KR20110018439A

KR20110018439A - 전지

Info

Publication number: KR20110018439A
Application number: KR1020117000827A
Authority: KR
Inventors: 사또시 스즈끼
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2011-02-23
Also published as: KR101232459B1; CN102067355B; CN102067355A; WO2009150912A1; US20110086265A1; JP2009301892A; US8945775B2; JP4470124B2

Abstract

본원의 주목적은 전지 케이스와 전극체를 절연하는 동시에 양호한 전해액 주액성을 확보할 수 있는 절연 부재를 구비한 전지를 제공하는 데 있다. 본원에 의해 제공되는 전지는 정극 및 부극을 구비하는 전극체와, 전극체를 전해액과 함께 수용하는 전지 케이스를 구비하고, 전극체와 전지 케이스 사이에는, 당해 전극체와 전지 케이스 사이를 격리하는 절연 부재가 배치되어 있고, 절연 부재는 전극체를 포위하는 주머니 형상으로 형성되고, 또한 전해액을 유통할 수 있는 세공을 갖는 다공질 재료로 구성되어 있다.

Description

전지 {BATTERY}

본 발명은 전지, 상세하게는 전지 케이스와 전극체를 절연하는 절연 부재를 구비한 전지에 관한 것이다.

또한, 본 국제출원은 2008년 6월 13일에 출원된 일본특허출원 제2008-155596호에 기초하는 우선권을 주장하고 있고, 그 출원의 전체 내용은 본 명세서 중에 참조로서 도입되어 있다.

최근, 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지 그 밖의 2차 전지는 차량 탑재용 전원, 혹은 퍼스널 컴퓨터 및 휴대 단말의 전원으로서 중요성이 높아지고 있다. 특히, 경량이고 고에너지 밀도가 얻어지는 리튬 이온 전지는 차량 탑재용 고출력 전원으로서 바람직하게 사용되는 것으로서 기대되고 있다. 이러한 종류의 전지에 있어서는, 시트 형상 정극과 시트 형상 부극을 세퍼레이터와 함께 적층하여 권회시킨 권회 전극체를 구비한 전지 구조가 알려져 있다.

그런데, 이러한 종류의 전지에 있어서는 전극체와 전지 케이스(즉, 외장 용기)를 따로따로 제조하고, 그 후 전극체를 전지 케이스에 수용할 필요가 있다. 전지 케이스로서는 금속제의 패키지를 사용하는 경우가 많고, 이 경우에는 금속제 패키지와 전극체를 절연하기 위해 전극체를 절연성 필름으로 포장할 필요가 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는 두께 50㎛의 폴리이미드제의 박막을 주머니 형상으로 형성한 절연 부재에 전극군을 삽입하여, 전극군과 전지 용기를 전기적으로 절연한 2차 전지의 구성이 개시되어 있다. 또한, 다른 기술 문헌으로서, 예를 들어 특허문헌 2를 들 수 있다.

일본특허출원공개 제2003-59537호 공보 일본특허출원공개 제2003-7340호 공보

그러나, 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 절연 부재를 주머니 형상으로서 전극군의 주위를 덮으면, 전해액 주입 시에 전해액이 절연 부재를 투과할 수 없어, 전극군으로의 전해액의 침투를 방해할 우려가 있다. 그 결과, 전극군에 침투 불균일이 발생하기 쉬워진다. 또한, 절연 부재에 의해 전해액의 대류가 방해되므로, 전해액이 전극군 전체에 침투하기까지 장시간이 걸리게 되어, 전지의 생산성이 나빠질 우려가 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 주목적은 전지 케이스와 전극체를 절연하는 동시에 양호한 전해액 주액성을 확보할 수 있는 절연 부재를 구비한 전지를 제공하는 것이다.

본 발명에 의해 제공되는 전지는 정극 및 부극을 구비하는 전극체와, 상기 전극체를 전해액과 함께 수용하는 전지 케이스를 구비한다. 상기 전극체와 상기 전지 케이스 사이에는 당해 전극체와 전지 케이스를 격리하는 절연 부재가 배치되어 있다. 그리고 상기 절연 부재는 상기 전극체를 포위하는 주머니 형상으로 형성되고, 또한 상기 전해액을 유통할 수 있는 세공(細孔)을 갖는 다공질 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구성에 따르면, 전극체와 전지 케이스를 격리하는 절연 부재가 다공질 재료로 구성되어 있으므로, 상기 절연 부재에 전해액 등을 투과할 수 있는 투과성을 부여할 수 있다. 이에 의해, 전해액 주입 시에 절연 부재의 세공을 통해 전해액을 유동(대류)시킬 수 있어, 전극체 전체에 전해액을 신속하게 침투시킬 수 있다. 그 결과, 전해액의 주액성이 향상되어 전해액의 침투 불균일의 발생을 억제할 수 있는 동시에 전지의 생산성이 양호해진다.

