KR20140028723A - 케이블형 이차전지용 패키징 및 그를 포함하는 케이블형 이차전지 - Google Patents

케이블형 이차전지용 패키징 및 그를 포함하는 케이블형 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 케이블형 이차전지용 패키징 및 그를 포함하는 케이블형 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 중공형의 금속박층; 상기 금속박층의 일면에 형성된 제1 고분자 수지층; 및 상기 금속박층의 타면에 형성된 제2 고분자 수지층;을 포함하되, 길이방향으로 연장되는 구조를 갖는 케이블형 이차전지용 패키징 및 그를 포함하는 케이블형 이차전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 케이블형 이차전지용 패키징에 따르면, 금속박층을 포함하고 있어, 케이블형 이차전지의 내부에 존재하는 전해질의 오염을 방지함으로써, 전지 성능의 열화를 방지할 수 있고, 케이블형 이차전지의 기계적인 강도를 유지할 수 있다.

Description

케이블형 이차전지용 패키징 및 그를 포함하는 케이블형 이차전지{Packaging for a cable-type secondary battery and cable-type secondary battery including the same}
본 발명은 케이블형 이차전지용 패키징 및 그를 포함하는 케이블형 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 전지의 내부에 존재하는 전해질의 오염을 방지하여 전지 성능의 열화를 방지할 수 있는 케이블형 이차전지용 패키징 및 그를 포함하는 케이블형 이차전지에 관한 것이다.
최근 이차 전지는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 말한다. 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 "충전식 전지"(rechargeable battery)라는 명칭도 쓰인다. 흔히 쓰이는 이차전지로는 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지(NiCd), 니켈 수소 축전지(NiMH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다. 이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공한다.
이차 전지는 현재 낮은 전력을 사용하는 곳에 쓰인다. 이를테면 자동차의 시동을 돕는 기기, 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치를 들 수 있다. 최근 무선통신 기술의 발전은 휴대용 장치의 대중화를 주도하고 있으며, 종래의 많은 종류의 장치들을 무선화하는 경향도 있어, 이차전지에 대한 수요가 폭발하고 있다. 또한, 환경오염 등의 방지 측면에서 하이브리드 자동차, 전기 자동차가 실용화되고 있는데, 이들 차세대 자동차들은 이차전지를 사용하여 값과 무게를 줄이고 수명을 늘리는 기술을 채용하고 있다.
일반적으로 이차전지는 원통형, 각형 또는 파우치형의 전지가 대부분이다. 이는 이차전지는 음극, 양극 및 분리막으로 구성된 전극조립체를 원통형 또는 각형의 금속캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극 조립체에 전해질을 주입시켜 제조하기 때문이다. 따라서, 이차전지 장착을 위한 일정한 공간이 필수적으로 요구되므로, 이러한 이차전지의 원통형, 각형 또는 파우치형의 형태는 다양한 형태의 휴대용 장치의 개발에 대한 제약으로 작용하게 되는 문제점이 있다. 이에, 형태의 변형이 용이한 신규한 형태의 이차전지가 요구되고 있다.
이러한 요구에 대하여, 단면적 직경에 대해 길이의 비가 매우 큰 전지인 케이블형 이차전지가 제안되었다. 다만, 이러한 케이블형 이차전지를 보호하는 패키징에 대해서는 구체적으로 개시된 바가 없다. 특히 일반적인 고분자 재질의 튜브 패키징을 사용하게 될 경우, 고분자의 미세기공을 통해 수분 또는 공기의 침투가 가능하게 되어, 전지 내부에 있는 전해질을 오염시킴으로써, 전지 성능의 열화가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 케이블형 이차전지의 내부에 존재하는 전해질의 오염을 방지함으로써, 전지 성능의 열화를 방지할 수 있는 케이블형 이차전지용 패키징 및 그를 포함하는 케이블형 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 중공형의 금속박층; 상기 금속박층의 일면에 형성된 제1 고분자 수지층; 및 상기 금속박층의 타면에 형성된 제2 고분자 수지층;을 포함하되, 길이방향으로 연장되는 케이블형 이차전지용 패키징이 제공된다.
