KR20180097084A - 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무지부에 무기물 코팅층을 형성하여 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
일례로, 음극 무지부를 갖는 음극판; 양극 무지부를 갖는 양극판; 상기 음극판과 양극판 사이에 개재된 세퍼레이터; 및 상기 음극 무지부 및 양극 무지부에 형성된 무기물 코팅층으로 이루어진 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 개시한다.
일례로, 음극 무지부를 갖는 음극판; 양극 무지부를 갖는 양극판; 상기 음극판과 양극판 사이에 개재된 세퍼레이터; 및 상기 음극 무지부 및 양극 무지부에 형성된 무기물 코팅층으로 이루어진 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 개시한다.
Description
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 스마트폰, 피처폰, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량의 이차 전지는 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원 및 전력 저장용 전지 등으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 양극 및 음극으로 이루어지는 전극 조립체, 이를 수용하는 케이스, 전극 조립체에 연결되는 전극 단자 등을 포함한다. 케이스는 그 형상에 따라 원형, 각형 및 파우치형 등으로 구분할 수 있다. 이 중, 파우치형 이차 전지는 다양한 형상으로 변형이 용이하고 중량이 작은 라미네이트 외장재로 형성될 수 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명은 무지부에 무기물 코팅층을 형성하여 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 의한 이차 전지는 음극 무지부를 갖는 음극판; 양극 무지부를 갖는 양극판; 상기 음극판과 양극판 사이에 개재된 세퍼레이터; 및 상기 음극 무지부 및 양극 무지부에 형성된 무기물 코팅층으로 이루어진 전극 조립체를 포함한다.
상기 무기물 코팅층은 상기 세퍼레이터에 결착력을 가지며 결합될 수 있다.
상기 무기물 코팅층과 상기 세퍼레이터 사이의 결착력은 9.5 내지 10.8 gf/cm 일 수 있다.
상기 무기물 코팅층은 바인더와 세라믹 물질을 포함할 수 있다.
상기 무기물 코팅층에서 바인더와 세라믹 물질의 조성비는 1:2 내지 1:3 일 수 있다.
상기 세라믹 물질은 Al2O3, SiO2, TiO2, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, SrTiO3, BaTiO3, Mg(OH)2 또는 이들의 조합 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 음극 무지부는 상기 음극판의 권취 선단과 종단에 각각 형성되고, 상기 양극 무지부는 상기 양극판의 권취 선단과 종단에 각각 형성되며, 상기 권취 종단에 위치한 음극 무지부에는 음극탭이 절연 부재로 부착되고 상기 권취 종단에 위치하는 양극 무지부에는 양극탭이 절연 부재로 부착될 수 있다.
상기 무기물 코팅층은 상기 음극탭 및 양극탭이 고정된 부분을 제외한 부분에 형성될 수 있다.
상기 무기물 코팅층은 상기 전극 조립체의 최외곽에 위치할 수 있다.
상기 전극 조립체를 수용하는 외장재를 더 포함하고, 상기 무기물 코팅층은 상기 외장재의 내측에 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 음극판 및 양극판의 무지부에 세라믹 물질과 바인더가 포함된 무기물 코팅층을 코팅하여 음극판 및 양극판이 세퍼레이터와 상호간 결착된다. 이에 따라, 본 발명은 이차 전지의 낙하 충격 시험시 세퍼레이터가 음극판 및/또는 양극판으로 말려 들어가는 것을 방지하여 전극 조립체의 쇼트를 막음으로써, 이차 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 전극 조립체의 최외곽에 무기물 코팅층을 형성하고, 상기 무기물 코팅층은 외장재의 내측에 결합되어 외장재 내에서 전극 조립체가 유동하는 것을 방지함으로써, 이차 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 전극 조립체를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 전극 조립체를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 A-A’선을 도시한 단면도이다.
도 5은 도 4에 도시된 B부분의 확대도이다.
