KR20130004075A - 미세 기공들이 형성된 절연부재를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에 탑재되는 판상 구조의 절연부재는, 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 절연부재 상에 천공되어 있는 개구와, 전해액은 통과하지만 100 ㎛ 크기 이상의 이물(異物)은 통과하지 못하는 미세 기공들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

우수한 제조 공정성과 안전성의 이차전지 {Secondary Battery of Excellent Productivity and Safety}

본 발명은 우수한 제조 공정성과 안전성의 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에 탑재되는 판상 구조의 절연부재는, 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 절연부재 상에 천공되어 있는 개구와, 전해액은 통과하지만 100 ㎛ 크기 이상의 이물(異物)은 통과하지 못하는 미세 기공들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.

전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조인 스택/폴딩형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

이와 관련하여, 종래의 원통형 이차전지의 구조가 도 1에 도시되어 있으며, 원통형 이차전지에서 일반적으로 사용되는 절연부재가 도 2 및 도 3에 평면도로서 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 전지케이스(130)에 수납하고, 전지케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 캡 어셈블리(140)를 결합하여 제작한다.

전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122) 및 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.

또한, 전극조립체(120)의 상단면에는 판상형 구조의 절연부재(180a)가 장착되는 바, 가스가 배출될 수 있고 전극조립체(120)의 양극 탭(142)이 캡 어셈블리(140)의 캡 플레이트(145)에 연결될 수 있도록, 중앙에 센터 핀(150)의 관통구(151)와 연통되는 개구(181a)가 형성되어 있다.

그러나, 젤리-롤 상단에 위치하는 절연부재(180a)는 전지의 주액 공정에서 전해액이 전지 내부로 침투하는 경로를 차단하고 있는 구조물이다. 그로 인해, 센터 핀(150)과 연통되는 개구(181a)와, 절연부재(180a)가 위치하지 않는 부위를 통해서만 전해액이 전지 내부로 침투하게 되므로, 주액 공정에 많은 시간이 소요되고 결과적으로 생산성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다

이러한 주액 공정시 전해액의 침투 경로를 원활하게 하기 위하여, 도3과 같이 일부 절연부재(180b)에는 개구(181b) 주변에 다수의 관통구(182b)가 형성되어 있는 구조가 제안되기도 한다.

그러나, 이러한 구조는 전지의 안전성 측면에서 심각한 문제를 가지고 있는 것으로 확인되었다. 즉, 캡 어셈블리(140), 전지케이스(130) 등의 제조 및/또는 조립 과정에서 발생한 금속 분말 등과 같은 도전성 불순물 입자들이, 절연부재(180b)에 천공되어 있는 관통구들(182b)를 통해 전극조립체(120)로 유입되어, 단락을 유발시키거나 전지의 수명 특성을 현저히 떨어뜨리는 단점을 초래할 수 있다.

따라서, 주액 공정성을 향상시키면서 전지의 조립공정 중 발생하는 이물의 유입을 방지함으로써 수명 특성이 향상된 이차전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 출원인들은 다양한 실험과 심도있는 연구를 통해 이후 설명하는 바와 같은 특정한 형태의 절연부재를 개발하게 되었고, 이러한 절연부재는 비딩공정과 같은 조립공정 중에 발생하는 이물들이 젤리-롤 내로 유입되는 것을 방지함으로써 전지의 불량을 방지하고 안전성을 향상시킴과 동시에 전해액 주액성을 크게 향상시킴을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에 탑재되는 판상 구조의 절연부재는, 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 절연부재 상에 천공되어 있는 개구와, 전해액은 통과하지만 100 ㎛ 크기 이상의 이물(異物)은 통과하지 못하는 미세 기공들을 포함하는 구조로 이루어져 있다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 전해액 주입 시 100 ㎛ 크기 이상의 이물들이 젤리-롤 내로 유입될 염려가 없으므로, 이러한 이물들을 선별하여 제거하는 공정을 생략할 수 있어서 제조 공정성을 크게 향상시키고, 이물들의 유입으로 인한 쇼트 발생 염려가 없으므로 안전성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 미세기공들을 통해서 전해액이 주액되는 결과 주액 경로가 분산되어 주액시간을 감소시킬 수 있고, 결과적으로 주액성이 향상된다.

상기 미세 기공은 절연부재 본연의 기능인 전기적 절연 상태를 제공하면서 전해액의 주입시 전해액에 대한 높은 투과율을 갖고, 100 ㎛ 크기 이상의 이물들의 투과를 방지하도록 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 미세 기공들의 위치, 상호간의 간격은 이물 유입방지, 전해액 주액성 및 가스 배출성을 저해하지 않는 범위 내에서 비제한적이다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 미세 기공들은 100 ㎛ 크기 이상의 이물들의 유입을 방지하고, 전해액의 주액성 및 가스 배출성을 향상시킬 수 있도록 상호 동일한 간격으로 절연부재의 전면에 걸쳐 형성되어 있는 구조일 수 있다. 여기서, 상기 간격은 미세기공들 사이의 간격을 의미하고, 상호 동일한 간격은 예를 들어 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 크기일 수 있다.

