KR20130030724A - 기능성 분리막 및 이를 이용한 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지용 분리막으로서, 상기 분리막은 전지 내부의 엔지니어링 파라미터(engineering parameter)를 조절하기 위한 기능성 물질을 담지한 파우치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막을 제공한다. 상기 분리막은 전지 내부의 엔지니어링 파라미터를 조절함으로써, 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

기능성 분리막 및 이를 이용한 이차전지 {Functional Separator and Secondary Battery Comprising the Same}
본 발명은 기능성 분리막 및 이를 이용한 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지 내부의 엔지니어링 파라미터(engineering parameter)를 조절하기 위한 기능성 물질을 담지한 파우치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막에 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 이벤트 발생시 온도 상승을 수반하게 되고, 이 경우 일반적으로 사용하는 연신 분리막의 수축이 필연적으로 일어나게 된다.
이에 많은 연구자들이 안전성의 문제를 개선하기 위해서, 분리막에 무기물 등을 코팅하는 방법 등을 고안하였으나, 셀 내부 온도 상승에 의한 분리막 수축, 그로 인한 short circuit 형성을 원활하게 방지하지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 분리막 수축에 의한 단락을 방지하고 전기적 성능이 우수한 전지의 구조에 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, 분리막이 기능성 물질을 담지한 파우치를 포함하고 있는 경우, 전지 내부의 엔지니어링 파라미터(engineering parameter)를 조절할 수 있어, 안전성이 우수한 이차전지를 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명은, 이차전지용 분리막으로서 전지 내부의 엔지니어링 파라미터(engineering parameter)를 조절하기 위한 기능성 물질을 담지한 파우치를 포함하고 있는 이차전지용 분리막을 제공한다.
일반적으로, 기능성 물질은 전지 내부 전해질과 반응하기 때문에 분리막에 적용하기가 어려웠다. 그러나, 분리막 자체의 수축 등으로 인하여 안전 문제가 발생하는 상황에서 분리막에 적절한 기능성 물질을 적용할 수 있다면, 안전성을 보다 향상시킬 수 있게 될 것이다.
상기 엔지니어링 파라미터는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직한 예로는 온도일 수 있다.
전지 내부에서 과충전 등의 이상 작동 시 필수적으로 온도 상승을 수반하게 되고, 이러한 고온에서 연신 분리막이 열수축하여 양극 및 음극 사이에 short가 발생하며, 이로 인하여 전지의 안전성이 문제가 된다. 따라서, 온도를 조절하기 위한 기능성 물질을 분리막이 담지하는 구조라면, 분리막과 가까운 위치에서 온도를 조절할 수 있으므로, 분리막의 열수축을 최대한 방지할 수 있다.
상기 기능성 물질은 전지 내부의 상기 엔지니어링 파라미터를 조절할 수 있는 물질이면 어느 것이나 사용이 가능하지만, 온도를 조절하기 위해서는, 흡열제, 흡수제 및 전해액으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 상기 흡열제는 일반적으로 화학적 반응을 통해 열을 흡수하는데, 수분을 생성할 수 있다. 반면에, 이차전지는, 일반적으로 수분이 존재하는 경우, 안전상에 큰 문제가 발생하게 된다. 따라서, 상기 흡열제는 흡수제와 함께 사용되는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 기능성 물질이 담지되어 있는 파우치를 통해서는 이온 전도성이 떨어져서 전지의 성능이 저하될 수 있으므로, 전해액을 추가로 포함할 수 있다. 상기와 같은 이유로, 상기 흡열제, 흡수제 및 전해액을 모두 포함하는 것이 특히 바람직하다. 상기 전해액은 바람직하게는 이차전지에 사용하는 전해액과 동일한 전해액을 사용할 수 있다.
상기 흡열제는 열을 흡수하는 성질을 가지는 물질이면 어느 것이나 사용이 가능하며, 그 종류에 특별히 제한은 없지만, 하나의 바람직한 예로, 알루미늄 퍼옥사이드, 마그네슘 퍼옥사이드, 실라카겔 및 지르코늄 옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 흡수제는 수분을 흡수하는 성질을 가지는 물질이면 어느 것이나 사용이 가능하지만, 바람직한 예로, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 실리카, 펄프, 셀룰로오스, 코르크, 목질분 등의 다공성의 고분자 입자 및 기타 상용화된 흡수제로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 들 수 있다.
