KR20080015165A

KR20080015165A - 향상된 안전성과 콤팩트한 구조의 이차전지

Info

Publication number: KR20080015165A
Application number: KR1020060076514A
Authority: KR
Inventors: 장준환; 최병진; 이향목; 정현철; 손정삼
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2006-08-14
Publication date: 2008-02-19
Also published as: KR100900412B1

Abstract

본 발명은 분리막이 개재된 상태로 다수의 전극판들을 적층하고 이들의 전극탭들을 상호 연결하는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극탭들의 상호 결합부는 전지케이스의 내면 하단에 위치하도록 각 전극판들의 하단에 형성되어 있는 상태에서 전지케이스 상단에 돌출되는 전극리드에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 전극탭 결합부에 PTC 소자가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

향상된 안전성과 콤팩트한 구조의 이차전지 {Secondary Battery with Improved Safety and Compact Structure}

도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;

도 2는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 전지케이스 내부 상단의 부분 확대도이다;

도 3은 도 1의 이차전지를 조립한 상태의 정면 투시도이다;

도 4는 본 발명의 작동 원리를 보여주는 예시적인 구성 모식도이다;

도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다;

도 6은 도 5의 이차전지에 대한 첫 번째 변형예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다;

도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전극조립체의 양면에 부가되는 안전부재의 모식도이다;

도 8은 도 5의 이차전지에 대한 두 번째 변형예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다;

도 9는 도 8의 이차전지를 조립한 상태의 정면 투시도이다;

도 10은 본 발명의 실시예 1에서 전지 내부에 장착되어 있는 PTC 내부물질의 온도 및 저항에 따른 거동을 나타내는 그래프 및 모식도이다;

도 11은 본 발명의 실험예 1에서 과충전시 시간에 따른 전지의 전압 및 온도를 비교한 그래프이다;

도 12는 본 발명의 실험예 2에서 과충전시 시간에 따른 전지의 두께를 비교한 그래프들이다.

본 발명은 향상된 안전성과 콤팩트한 구조의 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리막이 개재된 상태로 다수의 전극판들을 적층하고 이들의 전극탭들을 상호 연결하는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극탭들의 상호 결합부는 전지케이스의 내면 하단에 위치하도록 각 전극판들의 하단에 형성되어 있는 상태에서 전지케이스 상단에 돌출되는 전극리드에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 전극탭 결합부에 PTC 소자가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급증하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

그러나, 종래의 리튬 이차전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 짧은 시간내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성이 있다. 전지의 온도가 상승하면 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진된다. 그 결과, 반응열이 발생하여 전지의 온도는 추가적으로 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 따라서, 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 이러한 악순환에 의해, 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있다. 또한, 전해액과 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되며, 일정 압력 이상에서 리튬 이차전지는 폭발하게 된다. 이와 같은 발화/폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다.

따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 소자를 장착하여 사용하는 방법과, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 있다. 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, CID 소자, 전압 및 전류를 제어하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전벤트(Safety Vent) 등이 전자에 해당하고, 전지 내부의 온도나 전압, 전류 등의 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 것이 후자에 속한다.

셀 바깥쪽에 장착하는 소자들은 온도, 전압, 전류, 전지 내압 등을 이용하기 때문에 확실한 차단을 가져올 수 있는 반면에, 추가적인 설치공정 및 설치공간이 요구되며, PTC 소자의 경우 별도의 보호회로모듈(PCM)로서 용접 등을 통해 전극단자에 결합될 수 있다는 단점이 있다. 또한, 내부 단락, 침상 관통, 국부적 손상 등과 같이 빠른 응답시간이 요구되는 경우에는 제대로 보호역할을 하지 못하는 것으로 알려져 있다.

셀 내부의 물질을 이용하는 방법의 하나로 전해액이나 전극에 안전성을 향상시키는 첨가제를 부가하는 방법이 있다. 예를 들어, 과충전시 과전압 등의 조건에서 전기화학적 중합 반응을 일으키는 물질을 전해액에 첨가하여, 과충전시 이러한 물질의 중합 생성물이 전극에 부동막을 형성하거나 전해액을 고화시켜 전지의 비정상적인 작동을 억제하는 방법, 고온 또는 과충전시 첨가제의 부피가 팽창하여 전극의 저항을 증가시킴으로써 전지의 비정상적인 작동을 억제하는 방법 등이 알려져 있다. 이러한 화학적 안전장치는 추가공정 및 공간을 필요로 하지 않으며 모든 종류의 전지에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 신뢰성 있는 작동을 제공하지 못하며 물질의 첨가로 인해 고온 저장특성, 사이클링 특성, 레이트 특성 등 전지의 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다.

