KR20130030723A - 부피 팽창성 물질을 포함하고 있는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 전극 탭이 전극 리드와 연결되는 부위에 온도 상승시 부피가 팽창하는 물질(부피 팽창성 물질)이 담지되어 있는 파우치가 장착되어 있어서, 전지 내부의 온도가 상승할 때, 상기 파우치가 팽창하면서 전극 탭과 전극 리드 사이를 단전시키는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다. 이러한 부피 팽창성 물질을 담지한 파우치를 사용함으로써, 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

부피 팽창성 물질을 포함하고 있는 이차전지 {Secondary Battery Having Volume Expandable Material}
본 발명은 부피 팽창성 물질을 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 전극 탭이 전극 리드와 연결되는 부위에 온도 상승시 부피가 팽창하는 물질(부피 팽창성 물질)이 담지되어 있는 파우치가 장착되어 있어서, 전지 내부의 온도가 상승할 때, 상기 파우치가 팽창하면서 전극 탭과 전극 리드 사이를 단전시키는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경 오염의 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산 기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장 장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
이러한 전력 저장 장치로는 이차전지가 주로 사용되고 있고, 이차전지 중에서도 특히 리튬 이차전지의 경우, 휴대용 기기에 주로 사용되기 시작하여 경량, 높은 전압 및 용량으로 인한 수요가 증가하여 현재는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차용, 그리드(grid) 화를 통한 전력 보조전원 등으로 그 사용 영역이 크게 확대되고 있다.
그러나, 대용량 전원으로 리튬 이차전지를 사용하기 위해 해결해야 할 많은 과제들이 남아 있으며, 그 중 가장 중요한 과제는 에너지 밀도 향상과 안전성의 증대라 할 수 있다. 또한, 대면적화로 인한 ?팅(wetting)의 균일화 및 공정시간의 단축 또한 해결해야 할 가장 중요한 과제이다. 이에 많은 연구자들이 에너지 밀도를 향상시키면서 저비용을 충족시킬 수 있는 재료의 연구에 박차를 가하고 있으며, 또한 안전성을 향상시키기 위한 재료의 연구에도 노력을 기하고 있다.
에너지 밀도 향상을 위한 재료로는 기존에 사용하던 LiCoO2보다 높은 용량을 가지는 Ni계 물질 또는 Mn계 물질 등이 대표적으로 연구되고 있으며, 음극으로는 기존의 흑연계에서 벗어나 Si, Sn 등을 이용한 기존의 intercalation 반응이 아닌 Li alloy 반응에 의한 재료가 대표적으로 연구되고 있다.
안전성을 향상시키기 위해서는 LiFePO4와 같은 안정한 올리빈계 양극 활물질 또는 Li4Ti5O12와 같은 음극 활물질 등이 연구되고 있다. 그러나, 안전성을 향상시키기 위한 이러한 재료는 근본적으로 낮은 에너지 밀도를 가지게 되고, 또한 리튬 이차전지의 구조상 나타나는 안전성의 문제를 근본적으로 해소해 주지는 못하는 실정이다.
이차전지의 안전성은 internal safety와 external safety로 크게 나눌 수 있고, 세분화하면 electrical safety, impact safety, thermal safety 등으로 나뉠 수 있다. 이러한 다양한 안전성 문제들은 공통적으로 문제 발생시 온도 상승을 수반하게 되고, 이 경우 일반적으로 사용하는 연신 분리막의 수축이 필연적으로 일어나게 된다.
이에 많은 연구자들이 안전성의 문제를 개선하기 위해서, 전극 리드의 일부를 폭이 좁게 하여, 저항이 커지도록 함으로써, 온도 상승 시 전기적 연결을 끊을 수 있는 방법 등을 고안하였으나, 보다 적극적이고 즉각적으로 전기적 연결을 끊을 수 있는 방법에 대한 요구가 계속되고 있는 실정이다.
따라서, 온도 상승 시 전기적 연결을 끊을 수 있는 구조를 가지는 이차전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전극 탭이 전극 리드와 연결되는 부위에 온도 상승시 부피가 팽창하는 물질(부피 팽창성 물질)이 담지되어 있는 파우치가 장착되어 있을 경우, 전지 내부의 온도가 상승할 때, 상기 파우치가 팽창하면서 전극 탭과 전극 리드 사이를 단전시키는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명은, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 전극 탭이 전극 리드와 연결되는 부위에 온도 상승시 부피가 팽창하는 물질(부피 팽창성 물질)이 담지되어 있는 파우치가 팽창하면서 전극 탭과 전극 리드 사이를 단전시키는 이차전지를 제공한다.
