KR20080036462A - 우수한 안전성을 발휘하는 전기화학소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 권취형 전극 조립체가 케이스 내에 수용된 전기화학소자에서 권취형 전극 조립체 권취 중심에 삽입되는 센터핀 조립체의 구조에 관한 것으로, 압착, 충격 등 외부에서 물리적인 충격이 가해질 때, 내부 온도 상승시 및/또는 과충전시 전기화학소자의 안전성을 확보할 수 있는 센터핀 조립체를 제공하는 것이 목적이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 센터핀 조립체는 2 이상의 엠보 형태의 돌출부가 형성되어 있는 판형 기재 또는 소정 형태의 2 이상 단속적인 파단선이 형성되어 있는 판형 기재를 관형으로 구부려서 제조된 센터핀; 및 상기 센터핀 내부 빈공간에 구비되어 있는 용기(container)로서, 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질을 그 내부에 수용하고 있는 용기를 구비한다.

Description

우수한 안전성을 발휘하는 전기화학소자{ELECTROCHEMICAL DEVICE ENSURING A GOOD SAFETY}
도 1은 종래 센터핀을 사용하여 전극조립체가 권취된 전기화학소자를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 센터핀의 제조공정을 도시한 모식도이다.
도 3은 소정 형태의 2 이상 단속적인 파단선이 형성된 판형 기재의 예시도들이다.
도 4는 본 발명의 일구체예에 따른 센터핀 조립체를 사용하여 전지를 구성하는 조립도이다.
도 5는 본 발명의 일구체예에 따른 센터핀 조립체 사용시 안전성을 발휘하는 작용기작을 도시한 개략도이다.
도 6a 내지 6f는 본 발명에 따른 용기의 다양한 예를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따라 센터핀 내부에 용기를 삽입하여 센터핀 조립체를 구성하는 조립도이다.
[도면 주요 부분에 대한 부호의 설명]
1: 음극, 2: 양극, 3: 분리막, 4: 절연판, 5: 전지 캔, 6: 봉합 캐스킷(gasket), 7: 캡, 8: 안전판 장치, 9: PTC 소자, 10: 음극 집전체, 11: 양극 집 전체, 12: 음극 탭, 13: 양극 탭, 14: 센터핀 조립체
본 발명은 권취형 전극 조립체가 케이스 내에 수용된 전기화학소자에서 권취형 전극 조립체 권취 중심에 삽입되는 센터핀 조립체의 구조에 관한 것으로, 압착, 충격 등 외부에서 물리적인 충격이 가해질 때, 내부 온도 상승시 및/또는 과충전시 전기화학소자의 안전성을 확보할 수 있는 센터핀 조립체에 관한 것이다.
최근 전자 장비의 소형화 및 경량화가 실현되고 휴대용 전자 기기의 사용이 일반화됨에 따라, 고에너지 밀도를 갖는 리튬 이차전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
리튬 이차전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 양극(cathode) 및 음극(anode)에 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 상기 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화반응, 환원반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다.
그러나, 이와 같은 리튬 이차 전지는 안전성에 문제가 있으므로 이를 해결하기 위한 시도들이 진행되고 있다.
리튬 이차 전지가 과충전되면 양극으로부터 과잉의 리튬이 나오고 음극으로 과잉의 리튬이 삽입되면서 음극 표면에 반응성이 매우 큰 리튬 금속이 석출되고 양극 또한 열적으로 불안정한 상태가 되며, 전해액으로 사용하는 유기 용매의 분해반 응으로 인한 급격한 발열반응으로 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제가 생긴다.
또, 일반적으로 가연성 비수계 전해액을 사용하는 리튬 이차 전지는 전지 내부 온도 상승시 전해액의 분해 반응에 의한 가연성 가스, 전해액과 전극의 반응에 따른 가연성 가스, 양극의 분해에 의한 산소의 발생 등에 의해 폭발하거나 화재가 발생하는 문제점을 가지고 있다.
나아가, 전지가 무거운 물체에 눌리거나 강한 충격을 받거나 전지가 고온에 노출될 경우에도 안전성 문제가 생긴다. 즉, 못 관통, 압착, 충격, 고온 노출 등의 경우, 전지 내부의 양극과 음극은 내부에서 국부적으로 단락이 생긴다. 이때 국부적으로 과도한 전류가 흐르게 되고 이 전류로 인해 발열이 생긴다. 국부적인 단락으로 인한 단락 전류의 크기는 저항에 반비례하므로 단락 전류는 저항이 낮은 쪽으로 많이 흐르게 된다. 이때, 단락 부분을 중심으로 국부적으로 매우 높은 발열이 생기게 된다.
전지 내부에 발열이 생길 경우 전지 내부를 구성하고 있는 양극, 음극 및 전해액이 서로 반응하거나 연소하게 되는데 이 반응은 매우 큰 발열 반응이므로 결국 발화되거나 폭발하게 된다. 따라서, 이와 같은 경우 전지 내부에서 급격한 발열이 생기지 않게 해야 한다.
과충전시의 안전성을 향상시키기 위해서는 비수 전해액에 첨가제를 첨가하여 그 문제를 해결하고 있으나 앞에서 언급한 못의 관통, 압착, 충격, 고온에의 노출 등의 상황에서 안전성을 확보하기 위해서는 비수 전해액에 첨가제를 첨가하는 것으 로는 해결할 수 없다.
본 발명은 권취형 전극 조립체 권취 중심에 삽입되는 센터핀이 차지하는 제한된 공간 내에서 특히 전기화학소자의 안전성과 관련된 여러 기능을 발휘할 수 있는 센터핀 조립체를 제공하고자 한다. 구체적으로는 압착, 충격 등 외부에서 물리적인 충격이 가해질 때, 내부 온도 상승시 및/또는 과충전시 전기화학소자의 안전성을 확보할 수 있는 센터핀 조립체를 제공하는 것이 목적이다.
본 발명은 권취형 전극 조립체가 케이스 내에 수용된 전기화학소자에서 권취 중심에 삽입될 센터핀 조립체로서, (a) 2 이상의 엠보 형태의 돌출부가 형성되어 있는 판형 기재 또는 소정 형태의 2 이상 단속적인 파단선이 형성되어 있는 판형 기재를 관형으로 구부려서 제조된 센터핀; 및 (b) 상기 센터핀 내부 빈공간에 구비되어 있는 용기(container)로서, 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질을 그 내부에 수용하고 있는 용기를 구비한 것이 특징인 센터핀 조립체를 제공한다.
