KR20210019385A - Secondary battery having insulator for absorbing function - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차전지 내부의 수분, HF 및 Cu2+와 같은 금속이온을 흡수하는 흡수기능을 가진 절연체를 포함한 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a secondary battery including an insulator having an absorption function for absorbing moisture, metal ions such as HF and Cu 2+ inside the secondary battery.
리튬 이차전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명특성이 우수한 에너지원이지만, 폭발 및 그에 의한 화재사고에 항상 노출되어 있다. 전지 폭발은 수분, HF 및 Cu와 같은 금속이 주요원인이다. 상기 수분이나 HF는 전해액과 반응하여, 전지 내부의 가스압력을 높여서 전지를 부풀리고, 특히 상기 HF는 전극의 부식을 초래할 수 있다. 금속이온, 예컨대 구리이온(Cu2+)은 구리(Cu) 집전체, 전극탭 또는 리드탭 등의 흄(hume)이나 분말로부터 기인한다. 구리이온(Cu2+)은 시간이 경과되면, 구리(Cu) 분말로 석출하여 점점 성장한다. 구리(Cu) 분말이 성장하여 크기가 커지면, 분리막을 관통하여 전극 사이에 쇼트가 발생하여 폭발 및 화재로 이어질 수 있다. 또한, 전지 내부의 가스압력이 올라가거나 외부압력이 가해지면, 상기 분리막이 쉽게 관통되어 폭발 및 화재가 야기된다.Lithium secondary batteries are energy sources with high energy density and high operating voltage and excellent storage and life characteristics, but are always exposed to explosions and fire accidents. Cell explosions are mainly caused by moisture, metals such as HF and Cu. The moisture or HF reacts with the electrolyte to increase the gas pressure inside the battery to inflate the battery. In particular, the HF may cause corrosion of the electrode. Metal ions, such as copper ions (Cu 2+ ), originate from fumes or powders such as copper (Cu) current collectors, electrode tabs, or lead tabs. As time passes, copper ions (Cu 2+ ) precipitate as copper (Cu) powder and grow gradually. When the copper (Cu) powder grows and increases in size, a short circuit may occur between electrodes passing through the separator, which may lead to explosion and fire. In addition, when the gas pressure inside the battery is increased or external pressure is applied, the separator is easily penetrated to cause an explosion and fire.
리튬 이차전지의 폭발 및 화재를 예방하기 위해서, 전해액에서의 금속이온을 줄이고, 폭발 및 화재를 촉발시키는 수분 및 HF를 최대한으로 제거할 필요가 있다. 이에 따라, 수분, HF 및 금속이온은 전지의 폭발 및 화재에 대하여 상호 연관되어 있다. 국내등록특허 제10-1403383호는 젤리-롤 타입의 이차전지에서 전지 내부의 유동을 방지하고, 전원무감 현상을 차단하여 안정성을 향상시키는 절연부재를 제시하고 있다. 하지만, 젤리-롤 타입의 이차전지뿐 아니라, 종래의 이차전지에는 수분, HF 및 금속이온을 차단하는 기능이 없어서, 전지의 폭발 및 화재를 근원적으로 차단하지 못하고 있다.In order to prevent explosions and fires of lithium secondary batteries, it is necessary to reduce metal ions in the electrolyte and remove moisture and HF that trigger explosions and fires to the maximum. Accordingly, moisture, HF, and metal ions are correlated with the explosion and fire of the battery. Korean Patent Registration No. 10-1403383 proposes an insulating member that prevents the flow inside the battery in a jelly-roll type secondary battery and improves the stability by blocking power loss. However, not only the jelly-roll type secondary battery, but also the conventional secondary battery does not have a function of blocking moisture, HF, and metal ions, so that the explosion and fire of the battery cannot be fundamentally blocked.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전해액에서의 금속이온을 흡수하고, 폭발 및 화재를 촉발시키는 수분 및 HF를 획기적으로 줄여서 전지의 폭발이나 화재를 예방할 수 있는 흡수기능을 가진 절연체를 포함하는 이차전지를 제공하는 데 있다. The problem to be solved by the present invention is to provide a secondary battery including an insulator having an absorbing function that can prevent explosion or fire of the battery by absorbing metal ions in the electrolyte and dramatically reducing moisture and HF that trigger explosion and fire. To provide.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 금속이온 흡수기능을 가진 절연체를 포함하는 이차전지는 적어도 3층 구조이며, 중심에는 수분 및 금속이온을 흡수하는 수분 및 금속이온 흡수층이 위치하고, 상기 수분 및 금속이온 흡수층의 적어도 일측에 배치되어 HF 및 금속이온 흡수층으로 이루어진 절연체를 포함한다. 이때, 상기 수분 흡수제는 화학적 반응에 의해 상기 수분을 흡수하고, 상기 수분 흡수제는 금속산화물이며 상기 금속산화물의 금속은 2, 4, 10, 12, 13 및 14족으로부터의 금속이고, 상기 수분 및 금속이온 흡수층은 수분 흡수제와 금속이온 흡수제에 절연성 수지가 혼합되어 이루어진다. A secondary battery including an insulator having a metal ion absorbing function for solving the problem of the present invention has a structure of at least three layers, and a moisture and metal ion absorbing layer absorbing moisture and metal ions are located in the center, and the moisture and metal ion absorbing layer It is disposed on at least one side of the HF and includes an insulator made of a metal ion absorption layer. At this time, the moisture absorbent absorbs the moisture through a chemical reaction, the moisture absorbent is a metal oxide, and the metal of the metal oxide is a metal from
