KR20060043312A - 리튬 이온 전지의 단락 방지 방법 - Google Patents

리튬 이온 전지의 단락 방지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 이온 전지의 단락 방지 방법이다. 전지는 층간 화합물로 제조한 부극, 층간 화합물로 제조한 정극, 및 부극과 정극 사이에 삽입된 25 마이크론 이하 두께의 격리판을 가진다. 본 발명의 방법은 정극의 가장자리부를 곡선화 하거나 사선화 함으로써, 충전하는 동안 부극 및 정극이 팽창되어 격리판을 압착할 때 정극의 곡선형 또는 사선형 가장자리부가 격리판을 절단할 수 없게 하는 단계를 포함한다.
리튬 이온 전지, 정극, 부극, 격리판, 단락

Description

리튬 이온 전지의 단락 방지 방법{METHOD OF PREVENTING SHORT CIRCUITING IN A LITHIUM ION BATTERY}
본 발명을 도해할 목적으로 현재의 바람직한 형태를 도면에 도시했지만, 본 발명이 도시된 정확한 배열 및 수단에만 한정되는 것으로 이해해서는 안 된다.
도 1은 종래기술의 셀에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조한 셀에 대한 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조한 셀에 대한 모식도이다.
본 발명은 전지의 정극(cathode)을 곡선화 하거나 사선화 함으로써 리튬 이온 전지의 단락을 방지하는 방법에 관한 것이다.
단락은 리튬 이온 전지에서 공지되어 있는 문제점이다. 단락은 부극(anode)과 정극이 물리적으로 접촉할 때 발생한다. 부극과 정극 사이에 삽입된 격리판은 이들이 접촉하지 않도록 유지시킨다. 그러나, 격리판은 파괴될 수 있다. 이것은 셀에 대한 손상(예를 들면, 파쇄 또는 천공), 제작 동안의 손상(즉, 격리판의 천공), 수지상결정의 성장, 또는 충전 동안의 결과로서 발생할 수 있다. 충전하는 동안에 격리판의 파괴를 방지하는 것이 본 발명의 초점이다.
충전하는 동안 부극의 층간 화합물[주로 탄소계 화합물(예를 들면, 코크스 및/또는 흑연)이지만, 금속 산화물(예를 들면, WO2, MoO2, TiS2)도 존재함]은 정극의 층간 화합물[주로 금속 산화물(예를 들면, MoO2, MnO2, TiS2, NbSe3, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO4)]로부터 유리된 Li 이온을 수용한다. 리튬 이온은 각 층간 화합물의 분자에 의해 형성된 간극 공간내에 포함되어 있다. 부극에 이온이 수용되면, 부극은 팽창한다. 부극은 6 내지 10 vol%로 팽창할 수 있다. 정극에서 이온이 방출되면, 정극도 팽창한다. 정극은 금속 산화물의 경우, 다음 면에 존재하는 금속 산화물의 산소 원자 위에 쌓아 올려져 있는 금속 산화물의 산소 원자(음전하)에 의해서 간극 공간이 형성되기 때문에 팽창한다. 리튬 이온(양전하)은 이들 판 사이에 삽입시, 판을 서로 끌어당기는 경향이 있다. 그러므로, 리튬 이온이 정극에서 방출되면, 정극은 팽창한다. 정극은 3 vol%까지 팽창할 수 있다.
충전하는 동안 부극 및 정극이 팽창하면 격리판이 부극과 정극 사이에서 압착된다.
전형적인 원통형 또는 각형 리튬 이온 전지에서, 부극, 격리판, 및 정극은 부극 테이프, 격리판 테이프, 및 정극 테이프를 함께 감거나 접음으로써 조립된다. 격리판 테이프의 폭이 가장 넓고, 그 다음이 부극이며, 정극 테이프의 폭이 가장 좁다. 예를 들어, 격리판 테이프의 폭은 60 mm일 수 있고, 부극은 59 mm일 수 있으며, 정극은 58 mm일 수 있다. 또한, 격리판은 극단적으로 얇은데, 일반적으로는 약 1 mil(25 마이크론)이다. 도 1을 참조로, 종래기술의 셀(10)은 부극(12), 격리판(14) 및 정극(16)의 다발로서 도해된다. 충전하는 동안 부극 및 정극이 팽창할 때, 정극(12)은 특정 지점(18)에서 격리판(14)을 절단할 수 있다. 이 지점(18)에서, 부극(12)과 정극(16)이 접촉하여 단락을 야기시킬 수 있다.
전술한 단락 시나리오를 방지하는 방법이 필요하다.
