KR20140048602A - 열 안전성이 향상된 파우치형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열 안전성이 향상된 이차전지용 파우치, 이차전지 및 전지모듈에 대한 것이다.
보다 구체적으로는, 이차전지용 파우치의 외면에 내열성 폴리머로 된 내열성 코팅층을 형성함으로써, 전도성 침상 물체가 이차 전지 등의 내부로 관통시 발생할 수 있는 과열 또는 발화, 전지와 전지 사이의 단락에 의한 추가적인 열 발생시 파우치가 녹는 것을 차단하고 이로 인해 전해액 분출이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이차전지용 파우치를 이용한 이차 전지, 전지 모듈, 나아가 전지 팩의 안전성을 향상시킨다.

Description

열 안전성이 향상된 파우치형 이차전지{Pouch-Type Secondary battery having Improved Heat-Safety}
본 발명은 열 안전성이 향상된 파우치형 이차전지 및 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩에 관한 것이다.
최근 충, 방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목 받고 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.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다. 중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있으며, 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지 셀로서 주로 사용되고 있다.
특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다. 파우치형 전지케이스는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다.
중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지 셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
또한, 중대형 전지 모듈을 구성하는 전지 셀들은 충·방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으며, 그 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고 사이클 수명이 길며 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이러한 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.
한국공개특허 제10-2004-0003153호
본 발명은 내열 안전성이 향상된 이차전지용 파우치, 이를 포함하는 파우치형 이차전지, 및 전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 내열성 코팅층이 형성된 이차전지용 파우치를 제공한다.
상기 이차전지용 파우치는 열접착층인 내부층, 금속층, 및 절연성 외부층이 적층된 라미네이트 시트로 이루어지고, 외부층의 외측 표면에 외부층의 소재보다 높은 내열성을 갖는 내열성 폴리머로 된 내열성 코팅층이 형성된다.
상기 내열성 폴리머는 절연성 외부층 보다 열안정성이 높은 폴리머로서 절연성을 갖는 것이라면 당 업계에서 사용하는 것을 제한없이 사용할 수 있으며, 비제한적 예로, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰 및 이들의 혼합물 또는 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 내열성 코팅층은 파우치 케이스 전체에 형성될 수도 있으나, 적어도 인접하게 되는 이차전지와 접하는 면에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 내열성 코팅층이 형성된 파우치에 두 개의 서로 다른 극성의 전극이 세퍼레이터로 분리된 상태로 적층되어 이루어지는 전극조립체를 수납하여 이루어진 파우치형 이차전지를 제공한다.
상기 내열성 코팅층의 소재 등은 상기 설명한 바와 동일하다.
상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있고, 또한 고체 전해질을 포함하는 리튬 폴리머 전지일 수 있다.
본 발명은 더 나아가 다수의 단위셀을 직렬 또는 병렬 연결하여 형성되는 전지모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 전지모듈에서 상기 단위셀은 외부층/금속층/내부층 구조의 라미네이트 시트로 된 파우치 케이스에 전극조립체를 수납하여 이루어진 파우치형 이차전지이며, 상기 파우치 케이스의 외측 표면에 외부층의 소재보다 높은 내열성을 갖는 내열성 폴리머로 된 내열성 코팅층이 형성된다.
상기 내열성 코팅층의 소재 등은 상기 설명한 바와 동일하다. 상기 내열성 코팅층은 인접 단위셀과 접하는 면에 형성될 수 있으며, 한 곳 이상의 위치에 형성하는 것이 가능함은 물론이다.
상기 내열성 코팅층은 단위셀과 접하는 전체 면적 대비 60% 이상 형성될 수 있다.
본 발명은 내열성 코팅층을 형성함으로써 내열 안전성이 향상된 이차전지용 파우치, 이를 포함하는 파우치형 이차전지 및 전지모듈에 관한 것으로, 파우치 외부층 수지재에 비해 높은 열안전성을 갖는 폴리머를 코팅함으로써 고온에서 견딜 수 있는 환경을 형성한다. 이에, 전도성 침상 물체가 이차전지 등의 내부로 관통시 전지 사이의 단락으로 발생할 수 있는 과열 또는 발화, 기화 전해액의 외부 분출, 전도성 침상 물체와 전극의 전기적 접촉 등을 방지하여 이차전지, 전지 모듈의 안전성을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 단면도이고,
도 2는 도 1의 평면도이다.