상기와 같이 절연부재의 전면에 걸쳐 형성되어 있는 미세기공들로 전해액이 주액되는 경우에는, 주액 경로가 더욱 분산될 수 있으므로 주액성이 향상되는 결과 주액시간을 감소시킬 수 있고, 미세기공들 상호간의 간격들이 동일한 경우에는 주액 속도가 일정하게 되므로 전해액이 젤리-롤을 고르게 함침시킬 수 있으므로 결과적으로 전지 특성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 상호 동일한 간격으로 절연부재의 전면에 걸쳐 형성되어 있는 미세기공들은, 예를 들어, 전해액의 분해로 인해 발생된 가스의 배출경로가 되고, 가스의 확산성을 고려할 때 분산된 배출경로를 통해서 배출되는 경우 배기속도가 향상될 수 있다.

상기 미세기공들은 상하 방향으로 균일한 직경을 가진 관통구 형상으로 이루어진 것이거나, 상하 방향으로 불균일한 직경을 가진 연통구 형상으로 이루어진 것일 수도 있다. 상기한 관통구 형상 및 연통구 형상은 절연부재 내에서의 전해액 및 가스의 이동경로와 관련이 있다.

구체적으로, 균일한 직경을 가진 관통구 형상은 2차원의 이동경로를 형성시킴에 반하여, 불균일한 직경을 가진 연통구 형상은 3차원의 이동경로를 형성시킨다. 전해액의 균일한 주입과 가스의 확산성 측면에서, 상기 미세기공들이 상하 방향으로 불균일한 직경을 가진 연통구 형상이 더 바람직할 수도 있다.

상기 절연부재는 절연성 소재라면 특별히 제한되지 않고 다양한 소재로 이루어질 수 있는 바, 전기절연성 고분자 수지 또는 전기절연성 고분자 복합체로 이루어진 것일 수 있고, 구체적으로, 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸렌(PB), 폴리스틸렌(PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 천연고무 및 합성고무로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 절연부재는 다양한 형태일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 성형체로 이루어져 있고, 상기 성형체를 관통하여 미세 기공들이 천공되어 있는 구조일 수 있다. 이 때, 상기 미세 기공들은 상하 방향으로 균일한 직경을 가진 관통구 형상으로 이루어질 수 있다.

또 다른 바람직한 예에서, 절연부재는 소재 자체의 특성 또는 시트의 형태적 특성으로 인해 전해액이 용이하게 침투될 수 있도록, 다공성의 직포 또는 부직포 구조일 수 있다. 이 때, 상하 방향으로 불균일한 직경을 가진 연통구 형상으로 이루어진 것일 수 있다. 그러나, 다공성 직포 구조에서 미세 기공들이 상하 방향으로 균일한 직경을 가진 관통구 형상을 이룰 수도 있음은 물론이다.

일반적으로, 원통형 이차전지의 제조공정 중에 상기 절연부재는 소정의 압출 시트를 원통형 전지케이스 내로 삽입될 수 있는 형상 및 크기로 재단되는데, 직포 또는 부직포 구조의 절연부재 시트는 압출 시트에서 초래되는 와파지 현상이 일어나지 않으므로, 제조 공정성을 향상시키는 효과도 있다. 이러한 측면에서 직포 또는 부직포 구조의 절연부재가 더욱 바람직하다.

구체적으로, 상기 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 장섬유들이 미세 기공들을 형성하면서 직포 형태를 이룰 수 있다.

또한, 상기 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 단섬유들이 미세 기공들을 형성하면서 부직포 형태를 이룰 수 있고, 상기 부직포 형태는 상기 단섬유들이 니들 펀칭, 열융착 또는 접착제에 의해 부분 결합됨으로써 이루어질 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 절연부재는 단섬유들의 부직포 형태로 이루어져 있고, 절연부재의 전면에 등간격으로 열융착에 의한 결합 부위들이 분포되어 있으며, 상기 결합 부위들 사이에 절연부재의 기계적 강성을 향상시키는 미열융착된 격벽 형상의 돌기부들이 위치해 있는 것일 수 있다.

상기 절연부재의 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm 크기를 가지는 것이 바람직하다. 상기 절연부재의 두께가 너무 얇은 경우에는 절연부재 본연의 전기적 절연 기능을 충분히 발휘하기 어려울 수 있으며, 반대로, 너무 두꺼운 경우에는 동일 규격의 전지케이스에서 젤리-롤의 크기 감소를 유발하여 전지 용량이 줄어들므로 바람직하지 않다.

