KR20060043934A - 안전성이 향상된 전기화학소자 및 그를 구비한전기화학소자 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 전기화학소자 및 그를 구비한 전기화학소자 팩에 관한 것으로, 양극, 음극 및 그 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 적층형 전기화학소자에 있어서, 상기 전기화학소자의 최외곽 상부와 하부에 각각 열감응 안전소자가 구비되고, 이 각 열감응 안전소자는 활물질이 도포되지 않으면서 내부의 해당 전극과 전기적으로 연결되는 두 개의 금속박과, 이 두 금속박 사이에 배치되는 다른 분리막으로 구성되며, 이 다른 분리막은 내부의 일반적인 고분자계 분리막과는 다른 열수축이 큰 수지로 이루어진 것을 특징으로 한다. 그에 따라, 본 발명은 못이나 드릴팁 등과 같은 뾰족한 물체의 침입뿐만 아니라 전지 내부에 가해지는 열 또는 외부로부터 가해지는 압궤 또는 부분압궤 등과 같은 물리적 충격으로부터 전지를 안전하게 보호할 수 있게 한다.
안전성, 전기화학소자, 분리막, 열수축, 세라믹

Description

안전성이 향상된 전기화학소자 및 그를 구비한 전기화학소자 팩{SAFETY-ENHANCED ELECTROCHEMICAL CELL AND CELL PACK WITH THE SAME}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안전성이 향상된 적층형 전기화학소자를 보여주는 개략 단면도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 안전성이 향상된 젤리롤형 전기화학소자를 보여주는 개략 분해 사시도.
도 3은 권취된 상태의 젤리롤형 전기화학소자를 보여주는 개략 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 적층형 전기화학소자 2: 양극
3: 음극 4: 일반 분리막
4a: 열수축이 큰 분리막 4b: 세라믹계 분리막
5: 열감응 안전소자 6, 6a: 금속박
7: 충격감응 안전소자 8: 젤리롤형 전기화학소자
본 발명은 안전성이 향상된 전기화학소자 및 그를 구비한 전기화학소자 팩에 관한 것으로, 특히 전지가 과충전 또는 과방전에 의해 내부로부터 가열되거나 또는 외부로부터 압궤 또는 부분압궤 등과 같은 물리적 충격을 받았을 때 최외곽의 활물질이 도포되지 않은 금속박 간에 미리 단락을 일으켜 전지가 발화하거나 폭발하는 것을 사전에 방지할 수 있도록 하는 안전성이 향상된 전기화학소자 및 그를 구비한 전기화학소자 팩에 관한 것이다.
최근 에너지 저장기술에 대한 관심이 지속적으로 높아지고 있는 가운데, 휴대폰, 디지털 카메라, MP3 플레이어, 나아가서는 하이브리드 자동차, 전기 자동차의 에너지 분야까지 확대되면서 이들에 필수적인 전지의 연구개발에 대한 노력이 집중되고 있다.
무엇보다도 전지의 주체를 이루는 전기화학소자는 그러한 측면에서 가장 주목받는 대상이 되고 있으며, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지는 해당 업계의 주요 관심사항이 되고 있다.
최근에는 그러한 전지를 개발함에 있어 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극을 포함해 관련 부품들의 성능개선을 위한 전지 개발에 많은 노력이 집중되고 있다.
한편, 이차전지 중에는 리튬이온전지, 리튬이온 폴리머전지, 리튬 폴리머전지 등이 있으며, 이들 이차전지는 수계 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해 작동전압이 높고 에너지 밀도가 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.
상기 리튬이온전지의 작동 메커니즘은 기존 전지의 그것과 다른데 그 작동 메카니즘은 다음과 같다.
리튬이온전지의 양극(cathode)에는 활물질인 LiCoO2, 음극(anode)에는 활물질인 흑연(graphite)이 도포되어 있는데 이들은 수많은 빈공간을 갖는 결정구조를 이룬다. 그에 따라, 전지의 충방전시 리튬이온이 양측 빈공간에서 상호 들어갔다 나갔다 하면서 이동 가능하게 되어 있다.
양극은 전자를 포집하는 역할을 하는 전류집전체로서 알루미늄 호일을 사용하며, 상기 LiCoO2는 전자 전도도가 낮기 때문에 전자전도도를 높일 수 있도록 그 LiCoO2에는 탄소가 부가된다.
음극은 전류집전체로서 구리 호일을 사용하며, 상기 흑연은 전자전도도가 우수하기 때문에 전자전도물질이 부가되지 않는다. 상기 양극과 음극은 분리막으로 격리되어 있으며, 전해질은 유기용매에 리튬염을 넣은 용액이 사용된다.
