KR20160112517A - 안전성이 강화된 이차 전지용 분리막 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 외부 충격에 대해 대면적의 단락을 유도하여 국소적인 단락에 의해 발생할 수 있는 열폭주를 방지하는 등 안전성이 향상된 젤리-롤형 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 대한 것이다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 외주측을 감싸는 분리막 부분의 강도가 낮아 외부 충격에 의해 쉽게 파단되어 단락이 대면적으로 발생되도록 유도함으로써 단락에 의한 열폭주나 발화가 국소 부분에 집중되는 것을 방지하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 전극 조립체를 포함하는 리튬 이차 전지는 내열 안전성이 향상되는 효과가 있다.

Description

안전성이 강화된 이차 전지용 분리막{A separator for a secondary battery with enhanced safety}
본 발명은 안전성이 향상된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 외부 충격에 대해 대면적의 단락을 유도하여 국소적인 단락에 의해 발생할 수 있는 열폭주를 방지하는 등 안전성이 향상된 젤리-롤형 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 대한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코 더, 태블릿 PC 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 에너지 효율을 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.
상기 리튬 이차 전지는 양극, 분리막 및 음극 순차적으로 적층하여 적층체를 제조한 후 상기 적층체를 수회 권취한 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 케이스에 장입하여 제조된다. 여기에서 분리막은 폴리올레핀계 고분자 재료로 이루어진 다공성 박막 시트가 이용된다. 또한, 리튬 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다. 그리고, 캔형 이차 전지는 다시 금속 캔의 형태에 따라 원통형 전지와 각형 전지로 분류될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 일반적으로 원통형 이차 전지는, 원통형 전지캔(10), 전지캔(10)의 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체(30), 전지캔(10)의 상부에 결합되는 캡 조립체(20), 캡 조립체(20)를 장착하기 위해 전지캔(10)의 선단에 마련된 비딩부(11) 및 전지를 밀봉하기 위한 클림핑(crimping) 부위(12)를 구비한다.
전극 조립체(30)는 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 개재된 상태로 젤리-롤 형태로 권취된 구조이며, 양극에는 양극 리드(31)가 부착되어 캡 조립체(20)에 접속되어 있고, 음극에는 음극 리드(32)가 부착되어 전지캔(10)의 하단에 접속되어 있다.
이러한 이차 전지의 전극 조립체에서 외부 충격에 의해 분리막의 파단이 일어날 수 있는데 이 경우 양극과 음극이 직접 접촉하여 단락(short circuit)이 발생할 수 있으며, 단락 반응열의 영향을 받아 분리막이 순간적으로 수축하고 단락 범위가 급속하게 확대되면서 단락 반응열이 급격하게 증대해 이상 과열에 이른다. 이상 과열에 이르면 양극 및 음극 활물질층이 과열에 의해 발화되는 등 심각한 피해를 야기할 수 있다.
따라서 분리막의 파단에 의해 야기되는 이상 과열이나 발화를 방지하기 위한 분리막 개발의 필요가 요청되고 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전극 조립체에 외부로부터 충격이 가하여지는 경우 분리막의 대면적 파막을 유도하여 열폭주나 발화와 같은 이상 과열이 분리막의 국소 부위에 집중되는 것을 방지하기 위한 안전성이 향상된 전극 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에서 기재되는 수단 또는 방법, 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 , 이차 전지용 젤리-롤형 전극 조립체를 제공한다.
상기 젤리-롤형 전극 조립체는 금속재의 음극용 집전체 및 상기 음극용 집전체의 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극; 금속재의 양극용 집전체 및 상기 양극용 집전체의 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극; 및 상기 음극과 양극의 사이에 개재된 분리막;을 포함하며, 상기 분리막은 저강도(?强度) 영역을 포함하며, 상기 저강도 영역은 전극 조립체의 외측 단부로부터 일(1) 권취 단위 이상을 차지하는 분리막의 일부분이고, 상기 저강도 영역은 상기 분리막 중 상기 저강도 영역을 제외한 타(他) 영역에 비해 강도가 낮을 수 있다.
여기에서 상기 저강도 영역은 타 영역에 비해 파단 강도가 70% 이하일 수 있다.
또한, 상기 저강도 영역은 코로나 방전 처리에 의해 형성될 수 있다.
그리고, 상기 저강도 영역은 전극 조립체의 외측 단부로부터 일(1) 권취 단위 이상 이(2) 권취 단위 이하를 차지하는 분리막의 일부분일 수 있다.