한편, 최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 적은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시 도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 전극조립체(300), 전극조립체(300)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(310, 320), 전극 탭들(310, 320)에 용접되어 있는 전극리드(410, 420), 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스(200)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체(300)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(310, 320)은 전극조립체(300)의 각 극판으로부터 연장되고, 전극리드(410, 420)는 각 극판으로부터 연장된 복수개의 전극 탭들(310, 320)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(200)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(410, 420)의 상하면 일부에는 전지케이스(200)과의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(430)이 부착되어 있다.

케이스(200)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(300)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(300)의 경우, 다수의 양극 탭들(310)과 다수의 음극 탭들(320)이 전극리드(410, 420)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(200) 내부 상단은 전극조립체(300)로부터 이격되어 있다.

도 2에는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 전지케이스 내부 상단의 부분 확대도가 도시되어 있고, 도 3에 는 도 1의 이차전지를 조립한 상태의 정면 투시도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전극조립체(300)의 양극 집전체(301)로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 양극 탭들(310)은, 예를 들어, 용접에 의해 일체로 결합된 용착부의 형태로 양극리드(410)에 연결된다. 그러한 양극리드(410)는 양극 탭 용착부가 연결되어 있는 대향 단부(412)가 노출된 상태로 전지케이스(200)에 의해 밀봉된다. 다수의 양극 탭들(310)이 일체로 결합되어 용착부를 형성함으로 인해, 전지케이스(200)의 내부 상단은 전극조립체(300)의 상단면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 있고, 용착부의 양극 탭들(310)은 대략 V자 형상으로 절곡되어 있다. 따라서, 전극 탭들과 전극리드의 결합부위를 V-포밍(V-forming) 부위로 칭하기도 한다.

그러나, 이러한 V-포밍 부위는 전지의 용량과 안전성 측면에서 다수의 문제점을 가지고 있다. 우선, 전지의 용량은 실질적으로 전극조립체(300)의 크기에 의해 결정되는 바, V-포밍 부위의 존재는 전지케이스(200)에 내장되는 전극조립체(300)의 크기를 제한하므로, 전지의 용량 감소를 초래된다. 즉, 도 3에서 보는 바와 같이, 전극조립체(300)의 상단면과 절연필름(430) 사이의 거리(L₁)가 매우 크며, 그러한 거리만큼 전극조립체(300)의 크기 감소가 불가피하다.

또한, 전지가 그것의 상단, 즉 양극리드(400) 쪽으로 낙하되거나 전지의 상단에 물리적인 외력이 가해지는 경우에, 전극조립체(300)가 전지케이스(200)의 내면 상단으로 이동되거나 또는 상단이 짓눌려져서, 전극조립체(300)의 음극이 양극 탭(302) 또는 양극리드(400)와 접촉되어 내부 단락을 유발할 수 있으므로, 전지의 안전성이 크게 저하된다. 이러한 내부 단락은, 특히, 용착부(322) 하부의 일부 양극 탭들이 전극조립체(300)의 최외각에 위치하는 음극과 접촉하면서 유발된다.

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

본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 분리막이 개재된 상태로 다수의 전극판들을 적층하고 이들의 전극탭들을 상호 연결하는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지에서, 상기 전극탭들의 결합부를 전지케이스의 내면 하단에 위치하도록 각 전극판들의 하단에 형성하고, 상기 전극탭들의 결합부에 PTC 소자를 연결할 경우, 전지의 성능에 악영향을 미치지 않으면서 비정상적인 작동을 효율적으로 억제하고, 낙하 또는 외부충격 인가시 전극조립체의 이동으로 인한 내부 단락 및 침상체의 압박 또는 관통으로 인한 내부 단락을 방지함으로써 안전성을 향상시킬 수 있으며, 내부 공간을 최대한 활용하여 동일 규격 대비 높은 용량을 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 분리막이 개재된 상태로 다수의 전극판 들을 적층하고 이들의 전극탭들을 상호 연결하는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극탭들의 상호 결합부는 전지케이스의 내면 하단에 위치하도록 각 전극판들의 하단에 형성되어 있는 상태에서 전지케이스 상단에 돌출되는 전극리드에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 전극탭 결합부에 PTC 소자가 연결되어 있는 것으로 구성되어 있다.

