KR20060044822A - 비수성 전해질 이차 전지 - Google Patents

비수성 전해질 이차 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20060044822A
KR20060044822A KR1020050025352A KR20050025352A KR20060044822A KR 20060044822 A KR20060044822 A KR 20060044822A KR 1020050025352 A KR1020050025352 A KR 1020050025352A KR 20050025352 A KR20050025352 A KR 20050025352A KR 20060044822 A KR20060044822 A KR 20060044822A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cathode
active material
current collector
negative electrode
material layer
Prior art date
Application number
KR1020050025352A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100779282B1 (ko
Inventor
요시나오 타테바야시
히로키 이나가키
노리오 타카미
Original Assignee
가부시끼가이샤 도시바
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 가부시끼가이샤 도시바 filed Critical 가부시끼가이샤 도시바
Publication of KR20060044822A publication Critical patent/KR20060044822A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100779282B1 publication Critical patent/KR100779282B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H01M4/662—Alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/117—Inorganic material
    • H01M50/119—Metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/538—Connection of several leads or tabs of wound or folded electrode stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H01M50/578—Devices or arrangements for the interruption of current in response to pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/584—Means for preventing undesired use or discharge for preventing incorrect connections inside or outside the batteries
    • H01M50/59—Means for preventing undesired use or discharge for preventing incorrect connections inside or outside the batteries characterised by the protection means
    • H01M50/595—Tapes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10—Temperature sensitive devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

알루미늄 또는 알루미늄 함금으로 형성된 음극 전류 콜렉터 및 음극 전류 콜렉터의 일부에 형성된 음극 활성 물질층을 포함하고, 리튬 전극 전위보다 0.4V 이상 높은 Li-흡수-방출 전위를 갖는 음극; 음극 활성 물질층이 형성되지 않은 음극 전류 콜렉터의 가장자리 부분에 연결된 음극 말단; 음극 활성 물질층 및 상기 영역을 대면하도록 배치된 양극 활성 물질층을 포함하는 양극; 음극 전류 콜렉터의 영역에 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재를 포함하는 비수성 전해질 이차 전지.
음극 전류 콜렉터, 음극 활성 물질층, 음극, 음극 말단, 양극, 응력 부여 부재, 양극 활성 물질층, 비수성 전해질 이차 전지.