또한, 절연 부재의 세공을 가스 배출용 구멍으로서 이용할 수도 있다. 즉, 전지 이상 시에 전극체로부터 발생한 가스를 절연 부재의 세공을 통해 전극체의 외부로 원활하게 방출할 수 있다. 이와 같은 구성에 따르면, 전극체로부터 발생한 가스가 절연 부재의 내부에 체류하는 것(주머니 형상 절연 부재 내에 억류되는 것)을 회피할 수 있다. 이에 의해, 안전성이 우수한 전지를 제공할 수 있다.

또한, 주머니 형상 절연 부재를 구성하는 다공질 재료는 다수의 세공을 갖는 것으로, 그 독립된 세공(또는 다수의 세공의 연결)에 의해 주머니 형상 절연 부재의 외면과 내면을 연통할 수 있도록 구성되어 있으면 좋다. 세공의 형상은 전해액을 유통할 수 있는 형상이면 좋고 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 슬릿 형상, 실린더 형상, 구 형상 등의 어느 것이라도 좋다.

또한, 주머니 형상 절연 부재를 구성하는 다공질 재료는, 절연성을 갖고 또한 내전해액성(특히, 내전해액 부식성)을 갖는 재료가 바람직하다. 이와 같은 다공질 재료로서는, 다공질화된 수지 재료를 들 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 등, 혹은 그들의 조합을 적절하게 사용할 수 있다. 다공질 수지 재료는 본 발명의 목적에 적합한 정도의 기계적 강도와 화학 안정성을 갖고 있고, 저비용으로 조달할 수 있다.

여기서 개시되는 전지의 어느 적합한 일 형태에 있어서, 상기 전극체는 상기 정부(正負)의 전극 사이에 개재하는 세퍼레이터를 구비하고 있다. 이 경우, 상기 절연 부재의 평균 세공 직경(평균 세공 직경)은 상기 세퍼레이터의 두께보다도 작은 것이 바람직하다. 절연 부재에 형성되어 있는 세공의 평균치(평균 세공 직경)는, 예를 들어 버블 포인트법(JIS K 3832, 혹은 JIS B 8356-2)에 의해 얻어진다. 버블 포인트법에 기초하는 세공 직경(평균 세공 직경이나 세공 직경 분포)의 측정은, 예를 들어 시판되는 일본 벨 주식회사제의 Porometer 3G 장치를 사용하여 용이하게 행할 수 있다.

상기 구성에 따르면, 절연 부재를 통해 세퍼레이터의 두께보다도 큰 이물질(예를 들어, 전지 케이스 밀봉 시에 발생할 수 있는 용접 스패터 등)이 주머니 형상의 절연 부재 내에 침입하는 사태를 회피할 수 있다. 세퍼레이터의 두께보다도 큰 이물질(특히, 도전성을 갖는 이물질)이 주머니 형상의 절연 부재 내에 침입하면, 예를 들어 충방전에 의한 전극체의 팽창ㆍ수축에 수반하여 상기 이물질이 전극체내(전형적으로는 세퍼레이터와 정부 어느 한쪽의 전극과의 간극)로 들어가 세퍼레이터를 관통하여(돌파하여), 상기 관통한 이물질이 정부의 전극 사이를 가교함으로써 전극체의 내부 단락의 요인으로 될 수 있다. 이에 대해, 상기 구성에 따르면, 절연 부재에 상기 이물질에 대한 필터로서의 기능을 부여할 수 있으므로, 상기 이물질의 절연 부재 내(나아가서는 전극체 내부)로의 침입을 회피할 수 있다. 이에 의해, 전극체의 내부 단락을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

여기서 개시되는 전지의 어느 적합한 일 형태에 있어서, 상기 세퍼레이터는 다공질 세퍼레이터이다. 이 경우, 상기 절연 부재의 평균 세공 직경은 상기 다공질 세퍼레이터의 평균 세공 직경보다도 큰 것이 바람직하다. 절연 부재의 세공 직경(세공 직경 분포)이 지나치게 작으면, 절연 부재에 적절한 전해액 투과성을 부여할 수 없어, 전해액의 주액성이 손상되거나 전지 이상 시에 발생한 가스가 절연 부재 내에 체류하므로 바람직하지 않다.

이에 대해, 본 발명의 구성에 따르면, 절연 부재의 평균 세공 직경이 다공질 세퍼레이터의 평균 세공 직경보다도 크기 때문에, 절연 부재에 대한 전해액 등의 투과성을 충분히 확보할 수 있다. 또한, 상기 절연 부재의 평균 세공 직경(상기 측정 방법에 기초함)의 적합한 범위를 예시하면, 예를 들어 0.1㎛ 내지 25㎛이다. 이와 같은 범위로 함으로써, 절연 부재에 대해 적절한 전해액 투과성을 부여하면서, 상기 절연 부재 내로의 이물질 침입을 차단하여 전극체의 내부 단락을 방지할 수 있다.