본 발명에 따른 이차전지는 상기 젤리-롤에 리튬 함유 전해액을 함침시켜 제조되는 리튬 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.

상기 양극은 양극 활물질과 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등을 이 포함하는 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.

상기 양극 활물질은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+yMn_2-yO₄ (여기서, y 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-yM_yO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-yM_yO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 바인더는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 포함될 수 있다.

상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.

한편, 상기 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있는 리튬염 함유 비수계 전해액이 바람직하다. 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FPC(Fluoro-Propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 이차전지를 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 본 발명에 따른 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등 모바일 기기뿐만 아니라, 우수한 수명 특성과 안전성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치 등에 바람직하게 사용될 수 있다.

이러한 리튬 이차전지, 이를 단위전지로 포함하는 중대형 전지모듈 및 디바이스의 구조와 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 이물들을 선별하여 제거하는 공정, 경우에 따라서는, 와피지 현상을 방지 또는 제거하는 공정을 생략할 수 있고, 일정한 치수로 절연부재를 재단하는 것이 가능하며하, 전해액의 주액 경로를 분산시킬 수 있으므로, 제조 공정성을 크게 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지는 이물들의 유입으로 인한 쇼트발생 염려가 없고 가스 배출성이 향상되므로 결과적으로 안전성이 향상된다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지는 젤리-롤이 전해액에 고르게 함침되므로 레이트 특성이 향상된다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지는 미열융착된 격벽 형상의 돌기부가 형성되어 기계적 강성이 향상된 절연부재를 포함하여 내구성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 원통형 이차전지의 대표적인 단면 모식도이다;
도 2는 도 1의 이차전지에서 사용된 절연부재의 평면도이다;
도 3은 도 1 의 이차전지에서 사용된 또 다른 형태의 절연부재의 평면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 절연부재의 평면도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 절연부재의 평면도가 모식적을 도시되어 있다.

도 4를 도 1과 함께 참조하면, 이차전지(100)는 양극(121), 분리막(123)음극(122) 구조의 젤리-롤(120)이 원통형 전지케이스(130)에 장착되어 있는 구조로서, 젤리-롤(120)의 상단에는 판상 구조의 절연부재(180c)가 탑재되어 있다.

절연부재(180c)는 대략 0.4 mm의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)으로 이루어져 있으며, 일측에 개구(181c)가 천공되어 있고, 직경 10 내지 30 ㎛의 다수의 기공들(182c)이 상호 동일한 간격으로 절연부재(180c)의 전면에 걸쳐 형성되어 있다.

따라서, 다수의 미세기공들(182c)에 의해, 전해액의 주입시 절연부재(180c)의 전면에 걸쳐서 전해액이 침투하므로 주액성이 크게 향상되고, 쇼트의 발생을 미연에 방지할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 시트를 사용하여 두께가 0.4 mm이고, 도 4와 같이, 가로 6mm, 세로 2.5 mm의 사각형 모양의 개구가 일측에 천공되어 있고, 직경이 1 내지 30 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 10 내지 30 ㎛의 균일한 간격으로 전면에 균일하게 분포되어 있는 절연부재를 제조하였다. 그런 다음, 센터 핀에 의해 양극/분리막/음극이 권취되어 있는 구조의 젤리-롤 상단에 상기 절연부재를 탑재하고, 전지의 조립 과정에서 일반적으로 발생하는 미세 금속 분말들을 상기 절연부재 상에 위치시킨 상태로, 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 이차전지를 제작하였다.

<실시예 2>

직경이 100 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 120 ㎛의 균일한 간격으로 전면에 균일하게 분포되어 있는 절연부재를 준비한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.

<실시예 3>

절연부재의 소재로서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 시트 대신 폴리프로필렌(PP) 시트를 사용한다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.

<실시예 4>

절연부재의 소재로서 15 ㎛의 미세 기공을 형성하는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 직포를 사용하여, 음각 엠보싱 구조가 패턴을 이루고 형성되어 있는 절연부재를 제조하였다. 상기 절연부재를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 제작하였다.

<실시예 5>

절연부재의 소재로서 평균 15 ㎛의 미세 기공을 형성하는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 부직포를 사용하여, 음각 엠보싱 구조가 패턴을 이루고 형성되어 있는 절연부재를 제조하였다. 상기 절연부재를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 제작하였다.

<비교예 1>

도 2와 같이, 다수의 기공들을 포함하지 않은 점을 제외하고는, 상기실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 제작하였다.

<비교예 2>

도 3과 같이, 다수의 미세 기공들 대신에 직경이 2.5 mm인 3개의 관통구들이 형성된 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.

<비교예 3>

직경이 150 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 120 ㎛의 균일한 간격으로 전면에 균일하게 분포되어 있는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.

<비교예 4>

절연부재의 소재로서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 대신 폴리프로필렌(PP)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 제작하였다.