본 발명의 전지에 있어서, 상기 HF 및 금속이온 흡수층에는 상기 수분 흡수제를 더 포함하여 수분 및 HF 및 금속이온 흡수층을 이룰 수 있다. 상기 수분 흡수제는 TiO2, Al2O3, ZrO2, ZnO, BaO, SrO, CaO, MgO, NiO, VO2, CrO2, MoO2, SiO2, SnO2, CeO2, Y2O3, V2O5, LiSrSiO4, LiCaSiO4, LiMn2O4, BaTiO3, Cd2SnO4, CdIn2O4, Zn2SnO4, ZnSnO3, Zn2In2O5 및 (HfO2)SrTiO3 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 금속이온 흡수제는 Aminopropyl, Bis[propy]ethane+ Mercaptopropyl, Carnosine, Cyclam, Dithiocarbamate, Imidazole, Mercaptopropyl, N-propylsalicyaidimine, Polyol, Propionate, Propylamine, Propyl ethylenediamine, Propyl diethylenetriamine, Pyoverdin, Tripropylamine, Salicylic acid, Amine and ester compound, Ester compound of hydrazine and carboxylic acid 및 Ester compound of oxalic acid and amine 중의 적어도 어느 하나 또는 그들의 공중합체로 이루어질 수 있다. 상기 금속이온 흡수제는 Cyclam일 수 있다.In the battery of the present invention, the HF and metal ion absorbing layer may further include the moisture absorbing agent to form a moisture and HF and metal ion absorbing layer. The water absorbent is TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , ZnO, BaO, SrO, CaO, MgO, NiO, VO 2 , CrO 2 , MoO 2 , SiO 2 , SnO 2 , CeO 2 , Y 2 O 3 , V 2 O 5 , LiSrSiO 4 , LiCaSiO 4 , LiMn 2 O 4 , BaTiO 3 , Cd 2 SnO 4 , CdIn 2 O 4 , Zn 2 SnO 4 , ZnSnO 3 , Zn 2 In 2 O 5 and (HfO 2 )SrTiO 3 It may be at least one selected from among. The metal ion absorbent is Aminopropyl, Bis[propy]ethane+ Mercaptopropyl, Carnosine, Cyclam, Dithiocarbamate, Imidazole, Mercaptopropyl, N-propylsalicyaidimine, Polyol, Propionate, Propylamine, Propyl ethylenediamine, Propyl diethylenetriamine, Pyoverdin, Tripropylamine, Salicylic acid, Amine and ester compound, ester compound of hydrazine and carboxylic acid, and ester compound of oxalic acid and amine, or a copolymer thereof. The metal ion absorbent may be Cyclam.
본 발명의 전지에 있어서, 상기 절연성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리스틸렌 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 상기 절연체는 전극조립체, 전극탭, 리드탭, 마감테이프, 가스켓, 전지 캡 중의 어느 하나에 직접 부착되거나 인접하여 부착될 수 있다. 상기 이차전지는 젤리롤(jelly roll), 스택 셀(stack cell), 권취 셀(winding cell) 및 접힘 셀(folding cell) 중의 어느 하나일 수 있다. In the battery of the present invention, the insulating resin may be made of at least one selected from polyethylene, polypropylene, polybutylene, polystyrene, and polyethylene terephthalate. The insulator may be directly attached to or adjacent to any one of an electrode assembly, an electrode tab, a lead tab, a finishing tape, a gasket, and a battery cap. The secondary battery may be any one of a jelly roll, a stack cell, a winding cell, and a folding cell.
본 발명의 흡수기능을 가진 절연체를 포함하는 이차전지에 의하면, 금속이온(예컨대, Cu2+)을 흡수하는 절연체를 채택함으로써, 전해액에서의 금속이온을 흡수하고, 폭발 및 화재를 촉발시키는 수분 및 HF를 획기적으로 줄여서 전지의 폭발이나 화재를 예방할 수 있다.According to the secondary battery including the insulator having an absorption function of the present invention, by adopting an insulator that absorbs metal ions (for example, Cu 2+ ), it absorbs the metal ions in the electrolyte and triggers explosion and fire. HF can be drastically reduced to prevent battery explosion or fire.
도 1은 본 발명에 의한 이차전지의 사례를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 제1 절연체를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 제2 절연체를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 구리이온(Cu2+)이 흡착된 상태를 나타내는 사진들이다.1 is a perspective view showing an example of a secondary battery according to the present invention.