종래기술과 같이, 전극 리드의 일부 폭을 좁게 하여 폭이 좁은 부분의 저항이 커지면서 단전을 유도하는 기술의 경우, 온도에 따라 즉각적이고 신뢰성있는 효과를 발휘하기가 어렵다.
그러나, 본 발명과 같이, 부피 팽창성 물질이 담지되어 있는 파우치를 이용하면, 일정 온도 이상에서 파우치가 팽창하면서, 그 물리적 힘에 의해 전극 탭과 전극 리드를 분리시키므로, 보다 즉각적이고 신뢰성 있게 소망하는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 전극조립체에 있어서, 상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질을 포함하는 양극 합제를 NMP 등의 용매에 첨가하여 제조한 슬러리를 도포 및 건조하여 제작되며, 상기 양극 합제에는 선택적으로 바인더, 도전재, 충진제, 점도 조절제, 및 접착 촉진제를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 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. 또한, 양극 집전체는, 상기 음극 집전체에서와 마찬가지로, 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM’yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M’ = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 바인더의 예로는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 셀룰로오즈, 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 공중합체, 고분자 고검화 폴리비닐알콜 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 그라파이트; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 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. 시판되고 있는 도전재의 구체적인 예로는 아세틸렌 블랙 계열인 쉐브론 케미칼 컴퍼니(Chevron Chemical Company)나 덴카 블랙(Denka Singapore Private Limited), 걸프 오일 컴퍼니(Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠블랙(Ketjenblack), EC 계열(아르막 컴퍼니(Armak Company) 제품), 불칸(Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼(Super) P(Timcal 사 제품) 등이 있다.
상기 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하는 음극 합제를 NMP 등의 용매에 첨가하여 제조한 슬러리를 도포 및 건조하여 제작되며, 상기 음극 합제에는 선택적으로 바인더, 도전재, 충진제, 점도 조절제, 및 접착 촉진제 등과 같이 양극의 구성과 관련하여 설명한 기타 성분들을 더 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 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. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성 탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연 재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연 재료의 복합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다. 그 중에서도 탄소계 활물질, 주석계 활물질, 규소계 활물질, 또는 규소-탄소계 활물질이 더욱 바람직하며, 이들은 단독 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.
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.
상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다. 상기 리튬 이차전지는 상기 전극조립체 및 리튬 함유 비수계 전해액으로 구성되어 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 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) 등을 더 포함시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 파우치의 소재는 그 종류에 있어 특별히 제한되지는 않지만, 하나의 예로, 상기 파우치는 폴리머 파우치일 수 있다.
상기 폴리머는 부피 팽창성 물질을 담지할 수 있는 것이면 어느 것이나 사용이 가능하지만, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 파우치는 전극 탭과 전극 리드를 전기적으로 분리시켜야 하므로, 비전도성 물질로 이루어져 있는 것이 바람직하다. 만약 전도성 물질을 사용하는 경우, 전극 탭과 전극 리드가 상기 파우치에 의해 분리되더라도, 상기 파우치가 전극 탭과 전극 리드 양쪽에 닿아 있으면 파우치 자체의 전도성으로 인하여 단전이 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
상기 파우치는 상기와 같은 소망하는 효과를 발휘하기 위해서, 부피 팽창성 물질의 팽창 시, 연신, 파단 등에 의해 물리적 변화 폭이 큰 것이 요구된다. 이를 위해서, 상기 파우치는 폴딩 및/또는 권취된 형태로 전극 탭과 전극 리드의 연결 부위에 장착되어 있을 수 있다. 상기와 같이, 폴딩 및/또는 권취된 형태로 장착되어 있을 경우, 부피 팽창성 물질의 부피 팽창 시 폴딩 부분 및/또는 권취된 부분이 펴지면서 파우치의 물리적 변화 폭이 커지게 되므로 바람직하다.
구체적으로, 상기 파우치는 전지케이스 내부의 전극 탭과 전극 리드의 연결 부위에 위치하도록 장착된 구성으로 포함되어 있을 수 있다.
상기 부피 팽창성 물질은 100℃ 이상의 온도에서 부피가 팽창하는 것이 바람직하다. 100℃ 정도는 정상적인 작동 조건에서도 도달할 수 있는 온도이므로, 상기 온도 이상에서 부피 팽창성 물질이 전극 탭과 전극 리드 사이를 단전시키도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 부피 팽창성 물질은 100℃ 내지 150℃ 범위에서 부피가 팽창하는 것이 더욱 바람직하다. 150℃ 초과 온도에서는 이차전지가 폭발할 위험이 있으므로, 그 이전에 전기 회로를 차단시키는 것이 필요하다.
