KR20110106527A - 리튬 이차전지용 케이스 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차전지용 케이스 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 본 발명의 리튬 이차전지용 케이스는, 전지 케이스 내벽 및 상기 내벽에 부착되는 고분자 박막으로 형성되는 전해액 저장부로서, 상기 고분자 박막은 소정 부분이 접착부로서 상기 전지 케이스 내벽에 부착되며, 상기 접착부에 의해 상기 전지 케이스 내벽과 상기 고분자 박막 사이에 소정 부피의 밀봉된 내부 공간을 갖는 전해액 저장부; 및 상기 전해액 저장부 내에 저장된 전해액을 구비하는 리튬 이차전지용 전지 케이스로서, 상기 전해액 저장부는 리튬 이차전지의 충방전 과정에서 증가되는 전지 내부 압력에 의해 상기 내부 공간의 밀봉 상태가 파괴되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 리튬 이차전지용 케이스는 전지의 작동 중에 전해액의 추가적인 보충을 가능하게 함으로써 전지의 사이클 성능을 유시켜 전지 수명을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 리튬 이차전지용 케이스 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 특히 전지의 사이클 성능을 장시간 동안 유지할 수 있는 리튬 이차전지용 케이스 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용 분야가 확대되면서, 이러한 전자 기기의 전원으로 사용되는 전지의 고에너지 밀도화에 대한 요구가 높아지고 있다. 리튬 이차전지는 이러한 요구를 가장 잘 충족시킬 수 있는 전지로서, 현재 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 리튬이온을 흡장 및 방출할 수 있는 탄소재 등의 음극, 리튬 함유 산화물 등으로 된 양극 및 혼합 유기용매에 리튬염이 적당량 용해된 비수 전해액이 전지 케이스 내에 구비되는 것으로 제조된다.
현재 비수 전해액에 널리 사용되는 유기 용매로는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메톡시에탄, 감마부티로락톤, N,N-디메틸포름아미드, 테트라하이드로푸란 또는 아세트니트릴 등이 있다.
그러나 이러한 유기 용매는 일반적으로 충방전 진행시 유기 용매의 분해 및/또는 유기 용매와 전극과의 부반응에 의해 전지 내부에 가스가 발생하여 전지 두께를 팽창시키는 문제점이 있으며, 고온 저장시에는 이러한 반응이 가속화되어 가스 발생량이 더 증가하게 된다.
이와 같이 지속적으로 발생된 가스는 전지의 내압 증가를 유발시켜 각형 전지가 특정 방향으로 부풀어오르는 등 전지의 특정면의 중심부가 변형되는 현상을 초래할 뿐만 아니라, 전지 내 전극면에서의 밀착성에서 국부적인 차이점을 발생시켜 전극 반응이 전체 전극면에서 동일하게 일어나지 못하는 문제를 야기한다. 또한, 상기와 같은 기체 발생은 전해액의 소실로 인한 것이므로, 기체가 발생으로 인한 내압의 증가는 전해액의 소실이 그만큼 크다는 것을 의미한다. 결국, 전지의 성능과 안전성 저하가 필수적으로 초래되게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 전해액의 조성을 조절하거나, 전해액에 첨가제를 더 추가하는 등 다양한 시도들이 이루어지고 있다.
그러나, 상기 연구들은 전해액의 분해를 다소 억제하거나 늦추는 수준에 불과하고 전해액의 분해 자체를 방지할 수 있는 해결책은 여전히 보고된 바가 없는 것으로 알려져 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전해액의 분해에 따른 전해액 소실에 관한 새로운 해결책으로서 전지의 구동 중에 전해액을 추가적으로 보충할 수 있는 리튬 이차전지용 케이스 및 이를 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 리튬 이차전지용 케이스는 전지 케이스 내벽 및 상기 내벽에 부착되는 고분자 박막으로 형성되는 전해액 저장부로서, 상기 고분자 박막은 소정 부분이 접착부로서 상기 전지 케이스 내벽에 부착되며, 상기 접착부에 의해 상기 전지 케이스 내벽과 상기 고분자 박막 사이에 소정 부피의 밀봉된 내부 공간을 갖는 전해액 저장부; 및 상기 전해액 저장부 내에 저장된 전해액을 구비하는 리튬 이차전지용 전지 케이스로서, 상기 전해액 저장부는 리튬 이차전지의 충방전 과정에서 증가되는 전지 내부 압력에 의해 상기 내부 공간의 밀봉 상태가 파괴되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 리튬 이차전지용 케이스는 전지의 사용 중에 추가적인 전해액의 보충을 가능하게 함으로써 전해액 분해로 인한 전지의 성능 저하를 방지할 수 있으며, 전해액의 보충 메커니즘은 전지의 사용에 따라 증가되는 전지 내부의 압력을 이용하는 것이므로 별도의 장치가 필요치 않다. 또한, 사용되는 전해액의 조성이나 성분에는 상관이 없으므로 종래의 기술과는 전혀 다른 방식으로 전해액 분해 문제를 해결한다.