도 6은 음극판과 세퍼레이터 사이의 결착력을 테스트 하는 방법을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 전극 조립체를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 전극 조립체를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 A-A’선을 도시한 단면도이다.
도 5은 도 4에 도시된 B부분의 확대도이다.
도 6은 음극판과 세퍼레이터 사이의 결착력을 테스트 하는 방법을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 전극 조립체를 도시한 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 전극 조립체를 도시한 단면도이다. 도 4는 도 1에 도시된 A-A’선을 도시한 단면도이다. 도 5은 도 4에 도시된 B부분의 확대도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 외장재(150) 및 무기물 코팅층(160)을 포함한다.
상기 전극 조립체(110)는 음극판(120), 양극판(130) 및 음극판(120)과 양극판(130) 사이에 개재되는 세퍼레이터(140)를 포함할 수 있다.
상기 음극판(120)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리 또는 니켈 호일이나 메쉬로 이루어진 음극 집전판(121)의 양면에 코팅된 음극 활물질층(122)을 포함한다. 상기 음극 활물질층(122)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 음극 활물질에 카본 블랙(carbon black)이나 흑연 분말과 같은 도전재와 활물질의 고정을 위한 바인더 등이 혼합된 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 여기서, 상기 음극 활물질은 탄소 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체, 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이트 또는 금속 산화물 등이 사용될 수 있다.
상기 음극 집전판(121)에서 음극 활물질층(122)이 형성되지 않은 음극 무지부(123)에는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 대략 평평한 음극탭(124)이 고정(예를 들면, 용접)될 수 있다. 즉, 상기 음극탭(124)의 일단은 음극 무지부(123)에 전기적으로 연결되며, 타단은 외부로 돌출 및 연장될 수 있다. 상기 음극 무지부(123)는 상기 음극 집전판(121)의 양단에 형성될 수 있다. 상기 음극 집전판(121)에서 권취가 시작되는 부분을 선단(P1)이라고 하고, 권취가 끝나는 부분을 종단(P2)이라고 한다. 즉, 상기 음극 무지부(123)는 음극 집전판(121)의 선단(P1)과 종단(P2)에 각각 형성되며, 상기 음극탭(124)은 상기 음극 집전판(121)의 종단(P2)에 위치한 음극 무지부(123)에 부착될 수 있다. 상기 음극탭(124)은 상기 음극 무지부(123)에 용접된 후, 절연 부재(125)로 부착되어, 음극탭(124)이 외장재(150)와 쇼트되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 절연 부재(125)는 상기 음극탭(124)을 감싸면서 상기 음극 무지부(123)에 부착된다. 상기 절연 부재(125)는, 예를 들어, PS(polyphenylene sulfide), PI(polymide) 또는 PP(polypropylene)를 포함하는 절연 테이프로 형성될 수 있다. 또한, 상기 음극탭(124)에서 외장재(150)의 실링부(154)가 겹쳐지는 위치에 상기 외장재(150)의 밀봉을 돕는 접착성 테이프(126)가 더 형성될 수 있다.
상기 양극판(130)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄 호일(foil) 또는 메쉬로 이루어진 양극 집전판(131)의 양면에 코팅된 양극 활물질층(132)을 포함한다. 상기 양극 활물질층(132)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 양극 활물질에 카본 블랙(carbon black)이나 흑연 분말과 같은 도전재와 활물질의 고정을 위한 바인더 등이 혼합된 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 여기서, 상기 양극 활물질은 칼코게나이트(chalcogenide) 화합물이 사용될 수 있으며, 일례로, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용될 수 있다. 양극 집전판(131)에서 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 무지부(133)에는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 양극탭(134)이 고정(예를 들면, 용접)될 수 있다. 즉, 상기 양극탭(134)의 일단은 양극 무지부(133)에 전기적으로 연결되며, 타단은 외부로 돌출 및 연장될 수 있다. 상기 양극 무지부(133)는 상기 양극 집전판(131)의 양단(즉, 선단과 종단)에 형성될 수 있다. 또한, 상기 양극탭(134)은 상기 양극 집전판(131)의 종단(P2)에 위치한 양극 무지부(133)에 부착될 수 있다. 상기 양극탭(134)은 상기 양극 무지부(133)에 용접된 후, 절연 부재(135)로 부착되어, 양극탭(134)이 음극판(120) 및/또는 외장재(150)와 쇼트되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 절연 부재(135)는 상기 양극탭(134)을 감싸면서 상기 양극 무지부(133)에 부착된다. 상기 절연 부재(135)는, 예를 들어, PS(polyphenylene sulfide), PI(polymide) 또는 PP(polypropylene)를 포함하는 절연 테이프로 형성될 수 있다. 또한, 상기 양극탭(134)에서 외장재(150)의 실링부(154)가 겹쳐지는 위치에 상기 외장재(150)의 밀봉을 돕는 접착성 테이프(136)가 더 형성될 수 있다.
