KR20220055609A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20220055609A
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김지형
류경민
문신영
조윤지
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에스케이온 주식회사
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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지는 복수의 전극들 및 전극들 사이에 배치된 분리막을 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 전극들과 연결되며 케이스 외부로 돌출된 전극 탭, 및 전극 탭을 적어도 부분적으로 덮는 열전 유닛을 포함한다. 열전 유닛은 절연체, 및 절연체 내에 포함되거나 절연체 상에 부착된 열전 소자들을 포함하며 상기 전극 탭과 평면 방향에서 중첩되도록 배치되는 열전 영역을 포함한다.

Description

이차 전지{SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 모바일 폰, 노트북, 하이브리드 자동차 등 첨단 기기의 파워 소스로서 개발 및 연구되고 있다. 상기 이차 전지의 예로서 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지를 들 수 있다. 이들 중, 리튬 이차 전지는 작동 전압 및 단위 중량당 에너지 밀도 등의 측면에서 널리 활용되고 있다.
이차 전지의 충방전이 반복됨에 따라, 출력, 용량 등의 성능이 점진적으로 열화될 수 있다. 예를 들면, 이차 전지의 저장 또는 충방전 중 활물질 및 전해액의 분해, 활물질 및 전해액의 반응에 의해 부생성물 등에 의해 이차 전지의 동작 특성이 열화될 수 있다.
또한, 상대적으로 폭이 좁은 이차 전지의 전극 탭에서 높은 전류가 흐름에 따라 급격하게 온도가 상승할 수 있다. 이 경우, 상기 전극 탭에서 발생한 열은 이차 전지용 파우치로 전달되어, 파우치를 손상시킬 수 있다.
이 경우, 상기 이차 전지로부터 전해액이 누출될 수 있으며, 상기 이차 전지용 파우치의 온도가 상승함에 따라 전해액 내 부반응이 추가적으로 발생할 수 있다.
예를 들면, 한국공개특허 제10-2018-0023817호는 파우치 필름에 프레싱 공정을 통해 전지 셀 수용부를 형성하고, 수용부에 전지 셀을 수용한 파우치형 이차전지를 개시하고 있다.
한국공개특허 제10-2018-0023817호
본 발명의 실시예들에 따른 일 과제는 기계적 안정성 및 동작 신뢰성이 향상된 이차 전지를 제공하는 것이다.
예시적인 실시예들에 따른 이차 전지는 복수의 전극들 및 상기 전극들 사이에 배치된 분리막을 포함하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 전극들과 연결되며 상기 케이스 외부로 돌출된 전극 탭, 및 상기 전극 탭을 적어도 부분적으로 덮는 열전 유닛을 포함한다. 상기 열전 유닛은 절연체, 및 상기 절연체 내에 포함되거나 상기 절연체 상에 부착된 열전 소자들을 포함하며 상기 전극 탭과 평면 방향에서 중첩되도록 배치되는 열전 영역을 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 열전 유닛은 절연체, 및 상기 절연체 내에 포함되거나 상기 절연체 상에 부착된 열전 소자들을 포함하는 열전 영역을 포할 수 있다. 상기 열전 영역은 상기 전극 탭과 평면 방향에서 중첩되도록 배치될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 절연체는 상기 전극 탭의 상면을 덮는 제1 절연체 및 상기 전극 탭의 하면을 덮는 제2 절연체를 포함할 수 있다. 상기 열전 영역은 상기 제1 절연체에 형성되는 제1 열전 영역 및 상기 제2 절연체에 형성되는 제2 열전 영역을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 열전 유닛은 상기 제1 절연체 및 제2 절연체를 결합시키는 힌징 부를 더 포함할 수 있다, 상기 힌징 부를 통해 상기 열전 유닛이 폴딩되어 상기 제1 열전 영역 및 상기 제2 열전 영역이 상기 전극 탭을 사이에 두고 마주보도록 배치될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 열전 유닛은 상기 케이스 위로 배치되어 상기 열전 유닛을 고정시키는 지지체를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 열전 유닛은 상기 지지체 내에 포함되거나또는 상기 지지체 상에 부착된 열전 소자들을 포함하는 제3 열전 영역을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제3 열전 영역은 평면 방향에서 상기 케이스 내에 포함된 상기 전극 탭의 부분을 덮을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 케이스는 상기 전극 탭과 융착된 씰링부를포함하고, 상기 제3 열전 영역은 평면 방향에서 상기 씰링부를 덮을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 전극들 각각은 전극 집전체 및 상기 전극 집전체로부터 돌출되어 상기 전극 탭과 연결된 노칭부를 포함할 수 있다. 