KR20180038296A - 외부 충격으로부터 단위셀들을 보호하여 단위셀들의 적층 구조와 전극 형태 변형을 최소화할 수 있는 보강부재가 구비된 전극조립체 - Google Patents
외부 충격으로부터 단위셀들을 보호하여 단위셀들의 적층 구조와 전극 형태 변형을 최소화할 수 있는 보강부재가 구비된 전극조립체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조의 n개(n은 1을 제외한 홀수)의 단위셀들이 분리필름을 사이에 두고 적층된 형태의 단위셀 적층체; 및 금속으로 이루어져 있으며, 외부 충격에 대해 단위셀들을 보호하도록 상기 단위셀 적층체의 상단면과 하단면 중 적어도 하나의 면과 적어도 하나의 측면을 일체로 감싸고 있는 적어도 하나의 보강부재(reinforce member);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체를 제공한다.
Description
본 발명은 외부 충격으로부터 단위셀들을 보호하여 단위셀들의 적층 구조와 전극 형태 변형을 최소화할 수 있는 보강부재가 구비된 전극조립체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지(또는 '전지셀')에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
이러한, 전지셀은 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지셀은 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 전극조립체가 어떤 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀인 바이셀(bicell) 또는 풀셀(full cell)들을 분리필름상에 배치한 후, 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체, 또는 바이셀(bicell) 또는 풀셀(full cell)들을 분리막을 개재한 상태로 스택한 구조의 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 제조 공정이 간편하고, 제조 단가가 낮을 뿐만 아니라, 디바이스의 다양한 형태에 대응하여, 구조적 응용성이 높은 바이셀 또는 풀셀을 포함하는 전극조립체를 포함하는 전지셀이 주목 받고 있다.
다만, 상기 전극조립체는 구조적으로 다수의 전극들이 적층된 바이셀 또는 풀셀 등의 단위셀 포함하고 이 단위셀들이 적층된 형태를 기본으로 하는 바, 외부 충격에 적층 구조가 틀어지기 쉬우며 더 세부적으로는 각 단위셀들의 전극 적층 형태가 틀어질 수도 있다.
이와 같은 적층 형태 변형은 전극들 내지 단위셀들의 전기화학반응을 저하하여 내부 저항 증가와 발열을 유발할 수 있다.
나아가, 외부 충격에 의해 전극의 형태가 변형되거나 파손되는 경우에는 급격한 저항 증가와 발열이 유발되면서 전극조립체의 발화와 폭발 등의 심각한 안전성 문제를 야기할 수 있다.
상기한 문제점 뿐만 아니라, 전극조립체는 못과 같은 침상 도체에 의한 외부 충격에도 매우 취약하다.
구체적으로, 전극조립체가 못과 같이 전기 전도성을 가지는 날카로운 침상 도체에 의한 충격에 의해 관통될 경우, 양극과 음극이 침상 도체에 의해 전기적으로 연결되면서 전류가 저항이 낮은 침상 도체로 흐르게 된다.
이때, 관통된 전극의 변형이 발생하고, 양극 활물질과 음극 활물질간의 접촉 저항부에 통전되는 전류에 의해 높은 저항열이 발생하게 된다. 상기 열로 인하여 전극조립체의 온도가 임계치 이상으로 상승하게 되면, 양극 활물질의 산화물 구조가 붕괴되어 열폭주 현상이 발생하게 되며 이는 전극조립체 및 전지셀을 발화 또는 폭발시키는 주요한 원인으로 작용할 수 있다.
또한, 침상 도체에 의해 휘어진 전극 활물질 또는 집전체가 상호 대면하는 반대극과 접촉하는 경우에는 저항열 보다 높은 발열이 발생하는 바, 전술한 열 폭주현상을 더욱 가속화 시킬 수 있으며, 이러한 문제점은 다수의 전극들이 포함된 바이셀 및 이를 포함하는 전극조립체에서 더욱 심각하게 발생할 수 있다.
