KR20150109077A - 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것으로, 제1 기재상의 적어도 일부에 제1 활물질이 코팅된 제1 극판, 제2 기재상의 적어도 일부에 제2 활물질이 코팅된 제2 극판, 및 상기 제1 및 제2 극판 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체를 포함하고, 상기 제1 기재 및 제2 개재의 적어도 일측에는 팽창부재가 구비되는 구성을 마련한다.
상기와 같은 이차전지는 제1 또는 제2 기재에 팽창부재를 구비함으로써 과충전 또는 네일 투과 등에 의한 내부 또는 외부 단락시 팽창부재가 확장되면서 극판을 찢어 쇼트에 의한 에너지 전달을 방지함으로 안전성이 향상될 수 있다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 상세하게는 제1 또는 제2 기재에 팽창부재를 구비함으로써 열 또는 단락시 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것이다.
최근 수년간 전자, 통신 등의 산업이 급속히 성장하면서, 캠코더, 셀룰러폰, 노트북 PC 등의 휴대형 전자 기기의 보급이 증가하고 있다. 이에 이차 전지의 사용량도 증가하고 있다. 상기 이차 전지는 휴대형 전자 기기뿐만 아니라 고출력 및 고 전력을 필요로 하는 전동 공구, 자동차, 보트, 우주 운송 수단, 모토바이크, 스쿠터, 항공 운송 수단 등의 중대형 장치에도 사용될 수 있다. 이러한 중대형 장치의 배터리로 이용되기 위해서는 전지의 고용량화, 고출력화는 필수적 요소이다.
그러나, 고에너지 밀도화 되어갈수록 전지의 안전성은 그만큼 저하되며, 고용량 각형 셀에서는 전지 내부관통 시 발생하는 열량이 커서 방열이 어려우며 결국 전지가 열 폭주 하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 팽창부재가 구비된 제1 및 제2 기재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열 또는 단락시 안정성이 향상된 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 팽창부재를 수납하는 수납부를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 팽창부재를 긴밀하게 수납시키는 구조를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 이차전지는 제1 기재상의 적어도 일부에 제1 활물질이 코팅된 제1 극판, 제2 기재상의 적어도 일부에 제2 활물질이 코팅된 제2 극판, 및 상기 제1 및 제2 극판 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체를 포함하고, 상기 제1 및 제2 개재의 적어도 일측에는 팽창부재가 구비된다.
여기서 상기 제1 및 제2 기재는 시트형태의 도전물질일 수 있다.
또 상기 제1 또는 제2 기재는 표면에 팽창부재를 수납하는 제1 수납부를 구비할 수 있다.
여기서 상기 제1 수납부는 상기 제1 또는 제2 기재의 표면의 외면에서 내부로 오목하게 구비될 수 있다.
한편 상기 제1 또는 제2 기재의 내부에는 팽창부재를 수납하는 제2 수납부가 구비될 수 있다.
또한, 상기 제2 수납부는 상기 제1 또는 제2 기재의 내부에 상기 팽창부재의 크기에 대응하는 기공형태로 구비될 수 있다.
한편 상기 제1 활물질은 리튬화합물을 포함하는 양극활물질이고, 상기 제2 활물질은 카본을 포함하는 음극활물질일 수 있다.
또 상기 팽창부재는 아지드화물일 수 있다.
여기서 상기 아지드화물은 아지드화나트륨일 수 있다.
또 상기 제1 극판은 상기 제1 활물질이 코팅되는 제1 활물질코팅부와 상기 제1 활물질이 코팅되지 않는 제1 무지부로 이루어지고, 상기 제1 극판과 대향되는 제2 극판은 상기 제2 활물질이 코팅되는 제2 활물질코팅부와 상기 제2 활물질이 코팅되지 않는 제2 무지부로 이루어지며, 상기 팽창부재는 상기 제1 또는 제2 활물질코팅부에 구비될 수 있다.
또 상기 제1 또는 제2 기재에는 표면조도가 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극 조립체를 수납하는 전지케이스, 및 상기 전기케이스에 수용되어 상기 전극 조립체의 제2 극판 외면에 물리화학적으로 결합하는 전해액을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지에 의하면, 제1 또는 제2 기재에 불활성 기체를 발생시키는 팽창부재를 구비함으로써 과충전 또는 네일 투과 등에 의한 내부 또는 외부 단락시 제1 또는 제2 기재에 구비된 팽창부재가 확장되면서 극판을 찢어 쇼트에 의한 에너지 전달이 방지되어 안전성이 향상되는 이점이 있다.
