KR20070024353A - 비수 전해질 이차전지와 그를 이용한 전지팩 - Google Patents

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Abstract

비수 전해질 이차전지는, 심재 상에 합제층을 형성한 양극과 음극과, 양극과 음극을 전기적으로 절연하는 절연층을 감은 전극군을 갖는다. 양극과 음극의 적어도 한쪽은, 감는 방향에 대해 평행하게 연속한 심재 노출부를 갖는다. 합제층은 중량 경사 영역과 중량 일정 영역을 갖는다. 중량 경사 영역에서는, 심재 노출부에 평행하여 단위 면적당 합제량이 심재 노출부측에서 감소하고 있다. 중량 일정 영역은 중량 경사 영역에 인접하고, 중량 일정 영역에서는 단위 면적당 합제량이 일정하다. 중량 경사 영역의 폭은 합제층의 폭에 대해 0.2 이하이고, 또한 중량 경사 영역의 평균 합제 밀도는 중량 일정 영역의 합제 밀도에 대해 40% 이상 99% 이하이다.

Description

비수 전해질 이차전지와 그를 이용한 전지팩{NON-AQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY AND BATTERY PACK USING THE SAME}
도 1a는 본 발명의 실시형태에서의 비수 전해질 이차전지의 양극, 음극 및 세퍼레이터의 구성을 나타내는 개략 전개도이다.
도 1b는 본 발명의 실시형태에서의 비수 전해질 이차전지의 요부 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 실시형태에서의 비수 전해질 이차전지의 개략도이다.
도 2b는 본 발명의 실시형태에서의 비수 전해질 이차전지의 다른 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에서의 비수 전해질 이차전지를 이용한 전지팩의 개략도이다.
본 발명은 고출력 용도에서의 비수 전해질 이차전지에 관한 것으로, 특히 염가이면서 높은 안전성에 기여하는 비수 전해질 이차전지와 그를 이용한 전지팩에 관한 것이다.
리튬 이온 이차전지로 대표되는 비수 전해질 이차전지는, 다른 축전지에 비해 에너지 밀도가 높다. 그 때문에, 포터블 기기 전원 등의 민생 용도에 더하여, 전동공구 전원 등의 파워 툴 용도로 그 시장이 확대되고 있다.
예를 들면 하이 브리드 전기 자동차 용도에서는, 스타트나 가속시에 비수 전해질 이차전지로부터 순간에 다전류를 취출할 수 있으면, 그 후에는 내연기관에 의해 자동차를 구동시키는 것이 가능하다. 또한 전동공구 용도에서는, 구동원이 비수 전해질 이차전지만으로, 모터 기동시에 큰 부하가 필요해져, 특히 작업 대상물에 접한 상태로부터의 기동은 더 큰 출력이 요구된다.
따라서 이들 고출력용 이차전지에는, 출력특성을 높이는 것이 필수이다. 그를 위해서는 내부 저항의 저감이 불가결하다. 내부 저항의 저감에는, 극판(양극, 음극)에서의 집전 구성이 크게 영향을 준다. 구체적으로는, 극판의 심재에서 합제를 도포하지 않는 노출부에 대해, 집전체를 그 노출부에 집합 접합함으로써 저저항화를 도모하는 것이 가능하다. 이 기술은, 전동공구 용도나 하이 브리드 전기 자동차 용도의 니켈 카드뮴 전지나 니켈 수소전지에서 이미 실용되고 있다. 이들 전지에서는 심재의 두께가 300㎛ 이상으로 두껍기 때문에, 극판의 단부에서의 집합 접합이 가능하다.
한편, 비수 전해질 이차전지의 심재는, 수십 ㎛로 매우 얇다. 그 때문에, 집합 접합하기 위한 심재 노출부를 단부에 형성시키고, 그 부위를 집합 접합하는 것이 필요하다. 심재 노출부를 형성하는 방법으로는, 여러 제안이 이루어져 있다. 예를 들면 일본국 특허 공개공보 평10-144301호는, 합제층 형성후의 극판에 대해 합제층의 박리를 행함으로써 심재 노출부를 형성시키는 것을 제안하고 있다. 또한 일본국 특허 공개공보 평11-3541l0호는, 미리 심재 노출부가 되는 개소를 테이프로 보호하고, 합제층의 코팅 후에 테이프를 박리함으로써 심재 노출부를 형성하는 방법을 제안하고 있다.
그러나, 이들 방법에서는 박리공정이 가해져 생산성에 과제가 생긴다. 또한 소모품인 마스킹 부재를 사용하는 것도 마찬가지로, 접착, 박리의 공정이 가해지는 뿐만 아니라 비용면에서도 불리하다.
한편, 일본국 특허 공개공보 2003-208890호는 극판의 단부에 심재 노출부를 남겨 합제층을 도포 형성시키는 것을 제안하고 있다. 이때 심재 노출부와 합제층의 경계에서는, 합제를 불룩하게 형성하고, 그 후의 압연공정에 의해 합제층의 두께를 평준화시킨다.
이러한 방법으로 극판을 형성하면, 안전성에 관한 과제가 생긴다. 즉, 특히 양극의 심재 노출부와 합제층과의 경계에서 합제를 불룩하게 형성하면, 이 부위에서의 양극 중량이 증가한다. 그 때문에, 그 위치에 대향하는 부분에서 음극의 부하가 부하 설계치를 상회하게 된다. 그리고 경우에 따라서는 음극 내에 수납할 수 없게 된 리튬 이온이 금속 리튬으로서 표면에 석출할 가능성이 있다. 음극에 수납하는 리튬 이온량이 많아지면, 음극의 열 안정성이 저하하는 것이 알려져 있고, 이 점에서 음극의 부하 설계는 매우 중요하다. 특히 고출력용 이차전지는, 출력 특성을 높이기 위해 전지를 대형화할 필요가 있다. 이와 같이 고출력화, 대형화함으로써, 비수 전해질 이차전지의 내부 에너지가 증가하고, 전지의 열 안정성이 저하하 기 때문에, 전극 설계는 매우 중요해진다.
본 발명은, 고출력 용도의 전원으로서 방전 특성을 감안한 구조를 형성시킬 때에, 높은 안전성을 갖는 생산성이 높은 비수 전해질 이차전지와 그를 이용한 전지팩이다.