PTC 소자는 별도의 모듈 또는 기판으로서 셀 외부에 장착되는 것이 일반적이다. 따라서, 상기 PTC 소자를 셀 외부에 장착하는 과정에서는, 별도의 모듈 또는 기판을 제작해야 하고, 그러한 모듈 또는 기판의 장착을 위한 공간이 요구되며, 용접 등 셀과의 까다로운 결합공정이 행해져야 하는 등 많은 문제점들이 유발된다. 그러나, 본 발명에서는, 상기 PTC 소자를 셀 내부의 빈 공간에 장착함으로써, 상기의 문제들을 해결하고, 전지의 성능 저하를 유발하지 않으면서 비정상적인 작동을 빠르게 감지함으로써 보다 효율적으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있으며, 전지의 내부공간을 최대한 활용할 수 있는 장점을 가지고 있다.

상기 전극조립체는 다수의 전극탭들을 상호 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

하나의 바람직한 구조의 예에서, 상기 PTC 소자는 소정 개수의 전극탭들이 결합되어 있는 1 군의 전극판들(A 전극군)과 나머지 전극탭들이 결합되어 있는 다 른 군의 전극판들(B 전극군) 사이에 연결되어 있으며, 상기 전극리드는 A 전극군에 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 구체적으로, 상기 PTC를 A 전극군의 전극탭들과 B 전극군의 전극탭들 사이에 위치시켜서, 낙하 또는 외부충격 인가시 전극조립체의 이동으로 인한 내부 단락, 침상체의 압박 또는 관통으로 인한 내부 단락 등에 의해 전지셀이 과열되었을 때, PTC 소자가 A 전극군과 B 전극군의 통전을 차단하여, 다량의 전류가 흐르는 것을 방지하게 된다.

이는, 종래 PCT 소자가 전지셀의 외부 입출력 단자와의 통전 자체를 완전히 차단하는 것과는 차이가 있으며, 전지셀의 전류 통전량을 대폭 감축하여 전지의 안전성을 확보하는 특징이 있다. 이에 대한 더욱 구체적인 내용은 이후 도 4를 참조하여 설명한다.

상기 구조에서, 상기 A 전극군과 B 전극군의 수는 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는, 상기 A 전극군의 수가 B 전극군의 수보다 상대적으로 적은 구조일 수 있다. 특히, 전지의 이상 발생시 통전량을 더욱 줄일 수 있도록, 전극리드에 연결되는 A 전극군의 수를 1 개로 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 구조에서, PTC 소자는 A 전극군과 B 전극군 중에서 최외각의 전극판들에 각각 연결되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 상기 PTC 소자는 A 전극군과 B 전극군 사이에서, 상기 전극군들을 이루는 전극판들 중 최외각에 위치하는 전극판들의 전극탭에 각각 연결될 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 전극판들 중 A 전극군이 상대적으로 상측에 위치하고, B 전극군이 하측에 위치할 경우, PTC 소자는 A 전극군 전극탭들 중 최상측에 위치하는 전극탭과, B 전극군의 전극탭들 중 최하측 에 위치하는 전극탭에 각각 연결됨으로써, 전기적 연결 작업을 더욱 용이하게 수행할 수 있다.

본 발명에서, 상기 PTC 소자는 전지셀의 양극탭들 및 음극탭들 중 선택되는 하나 또는 모두에 연결될 수 있으며, 바람직하게는 양극탭들의 결합부에 연결될 수 있다.

일반적으로, 전극조립체는 단락의 방지를 위해 양극 및 음극보다 큰 크기의 분리막을 사용하므로, 전극조립체의 외주면은 양극 및 음극보다 길게 연장된 분리막들에 의해 실질적으로 감싸이게 된다. 따라서, 상호 결합되어 있는 전극탭들과 PTC 소자는 상기 전극탭들이 절곡되어 전극조립체의 하단면 상에 밀착되더라도 단락이 유발되지는 않는다.

본 발명에서는, 상기 하단 전극탭들과 PTC 소자의 결합부위에서 이러한 절곡 및 밀착에 따른 단락의 가능성을 더욱 낮추기 위하여, 전극조립체의 분리막 크기를 통상의 전극조립체에서 보다 더욱 크게 하거나, 절연 필름 등의 절연성 부재로 상기 전극탭들과 PTC 소자간 결합부위를 제외한 나머지 부위를 미리 도포한 후 상기 전극탭들을 절곡하여 전극조립체의 하단면에 밀착시킬 수도 있다.