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.
이차전지용 파우치
본 발명에 따른 이차전지용 파우치는 열접착층인 내부층, 금속층, 및 절연성 외부층이 적층된 라미네이트 시트로 이루어지고, 외부층의 외측 표면에 외부층의 소재보다 높은 내열성을 갖는 내열성 폴리머로 된 내열성 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 이차전지용 파우치는 상기 전극 조립체와 후속 공정에 의하여 내부로 유입된 전해액으로 이루어지는 전지 셀을 보호하고, 전지 셀의 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위한 것이다. 이에, 금속 박막이 내, 외부 수지층 사이에 게재된 라미네이트 시트로 형성된다.
상기 내부층은 열융착층으로서, 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene: CPP)과 같은 변성 폴리프로필렌, 폴리프로필렌과 부틸렌과 에틸렌 삼원공중합체, 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다. 상기 열접착층은 상기 금속박층의 다른 면에 대략 30∼80㎛의 두께로 코팅 또는 라미네이팅되어 있다.
상기 금속층으로는 파우치 케이스의 강도 향상 외에, 수분, 산소, 빛의 진입을 막아 내용물을 보호하는 가장 중요한 역할을 담당하고 있으며, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금, 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나, 상기 금속층을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아진다. 경량성, 신장성, 가격 및 가공의 용이성 면에서 알루미늄 금속 호일이 바람직하게 사용된다.
상기 외부층은 기재 및 보호층으로 작용하는 것으로, 전지 셀과 외부와의 절연성을 확보하게 위하여 통상 상기 외부층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET) 수지 또는 나일론(nylon) 수지 등의 절연물질로 이루어진다.
라미네이트 시트의 구체적인 예에서, 외부층/금속층/내부층(열융착층)=Ny/Al/CPP, PET/Al/CPP, PET/Al/PET/CPP, PET/Ny/Al/CPP, PET/Ny/Al/Ny/CPP, PET/Ny/Al/Ny/PE, Ny/PE/Al/LLDPE, PET/PE/Al/PET/LDPE 또는 PET/Ny/Al/LDPE/CPP로 할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 파우치에는 외부층의 외측 표면에 내열성 폴리머로 된 내열성 코팅층이 형성되어 있다.
상기 내열성 코팅층은 이차전지가 고온에서 견딜 수 있는 환경을 형성함으로써, 침상 물체에 의해 내부단락이 발생하더라도 파우치가 밀려나간 부분을 따라 발생할 수 있는 추가적인 단락을 방지할 수 있다. 즉, 침상 물체의 관통으로 전지와 전지 사이의 단락이 발생하고 이로 인한 추가적인 열이 발생하여도 내열성이 향상됨으로써 파우치가 녹는 것이 방지될 수 있다.
상기 내열성 폴리머는 외부층의 소재보다 높은 내열성을 갖는 것으로서 절연성을 갖는 것이라면 당 업계에서 사용하는 것을 제한 없이 사용할 수 있다. 비제한적인 예로, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰 및 이들의 혼합물 또는 공중합체 등을 들 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 외부층은 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어지고, 상기 내열성 폴리머는 폴리이미드 또는 폴리이미드를 포함하는 공중합체일 수 있다.
상기 폴리이미드는 폴리에틸렌테레프탈레이트보다 우수한 인장강도, 내열성 및 절연성을 가지므로 전도성 침상 물체에 의하여 발생하는 발열, 발화 및 단락과 같은 위험을 방지하는 효과가 뛰어나다.
상기 내열성 코팅층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며 예를 들어 라미네이트 시트의 최외곽에 위치하는 외부층의 일면에 얇은 두께로 코팅(coating) 또는 라미네이팅(laminating)시킬 수 있다. 즉, 상기 내열성 폴리머를 상기 외부층의 일 표면에 액상 코팅하거나, 또는 상기 내열성 폴리머를 미리 필름 형태로 만들어 각종 라미네이팅 방법에 의해 적층시킬 수도 있다. 상기 코팅층은 단일층, 복합층 모두 가능하며, 필요에 따라 선택될 수 있다.
이러한 내열성 코팅층의 두께는 전체 셀의 두께 변화에 가능한 한 많은 변화를 주지 않는 범위 내로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들면, 수백 ㎛ 이하인 것이 바람직하나, 필요에 따라 다양하게 설계할 수 있다. 바람직하게는 10 내지 100㎛의 두께로 형성되는 것이 전지 성형 후 적절하다. 상기 범위를 벗어날 경우 전지의 밀봉성을 저하시켜서 외부의 수분이 전지 내부로 침투할 수 있으며 또한 불필요한 두께의 증가로 인하여 전지의 에너지 밀도를 저하시킬 수 있다.
상기 내열성 코팅층은 파우치 전체에 균일하게 형성될 수도 있으나, 전지간 단락에 의한 열 발생을 방지하기 위해서는 적어도 파우치형 이차전지로 이용시 인접하게 되는 이차전지와 접하는 면에 코팅층이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 라미네이트 시트의 전체 두께는 통상 40 내지 120㎛이며, 상기 외부층과, 내부층은 10 내지 40㎛, 금속층은 20 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 필요에 따라 내부층, 금속층 및 외부층의 3개의 층과 코팅층 외에, 더 많은 기능층들이 더 설치될 수 있다. 또한, 많은 다른 대체 재질층으로 형성될 수 있다.
파우치형 이차전지
본 발명은 상기와 같은 구조를 가지는 이차전지용 파우치에 두 개의 서로 다른 극성의 전극이 세퍼레이터로 분리된 상태로 적층되어 이루어지는 전극조립체를 수납하여 이루어진 이차전지를 제공한다.
상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있고 특별히 제한되지 않지만 바람직하게는 고체 전해질을 포함하는 리튬 폴리머 전지일 수 있다.
상기 전극 조립체는 양극활물질을 포함하는 양극과, 음극활물질을 포함하는 음극, 및 분리막으로 구성된 것이다.
구체적으로 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
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 브티렌 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, and 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 전해액이 이용될 수도 있지만, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 바람직하게 사용될 수 있다.
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.
이하, 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 이차전지(1)는 상기 파우치 케이스(3)의 외부에 상기 살펴본 내열성 코팅층(4)를 구비한 것을 특징으로 하며, 코팅층의 형성 위치는 특별히 한정하지는 않으나, 적어도 이차전지를 연결시 전지간 대면하게 되는 면(A)에 개재하는 것이 바람직하다.
도 1의 이차전지(1)의 평면도가 도시된 도 2를 참조하면, 내열성 코팅층(4)은 파우치 케이스(3)의 넓은 표면인 수평면(A)에 형성하는 것이 전지간 단락시 열 발생에 대응하여 전지를 보호할 수 있어서 바람직하다. 코팅층(4)을 전지와 대면하게 되는 면 전체에 형성할 수도 있으나, 본 도면에서는 일부에만 형성하였는바 코팅층(4)의 면적이 너무 적으면 소망하는 내열성을 발휘할 수 없기 때문에 전지와 접하는 전체 면적 대비 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 또는 90% 이상 형성할 수 있다.
전지 모듈
본 발명은 다수의 단위셀을 직렬 또는 병렬 연결하여 형성되고, 상기 단위셀은 파우치형 이차전지이며, 상기 파우치의 외측 표면에 외부층의 소재보다 높은 내열성을 갖는 내열성 폴리머로 된 내열성 코팅층이 형성된, 전지모듈을 제공한다.
상기에서 파우치형 이차전지는 앞서 설명한 바와 같이 외부층/금속층/내부층 구조의 라미네이트 시트로 된 파우치 케이스에 전극조립체를 수납하여 이루어진다.
또한, 상기 내열성 폴리머의 소재, 내열성 코팅층의 두께는 상술한 바와 같다.
본 발명에 따른 전지 모듈에서 내열성 코팅층은 파우치 케이스의 외면 전체에 형성될 수도 있으나, 전지간 단락시 열 발생에 대응하는 측면에서 적어도 인접 단위셀과 접하는 면에는 형성되는 것이 바람직하다.
이 때, 접하는 면 전체 면적대비 적어도 60% 이상 코팅되는 것이 바람직하다.
이하, 하기의 합성예 및 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 합성예 및 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
외부층/금속층/내부층이 PET/Al/CPP의 적층 구조인 라미네이트 필름으로 파우치 케이스를 제조하였다. 내열성 폴리머로는 폴리이미드를 사용하였다.
상기 내열성 폴리머 필름을 파우치 케이스의 외측 넓은 표면에 내열성 코팅층을 형성하였다.
상기 내열성 코팅층이 형성된 파우치 케이스에 전극조립체를 수납한 후 고체전해질을 넣고 열융착하여 리튬 폴리머 전지를 제조하였다.
실시예 2
실시예 1에서 제조된 리튬 폴리머 전지 8개를 직렬연결하여 전지모듈을 제조하였다.
비교예 1
실시예 1의 내열성 코팅층이 형성되지 않은 이차전지.
비교예 2
실시예 1의 내열성 코팅층이 형성되지 않은 전지 모듈.
실험예 . 이차전지 전지 모듈의 안정성 평가
상기 제작된 실시예 및 비교예의 전지, 전지 모듈을 4.2V 전압하에 완전히 충전하고 직경 2.5~20mm 못(nail)을 이용하여 전지, 전지 모듈의 중앙 및 측면을 관통시킨 후 발화 여부를 관찰하였다. 이때 못 관통속도는 12m/min으로 실시하여 상기 실시예 및 비교예의 전지, 전지 모듈 및 전지 팩의 안정성 평가를 하였다.
평가결과, 실시예의 경우 비교예 대비 내열 안전성이 크게 향상되었다.
1: 이차전지
2: 전극조립체
3: 이차전지용 파우치 케이스
4: 내열성 코팅층

Claims (12)

  1. 열접착층인 내부층, 금속층, 및 절연성 외부층이 적층된 라미네이트 시트로 이루어지고, 외부층의 외측 표면에 외부층의 소재보다 높은 내열성을 갖는 내열성 폴리머로 된 내열성 코팅층이 형성된, 이차전지용 파우치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내열성 폴리머는 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰 및 이들의 혼합물 또는 공중합체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는, 이차전지용 파우치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외부층은 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어지고, 상기 내열성 폴리머는 폴리이미드 또는 폴리이미드를 포함하는 공중합체인 것을 특징으로 하는, 이차전지용 파우치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내열성 코팅층은 인접하게 되는 이차전지와 접하는 면에 형성된 것을 특징으로 하는, 이차전지용 파우치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 파우치에, 두 개의 서로 다른 극성의 전극이 세퍼레이터로 분리된 상태로 적층되어 이루어지는 전극조립체를 수납하여 이루어진 파우치형 이차전지.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 이차전지는 고체 전해질을 포함하는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  7. 다수의 단위셀을 직렬 또는 병렬 연결하여 형성되고,
    상기 단위셀은 외부층/금속층/내부층 구조의 라미네이트 시트로 된 파우치 케이스에 전극조립체를 수납하여 이루어진 파우치형 이차전지이며,
    상기 파우치 케이스의 외측 표면에 외부층의 소재보다 높은 내열성을 갖는 내열성 폴리머로 된 내열성 코팅층이 형성된, 전지모듈.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 내열성 폴리머는 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 및 이들의 혼합물 또는 공중합체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는, 전지모듈.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 외부층은 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어지고, 상기 내열성 폴리머는 폴리이미드 또는 폴리이미드를 포함하는 공중합체인 것을 특징으로 하는, 전지모듈.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 내열성 코팅층은 인접 단위셀과 접하는 면에 형성된 것을 특징으로 하는, 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 내열성 코팅층은 단위셀과 접하는 전체 면적 대비 60% 이상 형성된 것을 특징으로 하는, 전지모듈.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 단위셀은 고체 전해질을 포함하는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
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