따라서, 다양한 외부 충격 요인에 대해 단위셀들, 나아가 각 전극들을 보호할 수 있는 수단이 구비된 전극조립체에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 외부 충격으로부터 단위셀들을 보호하여 단위셀들의 적층 구조와 전극 형태 변형을 최소화할 수 있는 보강부재가 구비된 전극조립체를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전극조립체는, 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조의 n개(n은 1을 제외한 홀수)의 단위셀들이 분리필름을 사이에 두고 적층된 형태의 단위셀 적층체; 및
금속으로 이루어져 있으며, 외부 충격에 대해 단위셀들을 보호하도록 상기 단위셀 적층체의 상단면과 하단면 중 적어도 하나의 면과 적어도 하나의 측면을 일체로 감싸고 있는 적어도 하나의 보강부재(reinforce member);
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전극조립체는, 금속으로 이루어진 보강부재가 외부 충격으로부터 단위셀을 보호함으로써, 단위셀들 내지 전극들의 적층 구조 변형 및 전극 형태 변형을 최소화할 수 있는 구조로 이루어져 있다.
또한, 못과 같은 침상 도체에 의한 전극조립체의 충격 시, 보강부재는 이들의 관통을 억제함으로써, 전극조립체의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 침상 도체가 전극조립체를 완전히 관통하더라도, 금속 성의 보강부재가 우선적으로 침상 도체에 접촉 및 통전되면서 단락을 유발한다. 그러나, 보강부재에는 전극 활물질이 도포되어 있지 않으므로, 단락에 의한 발열량이 상대적으로 매우 낮아 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 단위셀들은 각각, 양극, 분리막, 음극이 차례로 적층된 풀셀 구조, 또는 양극, 분리막, 음극, 분리막, 양극이 차례로 적층된 A형 바이셀 구조, 또는 음극, 분리막, 양극, 분리막, 음극이 차례로 적층된 C형 바이셀 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 단위셀 구조에서, 상기 분리막들과 전극들은 서로 접촉되는 면들이 라미네이션 되어 분리막과 전극이 접합된 구조로 이루어질 수 있으며, 경우에 따라서는 라미네이션 없이, 전극들과 분리막들이 단순 적층된 구조일 수도 있다.
또한, 상기 단위셀에서 최외곽에 위치하는 전극의 최외곽면에는 추가적인 분리막이 적층 및/또는 라미네이션 되어 있을 수 있다
상기 보강부재는 구리, 알루니늄, 니켈, 철, 납으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 금속으로 이루어질 수 있으나, 이들만으로 보강부재의 소재가 한정되는 것은 아니다.
상기 보강부재는, 또한, 두께가 0.1 mm 이상 내지 1 mm 미만의 두께로 이루어진 금속 플레이트; 또는 두께가 0.01 mm 이상 내지 0.1 mm 미만의 두께로 이루어진 금속 박막일 수 있다.
금속 플레이트의 경우, 상대적으로 두꺼운 두께로 인해 기계적 강성이 우수하여, 외부 충격에도 단위셀 내지 전극의 적층 구조를 유지시키는 뼈대로 작용할 수 있으며 결과적으로 전극조립체 보호 측면에서 바람직하다.
반면, 상기 금속 박막의 경우에는 그 두께가 얇아 전극조립체의 크기 증가를 유발하지 않을 뿐만 아니라, 침상 도체에 대한 안전성 담보가 가능한 바, 박막형 전극조립체 구성에 유리하다. 또한, 두께가 얇기는 하지만, 금속 박막이 단위셀 적층체를 추가로 감싸면서, 단위셀들 내지 전극의 적층 형태가 고정되면서, 외부 충격에 대한 이들의 형태 변형이 억제될 수 있음은 물론이다.