Description

비수성 전해질 이차 전지{NONAQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY}
도 1은 본 발명의 첫번째 실시태양에 따른 감긴 유형의 비수성 전해질 이차 전지의 구성을 모식적으로 보여주는, 부분적으로 절개된 사시도이다.
도 2는 전극군의 바깥 주변 가장자리 부분의 구성을 모식적으로 보여주는, 감긴 유형의 전극의 펼쳐진 상태에 대한 부분 평면도이다.
도 3은 도 1에서 보여진 감긴 유형의 비수성 전극 이차 전지에 포함되는 감긴 유형의 전극군의 바깥 주변 가장자리의 구성을 모식적으로 보여주는 평면도이다.
도 4는 전류 차단 기구의 작동 전 상태에서, 도 1에서 보여진 감긴 유형의 비수성 전해질 이차 전지의 바깥쪽 주변 가장 자리 부분 근처의 영역의 구성을 아래에서 본 것을 모식적으로 보여주는 부분 단면도이다.
도 5는 전류 차단 기구의 작동 후 상태에서, 도 1에 보여진 감긴 유형의 비수성 전해질 이차 전지의 바깥 주변 가장자리 부분 근처의 영역의 구성을 아래에서 본 것을 모식적으로 보여주는 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 두번째 실시태양에 따른 적층 유형의 비수성 전해질 이차 전지에 포함된 전극군 내의 양극, 음극 및 분리막의 배열을 모식적으로 보여주는 평면도이다.
도 7은 전류 차단 기구의 작동 전의 상태에서, 도 6에서 보여진 것처럼 양극, 음극 및 분리막이 배열된 전극군을 포함하는 적층 유형의 비수성 전해질 이차 전지의 구성을 모식적으로 보여주는 단면도이다.
도 8은 전류 차단 기구의 작동 후의 상태에서, 도 6에 보여진 것처럼 양극, 음극 및 분리막이 배열된 전극군을 포함하는 적층 유형의 비수성 전해질 이차 전지의 구성을 모식적으로 보여주는 단면도이다.
<도면 부호에 대한 설명>
1: 양극 말단, 2: 음극 말단, 3: 양극, 4: 음극, 5: 분리막, 6: 케이스; 7: 열수축가능 수지 테이프, 8: 접착 섹션, 9: 전류 차단 섹션, 10: 판 스프링, 3a: 양극 전류 콜렉터, 3b: 양극 활성 물질층, 4a: 음극 전류 콜렉터, 4b: 음극 활성 물질층
일본 특허 공개(코카이) 제6-163052호
관련 출원과의 교차 인용
본 출원은 2004년 3월 29일 출원된 선행 일본 특허 출원 제2004-094984호의 우선권의 이익을 주장하며 그에 기초한 것으로, 상기 문헌의 모든 내용을 본원에 인용문헌으로 포함한다.
발명의 배경
1. 발명이 속하는 기술 분야
본 발명은 비수성 전해질 이차 전지에 관한 것이다.
2. 관련 분야에 대한 설명
높은 에너지 밀도를 갖는 전지를 개발하기 위해, 양극과 음극 사이의 리튬 이온의 이동에 의해 충전되고 방전되는 비수성 전해질 이차 전지에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.
일반적으로, 비수성 전해질 이차 전지는, 만약 과충전되면, 온도 상승, 액 누출, 가스 유출 및 발화(ignition)와 같은 위험이 동반될 수 있다. 따라서, 비수성 전해질 이차 전지에는 전류를 감소시키거나 중단시키는 안전 기구(mechanism)가 장착된다.
과충전을 막는 안전 기구는 외부 요소 및 내부 요소로 분류된다.
외부 요소는 일반적으로 온도 의존성 유형인 PTC(Positive Temperature Coefficient) 서미스터 및 온도 퓨즈를 포함한다. 그러나, 탈착가능한 외부 요소는 안정성이 부족하고, 예를 들어, 비용 상승을 일으키므로, 따라서, 외부 요소는 바람직하지 않다. 또한, 온도 의존성 유형의 요소는 그의 작동이 불균일한 결점이 있다.
상황이 이러하여, 압력 의존성 유형, 팽창 의존성 유형 등 다양한 내부 요소가 제안되고 있다. 그러나, 내부 압력의 상승에 의해 작동하는 압력 의존성 유형의 내부 요소를 이용하는 경우, 적층 필름과 같은 유연한 물질로 만들어진 유연한 케이스를 이용하는 것은 불가능하다. 반면, 비수성 전해질 이차 전지의 내부에서 부피의 팽창에 의해 작동하는 팽창 의존성 내부 요소는 유연한 케이스를 이용하는 것이 가능하다. 그러나, 팽창 의존성 내부 요소의 작동은 비수성 전해질 이차 전지 주위의 빈 공간(free space)의 크기에 의해 불균일하게 이루어진다. 특히, 비수성 전해질 이차 전지 주위의 빈 공간이 매우 작을 경우, 내부 요소가 팽창하지 않을 수 있어, 비수성 전해질 이차 전지의 안전이 손상되는 결과가 생긴다는 것을 특히 주의해야 한다.
반면에, 일본 특허 공개(코카이) 제6-163052호는 과방전된 후에 양극 전위보다 음극 전위가 높아지기(noble) 때문에, 비수성 전해질 이차 전지가 역 방전하에 놓일 때 케이스에 대한 안전 기구로서 합금 의존성 유형의 내부 요소를 개시한다. 이 특허 문서에서 개시된 내부 요소는, 합금은 형성하기 위해 역 충전 상태하에서 예를 들어 리튬 이온과 반응하는 금속으로 형성된 양극 말단(terminal) 및 양극 말단에 인장 응력을 부여하기 위한 인장 응력 부여 수단을 포함한다. 이 특허 문서에 개시된 내부 요소에 따르면, 양극 말단은 역 충전 상태하에서 합금이 되어 취성(brittle)이 되고, 응력 부여 수단에 의해 부여된 인장 응력에 의해 양극 말단이 단절될 수 있다. 그 결과로서, 전류 경로가 끊긴다. 상기에서 인용된 특허 문헌에 개시된 내부 요소는 전지의 케이스 재질에 상관없이 안전 기구의 작동에 불균일성을 억제할 수 있게 한다.
그러나, 상기에서 인용된 특허 문헌에 개시된 비수성 전해질 이차 전지는 만약 전지의 고율(high rate) 특성을 향상시키기 위해 양극 말단의 단면적을 증가시 키면, 양극 말단은 합금되지 않게 되어 전지의 안전성을 손상시키게 된다. 또한, 만약 양극 말단의 합금을 증진시키기 위해 양극 말단의 단면적을 줄이면, 비수성 전해질 이차 전지의 고율 특성이 낮아지는 부가적인 문제점이 발생한다.
본 발명의 목적은 높은 안정성을 갖고, 고율 특성을 유지하는 비수성 전해질 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 첫번째 면에 따르면, 이하를 포함하는 비수성 전해질 이차 전지가 제공된다:
케이스;
이 케이스 내에 제공되며, 알루미늄 또는 알루미늄 함금으로 형성된 음극 전류 콜렉터 및 음극 전류 콜렉터의 일부에 형성된 음극 활성 물질층을 포함하고, 리튬 전극 전위보다 0.4V 이상 높은 Li 흡수-방출 전위를 갖는 음극;
음극 활성 물질층이 형성되지 않은 음극 전류 콜렉터의 영역의 가장자리 섹션에 연결된 음극 말단;
Li를 흡수 및 방출하고, 음극 활성 물질층 및 음극 전류 콜렉터의 영역을 마주보도록 배치된 양극 활성 물질층을 포함하는 양극;
양극 및 음극 사이에 제공되는 분리막(separator);
음극 전류 콜렉터의 영역에 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재; 및
케이스 내에 제공된 비수성 전해질.
본 발명의 두번째 면에 따르면, 이하를 포함하는 비수성 전해질 이차 전지가 제공된다:
Li를 흡수-방출하는 양극 활성 물질층을 포함하는 양극;
알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성된 음극 전류 콜렉터 및 음극 전류 콜렉터의 일부에 형성된 음극 활성 물질층, 및 리튬 전극 전위 보다 0.4V 이상 높은 Li 흡수-방출 전위를 갖는 음극 활성 물질을 함유하는 음극 활성 재료층을 포함하는 음극;
음극 활성 재료층이 형성되지 않은 음극 전류 콜렉터의 영역의 일부에 전기적으로 연결된 음극 말단;
양극과 음극 사이에 제공되는 분리막;
음극 활성 물질층이 형성되지 않은 음극 전류 콜렉터의 영역의 다른 부분에 형성되고, 음극 말단과 음극 활성 물질층 사이에 배치되며, 분리막을 통해 양극 활성 물질층을 대면하는 전류 차단 섹션; 및
전류 차단 섹션에 인장 또는 전단 응력을 부여하는 전류 차단 기구.
본 발명의 세번째 면에 따르면 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 적층 구조를 나선형으로 감아 제조된 전극군; 음극 전류 콜렉터의 바깥쪽 가장자리 섹션에 전기적으로 연결된 음극 말단; 전류 차단 섹션; 및 전류 차단 기구를 포함하는 비수성 전해질 이차 전지가 제공되고,
여기서,
양극은 Li를 흡수-방출하는 양극 활성 물질층을 포함하며;
음극은 알루미늄 또는 알루미늄 함금으로 형성된 음극 전류 콜렉터, 및 음극 전류 콜렉터의 일부에 형성된 음극 활성 물질층을 포함하고, 음극 활성 물질층은 리튬 전극 전위보다 0.4V 이상 높은 Li 흡수-방출 전위를 갖는 음극 활성 물질을 함유하며;
전류 차단 섹션은 음극 활성 물질층이 형성되지 않은 음극 전류 콜렉터의 영역의 일부에 형성되고, 상기 영역은 음극 말단과 음극 활성 물질층 사이에 배치되고, 전류 차단 섹션은 분리막을 통해 양극 활성 물질층을 대면하며;
전류 차단 기구는 전류 차단 섹션에 고정된 열수축가능 수지 테이프를 포함한다.
본 발명의 네번째 면에 따르면, 케이스; 케이스 내에 제공되고, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 적층구조로 형성된 전극군; 음극 말단; 전류 차단 섹션; 및 전류 차단 기구를 포함하는 비수성 전해질 이차 전지가 제공되고,
여기서,
양극은 Li를 흡수-방출하는 양극 활성 물질층을 포함하며;
음극은 알루미늄 또는 알루미늄 함금으로 형성되고, 돌출 부분을 갖는 음극 전류 콜렉터, 적어도 돌출 부분을 제외한 음극 전류 콜렉터에 형성되고, 리튬 전극 전위보다 0.4V 이상 높은 Li 흡수-방출 전위를 갖는 음극 활성 물질을 함유하는 음극 활성 물질층을 포함하며;
음극 말단은 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분에 전기적으로 연결되고;
전류 차단 섹션은 분리막을 통해 양극 활성 물질층과 대면하도록 배치된 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분의 영역에 형성되며, 음극 말단과 음극 전류 콜렉터의 전류 경로에 놓이고;
전류 차단 기구는 케이스의 안쪽면과 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분 사이에서 압착된 상태로 배열되는 스프링 부재를 포함한다.
또한, 본 발명의 다섯번째 면에 따르면, 케이스; 케이스 내에 제공되고, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 적층 구조로 형성된 전극군; 음극 말단; 전류 차단 섹션; 및 전류 차단 기구를 포함하는 비수성 전해질 이차 전지가 제공되며,
여기서:
양극은 Li를 흡수-방출하는 양극 활성 물질층을 포함하며;
음극은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되고, 돌출 부분을 갖는 음극 전류 콜렉터, 적어도 돌출 부분을 제외한 음극 전류 콜렉터에 형성되고, 리튬 전극 전위보다 0.4V 이상 높은 Li 흡수-방출 전위를 갖는 음극 활성 물질을 함유하는 음극 활성 물질층을 포함하며;
음극 말단은 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분에 전기적으로 연결되고;
전류 차단 섹션은 분리막을 통해 양극 활성 물질칭에 대면하도록 배치된 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분의 영역에 형성되고, 음극 말단과 음극 전류 콜렉터의 전류 경로에 놓이며;
전류 차단 기구는 케이스의 안쪽 표면과 돌출 부분 사이에 제공되며, 케이스 내 온도가 올라갈 때 돌출 부분에 압력을 가하는 형상 기억 부재를 갖는다.
본 발명의 일부 실시태양이 동반되는 도면을 참고로 기술될 것이다. 덧붙이자면, 중복 기재를 방지하기 위해, 동일한 인용 번호는 본 발명의 모든 실시태양에 걸쳐 전지의 공통 구성에 적용된다. 또한, 동반되는 도면은 본 발명의 이해 및 기술을 돕고자 의도된 모식도이다. 도면 중 보여진 형상, 크기, 비율 등은 실체 비수성 전해질 이차 전지의 그것과 다를 수 있다. 물론, 이하의 기술 내용 및 현 기술 수준의 관점에서 전지의 디자인을 적절히 변화시키는 것이 가능하다.
집중적인 연구의 결과로서, 본 발명자들은 이하에 지적한 중요한 기술적 아이디어에 도달하게 되었다.
구체적으로, 음극은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성된 음극 전류 콜렉터 및 전류 콜렉터에 의해 지지되는 음극 활성 물질을 포함한다. 음극 활성 물질은 음극 작동 전위가 리튬 금속의 전위보다 약 0.4V 이상 높도록 한다. 음극 활성 물질은 활성물질을 지지하지 않는 음극 전류 콜렉터의 부분이 분리막에 의해 양극과 대면하도록 음극의 전류 콜렉터의 부분에 의해 의도적으로 지지되지는 않는다. 환언하면, 음극 전류 콜렉터, 분리막, 양극 활성 물질 및 양극 전류 콜렉터로 이루어진 적층 구조로 형성된 "a" 영역을 포함하는 비수성 전해질 이차 전지가 제조된다. 음극 전류 콜렉터가 활성 물질을 지지하지 않는 "a" 영역은 "a" 영역이 합금될 때, 음극 전류 콜렉터의 전류 경로를 끊도록 형성된다.
이 경우에, 음극 전류 콜렉터는 비수성 전해질 이차 전지의 통상 사용 중 만족스러운 전기 전도성을 보여준다. 또한, 전지가 과충전된 상태에 놓일 때 음극의 전위가 리튬 금속의 전위보다 약 0.3 V 낮아지며, 음극 전류 콜렉터의 "a" 영역에 해당하는 부분의 알루미늄은 양극 활성 물질로부터 공급되는 리튬 이온과 반응하여, 높은 저항을 갖는 Al-Li 합금을 형성하여 음극 전류 콜렉터를 거쳐 흐르는 전류가 갑자기 감소하는 결과를 보인다.
상기에서 기술한 기술에 따라, 고율 특성을 희생하지 않고, 높은 안전성을 갖는 비수성 전해질 이차 전지를 얻을 수 있다.
그러나, "a" 영역 내 음극 전류 콜렉터가 Al-Li 함금으로 변환되는 경우에도, 전류 경로를 끊는 것은 어렵다. 또한, "a" 영역내 음극 전류 콜렉터가 바로 Al-Li 합금으로 변환되지 않을 수 있다. 이 경우, 비수성 전해질 이차 전지의 온도가 약한 전류에 의해 상승하고, 전지의 파손 또는 파열을 일으킨다. 이러한 상황에서 안정성을 더욱 향상시키기 위해, 전류 경로를 물리적으로 차단하도록 하는 전류 차단 기구를 비수성 전해질 이차 전지에 포함시키도록 하는 것이 바람직하다. 이 유형의 전류 차단 기구는 예를 들어 음극 전류 콜렉터의 "a" 영역에 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재를 포함한다.