상기 제3 열전 영역은 평면 방향에서 상기 노칭부를 적어도 부분적으로 덮을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 열전 유닛은 상기 열전 영역 상에 형성되어 상기 전극 탭 및 상기 열전 영역 사이에 배치된 열전도성 중개층을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 열전도성 중개층은 서멀 그리스(thermal grease) 또는 열 전달 페이스트(heat transfer paste)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 열전 소자는 P-N 다이오드를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 본원 이차 전지는 전극 탭의 적어도 일부 영역을 덮는 열전 유닛을 포함한다. 상기 열전 유닛을 통해 이차 전지의급속 충전 중 전극 탭에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
이에 따라, 급속 충전 중 이차 전지가 과열에 의한 전해액 부반응, 케이스 손상에 따른 전해액의 누출 등을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 열전 소자를 통해 발열 및 냉각 속도를 증가시켜 이차 전지의 충/방전 속도 및 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지에 포함된 전극 조립체를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 3 및 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지에 포함된 열전 유닛를 나타내는 개략적인 평면도들이다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 전극 조립체, 케이스, 전극 탭 및 상기 상기 전극 탭을 덮는 열전 소자를 포함하는 열전 유닛을 포함하는 이차 전지가 제공된다,
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도이다. 도 2는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지에 포함된 전극 조립체를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이차 전지는 전극 조립체(100), 케이스(200) 및 열전 유닛(thermoelectric element)(300)을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(100)는 반복적으로 적층된 전극들(110) 및 전극들(110) 사이에 배치된 분리막(140)을 포함할 수 있다. 전극들(110)은 각각 전극 집전체(115) 상에 형성된 활물질 층을 포함할 수 있다.
전극들(110)은 양극(120) 및 음극(130)을 포함할 수 있다. 전극 집전체(115)는 양극(120)에 포함된 양극 집전체(125) 및 음극(130)에 포함된 음극 집전체(135)를 포함할 수 있다. 상기 활물질 층은 양극(120)에 포함된 양극 활물질 층(122) 및 음극(130)에 포함된 음극 활물질 층(132)을 포함할 수 있다.
양극(120)은 양극 집전체(125) 및 양극 집전체(125) 상에 양극 활물질을 도포하여 형성한 양극 활물질 층(122)을 포함할 수 있다. 상기 양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 화합물을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 이차 전지는 리튬 이차 전지로 제공될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 활물질은 리튬-전이금속 복합 산화물 입자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬-전이금속 복합 산화물 입자는 니켈(Ni)을 포함하며, 코발트(Co) 또는 망간(Mn) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 리튬-전이금속 복합 산화물 입자는 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
LixNi1-yMyO2+z
화학식 1에서 0.9
Figure pat00001
x≤1.1, y는 0
Figure pat00002
y≤0.7, z는 -0.1
Figure pat00003
z≤0.1일 수 있다. M은 Na, Mg, Ca, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Co, Fe, Cu, Ag, Zn, B, Al, Ga, C, Si, Sn 또는 Zr로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 나타낼 수 있다.
일 실시예에 있어서, 화학식 1 중 니켈의 몰비(1-y)는 0.8 내지 0.95 범위일 수 있다. 이 경우, 고-니켈(High-Ni) 양극 조성을 통해 출력 및 용량을 증가시킬 수 있다.
양극 집전체(125)는 이차 전지의 충/방전 전압 범위에서 반응성이 없으며, 전극 활물질의 도포 및 접착이 용이한 금속 재질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 양극 집전체(125)는 예를 들면, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄, 구리, 아연 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 양극 활물질을 용매 내에서 바인더, 도전재 및/또는 분산재 등과 혼합 및 교반하여 슬러리를 제조할 수 있다. 상기 슬러리를 양극 집전체(115)에 코팅한 후, 압축 및 건조하여 양극 활물질층(112)을 포함하는 양극(120)을 제조할 수 있다.
상기 바인더는, 예를 들면, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등의 유기계 바인더, 또는 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 등의 수계 바인더를 포함할 수 있으며, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용될 수 있다.
예를 들면, 양극 바인더로서 PVDF 계열 바인더를 사용할 수 있다. 이 경우, 양극 활물질 층 형성을 위한 바인더의 양을 감소시키고 상대적으로 양극 활물질의 양을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 이차 전지의 출력, 용량을 향상시킬 수 있다.
상기 도전재는 활물질 입자들 사이의 전자 이동을 촉진하기 위해 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 도전재는 흑연, 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노 튜브 등과 같은 탄소계열 도전재 및/또는 주석, 산화주석, 산화티타늄, LaSrCoO3, LaSrMnO3와 같은 페로브스카이트(perovskite) 물질 등을 포함하는 금속 계열 도전재를 포함할 수 있다.
음극(130)은 음극 집전체(135), 및 음극 활물질을 음극 집전체(135)에 코팅하여 형성된 음극 활물질 층(132)을 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 리튬 이온을 흡장 및 탈리할 수 있는, 당 분야에서 공지된 활물질이 사용될 수 있다. 예를 들면 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 계열 재료; 리튬 합금; 실리콘(Si) 계 활물질 등이 사용될 수 있다. 상기 비정질 탄소의 예로서 하드카본, 코크스, 메조카본 마이크로비드(mesocarbon microbead: MCMB), 메조페이스피치계 탄소섬유(mesophase pitch-based carbon fiber: MPCF) 등을 들 수 있다.
상기 결정질 탄소의 예로서 천연흑연, 인조흑연, 흑연화 코크스, 흑연화 MCMB, 흑연화 MPCF 등과 같은 흑연계 탄소를 들 수 있다. 상기 리튬 합금에 포함되는 원소로서 알루미늄, 아연, 비스무스, 카드뮴, 안티몬, 실리콘, 납, 주석, 갈륨 또는 인듐 등을 들 수 있다.
일 실시예에 있어서, 고용량 리튬 이차 전지 구현을 위해 상기 음극 활물질은 실리콘계 활물질을 포함할 수 있다. 상기 실리콘계 활물질은 상기 실리콘 계 활물질은 SiOX(0<x<2) 또는 리튬 화합물이 포함된 SiOx(0<x<2)를 포함할 수 있다. Li 화합물이 포함된 SiOx는 리튬 실리케이트를 포함하는 SiOx일 수 있다. 리튬 실리케이트는 SiOx(0<x<2) 입자의 적어도 일부에 존재할 수 있으며, 예를 들면, SiOx(0<x<2) 입자의 내부 및/또는 표면에 존재할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 리튬 실리케이트는 Li2SiO3, Li2Si2O5, Li4SiO4, Li4Si3O8 등을 포함할 수 있다.
상기 실리콘계 활물질은 예를 들면, 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 실리콘-탄소 복합 화합물을 포함할 수도 있다.
음극 집전체(135)는 스테인레스강, 구리, 니켈, 알루미늄, 티탄, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 음극 집전체(135)는 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 음극 활물질 및 용매 내에서 상술한 바인더, 도전재, 증점제 등과 함께 혼합 및 교반하여 슬러리 형태로 제조될 수 있다. 상기 슬러리를 음극 집전체(135)의 적어도 일면 상에 코팅한 후, 압축 및 건조하여 음극 활물질층(132)을 포함하는 음극(130)을 제조할 수 있다.
상기 바인더 및 도전재로서 양극 활물질층(122)에서 사용된 상술한 물질들과 실질적으로 동일하거나 유사한 물질들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 음극 형성을 위한 바인더는 예를 들면, 탄소 계열 활물질과의 정합성을 위해 스티렌-부타디엔 러버(SBR) 등의 수계 바인더를 포함할 수 있으며, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제와 함께 사용될 수 있다.
양극(120) 및 음극(130) 사이에는 분리막(140)이 개재될 수 있다. 분리막(140)은 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 포함할 수 있다. 분리막(120)은 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 형성된 부직포를 포함할 수도 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 양극(120), 음극(130) 및 분리막(140)에 의해 전극 셀이 정의되며, 복수의 전극 셀들이 적층되어 전극 조립체(100)가 정의될 수 있다.
도시의 편의를 위해, 도 2에서는 전극 조립체(100)가 적층형 타입으로 도시되었으나, 전극 조립체(100)는, 예를 들면 분리막(140)의 권취(winding) 또는 접음(folding)에 의한 젤리-롤 구조를 가질 수도 있다.
전극 조립체(100)는 케이스(200) 내에 전해질과 함께 수용되어 이차 전지가 정의될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전해질로서 비수 전해액을 사용할 수 있다.
케이스(200)는 예를 들면, 파우치(pouch) 형태로 제공될 수 있다. 케이스(200)는 내부에 복수의 절연층들이 적층된 복층 구조를 가질 수 있다. 케이스(200)는 상기 절연층들 사이에 삽입된 금속층을 포함할 수도 있다.
비수 전해액은 전해질인 리튬염과 유기 용매를 포함하며, 상기 리튬염은 예를 들면 Li+X-로 표현되며 상기 리튬염의 음이온(X-)으로서 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N- 등을 예시할 수 있다.
상기 유기 용매로서 예를 들면, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디메틸설퍼옥사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 비닐렌 카보네이트, 설포란, 감마-부티로락톤, 프로필렌 설파이트 및 테트라하이드로퓨란 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.
케이스(200)는 전극 조립체(100)가 상기 비수 전해액과 함께 삽입되는 수용부(210) 및 씰링부(220)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 수용부(210)는 실링부(220)로부터 두께 방향으로 소정 깊이로 만입된 형성된 리세스(recess) 형상을 가질 수 있다. 수용부(210) 내에는 전극 조립체(100)가 삽입될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 수용부(210)는 전극 조립체(100)의 상면을 덮는 제1 수용부 및 전극 조립체(100)의 하면을 덮는 제2 수용부로 구분될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 수용부 저면에 전극 조립체(100)가 배치되고, 상기 제1 수용부를 전극 조립체(100)위로 배치시킬 수 있다. 이후 상기 제1 수용부 및 상기 제2 수용부의 주변부들을 함께 융착하여 씰링부(220)를 형성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 수용부 및 상기 제2 수용부 사이에는 접힘 부가 형성될 수 있다. 상기 접힘 부를 통해 상기 제1 수용부를 전극 조립체(100) 위로 접어올려 전극 조립체(100)를 케이스(200) 내에 수용할 수 있다. 이 경우, 케이스(100)의 4개의 모서리부들 중 3개의 모서리부들이 씰링부(220)를 형성할 수 있다.
각 전극들(110)에 포함된 각각의 전극 집전체(115)로부터 노칭부(150)가 돌출될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 평면 방향에서 노칭부(150)는 전극 조립체(100)로부터 돌출되어 연장되는 형상을 가질 수 있으며, 복수의 노칭부들(150)이 전극 조립체(100)의 두께 방향으로 중첩되도록 정렬될 수 있다.
예를 들면, 양극 집전체들(125)로부터 양극 노칭부들이 돌출되어 정렬되고, 음극 집전체들(135)로부터 음극 노칭부들이 돌출되어 정렬될 수 있다. 도 1에 도시된 노칭부(150)는 상기 양극 노칭부 또는 음극 노칭부일 수 있다.
전극 탭(160)은 노칭부들(150)과 함께 병합 또는 융착될 수 있다. 예를 들면, 노칭부들(150)의 말단부들은 함께 융착되어 전극 탭(160)과 연결될 수 있다. 이에 따라, 양극 전극 탭 및 음극 전극 탭이 각각 형성될 수 있다.
전극 탭(160)은 케이스(200)의 씰링부(220)와 함께 씰링될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 탭(160)의 일부는 씰링부(220)의 외부로 노출되어 전극 리드로 제공될 수 있다. 전극 탭(160)의 일부는 씰링부(220)에 포함될 수 있으며, 전극 탭(160)의 일부는 수용부(210) 내에 위치할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 전극 탭(160) 및 씰링부(210) 사이에는 절연 필름(미도시)이 개재될 수도 있다. 이에 따라, 케이스(200)의 손상 시에도 전극 탭(160)과 케이스(200)의 절연을 유지할 수 있으며, 전극 탭(160)과 씰링부(220)의 밀착력을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 전극 탭(160)은 전극 집전체(115)에 포함될 수 있는 금속들과 실질적으로 동일하거나 유사한 금속을 포함할 수 있다.
예를 들면, 전극 탭(160)의 두께는 약 0.1 mm 내지 1.0mm일 수 있다. 보다 바람직하게는 전극 탭(160)의 두께는 0.3 mm 내지 0.7mm일 수 있다. 상기 범위 내에서, 후술되는 열전 유닛(300)에 포함된 열전 소자를 통한 냉각/발열을 효과적으로 구현할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 열전 유닛(300)이 전극 탭(160)을 덮도록 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 열전 유닛(300)은 케이스(200)의 일부 및 케이스(200)의 외부로 노출된 전극 탭(160) 부분을 함께 덮을 수 있다.
열전 유닛(300)은 열전 영역(320)을 포함하는 절연체(310)를 포함할 수 있다. 열전 영역(320) 내에는 열전 소자들(328a, 328b, 328c)(도 4 참조)이 분포할 수 있다.
예를 들면, 절연체(310)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 등을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.
절연체(310)는 상술한 물질을 포함하는 단일막 또는 복층 구조를 가질 수 있다.
열전 영역(320)에 포함된 상기 열전 소자는 예를 들면, 펠티어(Peltier) 효과에 의해 열 에너지를 전기 에너지로, 또는 전기 에너지를 열 에너지로 변화하는 반도체 소자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 열전 소자는 P-타입 반도체 및 N-타입 반도체가 결합된 다이오드 구조를 가질 수 있다.
상기 열전 소자는 이차 전지의 충전/방전 과정에서 전극 탭(160)으로부터 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 예를 들면, 열전 소자(320)는 전류가 흐름에 따라 전극 탭(160)에서 발생한 열을 외부로 이동시켜, 전극 탭(160)을 냉각시킬 수 있다.
예를 들면, 고속 충전 과정에서 전극 조립체(100)로부터 급속하게 증가하는 열을 전극 탭(160)으로부터 흡수하여 열전 영역(320)에서 빠르게 전류로 변환시킴에 따라, 전극 조립체(100) 또는 전극 탭(160)을 효과적으로 냉각시킬 수 있다, 이에 따라, 방전 효율을 증가시키면서, 고속 충/방전의 반복을 촉진할 수 있다.
또한, 열전 영역(320)에서 변환된 전류를 다시 충전 과정에 공급하여 충전 효율성도 증진할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열전 영역(320)은 외부로 노출된 전극 탭(160) 부분과 적어도 부분적으로 접촉 또는 겹쳐질 수 있다. 따라서, 상대적으로 폭이 좁은 전극 탭(160)에서의 열 집중을 빠르게 완화 또는 냉각시킬 수 있으며, 전극 탭(160)에서의 열 손상에 따른 저항 증가를 방지할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 열전 영역(320)은 평면 방향에서 케이스(200) 내에 배치된 전극 탭(160) 부분과도 중첩될 수 있으며, 노칭부(150)와도 중첩될 수 있다. 이 경우, 열전 영역(320)은 전극 탭(160)이 씰링된 케이스(200)의 씰링부(220) 부분을 덮을 수 있다.
따라서, 전극 탭(160) 및 노칭부(150)의 정션부에서의 열 손상을 억제하면서, 씰링부(220)의 열 손상에 따른 전해액 누출을 방지할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 열전 영역(320)은 평면 방향에서 전극 조립체(100)와도 부분적으로 중첩될 수 있다.
열전 유닛(300)은 케이스(200) 상에서 열전 유닛(300)을 결합 및 고정하기 위한 지지체(330)을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 지지체(330)에도 열전 영역(320)이 포함되어 케이스(200) 내의 전극 탭(160) 및 노칭부(150)와 중첩될 수 있다.
도 3 및 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지에 포함된 열전 유닛를 나타내는 개략적인 평면도들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 열전 유닛(300)의 절연체(310)는 힌징부(340)에 의해 폴딩가능 하도록 결합된 제1 절연체(312) 및 제2 절연체(314)를 포함할 수 있다. 열전 영역(320)는 제1 열전 영역(322) 및 제2 열전 영역(324)을 포함할 수 있다.
제1 열전 영역(322)은 제1 절연체(312) 내에 매립되거나 제1 절연체(312) 상에 형성될 수 있다. 제2 열전 영역(324)은 제2 절연체(314) 내에 매립되거나 제2 절연체(314) 상에 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 열전 영역(320) 내에는 열전 소자들이 분포할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 열전 영역(320) 내에는 제1 열전 소자들(328a)이 분포하며, 제2 열전 영역(324) 내에는 제2 열전 소자들(328b)이 분포할 수 있다. 상기 열전 소자는 P-N 다이오드 구조를 가질 수 있다.
힌징부(340)를 통해 제1 절연체(312) 및 제2 절연체(314)는 전극 탭(160)을 사이에 두고 서로 마주보도록 접힐 수 있다. 이에 따라, 전극 탭(160)의 상면 및 하면에서 함께 열전 소자들(328a, 328b)을 통한 냉각 효과가 구현되어 급속 냉각을 촉진할 수 있다.
제1 절연체(312) 또는 제2 절연체(314)의 말단에는 홀딩부(360)가 형성되어 서로 마주보도록 접힌 제1 절연체(312) 또는 제2 절연체(314)를 고정할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 열전 영역(320)을 덮는 열전도성 중개층(325)이 더 형성될 수 있다. 열전도성 중개층(325)은 상기 열전 소자들을 덮으며, 열전 영역(320) 및 전극 탭(160) 사이에 배치될 수 있다.
예를 들면, 열전도성 중개층(325)은 상기 열전 소자들 및 전극 탭(160) 사이의 갭을 매울 수 있다. 이에 따라, 상기 열전 소자들이 전극 탭(160)과 직접적으로 충돌 시 발생하는 전극 탭(160)의 기계적 손상을 방지할 수 있다. 또한, 전극 탭(160)과 열전 소자들의 직접 접촉에 따른 저항 증가를 방지하여, 접촉 저항 증가로 인한 추가적인 열 발생을 방지할 수 있다.