2 is a cross-sectional view for explaining a first insulator according to the present invention.
3 is a cross-sectional view for explaining a second insulator according to the present invention.
4 are photographs showing a state in which copper ions (Cu 2+ ) are adsorbed according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 한편, 도면들에 있어서, 막(층, 패턴) 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장될 수 있다. 또한, 막(층, 패턴)이 다른 막(층, 패턴)의 상, 상부, 하부, 일면에 있다고 언급되는 경우에, 그것은 다른 막(층, 패턴)에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 다른 막(층, 패턴)이 개재될 수도 있다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below may be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art. Meanwhile, in the drawings, the thicknesses of films (layers, patterns) and regions may be exaggerated for clarity. Also, when it is mentioned that a film (layer, pattern) is on, top, bottom, or one side of another film (layer, pattern), it can be formed directly on another film (layer, pattern) or A film (layer, pattern) may be interposed.
본 발명의 실시예는 금속이온(예컨대, Cu2+)을 흡수하는 절연체를 채택함으로써, 전해액에서의 금속이온을 흡수하고, 폭발 및 화재를 촉발시키는 수분 및 HF를 획기적으로 줄여서 전지의 폭발이나 화재를 예방할 수 있는 이차전지를 제시한다. 이를 위해, 금속이온(Cu2+)을 흡수하는 절연체가 채택된 이차전지의 구조에 대하여 자세하게 알아보고, 상기 절연체에 의하여 이차전지의 폭발 및 화재가 방지되는 과정을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예는 금속이온이 발생하는 소스(source)가 되는 이차전지의 부품에 모두 적용될 수 있으며, 여기서는 젤리-롤 타입의 이차전지의 상부 및 하부 절연체를 중심으로 설명하기로 한다. In the embodiment of the present invention, by adopting an insulator that absorbs metal ions (eg, Cu 2+ ), it absorbs metal ions in the electrolyte, and significantly reduces moisture and HF that trigger explosions and fires, thereby reducing battery explosion or fire. We present a secondary battery that can prevent To this end, the structure of a secondary battery in which an insulator absorbing metal ions (Cu 2+ ) is adopted will be described in detail, and a process of preventing explosion and fire of the secondary battery by the insulator will be described in detail. The embodiments of the present invention can be applied to all parts of a secondary battery that become a source for generating metal ions, and here, description will be made focusing on upper and lower insulators of a jelly-roll type secondary battery.
본 발명의 실시예에 적용되는 이차전지는 젤리-롤(jelly roll), 스택 셀(stack cell), 권취 셀(winding cell), 접힘 셀(folding cell) 타입 등과 같이 형상에 관계없이 적용될 수 있다. 또한, 금속이온 발생 소스는 집전체, 전극탭, 리드탭 등이 있으며, 상기 금속이온은 구리이온(Cu2+), 알루미늄 이온(Al3+) 등이 있다. 여기서는, 전지의 폭발 및 화재에 가장 큰 영향을 미치는 구리이온(Cu2+)을 중심으로 살펴보기로 한다. The secondary battery applied to the embodiment of the present invention may be applied regardless of shape such as jelly roll, stack cell, winding cell, folding cell type, and the like. In addition, the metal ion generation source includes a current collector, an electrode tab, and a lead tab, and the metal ions include copper ions (Cu 2+ ) and aluminum ions (Al 3+ ). Here, we will focus on the copper ion (Cu 2+ ) that has the greatest effect on the explosion and fire of the battery.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 이차전지(100)의 사례를 나타내는 사시도이며, 설명의 편의를 위하여 중심부분을 절단하여 표현하였다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다. 1 is a perspective view showing an example of a
도 1에 의하면, 이차전지(100)는 전극조립체(10)를 케이스(20)에 수납하고, 케이스(20)의 상단에 전극단자가 형성된 캡 어셈블리(30)를 결합하여 제작한다. 전극조립체(10)는 양극(11), 분리막(12) 및 음극(13)을 적층하여 원통 형태로 감은 것이다. 케이스(20) 내에 전해액이 충진된다. 전극조립체(10)의 중심에는 원통형의 센터핀(40)이 삽입되어 있다. 센터핀(40)은 소정의 강도를 부여하기 위해 금속소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조이다. 센터핀(40)은 전극조립체(10)를 고정하고 지지하며, 전지 내부에서 발생되는 가스가 방출되는 통로이다. 캡 어셈블리(30)는 양극탭(31) 및 캡 플레이트(32)를 포함한다. 양극탭(31)은 전극조립체(10) 상단과 전기적으로 접속되고, 캡 플레이트(32)와 연결된다. Referring to FIG. 1, the