상기 세퍼레이터(140)는 음극판(120)과 양극판(130) 사이에 개재되어 음극판(120)과 양극판(130)의 전기적 쇼트를 방지한다. 실질적으로 세퍼레이터(140)는 한쌍이 구비되며, 이러한 한쌍의 세퍼레이터(140) 사이에 음극판(120)이 협지된다. 또한, 세퍼레이터(140)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 다공성 공중합체로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 세퍼레이터(140)는 음극판(120)과 양극판(130) 간의 전기적 쇼트를 방지하기 위해 음극판(120) 및 양극판(130) 보다 폭을 넓게 형성할 수 있다. 더불어, 세퍼레이터(140)는, 한정하는 것은 아니지만, 고체 전해질(예를 들면, Perovskite계, NASICON계, LISICON계, Sulfide계, Garnet계 또는 Glass계와 같은 무기계 세라믹 기반 전해질 또는 고분자 기반 전해질)을 포함하는 개념으로써, 이 경우 액체 전해질이 생략될 수 있다.
상기 외장재(150)는 상기 전극 조립체(110)를 수용하며, 제 1 외장부(151)와 상기 제 1 외장부(151)에 결합되는 제 2 외장부(152)로 이루어지는 파우치형 외장재이다. 상기 제 1 외장부(151)와 제 2 외장부(152)는 일측의 가장자리 면이 접합되어 있고, 상기 제 2 외장부(152)에는 상기 전극 조립체(110)를 수용할 수 있도록 일정 깊이의 리세스(153)가 형성된다. 상기 제 1 외장부(151) 및 제 2 외장부(152)의 가장자리에는 열융착 등의 방법으로 밀봉되는 실링부(154)가 형성된다. 즉, 상기 제 2 외장부(152)의 리세스(153)에 전극 조립체(110)를 안착시키고 상기 제 1 외장부(151) 및 제 2 외장부(152)의 실링부(154)를 열융착함으로써, 전극 조립체(110)가 외장재(150)의 내측에 수용된다.
즉, 상기 외장재(150)는 일체로 형성된 사각 판상의 라미네이트 외장재을 한 변의 길이 방향을 기준으로 중간을 절곡하여, 제 1 외장부(151)와 제 2 외장부(152)를 이루도록 형성된다. 제 2 외장부(152)에는 프레스(press) 또는 드로잉(drawing) 가공 등을 통해 전극 조립체(110)가 수용될 수 있는 일정 깊이의 리세스(153)가 형성되고, 리세스(153)의 외주연에 제 1 외장부(151)와의 실링을 위한 실링부(154)가 형성된다. 실링부(154)는 제 1 외장부(151)와 제 2 외장부(152)가 일체로 접하여 있는 한 변과 나머지 세변을 따라서 모두 형성될 수 있다.
상기 외장재(150)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 제1절연층(150a), 금속층(150b) 및 제2절연층(150c)을 갖는 다층 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1절연층(150a)은 외장재(150)의 내측면으로, 절연성 및 열접착성을 가지는 물질로 형성된다. 또한, 제1절연층(150a)은 금속층(150b)의 일면에 형성되며, 전극 조립체(110)와 대향하는 외장재(150)의 내측면을 이룬다. 제1절연층(150a)은, 한정하는 것은 아니지만, 전해액 등과 반응하지 않는 캐스티드 폴리프로핀렌(Casted Polypropylene:CPP) 또는 그 등가물로 형성될 수 있다. 제2외장부(152)의 리세스(153)에 전극 조립체(110)를 수용하고 제1외장부(151)로 덮으면, 외장재(150)의 제1절연층(150a)이 서로 접촉하게 된다. 따라서, 실링부(154)를 열융착시키면, 제1절연층(150a)이 서로 접착되어 외장재(150)가 밀봉된다.
상기 금속층(150b)은 제1절연층(150a)과 제2절연층(150c) 사이에 개재되어 있으며, 외부로부터 수분과 산소가 유입되는 것을 막고, 만약 외장재(150)의 내부에 전해액이 채워진다면, 이의 외부 유출을 방지하는 역할을 한다. 또한, 금속층(150b)은 외장재(150)의 기계적 강도를 유지하는 역할을 한다. 일반적으로 금속층(150b)은, 한정하는 것은 아니지만, 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금으로 형성될 수 있다.
상기 제2절연층(150c)은 외장재(150)의 외측면으로, 외부 전자기기와의 기계적, 화학적 충격을 완화하는 역할을 한다. 또한, 제2절연층(150c)은 금속층(150b)의 타면에 형성되며, 외장재(150)의 외측면을 이룬다. 제2절연층(150c)은, 한정하는 것은 아니지만, 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리부틸렌 나프탈레이트(PBN) 또는 그 등가물로 형성될 수 있다.
상기 무기물 코팅층(160)은 상기 음극 무지부(123) 및 양극 무지부(133)에 코팅된다. 따라서, 상기 무기물 코팅층(160)은 상기 음극 집전판(121)의 선단(P1)과 종단(P2) 및 양극 집전판(131)의 선단(P1)과 종단(P2)에 형성된다. 이때, 상기 무기물 코팅층(160)은 상기 음극 무지부(123)에 고정된 음극탭(124) 및 양극 무지부(133)에 고정된 양극탭(134)을 제외한 부분에 형성된다. 상기 무기물 코팅층(160)은 세라믹 물질과 바인더를 포함한다. 더불어, 상기 무기물 코팅층(160)은 가교제 및/또는 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 세라믹 물질은 상기 바인더에 균일한 밀도로 분포되어 존재할 수 있다. 상기 무기물 코팅층(160)의 두께는 대략 2㎛ 내지 4㎛로 형성될 수 있다. 만약, 무기물 코팅층(160)의 두께가 4㎛ 보다 크면 셀 전체 두께가 두꺼워지므로 동일 면적 대비 에너지 밀도가 낮아지게 된다. 또한, 무기물 코팅층(160)의 두께를 2㎛ 보다 작게 코팅하는 것은 기술상 구현하기 어렵다. 왜냐하면, 금속으로 이루어진 양극 집전판(131) 및 음극 집전판(121) 자체에 표면장력이 존재하여 무기물 코팅층(160)에 wetting 첨가제를 첨가하여도 세라믹 물질과 바인더가 서로 뭉치려는 경향을 보이기 때문이다. 이러한 무기물 코팅층(160)의 코팅 방법은 당업계에 알려진 통상적인 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 딥 코팅, 스핀코트 코팅, 롤 코팅, 메이어바 코팅, 콤마 코팅, 다이 코팅, 그라비아 코팅, 스크린 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 브러시 도장법, 스프레이법 또는 이들의 혼합 방식 등 다양한 방식을 이용할 수 있다.
상기 세라믹 물질은, 예를 들어, Al2O3, SiO2, TiO2, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, SrTiO3, BaTiO3, Mg(OH)2 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 세라믹 물질은 무기 화합물을 포함함으로써 내열성을 개선하여 온도 상승에 의해 세퍼레이터(140)가 급격히 수축되거나 변형되는 것을 방지할 수 있다.
