KR20150004678A - 리튬 파우치형 전지 - Google Patents

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KR20150004678A
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negative electrode
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김천수
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Abstract

양극, 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 그리고 상기 전극 조립체의 외면에 부착된 오리엔티드 폴리스티렌(oriented polystyrene, OPS) 필름을 포함하고, 상기 세퍼레이터는 다공성 기재 및 상기 다공성 기재의 적어도 일면에 형성되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 폴리머, 세라믹 또는 이들의 조합을 포함하는 리튬 파우치형 전지가 제공된다.

Description

리튬 파우치형 전지{LITHIUM POUCH TYPE BATTERY}
리튬 파우치형 전지에 관한 것이다.
최근의 휴대용 소형 전자기기의 전원으로서 각광받고 있는 리튬 파우치형 전지는 유기 전해액을 사용함에 따라, 기존의 알칼리 수용액을 사용한 전지보다 2배 이상의 높은 방전 전압을 나타내며, 그 결과 높은 에너지 밀도를 나타내는 전지이다.
리튬 파우치형 전지는 전극 조립체를 케이스 내부에 수납하고 전해액을 주입하여 밀폐시킨 것이 사용된다. 상기 전극 조립체는 양극과 음극 사이에 세러페이터를 개재시켜 이들을 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 권취함으로써 형성될 수 있다.
상기 전극 조립체는 마감되는 부분을 고정시키기 위하여 전극 조립체의 외부 단면에 마감재가 사용되고, 마감재가 부착된 전극 조립체는 케이스에 수납되고, 내부로 전해액이 주입된 후 밀봉된다.
이러한 리튬 파우치형 전지는 외부의 충격에 약하여 전지의 안정성 저하가 발생할 수 있다.
일 구현예는 외부의 충격에 강하여 안정성이 우수한 리튬 파우치형 전지를 제공하기 위한 것이다.
일 구현예는 양극, 음극, 그리고 상기 양극 및 상기 음극 사이에 위치한 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 외면에 부착된 오리엔티드 폴리스티렌(oriented polystyrene, OPS) 필름을 포함하고, 상기 세퍼레이터는 다공성 기재 및 상기 다공성 기재의 적어도 일면에 형성되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 폴리머, 세라믹 또는 이들의 조합을 포함하는 리튬 파우치형 전지를 제공한다.
상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름은 상기 전극 조립체의 일면이 개방된 형태로 부착될 수 있다.
상기 전극 조립체는 상기 양극, 상기 세퍼레이터 및 상기 음극이 순차적으로 감겨져 있는 젤리-롤 형태를 가질 수 있고, 상기 세퍼레이터는 상기 양극 및 상기 음극 대비 1회 더 감겨져 있을 수 있다.
상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름의 외측 접착력이 내측 접착력보다 강할 수 있다.
상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름의 접착강도는 0.5 내지 8 kgf/cm2 일 수 있다.
상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름의 연신율은 10 내지 400 kgf/cm2 일 수 있다.
상기 폴리머는 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 아라미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리이미드 수지 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVdF-HFP) 공중합체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 세라믹은 Al2O3, MgO, TiO2, Al(OH)3, Mg(OH)2, Ti(OH)4 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 코팅층의 두께는 0.1 내지 6 ㎛ 일 수 있다.
상기 리튬 파우치형 전지는 상기 전극 조립체를 수납하는 파우치 케이스; 및 상기 파우치 케이스 내부로 주입되는 폴리머 전해질을 더 포함할 수 있다.
상기 폴리머 전해질은 C1 내지 C10 알킬 프로피오네이트를 포함할 수 있다.
기타 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
외부의 충격에 강하여 안정성이 우수한 리튬 파우치형 전지를 구현할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 파우치형 전지를 보여주는 개략도이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 리튬 파우치형 전지의 자유 낙하 실험의 비모수적 생존 그래프(nonparametric survival plot)이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 　다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
일 구현예에 따른 리튬 파우치형 전지에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 리튬 파우치형 전지를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 리튬 파우치형 전지(100)는 전극 조립체(10), 상기 전극 조립체(10)의 외면에 부착된 마감재(15), 상기 전극 조립체(10)를 담고 있는 파우치 케이스(20), 그리고 상기 전극 조립체(10)에서 형성된 전류를 외부로 유도하기 위한 전기적 통로 역할을 하는 전극탭(13)을 포함할 수 있다. 상기 파우치 케이스(20)의 두 면은 서로 마주보는 면을 겹쳐 밀봉하게 된다. 또한 상기 전극 조립체(10)를 담고 있는 파우치 케이스(20) 내부로 폴리머 전해질이 주입된다.