본 발명의 리튬 이차전지용 케이스에서 사용될 수 있는 고분자 박막은 폴리 에틸렌계, 폴리 프로필렌계, 또는 이들의 공중합체 등을 사용하여 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 리튬 이차전지용 케이스는 케이스 내부에 양극, 음극 및 상기 양그과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 구조체; 및 전해액을 그 내부에 구비함으로써 리튬 이차전지의 제조에 사용될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차전지용 케이스는 전지의 사용 중에 전해액의 추가 보충을 가능하게 함으로써 전해액의 소실로 인한 사이클 성능의 저하를 방지하여 전지 수명을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따라 내벽에 전해액 저장부가 형성된 전지 케이스를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 내벽에 다수의 전해액 저장부가 형성된 전지 케이스를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 내벽에 다수의 전해액 저장부가 형성된 전지 케이스를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 1은 본 발명에 따라 내벽에 전해액 저장부가 형성된 전지 케이스를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 내벽에 다수의 전해액 저장부가 형성된 전지 케이스를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 내벽에 다수의 전해액 저장부가 형성된 전지 케이스를 개략적으로 도시한 평면도이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 전지 케이스(10)의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 하지만, 이하 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 전지 케이스(10)는 전지 케이스의 내벽(11) 및 고분자 박막(13)으로 형성되는 전해액 저장부(12)를 구비한다. 고분자 박막(13)은 그 일부분이 접착부(15)로서 케이스 내벽(11)에 부착되며, 그에 따라 내부 공간(14)이 정의되며 상기 내부 공간(14)은 밀봉상태가 된다.
접착부(15)의 부착 형태에 따라 전해액 저장부(12)의 형상이 결정된다. 전해액 저장부(12)는 전지 케이스 내벽(11)의 일면에 평면 형태로 하나만 형성될 수도 있고, 또는 다수의 라인 형태로 형성될 수 있고, 또는 다수의 미소캡슐이 집합된 형태로 형성될 수도 있다. 도 2 및 도 3에는 전해액 저장부(12)가 다수 형성된 본 발명의 전지 케이스(10)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 2는 단면도로서 다수의 전해액 저장부(12)가 형성된 단면을 나타내며, 도 3은 다수의 전해액 저장부(12)가 미소캡슐 형태로 격자를 이루며 형성된 것을 나타낸다.
본 발명에 따른 전해액 저장부(12)는 상기 내부 공간(14)에 전해액을 저장할 수 있다. 고분자 박막 내에 또는 고분자 박막으로 형성된 미소캡슐 내부에 소정 용액을 저장하는 방법은 공지된 기술을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 일본공개 1994-340168에는 발색제를 미소캡슐 내부에 저장하는 방법이 개시되어 있다.
본 발명은 상기 전해액 저장부(12)를 형성하고 있는 밀봉 상태가 전지의 내부 압력에 의해 파괴되는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 리튬 이차전지는 충방전 과정이 반복됨에 따라 전해액이 분해되어 소실된다. 전해액의 소실은 이온의 이동 능력을 저하시키게 되므로 전지 성능의 저하를 가져온다. 반면, 분해된 전해액은 기체 성분으로 발생시키게 되고, 생성된 기체는 전지 내부 압력의 상승을 초래하게 된다.
본 발명은 전해액의 소실이 전지 내부 압력의 증가를 초래한다는 것에 착안하여, 증가된 내부 압력을 이용하여 소실된 전해액을 보충하는 시스템을 제공한다. 즉, 본 발명에 따른 고분자 박막(13) 또는 접착부(15)는 전지 내부의 증가된 압력에 파괴되도록 설계되고 형성된다. 구체적으로 고분자 박막(13)의 두께 및 접착부(15)의 접착 정도 등을 사용되는 전지의 종류 및 전지 내부 압력이 이를 수 있는 범위에 따라 조절하면, 전해액 저장부(12)는 소정의 내부 압력에 파괴되도록 제조가 가능하다. 전해액 저장부(12)의 내부 공간의 밀봉 상태가 파괴되면, 상기 내부 공간에 저장된 전해액이 방출되어 소실된 전해액을 보충하게 되고, 전지의 성능을 장기간 동안 우수하게 유지할 수 있다.