여기서 개시되는 전지의 어느 적합한 일 형태에 있어서, 상기 절연 부재는 상기 전극체의 전체를 피복할 수 있도록 형성되어 있다. 절연 부재로 둘러싸인 전극체가 절연 부재의 외측으로 노출되지 않도록 전극체 전체를 간극 없이 덮음으로써, 전극체 내부로의 이물질(특히, 세퍼레이터의 두께보다도 큰 도전성 이물질)의 혼입을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 리튬 이온 2차 전지의 외관을 모식적으로 도시하는 상면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 리튬 이온 2차 전지의 외관을 모식적으로 도시하는 정면도이다.
도 2는 도 1a의 II-II 단면을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 전극체와 절연 부재의 위치 관계를 모식적으로 도시하는 외관 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 전지 케이스 내에 주입된 전해액의 흐름을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 이물질 혼입에 의한 전극체의 내부 단락을 이미지적으로 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 전지를 구비한 차량(자동차)을 모식적으로 도시하는 측면도이다.

본 명세서에 있어서 「전지」라 함은, 소정의 전기 에너지를 취출할 수 있는 축전 장치를 말하고, 특정한 축전 기구(전극체나 전해질의 구성)로 한정되지 않는다. 리튬 이온 전지 등의 리튬 2차 전지, 니켈 수소 2차 전지 그 밖의 2차 전지 혹은 전기 이중층 캐패시터 등의 캐패시터(즉, 물리 전지)는 여기서 말하는 전지에 포함되는 전형예이다.

또한, 본 명세서에 있어서 「전극체」라 함은, 적어도 하나씩의 정극 및 부극을 포함하고, 전지(축전 장치)의 주체를 이루는 구조체를 말한다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 실시 형태를 설명한다. 이하의 도면에 있어서는, 동일한 작용을 발휘하는 부재ㆍ부위에는 동일한 부호를 부여하여 설명하고 있다. 또한, 이하, 각형 리튬 이온 2차 전지(100)를 예로 들어 본 발명의 전지의 구조에 대해 상세하게 설명하지만, 본 발명을 이러한 실시 형태에 기재된 것으로 한정하는 것을 의도한 것이 아니다. 또한, 각 도면에 있어서의 치수 관계(길이, 폭, 두께 등)는 실제의 치수 관계를 반영하는 것은 아니다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면서 전지(100)의 구성에 대해 설명한다. 도 1a는 본 실시 형태에 관한 리튬 이온 2차 전지의 외관을 모식적으로 도시하는 상면도이고, 도 1b는 그 정면도이다. 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 여기서 개시되는 리튬 이온 2차 전지(100)는 정극(82) 및 부극(84)을 구비하는 전극체(80)(도 2)와, 상기 전극체(80)를 수용하는 전지 케이스(50)를 구비한다.

전지 케이스(50)는 전지 케이스 본체(52)와 덮개(54)로 구성되어 있다. 전지 케이스 본체(52)는 전극체(80)(도 2)를 수용할 수 있는 형상을 갖는다. 이 실시 형태에서는, 전지 케이스 본체(52)는 편평 형상의 전극체(80)를 수용할 수 있는 상자형의 형상이다. 전지 케이스 본체(52)는 상부 개구 단부(53)를 갖고, 상기 상부 개구 단부(53)를 통해 전극체(80)를 수용할 수 있도록 구성되어 있다. 덮개(54)는 전지 케이스 본체(52)의 상부 개구 단부(53)를 막는 부재로, 이 실시 형태에서는 대략 직사각 형상의 판형상 부재를 적절하게 사용하고 있다. 전지 케이스 본체(52) 및 덮개(54)의 재질은 경량이고 열전도성이 좋은 금속 재료가 바람직하고, 예를 들어 알루미늄, 스테인리스강, 니켈 도금 강 등을 바람직하게 사용할 수 있다.

덮개(54)의 상면에는 안전 밸브(70)가 종래의 전지 케이스와 마찬가지로 설치되어 있다. 안전 밸브(70)는 전지 케이스(50) 내의 압력이 지나치게 상승하면 안전을 위해 밸브체(도시하지 않음)가 변형되어, 상기 밸브체와 덮개(54) 사이에 생긴 간극으로부터 내부의 가스 등이 방출될 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 덮개(54)의 상면에는 주액구(62)가 형성되어 있다. 주액구(62)는 상기 주액구(62)를 통해 전지 케이스(50) 내에 전해액을 수용할 수 있도록 되어 있고, 통상 시에는 밀봉 마개(60)에 의해 밀봉되어 있다. 전지 케이스(50)에 수용될 수 있는 전해액으로서는, 예를 들어 비수용매에 전해질을 용해한 비수전해액을 사용할 수 있다. 이 실시 형태에서는, 비수용매로서는 디에틸카보네이트와 에틸렌카보네이트의 혼합 용매(예를 들어, 질량비 1:1)를 사용하고, 전해질로서는 헥사플루오로 인산 리튬(LiPF₆)을 사용하고, 그 농도는 약 1mol/리터로 조정되어 있다.