상기한 두께 범위 즉, 보강부재의 최소 두께가 0.01mm 미만에서는, 외부 충격에 대응하여 보강부재가 쉽게 파단될 수 있는 바, 본 발명이 의도한 효과를 기대할 수 없으며, 최대 두께인 1mm를 초과하는 경우에는, 전극조립체의 체적이 과도하게 증가하게 되며, 이를 해소하기 위해서는 전극활물질의 함유량이 전극조립체 전반에서 감소되어야 하므로 고용량의 전극조립체 구현이 어렵다.
본 발명에 따른 전극조립체는, 상기 분리필름 상에서 제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀까지 순차적으로 배열되어 있고, 상기 배열을 기준으로 제 n 단위셀 다음에 제 1 보강부재가 위치되도록 제 1 보강부재가 분리필름 상에 추가로 배열된 상태에서, 단위셀들이 적층된 형태를 이루도록 분리필름이 권취된 구조로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는,
제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀까지 분리필름이 권취되어 제 n 단위셀과 제 n-1 단위셀이 최상단과 최하단에 위치하는 단위셀 적층체가 형성되고;
상기 단위셀 적층체에서 분리필름과 제 1 보강부재가 추가로 권취되면서 단위셀 적층체의 일 측면과 상단면 및 하단면이 제 1 보강부재로 감싸여 있는 구조일 수 있다.
즉, 상기 제 1 보강부재는 권취에 대응하여 구부러지면서 단위셀 적층체의 상단면, 하단면 및 일 측면을 일체로 감쌀 수 있다.
여기서, 상기 제 1 보강부재는 단위셀들의 일 측면을 분리필름과 함께 감싼 구조일 수 있다.
또한, 상기 제 1 보강부재는,
단위셀 적층체의 최상단에 위치한 제 n 단위셀의 최외측 전극에 대면한 상태로 단위셀 적층체의 상단면을 감싸는 구조일 수 있으며,
상기 단위셀 적층체의 최하단에 위치한 제 n-1 단위셀의 최외측 전극에 대면한 상태로 단위셀 적층체의 하단면을 감싸는 구조일 수 있다.
다만, 상기 구조에서, 상기 제 1 보강부재에 대면하는 제 1 단위셀과 제 n-1 단위셀의 전극들은 서로 동일한 극성을 가질 수 있으며, 제 1 보강부재에 의해 상기 동일 극성의 전극들이 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제 1 보강부재는 단위셀들의 전극들에 대한 절연성이 담보되도록, 분리필름에 밀착된 면의 대향 면에 불소 수지, 에나멜 수지 등의 절연성 물질이 부가되어 있을 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는, 제 1 보강부재 다음에 제 2 보강부재가 추가로 배열된 상태에서, 단위셀들이 적층된 형태를 이루도록 분리필름이 권취된 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 전극조립체는,
제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀까지 분리필름이 권취되어 제 n 단위셀과 제 n-1 단위셀이 최상단과 최하단에 위치하는 단위셀 적층체가 형성되고;
상기 단위셀 적층체에서 분리필름과 제 1 보강부재가 추가로 권취되면서 단위셀 적층체의 일 측면과 상단면 및 하단면이 제 1 보강부재로 감싸여 있으며;
상기 제 2 보강부재와 분리필름이 추가로 권취되면서 단위셀 적층체의 타 측면과 단위셀 적층체의 상단면 또는 하단면을 감싸고 있는 제 1 보강부재 부위를 추가로 감싸는 구조일 수 있다.
이러한 구조는 제 1 보강부재와 제 2 보강부재가 전극조립체의 양측면을 감싸게 되므로, 적층 구조가 보다 공고히 고정됨과 동시에, 단위셀 적층체의 상단면 또는 하단면이 제 1 보강부재와 제 2 보강부재에 의해 이층으로 감싸지므로, 침상 도체로 인한 외부 충격으로부터 이들 부위가 더욱 효과적으로 보호될 수 있다.
