KR20230062466A - 집전체, 전극 시트, 전극 조립체, 전지 셀, 전지 및 전력 소비 장치 - Google Patents

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KR20230062466A
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싱싱 리
지밍 첸
시아오텡 후앙
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컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드
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Abstract

본 발명은 전지 기술분야에 관한 것으로, 특히는 집전체, 전극 시트, 전극 조립체, 전지 셀, 전지 및 전력 소비 장치에 관한 것이다. 집전체는 지지층 및 도전층을 포함하고, 상기 도전층은 지지층의 대향되는 양측 중의 적어도 일측에 배치되고, 지지층이 열수축되면 지지층과 함께 수축되어, 열 받는 부분을 둘러싸는 홀을 형성하고, 도전층은 지지층과 접촉하는 제1 도전층을 포함하며, 제1 도전층은 과립상 도전층이다. 이에 따라, 안전 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

집전체, 전극 시트, 전극 조립체, 전지 셀, 전지 및 전력 소비 장치
본원은 출원번호가 202122614507.4이고, 출원일자가 2021년 10월 28일인 중국 출원을 기초로 우선권을 주장하며, 상기 중국 출원의 개시 내용을 본원에 인용한다.
본원은 전지 기술 분야에 관한 것으로서, 특히 집전체, 전극 시트, 전극 조립체, 전지 셀, 전지 및 전력 소비 장치에 관한 것이다.
전자 제품 및 전기 자동차 등 전력 소비 장치의 급속한 발전과 함께, 전지의 응용은 점점 더 광범위해지고 있다. 그러나 전지는 단락되기 쉬워, 열 폭주를 일으켜, 작업 안전에 영향을 미친다.
본원은 보다 높은 안전 성능을 갖는 집전체, 전극 시트, 전극 조립체, 전지 셀, 전지 및 전력 소비 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본원은 집전체를 제공하는 바, 해당 집전체는 지지층 및 도전층을 포함하고,
도전층은 지지층의 대향되는 양측 중의 적어도 일측에 배치되고, 지지층이 열수축되면 지지층과 함께 수축되어, 열 받는 부분을 둘러싸는 홀을 형성하고, 도전층은 지지층과 접촉하는 제1 도전층을 포함하며, 제1 도전층은 과립상 도전층이다.
지지층과 도전층의 작용하에, 집전체는 실효 회로를 신속하게 차단함으로써, 열 폭주를 방지하여 안전성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 과립상 도전층은 금속 입자층을 포함한다. 따라서, 집전체가 양호한 전기 전도 성능을 갖도록 할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 금속 입자층은 구리 입자층, 알루미늄 입자층, 금 입자층, 은 입자층, 또는 합금 입자층을 포함한다. 이로써, 집전체의 전기 전도 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 합금 입자층에서 합금의 저항률은
Figure pct00001
보다 작거나 같다. 이로써, 집전체는 양호한 전기 전도 성능을 가질 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 제1 도전층은 지지층 상에 스프레이 코팅된다. 이에 따라, 과립상 도전층을 지지층 상에 용이하게 합성할 수 있고, 스프레이 코팅 후, 과립상 도전층은 지지층에 견고하게 접착될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 도전층은 제2 도전층을 포함하고, 제2 도전층은 과립상 도전층의 지지층으로부터 떨어진 표면에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 도전층의 전기 전도 성능을 높일 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 제2 도전층은 제1 도전층에 접착된다. 이에 따라, 제1 도전층과 제2 도전층 사이의 연결이 편리하고, 연결 견고성이 증가되며, 동시에 양자 사이의 전기적 연결의 구현에 편리하다.
