KR20150050150A - 상 변환 물질을 포함하는 리튬 이차전지 외장재 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 외부 수지층 및 내부 수지층, 상기 수지층 사이에 개재된 알루미늄층을 포함하는 이차전지 외장재에 있어서, 상기 내부 수지층은 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체의 혼합물을 포함하는 이차전지 외장재를 제공한다.
더하여, 상기 이차전지 외장재 및 전극 조립체가 상기 조립체로부터 인출되는 전극 리드 및 상기 전극 리드 상에 코팅된 절연필름을 포함하되, 상기 절연 필름은 제2 상 변환 물질 및 제2 담지체의 혼합물을 포함하는 것인 이차전지를 제공하여 고온에서도 전지 내부의 온도를 일정하게 유지하여 사이클 성능을 개선 할 수 있는 리튬 이차전지를 제공한다.
더하여, 상기 이차전지 외장재 및 전극 조립체가 상기 조립체로부터 인출되는 전극 리드 및 상기 전극 리드 상에 코팅된 절연필름을 포함하되, 상기 절연 필름은 제2 상 변환 물질 및 제2 담지체의 혼합물을 포함하는 것인 이차전지를 제공하여 고온에서도 전지 내부의 온도를 일정하게 유지하여 사이클 성능을 개선 할 수 있는 리튬 이차전지를 제공한다.
Description
본 발명은 상 변환 물질 및 담지체를 내부수지층에 포함하는 리튬 이차전지 외장재 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
최근 자동차 및 전력저장장치를 위한 고용량 전지의 요구가 급증하고 있는 상황에서 가벼우면서도 에너지 효율이 좋아 고용량을 달성할 수 있는 리튬 이차전지가 그 대상으로서 주목을 받고 있다. 그러나 통상적으로 고용량 전지는 발열량이 높으며 절연이 불량할 경우 그 안전성의 문제가 저용량 전지의 경우보다 훨씬 크다는 단점이 있다.
특히, 파우치형 전지는 알루미늄(Al) 등을 외장재로 사용한 각형 전지와 달리 수분침투 방지 및 절연성 보장을 위해 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 재질로 된 필름을 사용하고 있는데, 이러한 재질들은 대부분 열전도성이 낮아 전지 내부에서 발생한 열을 빠르게 외부로 방출할 수 없어 전지의 수명을 저하시키는 요인이 되고 있다. 또한, 전기전도성이 높은 물질이 외부와 직접적으로 접촉할 경우 안전성에도 문제가 발생할 수 있다.
일반적으로 이차전지는 상온(약 20~30℃)에서 가장 좋은 성능을 발휘할 수 있으며, 이에, 저온에서의 낮은 용량 발현과 고온 사이클 진행시 빠른 용량 퇴화는 이차전지의 큰 문제점 중의 하나였다. 따라서, 전지의 내부의 온도를 일정하게 유기시키기 위한 다양한 연구가 진행되어 왔으며 이에 따라 이차전지의 작동시 전지의 효율 및 안정성 확보를 위하여 전지 내부의 온도 변화를 최소화 하기 위한 기술의 개발이 요구되어 왔다.
본 발명은 상기 이차전지의 내부 온도변화를 최소화 하기 위하여 이차전지 외장재를 이루는 내부 수지층에 상 변환 물질 및 담지체를 포함하여, 특정 온도에서 고체에서 액체로의 상 전이를 일으키며 이 때, 높은 잠열을 가져 충방전시 발생하는 열을 상 변환 물질이 흡수하거나, 저온시 축적된 열을 방출하여 이차전지의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 이차전지 외장재 및 상 변환물질 및 담지체를 포함하는 이차전지를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 외부 수지층 및 내부 수지층, 상기 수지층 사이에 개재된 알루미늄층을 포함하는 이차전지 외장재에 있어서, 상기 내부 수지층은 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체의 혼합물을 포함하는 이차전지 외장재를 제공한다. 더하여, 상기 이차전지 외장재 및 상기 이차전지 외장재에 수납되는 전극 조립체를 포함하고, 상기 전극 조립체가 상기 조립체로부터 인출되는 전극 리드 및 상기 전극 리드 상에 코팅된 절연필름을 포함하되, 상기 절연 필름은 제2 상 변환 물질 및 제2 담지체의 혼합물을 포함하는 것인 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 외장재는 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체를 내부수지층에 포함하여 이차전지에서 발생되는 열을 흡수하거나 방출하여, 이차전지가 효과적으로 작동될 수 있는 온도인 상온(20~30℃)을 오랫동안 유지하거나, 고온 사이클 진행시 상 변환 물질이 온도를 흡수하여 이차전지 셀 전체의 온도를 낮추거나 저온 방전시 상 변환 물질이 흡수한 열을 방출하여 이차전지 셀의 온도를 높여 수명과 출력 특성 등 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 모식도이다.
도 3a 및 도 3b는 실시예 및 비교예의 이차전지에 대하여 고온 싸이클 진행시의 성능 측정에 관한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 실시예 및 비교예의 이차전지에 대하여 nail test시의 온도 측정 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예의 이차전지에 따른 SOC 출력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 모식도이다.
도 3a 및 도 3b는 실시예 및 비교예의 이차전지에 대하여 고온 싸이클 진행시의 성능 측정에 관한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 실시예 및 비교예의 이차전지에 대하여 nail test시의 온도 측정 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예의 이차전지에 따른 SOC 출력 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 외장재는 내부수지층 및 외부수치층을 구비하고, 상기 수지층 사이에 알루미늄층을 개재한 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 내부수지층이 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체의 혼합물을 포함하는 이차전지 외장재일 수 있다.
일반적으로, 이차전지는 상온(20~30℃)에서 가장 높은 성능을 발휘할 수 있으며, 저온에서는 리튬 금속이온의 이동이 원활하지 못하여 낮은 용량발현이 생기고, 고온에서는 충방전 사이클 진행시 빠른 용량 퇴화를 수반하게 된다.
이에 이차전지의 성능을 발현하기 위한 최적 온도설정을 위하여 BMS등의 추가 설계 등이 고려될 수 있으나 비용면에서 바람직하지 못한 점이 많았다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 외장재는 상기 상 변환 물질을 포함하여, 고온에서는 열을 흡수하고, 저온에서는 열을 방출하여 이차전지의 내부 온도를 유지함으로써, 안정성 향상 및 높은 용량 유지율을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 외장재의 모식도이다.
도 1을 참조하여 상기 이차전지 외장재(100)를 더욱 구체적으로 살펴보면, 상부 시트(110a) 및 하부 시트(110b)로 이루어질 수 있고, 전극조립체를 수용부(130)가 제공되며, 전체적으로 파우치 형상이다.
이러한 파우치형 외장재(100)의 상부 시트(110a) 및 하부 시트(110b)는 외부 수지층(11), 금속박층(13) 및 내부수지층(15)이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
상기 내부수지층(15)은 무연신 폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체, 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물 등으로 형성될 수 있다.
상기 내부수지층(15)의 두께는 10 ㎛ 내지 80 ㎛일 수 있다. 상기 내부수지층(15)의 두께가 10 ㎛ 미만인 경우에는 층간 접착이 용이하지 않을 수 있고, 80 ㎛를 초과하는 경우에는 층간 접착시 많은 에너지가 소모될 수 있다.
상기 금속박층(13)은 적정 두께를 유지하고 외부로부터 내부로 수증기, 가스가 침투하는 것을 방지하며, 전해액의 누수를 방지하는 역할을 한다. 상기 금속박층으로는 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금, 알루미늄(Al) 또는 그 등가물중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나, 상기 금속박층(13)을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아진다. 본 발명의 도 1에 따른 실시예의 경우 상기 금속박층(13)은 알루미늄박으로 형성될 수 있다.
상기 외부수지층(11)은 폴리에틸렌, 폴리페닐렌에테르, 폴리이미드, 폴리프로필렌, 캐스티드 폴리프로필렌, 폴리에테르텔레프탈라이트, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물 등으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 외부수지층(11)의 두께는 1 ㎛ 내지 20 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 외부수지층(11)의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 외부수지층(11)의 두께가 너무 얇아 금소박층(13)을 보호할 수 없으며 융착시 외부수지층(11)이 절단될 수 있고, 20 ㎛를 초과하는 경우에는 파우치형 외장재(100)간의 융착이 잘 이루어지지 않을 수 있다.
상기 내부 수지층(15)에는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체의 혼합물을 포함할 수 있다. 즉 도1에 따르는 경우 내부수지층의 상부(110a) 및 내부(110b)의 빗금이 표시된 부분에 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체의 혼합물이 포함될 수 있다.
상기 제1 상 변환 물질은 고체에서 액체로의 상 변화를 통하여 이차전지 내부에서 발생하는 열을 흡수하거나, 저온시 흡수했던 열을 방출할 수 있다. 특히, 고체에서 액체로의 상 변화는 부피 변화가 작기 때문에 이차전지의 두께를 크게 변화시키지 않으면서도, 온도 유지가 가능할 수 있다.
상기 제1 상 변환 물질은 예를 들면, 파라핀 왁스, 폴리에틸렌글리콜, 노나데칸으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. 이러한 상 변환 물질은 이차전지가 최적의 성능을 발현할 수 있는, 상온(20~30℃)에서 상 변환이 일어나야하며, 또한 상 변환 시 높은 잠열을 가져야 한다. 따라서 제1 상 변환 물질은 25~30℃ 온도에서 고체에서 액체로의 상 전이가 일어나며, 상 변환시 180~195kJ/kg의 잠열을 가질 수 있다.
상기 상 변환 물질은 3㎛ 내지 10㎛의 입경을 가지는 것이 바람직하다. 온도 변화에 따른 반응성을 나타내는 측면에서 10㎛보다 큰 입경의 경우는 단위 중량당 표면적이 작아지므로 불리하고, 입경이 3㎛보다 작은 경우에는 상 변환 물질 자체의 제조에 어려움이 있을 수 있으며, 담지체와의 혼합 과정에서 공정상 문제점이 발생할 수 있다.
상기 제1 상 변환 물질이 내부수지층(15)에 포함되는 경우 고온에서의 상 변환시 고체에서 액체로의 상 전이가 일어나며 이에 따라 이차전지 내부에서 액체화된 상 변환 물질이 전지 내부에 악영향을 미칠 수 있으므로 이를 방지하기 위한 담지체가 필요하다.
그렇기 때문에 상기 제1 상 변환 물질과 상기 제1 담지체를 혼합하여 이를 방지 할 수 있다. 구제척으로는 상기 제1 담지체가 상기 제1 상 변환 물질을 감싼 형태로 보호막을 형성(shell) 함으로써, 액체화된 제1 상 변환 물질이 이차전지 내부로 유실되는 것을 막을 수 있다. 또한, 상기 담지체는 불활성이므로 내부수지층 내에서 이차전지 내의 다른 물질들과 화학 반응을 일으키지 않음으로써, 안전하게 상 변환 물질을 보호할 수 있다. 구체적으로 상기 제1 담지체의 예를 들면, 카본, 폴리스티렌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 2 이상 일 수 있다.
상기 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체가 완성되는 쉘 구조는 열 전도성을 확보하기 위하여 탄소 나노튜브나 그래핀을 더 첨가할 수 있다.
상기 제1 상 변환 물질과 제1 담지체의 혼합물의 제조방법에 있어서, 본 발명에서와 같은 쉘 구조의 입자를 제조하는 기술이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 상 변환 물질을 수용액 상에서 유화 과정을 통하여 분산시키고, 분산된 오일상의 표면에서 담지체를 중합하여 제조 할 수 있다. 이 때의 중합방법으로는 계면 중합, 인-시츄(In-situ) 중합, 코아세르베이션 방법 등이 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 담지체에 의한 상 변환 물질의 쉘 구조화는 일반적인 보호막 형성을 위한 방법이라면 어느 것이어도 무방하다.
상기 제1 담지체가 제1 상 변환 물질을 감싸는 구조에 있어서 제1 담지체가 제1 상 변환 물질을 담지한 물질의 입경은 5㎛ 내지 20㎛ 인 것이 바람직하다. 상기 입경이 5㎛보다 작은 경우에는 상 변환 물질이 액체로 상 전이시 외부로의 유출 가능성이 있으며, 입경이 20㎛ 을 초과하는 경우에는 열전도도가 낮아져 효과적으로 제1 상 변환 물질이 상 전이를 일으키키 어렵다.
상기 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체의 혼합물을 효과적으로 상기 내부수지층(15)에 효과적으로 포함시키기 위하여 상기 내부수지층의 제조시 상술한 내부수지층 재료와 비드 상태의 상기 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체의 혼합물을 섞어 페이스트 상태로 만들고, 이것을 고온에서 용융시키고, 상기 생성된 용융물을 사출하여 알루미늄층 상에 도포함으로써 형성시킬 수 있다.
상기 제조과정은 이차전지 외장재의 상부 시트(110a) 및 하부 시트(110b)의 내부수지층에 모두 적용시킬 수 있으며, 바람직하게는 상기 이차전지 외장재의 내부수지층을 이루는 모든 면에 상기 제1 상 변환 물질 및 상기 제1 담지체의 혼합물을 포함시키는 것이 바람직하다.
상기 제1 상 변환 물질 및 상기 제1 담지체의 혼합물이 내부수지층에 포함된 이차전지 외장재는 이차전지 내부에서 발생하는 열을 흡수 또는 방출하여, 전지의 활성온도를 장시간 유지할 수 있으며, 또한 담지체의 존재로 인하여 전지 내부에 액상의 상 변환 물질이 전지 내부에 침투하지 않도록 하여 안정성을 확보 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 상기 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체를 포함하는 이차전지 외장재에 수납되는 전극 조립체를 포함하고, 상기 전극 조립체는 상기 조립체로부터 인출되는 전극 리드 및 상기 전극 리드 상에 코팅된 절연필름을 포함하되, 상기 절연 필름은 제2 상 변환 물질 및 제2 담지체의 혼합물을 포함하는 것인 이차전지를 제공한다.
도 2를 참조하면 파우치형 외장재(200)에 전극조립체(250)이 수납되며 전극 조립체(250)에는 음극 및 양극의 전극 리드는 수개 내지 수십개의 전극 탭들이 적층되어 있는 구조이어서, 충방전시 발열이 발생할 수 있기 때문에, 일정 온도 이상으로 높아지는 경우에는 파단, 변형될 수 있으므로, 소정의 열을 흡수할 필요가 있다. 따라서 발생되는 열을 흡수할 수 있는 상 변환 물질을 포함함으로써 전극 리드의 열 안정성을 높여 전지의 수명 향상 및 고온에서의 안정성을 확보할 수 있다.
이하 도2를 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 상세하게 설명한다.
상기 상부 시트(210a)와 하부 시트(210b)는 열과 압력에 의해 열융착되며, 상기 상부 시트(210a) 및 하부 시트(210b)의 수용부(230)는 전극조립체(250) 및 전해질(미도시)을 수용하게 되고, 파우치형 외장재(200)의 외부로 노출된 전극 리드(270a, 270b)의 일부는 상기 상부 시트(210a) 및 하부 시트(210b)와 결합하게 된다.
여기서 상기 상기 상부 시트(210a) 및 하부 시트(210b)의 내부수지층(25)에는 제2 상 변환 물질 및 제2 담지체를 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 외장재(200)에서 전극조립체(250)의 전극 리드(270a, 270b)는 상부 및 하부 시트(210a, 210b)와 결합되는 부분에 절연필름(280)을 더 구비하여 전해질의 누출을 방지하고 공기 중의 수분이 파우치형 외장재(200) 내부로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
상기 전극조립체(250)는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전 소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다.
전극탭들은 전극조립체(250)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극 리드(270a, 270b)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 상기 전극탭들과 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 파우치형 외장재(200)의 외부로 일부가 노출되어 있다.
상기 전기적으로 연결된 전극 리드는 절연필름(280)을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제2 상변환 물질 및 제2 담지체를 포함하는 절연필름을 이용할 수 있다.
제2 상 변환 물질 및 제2 담지체는 상술한 바와 같이 내부 수지층에 포함되는 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체와 마찬가지일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 중대형 전지모듈 또는 전지팩에서, 상기 파우치형 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함할 수 있다. 상기 중대형 전지팩은 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
실시예
[전해액의 제조]
EC:EMC:DMC 혼합 비수성 유기 용매 및 리튬염을 혼합 한 후, 비수 전해액 비수전해액을 제조하였다.
[리튬 이차 전지의 제조]
양극 활물질로서 LiMn2O4 46중량%, LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2 46중량%, 도전제로 카본 블랙(carbon black) 4.4 중량%, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 4.1 중량%를 용매인 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다.
상기 양극 혼합물 슬러리를 두께가 20㎛ 정도의 양극 집전체인 알루미늄(Al) 박막에 도포하고, 건조하여 양극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 양극을 제조하였다.
또한, 음극 활물질로 인조 흑연, LTO를 사용하고 바인더로 SBR, 도전제로 카본 블랙(carbon black)을 각각 96 중량%, 3 중량% 및 1 중량%로 하여 용매인 증류수에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하였다.
상기 음극 혼합물 슬러리를 두께가 10㎛의 음극 집전체인 구리(Cu) 박막에 도포하고, 건조하여 음극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 음극을 제조하였다.
이와 같이 제조된 양극과 음극을 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 (PP/PE/PP) 3층으로 이루어진 분리막과 함께 스택 앤 폴딩 방법으로 전극조립체를 형성하였다.
<상 변환 물질의 제조>
상 변환 물질로서 파라핀 왁스를 사용하고 담지체로 폴리스티렌을 혼합하기 위해 유리 반응기에 질소 불활성 기체 하에서 suspension 중합으로 폴리스티렌에 파라핀 왁스가 담지 되어 있는 입자를 제조하였다. 제조시 discontinuous phase와 continuous phase로 나누어 제조를 하였고 만들어진 입자는 메탄올로 세척을 하였다
실시예 1
상기 제조된 상 변환 물질을 폴리 프로필렌과 혼합하여 사출성형을 통해 균일하게 도포하여 필름을 제조하였고 제조된 폴리 프로필렌 필름은 알루미늄 표면에 코팅하여 내부수지층에 상 변환 물질을 포함하는 알루미늄 파우치에 전극 조립체를 수납하고 전해액을 주입하여 파우치형 리튬 이차전지를 제조하였다.
실시예 2
상기 제조된 상 변환 물질을 사출 성형을 통해 상기 제조된 상 변환 물질을 폴리 프로필렌과 혼합하여 사출성형을 통해 균일하게 도포하여 절연 필름을 제조하여 전극 리드에 부착하고, 나머지는 실시예 1과 마찬가지로 하여 파우치형 리튬 이차전지를 제조 하였다.
비교예 1
상기 상 변환 물질을 알루미늄 파우치의 내부수지층 및 절연 필름에 포함하지 않는 것을 제외하고는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
[실험예]
<전지 성능 실험>
실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 전지들에 대해 60℃에서 2/2c rate로 사이클을 진행하였다. 전기자동차가 하루에 10cycle 정도 고온에 노출이 되고 25oC에서 8시간 정도 사용하지 않는다고 가정한 결과를 도 4a 및 도 4b에 나타내었다.
사이클이 진행될수록 실시예 1의 리튬 이차전지, 즉 상 변환 물질을 내부수지층에 포함한 파우치는 상온 보관 시 액체에서 고체로의 상 변화가 일어나고 고온에서 고체에서 액체로의 상 변화가 일어나면서 열을 흡수하게되어 내부 온도가 낮고 일정하게 유지되어 고온에서도 사이클 성능이 더 높게 나타나고 있다.
<전지 안정성 실험>
실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 전지들에 대해 60℃에서 3mm blunt nail로 8cm/sec의 속도로 nail test를 진행하였다. 결과를 도 4a 및 4b에 나타내었다.
nail 관통시 발화의 원인인 내부 단락에 의해 발생하는 열을 상 변환 물질이 흡수를 해서 실시예 1의 리튬 이차전지는 온도가 일정하게 유지되고 발화하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
<전지출력 및 용량 측정>
방전출력 측정
상기 실시예 1 및 비교에 1에서 각각 제조된 전지들에 대해 4.3v에서 포메이션 한 뒤 하한 2.2v, 상한4.3v에서 온도 -10℃의 환경에서SOC에 따라 방전 출력을 측정하였다. (C rate=1C) 결과를 도 5에 나타내었다.
도5에 나타낸 데이터는 하나의 예시일 뿐, SOC에 따른 세부적인 power 수치는 제조된 이차전지의 스펙에 따라 달라질 수 있지만, 세부적인 수치 보다는 그래프의 경향성이 중요하며, 이와 같은 관점에서 도 5를 참조하면, 실시예 1의 경우 비교예 1의 이차전지 보다 전 SOC 구간에 걸쳐서 우수한 수준의 출력이 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 상 변환 물질이 충전시의 흡수된 열을 저온에서 방출하여 -10의 저온 환경에서도 우수한 출력을 나타냄을 확인 할 수 있다.
용량 측정
실시예 1및 비교예 1에서 제조된 이차전지의 용량을 25℃ 충전을 완료후 -10℃에서 4.15v~2.2v구간에서의 방전용량을 측정하였다. C-rate=1C로 3번째 구간의 저온용량 및 저온방전 종료 온도를 표 1로 나타내었다.
상기 표 1에서 나타나듯이 상온 충전하여 저온방전시 실시예 1는 비교에 1과 비교하여 충전시 상 변환 물질이 열을 흡수하였다가 저온방전시 열을 발생하면서 저온 방전 종료 온도에서의 이차전지 셀 내부의 온도가 비교예 1보다 상승한 것을 확인할 수 있었다.
11, 21: 외부 수지층
13, 23: 금속박층
15, 25: 내부 수지층 100, 200: 파우치형 외장재
110a, 210a: 상부 시트 110b, 210b: 하부 시트
130, 230: 전극 조립체 수용부
250: 전극조립체 270a, 270b: 전극 리드
280: 절연필름
15, 25: 내부 수지층 100, 200: 파우치형 외장재
110a, 210a: 상부 시트 110b, 210b: 하부 시트
130, 230: 전극 조립체 수용부
250: 전극조립체 270a, 270b: 전극 리드
280: 절연필름
Claims (14)
- 외부 수지층 및 내부 수지층, 상기 수지층 사이에 개재된 알루미늄층을 포함하는 이차전지 외장재에 있어서,
상기 내부 수지층은 제1 상 변환 물질 및 제1 담지체의 혼합물을 포함하는 것인 이차전지 외장재. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 상 변환 물질은 25~30℃ 온도에서 고체에서 액체로의 상 전이가 일어나며, 상 변환시 180~195kJ/kg의 잠열을 가지는 것인 이차전지 외장재. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 상 변환 물질은 파라핀 왁스, 폴리에틸렌글리콜, 노나데칸으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 2 이상인 것인 이차전지 외장재. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 담지체는 카본, 폴리스티렌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 2 이상인 것인 이차전지 외장재. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 상 변환 물질 및 상기 제1 담지체의 혼합물은 상기 제1 담지체가 상기 제1 상 변환 물질을 감싼(shell) 구조인 것인 이차전지 외장재. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 담지체가 상기 제1 상 변환 물질을 감싼 상기 구조의 입경은 5㎛~20㎛인 것인 이차전지 외장재. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 상 변환 물질의 평균 입경은 3㎛~10㎛인 것인 이차전지 외장재. - 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항 기재의 이차전지 외장재 및 상기 이차전지 외장재에 수납되는 전극 조립체를 포함하고,
상기 전극 조립체는 상기 조립체로부터 인출되는 전극 리드 및 상기 전극 리드 상에 코팅된 절연필름을 포함하되,
상기 절연 필름은 제2 상 변환 물질 및 제2 담지체의 혼합물을 포함하는 것인 이차전지. - 청구항 8에 있어서,
상기 제2 상 변환 물질은 25~30℃ 온도에서 고체에서 액체로의 상 전이가 일어나며, 상 변환시 180~195kJ/kg의 잠열을 가지는 것인 이차전지 - 청구항 8에 있어서,
상기 제2 상 변환 물질은 파라핀 왁스, 폴리에틸렌글리콜, 노나데칸으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 2 이상인 것인 이차전지. - 청구항 8에 있어서,
상기 제2 담지체는 카본, 폴리스티렌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 2 이상인 것인 이차전지. - 청구항 8에 있어서,
상기 제2 상 변환 물질 및 제2 담지체의 혼합물은 상기 제2 담지체가 상기 제2 상 변환 물질을 감싼 구조인 것인 이차전지. - 청구항 8에 있어서,
상기 2 담지체가 상기 제2 상 변환 물질을 감싼 상기 구조의 입경은 5㎛~20㎛인 것인 인 것인 이차전지. - 청구항 8에 있어서,
상기 제2 상 변환 물질의 평균 입경은 3㎛~10㎛인 것인 이차전지.
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20150050150A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114094230A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-02-25 | 宁德新能源科技有限公司 | 电化学装置和用电设备 |
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2013
- 2013-10-31 KR KR1020130131609A patent/KR20150050150A/ko active Search and Examination
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| CN114094230A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-02-25 | 宁德新能源科技有限公司 | 电化学装置和用电设备 |
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