본 발명에 따른 비수성 전해질 이차 전지는 음극 전류 콜렉터를 포함한다. 음극 활성 물질층은 음극 전류 콜렉터의 표면의 넓은 영역에 형성된다. 비수성 전극 이차 전지가 과충전된 상태하에서, 음극 전류 콜렉터의 "A" 영역, 즉 음극 활성 물질층이 형성되지 않고, 분리막을 통해 양극 활성 물질층을 대면하도록 배치된 음극 전류 콜렉터의 영역은 양극 전류 활성 물질로부터 공급되는 리튬과 반응하여, 높은 저항의 Al-Li 합금을 형성하여, 전류를 충전하는 것을 감소시킨다. 또한, 이렇게 형성된 Al-Li 함금이 취성이므로, 음극 전류 콜렉터를 파손하는 방향으로 가 해진 응력에 의해, 즉, A 영역에 가해진 인장 응력 또는 전단 응력에 의해 합금이 이동되면, 심지어 그것이 매우 작더라도, 그 합금은 쉽게 부서진다. 따라서, 비수성 전해질 이차 전지에 있어서, 전류의 충전이 쉽게 차단될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, A 영역의 음극 전류 콜렉터는 과충전 상태가 될 때 까지, Al-Li 합금으로 변환되지 않는다. 따라서, 비수성 전해질 이차 전지는 과충전이 될 때까지, 고율 특성을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 음극 전류 콜렉터의 전류 경로를 거쳐 연장되는 방법으로 음극 전류 콜렉터의 A 영역이 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 음극 전류 콜렉터의 전류 경로는 더욱 쉽게 차단될 수 있다.
본 발명은 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재, 음극, 양극, 분리막, 비수성 전해질 및 케이스의 면에서 더욱 상세히 기술될 것이다.
1) 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재:
인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재는 연속적 하중 유형 부재 및 상태 반응 유형 부재를 포함한다. 응력 부여 부재의 이러한 유형은 비수성 전해질 이차 전지의 용도, 전극군의 형상, 음극 전류 콜렉터의 기계적 강도, 등의 관점에서 적절히 선택될 수 있다.
인장 응력 또는 전단 응력을 연속적으로 부여하는 연속적 하중 유형 부재를 먼저 기술한다.
연속적 하중 유형의 응력 부여 부재의 작동 시기는 Al-Li 합금의 취성에 의해, 즉 전류의 과충전된 양에 의해 결정된다. 따라서, 연속적 하중 유형은 온도 및 공간 같은 주위 환경 인자에 의한 작동의 불편함이 발생하지 않는 점에서 상태 반응 유형 부재에 비해 장점을 갖는다.
a 영역에 부여된 응력은 Al-Li 합금으로 형성된 a 영역을 파손하기에 충분히 커야 하나, 알루미늄 호일 또는 알루미늄 합금 호일로 형성된 음극 전류 콜렉터를 파손할 정도로 커서는 안된다. 더욱 구체적으로, 비록 a 영역에 부여되어야 하는 전단 응력이 a 영역의 형상 및 면적, 다른 것에 척층된 음극 전류 콜렉터의 층의 수, 두께, 폭에 따라 변하지만, a 영역에 부여되는 인장 응력 또는 전단 응력은 0.2 N/㎟ 내지 50 N/㎟의 범위에 들어가도록 하는 것이 바람직하다. a 영역에 부여되는 응력은 1 N/㎟ 내지 10 N/㎟의 범위에 드는 것이 더욱 바람직하다.
연속 하중 유형 응력 부여 부재는 예를 들어 스프링을 포함한다. 응력 부여 부재로 사용되는 스프링을 설명한다.
다양한 금속으로 만들어진 스프링을 응력 부여 부재로서 사용할 수 있다. 스프링의 표면은 전기적으로 절연된 것이 바람직하다. 스프링이 전기적으로 예를 들어 음극 전류 콜렉터에 연결될 때, 스프링을 형성하는 금속이 용출되어 Li 흡수-방출 반응을 손상시킬 수 있다. 또한 스프링을 형성하는 금속이 이차 전지의 과충전 상태하에서 리튬과 합금되어, 스프링이 취화되어 스프링의 기계적 강도가 불충분해지는 결과가 생길 수 있다.
스프링의 형상에 대하여는, 응력 부여 부재로서의 스프링은 예를 들어, 판 스프링(leaf spring), 코일 스프링, 앵귤러 스프링(angular spring) 및 텔레스코픽 스프링(telescopic spring)을 포함한다.
스프링의 두께가 0.2 ㎜ 내지 0.5 ㎜의 범위에 드는 것이 바람직하다. 만약, 스프링의 두께가 0.2 ㎜보다 작으면, 비-형성 영역, 즉 음극 활성 물질층이 형성되지 않은 음극 전류 콜렉터의 영역에 부여되는 응력이 약해져 과충전상태에서 음극 전류 콜렉터의 비-형성 영역이 파쇄되기 어렵다. 반면에, 스프링의 두께가 0.5 ㎜를 초과하면, 비-형성 영역이 전지의 정상 작동 도중에 파쇄될 수 있다.
상태 반응성 유형의 응력 부여 부재, 즉 미리 정해진 조건이 만족될 때, 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부재를 설명한다.
응력 반응성 유형 부재는 전지의 저장 및 통상 사용 중에서는 응력을 부여하지 않고, 따라서 예를 들어 물리적 충격에 대해 저항성이 있는 연속 응력 유형 부재에 비해 유리하다.
A 영역에 부여되는 응력은 Al-Li 합금으로 형성된 A 영역을 파쇄시키기에 충분할 정도로 커야하나, 알루미늄 호일 또는 알루미늄 합금 호일로 형성된 음극 전류 콜렉터를 파쇄시킬 만큼은 크지 않아야 한다. 온도 응답 유형의 전류 차단 기구는 상기에서 기술한 바와 같이 기구의 작동이 불균일해지는 문제점을 일으키기 때문에, A 영역에 부여되는 응력의 상한은 구체화된다. 더욱 구체적으로, 상기 언급한 응력의 상한은 상기에서 기술한 연속 응력 유형의 응력 부여 부재의 경우와 동일하다.
전류 차단 기구의 작동은 일반적으로 온도에 의존한다. 구체적으로 전류 차단 기구는 60℃ 내지 140℃, 바람직하게는 90℃ 내지 110℃의 온도에서 작동가능한 것이 바람직하다. 만약 전류 차단 기구가 60℃보다 낮은 온도에서 작동가능하면, 전류 차단 기구는 심지어 과충전 상태에 의한 위험한 상황이 예상되지 않을 때에도 작동할 수 있다. 또한, 만약 전류 차단 기구가 140℃보다 높은 온도에서 작동가능하면, 이차 전지가 과충전된 상태하에서 전류 차단 기구가 작동하기 전에 열 급등 반응(thermal runaway reaction)이 일어날 수 있다.
상태 반응성 유형의 응력 부여 부재는 예를 들어 열수축가능 수지 테이프 및 형상 기억 합금으로 된 스프링 형태의 부재를 포함한다.
열수축가능 수지 테이프를 기술한다.
상기에서 주어진 온도에서 수축하는 열수축가능 수지 테이프는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로리드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌 고무, 이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 스티렌-부타디엔 고무 및 니트릴-부타디엔 고무로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로부터 형성된다. 열수축가능 수지 테이프를 형성하기 위해, 상기에서 예시된 물질의 복수종의 혼합물 또는 단일종을 사용하는 것이 가능하다.
열수축가능 수지 테이프는 예를 들어, 밴드 유사(band-like) 필름, 장방형(oblong) 필름 또는 관형(tublar) 필름의 형상이어야 한다.
본원에서 이후 기술되는 것처럼, 열수축가능 수지 테이프는 접착제를 사용하여 고정된다. 열수축가능 수지 테이프의 고정된 면적은 수지 테이프의 총 면적을 기준으로 20 내지 80%, 바람직하게 40 내지 60%인 것이 바람직하다. 만약 수지 테이프의 고정된 면적이 20% 이상일 경우, 접착제가 열 수축 수지 테이프로부터 받은 인장 응력을 충분히 견딜 수 있다. 또한, 만약 수지 테이프의 고정된 면적이 80% 이하인 경우, 열수축가능 수지 테이프의 고정된 부분에서 미끌어짐 저항성이 감소되어 A 영역에 부여되는 인장 응력을 증가시킬 수 있다. 덧붙이면, 제조 공정의 관점에서, 열수축가능 수지 테이프에 미리 접착제가 지지되는 것이 바람직하다.
예를 들어 비수성 전해질에 대한 저항성 및 수축 온도의 관점에서, 열수축가능 수지 테이프를 형성하기 위해 다공성 폴리에틸렌 또는 다공성 폴리프로필렌을 사용하는 것이 특히 바람직하다.
열수축가능 수지 테이프는 50 내지 300 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
형성 기억 합금으로 형성된 스프링-형상의 부재를 기술한다.
형상 기억 합금으로 형성된 스프링-형상의 부재의 표면은 스프링의 표면처럼 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다. 60℃ 내지 140℃의 변형 온도를 갖는 형상 기억 합금은 예를 들어 Ti-Ni 합금, Cu-Al-Ni 합금, Cu-Zn-Al 합금, Cu-Zn-Ni 합금, Mn-Cu 합금 및 Fe-Mn 합금을 포함한다. 형상 기억 합금의 표면은 스프링의 표면처럼 음극 전류 콜렉터로부터 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다.
전류 차단 섹션, 즉 음극 활성 물질층이 형성되지 않은 영역에 충분한 응력을 부여하기 위해 변형 온도에 이르렀을 때 형성 기억 합금 부재가 변형하는 것이 바람직하다. 형상 기억 합금 부재는 만약 합금 부재가 예를 들어 스프링 같은 형상이면, 이러한 방법으로 변형된다.
형상 기억 합금 부재의 스프링 형상은 응력 부여 부재로서 사용되는 스프링과 관련하여 이전에 기술한 바와 같다.
변형 온도에 이르렀을 때, 형상 기억 합금으로 형성된 스프링-형상의 부재가 판형 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이것은 강력한 응력이 음극 활성 물질층이 형성되지 않은 영역에 부여될 수 있게 하여 상기에서 언급한 특정한 영역을 실패 없이 파손시킨다.
인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재는 예를 들어 접착제를 사용하여 적절히 고정된다.
비수성 전해질의 환경 또는 수축 온도하에서도 접착제가 그의 접착성을 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들어 실리콘-기재의 접착제 또는 아크릴-기재의 접착재를 사용하는 것이 가능하다. 접착재가 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하기 위한 응력 부여 부재가 부드럽게 작동할 수 있도록 하기 때문에, 접착재를 사용하는 것이 바람직하다.
접착제로서, 예를 들어 에폭시-기재의 수지 접착제, 실리콘-기재의 수지 접착제, 아크릴-기재의 수지 접착제, 폴리이미드-기재의 수지 접착제, 폴리아미드이미드-기재의 수지 접착제 및 페놀성 수지-기재의 접착제를 사용하는 것이 또한 가능하다.
2) 음극:
음극은 이하와 같이 제조된다. 첫번째 단계로, 음극 활성 물질, 도전제 및 결합제를 적절한 용매중에 분산시켜 슬러리를 제조한다. 이어서, 음극 전류 콜렉터의 한면 또는 양면을 이처럼 제조된 슬러리로 도포하고, 이어서 슬러리로 도포된 음극 절류 콜렉터를 건조 및 압착하여 음극의 전류 콜렉터상에 음극 활성 물질층을 형성시켜 음극을 제조한다.
음극 활성 물질은 리튬 금속의 전위를 기준으로 0.4 내지 3 V의 음극 전위를 실현하도록 맞춰지며, 예를 들어 산화 금속, 황화 금속, 질화 금속 및 합금을 포함한다.
음극 활성 물질로서 사용되는 산화 금속은 예를 들어 리튬 티타네이트(예를 들어 Li4+xTi5O12, 0≤x≤3)같은 리튬 티타늄 옥시드, WO3같은 산화 텅스텐, SnB0.4P0.6O3.1같은 무정형 산화 주석, SnSiO3같은 주석-실리콘 옥시드 및 SiO같은 산화 실리콘을 포함한다. 음극 활성 물질을 형성하는 산화 금속으로서 리튬 티타늄 옥시드를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
황화 금속은 예를 들어 TiS2같은 황화 티타늄, MoS2같은 황화 몰리브넨 및 FeS, FeS2 또는 LixFeS2 같은 황화 철을 포함한다.
또한, 질화 금속은 예를 들어 LixCoyN (0<x<4, 0<y<0.5)같은 리튬-코발트 니트리드를 포함한다.
덧붙이면, 음극 작동 전위가 리튬 금속 전위를 기준으로 약 0.4V 높지 않도록 하는 음극 활성 물질은 예를 들어 탄소 재료를 포함한다. 그러한 음극 활성 물질을 함유하는 음극 작동 전위는 A 영역이 합금되는 전위로부터의 그의 차가 작다 (약 0.3 V 대 Li/Li+). 상황이 이러하므로, 비수성 전해질 이차 전지가 정상적으로 작동할 수 있는 전위의 범위가 작기 때문에, 상기에서 언급한 음극 활성 물질, 즉 탄소 재료를 사용하는 것이 바람직하지 않다.
또한, 비수성 전해질은 리튬 금속의 전위에 비해 5V 이상의 전위하에서 일반적으로 분해될 수 있다. 대략 2V의 전지 전압를 갖는 비수성 전해질 이차 전지를 제조함에 있어, 음극 전위(음극의 Li 흡수-방출 전위)의 상한은 약 3V에 맞춰지는 것이 바람직하다. 덧붙이면, 전지 전압은 양극 전위와 음극 전위간의 전위차이다.
탄소 재료는 도전제로서 이용될 수 있다. 탄소 재료는 예를 들면 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 코크, 탄소 섬유 및 흑연을 포함한다.
결합제는 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오리드(PVdF), 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 및 카르복시메틸 셀룰로우즈(CMC)를 포함한다.
또한, 알루미늄 호일 또는 알루미늄 함금 호일이 음극 전류 콜렉터로서 이용될 수 있다. 음극 전류 콜렉터는 8 내지 25㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
음극 활성 물질층에서 음극 활성 물질, 도전제 및 결합제의 혼합 비율에 대하여는, 음극 활성 물질이 80중량% 내지 95중량%, 도전제가 3중량% 내지 20중량%, 결합제가 2중량% 내지 7중량%의 양으로 함유되는 것이 바람직하다.
도전제가 20중량% 이하의 양으로 함유되는 경우, 고온에서 비수성 전해질 이차 전지의 저장 중 도전제의 표면에서 비수성 전해질의 분해가 억제될 수 있다. 또한, 결합제가 2중량% 이상의 양으로 함유되는 경우, 충분히 높은 전극 강도를 얻을 수 있다. 반면에, 결합제가 7중량% 이하의 양으로 함유되는 경우, 전극 내 절연체의 비율이 감소될 수 있다.
