KR20190005693A - 전기 절연체 및 그와 연관된 배터리 - Google Patents

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Abstract

전기 절연체 및 그와 연관된 배터리가 본 발명에 개시된다. 전기 절연체는 분리 영역 및 지지 영역을 포함한다. 지지 영역은 분리 영역의 외주 표면 및 측면의 적어도 일부를 덮도록 배치된다. 배터리는 전술한 전기 절연체를 포함한다. 전기 절연체는 활성 물질층 사이에 배치되고 활성 물질층과 직접 접촉한다. 캐소드 및 애노드 활성 물질층은 전기 절연체가 적어도 하나의 활성 물질층을 정사영적으로 완전히 덮기 때문에 완전히 전기적으로 절연된다. 따라서, 배터리의 내부 단락이 방지될 수 있다.

Description

전기 절연체 및 그와 연관된 배터리{ELECTRICAL INSULATOR AND ITS RELATED BATTERY}
본 발명은 전기 절연체, 특히 전기 절연체 및 그와 연관된 배터리에 관한 것이다.
종래, 배터리의 내부 단락을 방지하기 위해 캐소드와 애노드 사이에 세퍼레이터가 삽입되어야만 한다. 세퍼레이터의 재료는 일반적으로 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌이다. 이러한 재료를 사용하는 세퍼레이터는 고온 동작시 쉽게 말려진다(curled). 세퍼레이터의 크기는 항상 캐소드 및 애노드의 표면적보다 크게 설계 되지만, 캐소드와 애노드는 여전히 접촉되고 세퍼레이터가 커링될 때 배터리 내부 단락을 야기할 수 있다. 내부 단락에 의해 발생된 열로 인해, 세퍼레이터는 더 심각하게 말려들 것이다. 따라서 포괄적인 내부 단락이 발생하고 열 폭주가 발생된다.
전술한 문제를 해결하기 위해, 세라믹 코팅 세퍼레이터가 개발되었다. 세라믹 코팅 세퍼레이터는 세라믹의 특성을 통해 고온 동작하에 수행될 수 있다. 그러나, 세퍼레이터는 여전히 폴리머(예: 폴리에틸렌, 폴리프로필렌)로 구성되기 때문에, 폴리머의 구조는 고온 동작 하에서의 열 축적으로 인해 변화된다. 세퍼레이터는 여전히 커링되고 내부 단락을 유발한다. 최종적으로, 열 폭주가 여전히 발생한다.
따라서, 전술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 전기 절연체 및 그와 연관된 배터리가 개시된다.
본 발명의 목적은 전기 절연체의 지지 영역을 통해 분리 영역의 주변 구조 강도를 향상시킬 수 있고 전기 절연체가 고온 동작하에서 쉽게 말려지지 않는 전기 절연체 및 그와 연관된 배터리를 제공한다.
본 발명의 목적은 전기 절연체 및 그와 연관된 배터리를 제공하는 것이다. 지지 영역은 분리 영역의 주변부를 덮어 배치되어, 분리 영역의 주변부가 쉽게 부서지지 않고, 애노드가 캐소드에 쉽게 접촉되지 않기 때문에 내부 단락의 가능성이 감소될 수 있다.
본 발명의 목적은 전기 절연체와 그와 연관된 배터리를 제공하는데 있고, 전기 절연체의 지지 영역과 배터리의 패키지 구조를 서로 부착하는 것으로 조립 공정이 단순화될 수 있다.
전술한 바를 달성하기 위해, 본 발명은 전기 절연체를 개시한다. 전기 절연체는 분리 영역 및 지지 영역을 포함한다. 분리 영역은 2 개의 표면 및 측면을 가지며, 지지 영역은 표면 중 적어도 하나의 주변을 덮고 배치된다.
전술한 바를 달성하기 위해, 본 발명은 배터리를 개시한다. 배터리는 2개의 전극, 전기 절연체 및 패키지 구조를 포함한다. 패키지 구조는 전극과 전기 절연체를 패킹한다. 전기 절연체는 분리 영역 및 지지 영역을 포함한다. 여기서, 분리 영역은 활성 물질층 사이에 직교 배치되어 활성 물질층과 접촉하고, 지지 영역은 활성 물질층 사이에 직교 배치되고, 적어도 지지 영역의 일부가 활성 물질층과 접촉한다.
전술한 바를 달성하기 위해, 본 발명은 배터리를 개시한다. 배터리는 2개의 전극, 전기 절연체 및 밀봉 프레임을 포함한다. 밀봉 프레임은 전극의 집전층 및 전기 절연체의 지지 영역에 부착되어, 전극의 활성 물질층 및 전기 절연체의 분리 영역이 밀봉될 수 있다. 여기서, 분리 영역은 활성 물질층 사이에 직교 배치되어 활성 물질층과 접촉하고, 지지 영역은 활성 물질층 사이에 직교 배치되고 지지 영역의 적어도 일부분이 활성 물질층과 접촉한다.
본 발명의 전기 절연체 및 그와 련관된 배터리에 있어서, 전기 절연체의 주변부는 지지 영역을 통해 고온 동작 하에서 말려들지 않는다. 캐소드와 애노드 사이의 접촉 가능성이 감소 될 수 있다. 따라서, 배터리의 내부 단락을 방지할 수 있다.
이하, 도면을 참조한 실시예의 상세한 설명을 통해 본 발명의 기술적 내용, 특징 및 이점를 쉽게 이해할 수 있다.
본 발명에 따르면 전술한 목적을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전기 절연체의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 전기 절연체의 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 전기 절연체의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 전기 절연체의 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 전기 절연체의 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 전기 절연체의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 배터리의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 배터리의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 배터리의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 배터리의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 도 1 내지 도 6은 본 발명의 6개의 전기 절연체를 개략적으로 나타내는 도면이다. 전기 절연체(1)는 분리 영역(12)과 지지 영역(14)을 포함하며, 분리 영역(12)은 2개의 표면(S1, S2)과 측면(S3)을 가지며, 지지 영역(14)은 분리 영역(12)의 표면 S1 또는 S2 중 적어도 하나의 주변을 덮고 배치된다.
도 1을 참조하면, 지지 영역(14)은 분리 영역(12)의 표면(S1)의 주변부를 덮고 배치되지만, 분리 영역(12)의 측면(S3)을 덮도록 연장되지는 않는다. 도 2를 참조하면, 지지 영역(14)은 분리 영역(12)의 표면(S1)을 덮고 배치되며 측면(S3)의 일부를 덮도록 연장된다. 도 3을 참조하면, 지지 영역(14)은 분리 영역(12)의 표면(S1)을 덮고 배치되고, 모든 측면(S3)을 덮도록 연장된다.
계속해서, 도 4를 참조하면, 지지 영역(14)은 분리 영역(12)의 두 표면(S1 및 S2)의 주변부를 덮고 배치되지만, 분리 영역(12)의 측면(S3)으로는 연장되지 않는다. 도 5를 참조하면, 지지 영역(14)은 분리 영역(12)의 2개의 표면(S1, S2)을 덮고 배치되며 하나의 표면(S1)을 통해 측면(S3)의 일부를 덮도록 연장된다. 도 6을 참조하면, 지지 영역(14)은 분리 영역(12)의 2개의 표면(S1, S2)을 덮고 배치되고, 모든 측면(S3)을 덮도록 연장된다.
전술한 실시예에서, 분리 영역(12)은 다공성이며 이온 전도성이다. 실제 동작에서, 분리 영역(12)은 세라믹 세퍼레이터, 폴리머 세퍼레이터 또는 세라믹 코팅 된 폴리머 세퍼레이터로 만들어질 수 있다. 지지 영역(14)은 가요성이고 이온 전도성이다. 그러나, 전기 절연체(1)에서, 이온 전도의 주요 영역은 분리 영역(12)이므로, 지지 영역(14)은 이온 전도성이 아닌 일부 특정 물질로 이루어질 수 있다. 지지 영역(14)은 중합체 재료, 실리콘 재료, 에폭시 수지 재료, 아크릴 재료 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 또한, 이온 전도성이 아닌 부가적인 지지 물질(예를 들어, 세라믹 입자, 폴리머 입자)는 지지 영역(14)의 구조 강도를 향상시킬 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 배터리 3개를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 배터리(2)를 나타낸다. 배터리(2)는 2 개의 전극(22, 24), 전기 절연체(1) 및 패키지 구조(26)를 포함한다. 전극(22, 24)은 각각 활성 물질층(22, 24) 및 집전층(224,244)를 구비한다. 정사영적으로, 전기 절연체(1)의 분리 영역(12)은 2개의 활성 물질층(222, 242) 사이에 배치되고 동시에 활성 물질층(222, 242)과 접촉한다. 정사영적으로(orthographically), 지지 영역(14)은 2개의 활성 물질층(222, 242) 사이에 배치되어 활성 물질층(222,242)과 부분적으로 접촉하는데, 즉 지지 영역(14)은 활성 물질층(222,242)를 직접 덮고 있다. 패키지 구조(26)는 전극(22, 24)과 전기 절연체(1)를 수용하는 독립적인 콘테이너이다. 도 7에서는 설명을 위해 알루미늄 적층 필름 패키지가 사용된다. 이 실시예에서, 배터리(2)는 파우치형 배터리 또는 플렉시블 배터리 일 수 있다.
또한, 도 8 및 도 9를 참조하면, 배터리(2)는 2개의 전극(22, 24), 전기 절연체(1) 및 밀봉 프레임을 포함한다. 전술한 실시예와 마찬가지로, 분리 영역(12)은 2개의 활성 물질층(222,242) 사이에 정사영적으로 배치되고 동시에 활성 물질층(222, 242)과 접촉한다. 지지 영역(14)은 2개의 활성 물질층(222, 242) 사이에 배치되어, 활성 물질층(222, 242)과 부분적으로 접촉하는데, 즉 지지 영역(14)은 활성 물질층(222,242)를 직접 덮고 있다. 전술한 실시예와 달리, 밀봉 프레임(28)은 지지 영역(14)의 일부 사이에 집전층(224, 244)에 부착된다. 활성 물질층(222, 242) 및 전기 절연체(12)는 밀봉 프레임(28), 집전층(224, 244) 및 지지 영역(14)의 일부분에 의해 밀봉된다. 이들 실시예에서, 배터리(2)는 파우치형 배터리 또는가요성 배터리 일 수 있다.
또한, 도 10을 참조한다. 지지 영역(14)과 밀봉 프레임(28)은 단일 구조로 통합되어, 활성 물질층(222, 242)과 분리 영역(12)은 지지 영역(14)과 집전층(224, 244)의 부착에 의해 완전히 밀봉될 수 있다.
전술한 실시예에서, 정사영적으로, 전기 절연체의 표면적(절연 영역 및 지지 영역을 포함)은 전극 중 큰 것의 표면적보다 크다. 명확하게, 실제 상황에서, 전기 절연체의 정사영적인 투영 영역(projection area)은 단지 전극 중 더 큰 것의 표면적보다 작지 않을 필요가있다. 그러나, 안전 문제를 고려할 때, 음극은 일반적으로 양극보다 더 큰 표면적을 갖는다. 본 발명은 전극의 표면적에 제한되지 않지만, 전기 절연체는 전극 중 하나를 완전히 덮어야 한다. 배터리의 일반적인 설계에 있어서 전기 절연체는 반드시 음극을 덮어야만 한다.
보다 구체적으로는, 전기 절연체의 분리 영역, 특히 세라믹 물질을 사용하는 상황에서 볼 때, 분리 영역이 세라믹 세퍼레이터인지 세라믹 코팅 폴리머 세퍼레이터인지에 관계없이 분리 영역의 주변부는 세라믹의 특성으로 인해 쉽게 부서진다. 특히, 전극의 가장자리에 가까울수록(구체적으로는 활성 물질층의 주변), 분리 영역이 균열되기 쉽다. 결과적으로, 본 발명에 개시된 분리 영역은 활성 물질층의 하나의 정사영 투영 영역보다 작은 정사영 투영 영역을 갖는다. 여기서, 활성 물질은 양성 활성 물질층 또는 음성 활성 물질층일 수 있다. 분리 영역은 가능한한 활성 물질층을 덮어야 하며, 특히 활성 물질층의 에지를 덮어야만 합니다. 그러나, 지지 영역은 활성 물질층의 주변부 및 분리 영역의 주변부에 배치되어, 활성 물질층 및 분리 영역의 측면을 덮는다. 지지 영역은 분리 영역보다 더 큰 가요성을 가지며, 분리 영역의 주변부가 쉽게 파손되는 것이 보호될 수 있다. 또한, 지지 영역은 배터리 설계에 따라 이온 전도성 또는 비이온 전도성일 수 있다. 예를 들어, 양성 활성 물질과 음성 활성 물질의 비율(양성 활성 물질 및 음성 활성 물질의 표면적)은 배터리 설계에 영향을 미치는 요인 중 하나이다.
또한, 전술한 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 즉, 임의 종류의 전기 절연체가 전술한 배터리 내에 이용될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 보호층이 집전층의 외부 표면 중 어느 하나에 배치될 수 있다. 보호층의 주요 기능은 집전층을 외부 환경(산화 및 충격 방지)으로부터 격리하는 것이다. 또한, 보호층은 집전체에 구조적 강도를 제공할 수 있고, 다수 회 굽힘 또는 과도한 구부러짐의 상황에서 금속 호일의 주름 또는 파열을 방지할 수 있다. 집전층의 에지는 밀봉 프레임, 접착력을 갖는 지지 영역 및 보호층에 의해 덮여 있다. 밀봉 프레임, 접착력을 갖는지지 영역, 및 보호층이 격리되어 있기 때문에, 양성 집전층과 음성 집전층의 우발적인 접촉으로 인한 외부 단락의 기회가 감소될 수 있다. 에지 코팅된 집전층의 실시예는 배터리 설계 또는 프로세스 요건에 따라 변경 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 배터리의 활성 물질층은 분리 영역 및 전기 절연체의 지지 영역을 통해 격리된다. 지지 영역은 활성 물질층간의 배리어일 수 있고 분리 영역의 파손을 방지할 수 있다. 따라서, 내부 단락의 상황이 방지될 수 있으며 세라믹 함량이 높은 세라믹 배터리가 얻어질 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명을 설명하였지만, 동일한 것이 다양하게 변경될 수 있음은 자명하다. 이러한 변형은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나는 것으로 간주되어서는 안되며, 당업자에게 자명한 그러한 모든 변형은 다음의 청구항의 범위 내에 포함되는 것으로 해석되어야만 한다.

Claims (25)

  1. 2개의 표면 및 하나의 측면을 갖는 분리 영역; 및
    표면 중 적어도 하나의 주변부를 덮고 배치되는 지지 영역;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 절연체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리 영역은 다공성이고 이온 전도성인
    전기 절연체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리 영역은 세라믹 세퍼레이터, 폴리머 세퍼레이터, 또는 세라믹 코팅 폴리머 세퍼레이터인
    전기 절연체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지 영역은 이온 전도성 또는 비 이온 전도성인
    전기 절연체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지 영역은 가요성(flexible)인
    전기 절연체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지 영역은 지지 물질을 더 포함하고, 상기 지지 물질은 비도전성인
    전기 절연체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지지 영역은 상기 표면 중 하나의 주변부 및 상기 측면의 일부 또는 전부를 덮도록 배치되는
    전기 절연체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지 영역은 상기 2개의 표면의 주변부를 덮도록 배치되는
    전기 절연체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 지지 영역은 상기 2개의 표면의 주변부 및 상기 측면의 전부 또는 일부를 덮도록 배치되는
    전기 절연체.
  10. 2개의 전극 - 각각의 전극은 활성 물질층 및 집전층을 구비함 - ;
    상기 활성 물질층과 접촉하도록 배치되고 활성 물질층을 서로 절연시키는 전기 절연체; 및
    전극과 전기 절연체를 패킹하는 패키지 구조;를 포함하고,
    상기 전기 절연체는,
    2개의 표면 및 하나의 측면을 가지며, 활성 물질층 사이에 직교 배치되어 활성 물질층과 접촉하는 분리 영역; 및
    상기 표면 중 적어도 하나의 주변부를 덮도록 배치되고 상기 활성 물질층의 사이에 직교 배치되는 지지 영역 - 여기서 지지 영역의 적어도 일부분은 활성 물질층과 접촉됨 - ;를 포함하는
    배터리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전기 절연체는 상기 전극 중 하나를 직교하여 덮고, 상기 활성 물질층은 양성 활성 물질층 또는 음성 활성 물질층인
    배터리.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 분리 영역의 정사영 투영 영역은 상기 활성 물질층 중 하나의 정사영 투영 영역보다 크지 않고, 상기 활성 물질층은 양성 활성 물질층 또는 음성 활성 물질층인
    배터리.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 분리 영역은 세라믹 세퍼레이터, 폴리머 세퍼레이터, 또는 세라믹 코팅 폴리머 세퍼레이터인
    배터리.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 지지 영역은 상기 표면 중 하나의 주변부 및 상기 측면의 일부 또는 전부에 덮도록 배치되는
    배터리.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 지지 영역은 상기 2개의 표면의 주변부를 덮도록 배치되는
    배터리.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 지지 영역은 상기 2개의 표면의 주변부 및 상기 측면의 일부 또는 전부를 덮도록 배치되는
    배터리.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 패키지 구조는 독립적 컨테이너이고, 상기 전극들 및 상기 전기 절연체를 수용하는
    배터리.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 집전층 중 적어도 하나의 외측 표면은 보호층을 더 포함하는
    배터리.
  19. 2개의 전극 - 각각의 전극은 활성 물질층 및 집전층을 구비함 - ;
    상기 활성 물질층과 접촉하도록 배치되고 활성 물질층을 서로 절연시키는 전기 절연체; 및
    집전층 및 지지 영역의 적어도 일부분에 부착되고, 활성 물질과 분리 영역을 밀봉하는 밀봉 프레임;을 포함하고,
    상기 전기 절연체는,
    2개의 표면 및 하나의 측면을 가지며, 활성 물질층 사이에 직교 배치되어 활성 물질층과 접촉하는 분리 영역; 및
    상기 표면 중 적어도 하나의 주변부를 덮도록 배치되고 상기 활성 물질층의 사이에 직교 배치되는 지지 영역 - 여기서 지지 영역의 적어도 일부분은 활성 물질층과 접촉됨 - ;를 포함하는
    배터리.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전기 절연체는 상기 전극 중 하나를 직교하여 덮고, 상기 활성 물질층은 양성 활성 물질층 또는 음성 활성 물질층인
    배터리.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 분리 영역의 정사영 투영 영역은 상기 활성 물질층 중 하나의 정사영 투영 영역보다 크지 않고, 상기 활성 물질층은 양성 활성 물질층 또는 음성 활성 물질층인
    배터리.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 지지 영역은 상기 표면 중 하나의 주변부 및 상기 측면의 일부 또는 전부에 덮도록 배치되는
    배터리.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 지지 영역은 상기 2개의 표면의 주변부를 덮도록 배치되는
    배터리.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 지지 영역은 상기 2개의 표면의 주변부 및 상기 측면의 일부 또는 전부를 덮도록 배치되는
    배터리.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 집전층 중 적어도 하나의 외측 표면은 보호층을 더 포함하는
    배터리.
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