KR20220045437A - 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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KR20220045437A
KR20220045437A KR1020200128158A KR20200128158A KR20220045437A KR 20220045437 A KR20220045437 A KR 20220045437A KR 1020200128158 A KR1020200128158 A KR 1020200128158A KR 20200128158 A KR20200128158 A KR 20200128158A KR 20220045437 A KR20220045437 A KR 20220045437A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 양극, 음극 및 분리막이 권취된 젤리롤 형태의 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 상부에 위치한 상단 절연 부재(Top insulator); 및 상기 전극 조립체의 하부에 위치한 하단 절연 부재(Bottom insulator)를 포함한다. 상기 상단 절연 부재 및 상기 하단 절연 부재 중 적어도 하나는, pH를 검출하는 지시약 성분을 포함한다.

Description

이차전지 및 이를 포함하는 디바이스{SECONDARY BATTERY AND DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 자주 검사가 가능한 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
전지 케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 젤리롤형, 스택형 및 스택/폴딩형으로 분류된다. 젤리롤형은 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 형태이고, 스택형은 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 형태이며, 스택/폴딩형은 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조이다. 그 중 젤리롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이러한 이차 전지에는 예를 들어 니켈 카드뮴전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
최근 이차전지의 경우, 양극 활물질에 NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄) 양극재 및 LiNiO2(LNO)를 사용함에 따라, 공기 중의 H2O, CO2에 민감하게 반응하여 Li 부산물을 형성할 수 있다. 이러한 Li 부산물은 이차전지 셀의 성능 저하의 원인이 될 수 있다. 따라서, 이차전지 내에서 발생한 Li 부산물을 검출할 수 있는 방법에 대한 논의가 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 리튬 이차전지에서 발생한 Li 부산물을 쉽게 검출할 수 있는 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 양극, 음극 및 분리막이 권취된 젤리롤 형태의 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 상부에 위치한 상단 절연 부재(Top insulator); 및 상기 전극 조립체의 하부에 위치한 하단 절연 부재(Bottom insulator)를 포함한다. 상기 상단 절연 부재 및 상기 하단 절연 부재 중 적어도 하나는, pH를 검출하는 지시약 성분을 포함한다.
상기 지시약 성분은, 페놀프탈레인, 메틸 오렌지 및 브로모티몰 블루 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 상단 절연 부재 및 상기 하단 절연 부재 중 적어도 하나는, 절연성 섬유 및 상기 절연성 섬유의 표면에 코팅된 코팅층을 포함할 수 있고, 상기 코팅층이 상기 지시약 성분을 포함할 수 있다.
상기 절연성 섬유는 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 유리 섬유(Glass fiber), 천연 고무 및 합성 고무 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 양극은 양극 활물질을 포함할 수 있고, 상기 양극 활물질은 NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄) 양극재 및 LiNiO2(LNO)를 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질의 화학반응으로 Li 부산물이 생성될 수 있고, 상기 상단 절연 부재 및 상기 하단 절연 부재 중 적어도 하나는 상기 지시약 성분에 따른 색 변화로 상기 Li 부산물의 생성을 감지할 수 있다.
상기 이차전지는 상기 전극 조립체를 수납하는 전지 케이스를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, pH 변화를 감지할 수 있는 절연 부재를 이차전지 내부에 마련하여, 육안으로 간편하게 Li 부산물의 발생여부를 확인할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 단면 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지에 포함된 상단 절연 부재를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 절단선 A-A’를 따라 자른 절단면의 일부를 나타내는 부분 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타낸 단면 사시도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는, 양극(121), 음극(122) 및 분리막(123)이 권취된 젤리롤 형태의 전극 조립체(120), 전극 조립체(120)의 상부에 위치한 상단 절연 부재(160), 전극 조립체(120)의 하부에 위치한 하단 절연 부재(170)를 포함한다.
우선, 전극 조립체(120)는 양극(121) 및 음극(122) 사이에 분리막(123)을 개재하고 권취한 젤리롤 형태로써, 그 중심부에 센터 핀(150)이 삽입될 수 있다.
이차전지(100)는 전극 조립체(120)를 상부가 개방된 전지 케이스(130)에 수납하고, 전지 케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 전지 케이스(130)의 개방된 상부에 캡 조립체(140)를 결합하여 제작될 수 있다.