또한, 상기 분리막은 다공성 기재를 포함할 수 있으며, 더 나아가 상기 분리막은 다공성 기재의 적어도 일면의 전부 또는 일부분에 유/무기 복합 다공성 코팅층이 더 형성되어 있을 수 있다. 여기에서, 상기 분리막은 저강도 영역에 상기 유/무기 복합 다공성 코팅층이 형성되지 않을 수 있다.
또한, 상기 분리막의 저강도 영역에 대면하는 음극 및/또는 양극 부분은 음극 활물질층 및/또는 양극 활물질층이 형성되지 않을 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 특징을 갖는 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 외주측을 감싸는 분리막 부분의 강도가 낮아 외부 충격에 의해 쉽게 파단되어 단락이 대면적으로 발생되도록 유도함으로써 단락에 의한 열폭주나 발화가 국소 부분에 집중되는 것을 방지하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 전극 조립체를 포함하는 리튬 이차 전지는 내열 안전성이 향상되는 효과가 있다.
첨부된 도면은 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 것으로, 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 원통형 이차 전지를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 외부 충격에 의해 국부적 손상이 발생된 원통형 전지의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 구체적인 일 실시형태에 따른 전극 조립체의 분해도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 구체적인 일 실시형태에 따른 젤리-롤 타입 전극 조립체의 단면을 도시한 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, ‘포함하다’ 또는 ‘가지다’ 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 이차 전지의 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 대한 것으로서 상기 전극 조립체는 음극, 양극 및 상기 음극과 양극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 적층체로 이루어진다. 본 발명에 있어서, 상기 전극 조립체는 상기 적층체의 형상에 따라 스택/폴딩형(stack/folding type) 전극 조립체이거나 젤리-롤형(jelly-roll type) 전극 조립체일 수 있으며, 본 발명의 바람직한 일 실시양태에 있어서, 상기 전극 조립체는 젤리-롤형 전극 조립체인 것이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 분리막은 타 영역에 비해 파단 강도가 낮은 저강도 영역(LS)을 포함한다. 외부로부터 가하여진 충격에 의해 전극 조립체의 형상이 변형되면 분리막의 파단으로 이어질 수 있으며, 이에 의하여 양극과 음극 간 단락(short circuit)으로 인한 과전류나 열폭주와 같은 반응이 초래된다. 이러한 극렬한 반응이 비교적 짧은 시간동안 파단이 일어난 국소 부위에 집중되는 경우에는 전지의 폭발로 이어질 수 있다. 본 발명은 분리막 중 일부 영역에 강도를 저하시킨 저강도 영역을 형성함으로써 전극 조립체의 변형이 발생하였을 경우 저강도 영역내에서 광범위한 단락이 발생되도록 유도하여 전지의 사용상 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따른 전극 조립체(100)를 도시한 것이다. 상기 도 3을 참조하면 본 발명에 따른 전극 조립체는 음극(130)과 양극(140)이 분리막(110, 120)을 개재하여 적층되어 있다. 도 5는 상기 전극 조립체를 수회 권취하여 젤리 롤 타입으로 준비한 것이다. 이를 참조하면, 상기 분리막(110, 120)은 전극 조립체의 외측 단부(OE)로부터 내측 단부(IE) 방향으로 소정 위치까지 저강도(低强度) 영역(LS, 110a)을 갖는다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 저강도 영역(LS, 110a)의 길이는 전극 조립체의 외측 단부(OE)로부터 시작하여 전극 조립체의 외주면을 1회 이상 감싸도록, 즉 전극 조립체의 외측 단부로부터 일(1) 권취 단위 이상을 차지하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시양태에 따르면 상기 저강도 영역의 길이는 전극 조립체의 외측 단부로부터 일(1) 권취 단위 내지 이(2) 권취 단위인 것이다. 상기 저강도 영역의 길이가 일 권취 단위 미만인 경우에는 전극 조립체의 외주면보다 저강도 영역의 길이가 짧아 대면적 파단 효과가 충분히 발휘되기 어렵다. 또한, 상기 저강도 영역의 길이가 이(2) 권취 단위를 초과하는 경우에는 분리막 전체의 파단 강도가 지나치게 저하되어 전지의 사용상 안전성이 오히려 저하될 수 있다.