3) 양극:
양극은 이하와 같이 제조된다.
첫번째 단계로, 양극 활성 물질, 도전제 및 결합제를 적절한 용매 내에서 분산시켜 슬러리를 제조한다. 이어서, 양극 전류 콜렉터의 단면 또는 양면에 그렇게 제조한 슬러리로 도포를 하고, 이어서 슬러리로 도포된 양극 전류 콜렉터를 건조 및 압착하여 양극의 전류 콜렉터의 양극 활성 물질층을 형성시켜 양극을 제조한다.
양극 활성 물질은 예를 들어 산화물 및 중합체를 포함한다.
산화물은 예를 들면 리튬 염을 함유하는 이산화망간(MnO2), 산화철, 산화구리, Fe2(SO4)3같은 황산 구리, V2O5같은 산화바나듐, LixMn2O4 및 LixMnO2같은 리튬-망간 복합체 산화물, LixNiO2같은 리튬-니켈 복합체 산화물, LixCoO2같은 리튬-코발트 복합체 산화물, LiNi1-yCoyO2같은 리튬-니켈-코발트 복합체 산화물, LiMnyCo1-yO2같은 리튬-망간-코발트 복합체 산화물, LixMn2-yNiyO4같은 스피넬 유형의 리튬-망간-니켈 복합체 산화물 및 LixFePO4, LixFe1-yMnyPO4 및 LixCoPO4같은 감람석 구조를 갖는 리튬-인 산화물를 포함한다. 상기 예시된 화학식에서 x 및 y가 0≤x≤1, 0≤y≤1인 것이 바람직하다.
중합체는 예를 들어 폴리아닐린 및 폴리피롤 같은 도전성 중합체 및 디술피드-기재의 중합체 물질을 포함한다.
양극 활성 물질은 예를 들어 LixMn2O4같은 리튬-망간 복합체 산화물, LixNiO2같은 리튬-니켈 복합체 산화물, LixCoO2같은 리튬-코발트 복합체 산화물, LiNi1- yCoyO2같은 리튬-니켈-코발트 복합체 산화물, LixMn2-yNiyO4같은 스피넬 유형의 리튬-망간-니켈 복합체 산화물, LixMnyCo1-yO2같은 리튬-망간-코발트 복합체 산화물 및 LixFePO4같은 리튬 철 인산염을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 양극 활성 물질은 높은 양극 전압을 얻는 것이 가능하게 해준다.
일반적으로, 비수성 전해질은 5V 이상의 전위하에서 분해될 수 있다. 따라서, 양극의 Li 흡수-방출 전위는 5V보다 크지 않는 것이 바람직하다.
도전제는 예를 들면 아세틸렌 블랙, 카본 블랙 및 흑연을 포함한다.
한편, 결합제는 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오리드(PVdF) 및 플루오르화된 고무를 포함한다.
양극 활성 물질층에서 양극 활성 물질, 도전제 및 결합제의 혼합비에 대하여는, 양극 활성 물질이 80중량% 내지 95중량%, 도전제가 3중량% 내지 20중량%, 결합제가 2중량% 내지 7중량%의 양으로 함유되는 것이 바람직하다. 도전제가 3중량% 이상의 양으로 함유될 때, 양극 활성 물질층의 전자 도전성이 향상되어, 전류 콜렉터와의 접촉 저항을 억제할 수 있다. 또한, 도전제가 20중량% 이하의 양으로 함유될 때, 고온에서 비수성 전해질 이차 전지의 저장 중 도전제 표면에서 비수성 전해질의 분해를 억제할 수 있다. 또한, 결합제가 2중량% 이상의 양으로 함유될 때, 충분히 높은 전극 강도를 얻을 수 있다. 또한, 결합제가 7중량% 이하의 양으로 함유될 때, 전극 내 절연체의 비가 감소될 수 있다.
4) 분리막
본 발명에서 다공성 분리막이 사용될 수 있다. 더욱 구체적으로, 다공성 분리막은 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 셀룰로우즈 또는 폴리비닐리덴 플루오리드(PVdF)의 다공성 필름 및 합성 수지의 부직포를 포함한다. 특히, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌으로 만들어진 다공성 필름 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물로 만들어진 다공성 필름을 사용하는 것이 바람직하며, 이는 특정의 다공성 필름이 온도의 상승에 따라 구멍을 막는 기능을 하여 전류 경로를 파손하기 때문이다. 상기에서 언급한 다공성 필름은 비수성 전해질 이차 전지의 안정성을 향상시킬 수 있도록 해준다.
5) 비수성 전해질:
비수성 전해질은 리튬염 같은 전해질을 유기 용매에 녹여 제조된 액체 비수성 전해질, 액체 비수성 전해질 및 중합체 물질을 함유한 복합체 물질을 함유하는 겔-유사 비수성 전해질 및 리튬염 및 중합체 물질을 함유하는 복합체 물질을 함유하는 고체 비수성 전해질을 포함한다. 비수성 전해질로서 리튬염을 함유하는 이온성 액체를 사용하는 것 역시 가능하다.
액체 비수성 전해질은 유기 용매에 전해질을 0.5 내지 2 몰/L의 농도로 녹여서 제조할 수 있다.
전해질은 예를 들어 LiBF4, LiPF4, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, Li(CF3SO2)3C 및 LiB[(OCO)2]2를 포함한다. 상기 예시한 전해질의 복수종의 혼합물 또는 단일종의 전해질을 사용할 수 있다.
유기 용매는 예를 들어 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸렌 카보네이트(EC) 같은 환형 카보네이트, 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC) 및 메틸 에틸 카보네이트(MEC)같은 선형 카보네이트 및 디메톡시 에탄(DME) 및 디에톡시 에탄(DEE) 같은 선형 에테르, 테트라히드로푸란(THF) 및 디옥솔란(DOX) 같은 환형 에테르 뿐만 아니라 γ-부티로락톤(GBL), 아세토니트릴(AN) 및 술폴란(SL)을 포함한다. 상기 예시한 용매의 복수종의 혼합물 또는 단일종의 용매를 사용할 수 있다.
중합체 물질은 예를 들어 폴리비닐리덴 플루오리드(PVdF), 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 폴리에틸렌 옥시드(PEO)를 포함한다.
리튬 이온, 유기 양이온 및 유기 음이온을 함유하는 이온성 액체가 100℃ 이하의 온도하, 바람직하게는 실온 이하의 온도하에서 액체의 형태일 수 있다는 점을 주의해야 한다.
6) 케이스:
금속으로 만들어진 용기 또는 적층 필름으로 만들어진 용기가 비수성 전해질 이차 전지의 케이스로 사용될 수 있다. 케이스는 평판, 시트, 각기둥 또는 원통의 형상인 것이 바람직하다.
금속 케이스는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되는 것이 바람직하다. 중량 감소의 측면에서는, 금속 용기가 약 0.5 ㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.2 ㎜ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
적층 필름은 예를 들어 알루미늄 호일 및 알루미늄 호일을 덮는 수지 필름을 포함하는 다층 필름이다. 알루미늄 호일을 덮는 수지 필름은 예를 들어 폴리프로 필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 나일론 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 만들어진 중합체 콤파운드 필름으로 형성되는 것이 가능하다. 중량 감소의 측면에서는, 적층 필름이 약 0.2 ㎜이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명을 더욱 상세히 기술하기 이해 감긴 유형의 전극군 또는 적층 유형의 전극군을 포함하는 납작한 비수성 전해질 전지의 일 실시태양을 이하에서 더욱 상세히 기술한다.
제1 실시태양:
감긴 유형의 전극군을 포함하는 비수성 전해질 이차 전지를 이하에서 설명한다. 이하에서 기술되는 비수성 전해질 이차 전지에서, 열수축가능 수지 테이프가 편의상 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재로서 사용된다.
도 1은 본 발명의 첫번째 실시태양에 따른 감긴 유형의 전극군을 포함하는 비수성 전해질 이차 전지의 구성을 모식적으로 보여주는, 부분적으로 절개된 사시도이다. 도 1에서 보여진 것처럼, 전극군은 양극(3), 음극(4) 및 양극(3)과 음극(4) 사이에 놓인 분리막(5)를 포함하는 적층 구조를 나선형으로 감아서 제조된다. 상기 언급된 적층 구조는 음극(4)가 적층 구조의 최외곽층을 구성하도록 배치되고, 감긴 적층물이 납작한 형상을 갖도록 나선형으로 감긴다. 전극군은 필름으로 된 가방과 유사한 케이스(6)내에 넣어지고, 비수성 전해질은 케이스(6)내에 넣어진 전극군에 의해 유지된다. 전극군의 바깥쪽 주변 가장자리 부분(즉, 감는 것이 끝난 가장자리 부분)은 감는 축에 수직 방향으로 보여진 것처럼 언급된 순으로 배치된 분리막(5), 양극(3) 및 음극(4)의 감긴 가장자리를 포함한다. 밴드-유사한 양극 말단(1)은 예를 들어 양극(3)의 바깥쪽 주변 가장자리 근처의 영역에 접합(welding)에 의해 전기적으로 연결된다. 또한, 밴드 유사한 음극 말단(2)는 예를 들어 음극(4)의 바깥쪽 주변 가장자리 근처의 영역에 접합에 의해 전기적으로 연결된다. 양극 말단(1)과 음극 말단(2)의 팁 부분은 케이스(6) 내부에서 바깥쪽으로 끄집어내진다. 열수축가능 수지 테이프(7)은 한쪽 가장자리 부분에서 음극(4)의 바깥쪽 주변 가장자리 부분에 고정되고, 반대편의 가장자리 부분에서 감긴 전극군의 최외곽 주변 표면에서 음극에 고정된다. 도면을 통해 명확히 알 수 있듯이, 수지 테이프(7)은 양극(3)의 외곽 주변 가장자리 부분과 분리막(5)에 걸쳐지는 방법으로 감는 축에 수직인 방향으로 연장된다.
덧붙이면, 도 4에서 보여진 것처럼, 양극(3)은 양극 전류 콜렉터(3a) 및 양극 활성물질을 포함하는 양극 활성 물질층(3b)를 포함한다. 양극 활성 물질층(3b)는 양극 전류 콜렉터(3a)의 양면 각각에 지지된다. 비슷하게, 음극(4)는 음극 전류 콜렉터(4a) 및 음극 활성 물질을 포함하는 음극 활성 물질층(4b)를 포함한다. 음극 활성 물질층(4b)는 음극 전류 콜렉터(4a)의 양면에 각각 지지된다.
전극군은 도 2를 참고로 상세히 기술된다. 구체적으로 도 2는
도 2는 전극군의 바깥 주변 가장자리 부분의 구성을 모식적으로 보여주고, 도 1에서 보여진 감긴 유형의 비수성 전극 이차 전지에 포함되는 감긴 유형의 전극군의 펼쳐진 상태를 보여주는 부분 평면도이다. 덧붙이면, 위쪽 층에 의해 감춰진 부분은 도 2에서 점선으로 표시된다.
도 2에서 보여진 것처럼, 분리막(5)보다 작은 면적을 갖는 양극 전류 콜렉터 (3a)가 분리막(5)의 한면, 즉, 도 2에서 뒤쪽면에 배열된다. 또한, 양극 전류 콜렉터(3a)보다 작은 면적을 갖는 음극 전류 콜렉터(4a)가 분리막의 반대쪽면(즉, 도 2에서 앞면)에 배열된다. 분리막(5), 양극(3) 및 음극(4)는 짧은 쪽 방향으로 폭이 서로 다르다. 더욱 구체적으로, 분리막(5)이 가장 큰 폭을 갖고, 음극이 가장 작은 폭을 갖는다. 자연적으로, 양극(3)은 분리막(5)와 음극(4)의 폭의 중간폭을 갖는다.
도 4에서 보여진 것처럼, 밴드 유사한 음극 말단(2)가 분리막(5)을 대면하는 음극 전류 콜렉터(4a)의 표면에 전기적으로 연결된다. 음극 말단(2)는 음극 전류 콜렉터(4a)의 바깥쪽 주변 가장자리 부분에 배치된다. 또한, 음극 활성 물질층(4b)는 분리막(5)를 대면하는 방법으로 전류 콜렉터(4a)상에 형성된다. 활성 물질층(4b)는 음극 말단(2)으로부터 떨어져 배치된다. 음극 활성 물질층이 음극 말단(2)와 음극 활성 물질층(4b) 사이에 배치된 음극 전류 콜렉터(4a)의 부분에 형성되지 않아, 비-형성 부분을 형성한다. 비-형성 부분은 음극 말단(2)와 음극 전류 콜렉터(4a)간의 전류 경로를 가로질러, 전류 차단 섹션(9)의 기능을 수행한다. 양극 활성 물질층(3b)는 분리막(5)를 대면하는 양극 전류 콜렉터(3a)의 표면에 형성된다. 양극 활성 물질층(3b)는 전류 차단 섹션(9) 및 음극 활성 물질층(4b)에 해당하는 부분에 형성된다. 밴드 유사 양극 말단(1)은 양극 전류 콜렉터(3a)의 반대쪽 표면의 바깥쪽 주변 가장자리 부분에 전기적으로 연결된다. 양극 활성 물질층(3b)는 양극 전류 콜렉터(3a)의 반대쪽 표면에 또한 형성된다. 또한, 분리막(5) 및 음극(4)가 양극 활성 물질층(3b)의 안쪽 주변 표면 쪽에 언급된 순서로 배열된다.
음극 전류 콜렉터(4a)의 전류 차단 섹션(9)가 분리막(5)을 통해 양극 활성 물질층(3b)와 대면하도록 배치되기 때문에, Al-Li 합금이 이차 전지의 과충전된 상태하에서 형성될 수 있다.
또한, 음극(4)는 전극군의 최외곽 주변 표면을 구성하도록 배치된다. 전류 차단 섹션(9)를 포함하는 전극군의 최외곽 주변 표면은 음극 전류 콜렉터(4a)로 형성되는 것을 주의해야 한다. 분리막(5)의 바깥쪽 주변 가장자리 섹션은 음극(4)의 바깥쪽 주변 가장자리 섹션으로부터 꺼내진다. 그 결과, 양극(3)의 바깥쪽 주변 가장자리 영역이 전극군의 최외곽 주변 표면에 노출되는 것이 방지된다.
열수축가능 수지 테이프는 도 3을 참고로 상세히 기술된다. 구체적으로 도 3은 도 1에서 보여진 감긴 유형의 비수성 전극 이차 전지에 포함되는 감긴 전극군의 바깥 주변 가장자리의 측면의 구성을 모식적으로 보여주는 평면도이다. 도 3에서 보여진 바와 같이, 열수축가능 수지 테이프(7)은 전극군의 납작해진 표면(주 표면)보다 작은 크기로 되어 있고, 장방형으로 형상화된다. 전극군의 감는 방향에 수직인 방향, 즉 감는 축에 평행인 방향으로의 열수축가능 수지 테이프(7)의 폭은 길이 방향에 수직인 방향으로의 음극 전류 콜렉터(4a)의 음극의 폭보다 작다. 이러한 특별한 구조때문에, 수지 테이프(7)이 열 수축할 때, 수지 테이프(7)은 전류 차단 섹션(9)에 충분한 응력을 줄 수 있도록 한다. 접착 섹션(8)이 열수축가능 수지 테이프(7)의 양 가장자리 섹션 각각에 형성되는 것을 주의해야하며, 상기 가장자리 섹션은 전극군의 감는 방향에 수직인 방향으로 연장된다. 덧붙이면, 거기에 지지된 접착 센션(8)을 갖는 영역을 도 3에 빗금으로 나타냈다. 열수축가능 수지 테이프(7)의 한쪽 접착 섹션(8)은 음극(4)의 바깥쪽 주변 가장자리 섹션 및 전류 차단 섹션(9)에 고정된다. 또한, 다른 접착 섹션(8)은 분리막(5)의 바깥쪽 주변 가장자리 섹션 및 전극군의 최외곽 주변 섹션의 음극(4)에 고정된다. 이어서, 열수축가능 수지 테이프(7)으로, 감는 축의 전극군의 가장자리 섹션을 고정시키는 것이 가능하다. 또한, 수지 테이프(7)은 전극군의 잘못된 감김을 방지하기 위한 테이프로서 및 전류 차단 기구로서 기능을 한다. 덧붙이면, 전류 차단 섹션(9)가 열수축가능 수지 테이프(7)로 부분적으로 덮히는 것이 바람직하다. 만약 전류 차단 섹션(9)의 전체 영역이 수지 테이프(7)로 덮히면, 전류 차단 섹션(9)는 수지 테이프(7)로 강화되어, 전류 차단 섹션(9)가 이차 전지의 과 충전된 상태하에서도 파손되지 않을 수 있는 결과를 가져온다.