또 본 발명에 따른 이차전지에 의하면, 제1 또는 제2 기재에 팽창부재를 수납하는 수납부를 둠으로 인해 별로의 안전부재를 제조할 필요가 없으므로 제조비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
또 본 발명에 따른 이차전지에 의하면, 팽창부재가 제1 또는 제2 기재상에 포함되는 구조로 구비됨으로 인해 제조가 간편하고, 이에 전지의 조립도 수월하여 작업의 효율성이 향상되는 이점이 있다.
또 본 발명에 따른 이차전지에 의하면, 팽창부재의 팽창 반응속도가 0.01~0.3초로 매우 빠르므로 쇼트부위가 신속하게 제거되어 질소가스의 부반응에 따른 연쇄반응을 미연에 방지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 부분 분해도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 기판을 나타낸 사시도,
도 4는 도 3의 일 실시예에 따른 A-A'단면도,
도 5는 도 3의 다른 실시예에 따른 A-A'단면도.
이하에서는 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 도시된 실시 예에 따라 구체적으로 설명하기는 하나, 본 발명이 도시된 실시 예만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도이고, 도 2는 도 1의 부분 분해사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지(100)는 제1 기재(11a) 상의 적어도 일부에 제1 활물질(11b)이 코팅된 제1 극판(11)과, 상기 제1 극판(11)과 대면하고 제2 기재(12a) 상의 적어도 일부에 제2 활물질(12b)이 코팅된 제2 극판(12), 및 상기 제1 및 제2 극판(11, 12) 사이에 개재된 세퍼레이터(13)로 이루어진 전극조립체(10), 상기 전극 조립체(10)를 수납하는 전지케이스(110, 120), 및 상기 전지케이스(110, 120)에 수용되어 상기 전극 조립체의 제2 극판(12) 외면에 물리화학적으로 결합하는 전해액을 포함한다. 상기 제1 및 제2 기재(11a, 12a)의 적어도 일측에는 팽창부재(20)가 구비될 수 있다.
상기 이차 전지(100)는 전지케이스(110, 120) 내부에 서로 다른 극성을 갖는 제1 및 제2 극판(11, 12)과, 상기 제1 및 제2 극판(11, 12)이 서로 직접 접촉하여 단락되는 것을 방지하기 위하여 구비되는 세퍼레이터(13)로 구성된 전극조립체(10)와 상기 제1 및 제2 극판(11, 12) 사이의 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액을 구비시켜 제조될 수 있다. 상기 전극조립체(10)는 서로 적층된 제1 및 제2 극판(11, 12)과 세퍼레이터(13)를 권취하여 젤리롤(J/R) 형태로 제조하거나, 또는 복수개의 제1 및 제2 극판(11, 12)과 세퍼레이터(13)를 적층하여 스택(stack)형태로 제조하거나, 또는 권취 및 적층 양측 모두를 사용하여 제조할 수 있다. 본 발명의 실시예들에서 전극조립체(10)는 다양한 형태로 제조될 수 있으나, 이하에서는 젤리롤 형태로 권취하여 제조된 전극조립체(10) 위주로 설명한다.
제1 극판(11)은 시트형태의 도전물질인 제1 기재(11a)에 제1 활물질을 간헐적으로 코팅하여 형성된 제1 활물질코팅부(11b), 상기 제1 활물질이 코팅되지 않아 상기 제1 기재(11a)가 노출되는 부분인 제1 무지부(11a')로 이루어지고, 상기 제1 무지부(11a')에는 니켈 등의 금속으로 이루어진 제1 전극탭(14)이 구비될 수 있다. 예컨대, 제1 극판(11)은 양극판일 수 있고, 상기 제1 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4 또는 LiNi1-x-yCoxMyO2등의 리튬을 포함하는 양극 활물질로 이루어질 수 있다.
제2 극판(12)은 상기 제1 극판(11)과 다른 극성을 갖는 것으로, 시트형태의 도전물질인 제2 기재(12a)에 제2 활물질을 간헐적으로 코팅하여 형성된 제2 활물질코팅부(12b), 상기 제2 활물질이 코팅되지 않아 상기 제2 기재(12a)가 노출되는 부분인 제2 무지부(12a')로 이루어지고, 상기 제2 무지부(12a')에는 니켈 등의 금속으로 이루어진 제2 전극탭(15)이 구비될 수 있다. 예컨대, 상기 제2 극판(12)은 음극판을 포함하고, 상기 제2 활물질은 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금을 포함하는 음극 활물질일 수 있다.