다음에, 도 2 및 도 3을 참조하면서 본 실시 형태에 관한 전지(100)의 내부 구조에 대해 설명한다. 도 2는 도 1a의 II-II 단면을 모식적으로 도시하는 단면도이고, 도 3은 전극체(80)와 절연 부재(20)의 위치 관계를 모식적으로 도시하는 외관 사시도이다.

전지 케이스(50) 내에는 상기 전해액과 함께 전극체(80)가 수용되어 있다. 전극체(80)는 통상의 리튬 이온 전지의 전극체와 마찬가지로, 정극(82) 및 부극(84)과, 상기 정부의 전극 사이에 개재하는 세퍼레이터(86)를 구비한다. 이 실시 형태에서는, 전극체(80)는 정극 시트(82)와 부극 시트(84)를 합계 2매의 세퍼레이터 시트(86)와 함께 적층하고, 또한 당해 정극 시트(82)와 부극 시트(84)를 약간 어긋나게 하면서 권회하고, 계속해서 얻어진 권회체를 측면 방향으로부터 눌러 찌그러뜨림으로써 제작되는 편평 형상의 권회 전극체(80)이다.

권회 전극체(80)의 권회 방향에 대한 횡방향에 있어서, 상기와 같이 약간 어긋나게 하면서 권회된 결과로서, 정극 시트(82) 및 부극 시트(84)의 단부의 일부가 각각 권회 코어 부분(81)[즉, 정극 시트(82)의 정극 활물질층 형성 부분과 부극 시트(84)의 부극 활물질층 형성 부분과 세퍼레이터 시트(86)가 밀하게 권회된 부분]으로부터 외측으로 밀려나와 있다. 이러한 정극측 밀려나옴 부분(즉, 정극 활물질층의 비형성 부분)(82A) 및 부극측 밀려나옴 부분(즉, 부극 활물질층의 비형성 부분)(84A)에는 정극 리드 단자(82B) 및 부극 리드 단자(84B)가 부설되어 있고, 각각 정극 단자(42) 및 부극 단자(44)와 전기적으로 접속된다. 이 실시 형태에서는, 정극 단자(42) 및 부극 단자(44)는 가스킷(도시하지 않음)을 통해 전지 케이스(50)의 덮개(54)에 각각 설치되어 있다.

권회 전극체(80)를 구성하는 재료 및 부재 자체는 종래의 리튬 이온 전지의 전극체와 마찬가지라도 좋고, 특별히 제한은 없다. 예를 들어, 정극 시트(82)는 장척 형상의 정극 집전체(이 실시 형태에서는 알루미늄박) 상에 리튬 이온 전지용 정극 활물질층이 부여되어 형성된다. 한편, 부극 시트(84)는 장척 형상의 부극 집전체(이 실시 형태에서는 동박) 상에 리튬 이온 전지용 부극 활물질층이 부여되어 형성된다. 또한, 정부극 시트(82, 84) 사이에 개재하는 적합한 세퍼레이터 시트(86)로서는 다공질 폴리올레핀계 수지로 구성된 것을 들 수 있다. 예를 들어, 두께 5 내지 30㎛(이 실시 형태에서는 25㎛), 평균 세공 직경 0.1㎛ 정도의 합성 수지제(예를 들어, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀제) 다공질 세퍼레이터 시트를 적절하게 사용할 수 있다.

전극체(80)와 전지 케이스(50) 사이에는 당해 전극체(80)와 전지 케이스(50)를 격리하는 절연 부재(20)가 배치되어 있다. 절연 부재(20)는, 도 3에 도시한 바와 같이 전극체(80)를 포위하는(적절하게는 감싸는) 주머니 형상으로 형성되어 있다. 이 실시 형태에서는, 절연 부재(20)는 상단부가 개방된 바닥이 있는 상자형 형상을 갖고, 상단부 개구부(22)를 통해 편평 형상 전극체(80)를 수용할 수 있도록 되어 있다. 또한, 절연 부재(20)는 편평 형상 전극체(80)의 상면을 제외한 부분(저면 및 측면)을 간극 없이 피복하도록 구성되어 있다. 이와 같이 주머니 형상 절연 부재(20)를 개재시킴으로써 발전 요소인 편평 형상 전극체(80)와 전지 케이스(50)의 직접적인 접촉이 회피되어, 편평 형상 전극체(80)와 전지 케이스(50)의 절연성을 확보할 수 있다. 주머니 형상 절연 부재(20)의 두께는 소요의 강도를 갖는 정도이면 좋고, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 0.1㎜ 정도이다.