이상과 같이, 전극탭들과 PTC 소자간 결합부위가 전극조립체의 하단면에 밀착된 상태로 위치하므로, 전체적으로 사공간(dead space)이 존재하지 않거나 적어도 사공간을 최소화하여 콤팩트한 구조의 전지가 완성될 수 있으며, 전극조립체의 하단이 전지케이스의 내면에 밀착됨으로써 외력의 인가시에도 전극조립체가 이동하는 것을 방지할 수 있다.

한편, 이차전지는 우수한 성능에도 불구하고 안전성 측면에서 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 외부로부터 침상체 등의 물체가 전지를 압박하거나 그것을 관통하게 되면, 양극과 음극이 접촉되면서 단락이 유발되고, 이러한 단락시 전극 활물질들의 반응에 온도가 급격히 상승하게 된다. 특히, 전기전도성이 낮은 리튬 전이금속 산화물 등의 양극 활물질은 단락시 많은 열을 발생시키므로 발화 내지 폭발에까지 이를 수 있다.

따라서, 본 발명에서는, 상기 전극조립체의 외면에, 양극리드에 전기적으로 연결되는 금속 시트(시트 A)와 음극리드에 전기적으로 연결되는 금속 시트(시트 B) 및 상기 두 금속 시트 사이에 개재되는 절연 시트로 이루어진 안전 부재를, 적어도 양면을 감싸도록 부가함으로써, 침상체의 압박 또는 관통 등에 의한 전지의 발화 및 폭발을 방지할 수 있다.

즉, 상기 안전부재가 전극조립체의 적어도 양면에 부가되어 있으면, 상기와 같은 침상체에 의한 전극조립체의 압박 또는 관통시 안전부재의 금속시트들이 우선적으로 접촉되어 단락을 유발하여 통전을 이루게 된다. 그러나, 안전부재의 금속시트에는 전극 활물질이 도포되어 있지 않으므로, 단락에 의한 발열량이 상대적으로 매우 낮으므로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

이러한 우선적 단락이 가능할 수 있도록, 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 시트 A 및 시트 B는 절연시트가 개재된 상태에서, 그것의 하단 일부가 각각 전극조립체의 양극탭 연결부 및 음극탭 연결부에 접속되어 있다.

상기 안전부재의 두 금속시트는 전극조립체의 양극 및 음극을 구성하는 집전 체와 동일한 소재일 수 있는 바, 예를 들어, 상기 시트 A는 활물질이 도포되어 있지 않은 알루미늄 호일이고, 상기 시트 B는 활물질이 도포되어 있지 않은 구리 호일일 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 전극탭 결합부가 전지케이스의 내면 하단에 위치하도록 전극조립체가 도립됨으로써, 상기 전극탭 결합부를 전지케이스의 상단에 위치하는 전극리드와 전기적으로 연결하는 구조가 요구된다. 이러한 전기적 연결은 별도의 접속부재를 사용하여 달성될 수도 있지만, 바람직하게는 하기에서 설명하는 바와 같은 안전부재를 사용하거나, 특이한 구조의 전극판을 포함하는 것으로 달성될 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 시트 A 및 B에는, 양극탭들 및 음극탭들에 연결되는 하단 탭을 기준으로, 그것에 대향하는 상단 탭이 각각 형성되어 있고, 그러한 상단 탭에 전극리드가 연결되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 전극판들의 하단에서 결합되어 있는 전극탭들은 안전부재의 하단 탭들과 각각 연결되고, 상기 안전부재의 상단 탭을 통하여 상단에 위치하는 전극리드와 전기적으로 연결될 수 있다.

도 4에는 상기 구조에 따라 구성된 예시적인 전지셀의 부분적인 구성도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 4에서 보는 바와 같이, 전극조립체 중 양극판들은 크게 A 전극군과 B 전극군으로 이루어져 있고, 이들 전극군들은 PCT 소자에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 그 중, A 전극군의 양극탭은 안전부재에 연결되어 있고, 안전부재는 그것의 상단에서 전극리드에 전기적으로 연결되어 있다. 따라서, 전지셀의 이상 발생으로 온도가 상승하면, PCT 소자의 저항이 크게 상승하여 B 전극군 으로부터의 전류가 차단되고, 오직 A 전극군의 전류만이 안전부재를 통해 전극리드로 전달된다. 결과적으로, 전류의 통전량이 크게 감소하여 전지의 안전성이 확보될 수 있다. 상기에서 전기적 연결은 도 4에서 예시적으로 용접에 의해 달성된다.