상기 리튬이온전지는 방전된 상태로 제조되며, 리튬이온전지의 작동 메카니즘은 충전시 LiCoO2의 결정속에 들어있는 리튬이온이 빠져나와 음극으로 이동하여 흑연결정구조 속으로 들어가고, 그와 반대로 방전시에는 흑연결정구조 속에 들어있는 리튬이온이 빠져나와 양극측 LiCoO2의 결정 속으로 들어가는 방식으로 이루어진다.
그러나, 전술한 바와 같은 이차전지에는 반응에 민감한 리튬금속이 사용되고 있기 때문에 전지가 과충전 또는 과방전되어 내부에 발열이 일어났을 때 그 최외곽 의 활물질이 도포되지 않은 전극이 제때에 단락되지 않아 전지가 발화 또는 폭발될 우려가 매우 높았다.
한 예로, 일본공개특허 제1996-153542호에는 양극, 음극 및 그 양극과 음극 사이에 구비되는 분리막을 포함하는 전극조립체의 일부 테두리에 활물질이 도포되지 않은 부분을 마련하여 외부로부터 못이나 드릴팁 등과 같은 뾰족한 물체가 전지의 내부로 침입되었을 때 그 활물질이 도포되지 않은 전극간에 단락을 일으켜 전지를 안전하게 보호하는 전기화학소자에 관한 기술이 개시되어 있다.
그러나, 상기 전기화학소자는 전지가 외부로부터 못이나 드릴팁 등과 같은 뾰족한 물체에 의해 침입되었을 때만 내부의 활물질이 도포되지 않은 전극간에 단락이 일어나도록 되어 있었기 때문에 전지가 과충전 또는 과방전되어 내부에 발열이 일어났을 때 그 최외곽의 활물질이 도포되지 않은 전극이 제때에 단락되지 않아 전지가 발화 또는 폭발될 우려가 매우 높았다.
한편, 다른 예로 일본공개특허 제2003-243037호에는 전지의 최외곽에 마련되는 활물질이 도포되지 않은 양극과 음극 사이에 내부의 일반적인 고분자계 분리막 보다 용융점이 낮은 분리막을 구비하여 전지 내부의 급격한 온도 상승시 그 용융점이 낮은 분리막을 용융시켜 최외곽의 활물질이 도포되지 않은 전극간에 미리 단락을 일으켜 전지를 안전하게 보호하는 전기화학소자에 관한 기술이 개시되어 있다.
그러나, 전술한 바와 같은 전기화학소자는 전지 내부의 온도가 일정수준 이상으로 상승되었을 때만 그 용융점이 낮은 분리막이 녹으면서 최외곽의 활물질이 도포되지 않은 전극간에 단락이 일어나도록 되어 있었기 때문에 전지가 외부로부터 압궤 또는 부분압궤 등과 같은 물리적 충격을 받았을 때 그 최외곽의 활물질이 도포되지 않은 전극간에 단락이 일어나지 않아 전지가 발화 또는 폭발될 우려가 매우 높았다.
이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 전기화학소자의 최외곽측 활물질이 도포되지 않은 금속박 사이에 열수축이 큰 분리막을 구비하여 전지 내부의 온도가 일정수준 이상으로 올라가면 그 열수축이 큰 분리막이 수축을 일으켜 그 금속박 간에 미리 단락이 일어나도록 하여 전지가 발화하거나 폭발할 우려를 사전에 해소할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열수축이 큰 분리막의 외측 두 금속박 사이에 파괴인장강도가 작은 세라믹계 분리막을 구비하여 전지가 외부로부터 압궤 또는 부분압궤 등과 같은 물리적 충격을 받았을 때 그 금속박 간에 미리 단락이 일어나도록 하여 전지가 발화하거나 폭발할 우려를 사전에 해소할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 못이나 드릴팁 등과 같은 뾰족한 물체의 침입뿐만 아니라 전지 내부에 가해지는 열 또는 외부로부터 가해지는 압궤 또는 부분압궤 등과 같은 물리적 충격으로부터 전기화학소자를 안전하게 보호할 수 있게 하고, 아울러 그러한 전기화학소자를 여러 유닛으로 구비할 수 있도록 하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 안전성이 향상된 적층형 전기화학소자는 양극, 음극 및 그 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막 을 포함하는 적층형 전기화학소자에 있어서, 상기 전기화학소자의 최외곽 상부와 하부에 각각 열감응 안전소자가 구비되고, 이 각 열감응 안전소자는 활물질이 도포되지 않으면서 내부의 해당 전극과 전기적으로 연결되는 두 개의 금속박과, 이 두 금속박 사이에 배치되는 다른 분리막으로 구성되며, 이 다른 분리막은 내부의 일반적인 고분자계 분리막과는 다른 열수축이 큰 분리막인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 안전성이 향상된 젤리롤형 전기화학소자는 양극, 음극 및 그 