본 발명에 있어서 일(1) 권취 단위는 소정의 단위 권취 시작점(RS)으로부터 분리막 등을 포함하는 전극/분리막 적층체가 전극 조립체를 1회 권취하고 상기 단위 권취 시작점(RS)과 만나는 단위 권취 종료점(RE)까지의 길이를 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 저강도 영역은 분리막 중 상기 저강도 영역을 제외한 타 영역(NS)에 비해 파단 강도가 상대적으로 낮다. 이차 전지에 있어서 통상적으로 분리막의 통상적인 파단 강도는 대략적으로 TD 방향으로 1000kgf/cm2 내지 1700kgf/cm2, MD 방향으로 1000kgf/cm2 내지 1600kgf/cm2 범위에 속한다. 본 발명에 있어서, 저강도 영역의 파단 강도는 통상적인 분리막의 파단 강도보다 낮게 설정된다. 구체적인 예로 상기 저강도 영역의 파단 강도는 타 영역에 비해 바람직하게는 50%이하 또는 60% 이하, 또는 70% 이하의 파단 강도를 갖도록 하여 전극 조립체가 변형되는 경우 타 영역에 비해 우선적으로 파막이 초래되도록 하며 상대적으로 넓은 범위로 파단이 형성되도록 한다. 저강도 영역의 파단 강도가 타영역 대비 70% 를 초과하는 경우에는 외부 충격에 의한 변형이 가해지는 경우 소정의 대면적 파단 효과를 발휘하기 어렵다. 또한, 상기 저강도 영역의 파단 강도가 타영역 대비 50% 미만으로 지나치게 낮은 경우에는 파막이 너무 쉽게 발생하게 되어 전지의 내구성이 저하되어 제품 상용화에 어려움이 따르게 된다.
도 2는 외부에서 가하여진 충격에 의해 전극 조립체의 외형이 변형된 모습을 도식화하여 나타낸 것이다. 도 2에서와 같이 전극 조립체에 변형이 발생되는 경우 분리막 중 저강도 영역은 타 영역에 비해 파단 강도가 낮으므로 타 영역에 비해 우선적으로 파단이 발생하게 된다. 또한, 저강도 영역에서 형성된 파단 부분의 면적(Lp)은 낮은 파단 강도에 의해 파단 강도가 상대적으로 높은 타 영역(Hp)에 형성된 파단 부분의 면적에 비해 넓게 형성된다.
전술한 바와 같이 본 발명의 전극 조립체는 외부 충격에 의한 형상 변형시 분리막의 파단 면적이 넓어 단락 전류의 통전 폭이 넓어지므로 과전류의 흐름이나 이로 인한 이상 과열이 국소적으로 집중되는 것을 방지할 수 있으며, 전지의 폭발 위험을 현저하게 저하시키는 효과가 있다.
발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 분리막은 고분자 소재의 다공성 기재를 포함한다. 상기 다공성 기재는 고분자 소재의 다공성 필름 기재이거나 고분자 수지를 용융 방사하여 집적시킨 다공성 부직포 기재일 수 있다.
상기 다공성 필름 기재로는 잘 알려진 바와 같이 폴리에틸렌, 폴리프 로필렌과 같은 폴리올레핀으로 이루어진 다공성 고분자 필름인 것으로서, 이러한 폴리올레핀 다공성 고분자 필름 기재는 예를 들어 80 내지 130℃의 온도에서 셧다운 기능을 발현한다. 이러한 폴리올레핀 다공성 필름 기재는 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 2종 이상 혼합한 고분자로 형성할 수 있다. 또한, 상기 다공성 필름 기재는 폴리올레핀 외에 폴리에스테르 등의 다양한 고분자들을 이용하여 시트(sheet) 형태의 다공성 고분자 필름을 제조할 수도 있다. 또한, 상기 다공성 고분자 필름 기재는 2층 이상의 필름층이 적층된 구조로 형성될 수 있으며, 각 필름층은 전술한 폴리올레핀, 폴리에스테르 등의 고분자들을 단독으로 또는 이들을 2종 이상 혼합한 고분자로 형성될 수도 있다.
상기 다공성 부직포 기재로는 전술한 폴리올레핀계 고분자 또는 이보 다 내열성이 높은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 폴리에스테르 등의 고분자를 이용한 섬유로 제조될 수 있다. 이러한 다공성 부직포 기재의 제조시에도 단일 섬유 또는 2종 이상의 섬유를 혼합하여 제조될 수 있다.