전류 차단 기구의 작동 전후 상황을 도 4 및 5를 참고로 상세히 설명한다.
도 4는 전류 차단 기구의 작동 전의, 도 1에서 보여진 감긴 유형의 비수성 전해질 이차 전지의 바깥쪽 주변 가장 자리 부분의 근처의 영역의 구성을 아래에서 본 것을 모식적으로 보여주는 부분 단면도이다. 도 4에서 보여지는 것처럼, 상기에서 언급한 영역은 열수축가능 수지 테이프(7), 접착 섹션(8), 거기에 융착된 음극 말단(2)를 갖는 음극 전류 콜렉터(4a), 음극 활성 물질층(4b), 분리막(5), 양극 활성 물질층(3b), 거기에 융착된 양극 말단(1)을 갖는 양극 전류 콜렉터(3a), 양극 활성 물질층(3b), 분리막(5), 음극 활성 물질층(4b), 음극 전류 콜렉터(4a) 및 음극 활성 물질층(4b)를 포함하며, 이들은 최상층으로부터 보았을 때, 상기 언급한 순서로 배열된다. 열수축가능 수지 테이프(7)은 한쪽 가장자리 섹션에서 접착 섹 션(8)에 의해 음극 전류 콜렉터(4a)의 바깥쪽 주변 가장자리 섹션의 근처의 영역 및 A 영역(전류 차단 섹션(9))에 고정되고, 또한 다른쪽 가장자리 섹션에서 접착 섹션(8)에 의해 분리막(5) 및 음극 전류 콜렉터(4a)에 고정된다. A 영역(전류 차단 섹션(9))는 알루미늄 또는 알루미늄으로 형성되므로, 연성(ductile)임을 주의해야 한다. 따라서, A 영역은 전류 차단 기구의 작동 전에는 파손되지 않는다.
도 5는 전류 차단 기구의 작동후의, 도 1에 보여진 감긴 유형의 비수성 전해질 이차 전지의 바깥 주변 가장자리 부분의 근처의 영역의 구성을 아래에서 본 것을 모식적으로 보여주는 부분 단면도이다. 도 5에서 보여지는 것처럼, 전지의 과충전된 상태하에서, 음극(4)의 A 영역(전류 차단 섹션(9))의 알루미늄은 분리막(5)을 통해 A 영역과 대면하도록 배치된 양극 활성 물질층(3b)로부터 방출되는 리튬과 반응하여 Al-Li 합금을 형성하고, 그 결과 A 영역이 취화된다. 또한, 열수축가능 수지 테이프(7)은 전지의 과 충전 상태하에서 온도 상승에 의해 열 수축한다. 그러나, 전극군의 감는 방향에 수직인 방향으로 연장된 수지 테이프(7)의 양 가장자리 섹션이 전극군에 고정되므로, 전극군의 감는 방향으로 수지 테이프(7)에 응력이 생성될 수 있다. 그 결과, A 영역(전류 차단 섹션(9))는 열수축가능 수지 테이프(7)에 의해 잡아당겨져셔, 음극 전류 콜렉터(4a)가 A 영역에서 파손되도록 한다. 이어서, 음극 전류 콜렉터(4a) 및 음극 말단(2)간의 전류 경로가 파손된다.
음극(4)는 전극군의 최외곽 주변 표면을 구성하도록 배치되는 것이 바람직하다. 이 경우, A 영역(전류 차단 섹션(9))는 전극군의 최외곽 주변 표면에 노출되어, A 영역의 변형 및 파손을 용이하게 한다. 또한, 인장 응력을 부여할 수 있는 응력 부여 부재가, 음극 활성 물질층(4b)이 형성되지 않은 음극 전류 콜렉터(4a)의 영역내에 제공되는 것이 바람직하다. 특히, 열수축가능 수지 테이프(7)이 음극 전류 콜렉터(4a)의, A 영역 또는 A 영역의 바깥쪽 측면의 영역에 부착되는 것이 바람직하다. 이 경우, A 영역의 파손을 쉽게하기 위해, 미끌어짐 저항성을 감소시킬 수 있다.
케이스는 유연한 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 유연한 재로로 형성된 케이스는 전지의 내부 압력 증가에 대응하여 전지의 과충된된 상태에서 팽창하는 경향이 있다. 열수축가능 수지 테이프와 케이스간의 미끌어짐 저항성은 A 영역에 부여되는 인장 응력을 증가시키기 위해 감소될 수 있다.
양극(3)의 짧은 쪽 방향의 폭은 음극(4)의 짧은 쪽 방향의 폭보다 큰 것이 바람직하다. 양극(3)의 짧은 쪽 방향의 폭이 음극(4)의 짧은 쪽 방향의 폭보다 작은 경우, 음극 전류 콜렉터(4a)의 A 영역(전류 차단 섹션(9))의 일부가 분리막(5) 만을 대면한다. 환원하면, 분리막(5) 및 음극 전류 콜렉터(4a)로 이루어진 적층 구조로 이루어진 B 영역이 형성된다. 양극(4)는 상기 언급한 적층 구조(B 영역)에 포함되지 않기 때문에, B 영역의 음극 전류 콜렉터(4a)에 공급되는 리튬의 양은 불충분하고, 그 결과 형성되는 Al-Li 합금의 양도 불충분해진다. 이어서, B 영역은 음극 전류 콜렉터(4a)가 파손되기 힘들게 하기 위해 B 영역은 취성으로 만들어지지 않는다. 또한, 양극(3)의 짧은 쪽 방향의 폭이 음극(4)의 짧은 쪽 방향의 폭과 실질적으로 동일할 때, 전극군을 감는 단계에서 발생하는 감김 편차가 발생하는 부분에서 B 영역이 형성된다.
A 영역(전류 차단 섹션(9))의 길이는 감는 방향으로 전극군의 폭의 2.5% 내지 50%인 것이 바람직하다. 만약 상기 언급한 길이가 2.5%보다 작다면, 감김 편차가 양극(3), 분리막(5) 및 음극(4)로 구성되는 적층 구조의 감긴 상태에서 발생하면 케이스 내 A 영역이 양극 활성 물질층(3b)와 대면하도록 배치되지 않을 수 있다. 반면에, 만약 상기 언급한 A 영역의 길이가 50%를 초과하면, 높은 음극 용량을 얻는 것이 어려울 수 있다.
제2 실시태양:
적층 유형의 전극군을 포함하는 비수성 전해질 이차 전지를 설명한다. 이 실시태양에서, 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재는 편의상 스프링으로 형성된다.
도 6은 본 발명의 두번째 실시태양에 따른 적층 유형의 비수성 전해질 이차 전지에 포함된 전극군 중 하나의 구성을 모식적으로 보여주는 평면도이다. 도 7은 도 6에서 보여진 전극군을 포함하는 적층 유형의 비수성 전해질 이차 전지의 구조를 모식적으로 보여주는 단면도이다. 본 도면에서 보여주는 것은 전류 차단 기구의 작동 전 상태에서의 전지이다. 편의상, 상층에 의해 가려진 부분을 점선으로 나타냈다. 도 6에서 보여진 것처럼, 분리막(5)보다 작은 면적을 갖는 양극(3)이 분리막(5)의 한면(도 6의 뒤쪽면)에 배열된다. 한편, 양극(3)보다 작은 면적을 갖는 음극(4)는 분리막(5)의 다른 면(도 6의 앞쪽면)에 형성된다.
양극(3)은 한쪽면(도 6의 왼쪽면)에 형성된 돌출 부분을 갖는 양극 전류 콜렉터(3a) 및 돌출 부분이 없이 양극 전류 콜렉터(3a)의 양 표면 각각에 형성된 양 극 활성 물질층(3b)을 포함한다. 한편 음극(4)는 한쪽면(도 6의 오른쪽면)에 형성된 돌출 부분을 갖는 음극 전류 콜렉터(4a) 및 돌출 부분이 없이 음극 전류 콜렉터(4a)의 양 표면 각각에 형성된 음극 활성 물질층(4b)를 포함한다.
도 7에 보여진 것처럼, 여러 개의 양극(3) 및 여러 개의 음극(4)이 사이에 분리막을 두고 서로 적층된다. 양극(3)은 양극 전류 콜렉터(3a)의 돌출 부분이 왼쪽 측면에 배치되도록 배열된다. 여러 개의 양극 전류 콜렉터(3a)의 돌출 부분들은 양극 말단(1)에 전기적으로 연결되도록 서로 중첩된다. 양극 말단(1)을 필름으로 만들어진 케이스(6)의 바깥쪽으로 꺼내진다. 한편, 음극(4)는 음극 전류 콜렉터(4a)의 돌출 부분이 오른쪽 측면에 배치되도록 배열된다. 즉, 전류 콜렉터(4a)의 돌출 부분이 양극 전류 콜렉터(3a)의 돌출 부분이 배치되는 면의 반대쪽 면에 배치된다. 여러 개의 음극 전류 콜렉터(4a)의 돌출 부분들은 음극 말단(2)에 전기적으로 연결되도록 서로 중첩된다. 음극 말단(2)는 양극 말단(1)이 케이스(6)의 바깥쪽으로 꺼내진 면의 반대쪽 면으로부터 필름으로 만들어진 케이스(6)의 바깥쪽으로 꺼내진다. 음극 활성 물질층(4b)는 음극 전류 콜렉터(4a) 각각의 돌출 부분에 형성되지 않는다. 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분과 음극 활성 물질층(4b)간의 경계 부분은 그 사이에 분리막(5)이 낀 채로 양극 활성 물질층(3b)와 대면하여 전류 차단 섹션(9)로서 작동한다. 이중으로 접힌 판 스프링(10)은 음극 전류 콜렉터(4a)들의 중첩된 돌출 부분의 팁(tip) 영역과 케이스(6)의 내면 사이에 압착된 상태로 배열된다. 그 결과, 판 스프링(10)에 의해 응력이 음극 전류 콜렉터(4a)의 돌출 부분에 계속 가해진다. 덧붙이면, 절연 필름(도시되지 않음)이 판 스프링 (10)과 음극 전류 콜렉터(4a)의 중첩된 돌출 부분 사이에 배열된다.
전류 차단 기구의 작동을 도 8을 참고로 상세히 설명한다.
도 8은 도 6에 보여진 전극군을 포함하는 적층 유형의 비수성 전해질 이차 전지의 구조를 모식적으로 보여주는 단면도이다. 전류 차단 기구의 작동 후 상태의 전지가 도면에서 보여진다. 전지가 과충전된 상태에서, 음극(4)의 전류 차단 섹션(9) (A 영역)의 알루미늄이, 그 사이에 분리막이 낀 채 A영역과 대면하도록 배치된 양극 활성 물질층(3b)로부터 유리된 리튬과 반응한다. 그 결과, Al-Li 합금이 형성되어 전류 차단 섹션(9) (A 영역)이 취화된다. 이어서 전류 차단 섹션(9) (A 영역)은 판 스프링(10)에 의해 음극 전류 콜렉터(4a)의 돌출 부분에 부여되는 전단 응력에 의해 파손될 수 있다. 이러한 상황에서, 음극 전류 콜렉터(4a)와 음극 말단(2) 사이의 전류 경로가 파손된다.
상기에 기술한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시태양에서, 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재는 음극 활성 물질층이 생성되지 않은 음극 전류 콜렉터의 중첩된 돌출 부분의 근처의 영역에 배열된다. 따라서 여러개의 음극 전류 콜렉터가 쉽게 집합적으로 파손될 수 있다.
음극 전류 콜렉터(4a)의 돌출 부분의 A 영역(전류 차단 섹션(9))이 음극 전류 콜렉터(4a)의 길이 방향 폭의 1% 내지 10%로 맞춰지는 것이 바람직하다. 또한 상기에서 언급한 A 영역 (전류 차단 섹션(9))는 음극 전류 콜렉터(4a)의 짧은 쪽 방향의 폭의 10% 내지 90%로 맞춰지는 것이 바람직하다. 만약, 상기에서 언급한 A 영역 (전류 차단 섹션(9))의 폭이 1%보다 작으면, 전지가 과충전된 상태에서 전류 경로를 실수 없이 파손하는 것이 힘들다. 또한, 상기 폭이 10%를 넘으면, 음극 용량이 불충분해지는 경향이 있다. 한편, 상기에서 언급한 A 영역(전류 차단 섹션(9))의 높이가 10%보다 작으면, 고율 방전 특성이 낮아지는 경향이 있다. 또한, 만약 상기 높이가 90%를 초과하면, 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분이 케이스(6)의 밀봉에 장애물을 형성하는 경향이 있을 수 있다.
상기 기술한 본 발명의 제2 실시태양에서, 판 스프링(10)이 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재로서 이용된다. 별법으로, 판 스프링(10) 대신 형상 기억 합금으로 형성된 스프링-형상의 부재를 사용하는 것 역시 가능하다.
상기 기술한 본 발명의 제1 및 제2 실시태양 각각에서, 본 발명의 기술적 사상은 필름으로 형성된 케이스를 포함하는 비수성 전해질 이차 전지에 적용된다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 각기둥 형상을 갖는 금속 케이스를 포함하는 비수성 전해질 이차 전지에도 적용하는 것 역시 가능하다.
또한, 상기에서 기술한 제1 실시태양에서, 음극은 전극군의 최외곽 주변층을 구성하도록 배치된다. 별법으로 양극을 전극군의 최외곽 주변층을 구성하도록 배치하는 것 역시 가능하다.
본 발명은 실시예를 통해 보다 상세히 기술된다. 말할 필요없이, 본 발명의 기술적 범위는 이하 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1:
양극 활성 물질로서 리튬-코발트 산화물(LiCoO2), 도전제로서 흑연 분말을, 결합제로서 폴리비닐리덴 플루오리드(PVdF)를, 용매로서 n-메틸 피롤리돈을 87:8:5의 중량비로 분산하여 슬러리를 제조했다. 이어서, 15㎛의 두께와 99.99%의 순도를 갖는 알루미늄 호일에 이렇게 얻은 슬러리를 도포하고, 이어서, 슬러리로 도포된 알루미늄 호일을 건조, 압착하여 51 ㎜ x 470 ㎜ 크기 및 3.5 g/㎤의 전극 밀도를 갖는 장방형 양극을 얻었다.
한편, 음극 활성 물질로 사용되는 0.5 ㎛의 평균 입자 직경을 갖는 리튬 티타네이트(Li4Ti5O12), 도전제로서 사용되는 0.4 ㎛의 평균 입자 직경을 갖는 탄소 분말, 결합제로 사용되는 PVdF를 n-메틸 피롤리돈(NMP) 용매에 90:7:3의 중량비로 분산시켜 슬러리를 제조했다. 이어서, 15㎛의 두께와 99.99%의 순도를 갖는 알루미늄 호일에 이렇게 얻은 슬러리를 도포하고, 이어서, 슬러리로 도포된 알루미늄 호일을 건조, 압착하여 50 ㎜ x 490 ㎜ 크기 및 2.2 g/㎤의 전극 밀도를 갖는 장방형 양극을 얻었다.
다음 단계로, 알루미늄으로 된 양극 말단을 양극의 바깥쪽 주변 가장자리의 근처의 영역에 초음파 융착으로 연결시켰다. 또한, 양극을 12 ㎛의 두께를 갖는 다공성 폴리에틸렌 필림으로 형성된 분리막으로 덮었다. 또한, 음극 활성 물질층이 형성되지 않은 50 ㎜ x 10 ㎜ 크기의 장방형 영역을 양극 활성 물질층의 바깥쪽 주변 가장자리 부분에 해당하는 음극 영역에 형성시켰다. 상기 장방형 영역은 A 영역(전류 차단 섹션)을 구성한다. A 영역의 길이는 전극 군의 폭의 18%에 해당한다. 알루미늄으로 만들어진 음극 말단을 음극 전류 콜렉터의 바깥쪽 주변 가장자 리 부분의 근처의 영역에 초음파 융착으로 연결시켰다. 상기 연결된 영역을 양극 활성 물질층의 바깥쪽 주변 가장자리 부분의 바깥에 배치시켰다. 또한, 음극을 분리막으로 덮힌 양극에 양극과 음극 사이에 분리막이 끼는 방식으로 중첩시켜 적층 구조를 형성했다. 적층 구조를 나선형으로 감아 전극군을 얻었다.