세퍼레이터(13)는 상기 제1 극판(11)과 제2 극판(12) 사이에 위치되어 권취되며, 제1 극판(11) 및 제2 극판(12) 사이를 상호 절연시킨다. 그리고, 세퍼레이터(13)는 제1 극판(11)과 제2 극판(12) 간에 리튬이온이 교환될 수 있다. 이러한 세퍼레이터(13)는 전극조립체(10)가 수축 및 팽창되더라도 제1 극판(11)과 제2 극판(12) 사이를 완전히 절연할 수 있도록 충분한 길이로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제1 또는 제2 기재(11a, 12a)는 전류 또는 전자의 집전체로써 작용하며, 박막(thin film)으로 이루어진 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 기재 (11a)는 알루미늄을 포함하고, 상기 제2 기재(12a)는 구리를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 극판(11, 12)은 전해액 중으로 이온을 배출하여 전류 또는 전자의 흐름을 발생시키고, 상기 전류 또는 전자는 제1 및 제2 전극탭(14, 15)을 통하여 외부로 전달된다. 상기 제1 전극탭(14)은 양극탭이고, 제2 전극탭(15)은 음극탭일 수 있다.
전해액은 상기 제1 및 제2 극판(11, 12)들 사이의 이온 또는 전하의 이동이 용이하도록 구비될 수 있다. 전해액은 리튬 이온의 공급원으로 작용하는 리튬염과, 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 하는 비수성 유기 용매를 포함할 수 있다.
상기 전극조립체(10)에는 제1 전극탭(14)과 제2 전극탭(15)은 상기 전극조립체(10)의 외측으로 인출될 수 있다. 전지케이스(110, 120)는 일면이 개구되어 상기 전극조립체(10)와 전해액을 수납하는 수용부(110)와, 상기 수용부(110)의 일측에 형성되어 수용부(110)의 일면을 덮는 커버부(120)로 이루어질 수 있다. 상기 수용부(110)와 커버부(120)가 맞닿는 부위(110a)는 밀봉될 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극탭(14)과 제2 전극탭(15)이 전극조립체(10)로부터 인출되는 부분에는 라미네이션 테이프(16)가 감겨질 수 있다. 상기 라미네이션 테이프(16)는 제1 전극탭(14) 또는 제2 전극탭(15)에서 발생되는 열을 차단하고, 제1 전극탭(14) 또는 제2 전극탭(15)의 가장자리에 의해 전극조립체(10)가 압박받지 않도록 할 수 있다.
또한, 이러한 제1 전극탭(14) 및 제2 전극탭(15)이 전지케이스(110, 120)와 맞닿는 표면에는 절연테이프(17)가 접착되어 전지케이스(110, 120)의 외부로 일부 돌출되도록 설치될 수 있다. 본 실시예에서 상기 이차 전지는 파우치형 이차 전지일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 제1 극판을 나타낸 도이고, 도 4는 도 3의 A-A' 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 극판(11)은 시트형태의 제1 기재(11a)에 제1 활물질을 간헐적으로 코팅하여 형성된 제1 활물질코팅부(11b), 상기 제1 활물질이 코팅되지 않아 상기 제1 기재(11a)가 노출되는 부분인 제1 무지부(11a')로 이루어지고, 상기 제1 무지부(11a')에는 니켈 등의 금속으로 이루어진 제1 전극탭(14)이 구비될 수 있다.
도 3 및 도 4에서는 제1 극판(11)만을 도시하고 있지만, 제1 극판(11)에 한정되는 것은 아니고 제2 극판(12)에도 적용가능하므로 같이 설명하기로 한다.
상기 제1 또는 제2 기재(11a, 12a)에는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 또는 제2 활물질코팅부(11b, 12b), 상세하게는 제1 또는 제2 활물질코팅부(11b, 12b)와 중첩되는 위치에 제1 수납부(30)가 구비될 수 있다. 상기 제1 수납부(30)는 제1 기재(11a) 또는 제2 기재(12a)의 외면에서 내부로 오목하게 구비되어 팽창부재(20)를 수납하고, 상기 팽창부재(20)는 아지드화나트륨(NaN3, sodium azide)을 포함하는 아지드화물로 이루어질 수 있다. 상기 아지드화물은 반응속도 20~300ns(0.01~0.3초), 반응온도 200~700℃, 반응압력 20~35atm, 및 반응팽창비 600배로 반응성 및 팽창성이 뛰어난 소재이고, 일반적인 운전조건에서는 반응이 일어나지 않으며, 질소가스 생성에 따른 부반응이 추가적으로 발생되지 않으므로 안전하다.