일부 실시예에 있어서, 제2 도전층은 흑연층을 포함한다. 이에 따라, 도전층의 전기 전도 성능을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 도전층의 전도율은 104~105S/cm이다. 이때, 도전층은 집전체의 전기 전도 요구 사항을 더 잘 충족시킬 수 있으며, 전지 셀이 통상적인 충방전 과정에서 과도한 열을 발생시키는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 지지층의 융점은 120°보다 작거나 같다. 이에 따라, 지지층은 다른 부품이 용융되기 전에 쉽게 용융 및 수축되어, 실효 회로를 차단함으로써, 열 폭주를보다 확실하게 방지할 수 있고, 안전 성능을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 지지층은 지지 필름이다. 이때, 집전체는 안전성이 우수할 뿐만 아니라 구조적 안정성도 강하다.
일부 실시예에 있어서, 지지층은 고분자 유기 물질로 제조된다. 고분자 유기 물질로 제조된 지지층은 필요시 실효 회로를 신속하게 차단함으로써, 열 폭주를 방지하여, 안전 성능을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 지지층은 폴리 에틸렌 필름이다. 폴리 에틸렌 필름은 열 폭주를 효과적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 집전체의 내굴곡성을 향상시킬 수 있다.
본원에 의해 제공되는 전극 시트는 활성 물질을 포함하고, 또한 본원의 실시예의 집전체를 더 포함하며, 활성 물질을 집전체의 표면에 배치한다.
본원의 실시예의 집전체를 포함하므로, 전극 시트의 안전 성능이 더 높다.
본원에 의해 제공되는 전극 조립체는,
정극 시트, 및 부극 시트를 포함하고,
여기서, 정극 시트 및/또는 부극 시트는 본원의 실시예의 전극 시트이다.
본원의 실시예의 집전체를 포함하므로, 전극 조립체의 안전 성능이 더 높다.
본원에 의해 제공되는 전지 셀은 하우징을 포함하고, 본원의 실시예의 전극 조립체를 더 포함하며, 전극 조립체는 케이스에 배치된다.
본원의 실시예의 집전체를 포함하므로, 전지 셀의 안전 성능이 더 높다.
본원에 의해 제공되는 전지는 수용 캐비티를 포함하고, 또한 본원의 실시예의 전지 셀들을 더 포함하며, 전지 셀은 수용 캐비티 내에 배치된다.
본원의 실시예의 집전체를 포함하므로, 전지의 안전 성능이 더 높다.
본원에 의해 제공되는 전력 소비 장치는 본원의 실시예의 전지 또는 전지 셀을 포함하고, 전지 셀은 전력 소비 장치에 전기 에너지를 제공하는데 사용된다.
본원의 실시예의 집전체를 포함하므로, 전력 소비 장치의 안전 성능이 더 높다.
본원의 실시예에 의해 제공되는 집전체에 기반하여, 전지 셀의 작동 과정에 단락이 발생하면, 지지층이 실효 지점의 고온 영향을 받아 용융 및 수축되고, 도전층도 함께 수축되어, 열 받는 부분을 둘러싸는 홀을 형성하여, 실효 회로를 차단하고, 열 폭주의 발생을 방지한다. 또한, 도전층이 과립상 도전층을 포함하기 때문에, 다른 양태의 도전층에 비해, 과립상 도전층은 지지층이 열수축되면 지지층을 따라 함께 쉽게 수축됨으로, 단락사고 발생 시, 회로를 보다 신속하게 차단할 수 있고, 보다 적시에 열 폭주를 방지할 수 있어, 전지의 안전 성능을 더 효과적으로 향상시킬 수 있다.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본원의 예시적인 실시예에 대해 상세한 설명을 하며, 이로서 본원의 다른 특징 및 이점이 더 명백해질 것이다.
본원의 실시예 또는 종래 기술의 기술적 해결수단을 보다 명확하게 설명하기 위하여, 아래 실시예 또는 종래 기술의 설명에 필요한 첨부 도면에 대하여 간략히 소개하며, 하기 설명 중 첨부된 도면은 본원의 일부 실시예에 불과하며, 당업자라면 이러한 도면을 기반으로 어떠한 창조적 노력 없이도 다른 도면을 획득될 수 있는 것은 자명한 것이다.