장방형의 다공성 폴리에틸렌 필름으로 형성된 열수축가능 수지 테이프를 제조했다. 수지 필름은 40 ㎜ x 20 ㎜ 크기에, 약 50 ㎛의 두께를 가졌다. 수지 테이프를 1분간 110℃에서 가열했을 때, 수지 테이프의 수축율은 10%인 것으로 확인되었다. 열수축가능 수지 테이프는 감는 방향과 평행한 방향으로 20 ㎜의 폭을 가졌고, 5 ㎜의 폭을 갖는 아크릴성 접착 섹션을 감는 방향에 수직인 방향, 즉 감는 축에 평행한 방향으로 각각 연장되는 양 가장자리 부분 각각에 고정했다. 열 수축성 수지 테이프의 접착 섹션 중 하나를 A 영역(전류 차단 섹션) 및 음극 전류 콜렉터의 바깥쪽 주변 가장자리 부분에 고정시키고, 다른 쪽 접착 섹션을 전극군의 최외곽 주변 표면에 고정했다. 자연적으로, 접착 섹션 사이에 배치된 수지 필름은 분리막의 바깥쪽 주변 가장자리 부분을 대면했다.
상기에서 기술된 것처럼 고정된 바깥쪽 주변 가장자리 부분을 갖는 전극군을 압착하여 납작한 형상으로 몰딩하고, 이어서 알루미늄 호일을 포함하고, 약 0.1 ㎜의 두께를 갖는 적층 필름으로 형성된 케이스로 납작해진 전극군을 삽입했다. EC와 GBL을 1:2 의 부피비로 혼합하여 제조한 유기 용매 중 리튬 염으로서 LiBF4를 녹여 비수성 전해질을 제조했다. 리튬 염은 유기 용매에 1.5 mol/L의 양으로 녹였 다. 이렇게 제조된 비수성 전해질을 케이스에 넣고, 케이스에 밀봉 처리를 하여 도 1에 보여진 것처럼 구성된 감긴 유형의 비수성 전해질 이차 전지를 얻었다. 이렇게 얻은 전지는 3.8 ㎜의 두께, 63 ㎜의 폭 및 95 ㎜의 높이의 크기였다.
실시예 2:
양극 및 음극을 실시예 1과 같이 제조하되, 전극들의 크기를 아래와 같이 변경하였다.
구체적으로, 양극의 활성 물질층은 짧은 쪽의 폭은 약 55 ㎜, 긴쪽 폭은 약 75㎜를 가졌다. 또한, 양극 전류 콜렉터의 돌출 부분은 짧은 쪽 방향으로 약 10 ㎜, 길이 방향으로 약 7 ㎜의 길이를 가졌다. 한편, 음극의 활성 물질층은 짧은 쪽의 폭은 약 55 ㎜, 긴쪽 폭은 약 70 ㎜를 가졌다. 또한, 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분은 짧은 쪽 방향으로 약 10 ㎜, 길이 방향으로 약 9 ㎜의 길이를 가졌다.
상기에서 기술한 크기의 양극 11개와 상기에서 기술한 크기의 음극 10개를 제조했다. 또한, 분리막으로서 각각 약 58 ㎜의 짧은 쪽 폭, 약 78 ㎜의 긴쪽 폭 및 약 12 ㎛의 두께를 갖는 다공성 폴리에틸렌 필름을 준비했다. 양극 및 음극을 분리막을 사이에 낀 채 교대로 적층하고, 이어서 적층된 구조를 압착하여 도 6에서 보여진 구조의 전극군을 얻었다. A 영역은 약 10 ㎜의 짧은 면 방향의 길이 L2 및 약 4 ㎜의 길이 방향의 길이 L1을 가졌고, 직사각형이었다. A 영역의 길이 L1은 음극의 길이 방향의 폭의 5.7%였고, A 영역의 길이 L2는 음극의 짧은 쪽 방향의 폭의 18% 였다. 양극 활성 물질층이 형성되지 않은, 양극 전류 콜렉터의 돌출 부분을 모아, 알루미늄으로 만들어진 양극 말단에 연결시켰다. 또한, 음극 활성 물질층이 형성되지 않은 음극 전류 말단의 돌출 부분을 모아 알루미늄으로 만들어진 음극 말단에 연결시켰다.
스테인레스 강으로 만들어지고, 0.3 ㎜ 두께, 10 ㎜ 폭 및 15 ㎜의 길이의 크기인 판 스프링을 V 형상으로 접어 스프링 부재를 얻었다. 스프링 부재를 음극 전류 콜렉터들의 모은 돌출 부분의 한쪽 면에 배열시켰다. 배열된 돌출 부재를 전극군의 음극 전류 콜렉터와 음극 말단 사이의 실질적인 중간점에 위치시켰다. 스프링 부재는 음극 전류 콜렉터의 표면에 수직인 방향으로 음극 전류 콜렉터에 응력이 부여되도록 배열시켰다. 스프링 부재를 접착 테이프로 케이스에 고정시켰다. 이어서, 알루미늄 호일을 포함하고, 약 0.1 ㎜의 두께를 갖는 적층 필름으로 형성된 케이스에 전극군을 삽입했다. 덧붙이면, 절연 필름을 음극 전류 콜렉터와 판 스프링 사이의 접촉 평면에 부착시켜 스프링이 음극 전위와 동일한 전위를 갖는 것을 방지했다.
EC와 GBL을 1:2 의 부피비로 혼합하여 제조한 유기 용매 중 리튬 염으로서 LiBF4를 녹여 비수성 전해질을 제조했다. 리튬 염은 유기 용매에 1.5 mol/L의 양으로 녹였다. 이렇게 제조된 비수성 전해질을 케이스에 넣고, 케이스에 밀봉 처리를 하 여 도 7에 보여진 것처럼 구성된 적층 유형의 비수성 전해질 이차 전지를 얻었다. 이렇게 얻은 전지는 약 63 ㎜의 높이, 약 95 ㎜의 폭 및 약 3.8 ㎜의 두께의 크기였다.
실시예 3:
비수성 전해질 이차 전지를 실시예 2와 같이 제조하되, 판 스프링 대신 약 100℃의 변형 온도를 갖는 Ti-Ni 기재의 형상 기억 합금으로 만들어진 판스프링 형상의 부재를 사용했다. 덧붙이면, Ti-Ni 기재의 형상 기억 합금으로 만들어진 판스프링 형상의 부재는 0.3 ㎜의 두께, 10 ㎜의 폭 및 14 ㎜의 길이를 갖는 V 형상의 판형 재료를 접어서 제조했다.
비교 실시예 1:
비수성 전해질 이차 전지를 실시예 1과 같이 제조하되, 열수축가능 수지 테이프 대신 수축할 수 없는 테플론(Teflon®)을 대신 사용했다.
비교 실시예 2:
비수성 전해질 이차 전지를 실시예 2와 같이 제조하되, 판스프링을 사용하지 않았다.
비교 실시예 3:
비수성 전해질 이차 전지를 비교 실시예 2와 같이 제조하되, 음극 활성 물질층을 약 55 ㎜의 짧은 쪽 폭 및 약 75 ㎜의 긴쪽 폭의 크기로 하고, A 영역을 형성시키지 않았다.
10개의 비수성 전해질 이차 전지를 실시예 1 내지 3 및 비교 실시예 1 내지 3 각각에 따라 제조했다. 이 10개의 전지 각각에 전지를 2.8 V의 일정 전압 및 0.7 A의 일정 전류하에서 3시간 충전하고, 이어서 2 A의 일정 전류하에서 2시간 동안 최대 충전 시간동안 전지를 더 충전하는 과충전 시험을 했다. 과충전 시험 동 안, 발화하는 밧데리의 수, 다다른 최고 온도, 시험을 종료했을 때 충전 전류를 측정했다. 표 1은 그 결과를 보여준다. 덧붙이면, 다다른 최고 온도, 시험의 종료시의 온도 및 시험의 종료시의 충전 전류를 발화되지 않은 전지에 대해 측정된 값의 평균으로부터 계산했다.
전극군 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 수단 발화된 전지의 수 다다른 최고 온도 시험 종료시의 온도 시험 종료시의 충전 전류
실시예 1 감긴 유형 열수축가능 테이프 0 115℃ 35℃ 0A
실시예 2 적층 유형 스프링 0 98℃ 35℃ 0A
실시예 3 적층 유형 형상 기억 합금으로 형성된 스프링 형상의 부재 0 110℃ 35℃ 0A
비교실시예 1 감긴 유형 - 1 135℃ 65℃ 0.2A
비교실시예 2 적층 유형 - 2 140℃ 90℃ 0.6A
비교실시예 3 적층 유형 - 10
표 1에서 보여진 것처럼, 실시예 1 내지 3 각각의 비수성 전해질 이차 전지는 시험의 종료시 전류 충전을 실패없이 중단할 수 있었다. 또한, 전지 온도도 전지의 과충전 상태 아래로 낮았다.
반면에, 전류 차단 기구를 포함하지 않는 비교 실시예 1 및 2의 비수성 전해질 이차 전지의 일부는 비록 발화된 전지의 수가 적었지만, 발화되었다. 또한, 발화되지 않은 전지는 전지의 과충전 상태하에서 높은 전지 온도를 가졌다. 또한, 안전 기구를 포함하지 않는 비교 실시예의 전지에 이르러서는 모든 전지가 발화되었다.
실시예 4 내지 7:
실시예 1에서와 같이 비수성 전해질 이차 전지를 제조하되, 열수축가능 수지 테이프의 열 수축 성질 및 재질을 표 2에서 보여진 것과 같이 변경하였다. 본 실시예들에서, 접착 섹션을 열수축가능 수지 테이프의 양 가장자리 부분에 감는 방향에 수직인 방향, 즉 감는 축에 평행한 방향으로 연장하는 방법으로 형성시켰다. 각 접착 섹션은 5 ㎜의 폭을 가졌고, 따라서 열수축가능한 수지 테이프에 형성되는 접착 섹션은 총 10 ㎜의 폭을 가졌다. 표 2는 전체 열수축가능 수지 테이프에 대해 접착 섹션의 면적의 비를 보여준다.
실시예 8:
실시예 1에서와 같이 비수성 전해질 이차 전지를 제조하되, 20 ㎜의 폭을 갖는 접착 섹션을 열수축가능 수지 테이프의 전체 영역에 형성시켰다.
실시예 9:
실시예 1에서와 같이 비수성 전해질 이차 전지를 제조하되, 1.5 ㎜의 폭을 갖고, 감는 방향과 수직인 방향으로 연장된 접착 섹션을 열수축가능 수지 테이프의 양 가장자리 말단에 형성시켰다. 접착 섹션은 총 3 ㎜의 폭을 가지므로, 열수축가능 수지 테이프의 비접착 섹션은 17 ㎜의 폭을 가졌다.
비교 실시예 4:
비교 실시예 1에서와 같이 비수성 전해질 이차 전지를 제조하되, A 영역을 형성시키지 않았다.
실시예 4 내지 9 및 비교 실시예 4 각각에서 제조된 비수성 전해질 이차 전지에 상기에서 기술한 과충전 시험을 하여 발화된 전지의 수, 다다른 최고 온도, 시험 종료시의 온도 및 시험 종료시의 충전 전류를 측정했다. 표 2가 그 결과를 보여준다. 실시예 1 및 비교 실시예 1의 시험결과를 표 2에 함께 나타냈다.
감긴 유형의 전극군
A 영역 열수축가능 테이프의 재질 고정된 면적(%) 변형 온도 발화된 전지의 수 다다른 최고 온도(℃) 시험 종료시의 온도(℃) 시험 종료시의 충전 전류(A)
실시예 1 형성됨 다공성 폴리에틸렌 50 110℃ 10% 수축 0 115 35 0
실시예 4 형성됨 다공성 폴리에틸렌 50 90℃ 10% 수축 0 110 35 0
실시예 5 형성됨 다공성 폴리프로필렌 50 140℃ 15% 수축 2 150 35 0
실시예 6 형성됨 다공성 폴리프로필렌 50 130℃ 15% 수축 0 138 35 0
실시예 7 형성됨 폴리에틸렌 테레프탈레이트 50 130℃ 8% 수축 0 140 35 0
실시예 8 형성됨 다공성 폴리에틸렌 100 110℃ 10% 수축 1 115 35 0
실시예 9 형성됨 다공성 폴리에틸렌 15 110℃ 10% 수축 1 120 35 0
비교실시예 1 형성됨 - - - 1 135 65 0.2
비교실시예 4 없음 - - - 10 - - -
표 2로부터 명백하듯이, 실시예 1 및 4 내지 9 각각의 이차 전지는 시험 종료시 전류 충전을 중단시킬 수 있다. 또한, 시험 종료시 온도가 35℃로 낮았다.
반면에, 비교 실시예 1의 이차 전지는 과충전 전류를 중단시킬 수 없고, 시험 종료시 온도가 65℃로 높았다. 또한, 비교 실시예 4에서, 전류 차단 섹션이 이차 전지 내에 포함되어 있지 않기 때문에, 모든 이차 전지가 발화되었다.
열 수축 온도의 면에서 실시예 1 및 4 내지 7의 이차 전지를 비교하는 것은 중요하다. 표 2에서 보는 것처럼, 열 수축 온도가 90℃ 내지 130℃인 실시예 1, 4, 6 및 7의 이차 전지는 과충전 시험동안 발화되지 않았다. 특히, 열 수축 온도가 90 ℃ 내지 110 ℃인 실시예 1 및 4의 이차 전지는 과충전 시험 도중 최고 온도를 낮출 수 있다는 것이 밝혀졌다.
또한, 열수축가능 테이프상에 형성된 접착 섹션의 면적의 면에서, 실시예 1, 8 및 9의 전지를 비교하는 것이 중요하다. 표 2로부터 명백한 것처럼, 접착 섹션의 면적이 20 내지 80%의 범위에 들어가는 실시예 1의 10개의 이차 전지 시료 중 어느 것도 과충전 시험 도중 발화되지 않았다.
실시예 10:
실시예 2에서와 같이 비수성 전해질 이차 전지를 제조하되, 스프링 부재의 두께를 0.1 ㎜에 맞췄다.
실시예 11 내지 12:
실시예 2에서와 같이 비수성 전해질 이차 전지를 제조하되, 형상 기억 합금의 변형 온도를 표 3에 보여진 것과 같이 변화시켰다.
실시예 10 내지 12에서 제조된 이차 전지 각각에 이전에 기술한 바와 같이 과충전 시험을 적용시켜, 발화된 전지의 수, 다다른 최고 온도, 시험 종료시의 온도 및 시험 종료시의 충전 전류를 측정했다. 표 3은 그 결과를 보여준다. 덧붙이면, 이전에 기술한 실시예 2, 3 및 비교예 2, 3의 시험 자료를 표 3에 함께 나타냈다.
적층 유형의 전극군
A 영역 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 수단 재질 두께(㎜) 변형 온도(℃) 발화된 전지의 수 다다른 최고 온도(℃) 시험 종료시 온도(℃) 시험 종료시 충전 전류(A)
실시예 2 형성됨 스프링 스테인레스강 0.3 - 0 98 35 0
실시예 10 형성됨 스프링 스테인레스강 0.1 - 1 120 55 0.1
실시예 3 형성됨 형상 기억 합금 Ti-Ni 기재 합금 0.3 100 0 110 35 0
실시예 11 형성됨 형상 기억 합금 Ti-Ni 기재 합금 0.3 80 0 105 35 0
실시예 12 형성됨 형상 기억 합금 Ti-Ni 기재 합금 0.3 140 2 155 70 0.4
비교실시예 2 형성됨 - - - - 2 140 90 0.6
비교실시예 3 없음 - - - - 10 - - -
표 3으로부터 명백한 것처럼, 실시예 2, 3 및 10 내지 12 각각의 이차 전지는 시험 종료시 충전 전류를 감소시킬 수 있다. 또한, 시험 종료시 온도를 낮출 수도 있다.
반면에, 비교 실시예 2의 경우, 시험 종료시의 충전 전류가 실시예 2, 3, 및 10 내지 12 각각의 그것보다 높았고, 비교 실시예 2의 시험 종료시 전지 온도가 실시예 2, 3 및 10 내지 12 각각의 그것보다 높았다. 비교 실시예 3의 이차 전지는 전류 차단 섹션을 포함하고 있지 않아, 모든 이차 전지가 발화되었다.
실시예 2 및 10의 이차 전지는 스프링 부재를 포함했다. 실시예 2 및 10의 이차 전지간의 비교에 의해, 스프링 부재가 0.2 ㎜ 내지 0.5 ㎜의 두께를 갖는 실시예 2의 이차 전지가 실시예 10의 이차 전지보다 과충전 시간 중 발화, 다다른 최고 온도, 시험 종료시 온도 및 시험 종료시 충전 전류의 모든 면에서 우수하다는 것을 이해할 수 있었다.
도한, 실시예 3, 11 및 12의 이차 전지 각각에서는 형상 기억 합금을 사용했다. 이 실시예들의 이차 전지간의 비교를 통해 형상 기억 합금의 변형 온도가 80 내지 100 ℃ 범위에 드는 실시예 3 및 11 각각의 이차 전지가 실시예 12의 이차 전지보다 과충전 시간 중 발화, 다다른 최고 온도, 시험 종료시 온도 및 시험 종료시 충전 전류의 모든 면에서 우수하다는 것을 이해할 수 있었다.
상기에서 상세히 기술한 것처럼, 본 발명의 일 실시태양은 안정성을 향상시키고, 고율 특성을 나타내는 전류 차단 기구를 포함하는 비수성 전해질 이차 전지를 제공한다.
추가적인 장점 및 변형이 당업자에게 쉽게 일어날 것이다. 따라서, 그의 더 넓은 면에서의 발명이 본원에서 기술되고 보여진 대표적인 실시태양 및 구체적인 상세에 한정되지 않는다. 따라서, 청구범위 및 그들의 균등물에 의해 정의된 일반적인 발명 개념의 범위 및 정신에서 벗어남이 없이 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (19)