이러한 절연 부재(20)는 상술한 전해액을 유통할 수 있는 세공(도시하지 않음)을 갖는 다공질 재료로 구성되어 있다. 절연 부재(20)를 구성하는 다공질 재료는 다수의 세공을 갖는 것으로, 그 독립된 세공(또는 다수의 세공의 연결)에 의해 주머니 형상 절연 부재(20)의 외면과 내면을 연통할 수 있도록 되어 있다. 세공의 형상은 전해액을 유통할 수 있는 형상이면 좋고 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 슬릿 형상, 실린더 형상 등의 어느 것이라도 좋다. 절연 부재를 구성하는 다공질 재료는 절연성을 갖고 또한 내전해액성(특히, 내전해액 부식성)을 갖는 재료가 바람직하다. 이와 같은 다공질 재료로서는 다공질 수지 재료를 들 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 등, 혹은 그들의 조합을 적절하게 사용할 수 있다. 다공질 수지 재료는 본 실시 형태의 목적에 적합한 정도의 기계적 강도와 화학 안정성을 갖고 있고, 또한 저비용으로 조달할 수 있다. 또한, 이와 같은 수지 재료의 다공질화는, 예를 들어 분말 형상의 수지 재료에 공지의 소성법을 적용함으로써 행할 수 있다.

상기 구성에 따르면, 전극체(80)와 전지 케이스(50)를 격리하는 주머니 형상 절연 부재(20)가 다공질 재료로 구성되어 있으므로, 상기 주머니 형상 절연 부재(20)에 전해액 등을 투과할 수 있는 투과성을 부여할 수 있다. 이에 의해, 전해액 주입 시에 주머니 형상 절연 부재(20)의 세공을 통해 전해액을 이동(대류)시킬 수 있어, 전극체(80) 전체에 전해액을 신속하게 침투시킬 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같이, 이 실시 형태에서는 덮개(54)의 주액구(62)로부터 전해액을 주입하면, 상기 주입된 전해액(화살표 「90」)은 주머니 형상 절연 부재(20)의 세공을 통해 전지 케이스(50) 내를 유동(대류)하여, 절연 부재(20)에 저해되지 않고 전극체(80)의 외측으로도 돌아 들어간다. 이에 의해, 전극체(80) 전체에 전해액을 신속하게(단시간에) 침투시킬 수 있다. 그 결과, 전해액의 주액성이 향상되어 전해액의 침투 불균일의 발생을 억제할 수 있는 동시에 전지의 생산성이 양호해진다.

또한, 절연 부재(20)의 세공을 가스 배출용 구멍으로서 이용할 수도 있다. 즉, 전지 이상 시에 전극체(80)로부터 발생한 가스를 절연 부재(20)의 세공을 통해 전극체(80)의 외부로 원활하게 방출할 수 있다. 이와 같은 구성에 따르면, 전극체(80)로부터 발생한 가스가 절연 부재(20)의 내부에 체류하는 것(주머니 형상 절연 부재 내에 억류되는 것)을 회피할 수 있다. 이에 의해, 안전성이 우수한 전지(100)를 제공할 수 있다.

여기서, 절연 부재(20)의 평균 세공 직경은 다공질 세퍼레이터 시트(86)의 평균 세공 직경보다도 큰 것이 바람직하다. 절연 부재(20)의 세공 직경이 지나치게 작으면, 상기 세공을 전해액 등이 통과하기 어려워지므로, 절연 부재(20)에 적절한 전해액 투과성을 부여할 수 없어 전해액의 주액성이 손상되거나, 전지 이상 시에 발생한 가스가 절연 부재(20) 내에 체류하기 때문이다.

또한, 절연 부재(20)의 평균 세공 직경은 전극체(80)가 구비하는 다공질 세퍼레이터 시트(86)의 두께보다도 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, 다공질 세퍼레이터 시트(86)의 두께의 1/2 정도의 사이즈가 적당하다. 도 4에 도시한 바와 같이, 덮개(54)의 주액구(62)로부터 전해액을 주입하면, 상기 주입된 전해액(화살표 「90」)은 절연 부재(20)의 세공을 통해 전지 케이스(50) 내를 이동(대류)한다. 이때, 전지 케이스(50)의 내면에 도전성 이물질(92)[예를 들어, 전지 케이스 본체(52)와 덮개(54)의 접합 시에 발생할 수 있는 용접 스패터나 전지 케이스(50)의 내면에 부착된 미세한 금속 분체 등]이 부착되어 있으면, 상기 부착된 도전성 이물질(92)이 전해액과 함께 주머니 형상 절연 부재(20)의 세공을 통해 주머니 형상 절연 부재(20)의 내부로 침입할 우려가 있다. 이와 같이 도전성 이물질(92)이 전해액과 함께 절연 부재(20)의 내부에 침입하면, 상기 침입한 이물질(92)이 충방전에 의한 전극체(80)의 팽창ㆍ수축에 수반하여 전극체(80) 내[전형적으로는 세퍼레이터 시트(86)와 정부 시트(82, 84)와의 간극]로 들어간다. 이 들어간 이물질(92)이 세퍼레이터 시트(86)의 두께보다도 큰 경우에는, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 이물질(92)이 세퍼레이터 시트(86)를 두께 방향으로 관통하여(돌파하여), 상기 관통한 이물질(92)이 정부의 시트(82, 84) 사이를 가교함으로써 전극체(80)의 내부 단락의 요인으로 될 수 있다.