상기 바인더는 상기 세라믹 물질이 상호간 응집되지 않고 잘 분산될 수 있도록 하는 역할을 하며, 상기 무기물 코팅층(160)이 음극 무지부(123) 및 양극 무지부(133)에 잘 접착되도록 한다. 또한, 상기 바인더는 음극판(120) 및 양극판(130)과 세퍼레이터(140)가 서로 접착되도록 하는 역할도 한다. 즉, 상기 음극판(120) 및 양극판(130) 각각의 무지부(123, 133)에 바인더가 포함된 무기물 코팅층(160)을 코팅함으로써, 음극판(120) 및 양극판(130)이 세퍼레이터(140)와 상호간 결착되게 된다. 따라서, 이차 전지(100)의 낙하 충격 시험시 세퍼레이터(140)가 음극판(120) 및/또는 양극판(130)으로 말려 들어가는 것을 방지하여, 전극 조립체(110)가 쇼트 되는 것을 막을 수 있다. 상기 바인더는, 예를 들면, 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴산염 또는 폴리아크릴산과 폴리아크릴산염의 혼합물 중 선택된 하나로 이루어질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 양극판(130), 세퍼레이터(140), 음극판(120) 및 세퍼레이트(140)의 적층제를 선단(P1)부터 권취하여 전극 조립체(110)를 형성하면, 최외곽에 양극판(130)이 위치하게 된다. 보다 구체적으로, 양극 무지부(133)가 전극 조립체(110)의 최외곽에 위치하게 되고 상기 양극 무지부(133)에는 무기물 코팅층(160)이 형성되어 있으므로, 결과적으로, 전극 조립체(110)의 최외곽에는 양극 무지부(133)에 코팅된 무기물 코팅층(160)이 위치하게 된다. 더불어, 도면상에서는 편의상 양극 무지부(133) 및/또는 음극 무지부(123)의 길이를 상대적으로 작게 도시하였으나, 실질적으로, 상기 양극 무지부(133)의 길이는 상기 전극 조립체(110)의 최외곽을 한바퀴 감쌀 수 있을 정도로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전극 조립체(110)의 최외곽에 위치한 무기물 코팅층(160)은 외장재(150)의 실링부(154)를 열융착할 때, 외장재(150)의 내측에 결합되게 된다. 따라서, 상기 무기물 코팅층(160)은 외장재(150) 내에서 전극 조립체(110)가 유동하는 것을 방지한다. 더불어, 상기 무기물 코팅층(160)은 이차 전지(100)의 낙하 충격 시험시 전극 조립체(110)의 유동을 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 무기물 코팅층(160)은 음극판(120) 및 양극판(130)의 종단(P2)에만 형성될 수도 있다.
상기와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 음극판 및 양극판의 무지부에 세라믹 물질과 바인더가 포함된 무기물 코팅층을 코팅하여 음극판 및 양극판이 세퍼레이터와 상호간 결착된다. 이에 따라, 본 발명은 이차 전지의 낙하 충격 시험시 세퍼레이터가 음극판 및/또는 양극판으로 말려 들어가는 것을 방지하여 전극 조립체의 쇼트를 막음으로써, 이차 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 전극 조립체의 최외곽에 무기물 코팅층을 형성하고, 상기 무기물 코팅층은 외장재의 내측에 결합되어 외장재 내에서 전극 조립체가 유동하는 것을 방지함으로써, 이차 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 음극판과 세퍼레이터 사이의 결착력을 테스트 하는 방법을 도시한 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 음극 무지부(123)에 무기물 코팅층(160)이 코팅된 음극판(120)을 준비하고 상기 음극판(120) 상에 세퍼레이터(140)를 부착한 뒤, 상기 세퍼레이터(140)를 상기 음극판(120)으로부터 분리시키는 필 테스트(peel test)를 실시하여, 음극판(120)과 세퍼레이터(140) 사이의 결착력을 테스트 하였다. 또한, 오차를 최소화 하기 위해 각 실시예 마다 총 5회를 실시하여 평균을 내었다. 더불어, 이러한 무기물 코팅층(160)이 코팅된 음극판(120) 및 양극판(130)을 사용하여 완성된 이차 전지에 대하여 충돌 테스트 및 낙하 테스트를 실시하였다.
[실시예 1]
음극 집전판의 두께는 8㎛이고, 무기물 코팅층의 두께는 대략 2.5㎛ 내지 3㎛이고, 필 테스트 텐션(peel test tension)은 약 1gf가 되도록 하였다. 또한, 무기물 코팅층에 포함된 세라믹 물질은 알루미늄 계열을 사용하고, 바인더는 아크릴레이트 계열을 사용하였으며, 용매로 물을 사용하고 wetting 첨가제를 첨가하였다. 또한, 상기 무기물 코팅층에서 바인더와 세라믹 물질의 비율을 1:1로 조성하였다.
[실시예 2]
무기물 코팅층에서 바인더와 세라믹 물질의 비율을 1:2로 조성한 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.
[실시예 3]
무기물 코팅층에서 바인더와 세라믹 물질의 비율을 1:3로 조성한 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.
[실시예 3]
무기물 코팅층에서 바인더와 세라믹 물질의 비율을 1:4로 조성한 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.
[실시예 3]
무기물 코팅층에서 바인더와 세라믹 물질의 비율을 1:5로 조성한 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.
[비교예]
실시예 1에서 무기물 코팅층을 형성하지 않은 음극 집전판과 세퍼레이터 사이의 결착력을 테스트 하였다.
이를 표로 정리하며 아래의 표 1과 같다.
| 무기물 코팅층 조성비 (바인더:세라믹 물질) |
비교예 | 실시예1 (1:1) |
실시예2 (1:2) |
실시예3 (1:3) |
실시예4 (1:4) |
실시예5 (1:5) |
|
| 평균 결착력(gf/cm) | 2.478 | 10.995 | 10.754 | 9.572 | 8.282 | 6.168 | |
| 충돌 NG율(%) | 20 | 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 낙하 NG율(%) | 20 | 0 | 0 | 0 | 10 | 10 | |
비교예와 같이 무기물 코팅층이 형성되지 않은 음극판과 세퍼레이터 사이의 결착력은 약 2.478 gf/cm 인 것에 반해, 실시예 1 내지 실시예 5와 같이 무기물 코팅층이 형성된 음극판과 세퍼레이터 사이의 결착력은 대략 6 gf/cm 이상으로 비교예보다 훨씬 높은 것을 알 수 있다. 즉, 무지부에 무기물 코팅층을 형성함으로써 음극판과 세퍼레이터 사이의 결착력이 향상된 것을 알 수 있다.
또한, 세라믹 물질의 비율이 높을수록, 상대적으로 바인더의 비율이 낮으므로 음극판과 세퍼레이터 사이의 결착력이 낮아짐을 알 수 있다. 그러나, 실시예 1과 같이 바인더와 세라믹 물질이 동일한 비율이면 다른 실시예들에 비해 상대적으로 바인더의 비율이 높아 결착력은 높으나 충돌 테스트 시 NG가 발생한다. 즉, 충돌 테스트 시 기재간(음극판과 양극판 사이) 통전을 막아주기 위해서는 일정량의 세라믹이 포함되어야 하는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 3 및 실시예 4와 같이, 세라믹 물질의 비율을 높이면 낙하 테스트 시 NG가 발생한다. 즉, 낙하 테스트 시 기재간을 결착시켜주는 바인더의 함량도 일정량 포함되어야 하는 것을 알 수 있다. 따라서, 무기물 코팅층에서 바인더와 세라믹 물질의 조성비는 1:2 내지 1:3으로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 무기물 코팅층의 조성비에 따라, 무기물 코팅층과 세퍼레이터 사이의 결착력은 대략 9.5 내지 10.8 gf/cm 로 이루어진다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 이차 전지
110: 전극 조립체
120: 음극판 121: 음극 집전판
122: 음극 활물질층 123: 음극 무지부
124: 음극탭 125: 절연 부재
126: 접착성 테이프 130: 양극판
131: 양극 집전판 132: 양극 활물질층
133: 양극 무지부 134: 양극탭
135: 절연 부재 136: 접착성 테이프
140: 세퍼레이터 150: 외장재
151: 제1외장부 152: 제2외장부
160: 무기물 코팅층
120: 음극판 121: 음극 집전판
122: 음극 활물질층 123: 음극 무지부
124: 음극탭 125: 절연 부재
126: 접착성 테이프 130: 양극판
131: 양극 집전판 132: 양극 활물질층
133: 양극 무지부 134: 양극탭
135: 절연 부재 136: 접착성 테이프
140: 세퍼레이터 150: 외장재
151: 제1외장부 152: 제2외장부
160: 무기물 코팅층
Claims (10)
- 음극 무지부를 갖는 음극판;
양극 무지부를 갖는 양극판;
상기 음극판과 양극판 사이에 개재된 세퍼레이터; 및
상기 음극 무지부 및 양극 무지부에 형성된 무기물 코팅층으로 이루어진 전극 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 무기물 코팅층은 상기 세퍼레이터에 결착력을 가지며 결합된 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 무기물 코팅층과 상기 세퍼레이터 사이의 결착력은 9.5 내지 10.8 gf/cm 인 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 무기물 코팅층은 바인더와 세라믹 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 무기물 코팅층에서 바인더와 세라믹 물질의 조성비는 1:2 내지 1:3 인 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 세라믹 물질은 Al2O3, SiO2, TiO2, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, SrTiO3, BaTiO3, Mg(OH)2 또는 이들의 조합 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 음극 무지부는 상기 음극판의 권취 선단과 종단에 각각 형성되고,
상기 양극 무지부는 상기 양극판의 권취 선단과 종단에 각각 형성되며,
상기 권취 종단에 위치한 음극 무지부에는 음극탭이 절연 부재로 부착되고 상기 권취 종단에 위치하는 양극 무지부에는 양극탭이 절연 부재로 부착된 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 7 항에 있어서,
상기 무기물 코팅층은 상기 음극탭 및 양극탭이 고정된 부분을 제외한 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 무기물 코팅층은 상기 전극 조립체의 최외곽에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 전극 조립체를 수용하는 외장재를 더 포함하고,
상기 무기물 코팅층은 상기 외장재의 내측에 결합된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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|---|---|---|---|
| KR1020170023767A KR20180097084A (ko) | 2017-02-22 | 2017-02-22 | 이차 전지 |
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|---|---|
| KR20180097084A true KR20180097084A (ko) | 2018-08-30 |
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| KR1020170023767A KR20180097084A (ko) | 2017-02-22 | 2017-02-22 | 이차 전지 |
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|---|---|
| KR (1) | KR20180097084A (ko) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018195535A (ja) * | 2017-05-22 | 2018-12-06 | トヨタ自動車株式会社 | 電池およびその製造方法 |
| WO2021006544A1 (ko) * | 2019-07-09 | 2021-01-14 | 주식회사 루트제이드 | 바이셀을 포함하는 전극조립체 및 이를 포함하는 리튬이차전지 |
| KR20220001677A (ko) * | 2020-06-30 | 2022-01-06 | 삼성에스디아이 주식회사 | 전극 조립체 및 이를 이용한 이차 전지 |
| WO2024072047A1 (ko) * | 2022-09-30 | 2024-04-04 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 |
| US11978862B2 (en) | 2018-11-05 | 2024-05-07 | Ningde Amperex Technology Limited | Electrochemical device |
-
2017
- 2017-02-22 KR KR1020170023767A patent/KR20180097084A/ko not_active Application Discontinuation
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