  1. 케이스;
    이 케이스 내에 제공되며, 알루미늄 또는 알루미늄 함금으로 형성된 음극 전류 콜렉터 및 음극 전류 콜렉터의 일부에 형성된 음극 활성 물질층을 포함하고, 리튬 전극 전위보다 0.4V 이상 높은 Li-흡수-방출 전위를 갖는 음극;
    음극 활성 물질층이 형성되지 않은 음극 전류 콜렉터의 영역의 가장자리 부분에 연결된 음극 말단;
    Li를 흡수 및 방출하고, 음극 활성 물질층 및 음극 전류 콜렉터의 영역을 대면하도록 배치된 양극 활성 물질층을 포함하는 양극;
    양극 및 음극 사이에 제공되는 분리막;
    음극 전류 콜렉터의 영역에 인장 응력 또는 전단 응력을 부여하는 응력 부여 부재; 및
    케이스 내에 제공된 비수성 전해질을
    포함하는 비수성 전해질 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서, 양극, 음극 및 분리막이 배열되어 적층 구조를 형성하고, 상기 적층 구조는 나선형으로 감겨, 음극이 감긴 적층 구조의 최외곽층을 구성하고, 응력 부여 부재는 음극 전류 콜렉터의 영역에 배열되는 비수성 전해질 이차전지.
  3. 제1항에 있어서, 양극 및 음극이 분리막을 사이에 낀 채 교대로 서로 적층되고, 응력 부여 부재는 음극 전류 콜렉터의 영역과 접촉하는 비수성 전해질 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서, 응력 부여 부재가 열수축가능 수지 테이프를 포함하는 비수성 전해질 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서, 응력 부여 부재가 스프링을 포함하는 비수성 전해질 이차전지.
  6. 제1항에 있어서, 응력 부여 부재가 스프링 형상을 갖는 형상 기억 합금을 포함하는 비수성 전해질 이차전지.
  7. Li를 흡수-방출하는 양극 활성 물질층을 포함하는 양극;
    알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성된 음극 전류 콜렉터 및 음극 전류 콜렉터의 일부에 형성된 음극 활성 물질층, 및 리튬 전극 전위 보다 0.4V 이상 높은 Li 흡수-방출 전위를 갖는 음극 활성 물질을 함유하는 음극 활성 재료층을 포함하는 음극;
    음극 활성 재료층이 형성되지 않은 음극 전류 콜렉터 영역의 일부에 전기적 으로 연결된 음극 말단;
    양극과 음극 사이에 제공되는 분리막;
    음극 활성 물질층이 형성되지 않은 음극 전류 콜렉터의 영역의 다른 부분에 형성되고, 음극 말단과 음극 활성 물질층 사이에 배치되며, 분리막을 통해 양극 활성 물질층을 대면하는 전류 차단 섹션; 및
    전류 차단 섹션에 인장 또는 전단 응력을 부여하는 전류 차단 기구를
    포함하는 비수성 전해질 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서, 전류 차단 기구의 작동 온도가 60 ℃ 이상 140 ℃ 이하인 비수성 전해질 이차 전지.
  9. 제7항에 있어서, 전류 차단 기구가 열수축가능 수지 테이프를 포함하는 비수성 전해질 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서, 열수축가능 수지 테이프가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로리드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌 고무, 이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 스티렌-부타디엔 고무 및 니트릴-부타디엔 고무로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 수지로 만들어진 비수성 전해질 이차 전지.
  11. 제7항에 있어서, 전류 차단 기구가 스프링을 포함하는 비수성 전해질 이차 전지.
  12. 제11항에 있어서, 스프링의 두께가 0.2 ㎜ 이상, 0.5 ㎜ 이하인 비수성 전해질 이차 전지.
  13. 제7항에 있어서, 전류 차단 기구가 스프링 형상을 갖는 형상 기억 합금을 포함하는 비수성 전해질 이차 전지.
  14. 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 적층 구조를 나선형으로 감아 제조된 전극군; 음극 전류 콜렉터의 바깥쪽 가장자리 영역에 전기적으로 연결된 음극 말단; 전류 차단 섹션; 및 전류 차단 기구를 포함하며,
    여기서,
    양극은 Li를 흡수-방출하는 양극 활성 물질층을 포함하며;
    음극은 알루미늄 또는 알루미늄 함금으로 형성된 음극 전류 콜렉터, 및 음극 전류 콜렉터의 일부에 형성된 음극 활성 물질층을 포함하고, 음극 활성 물질층은 리튬 전극 전위보다 0.4V 이상 높은 Li 흡수-방출 전위를 갖는 음극 활성 물질을 함유하며;
    전류 차단 섹션은 음극 활성 물질층이 형성되지 않은 음극 전류 콜렉터의 영역의 일부에 형성되고, 상기 영역은 음극 말단과 음극 활성 물질층 사이에 배치되고, 전류 차단 섹션은 분리막을 통해 양극 활성 물질층을 대면하며;
    전류 차단 기구는 전류 차단 섹션에 고정된 열수축가능 수지 테이프를 포함하는 것인
    비수성 전해질 이차 전지.
  15. 제14항에 있어서, 열수축가능 수지 테이프의 고정된 면적이 열수축가능 수지 테이프의 면적의 20% 이상, 80% 이하인 비수성 전해질 이차 전지.
  16. 케이스; 케이스 내에 제공되고, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 적층구조로 형성된 전극군; 음극 말단; 전류 차단 섹션; 및 전류 차단 기구를 포함하며,
    여기서,
    양극은 Li를 흡수-방출하는 양극 활성 물질층을 포함하며;
    음극은 알루미늄 또는 알루미늄 함금으로 형성되고, 돌출 부분을 갖는 음극 전류 콜렉터, 적어도 돌출 부분을 제외한 음극 전류 콜렉터에 형성되고, 리튬 전극 전위보다 0.4V 이상 높은 Li 흡수-방출 전위를 갖는 음극 활성 물질을 함유하는 음극 활성 물질층을 포함하며;
    음극 말단은 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분에 전기적으로 연결되고;
    전류 차단 섹션은 분리막을 통해 양극 활성 물질층과 대면하도록 배치된 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분의 영역에 형성되며, 음극 말단과 음극 전류 콜렉터의 전류 경로에 놓이고;
    전류 차단 기구는 케이스의 안쪽면과 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분 사이에 서 압착된 상태로 배열되는 스프링 부재를 포함하는 것인
    비수성 전해질 이차 전지.
  17. 제16항에 있어서, 전류 차단 기구가 판 스프링(leaf spring), 코일 스프링, 앵귤러 스프링(angular spring) 및 텔레스코픽 스프링(telescopic spring)을 포함하는 비수성 전해질 이차 전지.
  18. 케이스; 케이스 내에 제공되고, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 적층 구조로 형성된 전극군; 음극 말단; 전류 차단 섹션; 및 전류 차단 기구를 포함하며,
    여기서:
    양극은 Li를 흡수-방출하는 양극 활성 물질층을 포함하며;
    음극은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되고, 돌출 부분을 갖는 음극 전류 콜렉터, 적어도 돌출 부분을 제외한 음극 전류 콜렉터에 형성되고, 리튬 전극 전위보다 0.4V 이상 높은 Li 흡수-방출 전위를 갖는 음극 활성 물질을 함유하는 음극 활성 물질층을 포함하며;
    음극 말단은 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분에 전기적으로 연결되고;
    전류 차단 장치는 분리막을 통해 양극 활성 물질층에 대면하도록 배치된 음극 전류 콜렉터의 돌출 부분의 영역에 형성되고, 음극 말단과 음극 전류 콜렉터의 전류 경로에 놓이며;
    전류 차단 기구는 케이스의 안쪽면과 돌출 부분 사이에 제공되며, 케이스 내 온도가 올라갈 때 돌출 부분에 압력을 가하는 형상 기억 부재를 갖는 것인
    비수성 전해질 이차 전지.
  19. 제18항에 있어서, 형상 기억 합금 부재가 스프링 형상을 갖는 비수성 전해질 이차 전지.
KR1020050025352A 2004-03-29 2005-03-28 비수성 전해질 이차 전지 KR100779282B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004094984A JP4495994B2 (ja) 2004-03-29 2004-03-29 非水電解質二次電池
JPJP-P-2004-00094984 2004-03-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060044822A true KR20060044822A (ko) 2006-05-16
KR100779282B1 KR100779282B1 (ko) 2007-11-23