또 다른 바람직한 예에서, 상기 전극조립체의 하나 또는 둘 이상의 전극판에는, 하단의 전극탭들에 대향하는 상단 전극탭이 각각 형성되어 있을 수도 있다. 따라서, 상기 전극판들의 하단에서 상호 결합되어 있는 전극탭들로 전극판들간의 전기적 연결을 이룰 수 있고, 하나 또는 둘 이상의 전극판 상단에 형성되어 있는 상단 전극탭들로 전극판들과 전극리드간의 전기적 연결을 이룰 수 있다.

상기 상단 전극탭은 전극조립체를 구성하는 다수의 전극판들 중 하나의 양극판 및 음극판에만 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이는, 하나 이상의 양극판 및 음극판에 각각 상단 전극탭이 형성되어 있을 경우, 상기 상단 전극탭들을 연결하기 위한 별도의 공정이 추가되어야 하며, 상기 상단 전극탭들의 밀착시 부피가 증가되어 전지케이스 내부에서 차지하는 공간이 넓어지기 때문이다. 따라서, 상기 전극조립체는 두 개의 전극탭들이 각각 형성되어 있는 양극판과 음극판을 하나씩 포함하는 것이 특히 바람직하다.

본 발명에 따른 전지는 리튬 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는, 이른바, 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전지는 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 구체적으로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 5의 이차전지는 일반적으로 사용되는 종래의 이차전지와 대략 동일하므로, 본 발명의 특징적인 사항을 제외한 나머지 사항들에 대한 설명은 생략한다.

도 5를 참조하면, 이차전지(100)는, 하단 양극탭들(330, 331, 332 …)이 돌출되어 있는 양극판들(310, 311, 312 …)과 하단 음극탭들(340, 341, 342 …)이 돌출되어 있는 음극판들(320, 321, 322 …)을 포함하고 있고, 하단 양극탭들(330, 331, 332 …) 중 최상단에 위치하는 양극판(310)의 양극탭(330)과 나머지 양극판들(311, 312 …)의 양극탭들(331, 332 …) 사이에 PTC 소자(400)를 위치시킨 상태에서, 하단 양극탭들(330, 331, 332 …) 및 하단 음극탭들(340, 341, 342 …)을 초음파 융착으로 각각 연결하는 것으로 구성되어 있는 전극조립체(300) 및, 이러한 전극조립체(300)를 수용할 수 있는 전지케이스(200)로 이루어져 있다.

도면에서 나타내지는 않았지만, 하단 양극탭들(330, 331, 332 …)과 하단 음극탭들(340, 341, 342 …)은 초음파 융착되어 상호 연결된 상태에서 전극조립체(300)의 하단면(380)에 밀착된다. 이때, 하단 양극탭들(330, 331, 332 …)과 하단 음극탭들(340, 341, 342 …)이 전극조립체(300)의 하단면(380)과 접속되어 단락 이 유발되는 것을 방지하기 위하여, 하단 양극탭들(330, 331, 332 …)과 하단 음극탭들(340, 341, 342 …)을 절연성 필름(도시하지 않음)으로 감싼 상태에서 하단면(380)에 밀착시킨다. 특히, PTC 소자(400)가 결합되어 있는 하단 양극탭들(330, 331, 332 …)에서는, 그것들과 PTC 소자(400)의 결합부위를 제외한 나머지 부위에 절연성 필름을 도포함으로써, PTC 소자(400)가 전극조립체(300)의 하단면(380)에 접속되는 것을 방지한다.

양극탭(330)은 PCT 소자(400)를 경유하여 상단의 양극리드(500)에 연결되고, 음극탭(340)은 바로 상단의 음극리드(502)에 연결된다.

도 6 및 8에는 도 5의 이차전지에 대한 변형예들에 따른 이차전지의 분해 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다. 도 6 및 8의 이차전지 역시 일반적으로 사용되는 종래의 이차전지와 대략 동일하므로, 본 발명의 특징적인 사항을 제외한 나머지 사항들에 대한 설명은 생략한다.

