KR20080035224A - 이차전지용 세퍼레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세퍼레이터를 박형으로 가공하였을 때 구조적으로 안정되며, 기공율이 향상된 세퍼레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해 본 발명에 의한 해결 방법의 요지는 양극집전체에 양극활물질층이 형성된 양극판과 음극집전체에 음극활물질층이 형성된 음극판 사이에 개재되며, 격벽구조에 의해 형성된 다수개의 기공을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터를 개시한다.

세퍼레이터, 기공, 격벽구조

Description

이차전지용 세퍼레이터{Seperator for secondary battery}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극판과 음극판 및 세퍼레이터의 분해 사시도이다.

도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 직포의 조직을 촬영한 전자 현미경 사진이다.

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터의 도 1의 점선 a부분에 대한 확대도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터의 도 1의 점선 a부분에 대한 또 다른 확대도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100; 양극판 110; 양극무지부

120; 양극활물질층 200; 음극판

210; 음극무지부 220; 음극활물질층

300; 세퍼레이터 310; 직포

320; 기공 330; 다각통체

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차전지의 양극판과 음극판을 절연하며 이온은 통과시키는 이차전지용 세퍼레이터에 관한 것이다.

셀루라폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 휴대용 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 따라서, 휴대용 전기/전자 장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 또한, 이차전지는 고밀도에너지와 고출력을 필요로 하는 하이브리드 자동차 배터리용으로도 각광받고 있으며 연구개발 및 제품생산 중에 있다.

이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 이차 전지 등이 있다.

특히, 리튬 이온 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 작동 전압이 약 3배나 높다. 또한, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 널리 사용되고 있다. 상기 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해질의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형 을 들 수 있다.

이차 전지 중에서도 전력공급의 핵심이 되는 전극조립체는 하기한 바와 같은 과정을 거쳐 형성된다. 우선, 상기 양극 활물질이 형성된 양극집전체에 양극탭이 연결된 양극판, 음극 활물질이 형성된 음극집전체에 음극탭이 연결된 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 있는 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한다.

이 중에서도 상기 세퍼레이터는 양극판과 음극판의 쇼트를 방지하고 리튬이온의 이동은 가능케 한다. 일반적으로, 상기 세퍼레이터는 열가소성수지인 폴리에틸렌(PolyEthylene; 이하 'PE'라 칭함)이나 폴리프로필펜(PolyPropylene; 이하 'PP'라 칭함)에 가소제를 혼합한 후 용매를 사용하여 가소제를 제거하면, 가소제가 제거된 부위는 미세한 기공이 형성되고, 양극판 및 음극판의 이온들은 이 미세한 기공들을 통로로 사용하여 이동한다.

그러나 종래에는 상기 미세한 기공들이 형성된 상기 PE나 PP의 재질로 박형 세퍼레이터를 형성하면, 상기 박형 세퍼레이터의 구조적 강도가 매우 약해지는 문제가 있으며, 구조적 강도가 약해 상기 미세한 기공의 집적율을 향상시키지 못하는 문제가 있다.

상기한 문제를 해결하기 위한 의한 본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세퍼레이터를 박형으로 가공하였을 때 구조적으로 강한 강도를 가지며, 기공의 집적율이 향상된 세퍼레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차전지용 세퍼레이터는 양극집전체에 양극활물질층이 형성된 양극판과 음극집전체에 음극활물질층이 형성된 음극판 사이에 개재되며 격벽구조에 의해 형성된 다수개의 기공을 구비하는 이차전지용 세퍼레이터를 특징으로 한다.

또한, 상기 다수개의 기공을 형성한 격벽구조는 직포들을 교차하여 형성할 수 있다.

또한, 상기 기공의 형태는 다각통체로 형성될 수 있다.

또한, 상기 다각통체의 단변의 길이는 1nm 내지 10㎛가 될 수 있다.

한편, 상기 이차전지용 세퍼레이터는 직포들이 교차하여 형성된 격벽구조의 층을 다 수개 겹쳐 형성할 수 있다.

또한, 상기 직포의 재질은 나일론, 아라미드 및 폴리에스테르 중 어느 하나로 선택되어 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예로 양극집전체에 양극활물질층이 형성된 양극판(100)과 음극집전체에 음극활물질층이 형성된 음극판(200) 사이에 개재되며 격벽구조에 의해 형성된 다수개의 기공(320)을 구비하는 세퍼레이터(300)에 대해 도 1 내지 도 2 을 참조하여 설명한다. 도 1은 양극판과 음극판 및 세퍼레이터의 분해사시도이고, 도 2는 세퍼레이터를 형성하는 직포의 조직을 촬영한 전자 현미경 사진이다.

양극판(100)은 양극집전체와 양극 활물질층(120)으로 이루어져 있다. 양극 활물질층(120)은 리튬을 포함하고 있는 층상화합물과, 결합력을 향상시키는 바인더, 전도성을 향상시키는 도전재로 이루어질 수 있다. 양극 집전체는 일반적으로 알루미늄이 사용되며 양극활물질층(120)에서 발생하는 전하의 이동 통로가 되고 양극활물질층(120)을 지지하는 역할을 하게 된다. 양극판(100)의 일측단 일부면에는 양극탭(미도시)이 접합될 수 있도록 양극무지부(110)가 형성되어 있다.

상기 음극판(200)은 음극집전체와 음극 활물질층(220)으로 이루어져 있다. 상기 음극활물질층(220)은 탄소를 함유하며 일반적으로 많이 쓰이는 하드 카본과, 혹은 흑연, 활물질입자 사이의 결합력을 향상시키는 바인더로 이루어질 수 있다. 음극 집전체는 일반적으로 구리가 사용되며 음극활물질층(220)에 발생하는 전하의 이동 통로가 되고 음극활물질층을 지지하는 역할을 하게 된다. 음극판(200)의 일측단 일부면에는 음극탭(미도시)이 접합될 수 있도록 음극무지부(210)가 형성되어 있다.

양극탭 및 음극탭은 일반적으로 알루미늄이나 알루미늄합금 또는 니켈이나 니켈합금이 사용되지만 본 발명에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.

본 발명에 따른 세퍼레이터(300)는 양극판(100)과 음극판(200)의 사이에 개재되어 양극판(100)과 음극판(200)을 절연하며, 격벽구조에 의해 형성된 다수개의 기공(320)으로 양극판(100)과 음극판(200)에 의해 형성된 이온들을 통과시키는 역 할을 한다.

또한, 상기 이차전지용 세퍼레이터(300)의 상기 다수개의 기공(310)을 형성한 격벽구조는 도 2의 직포(310)들을 교차하여 형성할 수 있다. 세퍼레이터(300)를 형성한 직포(310)는 실로 옷감을 짜듯이 한층으로 형성되어 그 구조가 매우 튼튼하고 안정적이다. 또한, 휘어지거나 구부러졌을 때 그 구조를 유지할 수 있다. 이러한 구조로 형성된 직포(310)를 다수 개 교차하여 형성하면, 격벽구조가 형성되고, 교차 된 직포(310) 사이에 기공(320)이 형성되어 양극판(100)과 음극판(200)에 의해 형성된 이온들이 기공(320)을 통과할 수 있게 된다.

또한, 상기 기공의 형태는 다각통체(330)로 형성될 수 있다. 이에 대해 도 3을 참조하여 설명하면, 직포를 교차하여 기공이 형성될 때, 상기 기공의 황단면은 다각형의 통로로 형성된다. 상기 다각통체(330)로 이루어진 기공들은 양극판 및 음극판의 이온을 통과시켜야 하는데 이때, 이온들은 세퍼레이터(300)의 넓은 면을 균일하게 통과해야 이차전지가 안정적인 전력을 공급할 수 있게 된다. 그래서, 양극판 및 음극판의 이온들이 세퍼레이터(300)의 면 전체에 균일하게 통과되게끔 하려면, 기공(320)은 다각통체(330)의 형태로 세퍼레이터(300) 상에 동일한 간격을 유지하여야 하고, 그 구조는 배열되기 쉬운 형상을 가져야 한다. 따라서, 상기 다각통체(330)의 구체적 형태는 직사각기둥, 마름모 기둥, 육각형기둥의 형태로 형성될 수 있으며, 기둥의 모서리 부들은 둥근모서리를 형성할 수 있다. 또한, 다각통체(330)로 형성된 기둥들은 그 형성과정에서 압착되거나 권취되는 과정을 통해 기둥의 주변부가 약간의 굴곡을 이룰 수 있다.

또한, 상기 다각통체(330)의 단변은 1nm 내지 10㎛이 될 수 있다. 이에 대해 설명하면, 직포(310)들을 얽혀서 만든 격자구조로 형성된 기공을 포함하는 세퍼레이터(300)는 극판들의 이온에 크기에 따라 기공의 크기를 결정하여야 하는데, 이때 그 크기는 1nm 내지 10㎛까지 될 수 있다. 세퍼레이터(300)는 양극판 및 음극판의 입자들을 통과시키지 않으며 양극판 및 음극판의 이온들은 통과시켜야 하므로 기공의 크기가 10㎛이상이면 이온들은 잘 통과되나 양극판 및 음극판의 입자들이 통과되어 쇼트의 위험이 있고, 1nm이하이면 이온이 잘 통과되지 않게 된다. 기공의 크기는 양극판 및 음극판의 이온들의 입자크기와 쇼트의 위험성 및 전지의 순간 출력 용량을 고려하여 그 크기를 정하게 된다.

한편, 상기 이차전지용 세퍼레이터(130)는 상기 직포(310)들이 교차하여 형성된 격벽구조의 층을 다 수개 겹쳐 형성할 수 있다. 이에 대해 도 4를 참조하여 설명하면, 직포(310)를 이용한 격벽구조에 의해 형성된 기공(320)이 형성된 층들을 다 수개 겹쳐 형성하고 있다. 격벽구조의 층들을 다수 개 겹쳐 사용하는 이유는 세퍼레이터(300)의 두께를 증가시킬 목적으로 사용하며, 때에 따라서는 겹쳐친 격벽구조의 층들을 압착하여 그 두께를 줄일 수 있다. 또한, 층들이 겹쳐 형성되어 있으므로 이온이 통과하는 통로는 기공(320)의 크기보다 작게 형성될 수 있다. 더욱이 외력이 각각의 층들에 분산되므로, 외력에 대해 강한 구조로 형성할 수 있다. 격벽구조의 층들을 다수 개 겹친 세퍼레이터(300)는 이차전지에 사용되는 이온의 크기와 출력용량을 고려하여 층의 개수를 조절하고 또한, 그 두께를 조절하여 형성할 수 있다.

한편, 직포(310)의 재질은 나일론, 아라미드 및 폴리에스테르 중 어느 하나로 선택되어 이루어질 수 있다. 이들에 공통점은 절연체이며 열에 강하고, 섬유조직으로 이루어진 것이다. 나일론은 기계적·화학적 성질이 뛰어나며 성형성이 좋고 또한, 가볍다. 아라미드는 내열성 및 강도가 뛰어나고 분자 간의 수소결합뿐만 아니라 결합이 선형을 이루고 있으므로 매우 단단하다. 또한, 탄소 또는 유리 섬유보다 잘 부서지지 않으며 강도가 높고 가벼우며 매우 질긴 특성을 갖고 있다. 폴리에스테르는 내열성이 뛰어나고 구조적으로 형태를 유지하려는 특성이 있다. 상기와 같은 재질의 직포(310)를 이용하면 구조적 안정하며 열에 강한 기공(320)을 형성한 박형 세퍼레이터(300)를 형성할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예나 도면에 기재된 내용에 그 기술적 사상이 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 내에 있게 된다.

본 발명에 의한 효과는 직포를 이용하여 기공을 형성한 격벽구조의 세퍼레이터는 그 구조가 외력에 대해 안정된 효과가 있다.

또한, 이차전지에 사용되는 이온의 종류에 따라 기공의 크기를 조절하고 안정된 구조로 배열된 기공을 형성한 격벽구조의 세퍼레이터를 사용하므로 기공의 집적율이 향상되는 효과도 있다.

Claims (6)

1. 양극집전체에 양극활물질층이 형성된 양극판과 음극집전체에 음극활물질층이 형성된 음극판 사이에 개재되며, 격벽구조에 의해 형성된 다수개의 기공을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다수개의 기공을 형성한 격벽구조는 직포들을 교차하여 형성한 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 기공의 형태는 다각통체로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 다각통체의 단변의 길이는 1nm 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 직포들이 교차하여 형성된 격벽구조의 층을 다 수개 겹쳐 형성한 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 직포의 재질은 나일론, 아라미드 및 폴리에스테르 중 어느 하나로 선택되어 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.

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