또한, 본 발명은 제1분리막, 제1전극 탭이 구비된 제1전극판, 제2분리막, 및 제2전극 탭이 구비된 제2전극판이 적층 후 권취된 권취형 전극 조립체가 케이스 내에 수용된 전기화학소자에 있어서, 상기 기재된 센터핀 조립체가 권취형 전극 조립체의 권취 중심에 삽입된 것이 특징인 전기화학소자를 제공한다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 센터핀 조립체는 권취형 전극 조립체가 케이스 내에 수용된 전기화학소자에서 권취 중심에 삽입된다.
본 발명에 따른 센터핀 조립체를 사용하는 권취형 전극 조립체는 제1분리막, 제1전극 탭이 구비된 제1전극판, 제2분리막, 및 제2 전극 탭을 구비한다. 이때, 센터핀 조립체는 권취된 제1분리막과 인접하여 있으며 제1분리막을 통해 제1전극판과 전기적으로 절연되어 있다.
한편, 상기 권취형 전극 조립체는 케이스 내에 수용되어 있다. 상기 케이스의 예로는 캔과 상기 캔을 밀봉하는 캡을 구비하는 조립체가 있다. 이때, 상기 캔은 전기전도성이 있는 재질로 되어 있고, 상기 제2전극 탭과 전기적으로 연결된 제2전극 단자 역할을 수행할 수도 있다. (도 1 참조)
권취형 전극 조립체 권취 중심에 삽입되는 센터핀이 차지하는 제한된 공간 내에서 특히 전기화학소자의 안전성과 관련된 여러 기능을 발휘할 수 있도록 하기 위해서 본 발명에 따른 센터핀 조립체는,
(a) 2 이상의 엠보 형태의 돌출부가 형성되어 있는 판형 기재 또는 소정 형태의 2 이상 단속적인 파단선이 형성되어 있는 판형 기재를 관형으로 구부려서 제조된 센터핀; 및
(b) 상기 센터핀 내부 빈공간에 구비되어 있는 용기(container)로서, 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질을 그 내부에 수용하고 있는 용기를 구비하는 것이 특징이다.
(1) 센터핀 구조
본 발명에 따른 센터핀은 2 이상의 엠보 형태의 돌출부가 형성되어 있는 판 형 기재 또는 소정 형태의 2 이상 단속적인 파단선이 형성된 판형 기재를 구부려서 제조되는 것으로, 그 제조 공정이 간단하며, 판형 기재를 관형으로 구부리면 중공 통형의 관이 형성된다(도 2 참조). 이러한 센터핀은 하기에서 기재한 바와 같이, 압착, 충격 등 외부에서 물리적인 충격이 가해질 때 전기화학소자의 안전성을 확보할 수 있다.
2 이상의 엠보 형태의 돌출부가 형성되어 있는 판형 기재는 판형 기재 상에 엠보싱 압착기와 같은 다양한 엠보싱 기구를 사용하여 제조할 수 있다.
한편, 판형 기재를 원통형과 같은 관형으로 구부리면 상기 파단선 경계부에 있는 판형 기재 일부가 돌출부를 형성할 수 있다(도 2 및 3 참조).
파단선에 의한 돌출부는 판형 기재에 파단선을 형성하고 나서 압착 성형하여 상기 파단선 경계부에 있는 판형 기재 일부가 돌출부를 형성하도록 할 수도 있다. 예컨대, 파단선이 형성된 판형 기재를 압축 성형기에 넣어 압출한 후 열처리하여 상기 판형 기재를 구부리기 이전에 돌출부를 만들 수 있다.
파단선은 펀치에 의해 형성할 수 있다. 도 2 및 3에는 소정 형태의 2 이상 단속적인 파단선이 형성된 판형 기재의 예들이 도시되어 있다.
상기 파단선은 파단선의 시점과 종점이 일치하여 폐곡선을 형성하거나 또는 불일치하여 개곡선을 형성할 수 있다. 또 상기 각 파단선은 2 이상의 직선의 조합이거나, 하나의 곡선이거나, 2이상 곡선의 조합이거나, 또는 직선과 곡선의 조합일 수 있다. 이로 인해 다양한 파단선 형태 및 돌출부 형태를 제공할 수 있다.
판형 기재 또는 센터핀의 비제한적인 재질로는 스테인레스, 티타늄, 니켈, 알루미늄 등이 있으며, 전기 전도성이 있는 재질인 것이 바람직하다.
판형 기재의 두께는 전기화학소자의 크기에 따라 0.1~1mm정도로 사용할 수 있으며, 바람직하게는 0.1~0.4mm정도가 적당하다.
센터핀의 직경은 전기화학소자의 권심부(Mandrel) 크기에 맞게 설정하되 다소 작은 형태이면 가능하고, 예컨대 1~10mm 정도의 것이 될 수 있으며, 바람직하게는 3~4mm정도이다. 상기 센터핀 내 돌출부의 높이는 0.1~9mm정도, 바람직하게는 0.1~0.5mm정도이다.
한편, 상기 돌출부는 날카로운 정도 및/또는 강도를 조절하여 분리막, 전극 등을 파열시킬 수 있는 내부 또는 외부 압력 한계를 조절할 수 있다.
상기 돌출부는 센터핀 전면에 균일하게 분포되어 있는 것이 안전성 효과면에서 바람직하다.
상기 엠보 형태의 돌출부 또는 파단선에 의해 형성된 돌출부는 중공 통형 관 형태의 센터핀 내주면, 외주면 또는 둘다에 형성될 수 있다.
상기 엠보 형태의 돌출부 또는 파단선에 의해 형성된 돌출부가 센터핀 외주면에 형성되어 있는 경우 하기와 같은 효과를 발휘할 수 있다.
전지 외부에서 물리적인 충격이 가해지면, 전지 내부에서는 양극과 음극 접촉 방지용 분리막이 찢어지면서 단락이 일어난다. 이때 미세 단락이 일어나면, 전지가 가지고 있는 높은 에너지가 단락이 일어난 미세 지역에 집중하여 과전류로 인한 열이 미세지역에 집중됨으로써 순간적인 열폭주가 발생하기 때문에 전지가 발화 또는 폭발될 위험성이 있다.