본 발명의 비수 전해질 이차전지는, 심재 상에 합제층을 형성한 양극과 음극과, 양극과 음극을 전기적으로 절연하는 절연층이 감겨진 전극군을 갖는다. 양극과 음극의 적어도 한쪽은, 감기는 방향에 대해 평행하게 연속한 심재 노출부를 갖는다. 합제층은 중량 경사 영역과 중량 일정 영역을 갖는다. 중량 경사 영역에서는, 심재 노출부에 평행하여 단위 면적당 합제량이 심재 노출부 측에서 감소하고 있다. 중량 일정 영역은 중량 경사 영역에 인접하고, 중량 일정 영역에서는 단위 면적당 합제량이 일정하다. 중량 경사 영역의 폭은 합제층의 폭에 대해 0.2 이하이고, 또한 중량 경사 영역의 평균 합제 밀도는 중량 일정 영역의 합제 밀도에 대해 40% 이상 99% 이하이다. 이와 같이 양극과 음극의 적어도 한쪽에 심재 노출부를 형성시킬 때에, 합제층의 중량 경사 영역에서 합제량에 경사를 형성한다. 이 구성에 의해, 박리공정이나 소모품을 삭감함으로써 전지를 염가로 제조할 수 있다. 또한 특히 양극에 대해서는, 코팅단 부근의 양극 중량을 적게 하게 함으로써, 대향하는 음극의 부하가 작아져 안전성이 높아진다. 또한, 본 발명의 전지 구성에서는, 생산성이 높고, 높은 안전성을 갖은 비수 전해질 이차전지를 제공하는 것이 가능해진다.
도 1a는 본 발명의 실시형태에서의 비수 전해질 이차전지의 양극, 음극 및 세퍼레이터의 구성을 나타내는 개략 전개도이다. 도 1b는 본 발명의 실시형태에서의 비수 전해질 이차전지의 요부 단면도이다. 도 2a는 본 발명의 실시형태에서의 비수 전해질 이차전지의 개략도이다.
도 2a에 나타내는 전극군(5)은 도 1a에 나타내는 양극(1)과 음극(3)을 세퍼레이터(4)를 사이에 두고 감음으로써 구성되어 있다. 도 1b에 도시하는 바와 같이, 양극(1)은 양극 심재(22)와 그 위에 설치된 양극 합제층(24)을 갖는다. 또한 양극 합제층(24)의 표면에는 절연층(31)이 설치되어 있다. 음극(3)은 음극 심재(23)와 그 위에 설치된 음극 합제층(25)을 갖는다. 양극(1), 음극(3)은 각각 감는 방향에 대해 평행하게 연속한 심재 노출부(2C, 2A)를 갖는다.
도 2a에 도시하는 바와 같이, 전극군(5)을 구성한 후에, 집전체(6C)는 심재 노출부(2C)에 접합되고, 집전체(6A)는 심재 노출부(2A)에 접합되어 있다. 이때 집전체(6C, 6A)는 각각 심재 노출부(2C, 2A)에 집합 용접되어 있다. 그 후, 전극군(5)을 전지 캔(7)에 삽입하고, 집전체(6A)를 전지 캔(7)에 결합하고, 집전체(6C)를 도시하지 않은 덮개판에 결합한다. 마지막으로 도시하지 않은 비수 전해액을 전지 캔(7) 내에 주입하고, 전지 캔(7)을 덮개판에 대해 코킹하여 밀봉하여, 비수 전해질 이차전지가 완성된다.
또, 도 2b에 도시하는 바와 같이, 심재 노출부를 양극(1)에만 설치하고, 음극(3)에는 설치하지 않는 구성이어도 된다. 그 경우, 음극 합제층(25)의 일부를 감는 방향에 수직인 방향으로 박리하고, 그 박리 개소에 집전체(61A)를 용착해 둔다. 또한 도시하지 않았지만, 심재 노출부를 음극(3)에만 설치하고, 양극(1)에는 설치하지 않는 구성이어도 된다.
양극 합제층(24)에 함유되는 양극 활물질로는, 리튬 이온의 흡장·방출이 가능하고, 충분한 양의 리튬 이온을 포함하고 있는 종래 공지의 양극 재료이면, 어느 것이나 된다. 구체적으로는, 일반식 LiMx0y로 나타나는 리튬과 천이금속으로 이루어지는 복합금속 산화물이나, 리튬을 포함한 층간 화합물 등을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 일반식에서, l＜x≤2이고, 2＜y≤4이며, M은 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 철(Fe), 알루미늄(Al), 바나듐(V), 티탄(Ti) 중 적어도 1종류 이상을 함유한다.
양극 합제층(24)에 함유되는 결착제로는, 통상 이 종류의 전지의 양극 합제층에 이용되고 있는 공지의 결착제를 이용할 수 있다. 구체적으로는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스티렌부타디엔 고무 등을 예들 수 있다. 또한, 양극 합제층(24)에는, 필요에 따라 공지의 첨가제 등을 첨가해도 된다. 구체적으로는 카본블랙 등의 도전제를 첨가해도 된다.
양극 심재(22)나 집전체(6C)로는, 알루미늄(Al), 티탄 등이 사용 가능하다. 또한 이중 어느 재료에, 카본 등으로 표면 처리한 것을 이용해도 된다. 카본으로 표면 처리하는 경우에는 심재 노출부(2C)를 제외하고 표면 처리한다.
음극 합제층(25)에 함유되는 음극 활물질로는, 리튬 이온의 흡장·방출이 가 능한 탄소재료, 결정질, 비결정질 금속 산화물 등이 이용된다. 탄소재료로는, 코크스나 유리형상 탄소 등의 난흑연화성 탄소재료, 결정구조가 발달한 고결정성 탄소재료의 흑연류 등을 예들 수 있고, 구체적으로는, 열분해 탄소류, 코크스류, (피치 코크스, 니들 코크스, 석유 코크스 등), 그래파이트류, 유리형상 탄소류, 유기 고분자 화합물 소성체(페놀수지나 푸란수지 등을 적당한 온도로 소성하여 탄소화한 재료), 탄소섬유, 활성탄 등을 예들 수 있다.
음극 합제층(25)에 함유되는 결착제로는, 구체적으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PTFE, PVDF, 스티렌부타디엔 고무 등이 생각된다. 통상 이 종류의 전지의 음극 합제층에 이용되고 있는 공지의 결착제를 이용할 수 있다. 또한, 음극 합제층(25)에는, 필요에 따라 공지의 첨가제 등을 첨가해도 된다.
음극 심재(23)나 집전체(6A)에는, 스테인리스강, 니켈, 동, 티탄 등이 이용 가능하다. 또, 카본, 니켈, 티탄 등으로 표면 처리를 실시해도 된다. 카본으로 표면 처리하는 경우에는 심재 노출부(2A)를 제외하고 표면 처리한다.
비수 전해액은, 비수 용매에 전해질(지지염)이 용해되어 조제된다. 비수 용매에는, 비교적 유전율이 높고, 음극(3)을 구성하는 흑연에 의해 분해되기 어려운 에틸렌 카보네이트(이하, EC) 등을 주 용매로 이용한다. 특히, 음극 활물질에 흑연 재료를 이용하는 경우, 주 용매로는, EC을 이용하는 것이 바람직한데, EC의 수소원자를 할로겐 원소로 치환한 화합물을 이용하는 것도 가능하다.
또한, 주 용매로서의 EC나 EC의 수소 원자를 할로겐 원소로 치환한 화합물 등의 일부를 제2 성분 용매로 치환함으로써, 보다 양호한 특성이 얻어진다. 이 제 2 성분 용매로는, 프로필렌 카보네이트(이하, PC)와 같이 흑연재료와 반응성이 있는 것을 이용할 수도 있다. PC 이외에는 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 1, 2-디메톡시 에탄, 1, 2-디에톡시 메탄,
Figure 112006051592934-PAT00001
-부티로락톤, 발레로락톤, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1, 3-디옥소란, 4-메틸-1, 3-디옥소란, 설포란, 메틸설포란 등을 예들 수 있다.
또, 비수 용매에는 저점도 용매를 병용하고, 도전율을 향상시켜 전류 특성을 개선하고, 금속 리튬과의 반응성을 저하시켜 안전성을 개선하는 것이 바람직하다. 저점도 용매로는, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트 등의 대칭 혹은 비대칭인 쇠사슬 형상 탄산 에스테르나, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 카르본산 에스테르나, 인산 트리메틸, 인산 트리에틸 등의 인산 에스테르 등을 사용할 수 있다. 이들 저점도 용매는 1종류를 단독으로 이용해도 되고, 2종류 이상을 혼합하여 이용하는 것도 가능하다.
전해질로는, 비수 용매에 용해하고, 이온 전도성을 나타내는 리튬염이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, LiPF6, LiC1O4, LiAsF6, LiBF4, LiB(C6H5)4, LiCH3SO3, CF3SO3Li, LiC1, LiBr 등을 사용할 수 있다. 특히, 전해질로 LiPF6를 이용하는 것이 바람직하다. 이들 전해질은 1종류를 단독으로 이용해도 되고, 2종류 이상을 혼합하여 이용하는 것도 가능하다.
또 비수 전해질 전지는, 전해질로서 상술과 같은 비수 전해액을 이용하는 것에 한정되지 않고, 고체 전해질이나 겔 형상의 전해질을 이용하는 것도 가능하다. 또한, 비수 전해질 전지는 원통형을 예로 설명하고 있는데, 각형, 평판형 등 그 형상에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 또한, 박형, 대형 등 어느 것의 크기어도 된다.
세퍼레이터(4)에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀의 미다공막을 이용할 수 있다.
전지 캔(7)의 재질로는, 철, 니켈, 스테인리스, 알루미늄, 티탄 등을 사용할 수 있다. 전지 캔(7)에는, 충방전에 따른 비수 전해액에 의한 전기 화학적인 부식을 방지하기 위해, 도금 등이 실시되어 있어도 된다.
절연층(31)은 절연성 재료로 구성되고, 비수 전해액 투과성을 갖는 다공질층이다. 즉 절연층(31)은 리튬 이온 투과성을 갖는다. 절연층(31)에 포함되는 무기 필러는 예를 들면, 산화 알루미늄(알루미나), 이산화규소, 이산화티탄, 산화지르코늄, 산화마그네슘 혹은 수지 등의 분말이다. 이들은 단독으로 이용해도 2종류 이상을 혼합하여 이용해도 된다. 무기 필러의 형상은 특별히 한정되지 않는다.
절연층(31)은 세퍼레이터(4)와 동일하게 양극(1)과 음극(3)의 단락을 방지한다. 따라서 전지 구성에 따라서는 세퍼레이터(4)를 설치하지 않아도 된다. 또, 절연층(31)은 양극 합제층(24)의 표면에 설치되어 있는데, 음극 합제층(25)의 표면에 설치해도 된다. 양쪽에 설치해도 된다. 혹은, 세퍼레이터(4)의 표면에 설치해도 된다.
단, 세퍼레이터(4)가 배치되어 있는 것이 바람직하다. 세퍼레이터(4)를 배치시킴으로써, 전지의 이상 고온시에도 세퍼레이터(4)의 용융에 의한 구멍의 차폐 에 의해 전류를 차단하는 것이 가능해져, 보다 안전성이 향상하기 때문에 바람직하다. 여기서 형성한 심재 노출부(2A, 2C)에 집전체(6A, 6C)를 용접하기 위해, 세퍼레이터(4)의 단부는, 적어도 심재 노출부(2A, 2C)의 단부보다 내측에 배치할 필요가 있다.
다음으로, 본 실시형태에서의 양극 합제층(24)과 음극 합제층(25)의 중량 배분에 대해 설명한다. 대표하여 양극 합제층(24)에 대해 설명한다.
양극 합제층(24)은 중량 일정 영역(51)과 중량 경사 영역(52)을 갖는다. 중량 경사 영역(52)은 심재 노출부(2C)에 인접하여 실질적으로 평행하게 설치되고, 단위 면적당 합제량이 심재 노출부(2C) 측에서 감소하고 있다. 즉, 중량 경사 영역(52)에서는, 심재 노출부(2C)에 평행하여 단위 면적당 합제량이 심재 노출부(2C)를 향해 감소하고 있다.
중량 일정 영역(51)은 중량 경사 영역(52)에 인접하고, 단위 면적당 합재량이 실질적으로 일정하다. 또한 중량 일정 영역(51)의 폭을 A로 하고, 중량 경사 영역(52)의 폭(경사폭)을 B로 하면, 0＜B/(A+B)≤0.2이다.
중량 경사 영역(52)의 평균 합제 밀도는 중량 일정 영역(51)의 합제 밀도에 대해 40% 이상 99% 이하이다. 중량 경사 영역(52)의 평균 합제 밀도는 양극 합제층(24)을 압연함으로써 제어한다. 양극 합제층(24)의 폭(A+B)에 대해 중량 경사 영역(52)의 폭(B)이 0.2를 초과하면, 전지 용량이 저하한다. 또한 중량 일정 영역(51)의 합제 밀도에 대한 중량 경사 영역(52)의 평균 합제 밀도의 비가 40% 미만이 되면, 압연후의 양극 심재(22)와 양극 합제층(24)의 접착 강도가 저하한다. 이에 의해, 과도의 진동이나 충격이 가해졌을 때에는, 합제가 양극 심재(22)로부터 탈락할 가능성이 높아진다. 그 때문에, 중량 경사 영역(52)의 평균 합제 밀도는, 중량 일정 영역(51)의 합제 밀도에 대해 40% 이상 99% 이하로 한다.
마찬가지로, 음극 합제층(25)도 중량 일정 영역(53)과 중량 경사 영역(54)을 갖고, 중량 일정 영역(53)의 폭을 A로 하고, 중량 경사 영역(54)의 폭을 B로 하면, 0＜B/(A+B)≤0.2이다. 또한 중량 경사 영역(54)의 평균 합제 밀도는 중량 일정 영역(53)의 합제 밀도에 대해 40% 이상 99% 이하이다. 또 본 실시형태에서는 양극 합제층(24)과 음극 합제층(25)의 양쪽에 대해, 중량 일정 영역과 중량 경사 영역을 설치하고 있는데, 어느 한쪽에만 설치해도 된다.
또, 절연층(31)에는 내열 재료가 포함되어 있는 것이 바람직하다. 세퍼레이터(4)는 고분자 수지의 미다공막으로 구성되어 있다. 그 때문에, 세퍼레이터(4)는 온도 상승에 의해 수축하는 성질을 갖는다. 특히 사용 환경이 냉엄한 차량 용도 등의 경우, 방전시에 발생하는 열에 더하여, 세퍼레이터(4)가 수축함으로써 양극(1)과 음극(3)이 쇼트하여, 경우에 따라서는 발열이나 발연 등이 일어날 가능성이 있다. 절연층(31)에 내열 재료를 이용함으로써, 세퍼레이터(4)가 수축했을 때에도 양극(1)과 음극(3)의 절연을 유지할 수 있어, 안전성의 면에서 보다 바람직하다. 또한, 더 고온 이상시에 전류를 차단시키는 기능을 갖게 하기 위해, 절연층(31)에 융점이 낮은 수지 비즈를 혼합해도 된다. 또는 적층 형성함으로써 설치해도 된다. 절연층(31)은 내열 재료를 포함하는 전구체 용액을 쌍완식 혼합기 등으로 교반하여 페이스트화 한 후, 이 페이스트를 닥터 블레이드나 다이코트 등의 방법으로 양극 (1), 음극(3) 또는 세퍼레이터(4) 상에 도포하고, 건조함으로써 형성할 수 있다.
절연층(31)에 이용하는 내열 재료에는 열변형 온도 200℃ 이상의 내열 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 아라미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르니트릴, 폴리에테르케톤, 폴리벤조이미다졸 등을 이용할 수 있다. 특히 아라미드 수지는 높은 열변형 온도를 갖고 있는 관점에서 바람직하다.
또한 절연층(31)에는, 절연성 필러를 함유시키는 것이 바람직하다. 절연성 필러를 함유시킴으로써, 다공성을 높이는 것이 가능해져 전해액의 유지성이 향상한다. 그 때문에, 전지특성의 관점으로부터도 바람직하다. 특히 절연성 필러를 주재료로 이용하여, 결착제로 주재료를 상호 결착시킨 구성이 보다 바람직하다. 절연성 필러를 결착시키는 결착제로는, PVDF 외에, PTFE, 변성 아크릴로니트릴 고무입자 등을 이용할 수 있다. PTFE나 변성 아크릴로니트릴 고무입자를 채용하는 경우, 증점제로서 카르복시메틸셀룰로스(이하, CMC), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 결착제인 변성 아크릴로니트릴 고무입자와 점성이 다른 변성 아크릴로니트릴 고무 등과 조합하여 이용하는 것이 바람직하다. 이들 수지는 비수 전해액과의 친화성이 높기 때문에, 전해액을 흡수하여 팽윤하는 성질을 갖는다. 이 팽윤에 의해, 절연층(31)이 적절히 체적 팽창하여, 비수 전해액의 유지성이 향상한다. 또한, 절연성 필러로는, 수지제 비즈, 무기 산화물 등을 이용할 수 있는데, 특히 무기 산화물이 비열의 관점에서 바람직하다. 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 마그네시아가 비열, 열전도율 및 내열 충격성이 높아 특히 바람직하다. 또한, 절연성 필러와 내열성 수지는 내열성의 관점에서 독립해도 이용할 수 있지만, 각각을 혼합해도 되고, 또는 적층을 하여 이용해도 된다.
내열 재료를 포함하는 절연층(31)은 양극(1)과 음극(3) 쌍방에 설치되어 있어도 되지만, 제조공정을 삭감하는 관점에서, 어느 한쪽에 설치되는 것이 바람직하다. 또한 이 경우, 양극(1)에 대해 면적이 큰 음극(3)에 절연층(31)을 설치하는 편이 양극(1)과 음극(3) 사이의 절연을 보다 강고하게 하는 관점에서 바람직하다.
또 내열 재료를 포함하는 절연층(31)은 세퍼레이터(4) 상에 담지되어 있는 것이 바람직하다. 세퍼레이터(4) 상에 형성시킴으로써, 집전체를 심재에 용접시에 발생하는 열에 의한 수축을 억제하는 것이 가능해진다.
다음으로, 이상과 같이 구성된 비수 전해질 이차전지를 이용한 전지팩에 대해 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은 전지팩의 투시 사시도이다. 5개의 비수 전해질 이차전지(이하, 전지)(41)는 도시하지 않은 격리판을 이용하여, 전지(41)끼리의 사이의 거리를 예를 들면 1㎜로 유지하고, 평행하게 배열되어 있다. 연락판(8)은 2개의 전지(41) 중 한쪽의 양극 단자와 다른쪽의 음극 단자에 저항 용접에 의해 접속되어 있다. 이렇게 하여 5개의 전지(41)는 직렬로 접속되어 있다. 그리고 직렬의 말단의 전지(41B)의 양극 단자에는 양극 단자(10)가, 반대쪽의 말단의 전지(41C)의 음극 단자에는 음극 단자(11)가 접속되어 있다. 연락판(8)은 예를 들면 Fe, Ni, Al, Ti, 스테인리스, 동(Cu) 등으로 구성할 수 있다. 전기 저항의 관점에서는, Al이나 Cu로 구성하는 것이 바람직하다.
중앙에 배치된 전지(41A)에는, 충방전 중의 온도를 측정하기 위해, 온도 센 서(9)가 부착되어 있다. 온도 센서(9)는 예를 들면 열전대로 이루어져, 전지(41A)의 절연 튜브상에 밀착하고 있다. 온도 센서(9)는 도시하지 않은 제어부에 접속되어 있다. 제어부는 온도 센서(9)의 출력이 소정의 값(예를 들면, 60℃)에 달하면, 예를 들면 양극 단자(10)와 음극 단자(11) 사이의 회로를 연다. 이렇게 하여 전지팩의 온도 상승을 방지한다.
5개의 전지(41)와 연락판(8), 온도 센서(9)는, 수지제의 외장 케이스(12)로 덮여 있다. 외장 케이스(12)는, 예를 들면 아크릴로니트릴·스티렌·부타디엔(ABS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP) 등의 내열성과 기계적 강도가 높은 재질로 구성되어 있다.
이하, 본 발명의 효과에 대해 구체적인 실시예를 이용하여 설명한다. 우선 시험체인 전지 No.1의 개개의 구성 요소의 제작에 대해 설명한다. 우선 양극 합제층(24)의 폭(A+B)에 대한 폭(B)을 검토하였다.
(1)양극의 제작
양극 활물질로 Li1 .0Ni1 /3Mn1 /3Co1 /3O2를 이용했다. 이는, 원재료로서 탄산 리튬(Li2CO3)과 니켈·망간·코발트로 이루어지는 수산화물(Ni(OH)2과 Mn(OH)2과 Co(OH)2와의 등몰 혼합물)을 소정의 몰 수로 혼합하고, 900℃ 공기 분위기하에서 10시간 소성함으로써 얻었다.
니켈·망간·코발트로 이루어지는 수산화물의 합성은, 질산 니켈, 질산 망간, 질산 코발트를 소정량 용해하고, 그 중에 수산화나트륨을 더하고, 그 공침물을 수세하여, 150℃에서 건조시켜 얻었다.
이 양극 활물질에 도전재인 아세틸렌 블랙과, 결착제인 폴리불화비닐리덴의 N-메틸피롤리돈 용액을 교반 혼합하여 양극 합제 페이스트를 얻었다. 각 성분의 비율은, 양극 활물질 100중량부, 아세틸렌 블랙 3중량부, 폴리불화비닐리덴 5중량부로 했다. 다음으로, 두께 15㎛의 알루미늄박을 양극 심재(22)로서 이용하여, 그 양면에 양극 합제 페이스트를 도포하였다. 그때 양극 심재(22)의 단부를 20㎜ 미코팅부로 형성하였다. 이 미코팅부는 심재 노출부(2C)에 상당한다. 중량 경사 영역(52)의 폭(B)에 대해서는, 전지 No.1에서는 B/(A+B)=0.1이 되도록 양극 합제 페이스트를 코팅하였다. 그 측정방법으로는, 코팅, 건조 후의 페이스트의 두께를 측정하고, 두께 차에 의해 그 폭(B)을 구했다. 여기서는 전 코팅 폭(A+B)은 50㎜로 하고, 폭(B)은 5㎜로 하였다.
그 중량 경사를 실현시키기 위해, 페이스트의 점도와 코팅 스피드를 조정하였다. 구체적으로는, 페이스트의 점도를 B형 점도계에 있어서, 실온에서 13000∼16000cPs의 범위로 조정하였다. 또는 매분 5m에서 15m 사이에서 페이스트를 코팅하면서, 그 중량 경사를 형성시켰다. 그 후 건조시키고, 더 압연 롤러로 압연하고, 소정 치수로 양극 심재(22)를 페이스트와 함께 재단하여 양극(1)을 얻었다.
그리고 중량 경사 영역(52)인 코팅 단부의 평균 합제 밀도를 그 합제의 두께와 코팅 중량으로부터 산출하였다. 또한 코팅시에 중량 경사를 설치하지 않는 중량 일정 영역(51)에 대해서도 동일한 방법으로 합제 밀도를 구했다. 전지 No.1에서는 그 합제 밀도 비율을 70%로 했다.
(2)음극의 제작
음극 활물질로서 평균 입경이 약 20㎛이 되도록 분쇄, 분급한 비늘형상 흑연을 이용했다. 이 비늘형상 흑연 100중량부와 결착제인 스티렌/부타디엔 고무 3중량부를 혼합하였다. 또 흑연에 대해 CMC가 1%가 되도록 카르복시메틸셀룰로스 수용액을 더하고, 교반 혼합하여 음극 합제 페이스트를 얻었다. 다음으로 두께 10㎛의 동박을 음극 심재(23)로 이용하고, 그 양면에 음극 합제 페이스트를 도포하였다. 건조 후에 압연 롤러를 이용하여 압연을 행하고, 음극 심재(23)를 페이스트와 함께 소정 치수로 재단했다. 그리고 감는 방법에 수직으로 음극 합제를 일부 박리하고, 이 박리부분에 도 2b에 나타내는 니켈제의 집전체(61A)를 초음파 용착하였다. 이렇게 하여 음극을 얻었다.
(3)비수 전해액의 조제
용매로서 EC와 에틸메틸카보네이트의 혼합물을 이용했다. EC와 에틸메틸카보네이트의 비율은 40℃에서의 체적비로 30:70으로 하였다. 이 용매에 1.0mo1/L이 되도록 LiPF6을 용해하였다. 이렇게 하여 비수 전해액을 조제하였다.
다음으로, 비수 전해질 이차전지의 제작 순서에 대해 설명한다. 상술과 같이 하여 얻어진 양극(1)과 음극을, 폴리에틸렌제의 세퍼레이터(4)를 사이에 두고 말아 도 2b에 도시하는 바와 같이 전극군(5)을 구성하였다. 그때, 양극 합제단에 대해 음극 합제단이 2㎜ 커지도록 구성하였다. 그 후, 양극(1)에 형성한 심재 노출부(2C)에 집전체(6C)를 집합 용접하였다. 그리고 전극군(5)을 전지 캔(7)에 삽입하고, 집전체(6C)를 도시하지 않은 덮개판에 결합하고, 전지 캔(7)에 집전체 (61A)를 결합하였다. 마지막으로 비수 전해액을 주입하고, 덮개판으로 전지 캔(7)을 밀봉하여, 전지 No.1의 비수 전해질 이차전지를 제작하였다. 전지 No.1의 직경은 18㎜, 높이는 65㎜이다.
전지 No.2는 전지 No.1의 제작에서, 양극 합제층(24)의 폭(A+B) 50㎜에 대해 폭(B)을 10㎜로 하였다. 즉 B/(A+B)=0.2가 되도록 양극 합제 페이스트를 코팅하였다. 그를 위해, 페이스트의 점도를 실온에서 9000∼12000cPs의 범위로 조정하였다. 이 이외는 전지 No.1와 동일하게 하여 전지 No.2를 제작하였다. 이하, 전지 No.2를 전형예로서 검토하였다.
전지 No.3는 전지 No.1의 제작에서, 양극 합제층(24)의 폭(A+B) 50㎜에 대해 폭(B)을 15㎜으로 하였다. 즉 B/(A+B)=O.3이 되도록 양극 합제 페이스트를 코팅하였다. 그를 위해, 페이스트의 점도를 실온에서 5000∼8000cPs의 범위로 조정하였다. 이 이외는 전지 No.1와 동일하게 하여 전지 No.3를 제작하였다. 전지 No.1∼전지 No.3의 제원을 표 1에 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00002
이들 각 비수 전해질 이차전지의 5셀을 이용하여, 도 3에 나타내는 비수 전해질 이차 전지팩을 제작하였다. 그리고, 비수 전해질 이차 전지팩을 이하의 각 시험으로 평가하였다.
(방전 용량의 확인)
각 전지팩을 25℃ 환경하에서 충방전하였다. 충방전할 때는, 전지당 4.2V에 달할 때까지 충전전류(2A)로 정전류 충전을 행하고, 그 후는 4.2V의 정전압으로 충전하였다. 그리고, 충전전류가 200mA까지 감소한 곳에서 충전 완료로 하였다. 또한 방전할 때는, 전류치 10A로 전지당 2.5V까지 정전류로 방전하였다. 또한 충전, 방전 간의 중지 시간은 각 20분으로 하였다. 이 충방전 제어에 관해서는, 부여한 전류치와 중지 시간 이외는, 전지팩에 탑재한 충방전 균등화 기능을 갖는 제어부에서 행했다. 충반전 균등화 기능이란 각 전지의 충전 심도를 균등화하는 기능이다.
(저온 사이클 시험 후의 리튬 석출의 확인)
양극(1)의 단부 주변의 밀도 차이에 의해 음극에 의한 리튬 이온 수취 부하가 설계 부하를 초과하지 않는지 확인하기 위해, 각 전지팩을 0℃ 환경하에서 200 사이클의 충방전을 행했다. 충전할 때는, 전지당 4.25V에 달할 때까지 충전전류(2A)로 정전류 충전을 행하고, 그 후는 4.25V의 정전압으로 충전하였다. 그리고, 충전전류가 200mA까지 감소한 곳에서 충전 완료로 하였다. 또한 방전할 때는, 전류치 10A로 전지당 2.5V까지 정전류로 방전하였다. 또한 충전, 방전 간의 중지 시간은 각 20분으로 하였다. 200 사이클 종료 후, 충전 상태에서 도 3에 나타내는 전지팩 내에서의 중심 위치의 전지(41A)를 분해하고, 음극에서의 양극(1)의 단부에 대향하는 부위에 금속 리튬이 석출하고 있는지를 확인하였다.
(진동 시험)
각 전지팩에 대해, 20G로 50Hz의 펄스폭의 진동을 10시간 가하는 시험을 행했다. 그리고, 이 시험 전후에서의 개회로 전압(OVC)의 차를 측정하였다.
(보존시험)
우선 각 전지팩을 25℃ 환경하에서 충방전하였다. 충방전할 때는, 전지당 4.2V에 달할 때까지 충전전류(2A)로 정전류 충전을 행하고, 그 후는 4.2V의 정전압으로 충전하였다. 그리고 충전전류가 200mA까지 감소한 곳에서 충전 완료로 하였다. 또한 방전할 때는, 전류치 10A로 전지당 2.5V까지 정전류로 방전하였다. 또한 충전, 방전 간의 중지 시간은 각 20분으로 하였다. 이 방전상태에서 80℃ 환경하에서 3일 보존하였다. 또한 다른 전지팩을 100℃ 환경하에서 6시간 저장하였다. 각각의 보존후에 1셀씩 분해하여, 세퍼레이터의 최대 수축률을 구했다.
표 2에 각종 시험의 결과를 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00003
표 2로부터, 양극 합제층(24)의 폭에서의 중량 경사 영역(52)의 폭의 비율인 B/(A+B)의 값이 0.2를 초과하는 경우에는, 폭(B)이 커짐으로써 양극 합제층(24)의 중량이 감소하고, 방전 용량이 현저히 저하한다. 그러나, 다른 평가에서는 동등하였다. 따라서, B/(A+B)의 값은 0.2 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 압연후의 중량 일정 영역(51)의 합제 밀도에 대한 중량 경사 영역(52)의 평균 합제 밀도의 비율을 검토하였다.
전지 No.4는 전지 No.1의 제작에서, 양극 합제층(24)의 단부에 내유기 용제성 발포재를 설치하고, 양극 합제층(24)의 단부의 코팅 두께를 증가시켰다. 이에 의해 폭(B)을 설치하지 않고, 압연후의 중량 일정 영역(51)의 밀도에 대해, 중량 경사 영역(52)에 상당하는 부분의 밀도의 비율을 105%로 하였다. 이 이외는 전지 No.1와 동일하게 하여 전지 No.4를 제작하였다.
전지 No.5∼전지 No.7는 전지 No.2의 제작에서, 중량 일정 영역(51)과 중량 경사 영역(52)에 대해, 다른 롤러갭으로 개별로 압연을 행함으로써 압연 후의 중량 일정 영역(51)의 합제 밀도에 대해, 중량 경사 영역(52)의 평균 합제 밀도의 비율을 각각 99%, 40%, 30%로 하였다. 이 이외는, 전지 No.2와 동일하게 하여 전지 No.5∼전지 No.7를 제작하였다. 전지 No.2, 전지 No.4∼전지 No.7의 제원을 표 3에 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00004
이들 전지로 구성된 전지팩을 상술과 동일하게 평가하였다. 표 4에 각종 시험의 결과를 전지 No.2의 결과와 함께 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00005
양극(1)의 단부에서의 합제 밀도가 커진 전지 No.4에서는, 음극의 부하가 증가하고 있다. 그 때문에 표 4가 나타내는 바와 같이, 장기간이면서 저온 환경에서의 사용을 상정한 시험후, 전지를 분해하여 관찰한바 음극의 리튬 이온 수취 부하를 초과하고 있는 것이 확인되었다. 이 현상은, 경우에 따라서는, 전극 간에서의 쇼트에 의해 발열이나 발연 등의 불량을 야기할 가능성이 있다.
한편, 전지 No.7와 같이 합제 밀도 비율이 40% 미만이 되면, 진동 시험에 의해 OCV가 저하하였다. 이와 같이 OCV가 저하한 전지를 분해한바, 양극 합제층(24)의 일부가 유리하거나 뜨거나 했다. 이는, 합제 밀도의 저하에 의해, 양극 심재(22)와 양극 합제층(24)의 밀착성이 저하한 것이 원인이라 생각된다. 이상으로부터 합제 밀도 비율은 40% 이상 99% 이하가 바람직하다.
다음으로, 세퍼레이터(4)를 이용하지 않고 절연층(31)을 양극(1)에 설치한 전지를 제작하고, 절연층(31)의 재료를 검토한 결과에 대해 설명한다. 전지 No.8∼전지 No.12는, 전지 No.2의 제작 방법에서 양극(1)에 각각 아라미드 수지, 알루미아 다공질, 티타니아 다공질, 지르코니아 다공질, 마그네시아 다공질로 이루어지는 두께 20㎛의 절연층(31)을 설치하였다. 이 이외는 전지 No.2와 동일하게 하여 전지 No.8∼전지 No.12를 제작하였다. 전지 No.2, 전지 No.8∼전지 No.12의 제원을 표 5에 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00006
이들 전지로 구성된 전지팩을 상술과 동일하게 평가하였다. 표 6에 각종 시험의 결과를 전지 No.2의 결과와 함께 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00007
표 6의 결과가 나타내는 바와 같이, 폴리에틸렌으로 이루어지는 세퍼레이터(4)나 내열성의 재료로 이루어지는 절연층(31)이나 80℃ 환경하에서는 그 수축률에 차이는 없고 모두 양호한 결과가 얻어진다. 한편, 10O℃ 환경하에서는, 절연층(31)을 이용한 전지에서 절연성에 대한 신뢰성이 보다 향상하는 것을 알 수 있다. 따라서, 내열성의 재료로 이루어지는 절연층(31)을 설치함으로써 더 안전성이 향상한다.
이상, 전지 No.1∼전지 No.12에서는 양극에만 심재 노출부(2C)를 설치한 구성예에 대해 설명하였지만, 다음으로 음극에만 심재 노출부(2A)를 설치한 구성예에 대해 설명한다.
(4)양극의 제작
전지 No.1와 동일한 양극 합제 페이스트를 이용하여, 두께 15㎛의 알루미늄박을 양극 심재로 이용하고, 그 양면에 양극 합제 페이스트를 도포하였다. 건조 후에 압연 롤러를 이용하여 압연을 행하고, 양극 심재를 페이스트와 함께 소정 치수로 재단하였다. 그리고 감는 방향에 수직으로 양극 합제를 일부 박리하고, 이 박리부분에 Al제의 리본형상 집전체를 초음파 용착하였다. 이렇게 하여 양극을 얻었다.
