KR20130117521A

KR20130117521A - 안전성이 향상된 이차전지

Info

Publication number: KR20130117521A
Application number: KR1020120040374A
Authority: KR
Inventors: 정승현; 김선규; 황차환
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2013-10-28
Also published as: KR101582365B1

Abstract

본 발명은 열전도판 및/또는 부도체판을 포함함으로써 안전성이 향상된 이차전지 및 중대형 전지모듈에 대한 것이다.
본 발명은 전극조립체를 2 이상으로 분리하고 열전도판 및/또는 전기부도체판을 포함함으로써 부도체판에 의해 분리된 전극조립체간 절연성이 담보되는 한편 열전도판에 의해 내부단락시 각각의 전극조립체에서 외부로의 열전달이 신속하게 이루어질 수 있고 전지의 열 폭주를 유도하는 국부적인 온도 상승을 낮출 수 있다. 따라서, 침상 물체의 관통, 공구에 의한 압착, 외부로부터의 물리적 충격, 고온에의 노출 등에 의한 내부단락 발생시에도 열 상승 및 연쇄반응을 억제시켜 전지의 안전성을 충분히 확보할 수 있다.

Description

안전성이 향상된 이차전지{SECONDARY BATTERY HAVING IMPROVED SAFETY}

본 발명은 안전성이 향상된 이차전지 및 이를 포함하는 중대형 전지모듈에 관한 것이다.

최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충/방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

최근에는, 이러한 전극조립체들을 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고, 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.

이러한 이차전지에 못이나 드릴팁과 같은 뾰족한 물체가 전지케이스를 통과하여 활물질이 도포된 양극과 음극으로 침입되거나 또는 니퍼 등과 같은 공구에 의해 전지가 눌려지는 경우 양극과 음극의 내부 단락과 동시에 순간적으로 많은 전류가 양극과 음극 사이에 흘러 발열이 일어나게 되며, 심한 경우 해당 전지가 발화하거나 폭발될 우려가 높다.

따라서, 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 특히, 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 전원으로서 중대형 전지 팩에 사용되는 이차전지는 다수의 고에너지 전지 셀들이 밀집되어 있고, 발화점이 낮은 유기 전해액을 포함하고 있는 특성상 안전성 확보가 매우 중요하다.

한국 등록특허 제10-0573093호

본 발명은 열전도판 및/또는 부도체판을 포함하는 이차전지 및 이를 포함하는 중대형 전지모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 안전성뿐만 아니라 생산성이 개선될 수 있도록 분리된 내부구조 및 열전도 향상 구조를 갖는 이차전지를 제공한다.

본 발명의 이차전지는 양극/분리막/음극의 기본구조인 단위셀 1개 이상으로 구성된(예컨대, 단위셀 다수 개를 중첩시킨 구조의) 전극조립체를 2 이상 포함하고, 일 전극조립체와 타 전극조립체 사이에 열전도성 금속으로 된 열전도판 및 전기적 부도체 물질로 된 부도체판 중 선택된 1 이상을 삽입한 것을 특징으로 한다. 바람직한 일 구체예에서, 일 전극조립체와 타 전극조립체 사이에 전기적 부도체 물질로 된 부도체판이 단독으로 삽입되거나, 전기적 부도체 물질로 된 부도체판과 열전도성 금속으로 된 열전도판이 동시에 삽입될 수 있다.

상기 전극조립체는 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된 젤리-롤형 전극조립체, 또는 풀셀 및 바이셀 중에서 선택되는 1 이상의 단위셀들을 긴 시트형 분리필름으로 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체일 수 있다. 즉, 하나의 전극조립체에서 내부 구조를 이루는 단위셀들은 풀셀 단독 형태, 바이셀 단독 형태, 또는 풀셀과 바이셀이 혼합된 형태일 수 있으며, 단위셀의 종류 내지 형태가 특별히 한정되는 것은 아니다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 열전도판과 부도체판이 모두 포함된 형태일 수 있는바, 부도체판에 의해 분리된 전극조립체간 절연성이 담보되는 한편 열전도판에 의해 내부단락시 각각의 전극조립체에서 외부로의 열전달이 신속하게 이루어질 수 있다.

이와 같은 절연성과 외부로의 열전달이 효율적으로 이루어지기 위한 예에서 상기 열전도판은 부도체판과 전극조립체 사이에 삽입되는 것이 바람직하고, 구체적인 예에서 두 개의 전극조립체 사이에 삽입되는 경우 제1전극조립체, 제1 열전도판, 부도체판, 제2 열전도판, 제2 전극조립체의 순으로 적층될 수 있다.

상기 열전도판 또는 부도체판의 두께는 특별히 제한되지 않지만 0.1 내지 1 mm일 수 있다.

상기 열전도판은 알루미늄, 구리, 은 및 그 외 열전도율 50 W/m·K 이상의 금속판, 또는 메탈폼 중 선택될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

상기 부도체판의 소재인 부도체 물질은 예를 들어, 절연성 고분자 수지, 부직포, 또는 그것의 복합체일 수 있다.

본 발명에서 2 이상의 전극조립체들은 전지의 용도에 따라 직렬 또는 병렬 방식으로 연결된 구조일 수 있다.

하나의 예에서 상기 이차전지는 대용량 전지일 수 있다.

본 발명은 또한 본 발명에 예시된 이차전지를 단위전지로 하여 다수 개 포함하는 중대형 전지모듈을 제공한다.

본 발명은 우수한 안전성 및 생산성을 동시에 만족시킬 수 있는 이차전지 및 이를 포함하는 중대형 전지모듈에 관한 것으로, 전극조립체를 분리하고 열전도판 및/또는 전기부도체판을 포함함으로써 부도체판에 의해 분리된 전극조립체간 절연성이 담보되는 한편 열전도판에 의해 내부단락시 각각의 전극조립체에서 외부로의 열전달이 신속하게 이루어질 수 있고 전지의 열 폭주를 유도하는 국부적인 온도 상승을 낮출 수 있다.

따라서, 못이나 드릴팁과 같은 뾰족한 물체의 관통, 니퍼 등과 같은 공구에 의한 압착, 외부로부터의 물리적 충격, 고온에의 노출 등에 의한 내부단락 발생시에도 열 상승 및 연쇄반응을 억제시켜 전지의 안전성을 충분히 확보할 수 있으므로 전기자동차의 전원 등 중대형 전지에 효과적으로 사용될 수 있다. 또한, 전극조립체를 분할하여 2 이상 포함함으로써 동일 규격대비 단위 전극조립체의 길이가 짧아져 생산 수율이 향상될 수 있다.

도 1은 종래기술 대비 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 침상체가 관통하여 내부단락이 발생된 경우의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 열전도판 및 부도체판을 포함하는 이차전지의 분해도 및 사시도이다.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 및 이하에 기술하는 실험 방법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본 발명에 따른 이차전지는 양극/분리막/음극의 기본구조인 단위셀 1개 이상으로 구성된 전극조립체를 2 이상 포함하고 일 전극조립체와 타 전극조립체 사이에 열전도성 금속으로 된 열전도판 및 전기적 부도체 물질로 된 부도체판 중 선택된 1 이상을 삽입한 구조이다.

본 발명에서는 전극조립체를 2 이상 포함하고 있는바 전극조립체의 개수(n)에 대응하여 동일 규격 대비 전극조립체의 사이즈가 1/n이 된다. 따라서, 단위 전극조립체의 크기와 생산 시간이 줄어들게 되어 전극조립체의 생산 수율이 향상되는 효과를 갖는다. 또한, 전극조립체들이 전극단자에 의해 전기적 및 기계적으로 연결됨으로써 충격 또는 진동 등의 외부환경에 대한 구조적 안정성이 향상되고 둘 이상의 전극조립체들이 하나의 단위체로서 안정적으로 결합되어 있어서, 이차전지의 조립 과정에서 취급이 용이하다는 장점이 있다. 이러한 전극조립체의 개수는 특별히 제한되지 않지만 하나의 전지 내에 포함되는 전극조립체의 개수가 너무 많으면 오히려 생산 수율이 떨어지고 취급이 불편하므로 2 내지 4 정도가 적당하다.

상기 전극조립체는 1개 이상의 단위셀로 구성되어 하나의 전극조립체를 이루는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 일반적으로, 이차전지를 구성하는 전극조립체는 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다.

젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다.

반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위 셀들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 풀셀(full cell) 또는 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 사용하여 폴딩한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체가 본 출원인에 의해 개발되었다.

이에 하나의 바람직한 예에서, 상기 전극조립체는 단위셀로서 스택형 방식으로 바이셀 및/또는 풀셀을 만들고 이들을 긴 분리필름(분리막 시트) 상에 다수 개 위치시킨 후 순차적으로 폴딩하여 중첩시킨 구조의 전극조립체일 수 있다. 이러한 구조의 전극조립체는 기존의 폴딩형과 스택형이 복합된 구조로서 이른바 '스택/폴딩형 전극조립체'라고 한다.

이에 하나의 전극조립체 내에 단위셀들이 바이셀만으로 구성되거나 풀셀만으로 구성될 수도 있고 바이셀과 풀셀이 함께 포함될 수도 있다.

상기 '풀 셀(full cell)'은, 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 단위 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀이다. 이러한 풀 셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 셀 등을 들 수 있다. 이러한 풀 셀을 사용하여 이차전지 등의 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀 셀들을 적층하여야 한다.

상기 '바이셀(bicell)'은, 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 단위 셀이다. 이러한 바이셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이셀(양극 바이셀)과 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이셀(음극 바이셀)이 서로 대면하도록 다수의 바이셀들을 적층하여야 한다. 경우에 따라서는, 더 많은 적층 수의 바이셀들도 가능한바, 예를 들어, 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극/분리막/양극 및 음극/분리막/양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이셀도 가능하다.

스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 더욱 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원들은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

본 발명의 이차전지는 전극조립체들 사이에 열전도성 금속으로 된 열전도판 및 전기적 부도체 물질로 된 부도체판 중 선택된 1 이상을 삽입한 것을 특징으로 하고 있다.

도 1을 참조하면, 단일의 전극조립체(11)를 포함하는 종래의 이차전지(10)는 침상 전도체(50)가 관통시 그 주위에서 열 폭주 현상이 발생한다. 그러나, 본 발명의 예에 따라 전극조립체를 분리하여 2 이상의 전극조립체(110, 120)를 포함하는 이차전지(100)는 전극조립체들(110, 120) 사이에 열전도판 및/또는 부도체판(200)을 삽입하여 분리 구조를 형성하는 경우에는 침상체가 관통하여도 각각의 전극조립체에만 발열이 일어나고 분리 구조를 통해 열이 분산되면서 발열량이 현저히 줄어들어 전지 안전성이 향상되는 것을 알 수 있다.

분리 구조로서 상기 전극조립체들(110, 120) 사이에 열전도판이 위치하는 경우 고속 충방전시 발생하는 중심부의 열을 외주부로 전달함으로써 전지 구성요소들의 열화에 의한 수명 단축을 방지할 수 있다. 또한 내부단락 등에 의한 열 폭주, 발열 반응으로 인한 전지의 발화를 방지할 수 있다.

또한, 상기 전극조립체들(110, 120) 사이에 전기적 절연체로 된 부도체판이 위치하는 경우 일 전극조립체에 내부에 단락이 발생하여도 타 전극조립체가 단락되는 것을 차단할 수 있어서 연쇄현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

전극조립체 사이에 삽입되어 내부 분리구조를 형성하는 상기 열전도판 및 부도체판의 형태는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 열전도판 및 부도체판은 일체형의 판 구조일 수 있으며, 메쉬(mesh) 형태이거나 분리된 쉬트 형태일 수도 있다.

본 발명의 이차전지는 바람직하게는 상기 열전도판과 부도체판을 모두 포함할 수 있다.

이와 관련하여 도 2를 참조하면, 2개의 전극조립체들(110, 120)을 포함하는 이차전지(100)에 있어서, 전극조립체들(110, 120) 사이에 열전도판(211, 212) 및 부도체판(220)을 모두 포함하고 있다.

이러한 상기 열전도판과 부도체판(220)의 삽입 순서는 특별히 제한되지 않지만 부도체판(220)은 전극조립체들(110, 120) 상호 간에 단락이 확산되는 것을 방지하는 역할을 하므로 전극조립체들(110, 120) 사이에 포함되는 것이 좋다. 또한, 열전도판(211, 212)은 각 전극조립체에서 발생하는 열을 전달하는 역할을 하므로 각각의 전극조립체에 대응하는 개수로 포함될 수 있다. 전극조립체에서 발생한 열을 효과적으로 전달하기 위해서는 부도체판(220)과 전극조립체들(110, 120) 사이에 삽입되는 것이 더욱 바람직하다.

이에 본 도면에서는 제1 전극조립체(110), 제1 열전도판(211), 부도체판(220), 제2 열전도판(212), 제2 전극조립체(120)의 순으로 적층된 구조를 갖는다. 따라서, 제1 전극조립체(110)에서 발생한 열은 제1 열전도판(211)으로, 제2 전극조립체(120)에서 발생한 열은 제2 열전도판(212)으로 각각 전달되어 분산된다. 따라서, 급격한 온도 상승으로 인해 분리막의 melt-integrity 온도 및 폭발 임계점까지 도달하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 두 개로 분리된 전극조립체(110, 120)는 동일 규격의 하나의 전극조립체 대비 에너지 밀집도가 낮으므로 위험상황에서 연쇄 반응이 억제되고, 이들 사이에 부도체판(220)이 삽입되어 있어서 내부단락이 전기적으로 전달되는 것이 차단된다.

상기 열전도판(211, 212) 또는 부도체판(220)의 두께는 특별히 제한되지 않지만 두께가 너무 두꺼우면 동일 규격 대비 전극조립체의 크기가 작아지게 되므로 단위 무게 및 부피당 전지 용량이 줄어들게 되는 결과를 가져오고, 반대로 두께가 너무 얇으면 효율적인 열전도 및 방열 효과를 발휘할 수 없으므로, 바람직하게는 약 0.1 내지 1 mm정도일 수 있다.

열전도판 및 부도체판의 면적은 전극조립체의 면적과 동일 또는 유사하도록 구성될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 열전도판 및 부도체판의 면적은 전극조립체의 면적보다 작거나 크게 형성될 수도 있으며, 구조상 불필요한 단락을 억제할 수 있는 기능을 할 수 있는 면적이라면 더욱 바람직할 것이다. 일 구체예에서, 열전도판의 면적을 전극조립체의 면적과 동일하거나 그보다 작게 구성함으로써, 열전도판을 구성하는 금속과 전극 단자 사이에서 불필요한 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

상기 열전도판(211, 212)을 형성하는 열전도성 금속은 전지의 내부열을 효과적으로 전달할 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않지만 열전도율이 50 W/m·K 미만이라면 소망하는 열전도도를 발휘할 수 없다. 이를 고려할 때, 열전도성 금속은, 예를 들어 알루미늄, 구리, 은, 및 그 외 열전도율 50 W/m·K 이상(예컨대, 50 내지 420 W/m·K)의 금속 중 선택된 금속 또는 이들의 합금, 및 메탈폼을 들 수 있다.

상기 부도체판(220)을 형성하는 전기적 부도체 물질은 예를 들어 절연성 고분자 수지, 부직포, 또는 그것의 복합체일 수 있다. 이러한 절연성 고분자 수지는 융점이 적어도 일반적인 전지 사용온도인 -20℃ 내지 60℃를 초과한 온도여야 하고, 바람직하게는 전지가 외부충격이나 환경에 의해서 부풀거나, 발화 폭발한 상태가 되는 150℃ 이상에서도 용융되지 않는 재료일 수 있다. 이러한 부도체판(220)은 예를 들어 폴리올레핀계의 수지인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 이들의 공중합체 등으로 제조될 수 있다.

본 발명에서 2 이상의 전극조립체들은 병렬방식으로 연결된 구조 또는 직렬방식으로 연결된 구조로 이루어질 수 있다.

상기 연결방식에 따른 적층 구조는 특별히 제한되지 않지만 예를 들어 병렬방식의 연결을 위해, 상기 전극조립체들은 같은 극성의 전극단자들이 동일한 방향을 향하도록 그것의 두께 방향으로 적층하고, 유닛 셀들의 양측 단부에서 같은 극성의 전극단자들을 병렬로 연결할 수 있다.

반대로 직렬방식의 연결을 위해, 상기 전극조립체들을 같은 극의 전극단자들이 동일한 방향을 향하도록 그것의 길이 방향으로 배열하며, 인접한 두 전극조립체들의 대면하는 단부에서 서로 다른 극의 전극단자들을 직렬방식으로 결합한 후, 전극단자 연결부위를 절곡하여 적층 배열 구조를 만들 수 있다.

본 발명에서 단위셀은 바이셀이든 풀셀이든 양극/분리막/음극의 기본구조를 갖고 있다.

양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

본 발명에 따른 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 하나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬망간 산화물(LiMnO2); 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 니켈 사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 하는 화합물과 혼합 사용할 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 표면처리한 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 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 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, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 결착제는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 결착제의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 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 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

또한, 음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 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. 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.

상기 음극 재료는 비정질 카본 또는 정질 카본을 포함하며, 구체적으로는 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (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, 및 Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 양극과 음극 사이에서 상기 전극들을 절연시키는 분리막으로는 통상 알려진 폴리올레핀계 분리막이나, 상기 올레핀계 기재에 유, 무기 복합층이 형성된 복합 분리막 등을 모두 사용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.

상기와 같은 구조로 이루어진 전극집전체를 파우치 외장재에 수납한 다음, 전해액을 주입하여 전지를 제조한다.

본 발명에 따른 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해질로서, 이는 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수 전해액으로는, 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, 프로피온산 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 중합체 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, 비수계 전해질에는 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 있다.

한편, 상기와 같은 파우치형 이차전지는 리튬이차전지인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 이차전지는 대용량의 중대형 전지모듈 또는 전지팩의 제조에 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기 대용량의 범위는 특별히 한정되지 않는다.

따라서, 본 발명은 단위전지로서 상기 이차전지를 다수 개 포함하고 있는 중대형 전지모듈, 및 그러한 중대형 전지모듈 하나 이상과 상기 전지모듈의 작동을 제어할 수 있는 제어부를 포함하고 있는 중대형 전지팩을 제공한다.

이러한 중대형 전지모듈 및 전지팩의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 관한 설명을 생략한다.

본 발명의 중대형 전지팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등의 전기차; E-bike 또는 E-scooter 등의 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차 등과 같이 고출력, 대용량의 전기가 요구되며, 진동, 충격 등과 같은 많은 외력이 가해지는 디바이스의 동력원으로 특히 바람직하다.

Claims

양극/분리막/음극의 기본구조인 단위셀 1개 이상으로 구성된 전극조립체를 2 이상 포함하고,
일 전극조립체와 타 전극조립체 사이에 열전도성 금속으로 된 열전도판 및 전기적 부도체 물질로 된 부도체판 중 선택된 1 이상을 삽입한 것을 특징으로 하는, 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 전극조립체는 풀셀 및 바이셀 중에서 선택되는 1 이상의 단위셀들을 긴 시트형 분리필름으로 폴딩한 구조의 스택-폴딩형 전극조립체인 것을 특징으로 하는, 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 열전도판과 부도체판을 모두 삽입하는 것을 특징으로 하는, 이차전지.
제3항에 있어서,
상기 열전도판은 부도체판과 전극조립체 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는, 이차전지.
제1항에 있어서,
제1전극조립체, 제1 열전도판, 부도체판, 제2 열전도판, 제2 전극조립체의 순으로 적층된 것을 특징으로 하는, 이차전지.
제1 항에 있어서,
상기 열전도판 또는 부도체판의 두께는 0.1 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는, 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 열전도성 물질은 알루미늄, 구리, 은, 및 그 외 열전도율 50 W/m·K 이상의 금속, 또는 메탈폼 중 선택된 것을 특징으로 하는, 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 부도체 물질은 절연성 고분자 수지, 부직포, 또는 그것의 복합체인 것을 특징으로 하는, 이차전지.
제 1 항에 있어서,
상기 2 이상의 전극조립체들은 병렬방식으로 연결된 구조 또는 직렬방식으로 연결된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는, 이차전지.
제 1 항에 있어서,
상기 전지는 대용량 전지인 것을 특징으로 하는, 이차전지.
단위전지로서 제1 항 내지 제10 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 다수 개 포함하고 있는 중대형 전지모듈.