따라서, 본 발명은 외부 충격이 가하여 질 때, 엠보 형태의 돌출부 또는 파단선에 의해 형성된 돌출부가 구비된 센터핀에 의해 다수의 단락을 의도적으로 발생시켜 단락 전류를 다수의 단락 부위로 분산시킴으로써, 바람직하게는 발생된 전류 및/또는 열 또한 센터핀으로 분산시킴으로써, 전지가 열폭주에 의해 위험해지는 상황을 피하고자 한다.
이때 엠보 형태의 돌출부 또는 파단선에 의해 형성된 돌출부에 의해 다수의 단락을 의도적으로 발생시키기 위해서는,
외부로부터 소정 이상의 압력 가압시 상기 돌출부는 센터핀에 인접한 분리막을 파열시킬 수 있거나, 제1분리막, 제2전극판 및 제2분리막을 파열시킬 수 있어야 한다.
분리막 파열만으로도 단락을 의도적으로 발생하기 위해서는, 센터핀은 전기 전도성 있는 재질로 되어 있으면서, 제2전극판에 구비된 제2전극 탭과 전기적으로 연결되어 있으며, 통상시에는 센터핀이 제1분리막에 의해 제1전극판과 절연되어 있어야 한다.
한편, 단락을 의도적으로 발생하기 위해서 제1분리막, 제2전극판 및 제2분리막 파열이 필요한 경우는 센터핀이 전극 단자와 절연되어 있는 경우이다.
판형 기재를 관형으로 구부려 중공 통형의 관을 형성시킬 때 상기 구부려진 판형 기재에서 축방향으로 인접하는 두 대변(opposite side)은 겹치기 않게 서로 접촉하거나 이격되게 하는 것이 바람직하다. 이때 두 대변의 가장자리는 평상시에 외측 또는 내측으로 노출되지 않게 존재한다.
상기 두 대변은 외부로부터 소정 이상의 압력 가압시 서로 어긋나거나 대변의 가장자리가 내측 또는 외측으로 돌출되어, 인접한 부재(들) 예컨대, 분리막, 전극판, 센터핀 내부에 구비된 용기 등을 각 대변에 대응되게 축방향으로 일직선상으로 파열시킬 수 있다.
외부 충격이 가하여 질 때, 외부 충격이 가해진 국부적인 부위 주변에 있는 상기 돌출부에 의해 추가로 국부적 단락이 의도적으로 발생되는 것에 더하여, 판형 기재의 두 대변의 가장자리에 의해 파열되는 부위는 축방향 전체이므로 외부 충격이 국부적으로 가해져도 상기 두 대변의 가장자리에 의해 축방향 전면에 걸쳐 의도적인 단락이 발생될 수 있다. 또한, 상기 센터핀의 축방향으로 양 끝단에 비록 가공 공정상 상기 돌출부를 형성시킬 수 없더라도, 전기 화학 소자의 양 끝단에 외부 충격이 가해져도, 상기 판형 기재의 두 대변의 가장자리에 의해 의도적인 단락을 발생시킬 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일례에 따라 외부로부터 소정 이상의 압력 가압시 분리막을 파열시킬 수 있는 1이상의 돌출부가 표면에 형성된 센터핀(14)은 전기 전도성 있는 재질로 되어 있으면서 제2전극판에 구비된 제2전극 탭(12); 또는 제2전극 탭과 전기적으로 연결된 제2전극 단자(5)와 전기적으로 연결되어 있다. 통상시에는 제2전극판과 전기적으로 연결되어 있는 센터핀은 제1분리막에 의해 제1전극판과 절연되어 있다가, 외부로부터 소정 이상의 압력 가압시에는 돌출부 및/또는 상기 대변 가장자리에 의해 상기 제1분리막을 1 이상 부위에서 파열시킴으로써 센터핀과 제1전극판 사이의 단락을 의도적으로 발생시킬 수 있다. 이 로 인해 단락 전류를 다수의 단락 부위로 분산시킴으로써, 또 센터핀을 통해 전지 캔(5)으로 분산시킴으로써, 전지가 열폭주에 의해 위험해지는 상황을 피할 수 있다(도 5 참조).
상기 센터핀 및/또는 캔은 열 전도성 있는 재질로 되어 있는 것이 바람직하다. 단락시 발생하는 열을 센터핀 및/또는 캔으로 분산시킬 수 있기 때문이다(도 5 참조).
(2) 센터핀 내부 빈공간에 구비되어 있는 용기(container) 구성
본 발명은 상기 센터핀 내부 빈공간에 밀폐 용기를 구비하고 상기 용기 내부에 전기화학소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질을 수용하고 있는 것이 특징이다.
또, 상기 밀폐 용기는 외부로부터 물리적인 충격이 가해질 때, 전기화학소자의 이상 고온 및/또는 과충전 시 일정 부분이 개방되어 내부에 포함된 상기 안전성 향상 물질이 용기 외부로 방출될 수 있고, 방출된 물질의 전기화학적 작용에 의해 전기화학소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 것이 특징이다.
전기화학소자의 이상 고온 및/또는 과충전 시에만 상기 용기의 일정 부분이 개방되도록 함으로써, 상기 전기화학소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질이 소자 내부의 온도 및 전압이 정상의 상태인 경우에는 소자에 영향을 주지 않고, 전기화학소자의 이상 고온 또는 과충전 시에만 전기화학소자의 안전성 문제를 해결할 수 있다.