상기 기능성 물질이 담지되어 있는 파우치는, 예를 들어, 분리막의 말단에 위치하고 있을 수 있다. 그러나, 상기 파우치는 분리막의 말단이 아닌 부위, 즉, 비말단 부위에 위치하는 구조일 수도 있다. 이 경우, 전극조립체의 최심부는 아니지만, 전극과 전극 사이에 위치하여 적절한 안전성 향상을 도모할 수 있다.
바람직하게는, 상기 파우치가 전극조립체 제조 시 심부에 위치하는 구조일 수 있다. 전지의 내부 구조에서 열이 발생할 경우, 외부는 케이스를 통해 일부 방열이 이루어질 수 있지만, 심부는 열이 축적되어 온도 상승이 더욱 심할 수 있다. 따라서, 전극조립체의 심부에 위치하는 분리막 상에 흡열제 등의 기능성 물질이 담지되어 있는 파우치가 위치하는 것이 안전성 향상 측면에서 더욱 바람직할 수 있다.
또한, 둘 이상의 파우치가 하나의 전극조립체에 포함되어 있을 수 있다. 이를 통해, 전극조립체의 적절한 위치에 다수의 기능성 물질을 담지한 파우치를 위치시켜, 보다 효율적으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기 파우치의 소재는 밀봉성을 제공하면서 기능성 물질이 적절한 효과를 발휘할 수 있는 것이면 어느 것이나 사용이 가능하지만, 바람직하게는 분리막과 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 다만, 이러한 파우치는 내부에 기능성 물질을 담지한 상태에서 밀봉되어 있는 것이 필요하므로 비다공성 소재로 이루어져 있다. 밀봉되지 않으면, 기능성 물질이 파우치에서 이탈하여 소망하는 효과를 발휘할 수 없게 된다.
본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 상기 분리막을 포함하는 전극조립체를 제공한다.
상기 전극조립체는 스택형, 젤리-롤형, 스택-폴딩형 등으로 제조가 가능하다. 특히, 젤리-롤형 및 스택-폴딩형 전극조립체는 하나의 분리막 또는 분리필름으로 감거나 폴딩하여 전극조립체를 제조하므로 바람직할 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.
본 발명은 상기 전극조립체를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다. 바람직하게는 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, (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.
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 이차전지용 분리막은 기능성 물질을 담지하여 전지 내부의 엔지니어링 파라미터를 조절할 수 있으므로, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 기존 분리막을 사용하여 스택-폴딩형 전극조립체를 제조하기 위한 유닛셀들의 배열 형태를 나타내는 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 분리막을 사용하여 스택-폴딩형 전극조립체를 제조하기 위한 유닛셀들의 배열 형태를 나타내는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 기존 분리막을 사용하여 스택-폴딩형 전극조립체를 제조하기 위한 유닛셀들의 배열 모습이 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 분리막을 사용하여 스택-폴딩형 전극조립체를 제조하기 위한 유닛셀들의 배열 모습이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면들을 참조하면, 유닛셀로서 순차적으로 음극/분리막/양극/분리막/음극으로 구성된 바이셀들(110, 210)과 양극/분리막/음극/분리막/양극으로 구성된 바이셀들(120, 220)이 분리필름(130, 230) 상에 배치되어 있고, 최우측 바이셀에서 시작하여 순차적으로 권취함으로써 스택-폴딩형 전극조립체를 제조할 수 있다.
이때, 유닛셀인 바이셀들의 배열 조합을 살펴보면, 첫 번째 바이셀과 두 번째 바이셀은 적어도 하나의 바이셀에 대응하는 폭 간격으로 이격된 거리에 위치되어 있어서, 권취 과정에서 첫 번째 바이셀의 외면이 분리필름(130, 230)으로 완전히 도포된 후, 첫 번째 바이셀의 하단면 전극(음극)이 두 번째 바이셀의 상단면 전극(양극)에 접하게 된다.
두 번째 바이셀 이후의 바이셀들은 권취에 의한 순차적인 적층 과정에서 분리필름(130, 230)의 도포 길이가 증가하게 되므로, 권취 방향으로 그들 사이의 간격이 순차적으로 늘어나도록 배치되어 있다.