이에 대해, 본 실시 형태에서는 절연 부재(20)의 평균 세공 직경을 세퍼레이터(86)의 두께보다도 작게 하고 있으므로, 절연 부재(20)에 상기 이물질[세퍼레이터(86)의 두께보다도 큰 이물질](92)에 대한 필터로서의 기능을 부여할 수 있고, 상기 절연 부재(20)의 세공을 통해 상기 이물질(92)이 절연 부재(20) 내에 침입하는 것을 회피할 수 있다. 이에 의해, 전극체(80)의 내부 단락을 방지할 수 있다. 또한, 다공질 세퍼레이터 시트(86)의 평균 세공 직경보다도 작은 이물질(예를 들어, 0.1㎛ 미만의 이물질)이 절연 부재(20)의 주머니 내부에 침입하는 경우가 있지만, 그와 같은 작은 사이즈의 이물질은 가령 전극체(80) 내에 들어갔다고 해도 세퍼레이터 시트(86)를 관통하는 경우는 없어, 전극체(80)의 내부 단락의 요인으로는 될 수 없다.

상기 절연 부재(20)의 평균 세공 직경의 적합한 범위를 예시하면, 대략 0.1㎛ 내지 25㎛의 범위 내이고, 예를 들어 0.1㎛ 내지 15㎛의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 범위로 함으로써, 절연 부재(20)에 대해 적절한 전해액 투과성을 부여하면서, 상기 절연 부재(20) 내로의 이물질 침입을 차단하여 전극체(80)의 내부 단락을 방지할 수 있다.

본 실시 형태에 관한 절연 부재(20)를 사용하여 전지를 구축함으로써, 전해액의 침투 불균일을 억제하고, 또한 소정 사이즈의 이물질 혼입 없음을 실현할 수 있는 것을 확인하기 위해, 실시예로서 이하의 실험을 행하였다. 즉, 정극 집전체로서의 알루미늄박 표면에 리튬 이온 전지용 정극 활물질층이 형성된 정극 시트(82)(두께 100㎛ 정도)와, 부극 집전체로서의 동박 표면에 리튬 이온 전지용 부극 활물질층이 형성된 부극 시트(84)(두께 100㎛ 정도)를, 2매의 다공질 세퍼레이터 시트(두께 25㎛, 세공 직경 0.1㎛ 정도)를 통해 권회하고, 상기 권회한 권회체를 측면 방향으로부터 눌러 찌그러뜨림으로써 편평 형상의 권회 전극체(80)를 제작하였다. 이와 같이 하여 얻어진 권회 전극체(80)를 상단부가 개방된 주머니 형상 절연 부재(20)에 삽입하였다. 주머니 형상 절연 부재(20)로서는, 다공질 폴리프로필렌(PP)제의 것을 사용하고, 그 평균 세공 직경은 대략 15㎛ 정도였다. 그 후, 권회 전극체(80)를 주머니 형상 절연 부재(20)와 함께 전지 케이스 본체(52)에 수용하여, 전지 케이스 본체(52)의 개구부를 덮개(54)로 용접에 의해 밀봉하였다. 전지 케이스 본체(52) 및 덮개(54)는 모두 알루미늄제이고, 그 치수는 전지 케이스 본체(52)가 세로 150㎜ × 가로 30㎜ × 높이 100㎜, 덮개(54)가 세로 150㎜ × 가로 30㎜ × 두께(판 두께) 3㎜였다. 이와 같이 하여 전해액을 주입하기 전의 평가용 전지(제1 실시예)를 구축하였다.

또한, 제1 비교예로서, 주머니 형상 절연 부재(20)를 사용하고 있지 않은 평가용 전지를 제작하였다. 즉, 제1 비교예에서는, 권회 전극체(80)는 주머니 형상 절연 부재(20)를 개재하지 않고[주머니 형상 절연 부재(20)에 삽입되지 않고] 전지 케이스(50)에 직접적으로 수용되어 있다. 주머니 형상 절연 부재(20)를 사용하고 있지 않은 것 이외에는 제1 실시예와 동일한 조건으로 제1 비교예에 관한 평가용 전지를 제작하였다. 또한, 제2 비교예로서, 다공질화되어 있지 않은 주머니 형상 절연 부재를 사용하여 평가용 전지를 제작하였다. 즉, 제2 비교예에서는 세공이 형성되어 있지 않은 비다공질의 폴리프로필렌(PP)제의 절연 부재를 사용하여 평가용 전지를 제작하였다. 다공질화되어 있지 않은 절연 부재를 사용한 것 이외에는 제1 실시예와 동일한 조건으로 제2 비교예에 관한 평가용 전지를 제작하였다.