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 젤리롤형 전기화학소자에 있어서, 상기 전기화학소자의 나선상 최외곽 테두리에 열감응 안전소자가 구비되고, 이 열감응 안전소자는 활물질이 도포되지 않으면서 내부의 해당 전극과 전기적으로 연결되는 두 개의 금속박과, 이 두 금속박 사이에 배치되는 다른 분리막으로 구성되며, 이 다른 분리막은 내부의 일반적인 고분자계 분리막과는 다른 열수축이 큰 분리막인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안전성이 향상된 적층형 전기화학소자를 보여주는 개략 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 안전성이 향상된 젤리롤형 전기화학소자를 보여주는 개략 분해 사시도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 안전성이 향상된 적층형 전기화학소자(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 양극(2), 음극(3) 및 그 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막(4)을 포함하는 적층형 전기화학소자에 있어서,
상기 전기화학소자(1)의 최외곽 상부와 하부에 각각 열감응 안전소자(5)가 구비되고, 이 각 열감응 안전소자는 활물질이 도포되지 않으면서 내부의 해당 전극과 전기적으로 연결되는 두 개의 금속박(6)과, 이 두 금속박 사이에 배치되는 다른 분리막(4a)으로 구성되며, 이 다른 분리막은 내부의 일반적인 고분자계 분리막(4)과는 다른 열수축이 큰 수지로 이루어져 있다.
여기에서, 상기 각 열감응 안전소자(5)의 최외곽 금속박(6)의 외측에 충격감응 안전소자(7)가 더 구비되고, 이 각 충격감응 안전소자는 활물질이 도포되지 않으면서 해당 열감응 안전소자(5)의 인접한 금속박(6)과 다른 극성의 전극과 전기적으로 연결되는 하나의 금속박(6a)과, 그 금속박과 인접한 금속박(6) 사이에 배치되는 파괴인장강도가 작은 세라믹계 분리막(4b)으로 이루어져 있다. 여기에서, 그 세라믹계 분리막은 세라믹만으로 구성된 형태, 세라믹에 일부의 고분자가 첨가된 형태, 이들의 조합된 형태중 하나일 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 안전성이 향상된 젤리롤형 전기화학소자(8)는 도 2에 도시된 바와 같이, 양극(2), 음극(3) 및 그 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막(4)을 포함하는 젤리롤형 전기화학소자에 있어서,
상기 전기화학소자(8)의 나선상 최외곽 테두리에 열감응 안전소자(5)가 구비되고, 이 열감응 안전소자는 활물질이 도포되지 않으면서 내부의 해당 전극과 전기적으로 연결되는 두 개의 금속박(6)과, 이 두 금속박 사이에 배치되는 다른 분리막(4a)으로 구성되며, 이 다른 분리막은 내부의 일반적인 고분자계 분리막(4)과는 다른 열수축이 큰 수지로 이루어져 있다.
여기에서, 상기 열감응 안전소자(5)의 나선상 외측에 충격감응 안전소자(7)가 더 구비되고, 이 충격감응 안전소자는 활물질이 도포되지 않으면서 해당 전극과 전기적으로 연결되는 두 개의 금속박(6)과, 그 두 금속박 사이에 배치되는 파괴인장강도가 작은 세라믹계 분리막(4b)으로 이루어져 있다.
상기 제1 실시예와 제2 실시예의 경우, 상기 전기화학소자(8)의 최외곽에 구비되는 열수축이 큰 분리막(4a)은 에틸렌계 수지로 이루어지는 것이 바람직하며, 그 열수축이 큰 분리막은 에틸렌계 수지중에서도 단일의 PE(폴리에틸렌)로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 반해, 상기 전기화학소자(8)의 내부 분리막(4)은 상대적으로 열수축율이 적은 PP(폴리프로필렌)를 적용한 다층 고분자수지(PE/PP/PE)로 이루어져 있다.
상기 세라믹은 Pb(Zr,Ti)O3, Pb1-xLaxZr1-yTiyO 3, PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3, BaTiO3, HfO2, SrTiO3, TiO2, SiO2, Al2O3, ZrO 2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, Y2O3, 및 이들의 혼합체를 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분으로 이루어져 있다.
