KR20110051354A - 수명성능이 개선된 대면적 셀의 리튬이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한 개 또는 다수 개의 폴딩셀을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 폴딩셀 표면에 전해액을 함침하고 있는 다공성 막이 존재하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 전기자동차용 배터리 등 대면적(大面積) 셀을 포함하는 고용량 배터리에서 전해액의 젖음성이 떨어지거나 전해액이 고갈되는 현상을 방지하여 전지의 수명을 연장시킬 수 있다.

대면적, 고용량, 전기자동차, 전해액, 젖음성, 고갈, 수명, 다공성, 분리막, 함침

Description

수명성능이 개선된 대면적 셀의 리튬이차전지{LITHIUM SECONDARY BATTERY WITH LARGE SURFACE AREA WHICH HAS IMPROVED LONGEVITY}

본 발명은 전기자동차용 등 고용량 배터리에 관한 것으로, 특히 대면적 셀을 포함하는 리튬이차전지에 있어서 대면적 셀로 인하여 전해액의 젖음성(wetting)이 떨어지고 전해액이 고갈되는 문제를 해소하여 수명성능을 개선하는 리튬이차전지에 관한 것이다.

전기자동차용 배터리는 높은 출력 및 에너지를 요구한다. 이를 위하여 셀이 매우 커지면서 셀의 대면적화가 이루어지고 있다. 그러나, 대면적 셀에 기존의 소형 셀 또는 저용량 셀에서 사용하던 전지 구조를 그대로 적용할 경우 셀 제조시 전해액의 젖음성이 떨어지고 전지 사용에 있어 전해액이 말라버리는 등 전해액이 고갈되는 문제가 발생한다. 또한, 대면적 셀을 기존 전지 구조에서 wetting하는 것은 용이하지 않으며 그 공정에도 긴 시간이 소요된다.

이러한 문제와 관련해서 전해액을 오랫동안 함침시킬 수 있는 수단이 강구되어 왔다.

대한민국공개특허 10-2006-0041641에서는 전해액의 침투에 의한 팽창 이방성을 가지는 판형 세퍼레이터를 이용하여, 두께의 편차가 없고 품질안정성이 우수하고 모듈화에 바람직하며 방열성이 우수한 대용량의 박형 이차전지셀을 제시하고 있다. 그러나, 상기 발명은 전해액의 침투에 의해 팽창 가능한 재질이라는 점에서 전해액의 고갈, 특히 대면적 셀에의 적용에는 다소 무리가 있었다.

또한, 대한민국공개특허 10-2006-0011427에서는 가요성의 천공된 지지체 및 평균 공극 크기에 의해 특징 지워지는 공극 구조를 가지며, 이온 전도성 전해질을 수용하기에 적합하고 지지체에서의 천공부를 충전시키는 다공성 제1 세라믹 물질을 포함하며, 다공성 제1 세라믹 물질의 전해질 접촉 가능한 공극 표면이 사용 수명을 연장하기 위해 추가 재료의 미립자로 피복되고, 미립자의 평균 크기가 세라믹 물질의 평균 공극 크기의 0.5 내지 30%의 범위, 바람직하게는 1 내지 15%의 범위임을 특징으로 하는 전기화학전지용 분리막을 기재하고 있다.

즉, 현재로서는 전해액의 함침성을 향상시키기 위해서 분리막 자체의 개발에 초점이 맞추어져 있는 상태라 할 수 있다.

그러나, 분리막 자체가 개발되더라도 대면적 셀로 갈수록 전해액의 젖음성이 떨어지고 전해액의 고갈 문제를 해소하기에는 부족한 점이 많다. 따라서 근본적으로 전지의 구조를 변화시킬 필요성이 대두되고 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 필요성에 의해 도출된 것으로서, 대면적 셀에서 전해액의 젖음성을 향상시키고 전해액의 고갈을 방지할 수 있는 전지 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 대면적 셀에 오랜 시간 동안 지속적으로 전해액을 공급할 수 있게 하여 전지의 수명을 연장시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 한 개 또는 다수 개의 폴딩셀을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 폴딩셀 표면에 전해액을 함침하고 있는 다공성 막이 존재하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다. 여기서, 상기 폴딩셀은 면적이 15,000㎟ 이상인 대면적(大面積) 셀일 수 있다.

또한, 상기 다공성 막은 부직포 또는 폴리올레핀계일 수 있다.

그리고, 상기 다공성 막의 기공률은 50 내지 70%인 것일 수 있다.

아울러, 본 발명의 리튬이차전지는 상기 다공성 막이 폴딩셀 각각을 감싸고 있는 형태이거나 두 개의 폴딩셀 사이에 위치하는 형태일 수 있다.