예를 들면, 열전도성 중개층은 써멀 그리스(thermal grease), 열전달층 페이스트(Heat transfer paste) 등과 같은 코팅성 조성물을 사용하여 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 열전 유닛(300)은 케이스(200) 위로 배치되어 열전 유닛(300)을 이차 전지에 체결시키는 지지체(330)를 포함할 수 있다. 지지체(330) 역시 힌징부(340)와 결합되어 예를 들면, 케이스(200)의 상면 및 하면에 각각 접촉하는 제1 지지체 및 제2 지지체로 분리될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 지지체(330)는 절연체(310)와 연결 또는 병합될 수 있으며, 절연체(310)와 실질적으로 동일하거나 유사한 물질을 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 지지체(330)에는 제3 열전 영역(326)이 포함될 수 있으며, 제3 열전 영역(326) 내에는 제3 열전 소자들(328c)이 분포할 수 있다.
열전 소자들(328a, 328b, 328c)은 서로 직렬 연결 또는 병렬 연결 되도록 배열될 수 있다. 도 4에 점선 화살표로 도시된 바와 같이, 열전 소자들(328a, 328b, 328c)이 서로 직렬 연결되는 경우, 전류가 지그재그 루프(loop) 형태로 순환 또는 통과함에 따라, 전극 탭(160)에서의 전체적인 균일한 냉각 효과가 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예 및 비교예들을 포함하는 실험예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
양극(양극 활물질: Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2,), 양극 집전체: 12㎛ Al 기재) 음극(음극 활물질: 인조 흑연 및 천연 흑연의 9:1 중량비 혼합물, 음극 집전체: 12㎛ Cu 기재) 및 분리막(폴리에틸렌, 두께 25㎛)을 포함하는 전극 조립체를 준비하였다. 집전체들에 형성된 양극 노칭부 및 음극 노칭부를 각각 Al 양극 탭 및 Cu 음극 탭에 연결하고, 상기 전극 조립체를 파우치 내에 수용하면서, 양극 탭 및 음극 탭을 파우치의 양 단부의 모서리부들에서 각각 용접하였다. 파우치의 나머지 모서리부들을 통해 전해액을 주입한 후 상기 나머지 모서리부들을 모두 씰링하였다.
전해액으로서 EC/EMC/DEC(25/45/30; 부피비)의 혼합 용매에 1M LiPF6을 용해시킨 후, 비닐렌 카보네이트(VC) 1wt%, 1,3-프로펜설톤(PRS) 0.5wt% 및 리튬 비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB) 0.5wt%를 첨가한 것을 사용하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 양극 탭을 덮는 열전 유닛을 배치시켰다. 구체적으로, 절연체 및 지지체로서 PET를 사용하였고 소정의 열전 영역들에 P-N 다이오드들을 부착시켰다.
실시예 2
상기 열전 유닛을 음극 탭 상에 결합시킨 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 이차 전지를 제조하였다.
실시예 3
상기 열전 유닛을 상기 양극 탭 및 상기 음극 탭 상에 모두 결합시킨 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 이차 전지를 제조하였다.
비교예
상기 열전 유닛을 생략한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 이차 전지를 제조하였다.
실험예
(1) 전극 탭의 온도 측정
실시예들 및 비교예의 이차 전지에 대해 SOC0 에서 SOC80까지 충전(CCCV 4.1V 5C-rate SOC80 cut-off)하면서 전극 탭의 최고 온도를 측정하였다.
(2) 충전 시간 평가
위 (1)에서 기재된 조건으로 SOC0 에서 SOC80까지 충전하는 시간을 측정하였다.
(3) 사이클 특성 평가
하기의 i) 내지 iv) 조건에서 수행되는 1 사이클의 충방전을 반복하면서 SOH80까지 유지 가능한 사이클 횟수를 측정하였다.