한편, 전극조립체(10)의 상단 및 하단에는 상부 절연체(Top Insulator; TI) 및 하부 절연체(Bottom Insulator; BI)가 부착된다. 상부 절연체(TI)는 전극조립체(10)와 캡 어셉블리(30)에 사이에 위치하고, 하부 절연체(BI)는 전극조립체(10)와 케이스(20) 사이에 위치한다. 상부 및 하부 절연체(TI, BI)는 절연성 수지를 기본으로 하여 절연성을 확보하고, 금속이온(Cu2+)을 흡수하며, 수분 및 HF를 감소시킨다. 도시되지는 않았지만, 전극조립체(10)는 마감테이프로 마감되며, 상기 마감테이프 역시 금속이온(Cu2+)을 흡수하며, 수분 및 HF를 감소시킨다. 이에 대해서는 이하에서 상세하게 설명하기로 한다. Meanwhile, a top insulator (TI) and a bottom insulator (BI) are attached to the top and bottom of the
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 제1 절연체(50)를 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view for explaining the
도 2에 의하면, 제1 절연체(50)는 적어도 3층 구조이며, 중심에는 수분 및 금속이온 흡수층(51)이 위치하며, 수분 및 금속이온 흡수층(51)의 외곽에는 HF 및 금속이온 흡수층(52)이 부착된다. 수분 및 금속이온 흡수층(51)은 절연성 수지에 수분 흡수제 및 금속이온(Cu2+) 흡수제를 포함한다. HF 및 금속이온 흡수층(52)이 외곽에 존재하면, 전지의 내부에 발생하는 HF 및 금속이온을 신속하게 제거할 수 있다. 상기 절연성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 절연성 수지는 상기 폴리프로필렌이 좋다. Referring to FIG. 2, the
상기 수분 흡수제는 화학반응에 의해 수분을 제거하는 물질로써, 이를 화학적 수분 흡수제라고 한다. 왜냐하면, 물리적으로 흡착하는 수분 흡수제는 시간이 지남에 따라서 흡수된 수분을 다시 방출하게 된다. 이렇게 되면, 실질적으로 수분을 제거하는 효과가 떨어진다. 상기 화학적 수분 흡수제는 가수분해 또는 산화와 같은 화학반응으로 수분 및 산소를 제거한다. 상기 수분 흡수제는 수분에 대해서 반응성인 금속을 포함하는 산화물, 예컨대 2~14족(IUPAC) 금속의 금속산화물을 포함한다. 바람직하게는, 상기 금속은 2, 4, 10, 12, 13 및 14족으로부터의 금속을 포함한다. 예를 들어 이들의 금속은 Al, Mg, Ba 및 Ca에서 선택할 수 있다. Ti, Zn, Sn, Ni 및 Fe를 포함하고 전이금속도 포함할 수 있다.The moisture absorbent is a material that removes moisture through a chemical reaction and is referred to as a chemical moisture absorbent. This is because the moisture absorbent that physically adsorbs will release the absorbed moisture again over time. In this case, the effect of substantially removing moisture is inferior. The chemical moisture absorbent removes moisture and oxygen through a chemical reaction such as hydrolysis or oxidation. The moisture absorbent includes an oxide containing a metal reactive to moisture, for example, a metal oxide of a Group 2-14 (IUPAC) metal. Preferably, the metal comprises metals from
상기 수분 흡수제는 TiO2, Al2O3, ZrO2, ZnO, BaO, SrO, CaO, MgO, NiO, VO2, CrO2, MoO2, SiO2, SnO2, CeO2, Y2O3, V2O5, LiSrSiO4, LiCaSiO4, LiMn2O4, BaTiO3, Cd2SnO4, CdIn2O4, Zn2SnO4, ZnSnO3, Zn2In2O5 및 (HfO2)SrTiO3 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 수분 흡수제는 가수분해 또는 산화에 의해 수분 및 산소가 제거된다. 종래의 수분 흡수제는 무기물질, 유기물질 또는 그들이 조합된 하이브리드 물질이 제시되었다. 하지만, 종래의 수분 흡수제는 화학반응에 의한 수분 제거라는 기술적 사상이 부재하다. 본 발명의 수분 흡수제는 화학반응에 의한 흡수라는 기술적 사상을 근거한 것으로, 단순한 반복실험으로 얻어지지 않는다. The water absorbent is TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , ZnO, BaO, SrO, CaO, MgO, NiO, VO 2 , CrO 2 , MoO 2 , SiO 2 , SnO 2 , CeO 2 , Y 2 O 3 , V 2 O 5 , LiSrSiO 4 , LiCaSiO 4 , LiMn 2 O 4 , BaTiO 3 , Cd 2 SnO 4 , CdIn 2 O 4 , Zn 2 SnO 4 , ZnSnO 3 , Zn 2 In 2 O 5 and (HfO 2 )SrTiO 3 It may be at least one selected from among. The moisture absorbent removes moisture and oxygen by hydrolysis or oxidation. Conventional moisture absorbents have been proposed as inorganic materials, organic materials, or hybrid materials in which they are combined. However, conventional water absorbents do not have the technical idea of removing water by chemical reaction. The moisture absorbent of the present invention is based on the technical idea of absorption by a chemical reaction, and is not obtained by simple repeated experiments.
상기 HF 흡수제는 공지의 것이면 모두 가능하며, 상기 HF 흡수제는 탄산리튬, 탄산나트륨, 수산화칼슘, 활성탄, 규조토, 퍼라이트, 제올라이트, 하이드로타르사이트, 소성 하이드로탈사이트 및 하이드로탈사이트 산화물 등이 있다. 상기 HF 흡수제는 유기물질인 examethyldisilazane, Tris(trimethylsilyl) phospite, Tris(pentafluorophenyl)borane, hexakis(2,2,2-trifluoroethoxy)cyclotriphosphazene, hexamethyl siloxane, N,N-diethylamino trimethylsilane, N,N-dicyclohexyl carbodiimide, (Trimethylsilyl)isothiocyanate, Lithium 2-trifluoromethyl-4,5-dicyanoimidazole 등이 있다. The HF absorbent may be any known one, and the HF absorbent may include lithium carbonate, sodium carbonate, calcium hydroxide, activated carbon, diatomaceous earth, perlite, zeolite, hydrotarcite, calcined hydrotalcite and hydrotalcite oxide. The HF absorbent is an organic substance such as examethyldisilazane, Tris(trimethylsilyl) phospite, Tris(pentafluorophenyl)borane, hexakis(2,2,2-trifluoroethoxy)cyclotriphosphazene, hexamethyl siloxane, N,N-diethylamino trimethylsilane, N,N-dicyclohexyl carbodiimide, (Trimethylsilyl)isothiocyanate, Lithium 2-trifluoromethyl-4,5-dicyanoimidazole, etc.
상기 수분 흡수제 및 HF 흡수제는 열가소성 수지를 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부티렌, 폴리스틸렌, 테프론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등이 있다. 상기 열가소성 수지는 상기 수분 흡수제 및 상기 HF 흡수제를 혼합할 때, 결합재(binder) 역할을 한다. 즉, 상기 수분 흡수제, 상기 HF 흡수제 및 상기 열가소성 수지의 혼합물은 상기 절연성 수지에 투입될 수 있다. 이렇게 되면, 상기 수분 흡수제 및 상기 HF 흡수제를 상기 절연성 수지에 균일하게 분산시킬 수 있다.The moisture absorbent and the HF absorbent may be prepared by mixing a thermoplastic resin. The thermoplastic resin includes polyethylene, polypropylene, polybutylene, polystyrene, Teflon, and polyethylene terephthalate. The thermoplastic resin serves as a binder when mixing the moisture absorbent and the HF absorbent. That is, a mixture of the moisture absorbent, the HF absorbent, and the thermoplastic resin may be added to the insulating resin. In this case, the moisture absorbent and the HF absorbent may be uniformly dispersed in the insulating resin.
상기 금속이온(Cu2+) 흡수제는 상기 금속이온(Cu2+)을 포획하여 흡수한다. 상기 금속이온(Cu2+) 흡수제는 Aminopropyl, Bis[propy]ethane+ Mercaptopropyl, Carnosine, Cyclam, Dithiocarbamate, Imidazole, Mercaptopropyl, N-propylsalicyaidimine, Polyol, Propionate, Propylamine, Propyl ethylenediamine, Propyl diethylenetriamine, Pyoverdin, Tripropylamine, Salicylic acid, Amine and ester compound, Ester compound of hydrazine and carboxylic acid 및 Ester compound of oxalic acid and amine 중의 적어도 어느 하나 또는 그들의 공중합체로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속이온(Cu2+) 흡수제는 폴리프로필렌 수지에 혼합되는 것이 좋다.The metal ion (Cu 2+ ) absorber captures and absorbs the metal ion (Cu 2+ ). The metal ion (Cu 2+ ) absorbent is Aminopropyl, Bis[propy]ethane+ Mercaptopropyl, Carnosine, Cyclam, Dithiocarbamate, Imidazole, Mercaptopropyl, N-propylsalicyaidimine, Polyol, Propionate, Propylamine, Propyl ethylenediamine, Propyl diethylenetriamine, Pyoverdin, Tripropylamine, and It may consist of at least one of acid, amine and ester compound, ester compound of hydrazine and carboxylic acid, and ester compound of oxalic acid and amine, or a copolymer thereof. Preferably, the metal ion (Cu 2+ ) absorbent is preferably mixed with a polypropylene resin.
본 발명의 실시예에 의한 상기 금속이온(Cu2+) 흡수제는 흡수율을 고려할 때, Cyclam이 가장 바람직하다. 상기 Cyclam(1,4,8,11-Tetraazacyclotetradecane)의 화학식은 C10H24N4으로 2차원 및 3차원구조는 다음과 같다. When considering the absorption rate of the metal ion (Cu 2+ ) absorbent according to an embodiment of the present invention, Cyclam is most preferred. The chemical formula of Cyclam (1,4,8,11-Tetraazacyclotetradecane) is C 10 H 24 N 4, and the two-dimensional and three-dimensional structures are as follows.
[2차원 구조][2D structure]
[3차원 구조][Three-dimensional structure]
이때, 금속이온(Cu2+)을 흡수하는 과정은 다음의 반응식과 같다.At this time, the process of absorbing metal ions (Cu 2+ ) is as follows.
[반응식][Reaction Scheme]
상기 Cyclam은 4개의 질소가 비공유 전자쌍을 이루고, 중심에 금속이온(Cu2 +)을 배위하여 포획한다. 물론, 앞에서 제시한 금속이온(Cu2 +) 흡수제는 금속이온(Cu2+)을 흡수하는 기능이 있으나, 배위하여 금속이온(Cu2+)을 포획하는 상기 Cyclam이 보다 효율적이다. In the Cyclam, four nitrogens form an unshared electron pair, and a metal ion (Cu 2 + ) is coordinated and captured at the center. Of course, the aforementioned metal ion (Cu 2 + ) absorber has a function of absorbing metal ions (Cu 2+ ), but the Cyclam, which captures metal ions (Cu 2+ ) by coordination, is more efficient.
상기 금속이온(Cu2+) 흡수제의 함량은 제1 절연체(50)의 전체 중량에 대하여 10 내지 50중량%가 바람직하다. 상기 금속이온(Cu2+) 흡수제의 함량이 50중량%보다 크면, 금속이온(Cu2+) 흡수량은 커지나 반대로 수분 및 HF를 흡수할 수 있는 흡수량이 적어진다. 또한, 상기 50중량%보다 커지면, 필름 형태의 제1 절연체(50)의 필름으로서의 물성이 좋지 못하고 필름을 성형이 제대로 이루어지지 않아서, 제1 절연체(50)의 절연특성이 저하된다. 상기 함량이 10중량%보다 작으면, 금속이온(Cu2+)의 흡수량이 적기 때문에 흡수기능이 제대로 발휘되지 않는다. The content of the metal ion (Cu 2+ ) absorbent is preferably 10 to 50% by weight based on the total weight of the
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 제2 절연체(60)를 설명하기 위한 단면도이다. 이때, 제2 절연체(60)의 수분 및 HF 및 금속이온 흡수층(61)을 제외하고 제1 절연체(50)와 동일하다. 이에 따라, 중복된 부분에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.3 is a cross-sectional view for explaining a
도 3에 의하면, 제2 절연체(60)는 제1 절연체(50)의 수분 및 금속이온 흡수층(51)의 양측에 수분 및 HF 및 금속이온을 흡수하는 수분 및 HF 및 금속이온 흡수층(61)이 부착된 형태이다. 즉, 제2 절연체(60)의 수분 및 HF 및 금속이온 흡수층(61)은 제1 절연체(50)의 HF 및 금속이온 흡수층(52)에 수분을 흡수하는 기능이 추가된 것이다. 제2 절연체(60)는 앞에서 설명한 상기 금속이온 흡수제. 상기 수분 흡수제 및 상기 HF 흡수제가 제1 절연체(50)와 종류 및 기능은 동일하다. 수분 및 HF 및 금속이온 흡수층(61)에 상기 수분 흡수제를 포함시키면, 수분의 흡수력을 높인다. Referring to FIG. 3, the
경우에 따라, 본 발명의 실시예에 의한 절연체는 중심에는 수분 및 금속이온 흡수층(51)을 두고, 일측에는 HF 및 금속이온 흡수층(52), 타측에는 수분 및 HF 및 금속이온 흡수층(61)이 배치된 형태로 변형될 수 있다. 여기서는, 하나의 수분 및 금속이온 흡수층(51)을 고려한 절연체를 제시하였으나, 복수개의 수분 및 금속이온 흡수층(51)이 구비되고, HF 및 금속이온 흡수층(52), 수분 및 HF 및 금속이온 흡수층(61)이 조합될 수 있다. 이와 같이, 상기 절연체는 전지의 종류, 전지의 형태, 금속이온 발생소스의 종류 등에 따른 수분, HF 및 금속이온의 흡수를 고려하여 어느 하나를 채택할 수 있다. 또한, 상기 절연체의 두께 역시 전지의 종류, 전지의 형태, 금속이온 발생소스의 종류 등에 따른 수분, HF 및 금속이온의 흡수를 고려하여 설정될 수 있다.In some cases, the insulator according to the embodiment of the present invention has a moisture and metal
<실시예> <Example>
이하, 본 발명을 상세하게 설명하기 위해 실시예를 나타내지만, 본 발명은 이하의 실시예에 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예 및 비교예에 나타내는 이차전지의 물성 및 판정은 이하의 방법에 의해 측정 또는 판정된 값을 나타낸다. 이때, 전해액으로 디메틸카보네이트와 에틸렌카보네이트가 부피비를 기준으로 1:1로 혼합되어 있고, 리튬염으로 1M의 LiPF6를 포함하고 있는 비수계 전해액을 사용하였다. 여기서는 제1 절연체(50)를 중심으로 살펴보기로 한다.Hereinafter, examples are shown to describe the present invention in detail, but the present invention is not particularly limited to the following examples. In addition, physical properties and determination of secondary batteries shown in Examples and Comparative Examples represent values measured or determined by the following method. At this time, dimethyl carbonate and ethylene carbonate were mixed at a volume ratio of 1:1 as an electrolyte, and a non-aqueous electrolyte containing 1M LiPF 6 as a lithium salt was used. Here, the