본 발명에서 상기 제 1 보강부재와 제 2 보강부재가 동시에 전극조립체에 포함된 구조에서는 제 2 보강부재는 제 1 보강부재를 이루는 금속과 상이한 금속 소재로 이루어질 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는, 제 1 보강부재 상에 제 2 보강부재가 적층된 구조의 보강부재 단위체가 제 n 단위셀의 다음에 위치된 상태에서, 단위셀들이 적층된 형태를 이루도록 분리필름이 권취된 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 구조는 제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀까지 분리필름이 권취되어 제 n 단위셀과 제 n-1 단위셀이 최상단과 최하단에 위치하는 단위셀 적층체가 형성되고;
상기 단위셀 적층체에서 분리필름과 보강부재 단위체가 추가로 권취되면서 단위셀 적층체의 일 측면과 상단면 및 하단면이 제 1 보강부재와 제 2 보강부재로 감싸여 있을 수 있다.
이러한 구조 역시, 전극조립체의 측면과 상단면 및 하단면이, 제 1 보강부재와 제 2 보강부재에 의해 이층으로 감싸지므로, 침상 도체로 인한 외부 충격으로부터 이들 부위가 더욱 효과적으로 보호될 수 있다.
한편, 상기 제 1 보강부재에는,
상기 단위셀들의 양극 탭들 또는 음극 탭들 중, 동일한 극성의 전극 탭들에 연결되어 보강부재를 고정시키는 한 쌍의 고정 탭들이 형성되어 있고,
상기 고정 탭들 중에서 하나는 제 n 단위셀에 형성된 양극 탭들 또는 음극 탭들에 연결되며, 나머지 하나는 제 n-1 단위셀에 형성된 양극 탭들 또는 음극 탭들에 연결될 수 있다.
마찬가지로, 제 2 보강부재에는,
상기 단위셀들의 양극 탭들 또는 음극 탭들 중, 동일한 극성의 전극 탭들에 연결되어 보강부재를 고정시키는 한 쌍의 고정 탭들이 형성되어 있고,
상기 고정 탭들 중에서 하나는 제 n 단위셀에 형성된 양극 탭들 또는 음극 탭들에 연결되며, 나머지 하나는 제 n-1 단위셀에 형성된 양극 탭들 또는 음극 탭들에 연결될 수 있다.
경우에 따라서는 제 2 보강부재의 고정 탭들은 제 1 보강부재의 고정 탭에 연결될 수도 있다.
이상과 같이, 보강부재들이 고정 탭과 전극 탭의 연결로 인해, 전극조립체의 최외측에 위치한 단위셀 및 전극에 전기적으로 연결되며, 침상 도체의 관통 시, 금속 성의 보강부재가 우선적으로 침상 도체에 접촉 및 통전되면서, 전극조립체가 단락될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 보강부재는 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 바, 단락에 의한 발열량이 상대적으로 매우 낮아 침상 도체 관통에 따른 전극조립체의 발화를 방지할 수 있다.
특히 상술한 바와 같이, 보강부재가 분리필름과 함께 권취 되는 간단한 구조로 전극조립체를 구성하는 바, 제조 비용 측면과 공정성 측면에서도 이점이 있음에 주목해야 한다.
본 발명은 또한, 상기 전극조립체를 포함하는 전지셀을 제공한다.
본 발명의 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 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. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 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 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 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, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 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.
상기 음극은 음극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 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 활물질로는, 예를 들어, 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 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 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, 피로피온산 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, 비수 전해액에는 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극조립체는, 금속으로 이루어진 보강부재가 외부 충격으로부터 단위셀을 보호함으로써, 단위셀들 내지 전극들의 적층 구조 변형 및 전극 형태 변형을 최소화할 수 있는 구조로 이루어져 있다.
뿐만 아니라, 침상 도체의 관통 시, 금속 성의 보강부재가 우선적으로 침상 도체에 접촉 및 통전되면서, 전극조립체가 단락됨에도 불구하고, 보강부재는 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 바, 단락에 의한 발열량이 상대적으로 매우 낮아 침상 도체 관통에 따른 전극조립체의 발화를 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도들이다;
도 4 및 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도들이다;
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도들이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도들이다;
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 모식도들이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1과 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 모식도들이 도시되어 있다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 전극조립체(100)는, 5개의 단위셀들(101, 102, 103, 104, 105)이 분리필름(110)을 사이에 두고 적층된 형태의 단위셀 적층체(100b)와 금속으로 이루어져 있으며, 외부 충격에 대해 단위셀들(101, 102, 103, 104, 105)을 보호하도록 단위셀 적층체(100b)의 상단면과 하단면 및 일 측면을 일체로 감싸고 있는 제 1 보강부재(120)를 포함한다.
단위셀들(101, 102, 103, 104, 105)은 각각, 양극, 분리막, 음극, 분리막, 양극이 차례로 적층된 A형 바이셀 구조 또는 음극, 분리막, 양극, 분리막, 음극이 차례로 적층된 C형 바이셀 구조로 이루어질 수 있다.
전극조립체(100)는, 분리필름(110) 상에 제 1 단위셀(101)로부터 제 5 단위셀(105)까지 순차적으로 배열되어 있고, 제 5 단위셀(105) 다음에 제 1 보강부재(120)가 위치되도록 제 1 보강부재(120)가 분리필름(110) 상에 추가로 배열되어 있는 배열체(100a)가, 제 1 단위셀(101)로부터 제 1 보강부재(120)까지 분리필름(110)이 권취되면서 단위셀들(101, 102, 103, 104, 105)이 적층된 형태를 이루고 있다.
본 발명에서는 제 1 단위셀(101)로부터 제 5 단위셀(105)까지 분리필름(110)이 권취되어 제 5 단위셀(105)과 제 4 단위셀(104)이 최상단과 최하단에 위치하고 있는 구조를 단위셀 적층체(100b)로 정의하며, 단위셀 적층체(100b)에서 분리필름(110)과 제 1 보강부재(120)가 추가로 권취되면서 단위셀 적층체(100b)의 일 측면과 상단면 및 하단면이 제 1 보강부재(120)로 감싸여진 구조를 전극조립체(100) 정의한다.
상기 권취 시, 제 1 보강부재(120)가 권취에 대응하여 구부러지면서 단위셀 적층체(100b)의 상단면, 하단면 및 일 측면을 일체로 감쌀 수 있다.
이러한 구조에서, 제 1 보강부재(120)는 단위셀들(101, 102, 103, 104, 105)의 일 측면을 분리필름(110)과 함께 감싸고 있으며, 분리필름(110)을 사이에 두고 단위셀 적층체(100b)의 최상단에 위치한 제 5 단위셀(105)의 최외측 전극에 대면한 상태로 단위셀 적층체(100b)의 상단면을 감싸고 있다.
이와 동시에, 제 1 보강부재(120)는, 분리필름(110)을 사이에 두고 단위셀 적층체(100b)의 최하단에 위치한 제 4 단위셀(104)의 최외측 전극에 대면한 상태로 단위셀 적층체(100b)의 하단면을 감싸고 있다.
도면에 별도로 도시하지는 않았지만, 제 1 보강부재(120)에는 단위셀들(101, 102, 103, 104, 105)의 전극들에 대한 절연성이 더욱 담보되도록, 분리필름(110)에 밀착된 면의 대향 면에 절연성 물질이 부가되어 있다.
본 발명에서는 단위셀들(101, 102, 103, 104, 105)이 홀수로 구성되는 바, 최상단의 제 5 단위셀(105)과 최하단의 제 4 단위셀(104)의 최외곽 전극의 극성이 서로 동일할 수 있으며, 제 1 보강부재(120)는 제 4 단위셀(104)과 제 5 단위셀(105)의 양극 탭들 또는 음극 탭들에 각각 연결되는 한 쌍의 고정 탭들(122, 124)을 포함한다.
이와 관련하여, 도 3에는 제 1 보강부재가 제 5 단위셀의 전극 탭에 결합되어 있는 예시적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 도 1 내지 도 2와 함께 참조하면, 제 1 보강부재(120)의 고정 탭(122)이 제 1 단위셀(101)의 음극 탭들(105b)에 연결되어 있으며, 이러한 구조로 제 1 보강부재(120)가 단위셀 적층체(100b)에 고정될 수 있다.
반면 도면에 도시하지는 않았지만, 제 1 보강부재(120)의 또 다른 고정 탭(124)은 제 4 단위셀(104)의 음극 탭(104a)에 연결될 수 있으며, 이에 따라 제 1 보강부재(120)가 단위셀 적층체(100b)의 상단과 하단 각각에서 고정됨과 동시에, 고정 탭들(122, 124)을 통해 제 5 단위셀(105) 및 제 4 단위셀(104)의 음극에 전기적으로 연결된다.
도 4와 도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체(200)가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극조립체(200)는, 3개의 단위셀들(201, 202, 203)이 분리필름(210)을 사이에 두고 적층된 형태의 단위셀 적층체(200b)와 금속으로 이루어져 있으며, 외부 충격에 대해 단위셀들(201, 202, 203)을 보호하도록 단위셀 적층체(200b)를 감싸고 있는 제 1 보강부재(221)와 제 2 보강부재(222)를 포함한다.
전극조립체(200)는, 분리필름(210) 상에 제 1 단위셀(201)로부터 제 3 단위셀(203)까지 순차적으로 배열되어 있고, 제 3 단위셀(203) 다음에 제 1 보강부재(221)가 위치되도록 제 1 보강부재(221)가 분리필름(210) 상에 추가로 배열되어 있으며, 제 1 보강부재(221) 다음에 제 2 보강부재(222)가 추가로 배열되어 있는 배열체(200a)가, 제 1 단위셀(201)로부터 제 2 보강부재(222)까지 분리필름(210)이 권취되면서 단위셀들(201, 202, 203)이 적층된 형태를 이루고 있다.
본 발명에서는, 제 1 단위셀(201)로부터 제 3 단위셀(203)까지 분리필름(210)이 권취되어 제 3 단위셀(203)과 제 2 단위셀(202)이 최상단과 최하단에 위치하고 있는 구조를 단위셀 적층체(200b)로 정의하며, 단위셀 적층체(200b)에서 분리필름(210)과 제 1 보강부재(221)가 추가로 권취되면서 단위셀 적층체(200b)의 일 측면과 상단면 및 하단면이 제 1 보강부재(221)로 감싸여 있으며 제 2 보강부재(222)와 분리필름(210)이 추가로 권취되면서 단위셀 적층체(200b)의 타 측면과 단위셀 적층체(200b)의 하단면을 감싸고 있는 제 1 보강부재(221) 부위를 추가로 감싸는 구조를 전극조립체(200)라 정의한다.
이러한 구조는 제 1 보강부재(221)와 제 2 보강부재(222)가 전극조립체(200)의 양측면을 감싸게 되므로, 적층 구조가 보다 공고히 고정됨과 동시에, 단위셀 적층체(200b)의 하단면이 제 1 보강부재(221)와 제 2 보강부재(222)에 의해 이층으로 감싸지므로, 침상 도체로 인한 외부 충격으로부터 이들 부위가 더욱 효과적으로 보호될 수 있다.
도 6 및 도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체(300)의 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극조립체(300)는, 5개의 단위셀들(301, 302, 303, 304, 305)이 분리필름(310)을 사이에 두고 적층된 형태의 단위셀 적층체(300b)와 금속으로 이루어져 있으며, 외부 충격에 대해 단위셀들(301, 302, 303, 304, 305)을 보호하도록 단위셀 적층체(300b)를 감싸고 있는 제 1 보강부재(321)와 제 2 보강부재(322)를 포함한다.
여기서, 제 1 보강부재(321) 상에 제 2 보강부재(322)가 적층된 구조의 보강부재 단위체(320)를 형성하고, 전극조립체(300)는 이 보강부재 단위체(320)가 제 5 단위셀(305)의 다음에 위치된 상태에서, 단위셀들(301, 302, 303, 304, 305)이 적층된 형태를 이루도록 분리필름(310)이 권취된 구조로 이루어져 있다.
따라서, 제 1 단위셀(301)로부터 제 5 단위셀(305)까지 분리필름(310)이 권취되어 제 5 단위셀(305)과 제 4 단위셀(304)이 최상단과 최하단에 위치하는 단위셀 적층체(300b)가 형성되고, 전극조립체(300)는, 단위셀 적층체(300b)에서 분리필름(310)과 보강부재 단위체(320)가 추가로 권취되면서 단위셀 적층체(300b)의 일 측면과 상단면 및 하단면이 제 1 보강부재(321)와 제 2 보강부재(322)로 함께 감싸여 있는 구조로 이루어져 있다.
한편, 이하에서는 실시예와 비교예 및 실험예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
도 1 내지 도 3에 따른 전극조립체를 제조한 후, 전해액과 함께 전극조립체를 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 수납, 밀봉 처리하여, 파우치형 전지셀을 제조하였다.
<비교예 1>
보강부재를 포함하지 않는 점을 제외하면, 실시예 1의 전극조립체와 동일한 전극조립체를 제조하였으며, 이 전극조립체를 전해액과 함께 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 수납, 밀봉 처리하여, 파우치형 전지셀을 제조하였다.
<실험예>
직경 2.5mm의 못이 12m/min의 속도로 전지셀 상단부터 하단까지 관통되도록, 상기 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 전지셀 각각을 관통시켰다.
그 결과, 보강부재를 포함하는 본 발명에 따른 전지셀은 발화되지 않았으나, 보강부재를 포함하지 않는 비교예 1의 전지셀은 발화되었다.
이는, 실시예 1의 전지셀의 경우 전극활물질이 도포되지 않은 보강부재에 의해 전극조립체가 먼저 단락되되, 보강부재가 상대적으로 낮은 온도로 발열되어, 전지셀이 발화되지 않는 것으로 예상된다.
그에 반해 비교예 1의 전지셀은, 침상 도체가 곧바로 전극을 관통함에 따라 전극과 침상 도체간 접촉 부위에서 단락되며 그에 따라 양극 음극의 직접적인 통전에 따른 과발열로 인해 발화되었음을 알 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (17)
- 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조의 n개(n은 1을 제외한 홀수)의 단위셀들이 분리필름을 사이에 두고 적층된 형태의 단위셀 적층체; 및
금속으로 이루어져 있으며, 외부 충격에 대해 단위셀들을 보호하도록 상기 단위셀 적층체의 상단면과 하단면 중 적어도 하나의 면과 적어도 하나의 측면을 일체로 감싸고 있는 적어도 하나의 보강부재(reinforce member);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체. - 제 1 항에 있어서, 상기 분리필름 상에서 제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀까지 순차적으로 배열되어 있고, 상기 배열을 기준으로 제 n 단위셀 다음에 제 1 보강부재가 위치되도록 제 1 보강부재가 분리필름 상에 추가로 배열된 상태에서, 단위셀들이 적층된 형태를 이루도록 분리필름이 권취된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 2 항에 있어서,
제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀까지 분리필름이 권취되어 제 n 단위셀과 제 n-1 단위셀이 최상단과 최하단에 위치하는 단위셀 적층체가 형성되고;
상기 단위셀 적층체에서 분리필름과 제 1 보강부재가 추가로 권취되면서 단위셀 적층체의 일 측면과 상단면 및 하단면이 제 1 보강부재로 감싸여 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체. - 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 보강부재는 단위셀들의 일 측면을 분리필름과 함께 감싼 구조인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 보강부재는, 단위셀 적층체의 최상단에 위치한 제 n 단위셀의 최외측 전극에 대면한 상태로 단위셀 적층체의 상단면을 감싸는 구조인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 3 항에 있어서, 상기 단위셀 적층체의 최하단에 위치한 제 n-1 단위셀의 최외측 전극에 대면한 상태로 단위셀 적층체의 하단면을 감싸는 구조인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 보강부재에 대면하는 제 1 단위셀과 제 n-1 단위셀의 전극들은 서로 동일한 극성을 가지는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 보강부재는 단위셀들의 전극들에 대한 절연성이 담보되도록, 분리필름에 밀착된 면의 대향 면에 절연성 물질이 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 보강부재는 권취에 대응하여 구부러지면서 단위셀 적층체의 상단면, 하단면 및 일 측면을 일체로 감싸는 구조인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 2 항에 있어서, 상기 전극조립체는, 제 1 보강부재 다음에 제 2 보강부재가 추가로 배열된 상태에서, 단위셀들이 적층된 형태를 이루도록 분리필름이 권취된 구조인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 10 항에 있어서, 상기 제 2 보강부재는 제 1 보강부재를 이루는 금속과 상이한 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 10 항에 있어서,
제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀까지 분리필름이 권취되어 제 n 단위셀과 제 n-1 단위셀이 최상단과 최하단에 위치하는 단위셀 적층체가 형성되고;
상기 단위셀 적층체에서 분리필름과 제 1 보강부재가 추가로 권취되면서 단위셀 적층체의 일 측면과 상단면 및 하단면이 제 1 보강부재로 감싸여 있으며;
상기 제 2 보강부재와 분리필름이 추가로 권취되면서 단위셀 적층체의 타 측면과 단위셀 적층체의 상단면 또는 하단면을 감싸고 있는 제 1 보강부재 부위를 추가로 감싸는 구조인 것을 특징으로 하는 전극조립체. - 제 2 항에 있어서, 상기 전극조립체는, 제 1 보강부재 상에 제 2 보강부재가 적층된 구조의 보강부재 단위체가 제 n 단위셀의 다음에 위치된 상태에서, 단위셀들이 적층된 형태를 이루도록 분리필름이 권취된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 13 항에 있어서, 제 1 단위셀로부터 제 n 단위셀까지 분리필름이 권취되어 제 n 단위셀과 제 n-1 단위셀이 최상단과 최하단에 위치하는 단위셀 적층체가 형성되고;
상기 단위셀 적층체에서 분리필름과 보강부재 단위체가 추가로 권취되면서 단위셀 적층체의 일 측면과 상단면 및 하단면이 제 1 보강부재와 제 2 보강부재로 감싸여 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체. - 제 1 항에 있어서, 상기 보강부재는 구리, 알루니늄, 니켈, 철, 납으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극조립체.
- 제 1 항에 있어서, 상기 보강부재는,
두께가 0.1 mm 이상 내지 1 mm 미만의 두께로 이루어진 금속 플레이트; 또는
두께가 0.01 mm 이상 내지 0.1 mm 미만의 두께로 이루어진 금속 박막인 것을 특징으로 하는 전극조립체. - 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 보강부재에는,
상기 단위셀들의 양극 탭들 또는 음극 탭들 중, 동일한 극성의 전극 탭들에 연결되어 보강부재를 고정시키는 한 쌍의 고정 탭들이 형성되어 있고,
상기 고정 탭들 중에서 하나는 제 n 단위셀에 형성된 양극 탭들 또는 음극 탭들에 연결되며, 나머지 하나는 제 n-1 단위셀에 형성된 양극 탭들 또는 음극 탭들에 연결되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
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