상기 다공성 기재의 그 재질이나 형태는 목적하는 바에 따라 다 양하게 선택할 수 있다. 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 1 내지 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 5 내지 50 ㎛이고, 다공성 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95%인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 분리막은 상기 다공성 기재의 적어도 일면에 유/무기 복합 다공성 코팅층이 더 형성될 수 있다(도 4 참조).
상기 다공성 코팅층은 무기물 입자 및 고분자 바인더 수지를 포함한다. 상기 무기물 입자는 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)을 형성하여 미세 기공을 제공하는 역할을 한다. 또한 물리적 형태를 유지할 수 있는 일종의 스페이서(spacer) 역할을 겸하게 된다. 추가적으로 상기 무기물 입자는 일반적으로 200℃ 이상의 고온이 되어도 물리적 특성이 변하지 않는 특성을 갖기 때문에, 형성된 무기 코팅층에 의해 세퍼레이터는 우수한 내열성을 갖게 된다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬수 있다. 전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상, 바람직하게는 10 이상인 고유전율 무기물 입자가 바람직하다.
구체적으로 상기 유전율 상수가 약 5 이상인 무기물 입자로는 BaTiO3, Pb(Zrx,Ti1-x)O3 (PZT, 0<x<1), Pb1 - xLaxZr1 -yTiyO3(PLZT, 0<x<1, 0<y<1), (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT, 0<x<1), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, SiO2, Y2O3, Al2O3, SiC 및 TiO2 등이 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), (LiAlTiP)xOy 계열 glass(0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3 , 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), SiS2 (LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4) 계열 glass 및 P2S5 (LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 계열 glass 등을 사용하는 것이 바람직하지만, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 무기물 입자의 크기는 제한이 없으나, 균일한 두께의 필름 형성 및 적절한 공극률을 위하여 0.001 내지 10㎛ 범위인 것이 바람직하며, 무기 코팅층이 형성되는 기재(다공성 막 또는 부직포 웹)의 기공도를 참조하여 적절하게 조절할 수 있다.
입자의 크기가 0.001㎛ 미만인 경우 분산성이 저하되어 무기 코팅층의 물성을 조절하기가 어려우며, 10㎛를 초과하는 경우 무기 코팅층의 두께가 증가하여 기계적 물성이 저하되며, 또한 지나치게 큰 기공 크기로 인해 전지 충방전시 내부 단락이 일어날 확률이 높아진다.
상기 무기물 입자의 함량은 무기 코팅층을 구성하는 무기물 입자와 바인더 고분자 수지의 혼합물 100중량% 당 50 중량% 내지 99 중량% 범위가 바람직하며, 특히 60 증량% 내지 95 중량%가 더욱 바람직하다.
상기 바인더 고분자 수지는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 고분자 수지를 사용할 수 있다. 특히, 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)가 가능한 낮은 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 -200 내지 200℃ 범위이다. 이는 최종 필름의 유연성 및 탄성 등과 같은 기계적 물성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 상기 고분자 수지는 무기물 입자들과 입자 사이를 연결 및 안정하게 고정시켜주는 바인더 역할을 충실히 수행함으로써, 최종 제조되는 무기 코팅층의 기계적 물성 저하 방지에 기여한다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 분리막의 저강도 영역은 코로나 방전 처리에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 다공성 고분자 기재의 일면 또는 양면을 코로나 방전에 의해 표면처리한다. 상기 분리막이 고분자 기재의 일면 또는 양면에 상기 다공성 코팅층을 포함하는 경우에는 다공성 코팅층 형성 전, 전술한 내용과 같이 소정의 영역에 코로나 방전 처리를 수행하여 저강도 영역을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 코로나 방전은 도체를 전극으로 하고 반대극은 금속판을 이용해 직류 전원을 증가시키면 전극이 자색을 띠며 전류가 흐르는 현상으로, 본 발명의 다공성 고분자 기재를 코로나 방전 처리하는 경우에는 표면은 개질되어 친수성을 갖게 되고, 표면 강도가 저하된다.