본 발명은 리튬 이온 전지의 단락 방지 방법이다. 전지는 층간 화합물로 제조한 부극, 층간 화합물로 제조한 정극, 및 부극과 정극 사이에 삽입된 25 마이크론 이하 두께의 격리판을 가진다. 본 발명의 방법은 정극의 가장자리부를 곡선화 하거나 사선화 함으로써, 충전하는 동안 부극 및 정극이 팽창되어 격리판을 압착할 때 정극의 곡선형 또는 사선형 가장자리부가 격리판을 절단할 수 없게 하는 단계를 포함한다.
종래기술의 셀(10)을 도시한 도 1을 참조하되, 이 도면에서 동일한 숫자는 동일한 성분을 지시한다.
셀(10)은 원통형 또는 각형의 통상적인 리튬 이온 셀이다. 부극은 리튬화 층간 화합물[주로 탄소계 화합물(예를 들면, 코크스 및/또는 흑연)이지만, 금속 산화물(예를 들면, WO2, MoO2, TiS2)도 존재함]이다. 바람직하게는, 부극은 리튬화 코크스 또는 흑연 화합물이다. 격리판은 바람직하게는 약 1 mil(25 마이크론) 이하의 두께를 갖는 미세다공성 폴리올레핀 막이다. 격리판은 폴리올레핀[폴리에틸렌(LDPE, LLDPE, HDPE, UHMWPE, 및 이들의 배합물) 포함]으로 된 단일층 막 또는 폴리올레핀[폴리에틸렌(저밀도 폴리프로필렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리프로필렌(LLDPE), 고밀도 폴리프로필렌(HDPE), 초 고분자량 폴리프로필렌(UHMWPE), 및 이들의 배합물), 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리메틸펜텐, 및 이들의 공중합체와 혼합물 포함]으로 된 다중층 막일 수 있다. 정극은 리튬화 층간 화합물[주로 금속 산화물(예를 들면, MoO2, MnO2, TiS2, NbSe3, LiCoO2, LiNiO2, LiMnO4)]이다. 바람직하게는, 정극은 리튬화 LiCoO2, LiNiO2, 또는 LiMnO4이다. 전술한 각 내용은 통상적인 것이다. 예를 들면, 린덴 디.(Linden, D.) 편집의 전지 편람(Handbook of Batteries) 2판[뉴욕주 뉴욕 소재 맥그로-힐 인코포레이티드(McGraw-Hill, Inc.), 1995], 및 베젠하드 제이.오.(Besenhard, J.O.) 편집의 전지 재료 편람(Handbook of Battery Materials)[독일 바인하임 소재 빌리-VCH 퍼락 게엠베하(Wiley-VCH Verlag GmbH), 1999]을 참조할 수 있으며, 이들은 둘다 본원에서 참조인용된다.
셀(10)은 부극, 격리판, 및 정극의 다발이다. 부극(12)은 격리판(14) 위에 배치된다. 격리판(14)은 부극(12)보다 폭이 넓다. 격리판(14)은 정극(16) 위에 배치된다. 정극(16)은 부극(12)이나 격리판(14)보다 폭이 넓지 않다. 정극(16)은 사각의 가장자리를 가진다. 충전하는 동안 부극(12) 및 정극(16)이 팽창할 때(도면에서 팽창은 수직 방향으로 발생함), 특정 지점(18)에서의 압력이 격리판(14)을 절단할 수 있다.
도 2 및 3에는, 본 발명을 도해했다. 도 2의 셀(10')에서는 정극(16')이 곡선형 가장자리를 가진다. 도 3의 셀(10")에서는 정극(16")이 사선형 가장자리를 가진다. 사각의 가장자리가 제거되었기 때문에, 충전하는 동안 부극 및 정극이 팽창할 때, 격리판의 절단은 최소화되거나 발생하지 않는다.
본 발명은 그 취지 및 필수적인 속성에서 벗어나지 않는 한 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 따라서 전술한 명세서보다는 본 발명의 범위를 지시하고 있는 첨부된 특허청구범위를 참조해야 한다.
정극의 가장자리부를 곡선화 하거나 사선화 함으로써, 충전하는 동안 부극 및 정극이 팽창되어 격리판을 압착할 때 정극의 곡선형 또는 사선형 가장자리부가 격리판을 절단할 수 없게 한다.

Claims (2)

  1. 정극(cathode)의 가장자리부를 곡선화 하거나 사선화 함으로써, 충전하는 동안 부극(anode) 및 정극이 팽창되어 격리판을 압착할 때 정극의 곡선형 또는 사선형 가장자리부가 격리판을 절단할 수 없게 하는 단계를 포함하는, 층간 화합물로 제조한 부극, 층간 화합물로 제조한 정극, 및 부극과 정극 사이에 삽입된 25 마이크론 이하 두께의 격리판을 갖는 리튬 이온 전지의 단락 방지 방법.
  2. 제1항에 있어서, 정극의 층간 화합물이 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 전지의 단락 방지 방법.
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