이때, 상기 금속박층은, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 그 등가물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 합금일 수 있다.
여기서, 상기 제1 고분자 수지층은, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드 및 풀루오로수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 제2 고분자 수지층은, 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르 및 풀루오로수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 폴리올레핀계 수지는, 폴리프로필렌-아크릴산 공중합체, 폴리에틸렌-아크릴산 공중합체, 염화폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원공중합체, 폴리에틸렌 및 에틸렌-프로필렌 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
그리고, 상기 제1 고분자 수지층 또는 상기 제2 고분자 수지층은, 소수성 무기물 입자를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 소수성 무기물 입자는, SiO2, Al2O3, MgO, BaTiO3, ZrO2 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
그리고, 상기 소수성 무기물 입자의 평균 입경이 1nm 내지 5㎛일 수 있다.
한편, 상기 금속박층과 상기 제1 고분자 수지층의 사이, 상기 금속박층과 상기 제2 고분자 수지층의 사이 또는 상기 금속박층과 대면하는 상기 제2 고분자 수지층의 타면에 위치하는 소수성 무기물층을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 소수성 무기물층에 포함되는 소수성 무기물 입자는, SiO2, Al2O3, MgO, BaTiO3, ZrO2 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 내부집전체, 내부전극 활물질층, 외부전극 활물질층, 상기 내부전극 활물질층과 상기 외부전극 활물질층 사이에 개재된 전해질층 및 상기 외부전극 활물질층 외부에 형성되는 외부집전체 박막을 구비하며, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 감싸며 밀착되어 형성되는 패키징;을 포함하되, 상기 패키징은, 금속박층, 상기 금속박층의 일면에 형성된 제1 고분자 수지층 및 상기 금속박층의 타면에 형성된 제2 고분자 수지층을 포함하는 케이블형 이차전지가 제공된다.
이때, 상기 외부집전체 박막은, 하프 파이프 형태 또는 메쉬 형태일 수 있다.
그리고, 상기 외부집전체 박막은, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자로 제조될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부집전체, 내부전극 활물질층, 외부전극 활물질층 및 상기 내부전극 활물질층과 상기 외부전극 활물질층 사이에 개재된 전해질층을 구비하며, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 감싸며 밀착되어 형성되는 패키징;을 포함하되, 상기 패키징은, 외부집전체 역할을 하는 금속박층, 상기 금속박층의 일면에 형성된 제1 고분자 수지층 및 상기 금속박층의 타면 중, 양 끝 단에 형성된 제2 고분자 수지층을 포함하는 케이블형 이차전지가 제공된다.
이때, 상기 내부집전체는, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자로 제조될 수 있다.
그리고, 상기 내부전극 및 외부전극은, 각각 음극 및 양극이거나, 또는 양극 및 음극일 수 있다.
그리고, 상기 내부전극 활물질층 및 외부전극 활물질층 중 일층은, 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 내부전극 활물질층 및 외부전극 활물질층 중 일층은, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi 1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서, 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 전해질층은, PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질; 및 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택되는 전해질로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 케이블형 이차전지용 패키징에 따르면, 금속박층을 포함하고 있어, 케이블형 이차전지의 내부에 존재하는 전해질의 오염을 방지함으로써, 전지 성능의 열화를 방지할 수 있고, 케이블형 이차전지의 기계적인 강도를 유지할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 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 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 케이블형 이차전지용 패키징의 사시도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 케이블형 이차전지용 패키징의 사시도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 케이블형 이차전지용 패키징의 사시도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 케이블형 이차전지용 패키징의 사시도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 케이블형 이차전지의 횡단면도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 케이블형 이차전지의 종단면도를 나타낸 도면이다.
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.
또한, 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 케이블형 이차전지용 패키징의 사시도를 나타낸 도면이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 케이블형 이차전지용 패키징의 사시도를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 케이블형 이차전지용 패키징(10)은, 중공형의 금속박층(1); 상기 금속박층(1)의 일면에 형성된 제1 고분자 수지층(2); 및 상기 금속박층(1)의 타면에 형성된 제2 고분자 수지층(3);을 포함하되, 길이방향으로 연장된 구조를 갖는다.
일반적인 고분자 재질의 튜브 패키징을 사용하게 되면, 고분자의 미세기공을 통해 수분 또는 공기의 침투가 가능하게 되어, 전지 내부에 존재하는 전해질을 오염시킴으로써, 전지 성능의 열화가 발생할 수 있지만, 상기 케이블형 이차전지용 패키징(10)은, 금속박층(1)을 포함함으로써, 수분 또는 공기가 전지의 내부로 침투하는 것을 차단할 수 있다. 이로써 전지 내부에 존재하는 전해질의 오염을 방지하고, 전지 성능의 열화를 방지할 수 있다. 아울러, 케이블형 이차전지의 기계적인 강도를 유지할 수 있게 된다.
여기서, 상기 금속박층(1)은, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 그 등가물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 합금일 수 있다. 이때 상기 금속박층(1)은 외부로부터 내부로의 수분 또는 공기가 침투하는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 예시된 군에만 한정되는 것은 아니나, 상기 금속박층(1)을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아진다. 통상적으로는, 알루미늄 금속 호일이 사용될 수 있다.
상기 제1 고분자 수지층(2)은, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드 및 풀루오로수지 등으로부터 선택되어 이루어질 수 있다.
상기 제1 고분자 수지층(2)이 최외부층으로 작용하게 되는 경우, 그 재질은 통상 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어질 수 있지만 이에만 한정하는 것은 아니다.
그리고, 상기 제1 고분자 수지층(2)은 열수축 튜브층으로 작용할 수도 있다. 열수축 튜브는 가열하면 수축하는 튜브로, 단자(端子) 또는 형태나 크기가 다른 물질을 빈틈없이 꽉 싸는데, 대개는 고분자 수지로 만들어지며 절연(絶緣)이나 그 밖의 용도로 사용된다. 이러한 열수축 튜브는 다양한 재질 및 형태를 갖는 열수축 튜브가 상용화 되어 있으므로, 본 발명의 목적에 적합한 것을 용이하게 입수하여 사용할 수 있다. 열수축 튜브는, 자동 피복 가공기를 이용해서 리튬 이온 전지에 열수축 튜브를 삽입하여, 열수축시키는 작업을 행하기 때문에, 열수축 튜브가 입구가 열린 상태로 자립(supporting itself)할 만큼의 강성을 가지고 있는 것이 필요하다. 또한, 이차전지에 열적 손상을 주지 않도록, 수축 가공의 온도를 저온으로 하는 것이 필요하며, 일반적으로는 70℃ 내지 200℃ 또는 70℃ 내지 120℃ 의 온도로 수축이 완료되는 것이 요구된다. 이러한 열수축 튜브층은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르 및 폴리비닐리덴풀루오라이드, 폴리테트라풀루오로에틸렌 등의 풀루오로수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 제2 고분자 수지층(3)은, 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르 및 풀루오로수지로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제2 고분자 수지층(3)은, 상기 제1 고분자 수지층(1)과 마찬가지로 열수축 튜브층으로 작용할 수 있으며, 그 예로는 전술한 바와 같다.
그리고, 상기 제2 고분자 수지층(3)은, 내부 절연층으로 작용할 수 있으며, 이 경우 상기 제2 고분자 수지층(3)은, 폴리프로필렌-아크릴산 공중합체, 폴리에틸렌-아크릴산 공중합체, 염화폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원공중합체, 폴리에틸렌 및 에틸렌-프로필렌 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있으나, 이에만 한정하는 것은 아니다.
한편, 상기 제1 고분자 수지층(2) 또는 상기 제2 고분자 수지층(3)은, 소수성 무기물 입자를 더 포함할 수 있다. 상기 소수성 무기물 입자의 구체적인 예로는, SiO2, Al2O3, MgO, BaTiO3, ZrO2 및 ZnO가 있으나, 이에만 한정하는 것은 아니다. 그리고, 상기 소수성 무기물 입자의 평균 입경은 1nm 내지 5㎛일 수 있다. 상기 소수성 무기물 입자를 더 포함함으로써 전지 내부에서의 절연효과를 더욱 향상시킬 수 있으며, 수분이 전지 내로 침투하는 것을 억제하여 전지 내부의 전해질 성분이 오염되는 것을 최소할 수 있어, 전지 성능 열화를 방지할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 측면에 따른 케이블형 이차전지용 패키징(11, 12, 13)은, 각각 상기 금속박층(1)과 상기 제1 고분자 수지층(2)의 사이에 소수성 무기물층(4)을 더 포함할 수도 있고, 상기 금속박층(1)과 상기 제2 고분자 수지층(3)의 사이에 소수성 무기물층(4)을 더 포함할 수도 있으며, 상기 금속박층(1)과 대면하는 상기 제2 고분자 수지층(3)의 타면에 소수성 무기물층(4)을 더 포함할 수도 있다.
상기 소수성 무기물층(4)은, 폴리프로필렌-아크릴산 공중합체, 폴리에틸렌-아크릴산 공중합체, 염화폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원공중합체, 폴리에틸렌 및 에틸렌-프로필렌 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 고분자에, 소수성 무기물 입자가 더 포함되는 것일 수 있다. 이때 사용되는 소수성 무기물 입자는 전술한 바와 같고, 상기 소수성 무기물층(4)을 더 포함함으로써 전지 내부에서의 절연효과를 더욱 향상시킬 수 있고, 수분이 전지 내로 침투하는 것을 억제하여 전지 내부의 전해질 성분이 오염되는 것을 최소화할 수 있어, 전지 성능 열화를 방지할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 케이블형 이차전지의 횡단면도를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 케이블형 이차전지의 종단면도를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 케이블형 이차전지(100)는, 내부집전체(5), 내부전극 활물질층(6), 외부전극 활물질층(8), 상기 내부전극 활물질층(6)과 상기 외부전극 활물질층(8) 사이에 개재된 전해질층(7) 및 상기 외부전극 활물질층(8) 외부에 형성되는 외부집전체 박막(9)을 구비하며, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되는 전극 조립체(20); 및 상기 전극 조립체(20)를 감싸며 밀착되어 형성되는 패키징(10);을 포함하되, 상기 패키징(10)은, 금속박층(1), 상기 금속박층(1)의 일면에 형성된 제1 고분자 수지층(2) 및 상기 금속박층(1)의 타면에 형성된 제2 고분자 수지층(3)을 포함한다. 이때 소정 형상이라 함은 특별히 형상을 제한하지 않는다는 것으로, 본 발명의 본질을 훼손하지 않는 어떠한 형상도 가능하다는 의미이다. 본 발명의 케이블형 이차전지(100)는 소정 형상의 수평 단면을 가지며, 수평 단면에 대한 길이방향으로 길게 늘어진 선형구조를 갖고, 가요성을 가지므로 변형이 자유롭다.
여기서, 상기 외부집전체 박막(9)은, 하프 파이프 형태 또는 메쉬 형태의 집전체 또는 금속 페이스트 코팅층을 사용할 수 있다.
하프 파이프 형태의 집전체를 사용하는 경우에는 상기 전극 조립체의 외면을 완전히 감쌀 수 있도록 2개 또는 3개를 상기 패키징에 접착하여 사용할 수 있다. 다만, 이때 튜브가 열수축하였을 경우를 감안하여 일정한 간격을 유지하도록 배치한다.
메쉬 형태의 집전체를 사용하는 경우에는 어느 정도의 신축성이 보장되므로 상기 전극 조립체의 외면을 완전히 감쌀 수 있도록 재단하여 사용할 수 있다.
또한, 금속 페이스트를 사용하는 경우에는 상기 패키징의 내면에 코팅하여 사용할 수 있다.
이때, 외부집전체 박막(9)은, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리 또는 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸, 알루미늄-카드뮴합금, 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자, 또는 전도성 고분자를 사용하여 제조된 것을 사용할 수 있다. 이러한 도전재로는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 구리, 은, 팔라듐 및 니켈 등이 가능하며, 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 등이 사용 가능하다.
그리고, 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 측면에 따른 케이블형 이차전지(110)는, 내부집전체(5), 내부전극 활물질층(6), 외부전극 활물질층(8) 및 상기 내부전극 활물질층(6)과 상기 외부전극 활물질층(8) 사이에 개재된 전해질층(7)을 구비하며, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 전극 조립체(21); 및 상기 전극 조립체(21)를 감싸며 밀착되어 형성되는 패키징(14);을 포함하되, 상기 패키징(14)은, 외부집전체 역할을 하는 금속박층(1), 상기 금속박층(1)의 일면에 형성된 제1 고분자 수지층(2) 및 상기 금속박층의 타면 중, 양 끝 단에 형성된 제2 고분자 수지층(3)을 포함한다.
여기서, 상기 금속박층(1)은 수분 또는 공기가 전지의 내부로 침투하는 것을 차단하고, 패키징의 기계적 강도를 유지함과 동시에, 외부집전체의 역할을 함으로써, 별도의 외부집전체가 불필요하기 때문에 경제적이다.
그리고, 상기 제2 고분자 수지층은 케이블형 이차전지의 양 끝 단에서, 열수축 튜브층 또는 내부 절연층으로 작용하기 때문에, 케이블형 이차전지의 밀봉성 또는 절연성을 향상시킨다.
이때, 상기 내부집전체(5)로는, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자 등으로 제조된 것을 사용할 수 있으며, 특별히 이에만 한정되는 것은 아니다. 상기 도전재로는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드, ITO(Indum Thin Oxide), 구리, 은, 팔라듐 및 니켈 등을 사용할 수 있으며, 특별히 이에만 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상기 전도성 고분자로는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리설퍼니트리드 등을 사용할 수 있지만, 특별히 이에만 한정되는 것은 아니다.
여기서, 상기 내부전극 및 상기 외부전극은, 각각 음극 및 양극이거나, 또는 양극 및 음극일 수 있다.
상기 내부전극 또는 상기 외부전극이 음극으로 작용하는 경우, 그 활물질층으로는, 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체 등으로 이루어진 것이 사용 가능하다.
또한, 상기 내부전극 또는 상기 외부전극이 양극으로 작용하는 경우, 그 활물질층으로는, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi 1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)이 사용 가능하다.
그리고, 상기 전해질층(7)은, PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질 또는 PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질 등이 사용 가능하다. 고체 전해질의 매트릭스(matrix)는 고분자 또는 세라믹 글라스를 기본골격으로 할 수 있다. 일반적인 고분자 전해질의 경우에는 이온전도도가 충족되더라도 반응속도적 측면에서 이온이 매우 느리게 이동할 수 있으므로, 고체인 경우보다 이온의 이동이 용이한 겔형 고분자의 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 겔형 고분자 전해질은 기계적 특성이 우수하지 않으므로 이를 보완하기 위해서 기공구조 지지체 또는 가교 고분자를 포함할 수 있다. 본 발명의 전해질층은 세퍼레이터의 역할이 가능하므로 별도의 세퍼레이터를 사용하지 않을 수 있다.
또한, 상기 전해질층(7)은 리튬염을 더 포함할 수 있다. 리튬염은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급지방족카르본산리튬 및 4페닐붕산리튬 등을 사용할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1: 금속박층 2: 제1 고분자 수지층
3: 제2 고분자 수지층 4: 소수성 무기물층
5: 내부집전체 6: 내부전극 활물질층
7: 전해질층 8: 외부전극 활물질층
9: 외부집전체 박막 10, 11, 12, 13, 14: 패키징
20, 21: 전극 조립체 100, 110: 케이블형 이차전지

Claims (20)

  1. 중공형의 금속박층;
    상기 금속박층의 일면에 형성된 제1 고분자 수지층; 및
    상기 금속박층의 타면에 형성된 제2 고분자 수지층;을 포함하되,
    길이방향으로 연장되는 케이블형 이차전지용 패키징.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속박층은, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 그 등가물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지용 패키징.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자 수지층은, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드 및 풀루오로수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지용 패키징.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 고분자 수지층은, 폴리올레핀계 수지, 폴리에스테르 및 풀루오로수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지용 패키징.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 수지는, 폴리프로필렌-아크릴산 공중합체, 폴리에틸렌-아크릴산 공중합체, 염화폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원공중합체, 폴리에틸렌 및 에틸렌-프로필렌 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지용 패키징.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자 수지층 또는 상기 제2 고분자 수지층은, 소수성 무기물 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지용 패키징.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소수성 무기물 입자는, SiO2, Al2O3, MgO, BaTiO3, ZrO2 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지용 패키징.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 소수성 무기물 입자의 평균 입경이 1nm 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지용 패키징.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속박층과 상기 제1 고분자 수지층의 사이, 상기 금속박층과 상기 제2 고분자 수지층의 사이 또는 상기 금속박층과 대면하는 상기 제2 고분자 수지층의 타면에 위치하는 소수성 무기물층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지용 패키징.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 소수성 무기물층에 포함되는 소수성 무기물 입자는, SiO2, Al2O3, MgO, BaTiO3, ZrO2 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지용 패키징.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 소수성 무기물 입자의 평균 입경이 1nm 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지용 패키징.
  12. 내부집전체, 내부전극 활물질층, 외부전극 활물질층, 상기 내부전극 활물질층과 상기 외부전극 활물질층 사이에 개재된 전해질층 및 상기 외부전극 활물질층 외부에 형성되는 외부집전체 박막을 구비하며, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이방향으로 연장되는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 감싸며 밀착되어 형성되는 패키징;을 포함하되,
    상기 패키징은, 금속박층, 상기 금속박층의 일면에 형성된 제1 고분자 수지층 및 상기 금속박층의 타면에 형성된 제2 고분자 수지층을 포함하는 케이블형 이차전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 외부집전체 박막은, 하프 파이프 형태 또는 메쉬 형태인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 외부집전체 박막은, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자로 제조된 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  15. 내부집전체, 내부전극 활물질층, 외부전극 활물질층 및 상기 내부전극 활물질층과 상기 외부전극 활물질층 사이에 개재된 전해질층을 구비하며, 소정 형상의 수평 단면을 가지고 길이 방향으로 연장된 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 감싸며 밀착되어 형성되는 패키징;을 포함하되,
    상기 패키징은, 외부집전체 역할을 하는 금속박층, 상기 금속박층의 일면에 형성된 제1 고분자 수지층 및 상기 금속박층의 타면 중, 양 끝 단에 형성된 제2 고분자 수지층을 포함하는 케이블형 이차전지.
  16. 제12항 또는 제15항에 있어서,
    상기 내부집전체는, 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리; 카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면처리된 스테인리스스틸; 알루미늄-카드뮴합금; 도전재로 표면처리된 비전도성 고분자; 또는 전도성 고분자로 제조된 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  17. 제12항 또는 제15항에 있어서,
    상기 내부전극 및 상기 외부전극은, 각각 음극 및 양극이거나, 또는 양극 및 음극인 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  18. 제12항 또는 제15항에 있어서,
    상기 내부전극 활물질층 및 상기 외부전극 활물질층 중 일층은, 천연흑연, 인조흑연, 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  19. 제12항 또는 제15항에 있어서,
    상기 내부전극 활물질층 및 상기 외부전극 활물질층 중 일층은, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi 1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서, 0 ≤ x < 0.5, 0 ≤ y < 0.5, 0 ≤ z < 0.5, x+y+z ≤ 1임)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 활물질 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
  20. 제12항 또는 제15항에 있어서,
    상기 전해질층은, PEO, PVdF, PMMA, PAN 또는 PVAC를 사용한 겔형 고분자 전해질; 및
    PEO, PPO(polypropylene oxide), PEI(polyethylene imine), PES(polyethylene sulphide) 또는 PVAc(polyvinyl acetate)를 사용한 고체 전해질; 중에서 선택되는 전해질로 이루어진 것을 특징으로 하는 케이블형 이차전지.
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