본 실시예에 따른 상단 절연 부재(160) 및 하단 절연 부재(170) 중 적어도 하나는, pH를 검출하는 지시약 성분을 포함할 수 있다. 상기 지시약 성분은 페놀프탈레인, 메틸 오렌지 및 브로모티몰 블루 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참고하여, 본 실시예에 따른 상단 절연 부재에 대해서 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 이차전지에 포함된 상단 절연 부재를 나타낸 평면도이고, 도 3은 도 2의 절단선 A-A’를 따라 자른 절단면의 일부를 나타내는 부분 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 상단 절연 부재(160)는 절연성 섬유(161)를 포함할 수 있고, 이러한 절연성 섬유(161)는 방향성 없이 얽혀 부직포 같은 형태를 형성할 수 있다. 절연성 섬유(161)는 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 유리 섬유(Glass fiber), 천연 고무 및 합성 고무 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이러한 절연성 섬유(161)에 의해 상단 절연 부재(160)는 전기적 절연성을 띄고, 도 1에서 전극 조립체(120)가 캡 조립체(140)와 접촉되어 단락이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 하단 절연 부재(170)도 상기 절연성 섬유를 포함할 수 있으며, 전기적 절연성을 띄어 전극 조립체(120)가 전지 케이스(130)의 바닥부(131)와 접촉하여 단락이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
절연성 섬유(161) 사이에는 다수의 빈 공간(160S)이 형성될 수 있고, 이러한 상단 절연 부재(160)를 상기 지시약 성분을 포함하는 용액에 함침시킨 후, 세척 및 건조를 진행하여, 절연성 섬유(161) 상에 상기 지시약 성분을 포함하는 코팅층(162)을 형성할 수 있다. 즉, 상단 절연 부재(160)가 방향성 없이 얽힌 절연성 섬유(161) 및 절연성 섬유(161)의 표면에 코팅된 코팅층(162)을 포함할 수 있고, 이러한 코팅층(162)이 상기 지시약 성분을 포함할 수 있다.
또한, 절연성 섬유(161)를 포함하는 상단 절연 부재(160)의 일면 또는 양면에 지시약 성분을 포함하는 용액을 도포한 뒤 건조하여 코팅층(162)을 형성할 수 있다.
한편, 절연성 섬유(161) 사이의 다수의 빈 공간(160S)들 중 일부가 서로 연결되어, 상단 절연 부재(160)의 상부 표면과 하부 표면을 관통하는 다수의 통로가 형성될 수 있다. 도 3에서와 같이, 절연성 섬유(161)의 표면에 코팅층(162)이 형성되어도, 상단 절연 부재(160)에 형성된 다수의 통로를 막지 않고, 가스의 흐름을 방해하지 않기 때문에 상단 절연 부재(160)의 가스에 대한 통기도(Permeability)가 저하되지 않는다.
설명의 반복을 피하기 위해 상단 절연 부재를 기준으로 설명하였으며, 본 실시예에 따른 하단 절연 부재(170)도 앞서 언급한 상단 절연 부재(160)와 상호 동일 내지 유사한 구성을 형성할 수 있다. 즉, 하단 절연 부재도 상기 절연성 섬유 및 상기 코팅층을 포함할 수 있다.
한편, 도 1을 다시 참고하면, 전지 케이스(130)는 비딩부(132) 및 크림핑부(133)를 포함할 수 있다.
비딩부(132)는 전지 케이스(130) 중 일부가 전극 조립체(120)의 중심 방향으로 만입된 부분을 지칭하는 것으로, 캡 조립체(140)의 안정적인 결합 및 전극 조립체(120)의 유동 방지를 위한 것이다.
크림핑부(133)는 비딩부(132)의 상부에 위치하여, 캡 조립체(140)를 감싸는 부분을 지칭하는 것으로, 캡 조립체(140)의 안정적인 결합을 위한 것이다. 구체적으로, 전지 케이스(130)의 상부 단부를 후술하는 가스켓(143)과 함께 캡 조립체(140) 방향으로 구부려 크림핑(Crimping) 결합을 실시함으로써, 크림핑부(133)를 형성할 수 있다.