1) 수분 및 HF 흡수1) Moisture and HF absorption
수분 및 HF를 측정하기 위해, 200㎛ 두께의 필름 형태의 제1 절연체(50)를 전해액에 함침한 후, 수분이 내부로 들어오지 못하도록 밀봉하였다. 이후, 60℃의 항온항습기에 5일간 보관한 후 평가를 진행하였다. 실험에 사용된 용기는 폴리프로필렌 재질이다. 시약조성물은 대기 중 수분과 반응하지 않도록 수분을 10 ppm이하로 제어하였다. 시약조성물은 온도와 수분 함량이 일정하게 제어된 글로브박스(glove box) 안에서 제조하였고, 상기 전해액에서의 수분 및 HF를 측정하였다. 수분측정은 Metrohm사 915 KF Ti-Touch 모델의 측정기를 사용하였고, HF 측정은 Metrohm사 916 Ti-Touch 모델의 전위차적정기를 사용하였다. In order to measure moisture and HF, the
2) 금속이온(Cu2+) 흡수 2) Absorption of metal ions (Cu 2+ )
제1 절연체(50) 시편 위에 구리 시편을 부착하였다. 제1 절연체(50) 시편 위에 무게추를 올려놓은 상태로 항온조 120℃의 조건으로 30일간 방치 후, 구리 시편에서의 구리이온(Cu2+)이 제1 절연체(50)의 시편에 흡착되는 상태를 확인하였다. A copper specimen was attached on the specimen of the
<실시예><Example>
폴리프로필렌 수지로 이루어진 수분 흡수제 및 금속이온 흡수제를 포함하는 흡수층(51) 및 HF 및 금속이온 흡수층(52)으로 이루어진 제1 절연체(50)를 제작하였다. 상기 수분 흡수제는 평균입도 5.5㎛를 갖는 BaTiO3이고, 상기 HF 흡수제는 평균입도 5.7㎛를 갖는 탄산리튬이었다. 금속이온(Cu2+) 흡수제는 Cyclam이었고, 제1 절연체(50)의 전체 중량에 대하여 20중량%를 혼합하였다. 전체 흡수제는 폴리프로필렌(PP) 수지에 3:7의 중량비로 혼합하였다. 그후, 쿠리모토철공소의 KRC-Kneader S2를 이용하여 마스터배치를 제조하고, 압출기를 통해 200㎛ 두께의 제1 절연체(50) 필름을 제작하였다. 이때, 압출조건은 통상의 폴리프로필렌 필름을 제조하는 조건과 동일(온도조건 190~220℃, 속도 10~40m/min)하게 설정하였다. 전해액에서의 수분, HF 및 구리이온의 흡수된 양을 측정하였다.A
<비교예><Comparative Example>
본 발명의 실시예에 의한 제1 절연체(50)가 없는 상태에서의 전해액의 수분 및 HF 및 구리이온의 흡수된 양을 측정하였다.In the absence of the
표 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 전해액에서의 수분 및 HF 및 구리이온의 흡수된 양을 비교한 것이다. Table 1 compares the absorbed amounts of water, HF, and copper ions in the electrolyte solution according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
표 1에 의하면, 본 발명의 실시예에 의한 제1 절연체(50)에 의하여, 전해액에서의 수분량 및 HF 및 금속이온 량은 각각 31.82ppm 및 15.04ppm 및 6.05ppm이었다. 그런데, 제1 절연체(50)가 없는 비교예의 전해액에서의 수분량 및 HF 및 금속이온 량은 각각 120.57ppm 및 102.63ppm 및 90.82ppm이었다. 즉, 제1 절연체(50)는 전해액에서의 수분량 및 HF 및 금속이온 량을 획기적으로 감소시켰다. 상기 전해액에서의 수분량 및 HF량 및 금속이온 량은 전지의 폭발 및 화재에 간접적으로 영향을 미친다. 전지 내부의 가스압력을 높아지면 구리분말의 성장 및 분리막의 관통을 촉진시키며, 특히 상기 HF의 함량이 높아지면 구리 집전체의 부식을 초래하여 구리분말이 쉽게 석출되고 성장하게 한다.According to Table 1, according to the
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 구리이온(Cu2+)이 흡착된 상태를 나타내는 사진들이다. 이때, 상기 실시예는 제1 절연체(50)를 사용하였고, 상기 비교예는 구리이온(Cu2+) 흡수제를 포함하지 않는 일반 폴리프로필렌 필름을 사용하였다. 이때, 실시예 a 및 비교예 a는 15일이 지난 후 구리이온(Cu2+)의 흡수 상태를 나타낸 것이고, 실시예 b 및 비교예 b는 30일이 지난 후 지난 후 구리이온(Cu2+)의 흡수 상태를 나타낸 것이다.4 are photographs showing a state in which copper ions (Cu 2+ ) are adsorbed according to Examples and Comparative Examples of the present invention. At this time, in the above example, the
도 4에 의하면, 본 발명의 실시예에 의한 제1 절연체(50)에는 구리이온(Cu2+)이 전체에 걸쳐서 흡수되었다. 제1 절연체(50)는 구리이온(Cu2+)을 흡수하여, 전해액에서의 구리이온(Cu2+)을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 그런데, 비교예의 폴리프로필렌 필름은 구리이온(Cu2+)을 흡수하지 못하고, 30일 경과 후에는 부식이 발생됐다. 즉, 구리이온(Cu2+)이 침적되면, 시간이 경과되면 구리(Cu) 분말로 석출하여 점점 성장된다. 구리(Cu) 분말이 성장하여 크기가 커지면, 분리막을 관통하여 전극 사이에 쇼트가 발생하여 폭발 및 화재로 이어질 수 있다. 또한, 전지 내부의 가스압력이 올라가거나 외부압력이 가해지면, 상기 구리 분말은 분리막을 관통하여 폭발 및 화재가 야기된다. 4, copper ions (Cu 2+ ) were absorbed throughout the
그런데, 본 발명의 실시예에 의한 제1 절연체(50)는 구리이온(Cu2+)을 흡수하므로, 구리(Cu) 분말로의 석출이 쉽게 일어나지 않는다. 제1 절연체(50)는 구리이온(Cu2+)을 전체적으로 균일하게 흡수하므로, 구리(Cu)가 분말 형태로 석출되지 않는다. 즉, 제1 절연체(50)는 비교예와는 달리 침적이 일어나지 않는다. 구리(Cu) 분말로 석출이 일어나지 않으면, 구리(Cu) 분말의 성장으로 인하여 분리막이 관통되어 야기되는 폭발 및 화재를 예방할 수 있다. However, since the
본 발명의 실시예는 상부 및 하부 절연체(TI, BI)를 중심으로 설명하였으나, 제1 및 제2 절연체(50, 60)는 젤리롤(jelly roll), 스택 셀(stack cell), 권취 셀(winding cell), 접힘 셀(folding cell) 등에서 전극조립체를 고정하는 마감테이프 등에 적용될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 절연체(50, 60)는 가스켓(gasket), 전지 캡(cap) 등에도 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 절연체는 상부 및 하부 절연체(TI, BI) 이외에도, 금속이온을 제공하는 소스가 되는 부분에 직접 또는 인접하여 부착될 수 있다. 인접하여 부착은 비록 직접 부착되지 않더라도 수분, HF 및 금속이온을 흡수할 수 있는 위치에 부착되는 것을 말한다.The embodiments of the present invention have been described centering on the upper and lower insulators (TI, BI), but the first and
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. Above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are made by those of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is possible.
10; 전극조립체 20; 케이스
30; 캡 에셈블리 31; 양극 탭
32; 캡 플레이트 40; 센터핀
50, 60; 제1 및 제2 절연체
51; 수분 및 금속이온 흡수층
52; HF 및 금속이온 흡수층
61; 수분 및 HF 및 금속이온 흡수층10;
30;
32;
50, 60; First and second insulator
51; Moisture and metal ion absorption layer
52; HF and metal ion absorbing layer
61; Moisture and HF and metal ion absorption layer
Claims (8)
상기 수분 흡수제는 화학적 반응에 의해 상기 수분을 흡수하고, 상기 수분 흡수제는 금속산화물이며 상기 금속산화물의 금속은 2, 4, 10, 12, 13 및 14족으로부터의 금속이고, 상기 수분 및 금속이온 흡수층은 수분 흡수제와 금속이온 흡수제에 절연성 수지가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 흡수기능을 가진 절연체를 포함하는 이차전지.It has at least a three-layer structure, and a moisture and metal ion absorbing layer for absorbing moisture and metal ions is located at the center, and is disposed on at least one side of the moisture and metal ion absorbing layer to include an insulator consisting of HF and metal ion absorbing layer,
The moisture absorbent absorbs the moisture through a chemical reaction, the moisture absorbent is a metal oxide, and the metal of the metal oxide is a metal from groups 2, 4, 10, 12, 13 and 14, and the moisture and metal ion absorbing layer A secondary battery comprising an insulator having an absorption function, characterized in that the silver moisture absorber and the metal ion absorber are mixed with an insulating resin.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
X091 | Application refused [patent] | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
E801 | Decision on dismissal of amendment | ||
A107 | Divisional application of patent |