Family

ID=35050122

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050025352A KR100779282B1 (ko) 2004-03-29 2005-03-28 비수성 전해질 이차 전지

Country Status (4)

Country Link
US (2) US7482090B2 (ko)
JP (1) JP4495994B2 (ko)
KR (1) KR100779282B1 (ko)
CN (1) CN100448091C (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100986876B1 (ko) * 2007-03-27 2010-10-08 가부시끼가이샤 도시바 비수전해질 전지, 전지 팩 및 자동차
KR101118261B1 (ko) * 2009-09-30 2012-03-20 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지 및 이의 제조 방법
WO2013133541A1 (ko) * 2012-03-07 2013-09-12 에스케이이노베이션 주식회사 이차 전지용 배터리 셀
KR20200008877A (ko) * 2018-07-17 2020-01-29 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지

Families Citing this family (60)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4159954B2 (ja) 2003-09-24 2008-10-01 株式会社東芝 非水電解質電池
US7462425B2 (en) * 2003-09-26 2008-12-09 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonaqueous electrolyte secondary battery and battery module
JP4396319B2 (ja) * 2004-02-25 2010-01-13 Ｔｄｋ株式会社 電気化学デバイスの製造方法
JP4495994B2 (ja) * 2004-03-29 2010-07-07 株式会社東芝 非水電解質二次電池
JP4346565B2 (ja) * 2004-03-30 2009-10-21 株式会社東芝 非水電解質二次電池
JP3769291B2 (ja) * 2004-03-31 2006-04-19 株式会社東芝 非水電解質電池
JP4941623B2 (ja) * 2004-07-28 2012-05-30 株式会社Ｇｓユアサ 電気化学デバイス用電極材料及びその製造方法、並びに、電気化学デバイス用電極及び電気化学デバイス
JP4245532B2 (ja) * 2004-08-30 2009-03-25 株式会社東芝 非水電解質二次電池
JP4314223B2 (ja) * 2004-09-24 2009-08-12 株式会社東芝 回生用蓄電システム、蓄電池システムならびに自動車
JP4213659B2 (ja) * 2004-12-20 2009-01-21 株式会社東芝 非水電解質電池および正極活物質
JP4439456B2 (ja) * 2005-03-24 2010-03-24 株式会社東芝 電池パック及び自動車
KR100686813B1 (ko) * 2005-04-26 2007-02-26 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
JP4249727B2 (ja) 2005-05-13 2009-04-08 株式会社東芝 非水電解質電池およびリチウムチタン複合酸化物
JP2007018883A (ja) * 2005-07-07 2007-01-25 Toshiba Corp 負極活物質、非水電解質電池及び電池パック
JP4213688B2 (ja) * 2005-07-07 2009-01-21 株式会社東芝 非水電解質電池及び電池パック
JP4208865B2 (ja) * 2005-07-07 2009-01-14 株式会社東芝 非水電解質電池及び電池パック
JP4213687B2 (ja) * 2005-07-07 2009-01-21 株式会社東芝 非水電解質電池及び電池パック
US7892674B2 (en) 2005-09-09 2011-02-22 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonaqueous electrolyte secondary battery and battery module
JP4445447B2 (ja) 2005-09-15 2010-04-07 株式会社東芝 非水電解質電池および電池パック
JP4625744B2 (ja) * 2005-09-29 2011-02-02 株式会社東芝 非水電解質電池および電池パック
JP4557920B2 (ja) * 2006-03-30 2010-10-06 株式会社東芝 非水電解質電池
JP4799245B2 (ja) * 2006-03-30 2011-10-26 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び自動車
JP4421570B2 (ja) * 2006-03-30 2010-02-24 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び自動車
KR101285977B1 (ko) 2006-04-10 2013-07-12 삼성에스디아이 주식회사 전극 조립체 및 이를 구비한 이차전지
US7763375B2 (en) * 2006-05-24 2010-07-27 Eveready Battery Company, Inc. Current interrupt device for batteries
JP4580949B2 (ja) * 2006-06-02 2010-11-17 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び充電式掃除機
JP5032063B2 (ja) * 2006-06-06 2012-09-26 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パックおよび自動車
KR100899282B1 (ko) 2006-07-18 2009-05-27 주식회사 엘지화학 열수축 튜브를 이용한 안전 스위치 및 이를 포함하고 있는이차전지
JP4284341B2 (ja) * 2006-07-25 2009-06-24 株式会社東芝 非水電解質電池、自動車、アシスト自転車、二輪車、充電式掃除機及び電池パック
JP4709710B2 (ja) 2006-08-04 2011-06-22 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び自動車
KR100759464B1 (ko) * 2006-11-03 2007-10-04 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 스택
US20080254343A1 (en) * 2007-04-16 2008-10-16 Eveready Battery Company, Inc. Electrochemical cell with thermal current interrupting switch
KR100914108B1 (ko) * 2007-05-03 2009-08-27 삼성에스디아이 주식회사 전극 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지
CN101662044B (zh) * 2008-08-26 2014-03-12 比亚迪股份有限公司 锂离子电池及电池组
US8334071B2 (en) 2008-09-29 2012-12-18 Kabushiki Kaisha Toshiba Non-aqueous electrolyte secondary battery, electrode used for secondary battery, and method of manufacturing electrode
US20110305948A1 (en) * 2009-03-12 2011-12-15 Nissan Motor Co., Ltd. Bipolar battery current collector and bipolar battery
KR20110058380A (ko) * 2009-11-26 2011-06-01 삼성에스디아이 주식회사 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지
JP5598650B2 (ja) * 2009-12-10 2014-10-01 ソニー株式会社 非水電解質二次電池
US20110177383A1 (en) * 2010-01-19 2011-07-21 Lightening Energy Battery cell module for modular battery with interleaving separator
CN102158971B (zh) 2010-02-11 2014-11-05 华为技术有限公司 实现半持续调度业务或类似半持续调度业务的方法及设备
US9225000B2 (en) * 2010-07-22 2015-12-29 Bathium Canada Inc. Current collecting terminal with PTC layer for electrochemical cells
KR101182275B1 (ko) * 2010-11-02 2012-09-12 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
US20140017527A1 (en) * 2011-04-27 2014-01-16 Sanyo Electric Co., Ltd. Nonaqueous electrolyte secondary battery
KR101292618B1 (ko) * 2011-08-17 2013-08-02 에스케이이노베이션 주식회사 이차전지
JP5875803B2 (ja) * 2011-08-29 2016-03-02 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池及びその製造方法
US8440350B1 (en) * 2011-11-10 2013-05-14 GM Global Technology Operations LLC Lithium-ion battery electrodes with shape-memory-alloy current collecting substrates
EP3005441B1 (en) * 2013-06-05 2020-08-12 The Regents of the University of California Mitigating thermal runaway in lithium ion batteries using damage-initiating materials or devices
KR102143624B1 (ko) * 2014-01-08 2020-08-11 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
CN106030887A (zh) * 2014-03-12 2016-10-12 松下知识产权经营株式会社 薄型电池及电池搭载设备
JP6379573B2 (ja) * 2014-03-27 2018-08-29 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池
EP3309870B1 (en) * 2015-06-09 2022-08-03 Murata Manufacturing Co., Ltd. Battery, battery pack, electronic instrument, electric car, power storage device and power system
JP6590065B2 (ja) * 2016-03-14 2019-10-16 株式会社村田製作所 蓄電デバイス
JP6555422B2 (ja) 2016-07-08 2019-08-07 株式会社村田製作所 電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置及び電力システム
KR102320114B1 (ko) * 2017-06-21 2021-11-01 주식회사 엘지화학 파우치형 이차전지에 적용되는 전류 차단구조
US10622676B2 (en) * 2017-06-29 2020-04-14 Uchicago Argonne, Llc Functional organic salt for lithium-ion batteries
KR102392635B1 (ko) * 2017-07-11 2022-04-29 에스케이온 주식회사 조립성 및 안전성이 향상된 이차전지용 전극리드 및 이를 포함하는 이차전지
WO2019187755A1 (ja) 2018-03-27 2019-10-03 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池
CN110380141A (zh) * 2018-04-13 2019-10-25 宁德新能源科技有限公司 电芯及电化学装置
JP7263340B2 (ja) * 2018-06-07 2023-04-24 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池
JP7432444B2 (ja) 2020-06-09 2024-02-16 セイコーインスツル株式会社 電気化学セルの製造方法および電気化学セル

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US268565A (en) * 1882-12-05 spbague
US323659A (en) * 1885-08-04 Automatic car-brake
US4511243A (en) 1983-04-15 1985-04-16 Xerox Corporation Time to completion interaction for a copier
JPS59195670U (ja) * 1983-06-15 1984-12-26 富士電気化学株式会社 非水電解液電池
US5188909A (en) * 1991-09-12 1993-02-23 Eveready Battery Co., Inc. Electrochemical cell with circuit disconnect device
JP3468538B2 (ja) * 1992-11-13 2003-11-17 日立マクセル株式会社 有機電解液電池
JPH1154007A (ja) * 1997-08-06 1999-02-26 Sumitomo Electric Ind Ltd 電流遮断装置及びこれを用いた電池
JP3959929B2 (ja) * 2000-04-25 2007-08-15 ソニー株式会社 正極及び非水電解質電池
FR2831993A1 (fr) * 2001-11-08 2003-05-09 Cit Alcatel Compose d'insertion du lithium a haute tension utilisable comme matiere active cathodique de generateur electrochimique rechargeable au lithium
CN2538072Y (zh) * 2002-04-04 2003-02-26 北京星恒电源有限公司 一种安全型大容量非水电解质电池
US20050048369A1 (en) * 2003-08-28 2005-03-03 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, production method thereof and non-aqueous electrolyte secondary battery
JP4159954B2 (ja) * 2003-09-24 2008-10-01 株式会社東芝 非水電解質電池
US7462425B2 (en) * 2003-09-26 2008-12-09 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonaqueous electrolyte secondary battery and battery module
JP4495994B2 (ja) 2004-03-29 2010-07-07 株式会社東芝 非水電解質二次電池
JP3769291B2 (ja) * 2004-03-31 2006-04-19 株式会社東芝 非水電解質電池
JP4314223B2 (ja) 2004-09-24 2009-08-12 株式会社東芝 回生用蓄電システム、蓄電池システムならびに自動車
JP4213659B2 (ja) * 2004-12-20 2009-01-21 株式会社東芝 非水電解質電池および正極活物質
JP4213687B2 (ja) 2005-07-07 2009-01-21 株式会社東芝 非水電解質電池及び電池パック
US7892674B2 (en) 2005-09-09 2011-02-22 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonaqueous electrolyte secondary battery and battery module
JP4445447B2 (ja) 2005-09-15 2010-04-07 株式会社東芝 非水電解質電池および電池パック
JP4625744B2 (ja) 2005-09-29 2011-02-02 株式会社東芝 非水電解質電池および電池パック
JP4421570B2 (ja) 2006-03-30 2010-02-24 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び自動車
JP4557920B2 (ja) 2006-03-30 2010-10-06 株式会社東芝 非水電解質電池
JP4799245B2 (ja) 2006-03-30 2011-10-26 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び自動車
JP4580949B2 (ja) 2006-06-02 2010-11-17 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び充電式掃除機
JP4284341B2 (ja) * 2006-07-25 2009-06-24 株式会社東芝 非水電解質電池、自動車、アシスト自転車、二輪車、充電式掃除機及び電池パック
JP4709710B2 (ja) 2006-08-04 2011-06-22 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び自動車
JP4296205B2 (ja) 2007-03-29 2009-07-15 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び自動車

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100986876B1 (ko) * 2007-03-27 2010-10-08 가부시끼가이샤 도시바 비수전해질 전지, 전지 팩 및 자동차
KR101118261B1 (ko) * 2009-09-30 2012-03-20 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지 및 이의 제조 방법
US8455124B2 (en) 2009-09-30 2013-06-04 Samsung Sdi Co., Ltd. Secondary battery and method of fabricating the same
WO2013133541A1 (ko) * 2012-03-07 2013-09-12 에스케이이노베이션 주식회사 이차 전지용 배터리 셀
KR20200008877A (ko) * 2018-07-17 2020-01-29 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지

Also Published As

Publication number Publication date
US20050221173A1 (en) 2005-10-06
US7482090B2 (en) 2009-01-27
CN1677735A (zh) 2005-10-05
JP2005285429A (ja) 2005-10-13
KR100779282B1 (ko) 2007-11-23
JP4495994B2 (ja) 2010-07-07
CN100448091C (zh) 2008-12-31
US7807283B2 (en) 2010-10-05
US20090130543A1 (en) 2009-05-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100779282B1 (ko) 비수성 전해질 이차 전지
KR100853628B1 (ko) 전극과 배터리, 및 그 제조 방법
KR100841905B1 (ko) 2차 전지 및 그 제조 방법
JP5699559B2 (ja) 非水電解質電池
JP4404300B2 (ja) 密閉角形電池
JP6870914B2 (ja) 非水電解質電池、電池パック及び車両
US20040096735A1 (en) Nonaqueous secondary electrolytic battery
EP0942484A1 (en) Nonaqueous-electrolyte secondary battery
EP2461391B1 (en) Battery
JP2008066040A (ja) 電池およびその製造方法
US7585591B2 (en) Battery including rolled electrodes and straight lead terminals
EP3322024B1 (en) Nonaqueous electrolyte battery and battery pack
EP3396773B1 (en) Non-aqueous electrolyte battery and battery pack
KR20190005296A (ko) 노치가 형성된 리드박스를 포함하는 파우치형 이차전지
JP5099880B2 (ja) リチウムイオン二次電池およびリチウムイオン二次電池の組電池
JP5150095B2 (ja) 非水電解質電池
EP1256993A2 (en) Solid electrolyte battery and method for manufacturing same
JP6048477B2 (ja) 非水電解質電池の製造方法
JP4175725B2 (ja) 薄型電池
JP4300172B2 (ja) 非水電解質二次電池
JP4439870B2 (ja) 非水電解質二次電池
JP2000164197A (ja) 非水電解質二次電池
CN115347193A (zh) 二次电池的集电体及其制造方法、以及二次电池
CN116802881A (zh) 电极组、电池及电池组

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121114

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131018

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141022

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee