KR20230030195A - 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈 - Google Patents

이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR20230030195A
KR20230030195A KR1020210112118A KR20210112118A KR20230030195A KR 20230030195 A KR20230030195 A KR 20230030195A KR 1020210112118 A KR1020210112118 A KR 1020210112118A KR 20210112118 A KR20210112118 A KR 20210112118A KR 20230030195 A KR20230030195 A KR 20230030195A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
secondary battery
flame propagation
separator
electrode assembly
flame
Prior art date
Application number
KR1020210112118A
Other languages
English (en)
Inventor
박수한
이영환
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority to KR1020210112118A priority Critical patent/KR20230030195A/ko
Publication of KR20230030195A publication Critical patent/KR20230030195A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0463—Cells or batteries with horizontal or inclined electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K21/00—Fireproofing materials
    • C09K21/02—Inorganic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/654—Means for temperature control structurally associated with the cells located inside the innermost case of the cells, e.g. mandrels, electrodes or electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/383—Flame arresting or ignition-preventing means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/463—Separators, membranes or diaphragms characterised by their shape
    • H01M50/466—U-shaped, bag-shaped or folded
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10—Temperature sensitive devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 상기 이차전지는 전극 조립체를 구성하는 양극과 음극을 분리막이 개별적으로 실링된 구조를 가짐으로써 고온 노출 시 분리막의 수축을 보다 효과적으로 억제할 수 있으므로 분리막 수축으로 인한 내부 단락 및 이로 인한 이차전지의 폭발 또는 발화를 방지할 수 있다. 또한, 상기 이차전지는 전극 조립체의 외측면에 하나 이상의 화염전파 방지부를 구비하여 열 폭주 시 발생된 화염이 셀 내부 단계에서 차단되어, 화염이 전이되는 시간을 보다 길게 유도할 수 있으므로, 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈의 안전성이 보다 향상될 수 있다.

Description

이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈{SECONDARY BATTERY AND BATTERY MODULE CONTAINING THE SAME}
본 발명은 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도, 리튬 이차전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하다는 점에서, 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자 제품들의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 또한, 리튬 이차전지는, 그 형태에 따라 각형 전지, 파우치형 전지, 원통형 전지로 구분되기도 한다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩 또는 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지는 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 높다는 등의 장점이 있지만, 유기 전해액을 사용하기 때문에, 리튬 이차전지가 과충되면 과전류 및 과열을 유발하여 심한 경우 폭발이나 발화에 의한 화재가 발생할 수 있다.
또한, 복수의 이차전지 셀들이 적층된 배터리 모듈의 경우, 어느 하나의 이차전지 셀이 폭발하거나 발화하면 정상적으로 작동하는 다른 이차전지 셀로 화염이 전파되어 복수의 이차전지 셀들이 연쇄적으로 폭발하므로, 배터리 모듈이 장착된 장치에 손상이 발생할 수 있고 사용자가 안전사고의 위험에 노출될 수 있다.
도 1은 이차전지 셀 간의 화염 전파를 방지하기 위하여 제시된 종래의 배터리 모듈의 구조의 일례를 나타낸 개략도이다.
상기 종래의 배터리 모듈(1)은 복수개의 이차전지 셀(10)과, 각 이차전지 셀 사이에 위치하는 화염전파 방지부재(20)와, 모듈 케이스(11)를 포함한다.
상기 복수의 이차전지 셀(10) 중 어느 하나의 이차전지 셀에서 폭발 내지 발화가 발생하더라도, 상기 화염전파 방지부재(20)가 상기 이차전지 셀 사이에 위치하고 있으므로, 다른 이차전지 셀로 화염이 전파되는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 상기한 종래의 배터리 모듈은 각 이차전지 셀의 외부에 화염전파 방지부재가 설치되므로, 이차전지 셀 내부의 전극 조립체가 연소되는 것을 막을 수 없다. 즉, 셀 내부의 전극 조립체에서 발화가 발생하면 이차전지 셀 내부 단계에서는 화염전파를 차단할 수 없으므로, 전극 조립체 및 이를 감싸는 전지 케이스를 다 태울 때까지 어떠한 방해도 없이 이차전지 셀이 연소된다. 전극 조립체뿐 아니라 전지 케이스까지 타 버리는 등 이차전지 셀이 완전히 연소하면 연소 온도가 더욱 높아지고 폭발의 위험성이 커진다.
상기 종래의 배터리 모듈은 이차전지 셀과 이차전지 셀 사이에는 화염전파 방지부재가 설치되어 있으므로, 다른 셀로 화염이 전파되는 것을 일정 시간 지연시킬 수 있다. 하지만, 이차전지 셀 내부 단계에서부터 화염을 차단하지 않으므로 이차전지 셀 간 화염 전이 시간이 비교적 짧다. 복수개의 이차전지 셀 적층체가 수납되는 배터리 모듈에서 이차전지 셀이 발화되는 이른바 열 폭주 현상(thermal runaway) 발생시 화염전이 시간을 얼마나 줄일 수 있느냐가 배터리 모듈의 품질평가에서 중요한 요인이 된다. 화염전이 시간이 짧으면 개별 이차전지 셀 뿐만 아니라, 전체 배터리 모듈이 폭발할 위험이 커진다는 것을 의미하는 바, 종래의 배터리 모듈 구조는 이러한 화염전이 시간을 억제하는데 한계가 있었다.
이에, 본 발명자는 이차전지 셀 내부의 전극 조립체 외측면에 화염전파 방지시트를 설치하는 기술을 개발한 바 있다.
이에 의하면, 상기 이차전지 셀은 전극 조립체와 전지 케이스의 사이에 화염전파 방지시트가 배치되어 있어, 이차전지 셀의 열 폭주 시 화염을 이차전지 셀의 내부 단계에서부터 차단하므로, 화염이 전이되는 시간을 억제하여, 이차전지 셀 내지 배터리 모듈의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.
그러나, 상기 화염전파 방지시트는 규산염으로 구성된 규산염 시트로 이루어져 있었다. 상기 규산염은 돌가루의 일종이므로, 시트 형상으로 제조된 경우에, 돌가루 내지 작은 입자들이 시트로부터 탈락하는 문제가 있다
도 2는 상기 화염전파 방지시트로부터 미립자가 탈락되는 상태를 나타내는 도면이다. 바닥에 놓여진 규산염 시트를 손으로 문지르거나 테이프 등으로 문지르면 도 2와 같이 화염전파 방지시트로부터 규산염 돌가루들이 묻어나오는 것을 확인할 수 있다. 실제로 이차전지 셀의 전극 조립체는 예컨대 포메이션 공정이나 디개싱 공정 등에서 가스 제거 등을 위하여 반복적인 가압을 받는다. 이 경우 이차전지 셀의 전극 조립체 내에 화염전파 방지시트가 부착되어 있다면, 상기 화염전파 방지시트는 마치 손으로 비비는 듯한 마찰력을 받아 규산염(운모) 가루가 전지 케이스 내로 탈락할 수 있다.
이러한 입자들이 전지 케이스 내로 떨어져 나오면, 전해액이나 전극에 부착되어 전지 반응을 방해할 수 있다. 또는, 탈락 입자들이 혼입되어 전해액의 흐름성을 저해하거나, 전극 조립체의 양극이나 음극 등의 전극에 부착되어 전지 반응을 방해한다. 심한 경우에는 탈락한 입자에 의하여 분리막이 찢어질 수 있다. 이렇게 되면, 이차전지 셀에 단락을 일으키거나 저전압 특성을 떨어트리는 등 이차전지 셀 내에서 문제를 일으키고 셀의 수명을 저하시킬 수 있다.
한편, 전극 조립체에 복수의 양극과 복수의 음극이 교대로 적층되고, 양극과 음극 사이에는 분리막이 개재된다. 이때 상기 음극은 양극보다 넓은 면적을 갖도록 형성되고, 분리막은 양극과 음극의 단락을 방지하기 위해 양극 및/또는 음극보다 확장되어 제작된다. 그러나, 고용량의 이차전지는 충방전 과정에서 상당한 열이 발생될 수 있으며, 이로 인해 분리막이 수축될 수 있다. 수축된 분리막은 양극과 음극의 접촉을 발생시켜 내부 단락을 발생시킬 수 있는데, 이러한 내부 단락은 전지의 폭발 및 발화를 야기할 수 있으므로, 이차전지의 안전성 향상 측면에서 전극 조립체의 내부 단락 문제를 개선할 필요가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0094921호
이에, 본 발명의 목적은 이차전지가 고온에 노출되는 경우, 전극 조립체에 포함된 분리막의 수축을 방지하여 내부 단락 및 이로 인한 이차전지의 폭발 및/또는 발화를 억제하는 한편, 이차전지 셀의 폭발 내지 발화 시 발생하는 화염의 전파를 셀 내부 단계에서부터 차단 또는 지연시키면서도 화염전파 방지시트의 미립자 탈락이 방지되는 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈을 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
복수의 양극과 복수의 음극이 교대로 배치되고, 상기 양극과 음극 사이에 개별적으로 개재되는 복수의 분리막을 포함하는 전극 조립체;
상기 전극 조립체의 적어도 하나의 외측면에 설치되는 화염전파 방지부; 및
상기 전극 조립체 및 화염전파 방지부가 수용되는 전지 케이스를 포함하고,
상기 전극 조립체의 양극 및 음극은 각각 상면에 배치된 분리막과 하면에 배치된 분리막의 외주변이 접합되어 양극과 음극을 개별적으로 실링하는 실링부를 포함하는 이차전지를 제공한다.
이때, 상기 분리막의 평균 두께는 5㎛ 내지 50㎛일 수 있다.
또한, 상기 분리막은 접착 또는 열 융착에 의해 접합되어 실링부를 형성할 수 있다.
아울러, 상기 화염전파 방지부는 전극 조립체의 탭이 형성되는 면을 제외한 나머지 외측면 중 적어도 하나에 배치될 수 있다.
또한, 상기 전극 조립체는 복수개의 단위셀이 적층되어 구성되고, 적층된 단위셀과 단위셀 사이에 화염전파 방지부가 삽입될 수 있다.
이와 더불어, 상기 화염전파 방지부는 화염전파 방지시트를 포함하고, 상기 화연전파 방지시트는 상부와 하부에 각각 위치하는 분리막에 의해 실링될 수 있다.
또한, 상기 화염전파 방지시트는 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 규산염으로 구성된 규산염 시트일 수 있다.
구체적으로, 상기 화염전파 방지시트는 백운모, 펜자이트, 셀라도나이트, 파라고나이트, 마가라이트, 금운모, 흑운모, 애나이트, 철운모, 시데로필라이트, 클린토나이트, 리튬 백운모, 트릴리티오나이트, 폴리리티오나이트, 진왈다이트 및 태니올라이트 중 1종 이상을 포함하는 시트일 수 있다.
아울러, 상기 규산염 시트는, 규산염 전체 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 바인더를 함유하고, 상기 바인더는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리(에틸렌-프로필렌) 공중합체를 포함하는 폴리올레핀; 나일론을 포함하는 폴리아미드; 및 내열성 실리콘 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 화염전파 방지시트는 표면에 돌출부; 오목부; 또는 돌출부와 오목부가 반복적으로 형성된 소정의 패턴을 가질 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명에 따른 이차전지; 및 상기 이차전지가 수납되는 모듈 케이스를 포함하는 이차전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는 전극 조립체를 구성하는 양극과 음극을 분리막이 개별적으로 실링된 구조를 가짐으로써 고온 노출 시 분리막의 수축을 보다 효과적으로 억제할 수 있으므로 분리막 수축으로 인한 내부 단락 및 이로 인한 이차전지의 폭발 또는 발화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 이차전지는 전극 조립체의 외측면에 화염전파 방지부를 구비함으로써 이차전지의 열 폭주 시 발생된 화염이 셀 내부 단계에서 차단되어, 화염이 전이되는 시간을 보다 길게 유도할 수 있으므로, 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈의 안전성이 보다 향상될 수 있다.
나아가, 상기 이차전지는 전지 내부의 화염전파 방지시트로부터의 미립자 탈락이 방지되므로 셀 내부를 미립자가 오염시키는 일 없이 화염전파 방지시트에 의한 화염전파 억제 효과를 구현할 수 있다.
도 1은 이차전지 셀 간의 화염 전파를 방지하기 위한 종래의 배터리 모듈의 구조의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 화염전파 방지시트로부터 미립자가 탈락되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 이차전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 전극 조립체의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 화염전파 방지부의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 7은 스택형 구조를 갖는 전극 조립체의 화염전파 상태를 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 이차전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 화염전파 방지시트의 패턴을 나타낸 개략도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우 뿐만 아니라, 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이차전지
본 발명은 일실시예에서,
복수의 양극과 복수의 음극이 교대로 배치되고, 상기 양극과 음극 사이에 개별적으로 개재되는 복수의 분리막을 포함하는 전극 조립체;
상기 전극 조립체의 적어도 하나의 외측면에 설치되는 화염전파 방지부; 및
상기 전극 조립체 및 화염전파 방지부가 수용되는 전지 케이스를 포함하고,
상기 전극 조립체의 양극 및 음극은 각각 상면에 배치된 분리막과 하면에 배치된 분리막의 외주변이 접합되어 양극과 음극을 개별적으로 실링하는 실링부를 포함하는 이차전지를 제공한다.
도 3은 본 발명에 따른 이차전지(100)의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 이차전지(100)은 파우치형의 전지 케이스(130) 내에 전극 조립체(110)가 수납되고 전해액이 상기 전지 케이스(130) 내에 주액되어 상기 전극 조립체(110)가 상기 전해액으로 함침되는 구조로 되어 있다.
상기 전극 조립체(110)는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 또한 다양한 방식으로 적층될 수 있다. 양극-분리막-음극의 풀 셀(full cell)(모노셀) 1개가 전지 케이스에 수용된 모노셀 형태의 이차전지에 본 발명을 적용하는 것이 가능하다. 또한, 양극-분리막-음극의 순서로 배열되는 모노셀 또는 양극-분리막-음극-분리막-양극 혹은 음극-분리막-양극-분리막-음극 형태의 바이셀(bi-cell)과 같은 단위 셀(unit cell)들을 전지 용량에 맞게 다수개 적층시킨 스택형 구조를 가질 수 있다. 상기 전극 조립체(110)의 전극들로부터 다수의 전극 탭(T)들이 돌출되며, 이는 전극 리드(140)에 연결된다. 상기 전극 리드(140)는 외부로 노출되어 외부 기기에 연결되는 일종의 단자로서 전도성 재질이 사용될 수 있다. 전극 리드(140)는 양극 전극 리드와 음극의 전극 리드를 포함할 수 있다. 양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 이차전지(100)의 길이 방향에 대하여 서로 반대방향으로 배치될 수도 있고(이른바, 양방향 셀), 혹은 서로 동일한 방향에 배치될 수도 있다(이른바, 단방향 셀). 도 3은 양방향 이차전지(100)가 도시되어 있다.
본 발명의 전극 조립체(110)는 도 3과 같은 스택형 구조의 전극 조립체(110)일 수 있다. 혹은, 도시하지는 않았지만, 상기 전극 조립체(110)는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤형 전극 조립체, 혹은 젤리롤형과 스택형의 혼합 형태로서 풀셀 또는 바이셀을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트를 이용하여 권취한 구조의 스택 폴딩형 구조의 전극 조립체일 수도 있다.
또한, 상기 전극 조립체(110)는 양극(111)과 음극(112) 사이에 위치하는 분리막(113)이 인접한 분리막과 외주변이 접합된 구조를 가지며, 이에 의해 이들 사이에 있는 양극(111)과 음극(112)은 분리막(113)으로 둘러싸여 실링되며, 접합된 분리막 단부에는 실링부(114)가 마련될 수 있다.
여기서, 상기 실링은 전극 조립체의 탭이 형성되는 쪽의 측면을 제외한 나머지 외측면이 실링되는 것이 바람직하다. 전극 조립체의 탭이 형성되는 쪽의 측면은 전해액과 가스가 유동되는 통로이므로, 이 측면이 실링되며, 전기의 기본적인 기능이 저하될 수 있다.
아울러, 상기 분리막(113)은 양극(111)과 음극(112)의 표면을 덮고 각 전극의 둘레로 분리막(113)의 잉여부가 남을 정도의 큰 면적인 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 분리막(113)의 잉여부를 따라 분리막 간 접합을 구현함으로써 양극(111) 및 음극(112) 둘레로 각 전극들을 실링함과 동시에 분리막(113)을 고정시킬 수 있는 실링부(114)를 형성할 수 있다. 즉, 상기 실링부(114)는 이차전지(100)의 고온 노출 시, 분리막(113)의 단부를 고정하는 역할을 수행하며, 이에 따라 분리막(113)이 수축하는 것을 억제할 수 있다.
이를 위하여, 상기 실링부(114)는 고온에서의 분리막(113) 수축을 억제하기 위하여 양극(111) 및/또는 음극(112)의 전체 면적에 대하여 5% 이상의 면적율을 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 5~20%, 5~15%, 5~10%, 10~20%, 11~19% 또는 8~14%일 수 있다. 본 발명은 실링부(114)의 면적을 상기 실링된 양극(111) 및/또는 음극(112)의 전체 면적에 대하여 상기 면적율을 만족하도록 함으로써 고온 노출 시 전극 둘레로 분리막(113)의 고정을 보다 공고히 하여 분리막(113)의 수축을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 분리막(113)의 평균 두께는 5㎛ 내지 50㎛일 수 있으며, 구체적으로는 10㎛ 내지 40㎛; 20㎛ 내지 30㎛; 또는 17㎛ 내지 28㎛일 수 있다.
아울러, 상기 분리막(113)은 분리막 접합 시 당업계에서 적용하는 접착 수단을 사용하거나 열을 가하여 융착시킴으로써 실링부를 형성할 수 있다.
하나의 예로서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 분리막(113)은 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로오스, 재생 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 및 아크릴계 공중합체 등을 함유하는 접착제 등의 수단(115)을 이용하여 실링부(114)를 형성할 수 있다.
다른 하나의 예로서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 분리막(113)은 고온 조건 하에서 분리막의 외주변을 가압하여 열 융착시킴으로써 실링부(114)를 형성할 수 있다.
또한, 상기 전극 조립체(110)는 적어도 하나의 외측면에 화염전파 방지부(120)를 배치된다. 본 명세서에서 화염전파 방지부(120)란 예컨대 복수개의 이차전지가 삽입된 배터리 모듈이나 배터리 팩에 있어서, 하나의 이차전지에서 발화가 발생하였을 경우, 그 발화에 의한 화염이 다른 이차전지 셀로 전달되는 것을 방지하는 시트형 부재를 의미한다. 또한, 상기 화염전파 방지부(120)는 시트 형상의 부재이므로, 종래의 화염방지망과 같이 구멍을 포함하지 않고 예컨대 운모 등과 같은 결정질의 규산염 광물 등으로 촘촘하게 속이 채워져 있는 원단 개념의 시트를 구성하므로, 화염을 보다 효과적으로 차단할 수 있다.
아울러, 본 발명의 화염전파 방지부(120)는 이차전지(100)의 강성을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 상기 화염전파 방지부(120)가 전극 조립체 상에 설치되면, 후술하는 바와 같이, 이차전지(100)의 임팩트 시험의 경우에 이차전지 셀의 눌림 폭을 줄이고 전지 케이스(130) 내의 전극 조립체(110)를 보호 및 보강하는 역할을 한다. 본 발명의 화염전파 방지부(120)는 전지 케이스(130) 내에 설치는 것이므로, 복수개의 이차전지(100)가 함께 설치되는 경우는 물론, 단일의 이차전지(100)로 전기 기기의 전원 등으로 채용되는 경우에도 보다 강고한 강성을 구비한다는 점에서 독립적인 기술적 의미를 가지는 것이다.
또한, 본 발명의 화염전파 방지부(120)는 화염전파 방지시트(121)와 상기 화염전파 방지시트(121)를 둘러싸는 분리막(113)을 포함한다.
상기 화염전파 방지시트(121)는 예컨대 과전류나 열 폭주에 의하여 이차전지 셀 내에서 화염이 발생한 경우, 이 화염이 이차전지 셀 내의 다른 부분, 혹은 인접한 다른 이차전지 셀로 전파되는 것을 방지하는 기능을 수행한다. 따라서, 상기 화염전파 방지시트(121)는 화염을 차단할 수 있는 내열성과 단열성을 겸비한 재질의 것을 채용할 수 있다. 그 중에서도 본 발명의 화염전파 방지부(120)에 포함되는 화염전파 방지시트(121)는 내열성과 단열성을 겸비한 규산염 시트인 것이 바람직하다.
본 발명에서 언급되는 규산염 시트는 규산염으로 구성되는 것으로서, 전지 케이스 내에서 방염 및/또는 난연 효과를 구현하는 기능을 수행한다. 이때, 상기 규산염은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있으나, 구체적으로는 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 것을 사용할 수 있다.
일반적으로 규산염은 규산의 수소가 다른 금속 원자와 치환된 중성염을 의미하는데, 본 발명에서는 방염 및/또는 난연 효과를 구현하기 위하여 수소 자리에 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 등의 원소가 치환된 것을 사용할 수 있으며, 특히 방염성을 위하여 층상형의 규산염을 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 규산염으로는 백운모, 펜자이트, 셀라도나이트, 파라고나이트, 마가라이트, 금운모, 흑운모, 애나이트, 철운모, 시데로필라이트, 클린토나이트, 리튬 백운모, 트릴리티오나이트, 폴리리티오나이트, 진왈다이트 및 태니올라이트 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 화염전파 방지시트(121)는 운모를 포함하는 운모 시트를 포함할 수 있다.
운모는 화강암을 구성하는 조암 물질 중 하나로서 우수한 전기 절연성을 가지고 있으며, 가열 시 물성의 변화가 매우 적은 특성을 갖는다. 상기 운모는 500~1000℃의 고온에서도 우수한 절연 저항을 가진다. 또한 운모는 우수한 난연성을 가지며, 연소 또는 가열 시에 연기가 발생하지 않는 특성을 가진다. 이러한 특성들로 인하여 이차전지의 전지 케이스 내에 운모를 포함하는 운모 시트를 설치함으로써, 이차전지 셀 내부의 열 폭주 나아가서는 이차전지 셀 간의 열 폭주의 전파를 방지 내지 지연할 수 있다.
또한, 상기 화염전파 방지시트(121)는 규산염, 예컨대 운모를 시트 형상으로 제조하기 위해서, 주성분인 스크랩 운모 또는 분쇄 운모를 바인더(예컨대, 내열성 실리콘)와 혼합하여 큰 판상으로 성형한 후 적당한 길이로 잘라 전극 조립체의 크기에 맞는 시트 형상으로 제조할 수 있다. 그러나, 운모 시트의 제조방법은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에서 통상적으로 알려진 기술에 따라 다양한 방법으로 운모 시트를 제조할 수 있다.
여기서, "주성분으로 한다"란 대상 성분이 물질의 전체 100 중량부에 있어서 60 중량부 이상, 70 중량부 이상, 80 중량부 이상, 85 중량부 이상, 90 중량부 이상, 95 중량부 이상, 98 중량부 이상, 또는 99 중량부 이상으로 포함됨을 의미할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 화염전파 방지시트(121)는 규산염 전체 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 바인더를 함유할 수 있다.
또한, 상기 시트에 포함되는 바인더는 규산염에 대하여 부착력이 우수한 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리(에틸렌-프로필렌) 공중합체를 포함하는 폴리올레핀; 및 나일론을 포함하는 폴리아미드, 내열성 실리콘 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 화염전파 방지시트(121)는 제조 시, 판상 운모 등을 파쇄하여 얻어지는 스크랩 운모나 분쇄 운모 가루를 바인더를 혼합하고 열과 압력을 가하여야 한다. 그러나, 운모의 경우 미끄럼(slip)이 좋은 판상 입자를 이루므로 잘 부스러질 수 있으며, 규산염 시트로 가공하는 과정에서 너무 작은 입자로 분쇄된 관계로, 손으로 비비는 것만으로 시트로부터 작은 입자가 탈락하는 경향이 있다.
이러한 화염전파 방지시트(121)가 전극 조립체(110) 내에 부착된 상태에서, 예컨대 포메이션 공정이나 디개싱 공정 등에서 가스 제거 등을 위하여 반복적인 가압을 받으면, 화염전파 방지시트가 마치 손으로 비비는 듯한 마찰력을 받아 규산염(운모) 가루가 전지 케이스 내로 탈락할 수 있다(도 2 참조). 탈락된 규산염 가루는 이물로 작용하여 전해액에 혼입하여 전해액의 흐름성을 떨어뜨리거나, 전극이나 분리막에 부착하여 손상이나 결함을 유발할 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 이차전지는 화염전파 방지시트(121)의 표면을 분리막으로 둘러싸서 실링함으로써 이를 방지할 수 있다.
구체적으로, 도 3의 확대도를 참조하면, 화염전파 방지시트(121)가 상부와 하부의 분리막(113)에 의하여 덮여 실링되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 화염전파 방지시트(121)를 그와 동일한 면적의 분리막(113)으로 상부와 하부에서 덮고 고온·고압으로 융착시키거나 접착 수단 등을 사용하여 부착하면 화염전파 방지시트(121)의 표면이 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의하여, 화염전파 방지시트(121)로부터 입자가 탈락되는 것을 방지할 수 있다. 분리막(113)은 화염전파 방지시트(121)가 노출되는 시트 상부면만을 덮어 실링될 수 있다. 다만, 입자 탈락을 보다 확실하게 방지하기 위한 측면에서는, 도 3과 같이 화염전파 방지시트(121)의 상부 및 하부에 각각 위치하는 분리막(113)으로 모두 덮어 밀봉하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 화염전파 방지시트(121)가 분리막(113)에 의해 실링되는 예시를 나타내는 개략도이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 화염전파 방지시트(121), 구체적으로 운모 시트는 상하 2장의 분리막(113) 사이에 놓여져 실링된다. 본 실시예에서는 분리막(113)은 적어도 상기 화염전파 방지시트(121)를 완전히 덮고 그 테두리부가 남을 정도의 면적이어야 한다. 즉, 상기 분리막(113)은 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 화염전파 방지시트(121)를 덮고 시트 둘레로 분리막의 잉여부가 남을 정도의 큰 면적인 것이 좋다. 이 경우에는 상기 분리막 잉여부(S1)를 따라 열을 가하는 열 융착공정에 의하여 화염전파 방지시트(121)를 분리막(113) 사이에 용이하게 실링할 수 있으며, 이에 따라, 분리막(113) 단부에 실링부(114)가 형성될 수 있다. 이와 같은 열 융착공정에 의해서 화염전파 방지시트(121)는 4측면이 모두 분리막(113)에 의하여 완전하게 감싸져 실링되므로, 입자 탈락을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 분리막(113)을 화염전파 방지시트(121)에 접착 또는 열 융착 시에는 열 등을 가함과 동시에 소정의 압력으로 분리막(113)을 화염전파 방지시트(121)에 대하여 가압하여 보다 확실하게 분리막(113)을 시트(121)에 부착할 수 있다.
이때, 상기 화염전파 방지부(120)의 크기는 화염 전파 방지를 위하여 또한 전극 조립체(110) 보호의 측면에서 전극 조립체(110)의 표면을 거의 혹은 완전히 덮는 것이 바람직하다. 또한, 화염전파 방지시트(121)의 두께는 사용되는 전극 조립체(110)의 두께에 비례하여 적절한 것을 사용할 수 있다. 예컨대, 스택형 구조의 전극 조립체(110)를 사용할 경우, 대략 0.1~1mm 정도 두께의 시트를 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 전극이나 전지 규격에 따라 그보다 두껍거나 얇은 두께의 시트를 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 화염전파 방지시트(120)는 전극 조립체(110)의 표면을 거의 혹은 완전히 덮는 것이 좋다. 따라서, 도 4와 같이, 화염전파 방지시트(121)보다 큰 잉여부를 가지는 분리막(113)은 상기 전극 조립체에 적층되어 단위셀을 구성하는 분리막의 크기보다 클 수 있다. 즉, 화염전파 방지시트(121)를 덮는 분리막(113)은 전지 반응에 기여하지 않으므로, 전극 조립체(110)를 구성하는 분리막보다 큰 크기를 가져도 된다.
상기 분리막(113)은 전극 제조 시 쉽게 구할 수 있는 재료로서, 양극(111) 및 음극(112) 등 다른 셀 내 부재와의 관계에서 이차전지 셀(100) 내에서 안전하게 사용 가능한 것으로 검증이 완료된 부재이다. 또한, 분리막(113)으로 사용되는 재료들은 적당한 온도(예컨대 150~250℃)를 가하여 열 융착이 가능하다. 따라서, 본 발명에서는 분리막(113)으로 화염전파 방지시트(121)를 덮어서 실링하고 있다.
화염전파 방지시트(121)를 덮어 실링하는 분리막(113)으로서는 통상 사용되는 분리막 재료를 사용할 수 있다. 즉, 상기 분리막은 리튬 이차전지에서 사용되는 다공성 기재로서, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane)을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다. 상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50 ㎛, 구체적으로는 10 내지 40 ㎛; 또는 20 내지 30 ㎛일 수 있다.
분리막(113)에 의해 실링된 화염전파 방지부(120)는 상기 전극 조립체(110)의 탭(T)이 형성되는 쪽의 측면을 제외한 나머지 외측면 중 적어도 하나에 설치되는 것이 바람직하다. 전극 조립체(110)의 탭(T)이 형성되는 쪽의 측면은 전해액 및 가스가 유동되는 통로이기 때문에, 이 측면에 화염전파 방지부(120)가 설치되면, 전지의 기본적인 기능을 저해할 수 있다. 따라서, 스택형 구조의 전극 조립체(110)의 탭(T)이 설치된 길이 방향 양측면, 스택 폴딩형 구조의 전극 조립체의 탭이 설치된 쪽의 측면, 젤리롤형 전극 조립체의 탭이 연결되는 나선형상의 측면을 제외한 나머지 외측면에 화염전파 방지부(120)를 설치하는 것이 바람직하다.
상기 화염전파 방지부(120)는 전극 조립체(110)를 보호하기 위해 전극 조립체에 접촉될 수도 있으나, 다른 층을 개재하여 전극 조립체 상에 적층될 수도 있다. 도 3과 같이, 상기 화염전파 방지부(120)는 상기 전극 조립체(110)의 상부면 및 하부면 모두에 적층되거나 혹은 상부면 및 하부면의 어느 한 면에 적층될 수 있다. 경우에 따라서, 상기 전극 조립체(110)의 양측면에도 적층될 수 있다.
상기 전지 케이스(130)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 파우치형의 전지 케이스가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 원통형 캔, 각형 캔 형태의 케이스가 모두 사용될 수 있다. 파우치형의 전지 케이스는 수지와 알루미늄이 적층된 알루미늄 라미네이트 필름으로 이루어져 있다. 상기 알루미늄 라미네이트 필름은 열 폭주에 의한 전지(전극 조립체)의 발화시 열 차단기능이 현저하게 떨어져서 녹아버린다. 또한, 알루미늄 라미네이트 필름이 탈 때에 유독가스가 발생하고 전극 조립체 외에 추가적인 재료(전지 케이스)까지 연소하므로, 연소 온도도 더 높아지게 된다. 또한, 원통형 캔이나 각형 캔 형태의 전지 케이스는 금속 캔으로 되어 있으므로, 열 폭주시 열 전파의 문제는 파우치형 이차전지 셀보다는 덜 심각하지만 안전성의 관점에서 역시 열 폭주 시 열 전파를 방지 내지 지연시킬 필요가 있다. 상기 화염전파 방지부(120)는 이상적으로 열 폭주 시, 열 내지 화염의 전파를 완전히 차단하는 것이 좋겠지만, 그것이 불가능한 경우에도 최대한 그 전파를 지연시키는 것이 중요하다. 배터리 모듈은 복수개의 이차전지 셀이 적층되어 구성되므로, 개개의 이차전지 셀에서 수초 내지 수십초라도 화염 전파를 지연시키면 전체 배터리 모듈 단위에서는 수분 이상 화염전파를 지연시킬 수 있다. 이러한 화염전파 지연특성은 발화, 특히 폭발방지 혹은 폭발시간의 최대 지연과 관련되는 중요한 특성이다.
도 7는 스택형 구조의 전극 조립체의 화염전파 상태를 나타내는 개략도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 전극 조립체(110)의 스택층을 예컨대 상부(X파트)와 하부(Y파트)로 구분하였을 경우, X파트의 일부에 화염이 발생하였을 경우, 이 화염은 상기 전극 조립체(110) 내에서 아무런 방해를 받지 않고 전극 조립체의 상부 및 하부 끝단까지 진행한다. 따라서, 도 7과 같이, 전극 조립체(110)의 상부면 및 하부면에 분리막(113)으로 실링된 화염전파 방지부(120)를 설치한다 하더라도, 당해 전극 조립체(110) 외부로의 화염 확산을 차단할 수 있을 뿐, 전극 조립체(110) 내부로의 화염 확산을 방지할 수는 없다. 이렇게 되면, 고용량을 위하여 다단으로 고스택화한 전극 조립체(110)가 그 일부 단위셀의 발화로 인하여 전체가 연소되어 소모되어 버린다. 또한, 고스택의 전극 조립체 전체가 연소되면, 연소 범위가 확대되고 연소 온도도 상승하여 화염 전파를 억제하기 곤란해질 수 있다.
도 8은 상기와 같은 문제를 해소하기 위한 본 발명의 다른 실시예의 이차전지 셀의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 8을 참조하면, 전극 조립체(110)의 중간에 위치한 단위셀(모노셀(M))과 단위셀(M) 사이에 화염전파 방지부(120)가 적층되어 있다. 상기 단위셀은 양극-분리막(113)-음극-분리막(113)의 층 구성을 가지고 있다. 즉, 화염전파 방지부(120)를 중심으로 상부인 X파트에 소정 개수의 단위셀이 적층되고, 하부인 Y파트에 소정 개수의 단위셀이 적층된다. 예컨대 X파트에 과열에 의한 화염이 발생하는 경우, X파트의 상단으로 화염이 전파될 수 있다. 그러나, X파트와 Y파트의 단위셀 사이에 화염전파 방지부(120)가 위치하므로, X파트에서 발생한 화염은 Y파트로는 전파되지 않는다. 또는 화염이 전파되는 경우에도 우선 X파트로 화염이 먼저 전파되고, 다음에 Y파트로 화염이 전파된다. 다시 말하면, 상기 화염전파 방지부(120)는 일종의 배리어 역할을 수행하며 화염의 전파를 차단하고, 화염 전파 시에도 순차적으로 발화를 유도하는 기능을 행한다. 이에 의하여, 발화가 Y파트로 진행되는 경우에도 순차적으로 발화가 진행되므로, 급속도로 전극 조립체 전체가 발화되는 것을 방지하고, 전체적인 화염 전파 시간을 지연시킬 수 있어 이차전지 셀의 안전성이 향상된다.
상기 화염전파 방지부(120)는 적층된 단위셀의 대략 중간부분에 위치하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라, 전극 조립체(110)의 상부 또는 하부에 가까운 위치의 단위셀 사이에 배치가 가능하다.
어떤 위치에 자리하더라도 상기 화염전파 방지부(120)는 그 시트를 기준으로 상부 또는 하부로의 화염전파를 억제할 수 있다. 또한, 설치되는 화염전파 방지부의 개수도 1개로 한정되지 않는다. 적층되는 단위셀의 개수에 따라서 2개 이상 복수개로 스택 구조의 전극 조립체의 적절한 위치에 배치할 수 있다. 다만, 화염전파 방지부가 배치되면, 그 시트부를 기준으로 하여 상부나 하부 또는 상하부의 단위셀이 전지로서의 충방전 기능을 행할 수 없게 된다. 따라서, 가능하면 전극 조립체 내의 화염전파 방지부의 개수는 적게 배치하는 것이 바람직하다. 다시 말하면 화염전파 방지부의 설치 위치, 개수는 전지 용량과 안전성 등을 고려하여 가장 적합한 범위 내에서 결정하는 것이 바람직하다.
한편, 도 8에 도시된 전극 조립체(110)는 상부와 하부가 대칭 구조를 이루는 단위셀(모노셀)로 배치하되, 그 대칭구조 사이의 하프셀(H1)의 일부분에 화염전파 방지부(120)를 배치하여 충방전에 기여하지 못하는 단위셀의 부분을 최소화하고자 한 것이다.
본 실시예의 화염전파 방지부(120)는 단위셀 사이에만 위치하는 것이 아니라, 특정 단위셀(M)과 단위셀(M) 사이에 위치한 다른 단위셀의 일부인 분리막(113)이나 양극 또는 음극을 대체하여 적층될 수 있다. 요컨대, 전지 용량과 안전성을 비교형량하여 적절한 위치에 화염전파 방지부를 설치할 수 있다. 도 8을 참조하면, 상기 화염전파 방지부(120)는 하프셀(H1)의 음극 상부에 위치한 분리막(113)을 대신하여 적층되어 있다. 특히, 본 발명의 화염전파 방지부(120)는 분리막으로 이미 실링되어 있으므로, 하프셀(H1)이나 모노셀(M) 등의 단위셀의 일부, 특히 그 분리막을 대체하여 상기 화염전파 방지부(120)를 적층하는데 무리가 없다.
본 발명의 화염전파 방지시트(121)는 분리막(113)에 의하여 실링되어 있다. 따라서, 본 실시예와 같이, 전극 조립체(110)의 적층된 단위셀(M) 사이에 설치되어 있더라도, 운모 시트 등으로부터 입자가 탈락되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 화염전파 방지부(120)는 본 실시예의 경우에 특히 더 적합한 의미를 가진다.
한편, 도 8에 나타난 바와 같이, 화염전파 방지부(120)를 전극 조립체의 상면 또는 하면, 그리고 적층된 전극 조립체(110) 내부에 설치하면 화염전파 방지 효과는 극대화된다. 하지만, 화염전파 방지부(120)가 설치되면 전지 반응에 참여하지 못하는 단위셀이 증가하게 되므로, 화염전파 방지부의 설치 개수는 이러한 점을 고려하여 신중히 결정하여야 할 것이다.
도 9는 본 발명의 화염전파 방지시트(121)의 패턴을 나타내는 개략도이다.
도 9의 (a)는 화염전파 방지시트(121)의 평면형상을, 도 9의 (b)는 화염전파 방지시트(121)에 분리막(113)이 코팅된 화염전파 방지부(120)의 측면 형상을 도시하고 있다.
도 9를 참조하면, 상기 화염전파 방지시트(121)는 표면에 소정 패턴을 형성한 것을 사용할 수 있다. 즉, 예컨대 운모 시트를 사용하는 경우, 운모는 길이 방향으로 쪼개지는 성질이 있으므로, 운모 시트의 강도 향상을 위하여 표면에 돌출부, 오목부, 또는 돌출부 및 오목부가 반복되는 형태의 패턴을 형성할 수 있다. 도 9의 (a)에는 이러한 패턴의 형태로서 사각 형태 (A)가 반복되거나 스트라이프 형태 (B)가 시트의 길이 방향으로 형성된 예를 도시하고 있으나, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 9의 (b)와 같이 돌출부(a), 오목부(b), 또는 돌출부(a) 및 오목부(b)가 반복되는 형태로 패턴을 구성하면, 화염전파 방지시트(113)의 표면적이 증가하여 열 폭주시 방열 면적을 증가시킬 수 있다. 도 9와 같이, 화염전파 방지시트(121) 상에 오목부(b)나 돌출부(a)가 형성되는 경우에 오목부(b) 등으로부터 입자들이 탈락될 가능성이 더 높아질 수 있다. 본 발명은 분리막(113)로 시트(121)를 실링하고 있으므로, 시트 상에 복잡한 패턴을 형성하더라도 입자들이 탈락되는 것을 방지할 수 있다. 도 9에서는 화염전파 방지시트(121)의 상부면에만 패턴이 형성된 것을 도시하고 있으나, 필요에 따라 상부면과 하부면에도 각각 패턴을 형성할 수 있다. 도 9의 (b)를 참조하면, 분리막(113)이 화염전파 방지시트(121)에 가압하여 열 융착되는 경우를 상정하여 분리막(113)의 표면 형상이 화염전파 방지시트(121)의 표면 형상에 부합하게 오목부(b) 및 돌출부(a) 형상을 따라 형성되는 것이 도시되어 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 상술된 구성을 가짐으로써 고온 노출 시 분리막의 수축을 보다 효과적으로 억제할 수 있으므로 분리막 수축으로 인한 내부 단락 및 이로 인한 이차전지의 폭발 또는 발화를 방지할 수 있다. 또한, 상기 이차전지는 열 폭주 시 발생된 화염이 셀 내부 단계에서 차단되어, 화염이 전이되는 시간을 보다 길게 유도할 수 있으므로, 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈의 안전성이 보다 향상될 수 있다.
이차전지 모듈
또한, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명의 이차전지; 및
상기 이차전지가 수납되는 모듈 케이스를 포함하는 이차전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈은 본 발명의 이차전지를 구비하는 구성을 가짐으로써 고온 노출 시 안전성이 우수하므로, 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다. 이러한 중대형 디바이스의 구체적인 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기 자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(Escooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있고, 좀더 구체적으로는 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~2 및 비교예 1~2.
양극 및 음극을 각각 40개씩 준비하고, 상기 양극 및 음극보다 넓은 분리막(가로 9.5㎝ Х 세로 34.5㎝, 평균 두께: 약 20㎛)을 120개 준비하였다. 그런 다음, 분리막-음극-분리막-양극-분리막의 스택용 단위셀을 40개 적층한 스택형 전극 조립체가 내장된 가로 10㎝ Х 세로 35㎝ Х 두께 1.6㎝의 파우치형 이차전지 셀을 제작하였다. 이때, 상기 분리막은 다공성 폴리에틸렌으로 된 분리막을 사용하였으며, 150℃의 온도로 외주변을 열 융착하여 양극과 음극을 밀봉시키는 실링부를 마련하였다. 상기 실링부의 음극 대비 면적률은 하기 표 1에 나타내었다.
또한, 제작된 이차전지 셀들은 화염전파 방지부를 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 배치하였다:
- 위치 ①: 적층된 전극 조립체 중 1번째 및 40번째로 적층된 전극 조립체의 외측면 (이차전지 셀 내부, 도 7의 구조),
- 위치 ②: 적층된 전극 조립체 중 1번째 및 40번째로 적층된 스택형 전극 조립체의 외측면과 19번째 및 20번째로 전극 조립체의 사이 (이차전지 셀 내부, 도 8의 구조), 또는
- 위치 ③: 전지 케이스 외측 상면 및 하면 (이차전지 셀 외부).
상기 화염전파 방지부는 백운모와 리튬 백운모(1wt./1wt.)를 합쳐서 100중량부로 한 규산염 분쇄 파우더를 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌(1mol%/mol%)을 합계로 10중량부로 한 바인더와 혼합하여 시트 형상으로 가공하고 이를 전극 조립체의 크기와 동일하게 절단한 운모 시트(평균 두께: 0.2㎜)를 화염전파 방지시트로 사용하였다. 또한, 상기 화염전파 방지부는 상기 운모 시트(121)의 상부와 하부에 다공성 폴리에틸렌 분리막을 150℃의 온도로 열 융착하여 제조하였다.
음극 대비 실링부 면적률 [%] 화염전파 방지부 위치
실시예 1 10% 위치 ①
실시예 2 10% 위치 ②
비교예 1 3% 위치 ①
비교예 2 10% 위치 ③
실험예.
본 발명에 따른 이차전지의 성능을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
가) 분리막의 고온 수축률 평가
실시예 및 비교예의 이차전지 셀들을 150℃로 가열된 오븐에 20초 동안 방치시켰다. 이후 시편을 회수 및 분해하여 전극 조립체에 구비된 분리막의 오븐에 방치하기 전 가로 및 세로 길이(가로 9.5㎝ Х 세로 34.5㎝) 대비 방치 후 가로 및 세로의 길이 변화를 측정하고, 이들의 평균값을 분리막의 수축율로 산출하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
나) 3P 전파 시험
실시예 및 비교예의 이차전지 셀을 각각 3개씩 준비하고, 준비된 각 이차전지 셀의 SOC가 100%가 되도록 충전하였다. 준비된 3개의 이차전지 셀을 카트리지 타입의 모듈로 모사된 3P 전파 테스트 장치 내에 적층되도록 장착하였다. 이때, 상기 3P 전파 테스트 장치는 모듈 내에서의 이차전지 셀의 가압 구조를 상정하여 적층된 이차전지 셀의 상부와 하부에 소정 두께를 갖는 알루미늄판을 볼트로 체결하여 이차전지 셀들을 가압하도록 마련되었다. 또한, 상부와 하부의 알루미늄판과 이차전지 셀 사이; 및 적층된 이차전지 셀의 사이에 알루미늄 냉각판을 구비하였다. 최하단의 이차전지 셀과 알루미늄판 사이에 히팅 패드((주)핫코우사 제조 실리콘 히터, SBH2012)를 설치하고, 상기 히팅 패드를 발열시켜 7℃/min의 승온 속도로 이차전지 셀을 가열하여 열 폭주를 유도하였다.
히팅 패드의 승온이 시작되어, 장치의 하단에 위치하는 1번째 이차전지 셀의 발화로부터 2번 이차전지 셀을 거쳐 3번째 이차전지 셀의 발화까지 소요되는 시간을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
다) 임팩트 시험
앞서 3P 전파 시험과 동일하게 실시예 및 비교예에서 제작된 이차전지 셀들을 3개씩 준비하여 적층시키고 SOC 100%로 충전하였다. 그런 다음, 준비된 이차전지 셀들을 대상으로 UN1642DL 임팩트 인증 규격에 따른 이차전지 충격 시험을 수행하였다. 이때, 사용된 추의 무게는 9kg이었으며, 이차전지 셀에 놓여진 직경 16㎜의 환봉 상에 낙하시킴으로써 실험을 수행하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
분리막
수축률		 3P 전파 시험 임팩트 시험
1st 셀의 발화 소요시간 2nd 셀까지의 발화 소요시간 3rd 셀까지의 발화소요시간 환봉 평균 눌림폭
(mm)		 발화
여부
실시예 1 < 5% 32초 98초 176초 7.2 Х
실시예 2 < 5% 34초 110초 199초 6.8 Х
비교예 1 > 10% 27초 86초 153초 7.2 Х
비교예 2 4~7% 29초 74초 124초 14.1 ○
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 고온에서의 안전성이 우수한 것을 알 수 있다.
구체적으로, 실시예의 이차전지는 고온에서의 분리막 수축률이 5% 미만인 것으로 나타났으며, 3P 전파 시험 시 3개의 모든 셀이 발화되는데 160초 이상의 시간 소요되는 것으로 확인되었다. 또한, 실시예의 이차전지들은 임팩트 시험 시 평균 눌림폭이 8mm 미만이고 발화가 발생하지 않는 것으로 나타났다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 이차전지는 양극과 음극을 분리막이 개별적으로 실링된 구조의 전극 조립체를 포함하고, 상기 전극 조립체의 외측면에 화염전파 방지부를 구비함으로써, 인접한 이차전지 셀로의 화염전파를 크게 억제할 수 있을 뿐 아니라, 단일 이차전지 셀로 사용될 경우 등에도 전지 케이스 자체를 두껍게 할 필요 없이 상기 화염전파 방지시트부에 의하여 외부 충격으로부터 이차전지 셀을 안전하게 보호할 수 있으므로, 전체적인 셀 안전성이 현저하게 향상된다는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
1: 이차전지 모듈
10 및 100: 이차전지
11: 모듈 케이스
20: 화염전파 방지부재
110: 전극 조립체
111: 양극
112: 음극
113: 분리막
114: 실링부
115: 접착수단
120: 화염전파 방지부
121: 화염전파 방지시트
130: 전지 케이스
140: 전극 리드
T: 전극 탭
X: 전극 조립체의 상부 파트
Y: 전극 조립체의 하부 파트
M: 단위셀 또는 모노셀
H1: 하프셀
A: 사각형상 돌출부
B: 스트라이프 형상 돌출부
a: 돌출부
b: 오목부

Claims (11)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체의 적어도 하나의 외측면에 설치되는 화염전파 방지부; 및
    상기 전극 조립체 및 화염전파 방지부가 수용되는 전지 케이스를 포함하고,
    상기 전극 조립체의 양극 및 음극은 각각 상면에 배치된 분리막과 하면에 배치된 분리막의 외주변이 접합되어 양극과 음극을 개별적으로 실링하는 실링부를 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    분리막의 평균 두께는 5㎛ 내지 50㎛인 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    분리막은 접착 또는 열 융착에 의해 접합되어 실링부를 형성하는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    화염전파 방지부는 전극 조립체의 탭이 형성되는 면을 제외한 나머지 외측면 중 적어도 하나에 배치되는 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    전극 조립체는 복수개의 단위셀이 적층되어 구성되고,
    적층된 단위셀과 단위셀 사이에 화염전파 방지부가 삽입되는 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    화염전파 방지부는 화염전파 방지시트를 포함하고,
    상기 화연전파 방지시트는 상부와 하부에 각각 위치하는 분리막에 의해 실링되는 이차전지.
  7. 제6항에 있어서,
    화염전파 방지시트는 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 규산염으로 구성된 규산염 시트인 이차전지.
  8. 제6항에 있어서,
    화염전파 방지시트는 백운모, 펜자이트, 셀라도나이트, 파라고나이트, 마가라이트, 금운모, 흑운모, 애나이트, 철운모, 시데로필라이트, 클린토나이트, 리튬 백운모, 트릴리티오나이트, 폴리리티오나이트, 진왈다이트 및 태니올라이트 중 1종 이상을 포함하는 이차전지.
  9. 제7항에 있어서,
    규산염 시트는, 규산염 전체 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 바인더를 함유하고,
    상기 바인더는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리(에틸렌-프로필렌) 공중합체를 포함하는 폴리올레핀; 나일론을 포함하는 폴리아미드; 및 내열성 실리콘 중 1종 이상을 포함하는 이차전지.
  10. 제6항에 있어서,
    화염전파 방지시트는 표면에 돌출부; 오목부; 또는 돌출부와 오목부가 반복적으로 형성된 소정의 패턴을 갖는 이차전지.
  11. 제1항에 따른 이차전지; 및 상기 이차전지가 수납되는 모듈 케이스를 포함하는 이차전지 모듈.
KR1020210112118A 2021-08-25 2021-08-25 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈 KR20230030195A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210112118A KR20230030195A (ko) 2021-08-25 2021-08-25 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210112118A KR20230030195A (ko) 2021-08-25 2021-08-25 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230030195A true KR20230030195A (ko) 2023-03-06

Family

ID=85509572

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210112118A KR20230030195A (ko) 2021-08-25 2021-08-25 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230030195A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190094921A (ko) 2018-02-06 2019-08-14 주식회사 엘지화학 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190094921A (ko) 2018-02-06 2019-08-14 주식회사 엘지화학 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102072098B1 (ko) 안전성이 향상된 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩
KR102461577B1 (ko) 이차전지 모듈
EP3223357B1 (en) Secondary battery module having a cooling plate
KR20180088467A (ko) 리튬 이온 배터리용 로우 프로파일 압력 차단 장치
JP7206423B2 (ja) 安全性改善用ターミナルバスバー、それを含むバッテリーモジュール及びバッテリーパック
KR101772800B1 (ko) 이차전지
JP5175453B2 (ja) フィルム外装電気デバイス
KR102080017B1 (ko) 과충전시 안전성 확보를 위한 리드 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지
KR20140137603A (ko) 파우치형 외장재
JP2023537750A (ja) 電池モジュールおよびこれを含む電池パック
KR20210096723A (ko) 난연성 복합 패드, 그 제조 방법, 이러한 복합 패드를 포함하는 이차전지 모듈과 이차전지 팩
KR20230030195A (ko) 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈
EP4203164A1 (en) Secondary battery
EP4191775A1 (en) Secondary battery
US20230378566A1 (en) Secondary Battery and Secondary Battery Module Including the Same
KR20230004030A (ko) 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩
KR20230004022A (ko) 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩
EP4435951A1 (en) Battery pack having improved safety
KR20230001169A (ko) 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩
EP4224609A1 (en) Secondary battery
KR20230004119A (ko) 배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩
EP4401205A1 (en) Battery pack with improved safety
EP4207464A1 (en) Secondary battery
EP4239779A1 (en) Secondary battery
KR20230116471A (ko) 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination