KR20070108582A - 분리막의 열융착에 의해 형성된 댐핑부를 포함하고 있는향상된 안전성의 전기화학 셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극 및 음극 외주면으로부터 소정의 길이로 길게 연장된 분리막 잉여부를 열융착하여 전극조립체의 양측 단부에 적어도 0.5 mm 이상의 두께로 분리막 댐핑부를 각각 형성함으로써, 성형 오차에 따른 조립상의 문제점을 해결할 뿐만 아니라, 낙하 또는 외부 충격에 의한 전극 단부의 변형과 전극의 이동에 의한 단락을 방지하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 전기화학 셀을 제공한다.

Description

분리막의 열융착에 의해 형성된 댐핑부를 포함하고 있는 향상된 안전성의 전기화학 셀 {Electrochemical Cell of Improved Safety Containing Damping Part by Heating Fusion to Separator}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 정면도이다;

도 2는 본 발명에 따른 열처리 공정을 거친 후의 전극조립체의 정면도이다;

도 3과 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 이차전지를 조립하는 일련의 과정이 모식적으로 도시되어 있는 사시도들이다.

본 발명은 분리막의 열융착에 의해 형성된 댐핑부를 포함하고 있는 향상된 안전성의 전기화학 셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극의 외주면으로부터 연장되어 있는 분리막을 열처리에 의해 융착시켜 전극에 고정시킴과 동시에, 전극조립체의 양측 단부로부터 소정의 길이로 0.5 mm 이상의 두께를 가진 분리막 댐핑부를 형성함으로써, 성형 오차에 따른 조립상의 문제점을 해결할 뿐만 아니라, 낙하 또는 외부 충격에 의한 전극 단부의 변형과 전극의 이동에 의한 단락을 방지하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 전기화학 셀에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 충방전이 가능한 전기화학 셀의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전기화학 셀에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 그러한 전기화학 셀의 대표적인 예로는 이차전지를 들 수 있다.

이차전지 중, 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지와 같은 이차전지에 대한 수요가 높다.

이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다. 특히, 리튬 이차전지의 사용 과정에서 자주 접하게 되는 낙하와 외부 충격 등은 전극 단부의 변형, 전극의 이동 등을 초래하고 이러한 변형이 단락을 유발하는 경우가 많다.

한편, 이차전지 중 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지는 스택형 전극조립체의 구조적 취약성으로 인해, 낙하, 외부 충격 등에 의해 내부 단락이 발생할 가능성이 더욱 높다. 예를 들어, 적층되어 있는 양극과 음극은 낙하, 외부 충격의 인가시 움직이면서 부분적인 접촉이 일어날 수 있고, 더욱이 전극의 상하 양측 단부가 변형되면서 분리막을 관통하여 접촉이 일어날 수 있다.

이와 관련하여, 이차전지의 구조적 안전성을 보완하는 측면에서, 분리막의 가장자리를 열처리에 의해 융착시키는 일부 기술들이 공지되어 있다.

예를 들어, 한국 특허출원공개 제2001-077594호에서는 파우치형 전지케이스에 삽입되는 젤리-롤형 전극조립체에서, 음극과 양극에 비해 수직방향으로 연장되어 있는 분리막을 사용하고, 이들 전극과 분리막의 권취 후 수직으로 연장된 분리막의 대면하는 면끼리 열융착 또는 접착제를 이용하여 접합하는 기술이 개시되어 있다.

또한, 한국 특허출원공개 제2004-0108139호에서는 양극 및 음극판보다 폭이 큰 분리막을 사용하여 젤리-롤형으로 전극조립체를 권취한 후, 돌출된 분리막의 가장자리를 열처리에 의해 제거하고, 제거되는 용융 상태의 분리막은 양극판 및 음극판의 단면부를 도포하는 기술을 개시하고 있다.

상기 기술들은 분리막 가장자리를 열융착시켜 전극과 분리막을 고정함으로써, 해당 공간 부위에 이물질이 삽입되거나 낙하 또는 외부 충격의 인가시에 전극이 이동되는 것을 억제하여 내부 단락을 방지할 수 있다는 장점을 가지기는 하지만, 본 출원의 발명자들이 행한 실험에 따르면, 낙하 또는 외부 충격의 인가시 전극의 단부가 절곡되면서 유발되는 내부 단락을 근본적으로 방지할 수는 없는 것으로 확인되었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 분리막을 열처리하여 전극을 단단하게 고정시켜 외부 충격의 인가시 전극의 미끄러짐으로 인한 단락, 발열, 발화 등을 미연에 방지함과 동시에, 상기 열처리시 전극조립체의 양측 단부 모서리 부근에 소정의 댐핑부를 형성하여 낙하 또는 외부 충격의 인가시에도 해당 부위의 전극단자가 굴곡되는 것을 억제함으로써 그로 인한 내부 단락을 방지할 수 있는 전기화학 셀을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기화학 셀은, 판상형 전극조립체를 포함하고 있는 전기화학 셀로서, 전극의 외주면으로부터 연장되어 있는 분리막을 열처리에 의해 융착시켜 전극 단부에 고정시킴과 동시에, 전극조립체의 양측 단부로부터 소정의 길이로 0.5 mm 이상의 두께를 가진 분리막 댐핑부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 판상형 전극조립체의 상단면 및/또는 하단면에서 각각 양측 단부에 소정의 길이와 두께를 가진 분리막 댐핑부가 형성되어 있는 바, 이러한 분리막 댐핑부는 전지의 낙하 또는 외부 충격의 인가시 충격 완화부로 작용하여 전극의 단부가 절곡되는 것을 방지하여 준다. 본 발명자들이 행한 실험에 따르면, 판상형 전극조립체는 원통형 전극조립체와 비교하여 그것의 양측 단부가 매우 취약 하고, 상기 양측 단부 부위에 충격이 가해지면 전극의 단부가 쉽게 변형되면서 분리막을 관통하여 내부 단락을 유발하는 것으로 확인되었다. 더욱이, 이러한 전극 단부의 절곡에 의한 내부 단락은 전극의 미끄러짐으로 인한 내부 단락보다 더욱 심각하며, 판상형 전극조립체의 안전성을 저해하는 주요 원인임이 확인되었다.

따라서, 본 발명에 따른 기술은 두께 대비 폭이 상대적으로 크며 전체적으로 판상형 구조를 나타내는 전극조립체를 포함하는 전기화학 셀에 바람직하게 적용될 수 있으며, 그러한 대표적인 예로는 상기 전극조립체를 포함하고 있는 이차전지를 들 수 있다.

이차전지는 충방전이 가능한 전극조립체가 이온 함유 전해액으로 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.

본 발명에 따른 기술은, 특히 전지케이스의 기계적 강성이 작아 낙하 또는 외부 충격의 인가시 변형이 쉽게 일어날 수 있는 시트형의 전지케이스를 사용하는 이차전지에 바람직하게 사용될 수 있으며, 그러한 대표적인 예로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 이차전지를 들 수 있다.

충방전이 가능한 전극조립체는, 예를 들어, 케이스에 내장되는 형태(외부 구조)에 따라 크게 원통형과 판상형으로 분류되며, 또한 전극조립체의 적층 형태(내부 구조)에 따라 젤리-롤형과 스택형으로 분류된다.

상기 젤리-롤형 전극조립체는, 긴 시트형의 양극 및 음극을 분리막이 개재된 상태로 적층한 후, 단면상 원형으로 권취하여 원통형 구조로 만들거나, 또는 그러 한 원통형 구조로 권취한 후 일측 방향으로 압축하여 단면상으로 판상형인 구조로 만들 수 있다. 반면에, 상기 스택형 전극조립체는 소정 크기의 단위로 양극과 음극을 절취한 후 분리막을 개재시켜 순차적으로 적층함으로써 판상형의 구조로 만들 수 있다.

경우에 따라서는, 복합형 구조(스택/폴딩형 구조)로서, 스택형 방식으로 작은 단위의 바이셀 또는 풀셀을 만들고 이들을 긴 분리막 시트 상에 다수 개 위치시킨 후 순차적으로 권취하여 전체적으로 판상형의 구조로 만들 수도 있다.

상기 '풀 셀(full cell)'은, 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 단위 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀이다. 이러한 풀 셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 셀 등을 들 수 있다. 이러한 풀 셀을 사용하여 이차전지 등의 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리막 시트가 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀 셀들을 적층하여야 한다.

상기 '바이셀(bicell)'은, 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 단위 셀이다. 이러한 바이셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리막 시트가 개재된 상태에서 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이셀과 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이셀이 서로 대면하도록 다수의 바이셀들을 적층하여야 한다.

스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 더욱 자세한 내용은 본 출원인의 한 국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원들은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

한편, 타원형으로 압축한 젤리-롤, 스택형 전극조립체, 스택/폴딩형 전극조립체 등의 판상형 전극조립체는, 양측 단부 부위 방향으로 낙하되거나 그곳에 외부 충격이 가해지면 전극의 단부가 쉽게 변형되면서 분리막을 관통하여 내부 단락을 유발할 수 있으므로, 판상형 전극조립체의 상단면 및 하단면 양측 단부는 전지의 안전성을 저하시키는 부분이다. 또한, 전극과 분리막 계면에서의 마찰력이 원통형 젤리-롤과 비교하여 상대적으로 훨씬 작으므로 낙하 또는 외부 충격의 인가시 미끄러지는 경향이 있으며, 이러한 과정에서 전지의 단락, 발열, 또는 발화가 유발되기도 한다.

이에, 본 발명에서는 전극조립체의 상단면 및/또는 하단면에서 전극 외주면으로부터 연장된 분리막 잉여부를 열융착시켜 분리막을 전극에 고정시킴과 동시에, 전극조립체의 양측 단부에 0.5 mm 이상의 두께를 가진 분리막 댐핑부를 형성하여, 미끄러지는 현상을 방지하면서, 외부의 충격으로부터 취약한 양측 단부를 보완하여 전지의 안전성을 획기적으로 향상시킨다.

본 발명에서 상기 댐핑부의 길이는 전극조립체의 종류에 따라 다소 달라질 수는 있지만, 외부로부터의 충격을 효과적으로 흡수하기 위하여 전극조립체의 가로 폭을 기준으로 5% 이상의 길이가 바람직하다. 다만, 너무 큰 댐핑부는 전극조립체 내부로의 전해액 함침 공정을 지연시킬 수 있으므로, 전극조립체의 가로 폭을 기준으로 20% 이하의 길이 범위에서 결정하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 분리막의 잉여부는, 바람직하게는, 열처리 이전의 상태에서, 전극 폭(구체적으로, 양극판의 두께 또는 음극판의 두께)의 4 배 내지 20 배의 길이로 연장되어 있다. 종래의 분리막은 양 극판에 비해 약간 큰 크기로 개재되어 있으나, 본 발명의 분리막은 열처리 과정에서 수축되므로 이를 감안하여 상대적으로 큰 크기의 분리막 잉여부가 요구된다. 즉, 분리막 잉여부가 전극 폭의 4 배 이하인 경우에는 열처리 과정에서의 지나친 수축으로 인해 전극간 접촉이 유발될 수 있다. 반면에, 분리막 잉여부가 상기 이격 거리의 20 배 이상인 경우에는, 열처리 이후에도 전극조립체의 일측 내지 양측 방향으로 크게 돌출되어 규정된 크기 전지케이스에서 상대적으로 작은 전극조립체의 높이로 인해 충방전 용량의 감소를 유발할 수 있으므로, 바람직하지 않다.

상기 댐핑부는 앞서 정의한 바와 같이 적어도 0.5 mm 이상의 두께를 가지는 바, 댐핑부의 두께가 0.5 mm 미만이면, 낙하 또는 외부 충격의 인가시 전극 단부의 절곡을 방지하기 위한 댐핑 효과를 발휘하기 어렵다. 반면에, 댐핑부의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 너무 큰 댐핑부는 규정된 크기의 케이스에서 상대적으로 작은 전극조립체의 높이로 인해 충방전 용량의 감소를 유발할 수 있으므로, 바람직하게는 2 mm 이하의 두께 범위에서 결정될 수 있다.

상기 댐핑부는 분리막과 동일한 소재로서 기본적으로 분리막 잉여부의 열처리에 의해 형성될 수 있지만, 경우에 따라서는 분리막과 동일한 소재로서 소정의 두께를 가진 부재를 당해 부위의 분리막 잉여부 상에 실장한 상태에서 열처리를 행하여 형성할 수도 있다.

상기 댐핑부는 전극조립체의 상단면 양측 단부와 하단면 양측 단부에 모두 형성하는 것이 바람직하다. 전극조립체 하단면의 분리막 잉여부는 하단면 전체에 걸쳐 열융착될 수 있도록 열처리하는 것이 바람직한 바, 하단면의 모든 분리막 잉여부를 열융착에 의해 수축시킴으로써, 규정된 크기의 케이스에서 전극조립체의 전체 크기의 감소를 억제할 수 있다.

반면에, 전극조립체 상단면의 분리막 잉여부는 그것의 양측 단부만이 열융착되어 댐핑부를 형성하도록 열처리하는 것이 바람직하다. 전극조립체의 상단면은 전극단자들이 돌출되어 있는 부위로서, 케이스의 상단 내면과의 사이에 소정의 공간이 제공되므로, 돌출된 전극단자로 인해 인근의 분리막 잉여부를 균일하게 열융착시키기 어렵고, 또한 전극조립체 상단면 전체가 열융착에 의해 밀폐된 경우, 전극조립체 내부로의 전해액 함침 공정이 용이하지 않을 수 있기 때문이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정된 것은 아니다.

도 1 내지 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기화학 셀을 제조하는 일련의 조립 과정이 모식적으로 도시되어 있다.

먼저, 도 1을 살펴보면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지에 내장되는 전극조립체의 정면도가 도시되어 있다. 알루미늄 박판과 구리 박판에 각각 양/음극 활물질을 도포하여 양극(도시하지 않음)과 음극(도시하지 않음)을 형성하고, 양 극판 사이에 분리막(130)을 개재하는 순서로 적층하여 판상형 전극조립 체(100)를 제조한다.

적층 구조의 전극조립체(100)의 상단면에는 전극리드(도시하지 않음)와 접속되도록 양극탭(110)과 음극탭(120)이 돌출되어 있어서, 이를 통해 전기적인 접속이 이루어진다. 도시되어 있는 전극조립체(100)는 열처리 공정을 거치기 전의 형상으로, 분리막(130)은 양극 및 음극의 단부로부터 연장된 잉여부(131, 132)를 가지고 있으며, 이러한 분리막 잉여부(131, 132)는 열처리 과정에서 융착되면서 수축된다.

도 2에는 열처리 공정을 거친 후의 전극조립체(101)의 정면도가 도시되어 있다. 전극조립체(101)의 상단면 양측과 하단면의 분리막 잉여부는 각각 열융착되면서 전극 단부에 접합되어 있다. 따라서, 분리막 잉여부가 열융착된 전극조립체(101)의 상단면 양측과 하단면에는 각각 분리막 댐핑부(140, 142, 144)가 형성된다. 이러한 댐핑부(140, 142, 144)는 이들 방향으로 전지가 낙하된 경우나 외부 충격이 인가되었을 때, 충격을 완화시키는 작용을 한다. 반면에, 전극탭들(112, 114)에 인접하거나 이들 사이에 위치한 분리막 잉여부(131a)는 열융착되지 않은 상태로 잔존해 있으며, 열융착되지 않은 분리막 잉여부(131a) 사이로 전해액이 함침되는 것을 가능하게 해 준다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 전극조립체를 포함하는 파우치형 이차전지에 대한 조립과정을 나타낸 모식도와 사시도이다.