본 발명에 따른 센터핀 조립체를 사용하는 경우는 외부로부터 소정 이상의 압력 가압시에도 센터핀 내주면 돌출부에 의해 및/또는 센터핀의 두 대변의 가장자리에 의해 상기 용기의 파열을 야기하거나 용이하게 할 수 있다. 이로 인해, 용기 내부에 포함된 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질이 센터핀 외부로 방출될 수 있고, 방출된 물질에 의해 소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질의 비제한적인 예로는 시클로헥실벤젠, 바이페닐 등 중합에 의해 전극 표면에 피막을 형성할 수 있는 물질류; 중합을 개시해 주는 촉매 물질류; 클로로아니솔과 같은 산화-환원 셔틀 반응용 물질류; 인산 유도체, 불소화 에테르와 같은 난연성 물질류; 아조 화합물, 퍼옥사이드 화합물과 같은 열분해되어 기체를 발생시킬 수 있는 물질류; 전극에서 산화 반응, 환원 반응을 일으킬 수 있는 이온성 염의 물질류 등이 있으나, 이에 한정하지는 않는다. 이들 물질은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
한편, 안전 장치로서 CID(Current Interrupt Device)와 벤트(Vent) 등과 같은 안전 장치가 설치되어 있다고 하더라도, 지금까지는 원하는 시점에서 이들을 작동시키기가 어려웠다. 실제로 CID의 경우 3 내지 8 kg/㎤, 벤트의 경우, 12kg/㎤에서 작동되도록 설계되어 있으나, 상기 안전장치를 작동시키고자 전지 내압을 발생시키기 위해서는 고온이나 고전압에서 전해액 분해에 의해 생성된 가연성 가스, 양극물질의 분해에 의해 생성된 산소 등이 온도의 상승에 의해 팽창되는 것이 필수적으로 요구되었다. 만약 가연성 가스 및 산소가 발생함에도 불구하고 전지 내압이 낮은 경우 전지 내부는 점차 발화 환경으로 되어 가지만 CID 또는 벤트는 작동되지 않게 되어, 결국 쌓여진 가연성 가스의 발화에 의한 폭발이 야기되었다. 이러한 상 황을 개선시키기 위해서, CID 나 벤트의 작동 압력을 낮출 수도 있으나, 이 경우에는 전지의 정상 작동 중에도 생길 수 있는 내압의 증가에 의해 CID 또는 벤트가 작동되어 전지가 사용될 수 없게 되는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질로 가스 또는 가스를 발생하는 물질을 사용할 수 있다. 특정 조건에서만 파열되는 용기로부터 다량의 가스를 분출시키고, 이로 인해 전기 화학 소자 내부의 압력을 상승시킬 수 있다. 이로 인해, 소자 내부의 압력 변화를 감지하여 작동하는 안전수단, 예컨대 (i) 더 이상의 소자의 작동을 중지시키는 제1 안전수단 및/또는 (ii) 소자 내부의 비정상적 조건을 정상적으로 변화시킬 수 있는 제2 안전수단을 조기에 작동시킴으로써, 발화에 필요한 산소나 가연성 가스, 전해액, 내부의 축적된 열을 외부로 미리 방출시켜 가연성 가스의 농도, 소자 내 온도 감소를 통해 발화 및 폭발을 미연에 방지하여 전지의 안전성 향상을 도모할 수 있다.
상기 제 1 안전 수단은 CID 와 같은 압력 감응 소자일 수 있다. 또, 상기 제 1 안전 수단은 (i) 압력 감응 소자; (ii) 상기 압력 감응 소자에서 전달된 전류를 전달하는 도선; 및 (iii) 상기 도선을 통해 전달되는 전류에 응답하여 소자의 충전을 중지시키거나 또는 충전 상태를 방전 상태로 전환시키는 부재를 구비할 수 있다. 상기 제 2 안전 수단은 벤트(vent) 등과 같은 압력 개방 밸브일 수 있다.
가스 또는 가스 발생 화합물에서 가스의 비제한적인 예로는 N2, He, Ne, Ar, Kr, Xe 등의 비활성 기체, CO2, F2, Br2 등의 소화용 기체 또는 이들의 혼합 기체 등이 있다. 가능하면 발화 요소인 산소를 제외하고, 연소와 관련성이 떨어지는 비활성 가스가 바람직하다.
가스 발생 화합물은 고체 또는 액체로 존재하다가 일정 온도 이상에서 고체 또는 액체의 일부 또는 전부가 기체로 상 변화(phase change)될 수 있으며 또는 기체상으로 존재할 수도 있고, 열분해되어 기체를 발생시키는 물질, 초저온성 액체, 승화성 물질, 이온성 염일 수도 있다.
상기 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질이 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질인 경우, 상기 용기의 외부로 방출된 후 열분해되어 기체를 발생시키거나, 또는 열분해에 의해 기체가 발생된 후 상기 용기의 외부로 방출될 수 있다. 상기 용기 외부에서 발생된 기체 또는 상기 용기 외부로 방출된 기체(이산화탄소 및/또는 질소)는 상기 소자 내부의 압력 변화를 감지하여 작동하는 안전수단과 연계하여 소자의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또, 상기 열분해에 의해 발생되는 기체는 다량의 비활성 기체로서, 이러한 기체는 소자 내 발열될 수 있는 물질과 산소의 접촉을 차단할 수 있으므로 소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질은 열에 의해 물질 자체가 분해되어 이산화탄소나 질소와 같은 기체를 발생시키는 물질이다. 이러한 물질의 비제한적인 예로는 유기 과산화물(peroxide), 카보네이트(carbonate) 화합물, 아조(azo) 화합물, 하이드라자이드(hydrazide) 화합물, 카바자이드(carbazide) 화합물 등이 있다. 이들 화합물은 단독으로 또는 2종 이상이 혼합되어 본 발명에 따른 전기화학소자용 구조체 내부에 포함될 수 있다.