또한, 상기 팽창부재(20)는 폴레에틸렌(PE)으로 코팅될 수 있다.
한편, 상기 제1 또는 제2 기재(11a, 12a)에는 표면조도가 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 도 4의 다른 실시예를 나타낸 도이다.
도 5에서는 제1 극판의 A-A' 단면을 도시하고 있지만, 제1 극판에 한정되는 것은 아니고, 제2 극판에도 적용가능하므로 같이 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 극판(11)은 시트형태의 제1 기재(11a)에 제1 활물질을 간헐적으로 코팅하여 형성된 제1 활물질코팅부(11b), 상기 제1 활물질이 코팅되지 않아 상기 제1 기재(11a)가 노출되는 부분인 제1 무지부(11a')로 이루어지고, 상기 제1 무지부(11a')에는 니켈 등의 금속으로 이루어진 제1 전극탭(14)이 구비될 수 있다.
제1 또는 제2 기재(11a, 12a)에는 제1 또는 제2 활물질코팅부(11b)와 중첩되는 위치에 제2 수납부(32)가 구비될 수 있다. 상기 제2 수납부(32)는 상기 제1 또는 제2 기재(11a, 12a)의 팽창부재(20')의 크기에 대응하는 기공형태로 구비되어, 팽창부재(20')를 수납하고, 상기 팽창부재(20')는 아지드화나트륨(NaN3, sodium azide)을 포함하는 아지드화물로 이루어질 수 있다. 상기 아지드화물은 반응속도 20~300ns(0.01~0.3초), 반응온도 200~700℃, 반응압력 20~35atm, 및 반응팽창비 600배로 반응성 및 팽창성이 뛰어난 소재이고, 일반적인 운전조건에서는 반응이 일어나지 않으며, 질소가스 생성에 따른 부반응이 추가적으로 발생되지 않으므로 안전하다.
또한, 상기 팽창부재(20')는 폴리에틸렌(PE)으로 코팅될 수 있다.
한편, 상기 제1 또는 제2 기재(11a, 12a)에는 표면조도가 형성될 수 있다.
이와 같이 이차전지는 제1 기재 또는 제2 기재의 적어도 일측에 팽창부재를 구비함으로써 과충전 또는 네일 투과 등에 의한 내부 또는 외부 단락시 제1 또는 제2 기재에 구비된 팽창부재가 확장되면서 극판을 찢어 쇼트에 의한 에너지 전달을 방지할 수 있으므로 안전성을 향상시킬 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 전극 조립체 11, 12 : 극판
13 : 세퍼레이터 14, 15 : 전극탭
20 : 팽창부재 30, 32 : 수납부
100 : 이차전지 110, 120 : 전지케이스

Claims (12)

  1. 제1 기재상의 적어도 일부에 제1 활물질이 코팅된 제1 극판,
    제2 기재상의 적어도 일부에 제2 활물질이 코팅된 제2 극판, 및
    상기 제1 및 제2 극판 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 기재의 적어도 일측에는 팽창부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기재는 시트형태의 도전물질인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 기재는 표면에 팽창부재를 수납하는 제1 수납부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 수납부는 상기 제1 또는 제2 기재의 표면의 외면에서 내부로 오목하게 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 기재의 내부에는 팽창부재를 수납하는 제2 수납부가 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 수납부는 상기 제1 또는 제2 기재의 내부에 상기 팽창부재의 크기에 대응하는 기공형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활물질은 리튬화합물을 포함하는 양극활물질이고, 상기 제2 활물질은 카본을 포함하는 음극활물질인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 팽창부재는 아지드화물인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 아지드화물은 아지드화나트륨(NaN3)인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 극판은 상기 제1 활물질이 코팅되는 제1 활물질코팅부와 상기 제1 활물질이 코팅되지 않는 제1 무지부로 이루어지고,
    상기 제1 극판과 대향되는 제2 극판은 상기 제2 활물질이 코팅되는 제2 활물질코팅부와 상기 제2 활물질이 코팅되지 않는 제2 무지부로 이루어지며,
    상기 팽창부재는 상기 제1 또는 제2 활물질코팅부에 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 기재에는 표면조도가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체를 수납하는 전지케이스, 및
    상기 전기케이스에 수용되어 상기 전극 조립체의 제2 극판 외면에 물리화학적으로 결합하는 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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JP4727021B2 (ja) * 2000-05-22 2011-07-20 株式会社クレハ 電極及びそれを用いた非水系電池

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