도 3을 참조하면, 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어져 있고 도 2에서와 같은 열처리에 의해 상단면 양측 단부와 하단면에 각각 댐핑부(140, 142, 144)가 형성되어 있는 전극조립체(101)를 전지케이스(210)의 수납부(212)에 장착하고, 전지케이스(210)의 외주면(214)에 열과 압력을 가하여 밀봉함으로써 파우치형 이차전지(200)를 제조할 수 있다. 양극탭과 음극탭은 각각 양극리드(220) 및 음극리드(222)에 전기적으로 접속하게 되며, 각각의 전극리드(220, 222)는 가운데 부분에 절연 소재의 필름(230)이 감겨져 있다.

댐핑부(140, 142, 144)는, 앞서 설명한 바와 같이, 낙하 및 외부 충격에 대해 전극조립체(101)의 전극 단부들이 절곡되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 성형 오차가 존재하더라도 그 자체의 탄력성으로 인해 수납부(212)에 대한 안정적인 장착을 보장하며, 전극들의 미끄러짐 현상을 방지하여 준다.

그와 같이 제조된 파우치형 이차전지(200)의 대략적인 구조는 도 4에서 확인할 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상의 설명과 같이, 본 발명은 양극 및 음극 외주면으로부터 길게 연장된 분리막 잉여부를 열융착하여 전극조립체의 양측 단부에 소정 두께를 가진 댐핑부를 각각 형성함으로써, 성형 오차에 따른 조립상의 문제점을 해결할 뿐만 아니라, 낙하 또는 외부 충격에 의한 전극 단부의 변형과 전극의 이동에 의한 단락을 방지하여 전지의 향상된 안전성을 제공할 수 있다.

Claims (12)

1. 판상형 전극조립체를 포함하고 있는 전기화학 셀로서, 전극의 외주면으로부터 연장되어 있는 분리막을 열처리에 의해 융착시켜 전극 단부에 고정시킴과 동시에, 전극조립체의 양측 단부로부터 소정의 길이로 0.5 mm 이상의 두께를 가진 분리막 댐핑부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀은 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 이차전지는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극을 분리막이 개재된 상태로 적층한 후 권취하여 원통형 구조로 만들고, 이를 일측 방향으로 압축하여 단면상으로 판상형인 구조로 만든 젤리-롤인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 소정 크기의 단위로 양극과 음극을 절취한 후 분리막을 개재시켜 순차적으로 적층함으로써 판상형의 구조로 만든 스택형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 방식으로 작은 단위의 바이셀 또는 풀셀을 만들고 이들을 긴 분리막 시트 상에 다수 개 위치시킨 후 순차적으로 권취하여 전체적으로 판상형의 구조로 만든 스택/폴딩형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 댐핑부의 길이는 전극조립체의 가로 폭을 기준으로 5% 내지 20%의 길이 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막 잉여부는, 열처리 이전의 상태에서, 전극 폭의 4 배 내지 20 배의 길이로 전극 외주면으로부터 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 댐핑부의 두께는 0.5 mm 내지 2 mm의 두께 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 댐핑부는 분리막 잉여부를 열처리하여 형성되거나, 분리막과 동일한 소재로서 소정의 두께를 가진 부재를 당해 부위의 분리막 잉여부 상에 실장한 상태에서 열처리를 행하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 댐핑부는 전극조립체의 상단면 양측 단부와 하단면 양측 단부에 모두 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체 상단면의 분리막 잉여부는 그것의 양측 단부만이 열융착되어 댐핑부를 형성하고, 하단면 분리막 잉여부는 하단면 전체에 걸쳐 열융착되어 댐핑부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.

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