이상과 같이 제작한 제1 실시예 및 제1 비교예, 제2 비교예에 관한 평가용 전지에 대해 전해액을 주입함으로써 전해액의 침투 불균일의 유무를 조사하였다. 또한, 상기 전해액을 주입하기 전에 전지 케이스(50) 내에 미리 동분을 혼입해 두고, 상기 전해액을 주입했을 때에 상기 동분이 권회 전극체 내에 혼입되는지 여부를 확인하였다. 상기 동분은 입경이 서로 다른 2종류의 시판되는 것[후쿠다(福田) 금속박분 공업제, CE-8A와 FCC-115를 8:2의 비율로 혼합한 동분 1g, 표 2 참조]을 사용하였다. 전해액의 주입은 상기 전해액의 침투를 촉진시키기 위해 전지 케이스(50) 내의 감압/대기압 개방을 3회 반복한 후, 덮개(54)의 주액구(62)로부터 전해액을 주입함으로써 행하였다. 전해액의 주입 후, 그 상태에서 1시간 방치한 후, 권회 전극체(80)를 전지 케이스(50)로부터 취출하여 해체하여, 정극 시트(82)와 부극 시트(84) 사이에 들어간 동분의 수와 사이즈를 계량하였다. 또한, 권회 전극체(80)에 대한 전해액의 침투 불균일을 육안으로 확인하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예에 관한 전지에서는 평균 입경 15㎛ 이상의 동분의 혼입은 없고, 특히 다공질 세퍼레이터 시트의 두께 25㎛보다도 큰 동분[권회 전극체(80)의 내부 단락의 요인으로 될 수 있는 동분]의 혼입은 없는 것이 확인되었다. 또한, 전해액의 침투 불균일에 대해서도 양호한 결과가 얻어졌다. 이에 대해, 제1 비교예에 관한 전지에서는 전해액의 침투 불균일은 없었지만 동분(평균 입경 15㎛ 이상의 동분, 특히 다공질 세퍼레이터 시트의 두께 25㎛보다도 큰 동분)의 혼입이 다수였다. 또한, 제2 비교예에 관한 전지에서는 동분의 혼입은 없었지만 전해액의 침투 불균일이 육안으로 알 수 있을 정도로 확인되었다. 이들의 결과로부터, 다공질 재료로 이루어지는 주머니 형상 절연 부재(20)를 사용함으로써, 전해액의 침투성을 확보하면서 이물질의 전극체로의 혼입을 방지할 수 있는 것이 확인되었다.

이하, 도 2를 참조하면서 일부 설명이 중복되지만 본 실시 형태에 관한 전극체(80) 및 전해액의 구성 재료에 대해 상세하게 서술한다. 정극 시트(82)는 장척 형상의 정극 집전체 상에 리튬 이온 전지용 정극 활물질층이 부여되어 형성된다. 정극 집전체에는 알루미늄박(본 실시 형태) 그 밖의 정극에 적합한 금속박이 적절하게 사용된다. 정극 활물질은 종래부터 리튬 이온 전지에 사용되는 물질의 1종 또는 2종 이상을 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 적합예로서, LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂ 등을 들 수 있다. 예를 들어, 길이 2 내지 4m(예를 들어 2.7m), 폭 8 내지 12㎝(예를 들어, 10㎝), 두께 5 내지 20㎛(예를 들어, 15㎛) 정도의 알루미늄박을 집전체로서 사용하여, 그 표면의 소정 영역에 상법에 의해 니켈산 리튬을 주체로 하는 리튬 이온 전지용 정극 활물질층(예를 들어, 니켈산 리튬 88질량％, 아세틸렌블랙 10질량％, 폴리테트라플루오로에틸렌 1질량％, 카르복시메틸셀룰로오스 1질량％)을 형성함으로써 적합한 정극 시트(82)가 얻어진다.

한편, 부극 시트(84)는 장척 형상의 부극 집전체 상에 리튬 이온 전지용 부극 활물질층이 부여되어 형성될 수 있다. 부극 집전체에는 동박(본 실시 형태) 그 밖의 부극에 적합한 금속박이 적절하게 사용된다. 부극 활물질은 종래부터 리튬 이온 전지에 사용되는 물질의 1종 또는 2종 이상을 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 적합예로서, 그라파이트 카본, 아몰퍼스 카본 등의 탄소계 재료, 리튬 함유 천이 금속 산화물이나 천이 금속 질화물 등을 들 수 있다. 예를 들어, 길이 2 내지 4m(예를 들어, 2.9m), 폭 8 내지 12㎝(예를 들어, 10㎝), 두께 5 내지 20㎛(예를 들어, 10㎛) 정도의 동박을 사용하여, 그 표면의 소정 영역에 상법에 의해 흑연을 주체로 하는 리튬 이온 전지용 부극 활물질층(예를 들어, 흑연 98질량％, 스티렌부타디엔 고무 1질량％, 카르복시메틸셀룰로오스 1질량％)을 형성함으로써 적합한 부극 시트(84)가 얻어진다.