<충방전 조건>
i) 충전 : CCCV 4.1V 5C-rate SOC80 capacity cut-off
ii) 휴지시간: 10 min
iii) 방전 : CC 1/3C-rate 2.5V cut-off
iv) 휴지시간: Rest 10 min
평가 결과는 하기의 표 1에 나타낸다.
전극 탭의
최고 온도(℃)		 급속 충전
시간(min)		 사이클
특성
실시예 1 65 22 700
실시예 2 68 23 700
실시예 3 60 22 800
비교예 70 25 500
상기 표 1을 참고하면, 양극 탭 또는 음극 탭 상에 열전 유닛을 결합시킨 실시예의 경우 비교예에서 보다 전극 탭의 온도를 낮추면서 충전 시간이 단축되었고, 사이클 특성 역시 향상되었다.
100: 전극조립체 110: 전극
120: 양극 122: 양극 활물질 층
125: 양극 집전체 130: 음극
132: 음극 활물질 층 135: 음극 집전체
140: 분리막 160: 전극 탭
200: 케이스 300: 열전 유닛
310: 절연체 320: 열전 영역
328, 328b, 328c: 열전 소자들 330: 지지체
340: 힌징 부

Claims (11)

  1. 복수의 전극들 및 상기 전극들 사이에 배치된 분리막을 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;
    상기 전극들과 연결되며 상기 케이스 외부로 돌출된 전극 탭; 및
    상기 전극 탭을 적어도 부분적으로 덮는 열전 유닛을 포함하며, 상기 열전 유닛은,
    절연체; 및
    상기 절연체 내에 포함되거나 상기 절연체 상에 부착된 열전 소자들을 포함하며 상기 전극 탭과 평면 방향에서 중첩되도록 배치되는 열전 영역을 포함하는, 이차 전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 절연체는 상기 전극 탭의 상면을 덮는 제1 절연체 및 상기 전극 탭의 하면을 덮는 제2 절연체를 포함하고,
    상기 열전 영역은 상기 제1 절연체에 형성되는 제1 열전 영역 및 상기 제2 절연체에 형성되는 제2 열전 영역을 포함하는, 이차 전지.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 열전 유닛은 상기 제1 절연체 및 제2 절연체를 결합시키는 힌징 부를 더 포함하며,
    상기 힌징 부를 통해 상기 열전 유닛이 폴딩되어 상기 제1 열전 영역 및 상기 제2 열전 영역이 상기 전극 탭을 사이에 두고 마주보도록 배치되는, 이차 전지.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 열전 유닛은 상기 케이스 위로 배치되어 상기 열전 유닛을 고정시키는 지지체를 더 포함하는, 이차 전지.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 열전 유닛은 상기 지지체 내에 포함되거나 또는 상기 지지체 상에 부착된 열전 소자들을 포함하는 제3 열전 영역을 더 포함하는, 이차 전지.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제3 열전 영역은 평면 방향에서 상기 케이스 내에 포함된 상기 전극 탭의 부분을 덮는, 이차 전지.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 케이스는 상기 전극 탭과 융착된 씰링부를 포함하고, 상기 제3 열전 영역은 평면 방향에서 상기 씰링부를 덮는, 이차 전지.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 전극들 각각은 전극 집전체 및 상기 전극 집전체로부터 돌출되어 상기 전극 탭과 연결된 노칭부를 포함하고,
    상기 제3 열전 영역은 평면 방향에서 상기 노칭부를 적어도 부분적으로 덮는, 이차 전지.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 열전 유닛은 상기 열전 영역 상에 형성되어 상기 전극 탭 및 상기 열전 영역 사이에 배치되는 열전도성 중개층을 더 포함하는, 이차 전지.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 열전도성 중개층은 서멀 그리스(thermal grease) 또는 열 전달 페이스트(heat transfer paste)를 포함하는, 이차 전지.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 열전 소자는 P-N 다이오드를 포함하는, 이차 전지.
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