람직하다. 두께가 1 mm 이상인 경우, 체적 효율의 손실이 크게 발생한다.

전지 소자(1)과 라미네이트 필름 사이에 존재하는 수지층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리아미드, 폴리페닐렌술피드, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 에틸렌 플루오라이드-폴리프로필렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리비닐 플루오라이드, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 메타크릴 수지, 이들의 혼합계 수지 및 가교형 수지로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 1 종 이상의 재료로 제작될 수 있다.

가교결합 수지는 예를 들면, 2-히드록시에틸 (메타)아크릴레이트, 2-히드록시프로필 (메타)아크릴레이트, 글리세롤 (메타)아크릴레이트, 2-아크릴아미드-2-메틸프로판 술포네이트, 소듐 술포네이트 에틸 (메타)아크릴레이트, (메타)아크릴아미드, N,N-디메틸아미노에틸 (메타)아크릴레이트, N,N-디에틸아미노에틸 (메타)아크릴레이트, N-이소프로필아크릴아미드, N,N-디메틸 아미노프로필 아크릴아미드, (메타)아크릴레이트, (메타)아크릴산나트륨, 2-(메타)아크릴로일옥시에틸 숙시네이트, 2-(메타)아크릴로일옥시에틸 프탈레이트, 2-(메타)아크릴로일옥시에틸 헥사히드로프탈레이트, ω-카르복시-폴리카프로락톤 모노아크릴레이트, EO 변성 포스페이트 (메타)아크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 (메타)아크릴레이트, 아크릴로일모르폴린, p-스티렌술포네이트, 비닐 술포네이트, 아릴 술포네이트, (메타)아크릴산 에틸 술포네이트, (폴리)에틸렌 글리콜 디(메타)아크릴레이트 (신나까무라(Shin-Nakamura)의 상표명: NK Ester A-200, A-400, A-600, A-1000, 4G, 9G, 14G 또는 23G, 교에이(Kyoei)의 상표명: Light Ester 4EG, 9EG, 14EG, 9EG-A 또는 14EG-A), (폴리)에틸렌 글리콜 모노(메타)아크릴레이트 (신나까무라의 상표명: NK Ester AMP-10G, AMP-20G, AMP-60G 또는 AMP-90G, 교에이의 상표명: Light Ester MC, 130MA 또는 041MA), 에톡시 폴리프로필렌 글리콜디메타크릴레이트 (신나까무라의 상표명: NK Ester 1206PE)이다. 이 재료는 단독으로 또는 다수의 재료를 서로 합하여 사용할 수 있다. 경화 수단으로서는 열, 자외선, 가시광선, 전자선 또는 방사선을 들 수 있다.

자외선 경화법을 사용하는 경우에 사용하는 개시제는 예를 들면, 자외선으로 활성화될 수 있는 다음 재료 중 어느 하나를 사용할 수 있다: 소듐 메틸디티오카르바메이트 술피드, 테트라메틸티우람 모노술피드, 디페닐 모노술피드 또는 디벤조티아조일 모노술피드와 같은 술피드; 티오크산톤, 에틸티오크산톤, 2-클로로티오크산톤, 디에틸티오크산톤 또는 디이소프로필티오크산톤과 같은 티오크산톤 유도체; 히드라존, 아조이소부틸로니트릴 또는 벤젠디아조니움과 같은 디아조 화합물; 벤조인, 벤조인 메틸에테르, 벤조인 에틸에테르, 벤조인 이소프로필에테르, 벤조페논, 디메틸아미노벤조페논, 미힐러(Michler's) 케톤, 벤질 안트라퀴논, t-부틸 안트라퀴논, 2-메틸 안트라퀴논, 2-에틸 안트라퀴논, 2-아미노안트라퀴논, 2-클로로안트라퀴논, 벤질메틸 케탈 또는 메틸페닐 글리옥실레이트와 같은 방향족 카르보닐 화합물; 1-히드록시 시클로헥실페닐 케톤, 2-히드록시-2-메틸-1-페닐프로판-1-온, 4-(2-히드록시에톡시) 페닐 (2-히드록시-2-프로필) 케톤, 2,2-디에톡시아세토페논 또는 2,2-디메톡시아세토페논과 같은 아세토페논 유도체; 4-디메틸아미노메틸 벤조에이트, 4-디메틸아미노에틸 벤조에이트, 4-디메틸아미노부틸 벤조에이트 또는 4-디에틸아미노이소프로필 벤조에이트와 같은 디알킬아미노부틸 벤조에이트; 벤조일 퍼옥시드, 디-t-부틸 퍼옥시드, 디쿠밀 퍼옥시드 또는 쿠멘 히드로퍼옥시드와 같은 퍼옥시드; 9-페닐 아크리딘, 9-p-메톡시페닐 아크리딘, 9-아세틸아미노아크리딘 또는 벤즈아크리딘과 같은 아크리딘 유도체; 9,10-디메틸벤즈페나진, 9-메틸벤즈페나진 또는 10-메톡시벤즈페나진과 같은 페나진 유도체; 4,4',4'-트리메톡시-2,3-디페닐 퀴녹살린과 같은 퀴녹살린 유도체; 2,4,5-트리페닐 이미다졸 이합체; 할로겐화 케톤; 및 아실포스핀 옥사이드 또는 아실포스포네이트와 같은 아크릴화 인 화합물. 그러나, 이러한 재료에 한정되는 것은 아니다.

가시광선으로 활성화되는 재료는 다음 예를 사용할 수 있다: 2-니트로플루오렌, 2,4,6-트리스(트리클로로메틸)-1,3,5-트리아진, 3,3'-카르보닐 비스쿠말린 및 티오 미힐러 케톤.

전술한 재료는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

배합량이 너무 작으면, 충분한 반응성을 얻을 수 없으며 가교결합점이 저하되고 가소화가 쉽게 일어난다. 배합량이 너무 크면 깨지기 쉬우며 변색이 쉽게 일어난다. 따라서, 그 양은 0.01 중량부 내지 20 중량부, 더욱 바람직하게는 0.1 중량부 내지 5 중량부인 것이 바람직하다.

활성 광선으로 자외선을 사용하는 경우, 광원은 초고압 수은 램프, 고압 수은 램프, 금속 할로겐화물 램프, 크세논 램프 또는 저압 살균 램프이다. 사용하는 자외선의 양은 단량체의 종류 및 광중합 개시제의 양에 따라 다르다. 그 양은 10 mJ/㎠ 내지 10 J/㎠인 것이 바람직하다. 산소 저해를 막기 위해, 자외선의 조사는 불활성 가스의 분위기 또는 대기를 유리 또는 투명한 플라스틱 필름에 의해 차단한 상태에서 수행하는 것이 좋다.

고체 전해질 전지 또는 겔상 전해질 전지의 경우에 있어서, 전지 소자(1)의 고분자 고체 전해질의 중합체 재료는 다음 중 어느 하나일 수 있다: 실리콘 겔, 아크릴 겔, 아크릴로니트릴 겔, 폴리포스파겐 변성 중합체, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 이들의 복합 중합체, 가교결합 중합체, 변성 중합체 또는 불소 중합체, 예를 들면, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-테트라플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-트리플루오로에틸렌) 및 이들의 혼합물이다. 물론, 재료가 이에 한정되는 것은 아니다.

양극의 활성 물질층 또는 음극의 활성 물질층에 적층된 고체 전해질 또는 겔상 전해질은 양극의 활성 물질층 또는 음극의 활성 물질층을 고분자 화합물, 전해질염 및 용매 (및 겔상 전해질인 경우는 가소제)로 된 용액에 함침시켜 수득한다. 이어서, 용매를 제거하여 용액을 고체화한다. 양극의 활성 물질층 또는 음극의 활성 물질층은 양극의 활성 물질층 또는 음극의 활성 물질층에 적층된 고체 전해질 또는 겔상 전해질의 일부를 함침시켜 고체화한다. 가교결합 재료인 경우, 빛 또는 열을 사용하여 재료를 가교결합하여 고체화시킨다.

겔상 전해질은 리튬염을 함유한 가소제 및 2 중량% 내지 30 중량%의 매트릭스 중합체로 이루어져 있다. 이 경우, 에스테르, 에테르 또는 카르보네이트를 단독으로 또는 가소제의 일성분으로 사용할 수 있다.

겔상 전해질을 제조하는 경우, 카르보네이트를 겔화하기 위한 매트릭스 중합체는 겔상 전해질을 구성하기 위해 사용하는 다양한 중합체 중 어느 하나일 수 있다. 산화 및 환원의 안정성 면에서, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 또는 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌)과 같은 불소 중합체를 사용할 수 있다.

고분자 고체 전해질은 리튬염 및 리튬염을 용해시키기 위한 고분자 화합물로 구성되어 있다. 고분자 화합물은 폴리(에틸렌 옥사이드) 또는 그의 가교체와 같은 에테르 중합체, 폴리(메타크릴레이트) 에스테르, 아크릴레이트, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 또는 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌)과 같은 불소 중합체일 수 있다. 이 재료는 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 산화 및 환원의 안정성 면에서, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 또는 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌)과 같은 불소 중합체를 사용하는 것이 바람직하다.

겔상 전해질 또는 고분자 고체 전해질에 함유되어 있는 리튬염은 통상적인 전지 전해액에 사용하는 리튬염일 수 있다. 리튬 화합물(염)은 다음 재료일 수 있다. 본 고안이 하기 재료에 한정되는 것은 아니다.

리튬 화합물(염)은 예를 들면, 염화리튬, 브롬화리튬, 요오드화리튬, 염소산리튬, 과염소산리튬, 브롬산리튬, 요오드산리튬, 질산리튬, 테트라플루오로붕산리튬, 헥사플루오로인산리튬, 아세트산리튬, 비스(트리플루오로메탄술포닐) 이미드 리튬, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiC(SO₂CF₃)₃, LiAlCl₄및 LiSiF₆이다.

전술한 리튬 화합물은 단독으로 또는 다수의 리튬 화합물을 혼합하여 사용할 수 있다. 산화의 안정성 면에서, LiPF₆또는 LiBF₄를 사용하는 것이 바람직하다.

리튬염을 용해하는 농도에 있어서 겔상 전해질의 경우는 0.1 몰 내지 3.0 몰을 가소제 중에 용해시킬 수 있다. 농도는 0.5 몰/리터 내지 2.0 몰/리터인 것이 바람직하다.

본 고안에 따른 전지는 겔상 전해질 또는 고체 전해질을 사용하는 것만 제외하고는 통상적인 리튬-이온 전지의 구조를 가질 수 있다.

즉, 리튬-이온 전지의 음극 재료는 리튬을 도핑/탈도핑하는 재료일 수 있다. 음극을 구성하는 재료는 예를 들면, 난흑연화 탄소 또는 흑연일 수 있다. 구체적으로는, 다음 재료 중 어느 하나를 사용할 수 있다: 열분해 탄소류, 코크스(피치 코크스, 니들 코크스 또는 석유 코크스), 흑연, 유리상 탄소, 유기 고분자 화합물의 소성체 (페놀 수지 또는 푸란 수지를 적당한 온도에서 베이킹하여 탄소화한 재료), 탄소 섬유 및 활성탄. 리튬을 도핑/탈도핑하는 재료로서는 폴리아세틸렌 또는 폴리피롤과 같은 중합체, 또는 SnO₂와 같은 산화물을 사용할 수 있다. 음극이 전술한 재료로 구성되는 경우, 공지된 결합제 등을 첨가할 수 있다.

양극은 금속 산화물, 금속 황화물 또는 특정 중합체인 양극 활성 물질로 구성되어 있다. 리튬 전지를 구성하는 경우, 양극 활성 물질은 TiS₂, MoS₂, NbSe₂또는 V₂O₅와 같이 리튬을 함유하지 않은 금속 황화물 또는 금속 산화물; 또는 Li_xMO₂(여기서, M은 1 종 이상의 전이 금속이고, x는 전지의 충전/방전 상태에 따라 다르지만, 통상 0.05 내지 1.10임)로 주로 구성된 리튬 복합 산화물일 수 있다. 리튬 복합 산화물을 구성하는 전이 금속 M은 Co, Ni 또는 Mn을 사용하는 것이 바람직하다. 리튬 복합 산화물은 예를 들면, LiCoO₂, LiNiO₂, LiNi_yCo_1-yO₂(여기서, 0 < y < 1) 및 LiMn₂O₄이다. 전술한 리튬 복합 산화물은 고전압을 발생시킬 수 있고 충분한에너지 밀도를 나타내는 우수한 양극 활성 물질이다. 양극은 전술한 다수의 양극 활성 물질을 합하여 구성할 수 있다. 양극을 전술한 양극 활성 물질을 사용하여구성하는 경우, 공지된 전도성 물질 및 결합제를 첨가할 수 있다.

전극 단자(음극 단자 리드(3) 및 양극 단자 리드(4))는 양극 및 음극 각각에 상응하는 집전체에 접합시킨다. 전극 단자의 재료는 고전위에서 용해되지 않는 알루미늄, 티타늄 또는 이들의 합금인 것이 바람직하다. 음극은 구리, 니켈 또는 이들의 합금으로 제작할 수 있다.

전극 단자는 체적 효율을 향상시키고 전극 단자를 쉽게 끌어내기 위해 감겨진 전지 소자(1)의 단부 면에서 전지 소자(1)의 주요 면과 겹치도록 접혀 있다. 수지층(5, 6 및 7)은 단락 방지에 효과적이고 또한 쇼크 흡수제로도 작용한다.

본 고안에 따른 비수성 전해질 전지는 1차 전지 또는 2차 전지일 수 있다. 비수성 전해질 전지는 고체 전해질 또는 겔상 전해질을 이용한 리튬-이온 2차 전지인 것이 가장 바람직하다.

실시예

본 고안의 실시예 및 비교예가 실험 결과에 따라 하기에 설명된다.

샘플 전지의 제조

먼저, 음극을 다음과 같이 제조하였다.

분쇄된 흑연 분말 90 중량부 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌) 10 중량부를 혼합하여 음극합제를 제조하였다. 이어서, 음극합제를 N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 음극 집전체이며 두께 10 ㎛의 세로로 긴 구리 호일의 표면에 균일하게 도포하였다. 이어서, 구리 호일을 건조시키고, 세로로 긴 구리 호일을 롤 압축기로 압축성형하여 음극을제조하였다.

반면에, 양극은 다음과 같이 제조하였다.

양극 활성 물질 (LiCoO₂)를 수득하기 위해, 탄산리튬 및 탄산코발트를 0.5:1의 몰비로 서로 혼합하고, 혼합된 물질을 900 ℃에서 5 시간 동안 공기 중에서 베이킹하였다. 이어서, 수득한 LiCoO₂91 중량부, 전도성 물질로서 흑연 6 중량부 및 결합제로서 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌) 10 중량부를 서로 혼합하여 양극합제를 제조하였다. 이어서, 혼합된 재료를 N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 슬러리를 수득하였다. 이 슬러리를 양극 집전체이며 두께가 20 ㎛인 세로로 긴 알루미늄 호일의 표면에 균일하게 도포하였다. 이어서, 알루미늄 호일의 표면을 건조시키고, 세로로 긴 알루미늄 호일을 롤 압축기로 압축성형하여 양극을 제조하였다.

또한, 겔상 전해질을 하기와 같이 하여 수득하였다.

중량 평균 분자량이 600,000인 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌) 10 중량부 및 디에틸 카르보네이트 60 중량부를 에틸렌 카르보네이트 (EC) 42.5 중량부, 프로필렌 카르보네이트 (PC) 42.5 중량부 및 LiPF₆15 중량부로 된 가소제 30 중량부 중에 혼합하고 용해시켜 제조한 용액을 각각 양극 및 음극의 표면에 균일하게 도포하였다. 음극 및 양극을 이 용액에 함침시키고 이어서, 음극 및 양극을 실온에 8 시간 동안 두어서 디메틸 카르보네이트를 증발 제거시켜 겔상 전해질을 수득하였다.

음극 및 양극의 겔상 전해질로 도포된 면을 서로 합치고 압착시켜 도 7에 나타낸 바와 같이 3.3 cm X 5.2 cm X 3.3 mm 평판형 겔상 전해질 전지 (용량: 550 mAh)를 제조하였다.

알루미늄으로 제조된 양극 단자 리드 및 니켈로 제조된 음극 단자 리드를 활성 물질이 도포되지 않은 극판 부분의 표면에 용접하였다. 이어서, 라미네이트 필름으로 제조된 팩에 구조물을 삽입하였다. 5 mm 폭의 팩 부분을 200 ℃에서 10 초간 실링기로 열융착시켜 시험 전지를 제조하였다.

<샘플 1>

폴리프로필렌으로 제조하고 두께가 300 ㎛인 수지판을 도 5에 나타낸 바와 같이 배치하고, 수지판을 도 1 및 2에 나타낸 바와 같이 팩킹하여 시험 전지를 제조하였다.

<샘플 2>

폴리이미드로 제조하고 두께가 300 ㎛인 수지판을 도 5에 나타낸 바와 같이 배치하고, 수지판을 도 1 및 2에 나타낸 바와 같이 팩킹하여 시험 전지를 제조하였다.

<샘플 3>

NK Ester 1206PE (신나까무라의 상표명) 40 중량부, NK Ester 9G (신나까무라 상표명) 25 중량부 및 경화재 ('1173': 시바-가이기(Ciba-Geigy) Co., Ltd.의 상표명) 0.5 중량부를 혼합하고, 혼합된 재료를 진공 탈기시켜 경화 수지 조성물을 수득하였다.

한면에 전지를 수용하기 위한 공간을 갖는 라미네이트 필름에 전지 소자를 수용시켰다. 이어서, 이 수지를 전극 단자에 인접한 면의 반대에 있는 두께가 300 ㎛인 클리어런스부에 충전시켰다. 이어서, 고압 수은 램프를 켜서 20 mJ/㎠의 에너지를 갖는 자외선을 1 분간 조사하여 전지 소자와 라미네이트 필름 사이에 수지층을 수득하였다.

<샘플 4>

폴리프로필렌으로 제조하고 두께가 25 ㎛인 수지판을 사용하는 것을 제외하고는 샘플 1을 제조한 것과 유사한 방법으로 시험 전지를 제조하였다.

<실시예 5>

수지층을 넣지 않은 전지 전극을 팩킹하여 전지를 제조하였다.

평가

각 샘플을 이론 용량의 5 시간율(1/5 C)에서 먼저 충전/방전하고, 각 샘플을 이론 용량의 2 시간율(1/2 C)에서 충전/방전하여 용량 및 평균 방전 전압을 측정하였다. 수지층을 함유한 전지 소자가 외접한 직방체 체적에 따라, 체적 에너지 밀도를 계산하였다.

완전히 충전된 상태의 각 샘플을 전지의 코너가 바닥에 처음 닿도록 2 m 높이에서 50 회 떨어뜨렸다. 이어서, OCV를 측정하여 단락의 발생을 평가하였다(n = 50).

결과를 표 1에 나타냈다.

	낙하 시험후단락의 발생수	체적 에너지 밀도 (Wh/l)
샘플 1	0/50	360.2
샘플 2	0/50	360.2
샘플 3	0/50	360.2
샘플 4	5/50	364.0
샘플 5	8/50	364.3

표 1로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 수지층을 갖는 샘플 1 내지 3은 충분한 체적 에너지 밀도 및 뛰어난 내충격성을 가졌다. 반면에, 비교예인 샘플 5는 내충격성이 불충분하고 단락의 발생율에서도 유의한 차이가 확인되었다. 또한, 수지층의 두께가 얇은 샘플 4에서도 단락의 발생이 나타났다.

본 고안이 다소 구체적인 바람직한 형태 및 구조로 기재되어 있지만, 이 바람직한 형태의 기재가 이하에 청구된 본 고안의 기술적 사상과 범위내에서 구성의 세부 사항이나 일부의 배열이 변할 수 있음은 물론이다.

전술한 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 본 고안은 우수한 기밀성으로 봉입하면서 내충격성을 대폭 향상시킬 수 있다. 따라서, 낙하 등으로 인해 전지에 충격이 가해지는 경우에도 높은 신뢰성을 갖는 비수성 전해질 전지를 제공할 수 있다.

Claims (9)

1. 라미네이트 필름으로 된 외장재 및 상기 외장재에 수용되고 열용착에 의해 봉입된 전지 소자를 포함하며, 상기 전지 소자의 1면 이상에 수지층이 삽입되어 전지 소자 및 외장재가 서로 격리되어 있는 것을 특징으로 하는 비수성 전해질 전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 수지층이 미리 성형된 수지판으로 된 것임을 특징으로 하는 비수성 전해질 전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 수지층이 수지를 봉입하여 형성된 것임을 특징으로 하는 비수성 전해질 전지.
4. 제1항에 있어서, 상기 수지층의 두께가 50 ㎛ 내지 1.0 mm인 것을 특징으로 하는 비수성 전해질 전지.
5. 제1항에 있어서, 상기 전지 소자를 구성하는 전해질이 매트릭스 중합체 및 리튬염을 함유한 겔상 전해질 또는 고체 전해질인 것을 특징으로 하는 비수성 전해질 전지.
6. 제1항에 있어서, 상기 전지 소자를 구성하는 음극이 리튬을 도핑/탈도핑하는재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 비수성 전해질 전지.
7. 제6항에 있어서, 상기 리튬을 도핑/탈도핑하는 재료가 탄소 재료인 것을 특징으로 하는 비수성 전해질 전지.
8. 제1항에 있어서, 상기 전지 소자를 구성하는 양극이 리튬과 전이 금속의 복합 산화물을 함유하는 것을 특징으로 하는 비수성 전해질 전지.
9. 제1항에 있어서, 상기 비수성 전해질 전지가 2차 전지인 것을 특징으로 하는 비수성 전해질 전지.