다른 실시예로, 본 발명에 따른 전기화학소자 팩은 전술한 바와 같은 적층형 또는 젤리롤형 전기화학소자(1,8)를 하나의 전지팩(도시되지 않음) 안에 여러 유닛으로 구비할 수 있다. 여기에서, 상기 전기화학소자(1,8)는 다른 인접한 전기화학소자와 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 못이나 드릴팁 등과 같은 뾰족한 물체의 침입 뿐만 아니라 전지 내부에 가해지는 열 또는 외부로부터 가해지는 압궤 또는 부분압궤 등과 같은 물리적 충격으로부터 전지를 안전하게 보호할 수 있게 한다.
아울러, 본 발명은 전기화학소자를 여러 유닛으로 구비할 수 있게 하여 소정 장비의 전력 요구량에 맞게 전지를 구성할 수 있게 한다.

Claims (9)

  1. 양극, 음극 및 그 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 적층형 전기화학소자에 있어서,
    상기 전기화학소자의 최외곽 상부와 하부에 각각 열감응 안전소자가 구비되고, 이 각 열감응 안전소자는 활물질이 도포되지 않으면서 내부의 해당 전극과 전기적으로 연결되는 두 개의 금속박과, 이 두 금속박 사이에 배치되는 다른 분리막으로 구성되며, 이 다른 분리막은 내부의 일반적인 고분자계 분리막과는 다른 열수축이 큰 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 전기화학소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각 열감응 안전소자의 최외곽 금속박의 외측에 충격감응 안전소자가 더 구비되고, 이 각 충격감응 안전소자는 활물질이 도포되지 않으면서 해당 열감응 안전소자의 인접한 금속박과 다른 극성의 전극과 전기적으로 연결되는 하나의 금속박과, 그 금속박과 인접한 금속박 사이에 배치되는 파괴인장강도가 작은 세라믹계 분리막으로 이루어진 것인 안전성이 향상된 전기화학소자.
  3. 양극, 음극 및 그 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하는 젤리롤형 전기화학소자에 있어서,
    상기 전기화학소자의 나선상 최외곽 테두리에 열감응 안전소자가 구비되고, 이 열감응 안전소자는 활물질이 도포되지 않으면서 내부의 해당 전극과 전기적으로 연결되는 두 개의 금속박과, 이 두 금속박 사이에 배치되는 다른 분리막으로 구성되며, 이 다른 분리막은 내부의 일반적인 고분자계 분리막과는 다른 열수축이 큰 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 전기화학소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 열감응 소자의 나선상 외측에 충격감응 안전소자가 더 구비되고, 이 충격감응 안전소자는 활물질이 도포되지 않으면서 해당 전극과 전기적으로 연결되는 두 개의 금속박과, 그 두 금속박 사이에 배치되는 파괴인장강도가 작은 세라믹계 분리막으로 이루어진 것인 안전성이 향상된 전기화학소자.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 열수축이 큰 분리막은 에틸렌계 수지로 이루어진 것인 안전성이 향상된 전기화학소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 열수축이 큰 분리막은 단일의 PE(폴리에틸렌)로 이루어진 것인 안전성이 향상된 전기화학소자.
  7. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 세라믹은 Pb(Zr,Ti)O3, Pb1-xLaxZr1-y TiyO3, PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3, BaTiO3, HfO2, SrTiO3, TiO2, SiO2, Al2O3, ZrO2, SnO 2, CeO2, MgO, CaO, Y2O3, 및 이들의 혼합체를 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분으로 이루어진 것인 안전성이 향상된 전기화학소자.
  8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 따른 전기화학소자를 하나의 전지팩 안에 여러 유닛으로 구비한 것을 특징으로 하는 전기화학소자 팩.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전기화학소자는 다른 인접한 전기화학소자와 병렬 또는 직렬로 연결된 것인 전기화학소자 팩.
KR1020040091671A 2004-11-11 2004-11-11 안전성이 향상된 전기화학소자 및 그를 구비한전기화학소자 팩 KR20060043934A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100899283B1 (ko) * 2006-07-24 2009-05-27 주식회사 엘지화학 두 종류의 분리막으로 구성된 젤리-롤 및 이를 포함하고있는 이차전지
KR101048617B1 (ko) * 2006-07-13 2011-07-13 주식회사 엘지화학 수명 특성이 개선된 리튬 이차 전지
US7985498B2 (en) 2007-05-30 2011-07-26 Samsung Sdi Co., Ltd. Lithium secondary battery

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