한편, 본 발명은 다공성 막으로 폴딩셀 각각을 감싼 다음, 상기 폴딩셀을 한 개 또는 다수 개 포개어 전지 포장재에 넣고, 전해액을 주입시켜 상기 다공성 막에 전해액을 서서히 함침시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 조립방법을 제공 한다.

또한, 본 발명은 인접하는 폴딩셀 사이에 각각 다공성 막을 삽입하여 다수 개의 폴딩셀을 스택한 후, 상기 스택을 전지 포장재 안에 넣고, 전해액을 주입시켜 상기 다공성 막에 전해액을 서서히 함침시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 조립방법을 제공한다.

본 발명의 리튬이차전지 구조는 대면적 셀에 오랜 시간 동안 지속적으로 전해액을 공급할 수 있는 장점을 가진다.

즉, 본 발명에 의하면 대면적 셀에 있어서 전해액의 젖음성이 떨어지거나 전해액이 고갈되는 문제를 해소하여 전지의 수명성능을 개선할 수 있게 된다.

이하 본 발명에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명은 한 개 또는 다수 개의 폴딩셀을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 폴딩셀 표면에 전해액을 함침하고 있는 다공성 막(1)이 존재하는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명은 대면적(大面積) 셀(2)에 적용하는 경우를 상정한다. 즉, 대면적 셀(2)의 표면에 전해액을 함침하고 있는 다공성 막(1)이 위치하는 것을 특징 으로 하는 대면적 셀 리튬이온전지의 구조를 제시한다.

본 발명에 있어서 대면적 셀(2)이란 주로 면적이 15,000㎟ 이상인 폴딩셀을 의미하며 전기자동차용 등 고용량의 배터리가 요구되는 분야에 사용되는 것인데, 전술한 바와 같이 이러한 대면적 셀(2)에서는 전지의 조립시부터 전해액의 젖음성이 떨어지고 배터리의 사용에 있어서도 셀 표면에서 전해액이 쉽게 고갈되는 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명은 대면적 셀(2) 표면에 전해액을 함침시킬 수 있는 다공성 막(1)을 존재시킴으로써 상기 다공성 막(1)이 대면적 셀(2) 표면 전체에 걸쳐 전해액을 함침한 상태로 존재하게 되어 전지 조립시 전해액의 젖음성을 향상시킴은 물론 전지의 사용에 있어서도 대면적 셀(2) 전체에 걸쳐 지속적으로 전해액을 공급할 수 있는 것이다.

상기 다공성 막(1)의 재질로는 다공 구조를 가지면서 전해액 함침 능력이 우수한 것이면 제한 없이 사용이 가능하다. 구체적으로, 전해액 함침에 유리하면서도 셀 표면과의 접촉 및 재료의 입수가 용이한 부직포 또는 폴리올레핀계를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 다공성 막(1)의 외부에는 코팅재를 도포하지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어, 분리막 제조에 있어서 폴리올레핀계 등의 원단에 겔 폴리머 등을 코팅하여 사용할 경우 일반적으로 전해액 함침 능력이 떨어지게 된다. 따라서, 본 발명의 다공성 막(1)은 폴리올레핀계 등의 원단 외부에 겔 폴리머 등이 코팅되지 않은 것을 사용하거나 코팅을 하는 경우라도 코팅에 의한 전해액 함침 능력 감소를 보상하기 위해 높은 기공률을 가지는 다공성 막(1)을 사용하여야 한다.

상기 다공성 막(1)은 높은 기공률을 지녀 전해액 함침 능력이 우수한 것이어야 한다. 바람직하게는, 기공률 50 내지 70%인 다공성 막(1)을 사용한다.

상기 다공성 막(1)의 두께는 특별히 제한되지는 않지만, 5 내지 50㎛인 것을 주로 사용한다.

한편, 상기 다공성 막(1)은 통상의 세퍼레이터로 사용되는 막이 될 수도 있고, 세퍼레이터 기능까지는 수행하지 못하더라도 다공 구조를 지녀 전해액 함침 능력이 우수한 것이라면 세퍼레이터와는 별도로 본 발명에 따른 다공성 막(1)의 재료가 될 수 있다.

또한, 본 발명의 리튬이차전지는 상기 다공성 막(1)이 폴딩셀 각각을 감싸고 있는 형태이거나 두 개의 폴딩셀 사이에 위치하는 형태일 수 있다. 즉, 리튬이차전지에 이러한 다공성 막(1)을 존재시키는 방법으로는 도 1과 같이 각각의 폴딩셀 자체를 다공성 막(1)으로 둘러싸는 방법 또는 도 2와 같이 두 개의 폴딩셀 사이에 다공성 막(1)을 각각 위치시키는 방법이 있을 수 있다.