우선 도 6을 참조하면, 이차전지(101)는, 상단 양극탭(350)과 하단 양극탭(330)이 돌출되어 있는 하나의 양극판(310)과 상단 음극탭(360)과 하단 음극탭(340)이 돌출되어 있는 하나의 음극판(320), 및 하단 양극탭들(331, 332 …)만 돌출되어 있는 다수의 양극판들(311, 312 …)과, 하단 음극탭들(341, 342 …)만 돌출되어 있는 다수의 음극판들(321, 322 …)을 포함하고 있으며, 두 개의 양극탭들(330, 350)이 돌출되어 있는 하나의 양극판(310)의 하단 양극탭(330)에는 PTC 소자(400)가 연결되어 있고, 상단 양극탭(350) 및 상단 음극탭(360)에는 각각 양극리드(500) 및 음극리드(501)가 연결되어 있는 전극조립체(301)를 포함하는 것으로 구 성될 수도 있다.

전극조립체(301)가 전지케이스(도시하지 않음)의 수납부에 장착된 상태에서, 상단 양극탭(350)과 상단 음극탭(360)이 절곡 과정을 거치지 않고 전지케이스의 상단 밀착부위에 곧 바로 위치할 수 있도록, 두 전극탭들(330, 350; 340, 360)이 각각 형성되어 있는 양극판(310)과 음극판(320)은 전극조립체(301)의 최상층에 위치한다.

또한, 도면에는 표시되어 있지 않지만, 상단 양극탭(350)과 상단 음극탭(360)은 각각 외부로 일부 돌출되어 있는 양극리드(500)와 음극리드(501)에 연결되지 않고, 자체로서 전지케이스(200)의 외부로 직접 돌출될 수도 있다.

도 8을 참조하면, 이차전지(102)는 전극조립체(302)의 양면에 안전부재(600, 601)를 위치시킨 상태에서 PTC 소자(400)가 하단 전극탭 결합부위에 연결되어 있다는 점에 특징이 있다.

우선, 안전부재(600)의 구체적인 내용을 도 7을 참조하여 설명하면, 안전부재(600)는 양극 활물질이 도포되어 있지 않고 상단 탭(650)과 하단 탭(630)이 돌출되어 있는 알루미늄 시트(610)와, 음극 활물질이 도포되어 있지 않고 상단 탭(660)과 하단 탭(640)이 돌출되어 있는 구리 시트(620), 및 두 시트(610, 620) 사이에 개재되어 있는 분리막(670)으로 구성되어 있다.

따라서, 도 7 및 도 8을 함께 참조할 때, 상단 탭들(650, 660)에 대한 전극리드(500, 501)의 결합을 용이하게 수행할 수 있고, 전극조립체(302)가 전지케이스(도시하지 않음)의 수납부에 장착된 상태에서, 상단 탭들(650, 660)이 절곡 과정 을 거치지 않고 전지케이스의 상단 밀착부위에 곧 바로 위치할 수 있으며, 하면에는 하단 탭들(630, 640)을 통해 전극조립체(302)와 연결될 수 있다.

안전부재(600, 601)는 알루미늄 시트(610)의 하단 탭(630)과 구리 시트(620)의 하단 탭(640)이 전극조립체(302)의 하단 양극탭들(330, 331, 332 …)과 음극탭들(340, 341, 342 …)의 상측 및 하측에 각각 결합되어 양극판들과 음극판들에 전기적으로 연결되고, 알루미늄 시트(610)의 상단 탭(650)과 구리 시트(620)의 상단 탭(660)을 통하여 상단에 위치하는 양극리드(500)와 음극리드(501)에 전기적으로 연결된다.

안전부재(600, 601)가 장착된 구조에서, PCT 소자(400)에 의해 작동 관계는 도 4에서 설명한 바와 같다.

도 9에는 도 8의 이차전지를 조립한 상태의 정면 투시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 9를 참조하면, 이차전지(102)는, 전극조립체(302)의 상단면과 절연필름(410) 사이의 거리(L₂)를 크게 줄이고, 전지케이스(200) 내부에 PTC 소자(400)를 장착함으로써, 전지케이스(200)의 동일 규격 대비 전극조립체(302) 크기를 더욱 크게 하여 전지의 용량을 증가시킬 수 있다. 또한, 이차전지(102)는 전극조립체(300)가 전지케이스(200) 내부에서 이동할 수 있을 만한 공간이 존재하지 않으므로, 낙하 및 외부충격시 단락에 대한 안전성을 더욱 확보할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

양극 활물질로서 LiCoO₂ 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하고, 음극 활물질로서 인조흑연 95 중량%, Super-P(도전제) 1 중량% 및 PVdF(결합제) 4 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하여, 알루미늄 호일과 구리 호일에 각각 도포하였다.