(5) 음극의 제작
전지 No.1와 동일한 음극 합제 페이스트를 이용하여, 두께 1O㎛의 동박을 음극 심재(23)로서 이용하고, 그 양면에 음극 합제 페이스트를 도포하였다. 그때 음극 심재(23)의 단부를 20㎜ 미코팅부로 형성하였다. 이 미코팅부는 심재 노출부(2A)에 상당한다. 중량 경사 영역(54)의 폭에 대해, 전지 No.13에서는 B/(A+B)=0.1가 되도록 음극 합제 페이스트를 코팅하였다. 여기서는 전 코팅 폭(A+B)은 54㎜으로 하고, 폭(B)은 5.4㎜로 하였다. 그 후 건조시키고, 더 압연 롤러로 압연하여, 음극 심재(23)를 페이스트와 함께 소정 치수로 재단하여 음극(3)을 얻었다. 또 중량 경사 영역(54)인 코팅 단부의 평균 합제 밀도의 중량 일정 영역(53)의 합제 밀도에 대한 비율을 70%로 하였다.
다음으로, 비수 전해질 이차전지의 제작 순서에 대해 설명한다. 상술과 같이 하여 얻어진 양극과 음극(3)을, 폴리에틸렌제의 세퍼레이터(4)를 사이에 두고 감아 전극군을 구성하였다. 그때, 양극 합제단에 대해 음극 합제단이 2㎜ 커지도록 구성하였다. 그 후, 음극(3)에 형성한 심재 노출부(2A)에 집전체(6A)를 집합 용접했다. 그리고, 전극군을 전지 캔(7)에 삽입하고, 양극의 집전체를 도시하지 않은 덮개판에 결합하고, 전지 캔(7)에 집전체(6A)를 결합하였다. 마지막으로 전술의 비수 전해액을 주입하고, 덮개판으로 전지 캔(7)을 밀봉하여, 전지 No.13의 비수 전해질 이차전지를 제작하였다.
전지 No.14는 전지 No.13의 제작에서, 음극 합제층(25)의 폭(A+B) 54㎜에 대해 폭(B)을 10.8㎜으로 하였다. 즉, B/(A+B)=0.2가 되도록 음극 합제 페이스트를 코팅하였다. 이 이외는 전지 No.13와 동일하게 하여 전지 No.14를 제작하였다. 이하, 전지 No.14를 전형예로 검토하였다.
전지 No.15는 전지 No.13의 제작에서, 음극 합제층(25)의 폭(A+B) 54㎜에 대해 폭(B)을 16.2㎜으로 하였다. 즉, B/(A+B)=0.3이 되도록 음극 합제 페이스트를 코팅하였다. 이 이외는 전지 No.13와 동일하게 하여 전지 No.15를 제작하였다. 전지 No.13∼전지 No.15의 제원을 표 7에 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00008
이들 전지로 구성된 전지팩을 상술과 동일하게 평가하였다. 표 8에 각종 시험의 결과를 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00009
조립시에 양극 활물질이 리튬 이온을 포함하는 경우, 전지 용량은 양극 합제층(24)의 양에 의해 결정된다. 그 때문에 표 8에 나타내는 바와 같이, 음극(3)의 중량 경사 영역(54)의 폭을 바꾸어도 방전 용량에는 영향을 주지 않는다. 그러나 음극(3)에 심재 노출부(2A)를 설치한 경우, 전지 No.15와 같이, B/(A+B)가 0.2를 초과하면 음극(3)이 대향하는 양극으로부터의 리튬 이온을 완전히 수용할 수 없어 금속 리튬이 석출한다. 이는, 폭(B)이 커짐으로써 음극 합제의 코팅량이 감소했기 때문이다. 이러한 현상은 양극 합제층(24)의 폭을 음극 합제층(25)의 폭에 비해 작게 함으로써 회피하는 것은 가능하다. 그러나 그 경우, 전지 용량이 저하한다. 따라서, B(A+B)의 값은 0.2 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 압연후의 중량 일정 영역(53)의 합제 밀도에 대한 중량 경사 영역(54)의 평균 합제 밀도의 비율을 검토하였다.
전지 No.16는 전지 No.14의 제작에서, 음극 합제층(25)의 단부에 내유기 용제성의 발포재를 설치하고, 음극 합제층(25)의 단부의 코팅 두께를 증가시켰다. 이에 의해 폭(B)을 설치하지 않고, 압연후의 중량 일정 영역(53)의 밀도에 대해, 중량 경사 영역(54)에 상당하는 부분의 밀도의 비율을 105%로 하였다. 이 이외는 전지 No.14와 동일하게 하여 전지 No.16를 제작하였다.
전지 No.17∼전지 No.19는 전지 No.14의 제작에서, 압연후의 중량 일정 영역(53)의 평균 합제 밀도에 대해, 중량 경사 영역(54)의 합제 밀도의 비율을 각각 99%, 40%, 30%로 하였다. 이 이외는, 전지 No.14와 동일하게 하여 전지 No.17∼전지 No.19를 제작하였다. 전지 No.14, 전지 No.16∼전지 No.19의 제원을 표 9에 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00010
이들 전지로 구성된 전지팩을 상술과 동일하게 평가하였다. 표 10에 각종 시험의 결과를 전지 No.14의 결과와 함께 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00011
전지 No.16과 같이 음극 합제 밀도가 상승하면, 본 시험 조건의 경우에 음극(3)의 리튬 이온의 수취성이 저하한다. 그 때문에 음극 합제 밀도가 큰 개소에서 금속 리튬의 석출이 확인되었다. 한편, 합제 밀도비가 30%로 저하한 전지 No.19에서는, 전지 No.7와 동일하게 진동에 의해 음극(3)으로부터 합제가 탈락하였다. 이상으로부터 합제 밀도 비율은 40% 이상 99% 이하가 바람직하다.
다음으로, 세퍼레이터(4)를 이용하지 않고 절연층(31)을 음극(3)에 설치한 전지를 제작하고, 절연층(31)의 재료를 검토한 결과에 대해 설명한다. 전지 No.20∼전지 No.24는, 전지 No.14의 제작방법에서 음극(3)에 각각 아라미드 수지, 알루미아 다공질, 티타니아 다공질, 지르코니아 다공질, 마그네시아 다공질로 이루어지는 두께 20㎛의 절연층(31)을 설치하였다. 이 이외는 전지 No.14와 동일하게 하여 전지 No.20∼전지 No.24를 제작하였다. 전지 No.14, 전지 No.20∼전지 No.24의 제원을 표 11에 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00012
이들 전지로 구성된 전지팩을 상술과 동일하게 평가하였다. 표 12에 각종 시험의 결과를 전지 No.14의 결과와 함께 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00013
표 12에 나타내는 바와 같이, 음극(3)에 절연층(31)을 설치한 경우도 표 6을 이용하여 나타낸 양극(1)에 절연층(31)을 설치한 경우와 동일한 결과가 얻어졌다. 즉 10O℃ 환경하에서도 내열성 재료로 구성된 절연층(31)을 사용함으로써 절연층(31)의 수축을 억제하는 것이 가능하다.