<비교예 5>

절연부재의 소재로서 미세 기공을 형성하지 않는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 직포를 사용한다는 점을 제외하고는, 상기 비교예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 제작하였다.

<실험예 1>

상기 실시예 1 내지 5와 비교예 1 내지 5에서 각각 제작된 이차전지에 대한 전해액 함침 실험을 실시하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 전해액 함침 실험은 1M LiPF₆의 카보네이트계 전해액을 상기에서 제작된 원통형 전지케이스에 주입한 후 젤리-롤의 함침률이 100%가 되는데 소요되는 시간을 측정하였고, 이러한 과정을 4회 반복하여 평균값을 얻었다.

또한, 상기에서 제작된 이차전지의 개방 상단에 캡 어셈블리를 용접하여 각각 10 개씩을 제작하고, 충방전 실험을 진행하여 단락 여부를 확인하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

<표 1>

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 5의 전지들은 전해액의 함침 시간이 비교예 1 또는 4에 비해 현저히 단축되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 절연부재에 형성되어 있는 다수의 미세기공에 의해, 전해액이 효과적으로 투과하였음을 알 수 있다.

비교예 2의 전지는 비교예 1의 전지에 비하여 함침성이 향상되지만 단락률이 상대적으로 커지며, 비교예 3의 전지 역시 실시예 1 및 2에 비견되는 함침성을 보여주고 있지만, 단락률이 상대적으로 큼을 알 수 있다. 이는 상대적으로 큰 기공을 통해 금속 분말이 통과하여 젤리-롤의 내부에서 단락이 유발되기 때문인 것으로 확인되었다.

또한, 비교예 5의 경우 직포로 제조된 절연부재를 사용하였다는 점에서 비교예 1에 비하여 약간의 함침 시간 단축 효과가 있지만, 다수의 미세 기공이 분포된 절연부재를 사용하는 실시예 4와 비교하였을 때, 단락률은 동일하고 함침 시간이 크게 차이가 나는 것으로 확인되었다.

한편, 비교예 1의 전지는, 그것에 장착되는 절연부재에 실시예 1 및 2에서와 같은 미세 기공들이 천공되어 있지 않음에도 불구하고, 실시예 1 및 2의 전지들에 비해 더 높은 단락률을 보여 준다. 이러한 높은 단락률은, 실시예 1 및 2의 전지들에서는 금속 분말들이 미세 기공 상에 걸치면서 이동이 억제됨에 반하여, 비교예 1의 전지에서는 절연부재의 매끈한 표면에서 이동이 자유로워, 개구 또는 절연부재의 외주면을 통해 젤리-롤로 이동되기 때문인 것으로 생각된다.

실시예 3의 전지는 시트의 재질만 실시예 1과 상이할 뿐으로, 그 함침성 및 단락률은 거의 동일한 성능을 나타낸다.

또한, 성긴 직포와 부직포를 사용한 실시예 4 및 실시예 5의 전지는 별도의 미세 기공을 형성 공정을 거치지 않고도, 조직 자체에 형성되는 미세 기공들 때문에, 비교예 1, 4 또는 5에 비하여 전해액 함침 시간이 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

한편, 비교예 5의 전지는 조직 자체에 미세 기공을 형성하지 않는 직포를 사용함으로써, PET 시트를 사용한 비교예 1의 전지에 비하여 미세하게 개선된 함침 시간을 보여주지만, 실시예들에 비하면 함침 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

1. 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에 탑재되는 판상 구조의 절연부재는, 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 절연부재 상에 천공되어 있는 개구와, 전해액은 통과하지만 100 ㎛ 크기 이상의 이물(異物)은 통과하지 못하는 미세 기공들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 미세 기공들은 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 미세 기공들은 상호 동일한 간격으로 절연부재의 전면에 걸쳐 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 미세 기공들은 상하 방향으로 균일한 직경을 가진 관통구 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 미세 기공들은 상하 방향으로 불균일한 직경을 가진 연통구 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 전기절연성 고분자 수지 또는 전기절연성 고분자 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부티렌, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 천연고무 및 합성고무로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 성형체로 이루어져 있고, 상기 성형체를 관통하여 미세 기공들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 장섬유들이 미세 기공들을 형성하면서 직포 형태를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 고분자 수지 또는 고분자 복합체의 단섬유들이 미세 기공들을 형성하면서 부직포 형태를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 단섬유들은 니들 펀칭, 열융착 또는 접착제에 의해 부분 결합되어 부직포 형태를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 단섬유들의 부직포 형태로 이루어져 있고, 절연부재의 전면에 등간격으로 열융착에 의한 결합 부위들이 분포되어 있으며, 상기 결합 부위들 사이에 미열융착된 격벽 형상의 돌기부들이 위치해 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재의 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm 크기인 것을 특징으로 하는 이차전지.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
    

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