상기 부피 팽창성 물질은 특정 온도 이상에서 부피가 팽창하는 물질이면 어느 것이나 사용이 가능하다. 부피가 팽창하는 원인 등에 대해서는 특별히 제한이 없다. 예를 들어, 특정 온도 이상에서 가스(gas)가 발생하여 부피가 팽창하는 것을 들 수 있다.
이러한 부피 팽창성 물질의 비제한적인 예로는, 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨, 탄산리튬, 탄산암모늄, 벤젠설포닐히드라지드, 세미카바지드, 카바지드, 아조비스포름아미드, 아조비스이소부티로니트릴 및 디아조아미노벤젠으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 들 수 있지만 이들 만으로 한정되지 않음은 물론이다. 그 중에서도 특히 탄산수소나트륨이 바람직하다.
상기와 같은 이차전지는 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지셀에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용되는 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈 및 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩에 단위전지로도 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 디바이스의 바람직한 예로는 모바일 전자기기, 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력 저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 온도 상승에 따른 부피 팽창성 물질로 인하여 고온 시 효과적으로 전극 탭과 전극 리드를 단전시킬 수 있고, 이로 인하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 탭-리드 결합부에 부피 팽창성 물질을 담지한 파우치가 장착된 구조로 이루어진 이차전지의 모식도이다;
도 2 및 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지에 열이 인가되어 부피 팽창성 물질을 담지한 파우치의 거동에 의한 내부 단전을 나타내는 모식도들이다.
이하에서는, 본 발명의 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극 탭-리드 결합부에 부피 팽창성 물질을 담지한 파우가 장착된 구조로 이루어진 이차전지의 모식도이다.
도 1를 참조하면, 전극조립체(30)는 다수의 양극과 다수의 음극으로 구성되어 있고, 다수의 양극 탭들(40)과 음극 탭들(50)은 각각 양극리드(60)와 음극리드(70)에 초음파 융착되어 결합되어 있다.
이러한 전극조립체(30)는, 전극 탭들(40, 50)과 전극 리드(60, 70)가 결합되는 부위에 부피 팽창성 물질을 담지한 파우치(80)가 장착된 상태로, 전지케이스(20)의 내부에 내장되어 있다.
도 2 및 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 이차전지의 내부 또는 외부에서 열이 인가될 때, 부피 팽창성 물질을 담지한 파우치의 거동에 의한 내부 단전을 나타내는 측면도이다.
이들 도면을 참조하면, 전극조립체(30)는 다수의 전극판으로 구성되어 있고, 전극판들에서 돌출된 전극 탭들(40)이 전극 리드(60) 상에 초음파 융착되어 전극 탭-리드 결합부(90)를 형성하고 있다. 이러한 전극 탭-리드 결합부(90)에 부피 팽창성 물질을 담지한 파우치(80)가 부가되어 있다.
상기 부피 팽창성 물질을 담지한 파우치(80)는, 예를 들어, 전지케이스(20)의 내부의 온도가 상승할 경우, 파우치(80) 내부의 부피 팽창성 물질에 의해 파우치(80)가 팽창 또는 파열되면서, 물리적 힘에 의해 전극 탭(40)과 전극 리드(60)를 분리시켜 내부 온도 상승에 따른 이차전지의 발화를 억제할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
양극 활물질로서 LiCoO2 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하고, 음극 활물질로서 인조흑연 95 중량%, Super-P(도전제) 1 중량% 및 PVdF(결합제) 4 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하여, 알루미늄 호일과 구리 호일에 각각 도포하였다.
상기 알루미늄 호일과 구리 호일을 일측에 전극탭이 형성되도록 각각 절취하여 양극 판과 음극 판들을 제조하였다. 그런 다음, 분리막으로 셀가드TM(TONEN)를 사용하여, 양극 판과 음극 판을 순차적으로 적층하여 스택형 전극조립체를 제조하였다.
상기 전극조립체가 전해액과 함께 케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 부피 팽창성 물질로 탄산수소나트륨을 담지하고 있는 폴리프로필렌으로 만들어진 폴리머 파우치를 전지케이스 내부의 전극 탭과 전극 리드의 연결 부위에 위치하도록 한 구성으로 장착하여 이차전지를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 부피 팽창성 물질을 담지하는 파우치를 장착하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지를 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 및 비교예 1 에서 조립된 각각 20 개의 이차전지들을 120℃ 이상의 고온 환경에서 보관하고, 전류를 인가한 상태에서 부피 팽창 정도 및 발화 여부를 확인하였다. 그 결과가 하기 표 1에 개시되어 있다.