이상, 전지 No.1∼전지 No.12에서는 양극에만 심재 노출부(2C)를 설치한 구성예에 대해 설명하고, 전지 No.13∼전지 No.24에서는 음극에만 심재 노출부(2A)를 설치한 구성예에 대해 설명하였다. 다음으로, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 양극, 음극의 양쪽에 심재 노출부를 설치한 구성예에 대해 설명한다.
전지 No.25의 제작에서는 전지 No.2의 양극과 전지 No.14의 음극을 이용하여 전극군(5)을 구성하였다. 그때, 양극 합제단에 대해 음극 합제단이 2㎜ 커지도록 구성하였다. 그 후, 음극(3)에 형성한 심재 노출부(2A)에 집전체(6A)를 집합 용접하고, 양극(1)에 형성한 심재 노출부(2C)에 집전체(6C)를 집합 용접하였다. 그 후, 전극군(5)을 전지 캔(7)에 삽입하고, 집전체(6C)를 도시하지 않은 덮개판에 결합하여, 전지 캔(7)에 집전체(6A)를 결합하였다. 마지막으로 비수 전해액을 주입하고, 덮개판으로 전지 캔(7)을 밀봉하여, 전지 No.25의 비수 전해질 이차전지를 제작하였다.
전지 No.26의 제작에서는, 전지 No.3의 양극과 전지 No.14의 음극을 이용했다. 전지 No.27의 제작에서는, 전지 No.2의 양극과 전지 No.15의 음극을 이용했다. 이 이외는 전지 No.25와 동일하게 하여 전지 No.26, 전지 No.27를 제작하였다.
전지 No.28∼전지 No.31의 제작에서는, 전지 No.14의 음극을 이용하고, 양극에는 각각 전지 No.4∼전지 No.7의 양극을 이용했다. 전지 No.32∼전지 No.35의 제작에서는, 전지 No.2의 양극을 이용하고, 음극에는 각각 전지 No.16∼No.19의 음극을 이용했다. 이 이외는 전지 No.25와 동일하게 하여 전지 No.28∼전지 No.35를 제작하였다.
전지 No.36∼전지 No.40의 제작에서는, 전지 No.25의 제작에서 세퍼레이터(4)를 이용하지 않고, 양극(1)에 전지 No.8∼전지 No.12와 동일한 절연층(31)을 형성하였다. 이 이외는 전지 No.25와 동일하게 하여 전지 No.36∼전지 No.40를 제작하였다. 각 전지의 제원을 표 13에, 전술의 시험 내용에서의 평가 결과를 표 14에 각각 나타낸다.
Figure 112006051592934-PAT00014
Figure 112006051592934-PAT00015
표 14에 나타내는 바와 같이, 양극과 음극 모두 심재 노출부를 설치한 전지 No.25로부터 전지 No.40에서도, 상기에 서술한 효과에 의해 동일한 현상과 과제 해결이 이루어져 있다.
이상과 같이 본 발명에 의한 비수 전해질 이차전지는, 박리공정이나 소모품을 삭감함으로써 염가로 제조할 수 있다. 또한 특히 양극에 관해서는, 코팅단 부근의 양극 중량을 적게 하게 함으로써, 대향하는 음극의 설계 부하가 작아져 안전성이나 사이클 수명특성이 향상한다. 또한, 세퍼레이터 수축을 억제하기 위해 내열 수지를 이용하는 것이나, 만일 세퍼레이터가 수축하였을 때라도 전극 간에 형성한 내열성의 다공질 절연층에 의해 쇼트하지 않는 구조로 함으로써, 고안전 고출력 비수 전해질 이차전지와 전지팩을 제공할 수 있다. 이러한 비수 전해질 이차전지나 전지팩은 전동 공구, 어시스트 자전거, 전동 스쿠터, 로봇 등의 전원으로서 유용하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 고출력 용도의 전원으로서 방전 특성을 감안한 구조를 형성시킬 때에, 높은 안전성을 갖는 생산성이 높은 비수 전해질 이차전지와 그를 이용한 전지팩을 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 양극 심재와 상기 양극 심재의 양면 상에 형성된 양극 합제층을 갖는 양극과, 음극 심재와 상기 음극 심재의 양면 상에 형성된 음극 합제층을 갖는 음극과, 상기 양극과 상기 음극을 전기적으로 절연하는 리튬 이온 투과성의 절연층을 갖고, 상기 양극과 상기 음극과 상기 절연층을 감아 구성된 전극군과,
    상기 양극과 상기 음극에 개재하는 비수 전해질을 구비하며,
    상기 양극과 상기 음극의 적어도 한쪽은, 감는 방향에 대해 평행하게 연속한 심재 노출부를 갖고,
    상기 양극이 심재 노출부를 갖는 경우, 상기 양극 합제층은, 상기 심재 노출부에 평행하고 단위 면적당 합제량이 상기 심재 노출부를 향해 감소하는 중량 경사 영역과, 상기 중량 경사 영역에 인접하고 단위 면적당 합제량이 일정한 중량 일정 영역을 가지며, 상기 중량 경사 영역의 폭은 상기 양극 합제층의 폭에 대해 0.2 이하이고, 또한 상기 중량 경사 영역의 평균 합제 밀도는 상기 중량 일정 영역의 합제 밀도에 대해 40% 이상 99% 이하이고,
    상기 음극이 심재 노출부를 갖는 경우, 상기 음극 합제층은, 상기 심재 노출부에 평행하고 단위 면적당 합제량이 상기 심재 노출부를 향해 감소하는 중량 경사 영역과, 상기 중량 경사 영역에 인접하고 단위 면적당 합제량이 일정한 중량 일정 영역을 가지며, 상기 중량 경사 영역의 폭은 상기 음극 합제층의 폭에 대해 0.2 이하이고, 또한 상기 중량 경사 영역의 평균 합제 밀도는 상기 중량 일정 영역의 합 제 밀도에 대해 40% 이상 99% 이하인, 비수 전해질 이차전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연층은 열변형 온도 200℃ 이상의 내열 수지를 포함하는, 비수 전해질 이차전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 내열 수지는 아라미드 수지로 이루어지는, 비수 전해질 이차전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연층은 절연성 필러(filler)를 포함하는, 비수 전해질 이차전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 절연성 필러는 무기 산화물인, 비수 전해질 이차전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연층은 상기 양극 합제층과 상기 음극 합제층의 적어도 어느 한쪽의 위에 설치되어 있는, 비수 전해질 이차전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 세퍼레이터를 더 구비한, 비수 전해질 이차전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 절연층은 상기 세퍼레이터 상에 설치되어 있는, 비수 전해질 이차전지.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 비수 전해질 이차전지와,
    상기 비수 전해질 이차전지를 덮는 외장 케이스를 구비한, 전지팩.
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