캡 조립체(140)는 양극 단자를 형성하는 상단 캡(141), 전극 조립체(120)에서 상부 방향으로 연장된 양극 탭(121t)이 접속되는 캡 플레이트(142) 및 기밀유지용 가스켓(143)을 포함할 수 있다.
가스켓(143)은 크림핑부(133)와 비딩부(132)의 상부 내면에 장착되어 캡 조립체(140)와 전지 케이스(130) 간의 밀봉력을 증대시킨다.
전지 케이스(130)는 원통형 케이스 또는 각형 케이스일 수 있으나, 도 1에 도시된 것처럼, 원통형 케이스인 것이 바람직하다.
양극 탭(121t)은 전극 조립체(120)에서 상부 방향으로 연장될 수 있다. 구체적으로는 전극 조립체(120)의 양극(121)으로부터 연장될 수 있다. 이러한 양극 탭(121t)이 캡 플레이트(142)와 접속되어, 상단 캡(141)이 양극 단자로 작동할 수 있다. 상단 절연 부재(160)에는 관통홀(160H)이 형성되고, 양극 탭(121t)이 관통홀(160H)을 통과하여 캡 플레이트(142)와 접속될 수 있다.
한편, 양극은, 양극 집전체 상에 양극 활물질을 도포하여 형성될 수 있고, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 양극은, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 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 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄) 양극재 및 LiNiO2(LNO)를 포함할 수 있다. 일례로, 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; 등을 포함할 수 있다.
상기 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 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 도전제 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 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 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; 주석계합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
한편, 앞서 언급한 바 대로, 본 실시예에 따른 양극은 양극 활물질을 포함하고, 상기 양극 활물질이 NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄) 양극재 및 LiNiO2(LNO)를 포함할 수 있다. 이러한 양극 활물질은, 공기 중의 H2O, CO2에 민감하게 반응하여 Li 부산물을 형성할 수 있다. 이러한 Li 부산물의 생성 반응식은 다음과 같다.
LiNiO2 → Li2O + NiO
Li2O + H2O → 2LiOH
2LiOH + CO2 → Li2CO3 + H2O
Li2CO3 + H2O → 2Li+ + HCO3- + OH-
한편, 양극 활물질에 포함된 니켈도 하기 반응식에 따라 Li 부산물을 생성할 수 있다.
Ni3+ + O2- → Ni2+ + O-
O- + O- → O2- 또는 O + O → O2
O2- + CO2 + H2O → CO3 2- + 2OH-
2Li+ + CO3 2- + 2OH- → Li2CO3 + 2LiOH
Li2CO3 + H2O → 2Li+ + HCO3- + OH-
이를 종합하면, 본 실시예에 따른 양극은, 반응이 진행됨에 따라 즉, 공기 중의 H2O, CO2와 반응하고, 이러한 반응의 반복으로 OH-가 생성되어 pH가 감소한다.
제조된 이차전지에 대해 부여된 매 로트(Lot)마다 자주 검사(Self Inspection)를 실시하여 측정 데이터를 남겨두고 관리가 이루어진다. 즉, 완성된 이차전지 셀에 대해 매 로트마나 셀 특성에 이상이 있는지 용량, 저항 등의 항목을 설정하고 평가하여 관리가 이루어진다. 상기 Li 부산물은 이차전지 셀의 성능 저하의 원인이 될 수 있으므로, Li 부산물의 생성 정도가 관리의 대상, 즉 자주 검사의 대상이 될 수 있다. 여기서 로트란 특정 시간, 세트(SET), 원재료 변경 등 주변 환경 변화에 따라 지정된 이차전지의 군을 의미할 수 있다.
이 때, 본 실시예에 따른 이차전지(100)는, 상단 절연 부재(160) 및 하단 절연 부재(170) 중 적어도 하나에 pH를 검출하는 지시약 성분을 포함하기 때문에, 이차전지 내에 pH 변화를 육안으로 확인할 수 있다. 즉, 지정된 로트의 이차전지에 대해 상단 절연 부재(160)나 하단 절연 부재(170)가 색이 변하는지 유무를 파악함으로써, 지정된 로트의 이차전지에서 Li 부산물이 발생하였는지 확인할 수 있다.