어느 경우에건 대면적 셀(2) 전체에 걸쳐 다공성 막(1)이 존재하는 형태이다. 이러한 다공성 막(1)은 전해액을 함침한 상태로서 전지 내부에서 폴딩셀 표면에 접촉 또는 비접촉 상태로 존재한다. 다공성 막(1)은 전지의 패키징 과정에서 파우치 등 전지 포장재에 한 개 또는 다수 개의 폴딩셀을 넣은 후 전해액을 주입하는 과정에서 주입된 전해액을 점차 흡수함으로써 전해액이 함침된 상태가 된다. 즉, 다공성 막(1)은 다공 구조 속에 전해액이 포함되어 있는 상태인데, 대면적 셀(2) 전체에 걸쳐 접촉 또는 비접촉의 상태로 상기 다공성 막(1)이 존재함으로써 전해액의 젖음성이 향상되고 다공 구조 속에 포함되어 있는 전해액을 전지의 사용 중에도 지속적으로 보충할 수 있어 전해액이 고갈되는 현상을 방지할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명은 다공성 막(1)으로 폴딩셀 각각을 감싼 다음, 상기 폴딩셀을 한 개 또는 다수 개 포개어 전지 포장재에 넣고, 전해액을 주입시켜 상기 다공성 막(1)에 전해액을 서서히 함침시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 조립방법을 제공한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 다공 구조의 재료를 대면적 셀(2) 크기 또는 그보다 약간 큰 정도로 재단하여 다공성 막(1)을 제작한 후, 제작한 다공성 막(1)으로 각각의 폴딩셀을 완전히 감싼 다음, 각각 다공성 막(1)으로 감싸진 다수 개의 대면적 셀(2)을 알루미늄 파우치 등 전지 포장재 안에 포개어 넣은 후, 전해액을 주입하여 상기 다공성 막(1) 내부로 전해액이 서서히 함침되도록 한다. 그런 다음, 전지 포장재를 밀봉하여 전지의 조립을 완성하면 된다. 여기서, 상기 전지 포장재 의 밀봉 공정은 통상의 방법에 따른다. 즉, 가실링, 활성화, 디개싱 및 최종실링의 과정을 거쳐 최종적으로 완성된 전지를 제조하게 된다.

또한, 본 발명은 인접하는 폴딩셀 사이에 각각 다공성 막(1)을 삽입하여 다수 개의 폴딩셀을 스택한 후, 상기 스택을 전지 포장재 안에 넣고, 전해액을 주입시켜 상기 다공성 막(1)에 전해액을 서서히 함침시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 조립방법을 제공한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 다공 구조의 재료를 대면적 셀(2) 크기 또는 그보다 약간 큰 정도로 재단하여 다공성 막(1)을 제작한 후, 제작한 다공성 막(1)을 각 대면적 셀(2) 사이 사이에 하나씩 삽입하여 스택한 다음, 알루미늄 파우치 등 전지 포장재 안에 넣고, 전해액을 주입하여 상기 다공성 막(1) 내부로 전해액이 서서히 함침되도록 한다. 그런 다음, 전지 포장재를 전술한 바와 같은 통상의 방법으로 밀봉하여 전지의 조립을 완성한다.

한편, 본 발명에서의 폴딩셀, 대면적 셀(2)이나 전해액으로는 통상의 리튬이차전지에서 사용되는 모든 것이 제한 없이 사용 가능하다. 다만, 전해액은 리튬염을 포함하는 비수계 유기용매로서 도전제 등의 첨가제를 포함하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예로서 다공성 막이 대면적 셀 각각을 감싸고 있는 형태를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 제 2실시예로서 다공성 막이 두 개의 대면적 셀 사이에 위치하고 있는 형태를 나타낸 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 다공성 막

2: 대면적 셀

Claims (8)

1. 한 개 또는 다수 개의 폴딩셀을 포함하는 리튬이차전지에 있어서,

   상기 폴딩셀 표면에 전해액을 함침하고 있는 다공성 막이 존재하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 폴딩셀은 면적이 15,000㎟ 이상인 대면적(大面積) 셀인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 다공성 막은 부직포 또는 폴리올레핀계인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 다공성 막의 기공률은 50 내지 70%인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   다공성 막이 폴딩셀 각각을 감싸고 있는 형태인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   다공성 막이 두 개의 폴딩셀 사이에 위치하는 형태인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
7. 다공성 막으로 폴딩셀 각각을 감싼 다음, 상기 폴딩셀을 한 개 또는 다수 개 포개어 전지 포장재에 넣고, 전해액을 주입시켜 상기 다공성 막에 전해액을 서서히 함침시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 조립방법.
8. 인접하는 폴딩셀 사이에 각각 다공성 막을 삽입하여 다수 개의 폴딩셀을 스택한 후, 상기 스택을 전지 포장재 안에 넣고, 전해액을 주입시켜 상기 다공성 막에 전해액을 서서히 함침시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지의 조립방법.

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