상기 알루미늄 호일과 구리 호일을, 도 6에서와 같이, 일측에만 전극탭이 형성되어 있는 다수 개의 판과, 양측에 전극탭이 형성되어 있는 한 개의 판으로 각각 절단하여 양극판과 음극판들을 제조하였다. 그런 다음, 분리막으로 셀가드^TM(TONEN)를 사용하여, 상기 양측에 전극탭이 형성되어 있는 양극판과 음극판을 최외측으로 하고 나머지 양극판과 음극판을 순차적으로 적층한 뒤, 양극탭의 결합부에 PTC 소자를 장착하여 전극조립체를 제조하였다. 상기 전극조립체를, 도 5에서와 같이, 도립된 상태로 파우치형 전지케이스에 장착한 후, 전해액을 주입하여 전지를 완성하였다.

[실시예 2]

도 5에서와 같이, 일측에만 전극탭이 형성되어 있는 양극판과 음극판을 사용하였고, 도 7에서와 같이, 활물질이 도포되어 있지 않고 대향하는 양측에 상단 및 하단 탭이 형성되어 있는 알루미늄 시트와 구리 시트 및 상기 분리막을 이용하여 안전부재를 제조한 후, 상기 안전부재를 전극조립체의 상면 및 하면에 장착하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.

[비교예 1]

PTC 소자를 장착하지 않았다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.

[비교예 2]

PTC 소자를 장착하지 않고, 전해액에 CHB 등의 첨가제를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.

[비교예 3]

도 1과 같이, 안전부재를 사용하지 않고, 전극탭들의 결합부가 전지케이스의 상단에 위치하여 전극리드와 결합되었다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 2와 같은 방법으로 전지를 완성하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1과 비교예 1 각각 제조된 30 개의 전지들에 대해 과충전 실험을 수행하여 그 결과를 그래프로서 도 11에 나타내었다. 과충전 실험에서는 각각 30 개의 전지들에 대해 반복적으로 수행하였고, 만충전 상태에서 3 C의 전류로 20 V에 도달할 때까지의 과충전 조건으로 수행하여 전지의 단락 및 발화의 유무를 비교하였다. 도 11에서는 30 개의 전지들에서 각각 측정된 전압 및 온도의 평균값을 그래프로 나타내었다.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들(a)은 과충전시 단락 및 발화가 유발되지 않았다. 즉, 도 10에서와 같이, 과충전에 의해 전지의 온도가 상승함에 따라, 내부 PTC가 자체적으로 IR heating되어 결정성 고분자 수지의 부피가 팽창함으로써, 도전경로가 차단되고 온도가 하강되어 단락 및 발화가 유발되지 않았다. 반면에, 비교예 1의 전지들(b)에서는 내부단락 및 발화가 확인되었다.

[실험예 2]

상기 실시예 1과 비교예 2에서 각각 제조된 30 개의 전지들에 대해 고온 노출 실험을 수행하여 그 결과를 그래프로서 도 12에 나타내었다. 고온 노출 실험에서는 각각 30 개의 전지들에 대해 반복적으로 수행하였고, __℃, 7 시간의 조건으로 수행하여 전지의 두께를 비교하였다. 도 12에서는 30 개의 전지들에서 각각 측정된 두께의 평균값을 그래프로 나타내었다.

도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 실시에 1의 전지들은 고온 노출시에도 우수한 스웰링(swelling) 효과로 전지의 두께 증가가 비교예 2의 전지에 비하여 작게 나타났다. 반면, 비교예 2의 전지는 과충전을 예방하는 첨가제로서 CHB 등의 물질들의 반응으로 전지의 두께가 큰 폭으로 증가되었음을 확인할 수 있었다. 즉, 전지의 두께 증가는 전지의 내부에서 첨가물과 전해액 및 전극활물질의 반응에 따라 발생되는 다량의 가스에 의한 것임을 추측할 수 있다.

[실험예 3]

상기 실시예 2과 비교예 3에서 각각 제조된 30 개의 전지들을 대상으로, 모서리 방향으로의 전지 낙하 실험과 침상체의 관통 실험을 수행하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 본 실험에서는 각각 30 개의 전지들에 대해 반복적으로 수행하였고, 모서리 방향의 낙하 실험은 1.5 m의 높이에서 전지의 모서리가 바닥에 부딪히는 방향으로 자유 낙하시켜 수행하였으며, 침상체 관통 실험은 DIA 2 mm 및 속도 1 m/min의 조건으로 수행하였다.

<표 1>

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 2의 전지들은 모서리 낙하 실험에서 30 개 전지 모두에서 단락이 유발되지 않았다. 즉, 전지케이스 내면 상단과 전극조립체 사이에 빈 공간이 존재하지 않음으로써, 전지의 낙하시 전극조립체의 이동에 의한 단락이 유발되지 않았다. 또한, 침상 관통시에는 안전부재의 두 금속시트들이 우선적으로 단락을 유발하여 전지의 온도 상승을 억제함으로써 30 개 전지 모두에서 발화가 일어나지 않았다. 반면에, 비교예 3의 전지는 다수의 전지에서 낙하에 다른 단락 및 침상 관통에 따른 발화가 확인되었다.

또한, 전지의 용량 측면에서, 동일한 크기의 전지케이스를 사용하였을 때, 실시예 2의 전지는 비교예 3의 전지와 비교하여 활물질이 도포되는 전극판의 크기를 대략 10% 정도 증가시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 따라서, 그만큼 전지의 용량을 증가시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전지의 성능에 악영향을 미치지 않으면서 비정상적인 작동을 효율적으로 억제하고, 낙하 또는 외부충격 인가시 전극조립체의 이동으로 인한 내부 단락 및 침상체의 압박 또는 관통으로 인한 내부 단락을 방지함으로써 안전성을 향상시킬 수 있으며, 내부 공간을 최대한 활용하여 동일 규격 대비 높은 용량을 제공할 수 있는 장점을 가지고 있다.

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

Claims

분리막이 개재된 상태로 다수의 전극판들을 적층하고 이들의 전극탭들을 상호 연결하는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극탭들의 상호 결합부는 전지케이스의 내면 하단에 위치하도록 각 전극판들의 하단에 형성되어 있는 상태에서 전지케이스 상단에 돌출되는 전극리드에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 전극탭 결합부에 PTC 소자가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서, 상기 PTC 소자는 소정 개의 전극탭들이 결합되어 있는 1 군의 전극판들(A 전극군)과 나머지 전극탭들이 결합되어 있는 다른 군의 전극판들(B 전극군) 사이에 연결되어 있으며, 상기 A 전극군이 전극리드에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 3 항에 있어서, 상기 A 전극군의 전극판 수는 B 전극군의 전극판 수보다 적은 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 4 항에 있어서, 상기 A 전극군의 전극판 수는 1 개인 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 3 항에 있어서, 상기 PTC 소자는 A 전극군의 전극판들과 B 전극군의 전극판들 중에서 최외각의 전극판들에 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서, 상기 PTC 소자는 양극탭 결합부에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서, 상기 PTC 소자와 전극탭들 사이에는 상호간의 결합 부위를 제외한 부위에 절연성 부재가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 외면에는, 양극리드에 전기적으로 연결되는 금속 시트(시트 A)와 음극리드에 전기적으로 연결되는 금속 시트(시트 B) 및 상기 두 금속 시트 사이에 개재되는 절연 시트로 이루어진 안전 부재가, 적어도 양면을 감싸도록 부가되어 있고, 상기 시트 A의 하단 일부는 전극조립체의 양극탭 연결부에 접속되어 있고, 상기 시트 B의 하단 일부는 전극조립체의 음극탭 연결부에 접속됨으로써, 전극리드에 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 9 항에 있어서, 상기 시트 A는 활물질이 도포되어 있지 않은 알루미늄 호일이고, 상기 시트 B는 활물질이 도포되어 있지 않은 구리 호일인 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 9 항에 있어서, 상기 시트 A 및 B에 각각 상단 탭이 형성되어 있고, 상기 상단 탭을 통해 전극리드에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 하나 또는 둘 이상의 전극판에 상단 전극탭이 형성되어 있고, 상기 상단 전극탭을 통해 전극리드에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 12 항에 있어서, 상기 상단 전극탭은 전극조립체를 구성하는 다수의 전극판들 중 하나의 양극판 및 음극판에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 14 항에 있어서, 상기 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.