특히, 본 실시예에 따른 상단 절연 부재(160)나 하단 절연 부재(170)는 절연성 섬유가 부직포 형태를 구성하기 때문에 상기 지시약 성분이 내부에 쉽게 함유될 수 있다. 다시 말해, 상기 절연성 섬유를 지시약 성분을 포함하는 용액에 함침하거나 상기 지시약 성분을 상단 절연 부재(160) 또는 하단 절연 부재(170)에 도포함으로써, 별도의 구성을 추가하지 않더라도, pH 변화를 감지할 수 있는 부재를 간편하게 마련할 수 있다.
또한, 상단 절연 부재(160)나 하단 절연 부재(170)는 전해액에 함침되며, 전극 조립체(120)와 전지 케이스(130) 내에서 같은 공간을 공유한다. 즉, 실제 상기 Li 부산물이 발생하는 공간에 함께 위치한다. 따라서, 상단 절연 부재(160)나 하단 절연 부재(170)는, 전극 조립체(120)의 양극(121)에서의 반응으로 인해 상기 Li 부산물이 생성되고 pH 변화가 발생하는 곳에 위치하기 때문에 그 내부에 함유된 지시약 성분으로 Li 부산물의 생성 여부를 정확하게 감지할 수 있다.
실제 이차전지(100)의 작동 상태에서의 Li 부산물의 생성 여부를 확인하기 위해, 완성된 이차전지(100)의 로트에 대해 분해 검사를 실시하여 상단 절연 부재(160)나 하단 절연 부재(170)의 색 변화 유무를 확인할 수 있다.
또한, 완성된 최종 이차전지(100)가 아니라 전지 케이스(130)와 캡 조립체(140) 간의 크림핑 결합이 이루어지기 전의 이차전지에 대해서도 육안으로 상단 절연 부재(160)의 색 변화 유무를 확인할 수 있다. 이 경우에는, 하단 절연 부재(170)보다는 상단 절연 부재(160)가 상기 지시약 성분을 포함하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 이차전지가 복수로 모여 전지 모듈을 형성할 수 있다. 이러한 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 이차전지, 상기 전지 모듈 또는 상기 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 이차전지
120: 전극 조립체
130: 전지 케이스
160: 상단 절연 부재
170: 하단 절연 부재

Claims (8)

  1. 양극, 음극 및 분리막이 권취된 젤리롤 형태의 전극 조립체;
    상기 전극 조립체의 상부에 위치한 상단 절연 부재(Top insulator); 및
    상기 전극 조립체의 하부에 위치한 하단 절연 부재(Bottom insulator)를 포함하고,
    상기 상단 절연 부재 및 상기 하단 절연 부재 중 적어도 하나는, pH를 검출하는 지시약 성분을 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에서,
    상기 지시약 성분은, 페놀프탈레인, 메틸 오렌지 및 브로모티몰 블루 중 적어도 하나를 포함하는 이차전지.
  3. 제1항에서,
    상기 상단 절연 부재 및 상기 하단 절연 부재 중 적어도 하나는, 절연성 섬유 및 상기 절연성 섬유의 표면에 코팅된 코팅층을 포함하고,
    상기 코팅층이 상기 지시약 성분을 포함하는 이차전지.
  4. 제3항에서,
    상기 절연성 섬유는 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 유리 섬유(Glass fiber), 천연 고무 및 합성 고무 중 적어도 하나를 포함하는 이차전지.
  5. 제1항에서,
    상기 양극은 양극 활물질을 포함하고,
    상기 양극 활물질은 NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄) 양극재 및 LiNiO2(LNO)를 포함하는 이차전지.
  6. 제5항에서,
    상기 양극 활물질의 화학반응으로 Li 부산물이 생성되고,
    상기 상단 절연 부재 및 상기 하단 절연 부재 중 적어도 하나는 상기 지시약 성분에 따른 색 변화로 상기 Li 부산물의 생성을 감지하는 이차전지.
  7. 제1항에서,
    상기 전극 조립체를 수납하는 전지 케이스를 더 포함하는 이차전지.
  8. 제1항에 따른 이차전지를 포함하는 디바이스.
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