또한, 고분자 박막(13)을 형성하는 고분자는 박막 형태를 가질 수 있는 고분자라면 제한이 없으며, 예를 들어 폴리 에틸렌계, 폴리 프로필렌계, 또는 이들의 공중합체 등의 고분자가 사용될 수 있다.
본 발명의 전해액 저장부(12)에 저장되는 전해액은 전지 내부에 양극과 음극 사이에서 사용된 전해액과 동일하거나 유사한 전해액이 사용되는 것이 바람직하다. 통상적으로 리튬 이차전지용 전해액은 리튬염 및 유기 용매를 포함하는데, 본 발명에 따른 전해액 저장부(12)에 저장되는 전해액은 리튬염 및 유기 용매를 저장할 수도 있으며, 또는 유기 용매만을 저장할 수 있다.
본 발명에 따라 전해액 저장부(12)에 저장되는 전해액에 전해질로서 포함될 수 있는 리튬염은 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따라 전해액 저장부(12)에 저장되는 전해액에 포함되는 유기 용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로푸란으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있다. 특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 고리형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 잘 해리시키므로 바람직하게 사용될 수 있으며, 이러한 고리형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있어 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.
선택적으로, 본 발명에 따라 저장되는 전해액은 통상의 전해액에 포함되는 과충전 방지제 등과 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 전지 케이스(10)는 당분야에서 통상적으로 사용되는 것이 채택될 수 있고, 전지의 용도에 따른 외형에 제한이 없으며, 예를 들면, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.
본 발명의 전지 케이스(10)는 당 분야에서 통상적으로 사용되는 리튬 이차전지용 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극 구조체를 수납하고, 전해액이 주입되어 리튬 이차전지로 제조된다.
구체적인 예로, 양극 활물질로는 리튬함유 전이금속 산화물이 바람직하게 사용될 수 있으며, 예를 들면 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(O≤y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4, LiMn2 -zCozO4(0<z<2), LiCoPO4 및 LiFePO4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 산화물(oxide) 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.
음극 활물질로는 통상적으로 리튬이온이 흡장 및 방출될 수 있는 탄소재, 리튬금속, 규소 또는 주석 등을 사용할 수 있으며, 리튬에 대한 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 가능하다. 바람직하게는 탄소재를 사용할 수 있는데, 탄소재로는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다. 이때 음극은 결착제를 포함할 수 있으며, 결착제로는 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등, 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다.
또한, 세퍼레이터로는 종래에 세퍼레이터로 사용된 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따라 전극 구조체와 함께 전지 케이스 내부에 주입되는 리튬 이차전지용 전해액은 리튬염 및 유기 용매를 포함하며, 상기 리튬염 및 유기 용매는 전술한 본 발명에 따른 전해액 저장부에 저장되는 리튬염 및 유기 용매와 동일하거나 유사할 수 있다.
이상으로, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 전술한 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
Claims (5)
- 전지 케이스 내벽 및 상기 내벽에 부착되는 고분자 박막으로 형성되는 전해액 저장부로서, 상기 고분자 박막은 소정 부분이 접착부로서 상기 전지 케이스 내벽에 부착되며, 상기 접착부에 의해 상기 전지 케이스 내벽과 상기 고분자 박막 사이에 소정 부피의 밀봉된 내부 공간을 갖는 전해액 저장부; 및
상기 전해액 저장부 내에 저장된 전해액
을 구비하는 리튬 이차전지용 전지 케이스로서, 상기 전해액 저장부는 리튬 이차전지의 충방전 과정에서 증가되는 전지 내부 압력에 의해 상기 내부 공간의 밀봉 상태가 파괴되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 케이스. - 제1항에 있어서,
상기 고분자 박막은 폴리 에틸렌계, 폴리 프로필렌계 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 고분자로 제조되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 케이스. - 제1항에 있어서,
상기 전해액 저장부에 저장되는 전해액은 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로푸란으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 케이스. - 제1항에 있어서,
상기 전지 케이스는 원통형, 각형, 파우치형 또는 코인형인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지용 케이스. - 양극, 음극, 세퍼레이터 및 전해액이 전지 케이스 내에 포함되는 리튬 이차전지에 있어서,
상기 전지 케이스는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 전지 케이스인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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