또한, 이러한 바이셀들은 권취시 적층된 계면에서 양극과 음극이 대면하도록 구성되어야 하는 바, 첫 번째 바이셀을 제외하고, 외부 전극이 양극인 바이셀들과 외부 전극이 음극인 바이셀들이 2개 단위로 교번되는 순차적인 배열로 이루어져 있다.
도 2에서는 첫 번째 바이셀이 위치하는 분리필름의 말단 부위에 파우치(240)이 형성되어 있고, 이러한 파우치(240) 내부에 기능성 물질(250)이 담지되어 있다.
상기와 같은 방법으로 스택-폴딩형 전극조립체를 만드는 경우, 상기 파우치(240)는 전극조립체의 중심부에 위치하게 되어, 심부의 엔지니어링 파라미터, 예를 들어, 온도를 조절하여 이차전지의 안전성을 도모할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
분리막의 일측 말단 부위에 분리막과 동일한 소재로 파우치를 형성하고, 상기 파우치 내부에 흡열제로 알루미늄 퍼옥사이드, 흡수제로 폴리에틸렌 글리콜, 및 전해액을 주입하고 밀봉하였다.
상기 파우치가 있는 말단을 권취 시작점으로 하여 전극조립체에서 상기 파우치가 중심부에 위치하도록 스택-폴딩형 전극조립체를 제조하였다.
라미네이트 시트 케이스에 상기 전극조립체와 전해액을 주입한 후 밀봉하여 전지셀을 제조하였다.
<실시예 2>
상기 파우치 내부에 흡열제로 마그네슘 퍼옥사이드, 흡수제로 셀룰로우스 섬유를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전극조립체 및 전지셀을 제조하였다.
<실시예 3>
상기 흡열제, 흡수제 및 전해액을 담지하는 파우치를 분리막의 중간 부위에 위치하도록 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전극조립체 및 전지셀을 제조하였다.
<비교예 1>
상기 흡열제, 흡수제 및 전해액을 담지한 파우치를 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전극조립체 및 전지셀을 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 각각 제조된 10개의 전지셀들을 150℃ 이상의 고온 환경에서 보관하여 단락 여부를 확인하였다. 그 결과가 하기 표 1에 개시되어 있다.
전지 단락되는 전지의 개수
실시예 1 0/10
실시예 2 0/10
실시예 3 1/10
비교예 1 3/10
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2의 전지들 중에서 단락이 발생한 전지가 확인되지 않았으며, 실시예 3의 전지들 중에서 1개의 전지에서 단락이 발생한 것에 반하여, 비교예 1의 전지들은 3개의 전지들에서 단락이 발생하였음을 확인하였다.
이는 흡열제, 흡수제 및 전해액을 담지 하는 파우치가 분리막 일측 말단 부위에 형성한 경우가 비말단 부위에 형성한 경우보다 효과가 뛰어나다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 파우치를 포함하고 있는 이차전지용 분리막을 사용한 실시예 1 내지 3의 전지들의 경우, 상기 파우치가 전지 내부의 온도 상승에 따른 분리막 자체의 수축 등으로 인하여 발생하는 단락을 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 (16)

  1. 이차전지용 분리막으로서, 상기 분리막은 전지 내부의 엔지니어링 파라미터(engineering parameter)를 조절하기 위한 기능성 물질을 담지한 파우치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 엔지니어링 파라미터는 온도인 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기능성 물질은 흡열제, 흡수제 및 전해액으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 기능성 물질은 흡열제 및 흡수제를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 흡열제는 알루미늄 퍼옥사이드, 마그네슘 퍼옥사이드, 실리카겔 및 지르코늄 옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 흡수제는 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 실리카, 펄프, 셀룰로오스, 코르크, 및 목질분으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 파우치는 분리막의 말단에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 파우치는 분리막의 비말단 부위에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막.
  9. 제 1 항에 있어서, 둘 이상의 파우치가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 파우치는 분리막과 동일한 소재로 이루어져 있고, 내부에 기능성 물질을 담지한 상태로 밀봉하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막.
  11. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  12. 제 11 항에 따른 전극조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  13. 제 12 항에 따른 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 13 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 제 15 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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