상기 전극 조립체(10)는 양극, 상기 양극과 대향하는 음극, 그리고 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되어 있는 세퍼레이터로 구성된다. 상기 세퍼레이터는 다공성 기재 및 상기 다공성 기재의 적어도 일면에 형성되는 코팅층을 포함할 수 있다.
또한 상기 전극 조립체(10)는 상기 양극, 상기 세퍼레이터 및 상기 음극이 순차적으로 감겨져 있는 젤리-롤 형태를 가질 수 있다.
상기 마감재(15)는 오리엔티드 폴리스티렌(oriented polystyrene, OPS) 필름이 사용될 수 있다. 상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름은 성형시의 용융 온도 및 용융 점도가 낮아 성형하기 쉬운 물질이다. 상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름이 상기 전극 조립체의 외면에 부착될 경우, 상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름의 열 가압(heat press)시 접착성을 가짐에 따라 권치된 전극 조립체가 풀리지 않도록 젤리-롤 형태를 안정적으로 유지할 수 있다. 뿐만 아니라 상기 전극 조립체가 파우치 케이스(20)에 밀착되어 이들 사이의 밀착력이 강화될 수 있다. 이에 따라, 외부 충격에도 전극 조립체의 젤리-롤 형태가 안정적으로 유지되고 파우치 케이스(20) 내부에서의 전극 조립체의 유동성도 크지 않게 된다.
상기 전극 조립체의 젤리-롤 형태가 변형되거나 상기 파우치 케이스 내부에서의 전극 조립체의 유동성이 커질 경우, 전지의 내부 단락이 발생하고, 그에 따라 전지의 성능이 저하된다. 일 구현예에 따르면, 외부 충격에도 상기 전극 조립체의 젤리-롤 형태가 안정적으로 유지되고 상기 파우치 케이스 내부에서의 전극 조립체의 유동이 방지되므로, 전지의 성능 저하를 막을 수 있다.
상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름은 외측 접착력이 내측 접착력보다 강할 수 있다.
상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름의 접착강도는 0.5 내지 8 kgf/cm2 일 수 있고, 구체적으로는 0.5 내지 5 kgf/cm2 일 수 있다. 상기 범위 내의 접착강도를 가질 경우 열 가압(heat press)시 형성되는 우수한 접착성을 얻을 수 있다.
상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름의 연신율은 10 내지 400 kgf/cm2 일 수 있고, 구체적으로는 50 내지 200 kgf/cm2 일 수 있다. 상기 범위 내의 연신율을 가질 경우 열 가압(heat press)시 형성되는 우수한 접착성을 얻을 수 있다.
상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름은 상기 전극 조립체의 외면에 부착될 때, 상기 전극 조립체의 일면이 개방된 형태로 부착될 수 있다. 구체적으로는, 탈기(degas) 공정시 파우치 케이스 내부에서 배출된 가스를 유입하는 가스 룸(gas room)과 대응하는, 상기 전극 조립체의 일면이 개방된 형태로 부착될 수 있다. 이는 탈기(degas) 공정시 가스의 배출을 위한 통로를 확보하기 위함이다.
상기 세퍼레이터는 다공성 기재 및 상기 다공성 기재의 적어도 일면에 형성되는 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 다공성 기재는 폴리올레핀 수지를 사용할 수 있다. 상기 폴리올레핀 수지의 예로는, 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
상기 코팅층은 폴리머, 세라믹 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
전술한 마감재, 구체적으로 오리엔티드 폴리스티렌 필름의 열 가압(heat press)시 상기 코팅층도 접착성이 생기며, 이에 따라 권치된 조립체가 풀리지 않도록 젤리-롤 형태가 안정화될 수 있다. 이와 같이 일 구현예에 따르면, 상기 전극 조립체의 외면에 부착된 상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름과 상기 다공성 기재의 표면에 상기 코팅층으로 코팅된 세퍼레이터로 인하여, 이중적으로 상기 전극 조립체의 젤리-롤 형태를 안정적으로 유지하게 된다.
상기 전극 조립체는 상기 양극, 상기 세퍼레이터 및 상기 음극이 순차적으로 감겨져 있는 젤리-롤 형태를 가지는데, 이때 상기 세퍼레이터는 상기 양극 및 상기 음극 대비 1회 더 감겨져 있을 수 있다. 상기 세퍼레이터가 1회 더 감길 경우, 상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름의 열 가압시 생기는 세퍼레이터의 접착성으로 인하여, 1회 더 감긴 부분에 접착성을 추가적으로 부여하게 된다. 이로 인하여, 상기 세퍼레이터가 1회 더 감긴 형태의 전극 조립체는 상기 파우치 케이스와의 밀착력이 더욱 강화될 수 있고, 따라서 상기 파우치 케이스 내부에서의 상기 전극 조립체의 유동을 방지할 수 있다. 이와 같이 일 구현예에 따르면, 상기 전극 조립체의 외면에 부착된 상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름과 상기 세퍼레이터가 1회 더 감긴 형태로 인하여, 이중적으로 상기 전극 조립체의 젤리-롤 형태를 안정적으로 유지할 뿐 아니라, 상기 파우치 케이스 내부에서의 상기 전극 조립체의 유동성을 최소화시킬 수 있다.
전지의 과충전이나 고온 방치와 같은 환경에서는 전지 내부의 압력 및 온도가 상승함에 따라 가스가 발생하는데, 이러한 가스를 배출시켜 전지의 팽창 및 폭발 문제를 방지할 수 있다. 이에 따라 전극 조립체의 외면에 마감재를 부착한 후 탈기(degas) 공정을 수행하며, 탈기(degas)시 파우치 케이스 내부가 부풀려져야 한다. 이를 위해 전극 조립체의 외면에 마감재를 부착하는 경우 주로 전극 조립체의 권취 시 세퍼레이터를 1회 더 감아준다. 이 경우 일 구현예에 따른 세퍼레이터를 사용하면 세퍼레이터 자체의 접착성이 있으므로 마감재 역할을 할 수 있다. 이에 따라 파우치 케이스 내부에서의 전극 조립체의 유동을 방지할 수 있다.
상기 코팅층을 구성하는 상기 폴리머는 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 아라미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리이미드 수지 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 상기 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자의 예로는, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVdF-HFP) 공중합체, 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
상기 세라믹은 Al2O3, MgO, TiO2, Al(OH)3, Mg(OH)2, Ti(OH)4 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 코팅층의 두께는 0.1 내지 6 ㎛ 일 수 있고, 구체적으로는 2 내지 4 ㎛ 일 수 있다. 상기 코팅층이 상기 범위 내의 두께를 가지는 경우 전지의 낙하시와 같은 외부 충격에도 전극 조립체의 젤리-롤 형태가 그대로 유지되면서 파우치 케이스 내부에서의 전극 조립체의 유동을 방지할 수 있는 정도의 접착성을 얻을 수 있다.
상기 전극 조립체를 구성하는 상기 양극은 집전체 및 상기 집전체에 형성되는 양극 활물질 층을 포함한다. 상기 양극 활물질 층은 양극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 포함한다.
상기 집전체로는 Al(알루미늄)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈 또는 이들의 조합의 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다:
LiaA1 - bBbD2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaE1 -bBbO2-cDc(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiE2-bBbO4-cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1 -b- cCobBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cCobBcO2-αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cCobBcO2 -αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcDα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 -αFα(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1 -b- cMnbBcO2 -αF2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0.001 ≤ d ≤ 0.1이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.1이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.8, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiIO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); 및 LiFePO4.
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn 또는 이들의 조합이고; B는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; E는 Co, Mn 또는 이들의 조합이고; F는 F, S, P 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V 또는 이들의 조합이고; Q는 Ti, Mo, Mn 또는 이들의 조합이고; I는 Cr, V, Fe, Sc, Y 또는 이들의 조합이고; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu 또는 이들의 조합일 수 있다.
물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 및 코팅 원소의 하이드록시카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 양극 활물질을 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 구체적인 예로는 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 디아세틸셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 1종 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 전극 조립체를 구성하는 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 접전체 위에 형성되어 있는 음극 활물질 층을 포함한다.
상기 음극 집전체는 구리 박을 사용할 수 있다.
상기 음극 활물질 층은 음극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 포함한다.
상기 음극 활물질로는 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질, 또는 전이 금속 산화물을 포함한다.
상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소 물질로서, 리튬 파우치형 전지에서 일반적으로 사용되는 탄소계 음극 활물질은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들을 함께 사용할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 무정형, 판상, 린편상(flake), 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본(soft carbon: 저온 소성 탄소) 또는 하드 카본(hard carbon), 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.
상기 리튬 금속의 합금으로는 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al 및 Sn으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 합금이 사용될 수 있다.
상기 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 물질로는 Si, SiOx(0 < x < 2), Si-C 복합체, Si-Y 합금(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si은 아님), Sn, SnO2, Sn-C 복합체, Sn-Y(상기 Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 내지 16족 원소, 전이금속, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Sn은 아님) 등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 원소 Y로는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 전이 금속 산화물로는 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등을 들 수 있다.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극 활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.
상기 음극 및 상기 양극은 각각 활물질, 도전재 및 바인더를 용매 중에서 혼합하여 활물질 조성물을 제조하고, 이 조성물을 집전체에 도포하여 제조한다.
이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전극 조립체를 수납하고 있는 파우치 케이스 내부로 폴리머 전해질이 주입된다.
상기 폴리머 전해질은 알킬 프로피오네이트를 포함할 수 있다. 상기 알킬 프로피오네이트는 상기 세퍼레이터를 구성하는 코팅층의 폴리머와 상용성이 우수하여, 상기 전극 조립체를 잘 함침시킬 수 있다. 이로 인하여 과충전 특성이 우수한 리튬 파우치형 전지를 구현할 수 있다.
상기 알킬 프로피오네이트에서 상기 알킬은 C1 내지 C10의 알킬일 수 있고, 구체적으로는 C1 내지 C5의 알킬일 수 있다.
상기 알킬 프로피오네이트는 구체적으로 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트 및 이들의 조합 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있다. 이들은 점도가 낮아서 상기 세퍼레이터를 구성하는 상기 코팅층의 폴리머와의 상용성이 더욱 우수하며, 이에 따라 과충전시 수명 특성이 개선될 수 있다.
상기 알킬 프로피오네이트는 상기 폴리머 전해질의 총량에 대하여 10 내지 70 부피%로 포함될 수 있고, 구체적으로는 20 내지 70 부피%로 포함될 수 있고, 더욱 구체적으로는 40 내지 60 부피%로 포함될 수 있다. 상기 알킬 프로피오네이트가 상기 함량 범위로 상기 폴리머 전해질에 첨가될 경우, 과충전 특성이 우수한 리튬 파우치형 전지를 구현할 수 있다.
상기 전해액은 상기 알킬 프로피오네이트 외에 리튬염과 비수성 유기 용매를 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수성 유기 용매에 용해되어, 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 파우치형 전지의 작동을 가능하게 하고, 상기 양극과 상기 음극 사이의 리튬 이온의 이동을 촉진하는 역할을 하는 물질이다.
상기 리튬염은 구체적으로 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiN(SO3C2F5)2, LiC4F9SO3, LiClO4, LiAlO2, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2)(CyF2y +1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임), LiCl, LiI, LiB(C2O4)2(리튬 비스옥살레이토 보레이트(lithium bis(oxalato) borate; LiBOB), 및 이들의 조합 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있다.
상기 리튬염의 농도는 약 0.1M 내지 약 2.0M 범위 내에서 사용할 수 있다. 상기 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면 상기 전해액이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해액 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 비수성 유기 용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. 상기 비수성 유기 용매는 카보네이트계 용매, 에스테르계 용매, 에테르계 용매, 케톤계 용매, 알코올계 용매, 비양성자성 용매 및 이들의 조합 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있다.
상기 카보네이트계 용매로는 예컨대 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 메틸프로필 카보네이트(methylpropyl carbonate, MPC), 에틸프로필 카보네이트(ethylpropyl carbonate, EPC), 메틸에틸 카보네이트(methylethyl carbonate, MEC), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate, EMC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 부틸렌 카보네이트(butylene carbonate, BC) 등이 사용될 수 있다.
구체적으로 사슬형 카보네이트 화합물 및 환형 카보네이트 화합물을 혼합하여 사용할 수 있으며, 이 경우 유전율을 높이는 동시에 점성이 작은 용매로 제조될 수 있다. 이 경우 환형 카보네이트 화합물 및 사슬형 카보네이트 화합물은 약 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 카보네이트계 용매와 전술한 알킬 프로피오네이트는 4:6 내지 6:6의 부피비로 혼합될 수 있다. 상기 부피비 범위 내로 혼합될 경우 과충전시 수명 특성이 우수한 리튬 파우치형 전지를 구현할 수 있다.
상기 에스테르계 용매로는 예컨대 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, n-프로필아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등이 사용될 수 있다.
상기 에테르계 용매로는 예컨대 디부틸에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있다.
상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다.
상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있다.
상기 비수성 유기 용매는 단독 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있다.
상기 전해액은 에틸렌카보네이트, 피로카보네이트 등의 과충전 방지제와 같은 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 　다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
실시예 1
LiCoO2, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 및 카본블랙을 각각 97:1.5:1.5의 중량비로 혼합하여, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 활물질 층 조성물을 제조하였다. 상기 양극 활물질 층 조성물을 두께 12 ㎛의 알루미늄 호일에 코팅하여 건조 및 압연 후 양극을 제조하였다.
흑연 및 스티렌-부타디엔 러버를 98:2의 중량비로 혼합하여, 물에 분산시켜 음극 활물질 층 조성물을 제조하였다. 상기 음극 활물질 층 조성물을 두께 8 ㎛의 구리 호일에 코팅하여 건조 및 압연 후 음극을 제조하였다.
에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸 프로피오네이트(EP)의 혼합 부피비가 3:1:6인 혼합 용액에 1.1M 농도의 LiPF6를 용해하여 폴리머 전해질을 제조하였다.
폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF) 및 N-메틸피롤리돈을 포함하는 코팅층 조성물을 제조하고, 상기 코팅층 조성물을 폴리에틸렌 기재의 일면에 도포하여 코팅층을 3㎛ 두께로 형성하여, 세퍼레이터를 제조하였다.
상기 제조된 양극, 세퍼레이터 및 음극을 권취하여 젤리-롤 형태의 전극 조립체를 제조하였다. 상기 전극 조립체는 상기 세퍼레이터가 상기 양극 및 상기 음극 대비 1회 더 감기어 형성되었다. 상기 전극 조립체의 외면에 오리엔티드 폴리스티렌 필름을 부착하되, 일면이 개방된 형태로 부착하였다.
상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름으로 마감된 상기 전극 조립체를 파우치 케이스 내에 수납하고 상기 폴리머 전해질을 주입하여 밀봉하여, 리튬 파우치형 전지를 제작하였다.
비교예 1
LiCoO2, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 및 카본블랙을 각각 97:1.5:1.5의 중량비로 혼합하여, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 양극 활물질 층 조성물을 제조하였다. 상기 양극 활물질 층 조성물을 두께 12 ㎛의 알루미늄 호일에 코팅하여 건조 및 압연 후 양극을 제조하였다.
흑연 및 스티렌-부타디엔 러버를 98:2의 중량비로 혼합하여, 물에 분산시켜 음극 활물질 층 조성물을 제조하였다. 상기 음극 활물질 층 조성물을 두께 8 ㎛의 구리 호일에 코팅하여 건조 및 압연 후 음극을 제조하였다.
에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸 프로피오네이트(EP)의 혼합 부피비가 3:1:6인 혼합 용액에 1.1M 농도의 LiPF6를 용해하여 폴리머 전해질을 제조하였다.
상기 제조된 양극 및 음극과, 폴리에틸렌 재질의 세퍼레이터를 권취하여 젤리-롤 형태의 전극 조립체를 제조하였다. 상기 전극 조립체를 파우치 케이스 내에 수납하고 상기 폴리머 전해질을 주입하여 밀봉하여, 리튬 파우치형 전지를 제작하고, 보호 회로(PCM) 및 2차 소자를 용접하고 스테인레스(SUS) 케이스를 외장으로 하여 팩(pack)을 제작하였다.
평가 1: 리튬 파우치형 전지의 낙하 특성
약 140g의 아세탈로 만든 케이스에 실시예 1 및 비교예 1의 리튬 파우치형 전지 팩(pack)을 넣고 상하 케이스를 나사로 조인 후, 1m 높이에서 랜덤 자유 낙하(random free fall)를 50회씩 수행한 후 내부 쇼트(short)에 의한 발열이 발생하는 횟수를 확인하였다. 50회 마다 케이스를 분리하여 팩의 발열을 확인하였고, 발열이 확인된 자유 낙하 횟수를 하기 표 1에 나타내었다.
　 비교예 1 실시예 1
팩 #1 50회 500회
팩 #2 50회 500회
팩 #3 100회 500회
팩 #4 100회 350회
팩 #5 250회 500회
상기 표 1을 통하여, 일 구현예에 따라 코팅층을 포함하는 세퍼레이터와 OPS 필름을 포함하는 실시예 1의 리튬 파우치형 전지는 비교예 1 대비 낙하 특성이 우수하게 나타남에 따라, 외부의 충격에 강하여 안정성이 우수함을 알 수 있다.
또한 이에 대한 실시예 1 및 비교예 1의 리튬 파우치형 전지에 대한 비모수적 생존(nonparametric survival) 분석을 측정하여, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 리튬 파우치형 전지의 자유 낙하 실험의 비모수적 생존 그래프(nonparametric survival plot)이다.
도 2를 참고하면, 비교예 1의 경우 발열이 확인된 자유 낙하의 평균 횟수는 110회이고, 실시예 1의 경우 발열이 확인된 자유 낙하의 평균 횟수는 470회임에 따라, 실시예 1의 경우 낙하 특성이 크게 개선됨을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 리튬 파우치형 전지
10: 전극 조립체
20: 파우치 케이스
13: 전극탭
15: 마감재

Claims (12)

  1. 양극, 음극, 그리고 상기 양극 및 상기 음극 사이에 위치한 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체의 외면에 부착된 오리엔티드 폴리스티렌(oriented polystyrene, OPS) 필름을 포함하고,
    상기 세퍼레이터는 다공성 기재 및 상기 다공성 기재의 적어도 일면에 형성되는 코팅층을 포함하고,
    상기 코팅층은 폴리머, 세라믹 또는 이들의 조합을 포함하는
    리튬 파우치형 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름은 상기 전극 조립체의 일면이 개방된 형태로 부착된 리튬 파우치형 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 양극, 상기 세퍼레이터 및 상기 음극이 순차적으로 감겨져 있는 젤리-롤 형태를 가지고,
    상기 세퍼레이터는 상기 양극 및 상기 음극 대비 1회 더 감겨져 있는 리튬 파우치형 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름의 외측 접착력이 내측 접착력보다 강한 리튬 파우치형 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름의 접착강도는 0.5 내지 8 kgf/cm2 인 리튬 파우치형 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 오리엔티드 폴리스티렌 필름의 연신율은 10 내지 400 kgf/cm2 인 리튬 파우치형 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머는 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 아라미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리이미드 수지 또는 이들의 조합을 포함하는 리튬 파우치형 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVdF-HFP) 공중합체, 또는 이들의 조합을 포함하는 리튬 파우치형 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹은 Al2O3, MgO, TiO2, Al(OH)3, Mg(OH)2, Ti(OH)4 또는 이들의 조합을 포함하는 리튬 파우치형 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층의 두께는 0.1 내지 6 ㎛ 인 리튬 파우치형 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 파우치형 전지는
    상기 전극 조립체를 수납하는 파우치 케이스; 및
    상기 파우치 케이스 내부로 주입되는 폴리머 전해질
    을 더 포함하는 리튬 파우치형 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 폴리머 전해질은 C1 내지 C10 알킬 프로피오네이트를 포함하는 리튬 파우치형 전지.
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