상기 코로나 방전처리는 통상의 방법에 따라 제한 없이 수행할 수 있으며, 이때 방전량은 예를 들어 30 내지 300 Wmin/m2의 범위, 또는 50 내지 120 Wmin/m2의 범위를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그러나 본 발명의 전극 조립체에 있어서 분리막에 저강도 영역을 형성하는 방법은 특별히 상기 코로나 방전 처리에 한정되지 않으며 소정의 강도 범위를 나타낼 수 있도록 분리막의 일정 부분의 강도를 저하시킬 수 있는 방법이라면 본 발명의 목적 범위 내에서 어느 것이나 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 저강도 영역 형성 방법으로 발연 황산을 사용하는 술폰화처리, 불소 가스를 사용하는 불소화처리, 아크릴산 그라프트 처리, 플라즈마 처리법 등을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 다공성 기재 중 저강도 영역이 형성된 부분에는 상기 유/무기 복합 다공층(112, 122)이 형성되지 않는 것이다(도 4 참조).
또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 분리막의 저강도 영역과 대면하는 음극 및/또는 양극의 부분은 음극 활물질층 및/또는 양극 활물질층이 형성되지 않을 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서 상기 전극 조립체는 분리막의 상기 저강도 영역은 일측면에 음극 집전체와 타측면에 양극 집전체와 대면하도록 준비될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 양극 및 음극은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질을 전극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다. 상기 전극활물질 중 양극 활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 캐소드에 사용될 수 있는 통상적인 캐소드활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 음극 활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극 활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등과 같은 리튬 흡착물질 등이 바람직하다.
양극 집전체의비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
또한, 본 발명은 상기 전술한 특징을 갖는 전극 조립체 및 전해액을 포함하는 이차 전지를 제공한다. 상기 이차 전지는 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함하는 리튬 이차전지가 바람직하다.
본 발명의 이차 전지에서 사용될 수 있는 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3 CO2 -, CF3SO3 -,N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (g-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전해액 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지 조립 전 또는 전지 조립 최종단계 등에서 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 전지팩은 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 휴대용 네비케이터, 휴대용 게임기 등의 디바이스에 사용될 수 있다.
그러나, 단위전지의 개수를 가변적으로 조절하여 디바이스가 소망하는 출력과 용량을 제공하기 위한 전지팩을 용이하게 제조할 수 있으므로 휴대용 전자 디바이스뿐만 아니라, 가변적인 전지 용량을 필요로 하는 다양한 디바이스에 적용할 수 있음은 물론이고 한정되지 않는다.
상기 전지팩의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위 한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
110, 120 분리막
110a, 120a, 111a, 121a 저강도 영역
112, 122 다공성 코팅층
130 음극
140 양극
131 음극 활물질층
132 음극 집전체
141 양극 활물질층
142 양극 집전체
133 음극 탭
143 양극 탭

Claims (9)

  1. 금속재의 음극용 집전체 및 상기 음극용 집전체의 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극;
    금속재의 양극용 집전체 및 상기 양극용 집전체의 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극; 및
    상기 음극과 양극의 사이에 개재된 분리막;을 포함하며,
    상기 분리막은 저강도(低强度) 영역을 포함하며,
    상기 저강도 영역은 전극 조립체의 외측 단부로부터 일(1) 권취 단위 이상을 차지하는 분리막의 일부분이고,
    상기 저강도 영역은 상기 분리막 중 상기 저강도 영역을 제외한 타(他) 영역에 비해 강도가 낮은 것을 특징으로 하는 것인, 이차 전지용 젤리-롤형 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저강도 영역은 타 영역에 비해 파단 강도가 70% 이하인 것인, 이차 전지용 젤리-롤형 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저강도 영역은 코로나 방전 처리에 의해 형성되는 것인, 이차 전지용 젤리-롤형 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저강도 영역은 전극 조립체의 외측 단부로부터 일(1) 권취 단위 이상 이(2) 권취 단위 이하를 차지하는 분리막의 일부분인 것인, 이차 전지용 젤리-롤형 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 다공성 기재를 포함하는 것인, 이차 전지용 젤리-롤형 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 다공성 기재의 적어도 일면의 전부 또는 일부분에 유/무기 복합 다공성 코팅층이 더 형성되어 있는 것인, 이차 전지용 젤리-롤형 전극 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분리막은 저강도 영역에 상기 유/무기 복합 다공성 코팅층이 형성되지 않는 것인 이차 전지용 젤리-롤형 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분리막의 저강도 영역에 대면하는 음극 및/또는 양극 부분은 음극 활물질층 및/또는 양극 활물질층이 형성되지 않은 것인 이차 전지용 젤리-롤형 전극 조립체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지.
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