전지 전지의 평균 부피 팽창률 발화되는 전지의 개수
실시예 1 150% 0/20
비교예 1 300% 3/20

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들의 평균 부피 팽창률이 150%이며, 20개의 전지들 중에서 발화가 발생한 전지가 확인되지 않음에 반하여, 비교예 1의 전지들은 평균 부피 팽창률이 300%에 달했으며, 20개의 전지들 중에서 3개의 전지들에서 발화가 발생하였음을 확인하였다.
이는 부피 팽창성 물질을 담지한 파우치를 전지케이스 내부에 장착한 실시예 1의 전지들의 경우, 내부 온도 상승에 의해 전지케이스 내부의 파우치가 팽창하면서, 물리적 힘에 의해 전극 탭과 전극 리드를 분리시켜 내부의 단전이 발생하여 전지 내부의 온도 상승에 의한 전지의 부피 팽창 및 발화를 억제함으로써, 전지의 안전성을 현저하게 향상시키는 효과가 있음을 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 (10)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 케이스에 내장되어 있는 이차전지로서,
    전극 탭이 전극 리드와 연결되는 부위에 온도 상승시 부피가 팽창하는 물질(부피 팽창성 물질)이 담지되어 있는 파우치가 장착되어 있어서, 전지 내부의 온도가 상승할 때, 상기 파우치가 팽창하면서 전극 탭과 전극 리드 사이를 단전시키는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 파우치는 폴리머 파우치인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 파우치는 폴딩 및/또는 권취된 형태로 전극 탭과 전극 리드의 연결 부위에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 부피 팽창성 물질은 100℃ 이상의 온도에서 부피가 팽창하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 부피 팽창성 물질은 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨, 탄산리튬, 탄산암모늄, 벤젠설포닐히드라지드, 세미카바지드, 카바지드, 아조비스포름아미드, 아조비스이소부티로니트릴 및 디아조아미노벤젠으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 7 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 8 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 디바이스는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150015072A (ko) * 2013-07-31 2015-02-10 주식회사 엘지화학 단전을 위한 부재를 포함하고 있는 이차전지
KR101500222B1 (ko) * 2013-12-18 2015-03-06 현대자동차주식회사 배터리 과충전 방지 장치
US9722217B2 (en) 2013-08-07 2017-08-01 Samsung Sdi Co., Ltd. Pouch type battery cell
US9911947B2 (en) 2013-09-11 2018-03-06 Samsung Sdi Co., Ltd. Battery cell for electronic device
WO2018084667A1 (ko) * 2016-11-07 2018-05-11 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
KR20200080141A (ko) * 2018-12-26 2020-07-06 주식회사 엘지화학 옥살산을 포함하는 양극 슬러리, 이의 제조방법, 이차전지용 양극, 및 이차전지

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102270866B1 (ko) 2017-11-24 2021-07-01 주식회사 엘지에너지솔루션 이차전지

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10208726A (ja) * 1997-01-28 1998-08-07 Japan Storage Battery Co Ltd 電流遮断装置及びこの電流遮断装置を内蔵する電池
JP3422284B2 (ja) * 1999-04-30 2003-06-30 新神戸電機株式会社 角形非水電解液二次電池
JP2011181409A (ja) * 2010-03-02 2011-09-15 Honda Motor Co Ltd 電池および電池モジュール

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150015072A (ko) * 2013-07-31 2015-02-10 주식회사 엘지화학 단전을 위한 부재를 포함하고 있는 이차전지
US9722217B2 (en) 2013-08-07 2017-08-01 Samsung Sdi Co., Ltd. Pouch type battery cell
US9911947B2 (en) 2013-09-11 2018-03-06 Samsung Sdi Co., Ltd. Battery cell for electronic device
KR101500222B1 (ko) * 2013-12-18 2015-03-06 현대자동차주식회사 배터리 과충전 방지 장치
CN104733686A (zh) * 2013-12-18 2015-06-24 现代自动车株式会社 用于防止电池过充电的设备
US9711781B2 (en) 2013-12-18 2017-07-18 Hyundai Motor Company Apparatus for preventing battery overcharge
CN104733686B (zh) * 2013-12-18 2018-11-16 现代自动车株式会社 用于防止电池过充电的设备
WO2018084667A1 (ko) * 2016-11-07 2018-05-11 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
US11532859B2 (en) 2016-11-07 2022-12-20 Samsung Sdi Co., Ltd. Rechargeable battery
KR20200080141A (ko) * 2018-12-26 2020-07-06 주식회사 엘지화학 옥살산을 포함하는 양극 슬러리, 이의 제조방법, 이차전지용 양극, 및 이차전지

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