또한, 상기 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질로, 초저온성 액체, 승화성 물질 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 구조체의 외부로 방출되는 물질이 초저온성 액체이면, 초저온성 액체와 소자 내부 물질의 열교환에 의해 소자의 온도를 급감시킬 수 있고 이에 의해 소자의 안전성을 부여할 수 있다. 또한, 상기 초저온성 액체나 승화성 물질은 기체로 상변화될 수 있는데, 상변화 과정에서 주위의 열을 흡수하여 소자의 안전성에 기여할 수 있다. 또한, 상기 상변화 되어 발생되는 기체는 다량의 비활성 기체일 수 있는데, 이러한 기체는 소자 내 발열될 수 있는 물질과 산소의 접촉을 차단할 수 있으므로 소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기 초저온성 액체의 비제한적인 예로, 액체 질소, 액체 헬륨, 액체 네온, 액체 아르곤, 액체 이산화탄소, 냉매로 사용되는 클로로플로로카본 (Chlorofluoro carbon,CFC), 하이드로클로로플로로카본 (Hydrochlorofluorocarbon, HCFC), 이들의 대체 물질인 하이드로플로로카본 (Hydrofluorocarbon,HFC), 하이드로카본 (Hydrocarbon, HC) 등이 있으며, 이들 초저온성 액체는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 승화성 물질의 비제한적인 예로는 요오드, 나프탈렌, 장뇌, 드라이아이스, 프레온 등이 등이 있으며, 이들 승화성 물질은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
한편, 상기 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질로, 이온성 염을 사용할수 있으며, 용기 외부로 방출되는 이온성 염의 양이온과 음이온은 각각 소자 내에 포함된 음극(anode)과 양극(cathode)으로 이동하여 환원 반응과 산화 반응이 일어날 수 있다. 구체적으로, 음극에서 상기 이온성 염의 양이온은 외부의 충격 또는 내부의 원인으로 인한 단락이나 과충전 상태에 의해 고집적된 전자와 반응하면서 전자의 수를 감소시켜 급격한 전류의 흐름에 의한 온도의 상승을 억제시킬 수 있다. 또한, 양극에서 상기 이온성 염의 음이온은 불연성 가스를 발생시켜 소자 내부를 불연 분위기로 만들어 소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 이온성 염이 NaCl인 경우, 구조체의 외부로 방출되는 NaCl 중 Na+는 음극으로 이동 및 전자를 소모하며 환원되어 금속(Na)으로 석출되고, Cl-는 양극으로 이동 및 산화되어 불연성의 Cl2 기체가 발생됨으로써, 소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기 이온성 염의 비제한적인 예로는 Al2(SO4)3, Ca(OH)2, Mg(NO3)2, PbI2, NaCl, MgCl2 , Al2(OH)3 등이 있으나, 이에 한정하지 않는다. 또한, 이들 이온성 염은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따라 전기화학소자의 이상 고온 및/또는 과충전 시 일정 부분이 개방되어 내부에 포함된 상기 안전성 향상 물질이 용기 외부로 방출될 용기 구조에 대한 비제한적인 예는 도 6에 도시되어 있으며, 이들은 크게 3가지 형태로 구분할 수 있다.
본 발명에 따른 제1 형태의 용기는 중공 통형의 관; 고분자로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제1부재; 및 고분자 또는 금속으로 이루 어지며 상기 중공 통형의 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제2부재를 구비한다.
상기 제1 형태의 용기는 이를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 제1부재, 또는 제1부재와 제2부재 모두 용융되는 것이 특징이다. 이때, 상기 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 제1 형태의 용기에서 상기 제1부재, 또는 제1부재와 제2부재가 모두 용융되면, 상기 용기의 내부가 외부에 개방이 될 수 있다.
상기 제1부재와 제2부재를 형성하는 고분자는 상기 용기를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 용융될 수 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다. 이의 비제한적인 예로는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드 등이 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 제1부재를 형성하는 고분자와 제2부재를 형성하는 고분자는 동일 또는 이종 성분일 수 있다.
또한, 상기 중공 통형의 관은 고분자 또는 금속으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 중공 통형의 관은 본 발명에 따른 용기의 골격을 이루는 것으로 내구성, 전기화학적 안전성, 열적 안전성이 있는 것이 바람직하다.
상기 중공 통형의 관을 형성하는 고분자는 상기 제1부재와 제2부재를 구성하는 고분자와 동일 성분 또는 이종 성분의 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 상 기 제1부재와 제2부재를 구성하는 고분자의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 고분자, 보다 바람직하게는 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않고 원래의 형태가 유지될 수 있는 것을 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예로는 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리스티렌, 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이트(PVC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아마이드, 폴리카프로락탐, 폴리카보네이트(PC), 폴리-(p-자일렌), 폴리이미드(PI), 폴리옥시벤조에이트(POB), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르술폰(PES), 폴리술폰(PSU), 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드 등이 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 중공 통형의 관과 제2부재를 형성하는 금속은 상기 제1부재와 제2부재를 구성하는 고분자의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 금속, 바람직하게는 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않는 금속이면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 이러한 금속의 비제한적인 예로는 니켈, 구리, 알루미늄, 티타늄, 크롬, 탄소, 철, 코발트, 몰리브덴, 금, 은, 바나듐, SUS 등이 있으며, 이들의 합금도 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
도 6a는 본 발명에 따른 제1 형태의 용기의 일례를 나타낸 평면도로서, 중공 통형의 관(100)과 상기 중공 통형의 관의 양쪽 끝을 밀폐하는 고분자로 이루어진 제1부재(200) 및 제2부재(300)를 포함하는 용기를 도시한 것이다. 상기 고분자로 이루어진 부재와 상기 중공 통형의 관의 끝은 열융착과 같은 방법으로 연결하여 밀폐할 수 있고, 이러한 용기에서 고분자로 이루어진 부재는 실링(sealing)된 형태로 중공 통형의 관의 끝에 도입된 것이다. 이때, 제1부재(200) 및/또는 제2부재(300)가 중공 통형의 관(100)과 동일 성분이라면, 별도의 제1부재 및/또는 제2부재를 사용하지 않고 상기 중공 통형의 관의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝을 그대로 열융착하여 구조체를 밀폐할 수도 있다.
도 6b 및 도 6c는 본 발명에 따른 제1 형태의 용기의 또다른 일례로, 중공 통형의 관(100); 고분자로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제1부재(200); 및 금속으로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제2부재(300)를 구비한다. 상기 고분자로 이루어진 제1부재는 각각 마개 형태 및 캡슐 형태로 중공 통형의 관의 한쪽 끝에 도입된 것이다.
본 발명에 따른 제2 형태의 용기는 중공 통형의 관 2개 이상이 고분자에 의해 상하로 연결된 관; 상기 상하로 연결된 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제3부재; 및 상기 상하로 연결된 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제4부재를 구비한다.
상기 제2 형태의 용기는 이를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자가 용융되어 상기 상하로 연결된 관은 서로 분리될 수 있고, 이에 의해 밀폐된 구 조의 상기 용기의 내부가 외부에 개방될 수 있는 것이 특징이다. 이때, 상기 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 바람직하다.
상기 제2 형태의 용기에서 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자는 예를 들면, 관 또는 판 형태로 존재할 수 있으나, 그 형태 및 두께는 특별히 한정하지 않는다.
또한, 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자는 상기 전기화학소자용 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 용융될 수 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다. 이러한 고분자의 비제한적인 예로는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드 등이 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 제2 형태의 용기에서, 상기 중공 통형의 관, 제3부재, 및 제4부재는 각각 독립적으로 고분자 또는 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 중공 통형의 관, 제3부재 및 제4부재를 형성하는 고분자는 특별히 제한하지 않는다. 따라서, 상기 중공 통형의 관, 제3부재 및 제4부재를 형성하는 고분자는 각각 독립적으로 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자와 동일 성분 또는 이종 성분의 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 고분자, 보다 바람직하게는 상기 용기를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않고 원래의 형태가 유지될 수 있는 것을 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예는 상기 제1 형태의 용기에서 전술한 중공 통형의 관을 형성하는 고분자의 예와 동일하다.
또한, 상기 중공 통형의 관, 제3부재 및 제4부재를 형성하는 금속은 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 금속, 바람직하게는 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않는 금속이면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예는 상기 제1 형태의 용기에서 전술한 중공 통형의 관을 형성하는 금속의 예와 동일하다.
도 6d는 본 발명에 따른 제2 형태의 용기의 일예를 나타낸 평면도로서, 2개의 중공 통형의 관(100, 110)이 고분자(400)에 의해 상하로 연결된 관과 상기 중공 통형의 관의 양쪽 끝을 밀폐하는 고분자로 이루어진 제3부재(200) 및 제4부재(300)를 구비한다.
본 발명에 따른 제3 형태의 용기는, 표면에 1이상의 개구부를 가지며, 양쪽 끝이 밀폐된 중공 통형의 관; 및 상기 개구부를 밀폐하는 고분자부재를 구비한다.
상기 제3 형태의 용기는 이를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 개구부를 밀폐하는 상기 고분자부재가 용융될 수 있고, 이에 의해 밀폐된 구조의 용기의 내부가 외부에 개방될 수 있는 것이 특징이다. 이때, 상기 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 바람 직하다.
상기 중공 통형의 관의 표면에 형성되는 개구부의 형태와 크기는 특별히 한정하지 않는다.
상기 개구부를 밀폐하는 고분자부재의 형태와 크기도 특별히 한정하지 않는다. 예를 들면, 고분자부재(500)는 도 6e와 같이 중공 통형의 관(100) 안쪽으로 오목하게 들어간 노치(notch) 형태, 또는 도 6f과 같이 중공 통형의 관(100) 표면에 얇게 형성된 스크래치(scratch) 형태일 수 있다.
또한, 상기 고분자부재는 상기 용기를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 용융될 수 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다. 이러한 고분자의 비제한적인 예로는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드 등이 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 제3 형태의 용기에서, 상기 중공 통형의 관은 고분자 또는 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 중공 통형의 관을 형성하는 고분자는 특별히 제한하지 않는다. 따라서, 상기 중공 통형의 관을 형성하는 고분자는 상기 고분자부재와 동일 성분 또는 이종 성분의 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 상기 고분자부재의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 고분자, 보다 바람직하게는 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온 도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않고 원래의 형태가 유지될 수 있는 것을 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예는 상기 제1 형태의 용기에서 전술한 중공 통형의 관을 형성하는 고분자의 예와 동일하다.
또한, 상기 중공 통형의 관을 형성하는 금속은 상기 고분자부재의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 금속, 바람직하게는 구조체를 사용하는 소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서도 용융되지 않는 금속이면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 이의 비제한적인 예는 상기 제1 형태의 용기에서 전술한 중공 통형의 관을 형성하는 금속의 예와 동일하다.
한편, 본 발명에 따른 용기는 상기 제1 형태 내지 제3 형태의 용기에 한정되는 것은 아니고, 이들 각각을 서로 조합한 형태의 구조체도 포함한다.
도 7에는 본 발명에 따라 센터핀 내부에 상기 용기를 삽입하여 센터핀 조립체를 조립하는 것이 예시되어 있다.
상기 제시한 바와 같은 본 발명에 따른 센터핀 조립체를 사용하여 안전성 향상을 도모할 수 있는 전기 화학 소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 1차, 2차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 캐퍼시터(capacitor) 등이 있다. 특히, 상기 2차 전지 중 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함하는 리튬 이차 전지가 바람직하다. 그러나, 본 발명은 리튬 이온 전지 이외에도 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지 등 모든 전기화학소자에 적용 가능하다. 또한 앞으로 리튬이온전지를 대체할 새로운 전지가 개발되어도 역시 응용 가능하다.
또한, 본 발명에서 사용되는 전기화학소자 형상은 특별한 제한이 없으며, 여러가지 크기로 할 수 있다. 원통형 뿐만아니라 박형, 대형 등 여러가지 크기 및/또는 형태를 가질 수 있으며, 팩 케이스 및 수납된 형태(hard pack) 및 전지가 노출된 형태(soft pack)에 대해서도 동일하게 적용 가능하다.
본 발명은 상기 전기화학소자를 단수 또는 복수로 구비한 전기화학소자 팩을 제공한다. 상기 전기화학소자는 병렬 또는 직렬 연결의 조합으로 구성 될 수 있다.
본 발명에 따른 센터핀 조립체 이외에 전기화학소자에 관한 일반적인 사항은 리튬 충방전용 전지의 예를 들어 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 리튬 충방전용 전지는 리튬 복합 산화물을 활물질로 포함하는 양극, 리튬을 흡착 및 방출 가능한 음극, 비수전해질, 및 분리막을 포함한다.
양극활물질은 종래 전기 화학 소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용 가능하며, 이의 비제한적인 예로는 LiMxOy(M = Co, Ni, Mn, CoaNibMnc)와 같은 리튬 전이금속 복합산화물(예를 들면, LiMn2O4 등의 리튬 망간 복합산화물, LiNiO2 등의 리튬 니켈 산화물, LiCoO2 등의 리튬 코발트 산화물 및 이들 산화물의 망간, 니켈, 코발트의 일부를 다른 전이금속 등으로 치환한 것 또는 리튬을 함유한 산화바나듐 등) 또는 칼코겐 화합물(예를 들면, 이산화망간, 이황화티탄, 이황화몰리브덴 등) 등이 있다. 바람직하게는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0＜a＜1, 0＜b＜1, 0＜c＜1, a+b+c=1), LiNi1-YCoYO2, LiCo1-YMnYO2, LiNi1-YMnYO2 (여기에서, 0≤Y＜1), Li(NiaCobMnc)O4(0＜a＜2, 0＜b＜2, 0＜c＜2, a+b+c=2), LiMn2-zNizO4, LiMn2-zCozO4(여기에서, 0＜Z＜2), LiCoPO4, LiFePO4 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 더욱 바람직하게는 LixMO2 이다 (이때, M은 Ni, Co, 또는 Mn 이고, x는 0.05≤ x ≤1.10 임).
이후, 상기 양극 활물질을 양극 전류집전체, 즉 알루미늄, 니켈, 또는 이들의 조합에 의해서 제조되는 호일(foil)에 결착시킨 형태로 양극을 구성한다.
음극활물질은 종래 전기 화학 소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 사용 가능하며, 이의 비제한적인 예로는 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등의 리튬 흡착물질 등이 있다. 그리고, 상기 음극 활물질을 음극 전류집전체, 즉 구리, 금, 니켈 혹은 구리 합금 혹은 이들의 조합에 의해서 제조되는 호일과 결착시킨 형태로 음극을 구성한다.
상기 분리막은 미세 다공 구조를 가지는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름 등이나, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로나이트릴 (polyacrylonitrile) 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름 등을 사용한다.
상기 전해질은 A+B-와 같은 구조의 염을 사용할 수 있으며, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고, B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, ASF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염을 의미한다. 구체적 예를 들면, 리튬염이 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드(dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄(dimethoxyethane), 디에톡시에탄(diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 혹은 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해, 해리되어 있는 것을 말한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 센터핀 조립체를 사용하면, 외부로부터 소정 이상의 압력 가압시 센터핀 표면에 형성된 돌출부 및/또는 일직선의 두 대변의 가장자리에 의해 단락을 의도적으로 발생시킬 수 있다. 이로 인해 전기화학소자가 열폭주에 의해 위험해지는 상황을 피할 수 있어서, 전기화학소자의 안 전성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 센터핀 조립체의 용기는 내부에 빈 공간을 가진 밀폐된 형태의 구조체로서, 전기화학소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질을 빈 공간에 포함할 수 있고, 상기 빈 공간에 포함하는 물질의 양을 용이하게 조절할 수 있다. 또, 본 발명에 따라 안전성 향상 물질을 함유하는 상기 용기는 외부로부터 물리적인 충격이 없거나 소자 내부의 온도 및 전압이 정상의 상태인 경우에는 소자에 영향을 주지 않으나, 압착, 충격 등 외부에서 물리적인 충격이 가해지거나 소자 내부의 온도가 이상 고온이 되거나 과충전에 의한 과전압의 상태가 될 때에는 상기 용기 중 고분자 성분으로 된 일정 부분이 용융되어 상기 용기 내부 빈 공간에 포함된 안전성 향상 물질을 상기 용기의 외부로 방출시킴으로써, 전기화학소자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 센터핀 조립체는 센터핀이 차지하는 제한된 공간 내에서 특히 전기화학소자의 안전성과 관련된 여러 기능을 발휘할 수 있다.

Claims (41)

  1. 권취형 전극 조립체가 케이스 내에 수용된 전기화학소자에서 권취 중심에 삽입될 센터핀 조립체로서,
    2 이상의 엠보 형태의 돌출부가 형성되어 있는 판형 기재 또는 소정 형태의 2 이상 단속적인 파단선이 형성되어 있는 판형 기재를 관형으로 구부려서 제조된 센터핀; 및
    상기 센터핀 내부 빈공간에 구비되어 있는 용기(container)로서, 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질을 그 내부에 수용하고 있는 용기
    를 구비한 것이 특징인 센터핀 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파단선이 형성되어 있는 판형 기재를 관형으로 구부릴 때 또는 그 이전에, 상기 파단선 경계부에 있는 판형 기재 일부가 돌출부를 형성하는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 관형으로 구부려진 판형 기재에서 축방향으로 마주 보는 두 대변(opposite side)은 겹치기 않게 서로 접촉하거나 이격되어 마주보는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 관형으로 구부려진 판형 기재에서 축방향으로 마주 보 는 두 대변은 외부로부터 소정 이상의 압력 가압시 그 가장자리가 돌출되어 인접한 부재(들)을 각 대변에 대응되게 일직선상으로 파열시킬 수 있는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 용기는 중공 통형의 관; 고분자로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제1부재; 및 고분자 또는 금속으로 이루어지며 상기 중공 통형의 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제2부재를 구비하는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전기화학소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 제1부재, 또는 제1부재와 제2부재 모두 용융되는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전기화학소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 특징인 센터핀 조립체.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1부재를 이루는 고분자 및 상기 제2부재를 이루는 고분자는 각각 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루 오라이드 및 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 특징인 센터핀 조립체.
  9. 제5항에 있어서, 상기 중공 통형의 관은 고분자 또는 금속으로 이루어진 것이 특징인 센터핀 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 중공 통형의 관 2개 이상이 고분자에 의해 상하로 연결된 관; 상기 상하로 연결된 관의 한쪽 끝을 밀폐하는 제3부재; 및 상기 상하로 연결된 관의 나머지 한쪽 끝을 밀폐하는 제4부재를 구비하는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전기화학소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자는 용융되는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전기화학소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 특징인 센터핀 조립체.
  13. 제10항에 있어서, 상기 2개 이상의 중공 통형의 관을 연결하는 고분자는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드 및 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 특징인 센터핀 조립체.
  14. 제10항에 있어서, 상기 중공 통형의 관, 제3부재, 및 제4부재는 각각 독립적으로 고분자 또는 금속으로 이루어진 것이 특징인 센터핀 조립체.
  15. 제1항에 있어서, 표면에 1이상의 개구부를 가지며, 양쪽 끝이 밀폐된 중공 통형의 관; 및 상기 개구부를 밀폐하는 고분자부재를 구비하는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 전기화학소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도 또는 4.3V 이상의 전압에서 상기 고분자부재는 용융되는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전기화학소자의 정상 작동 온도보다 높은 온도는 70~200℃인 것이 특징인 센터핀 조립체.
  18. 제15항에 있어서, 상기 고분자부재는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리아세트알데히드, 폴리포름알데히드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐 리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드 및 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 것이 특징인 센터핀 조립체.
  19. 제15항에 있어서, 상기 중공 통형의 관은 고분자 또는 금속으로 이루어진 것이 특징인 센터핀 조립체.
  20. 제1항에 있어서, 상기 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질은 가스 또는 가스 발생 화합물인 것이 특징인 센터핀 조립체.
  21. 제20항에 있어서, 상기 가스는 N2, He, Ne, Ar, Kr, Xe, CO2, F2, Cl2 및 Br2로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 특징인 센터핀 조립체.
  22. 제20항에 있어서, 상기 가스 발생 화합물은 퍼옥사이드 계열 화합물, 카보네이트 계열 화합물, 아조 계열 화합물, 하이드라자이드 계열 화합물 및 카바자이드 계열 화합물로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된 열분해에 의해 기체를 발생시키는 물질인 것이 특징인 센터핀 조립체.
  23. 제1항에 있어서, 상기 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질은 Al2(SO4)3, Ca(OH)2, Mg(NO3)2, PbI2, NaCl, MgCl2 및 Al2(OH)3로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 이온성 염인 것이 특징인 센터핀 조립체.
  24. 제1항에 있어서, 상기 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질은 초저온성 액체, 승화성 물질 또는 이들의 혼합물인 것이 특징인 센터핀 조립체.
  25. 제24항에 있어서, 상기 초저온성 액체는 액체 질소, 액체 헬륨, 액체 네온, 액체 아르곤, 액체 이산화탄소, 클로로플로로카본 (Chlorofluoro carbon, CFC), 하이드로클로로플로로카본 (Hydrochlorofluorocarbon, HCFC), 이들의 대체 물질인 하이드로플로로카본 (Hydrofluorocarbon,HFC) 및 하이드로카본 (Hydrocarbon, HC)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 특징인 특징인 센터핀 조립체.
  26. 제24항에 있어서, 상기 승화성 물질은 요오드, 나프탈렌, 장뇌, 드라이아이스 및 프레온으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 특징인 센터핀 조립체.
  27. 제1항에 있어서, 상기 엠보 형태의 돌출부 또는 파단선에 의해 형성된 돌출부가 센터핀 내주면, 외주면 또는 둘다에 형성된 것이 특징인 센터핀 조립체.
  28. 제1항에 있어서, 상기 엠보 형태의 돌출부 또는 파단선에 의해 형성된 돌출부가 센터핀 외주면에 형성되어 있고, 상기 돌출부는 외부로부터 소정 이상의 압력 가압시 분리막을 파열시킬 수 있는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  29. 제1항에 있어서, 상기 엠보 형태의 돌출부 또는 파단선에 의해 형성된 돌출부가 센터핀 외주면에 형성되어 있고, 상기 돌출부는 외부로부터 소정 이상의 압력 가압시 제1분리막, 제1전극판 및 제2분리막을 파열시킬 수 있는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  30. 제1항에 있어서, 상기 엠보 형태의 돌출부 또는 파단선에 의해 형성된 돌출부는 판형 기재 전면에 균일하게 분포되어 있는 것이 특징인 센터핀 조립체.
  31. 제1분리막, 제1전극 탭이 구비된 제1전극판, 제2분리막, 및 제2전극 탭이 구비된 제2전극판이 적층 후 권취된 권취형 전극 조립체가 케이스 내에 수용된 전기화학소자에 있어서, 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 기재된 센터핀 조립체가 권취형 전극 조립체의 권취 중심에 삽입된 것이 특징인 전기화학소자.
  32. 제31항에 있어서, 상기 센터핀 조립체는 엠보 형태의 돌출부 또는 파단선에 의해 형성된 돌출부가 센터핀 외주면에 형성되어 있고, 전극 단자와 절연되어 있으며,
    외부로부터 소정 이상의 압력 가압시 상기 엠보 형태의 돌출부 또는 파단선에 의해 형성된 돌출부에 의해 제1분리막, 제1전극판 및 제2분리막을 파열시킴으로써 1 이상의 단락을 의도적으로 발생시키는 것이 특징인 전기화학소자.
  33. 제31항에 있어서, 상기 센터핀 조립체는 엠보 형태의 돌출부 또는 파단선에 의해 형성된 돌출부가 센터핀 외주면에 형성되어 있고, 전기 전도성 있는 재질로 되어 있으면서, 제2전극판에 구비된 제2전극 탭과 전기적으로 연결되어 있으며,
    통상시에는 센터핀 조립체가 제1분리막에 의해 제1전극판과 절연되어 있고, 외부로부터 소정 이상의 압력 가압시 상기 돌출부에 의해 상기 제1분리막을 파열시킴으로써 1 이상의 단락을 의도적으로 발생시키는 것이 특징인 전기화학소자.
  34. 제31항에 있어서, 소자의 안전성을 향상시킬 수 있는 물질은 가스 또는 가스 발생 화합물이고,
    소자 내부의 압력 변화를 감지하여 소자 작동을 중지시키거나 또는 소자 내부의 비정상적 조건을 조기에 정상적으로 변화시킬 수 있는 안전 수단이 소자 내부에 구비되어 있는 것이 특징인 전기화학소자.
  35. 제34항에 있어서, 상기 용기로부터 방출되는 가스량은 소자 내부의 압력 변화를 감지하는 안전수단의 작동이 초래될 수 있는 범위인 것이 특징인 전기 화학 소자.
  36. 제34항에 있어서, 상기 안전수단은 (i) 소자 내부의 압력 변화 감지를 통해 소자의 충전을 중지시키거나 또는 충전 상태를 방전 상태로 전환시키는 제 1 안전 수단 및 (ii) 소자 내부의 압력 변화 감지를 통해 소자 내부의 열 또는 가스를 발산시키는 제 2 안전 수단으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 전기 화학 소자.
  37. 제36항에 있어서, 상기 제 1 안전 수단은 압력 감응 소자를 포함하는 것인 전기 화학 소자.
  38. 제36항에 있어서, 상기 제 1 안전 수단은 (i) 압력 감응 소자; (ii) 상기 압력 감응 소자에서 전달된 전류를 전달하는 도선; 및 (iii) 상기 도선을 통해 전달되는 전류에 응답하여 소자의 충전을 중지시키거나 또는 충전 상태를 방전 상태로 전환시키는 부재를 구비하는 것이 특징인 전기 화학 소자.
  39. 제36항에 있어서, 상기 제 2 안전 수단은 압력 개방 밸브인 전기 화학 소자.
  40. 제36항에 있어서, 상기 전기 화학 소자는 소자의 정상 작동 온도 이상의 온도 범위에서 용기로부터 발생하는 가스 분출압에 의한 부피 팽창 및 소자 내부 압력 증가를 통해 제 1 안전수단, 제 2 안전수단, 또는 제 1 안전수단 및 제 2 안전수단이 작동되는 것이 특징인 전기 화학 소자.
  41. 제31항에 있어서, 상기 전기 화학 소자는 리튬 이차 전지인 전기 화학 소자.
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