또한, 정부극 시트(82, 84) 사이에 사용되는 적합한 세퍼레이터 시트(86)로서는 다공질 폴리올레핀계 수지로 구성된 것을 들 수 있다. 예를 들어, 길이 2 내지 4m(예를 들어, 3.1m), 폭 8 내지 12㎝(예를 들어, 11㎝), 두께 5 내지 30㎛(예를 들어, 25㎛) 정도의 합성 수지제(예를 들어, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀제) 다공질 세퍼레이터 시트를 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 전지 케이스 내에 수용하는 전극체는 상기 권회 타입으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 정극 시트와 부극 시트를 세퍼레이터와 함께 교대로 적층하여 이루어지는 적층 타입의 전극체라도 좋다.

전해액으로서는, 예를 들어 비수용매에 전해질을 용해한 비수전해액을 사용할 수 있다. 비수용매로서는, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트(EMC), 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1,3-디옥소란 등으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 또한, 전해질(지지염)로서는, 불소를 구성 원소로 하는 각종 리튬염으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 예를 들어, LiPF₆, LiBF₄, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiC₄F₉SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂, LiC(CF₃SO₂)₃ 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다.

이상, 본 발명을 적합한 실시 형태에 의해 설명해 왔지만, 이러한 기술은 한정 사항은 아니고, 물론 다양한 개변이 가능하다. 예를 들어, 이 실시 형태에서는, 절연 부재(20)는 상단부가 개방된 바닥이 있는 상자형 형상(주머니 형상)이지만, 상단부가 개방되어 있지 않은 주머니 형상이라도 좋다. 즉, 상면을 포함하는 권회 전극체(80)의 주위를 간극 없이 덮도록, 상단부 개구부(22)가 밀폐된 주머니 형상 절연 부재(20)를 사용해도 좋다. 이에 의해, 전극체(80) 전체를 절연 부재(20)로 간극 없이 피복할 수 있다. 이와 같이 주머니 형상 절연 부재(20)로 전극체(80) 전체를 덮음[주머니 형상 절연 부재(20)에 수용된 전극체(80)가 주머니 형상 절연 부재(20)의 외측으로 노출되지 않도록 전극체(80)를 덮음)으로써, 전극체(80) 내부로의 이물질의 혼입을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

또한, 전지의 종류는 상술한 리튬 이온 2차 전지로 한정되지 않고, 전극체 구성 재료나 전해질이 다른 다양한 내용의 전지, 예를 들어 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지, 혹은 전기 이중층 캐패시터 등의 캐패시터(즉, 물리 전지)라도 좋다.

본 발명에 의해 제공되는 전지는, 도 6에 도시한 바와 같이, 특히 자동차 등의 차량에 탑재되는 모터(전동기)용 전원으로서 적절하게 사용할 수 있다. 즉, 본 발명에 관한 전지를 단전지로서 사용하는 동시에 상기 전지를 전기적으로 접속한 상태에서 복수개 소정의 방향으로 배열하여, 당해 복수의 단전지를 그 배열 방향으로 구속함으로써 조전지(배터리 팩)(10)를 구축할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의해, 이러한 조전지(즉, 본 발명에 관한 전지)(10)를 전원으로서 구비하는 차량(1)(전형적으로는 자동차, 특히 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 연료 전지 자동차와 같은 전동기를 구비하는 자동차)을 제공할 수 있다.

본 발명의 구성에 따르면, 전지 케이스와 전극체를 절연하는 동시에 양호한 전해액 주액성을 확보할 수 있는 절연 부재를 구비한 전지를 제공할 수 있다.

Claims

정극 및 부극을 구비하는 전극체와,
상기 전극체를 전해액과 함께 수용하는 전지 케이스를 구비하고,
상기 전극체와 상기 전지 케이스 사이에는 당해 전극체와 전지 케이스를 격리하는 절연 부재가 배치되어 있고,
상기 절연 부재는 상기 전극체를 포위하는 주머니 형상으로 형성되고, 또한 상기 전해액을 유통할 수 있는 세공을 갖는 다공질 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 전지.
제1항에 있어서, 상기 전극체는 상기 정부의 전극 사이에 개재하는 세퍼레이터를 구비하고,
상기 절연 부재의 평균 세공 직경은 상기 세퍼레이터의 두께보다도 작은 것을 특징으로 하는, 전지.
제2항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 다공질 세퍼레이터이고,
상기 절연 부재의 평균 세공 직경은 상기 다공질 세퍼레이터의 평균 세공 직경보다도 큰 것을 특징으로 하는, 전지.
제1항에 있어서, 상기 절연 부재의 평균 세공 직경은 0.1㎛ 내지 25㎛인, 전지.
제1항에 있어서, 상기 절연 부재는 상기 전극체의 전체를 피복할 수 있도록 형성되어 있는, 전지.
제1항에 기재된 전지를 구비하는, 차량.