도 1은 본원의 실시예에 따른 전력 소비 장치의 구조적 개략도이다.
도 2는 본원의 실시예에 따른 전지의 분해 모식도이다.
도 3은 본원의 실시예에 따른 전지 셀의 분해 모식도이다.
도 4는 본원의 실시예에 따른 전극 조립체의 구조적 개략도이다.
도 5는 본원의 실시예에 따른 집전체의 구조적 개략도이다.
도 6은 본원의 실시예에 따른 집전체의 열 폭주 방지 원리의 모식도이다.
참조 번호 설명:
100. 전력 소비 장치, 101. 차량, 102. 제어기, 103. 동력 기기, 104. 모터, 105. 본체,
10. 전지;
20. 전지 셀, 201. 전극 조립체, 202. 하우징, 203. 케이스, 204. 엔드 커버, 205. 어댑터, 206. 전극 단자, 207. 탭, 208. 스페이서,
30. 수용 캐비티, 301, 상자 본체, 302, 상자 커버,
1. 정극 시트;
2. 부극 시트;
3. 세퍼레이터;
4. 전극 시트;
5. 집전체, 51, 지지층, 511. 지지 필름, 512. 폴리 에틸렌 필름, 52. 도전층, 521. 과립상 도전층, 522. 흑연층, 523. 금속 입자층, 524. 제1 도전층 525. 제2 도전층, 526. 홀;
6. 활성 물질
7. 단락 트리거, 71. 천자 니들.
이하, 본원의 실시예의 도면을 결부하여, 본원 실시예의 기술적 해결수단을 명확하고 완전하게 설명한다. 설명된 실시예는 전부의 실시예가 아니라, 본원의 부분 실시예에 불과하다. 아래, 적어도 하나의 예시적인 실시예에 대한 설명은 설명을 위한 것이며, 본원 및 이의 응용 또는 사용을 제한하려는 것이 아니다. 본원의 실시예에 기초하여, 당업자가 창의적인 작업을 수행하지 않고 얻은 다른 모든 실시예도 본원의 보호 범위에 속한다.
당업자에게 알려진 기술, 방법 및 기기는 상세하게 논의되지 않을 수 있지만, 적절한 경우, 이러한 기술, 방법 및 기기는 명서세의 일부로 간주되어야 한다.
본원의 설명에서 "전, 후, 상, 하, 좌, 우", "가로, 세로, 수직, 수평" 및 "상단, 하단" 등과 같은 방향 용어가 나타내는 방위 및 위치 관계는 본원의 설명을 용의하게 하고 단순화하기 위한 것일 뿐이며, 이러한 방향 용어는 달리 언급되지 않는 한, 언급된 장치 또는 요소가 반드시 특정 방향을 가져야 하거나 특정된 방향으로 구성되거나 작동되어야 함을 나타내거나 암시하지 것이 아니므로, 본원의 보호 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다. "내부, 외부"라는 방향 용어는 각 구성요소 자체의 윤곽에 대한 내부 및 외부를 나타낸다.
본원의 설명에 있어서, "제1" 및 "제2"와 같은 용어를 사용하여 구성요소를 한정하는 것은 단지 해당 구성요소를 편리하게 구별하기 위한 것이며, 달리 언급하지 않는 한, 이러한 용어는 특별한 의미가 없음을 이해하여야 하며 본원의 보호 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
또한, 이하에서 설명하는 본원의 다른 실시형태에 따른 기술적 특징들은 서로 충돌하지 않는 한 서로 조합될 수 있다.
현재, 전지의 응용은 점점 더 광범위해지고 있다. 전지는 수력, 화력, 풍력 및 태양광 발전소와 같은 에너지 저장 전력 시스템뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차와 같은 전기 교통 수단 및 군사 장비와 우주 항공 등 에도 사용된다. 전지 응용 분야의 지속적인 확장으로, 성능에 대한 요구 사항도 증가되고 있다.
그 중, 안전 성능은 전지의 중요한 성능 지표이다. 전지 사용 과정 및 일상적인 유지보수 시, 열 폭주 사고를 예방하는 것이 필요하다. 열 폭주를 보다 효과적으로 방지하고, 안전 성능을 개선하는 방법은 늘 난제로 되고 있다.
전지의 안전 성능을 향상시키기 위하여, 본원은 집전체, 전극 조립체, 전지 셀, 전지 및 전력 소비 장치를 제공한다.
도 1 내지 도 6은 본원의 일부 실시예에 따른 전력 소비 장치, 전지, 전지 셀, 전극 조립체 및 집전체의 구조를 도시한다.
다음으로, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본원에 대해 설명한다.
도 1은 예시적으로 전력 소비 장치(100)의 구조를 도시한다. 도 1을 참조하면, 전력 소비 장치(100)는 전지 셀(20)을 전원으로 사용하는 장치로서, 전지(10) 또는 전지 셀(20)을 포함하고, 전지 셀(20)은 전력 소비 장치(100)에 전기 에너지를 제공하는데 사용된다. 구체적으로, 전력 소비 장치(100)는 본체(105) 및 전지 셀(20)을 포함하고, 전지 셀(20)은 본체(105) 상에 배치되어 본체(105)에 전기 에너지를 제공한다.
여기서, 전력 소비 장치(100)는 휴대폰, 태블릿, 노트북, 전기 장난감, 전동 공구, 축전지차, 전기 자동차, 선박, 우주선 등 다양한 전력 소비 장치일 수 있다. 여기서, 전기 장난감은 게임기, 전기 자동차 장난감, 전기 선박 장난감 및 전기 비행기 장난감 등과 같은 고정식 또는 이동식 전기 장난감을 포함할 수 있다. 우주선에는 비행기, 로켓, 우주 버스, 우주선 등이 포함될 수 있다.
전력 소비 장치(100)는 동력원을 포함하고, 동력원은 전지(10)를 포함하며, 전지(10)는 전력 소비 장치(100)에 구동력을 제공한다. 일부 실시예에서, 전력 소비 장치(100)의 구동력은 모두 전기 에너지이며, 이 경우, 동력원은 전지(10)만을 포함한다. 다른 실시예에서, 전력 소비 장치(100)의 구동력은 전기 에너지 및 다른 에너지원(예: 기계적 에너지)을 포함하며, 이 경우, 전원은 전지(10) 및 엔진과 같은 다른 기기를 포함한다.
전력 소비 장치(100)가 차량(101)인 경우를 예로 한다. 도 1을 참조하면, 일부 실시예에서, 전력 소비 장치(100)는 순수 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 주행거리 연장형 자동차와 같은 신에너지 자동차이고, 이는 전지(10), 제어기(102) 및 모터(104)와 같은 동력 기기(103)를 포함하며, 전지(10)는 제어기(102)를 통해 모터(104)와 같은 동력 기기(103)에 전기적으로 연결되어, 전지(10)가 제어기(102)의 제어 하에, 모터(104)와 같은 동력 기기(103)에 전력을 공급하도록 한다.
따라서, 전지(10)는 전력 소비 장치(100)의 중요한 구성 부분이다.
도 2는 전지(10)의 구조를 예시적으로 도시한다. 도 2를 참조하면, 전지(10)는 수용 캐비티(30)와 수용 캐비티(30)에 배치된 전지 셀(20)을 포함한다. 수용 캐비티(30)는 박스 본체(301)와 박스 커버(302)를 포함한다. 박스 본체(301)와 박스 커버(302)가 서로 체결됨으로써, 수용 캐비티(30)의 내부에 전지 셀(20)을 수납할 수 있는 밀폐된 수용 공간이 형성된다. 더 많은 전기 에너지를 제공하고 더 높은 사용 요구 사항을 충족시키기 위해, 수용 캐비티(30) 내의 전지 셀(20)의 수는 적어도 2개일 수 있다. 전지(10)의 전지 셀(20)은 더 큰 용량 또는 전력을 달성하기 위해, 직렬, 병렬 또는 혼합 연결에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 도 2의 전지 셀(20)은 단순화된 드로잉 방법을 사용함을 알 수 있다.
전지 셀(20)은 전기 에너지를 공급하기 위한 가장 작은 전지 유닛으로서 전력 소비 장치(100) 및 전지(10)의 핵심 부분이며, 그 성능은 전력 소비 장치(100) 및 전지(10)의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 전지 셀(20)의 안전 성능 향상은 전력 소비 장치(100) 및 전지(10)의 성능 향상에 유리하다.
전지 셀(20)은 리튬 이온 전지와 같은 다양한 종류의 전지 셀일 수 있으며, 그 형상은 사각형 또는 원통형 등의 다양한 형상일 수 있다.
도 3은 전지 셀(20)의 구조를 예시적으로 도시한다. 도 3을 참조하면, 전지 셀(20)은 하우징(202), 전극 조립체(201), 어댑터(205), 전극 단자(206) 및 스페이서(208)를 포함한다.
여기서, 하우징(202)은 전극 조립체(201) 등을 보호하기 위해 전극 조립체(201) 등을 수용하는데 사용된다. 하우징(202)은 케이스(203) 및 엔드 커버(204)를 포함한다. 엔드 커버(204)는 케이스(203)의 단부 개구를 커버하여, 하우징(202) 내부에 전극 조립체(201) 등을 수용하는 밀폐공간을 형성한다.
전극 조립체(201)는 전기 에너지를 생성하기 위한 것으로, 하우징(202) 내부에 배치되고, 하우징(202)에 주입된 전해액과 전기화학적으로 반응하여, 전기 에너지를 제공한다. 실제 사용 요구에 따라, 전지 셀(20) 중 전극 조립체(201)의 개수는 1개, 2개 또는 복수가 될 수 있다. 전극 조립체(201)에서 생성된 전기 에너지는 탭(207)을 통해 외부로 전달된다.
탭(207)은 전극 조립체(201)의 정극 시트 및 부극 시트의 활성 물질(6)이 도포되지 않은 부분으로서, 정극 시트의 및 부극 시트 중 활성 물질(6)이 도포된 부분으로부터 외부로 연장되어, 어댑터(205) 및 전극 단자(206)를 통해, 외부 회로에 전기적으로 연결되어, 전기 에너지의 외부 전달을 구현한다. 여기서, 정극 시트의 탭(207)을 정극 탭이라고 하고, 부극 시트의 탭(207)을 부극 탭이라고 한다.
어댑터(205)는 하우징(202) 내부에 배치되고, 전극 조립체(201)의 탭(207)과 전극 단자(206) 사이에 위치하여, 전극 조립체(201)와 전극 단자(206) 사이의 전기적 연결을 구현함으로써, 전극 조립체(201)에 의해 생성된 전기 에너지를 전극 단자(206)에 전달한다. 여기서, 정극 탭에 해당하는 어댑터(205)를 정극 어댑터라고 하고, 부극 탭에 해당하는 어댑터(205)를 부극 어댑터라고 한다.
전극 단자(206)는 어댑터(205)를 통해 전극 조립체(201)에 전기적으로 연결되며, 전극 조립체(201)에서 생성된 전기 에너지를 전지 셀(20)의 외부로 전달하기 위해 외부회로와 연결하는데 사용된다. 여기서, 정극 탭에 해당하는 전극 단자(206)를 정극 단자라고 하고, 부극 탭에 해당하는 전극 단자(206)를 부극 단자라고 한다.
스페이서(208)는 하우징(202) 내에 배치되며, 전극 조립체(201)와 케이스(203) 사이에 위치하여, 전극 조립체(201)와 케이스(203) 사이에서 발생하는 단락을 방지하기 위해, 전극 조립체(201)와 케이스(203)를 절연시킨다.
따라서, 전극 조립체(201)는 전지 셀(20)의 중요한 구성 부분으로서 전지 셀(20)이 전기 에너지를 공급하는 핵심이다.
도 4는 전극 조립체(201)의 구조를 더 도시한다. 도 4를 참조하면, 전극 조립체(201)는 전극 시트(4)를 포함하며, 극성이 반대인 정극 시트(1)와 부극 시트(2)의 두 종류의 전극 시트(4)를 포함한다. 정극 시트(1)와 부극 시트(2)는 함께 적층 또는 권취되어 있다. 또한, 정극 시트(1)와 부극 시트(2) 사이에 세퍼레이터(3)가 설치되고, 세퍼레이터(3)에 의해 정극 시트(1)와 부극 시트(2)가 분리된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 정극 시트(1) 및 부극 시트(2)는 모두 활성 물질(6)과 집전체(5)를 포함한다. 활성 물질(6)은 집전체(5)에 도포되어, 하우징(202) 내부의 전해액과 전기화학적 반응을 일으켜, 전기 에너지를 생성하고, 충방전 과정을 구현하는데 사용된다. 도 4에서 알 수 있듯이, 일부 실시예에서, 집전체(5)의 대향되는 양측 표면에 모두 활성 물질(6)이 도포되어 있다.
정극 시트(1)와 부극 시트(2) 상의 활성 물질(6)은 정극 시트(1)와 부극 시트(2)가 서로 반대 극성을 갖도록 상이하다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 정극 시트(1) 상의 활성 물질(6)은 LiCoO2(리튬 함유 이산화코발트) 입자를 포함하고, 부극 시트(2) 상의 활성 물질(6)은 SnO2(이산화주석) 입자를 포함한다.
전극 조립체(201)에서, 집전체(5)는 활성 물질(6)을 담지하는 역할을 할 뿐만 아니라, 전기화학 반응에 의해 생성된 전류를 모아, 큰 전류를 형성하여 외부로 출력하는 역할을 한다. 집전체(5)는 전지 셀(20)의 필수 구성요소이며, 전지 셀(20)의 작업 안전성에 영향을 미치는 중요한 요소이기도 하다.
관련 기술에서, 집전체(5)는 일반적으로 금속 재질로 이루어지며, 예를 들어, 정극 시트(1)의 집전체(5)는 알루미늄박으로 제조되며, 부극 시트(2)의 집전체(5)는 일반적으로 동박으로 제조되나, 이러한 금속 재질의 집전체(5)는 전지 셀(20)에서 단락이 발생하는 경우 열 폭주를 방지하기 어려워, 전지 셀(20)의 안전 성능 향상을 제한한다.
전지 셀(20)의 열 폭주는 종종 전지 셀(20) 내부의 격렬한 화학 반응 또는 전기화학 반응에서 비롯된다. 전지 셀(20) 중의 세퍼레이터(3)가 내부 이물질(예: 금속 입자, 정극 및 부극 시트의 버(burr) 또는 전지 사용 중 석출된 금속 리튬 덴드라이트 등) 또는 외부 천자 등으로 손상된 경우, 손상된 양측의 정극 시트와 부극 시트가 통전되어, 단락이 발생할 수 있다. 단락이 발생하는 경우, 단락 전류는 온도의 급격한 상승을 일으키고, 더 격렬한 반응을 일으키며, 다른 부품으로 확산되어 열 폭주를 일으켜, 화재 또는 폭발 사고를 일으키고, 사용자의 개인 안전을 심각하게 위협한다.
금속 재질의 높은 융점으로 인해, 금속 재질의 집전체(5)는 쉽게 용융되지 않아, 단락이 발생할 경우, 집전체(5)는 용융되지는 않으나, 전지 셀(20)의 다른 구성 부분(예: 활성 물질(6) 및 세퍼레이터(3))이 이미 실효된다. 이러한 경우에, 집전체(5)는 전류 전달을 차단할 수 없어, 열 폭주의 발생을 방지할 수 없으므로, 전지 셀(20)의 안전 성능에 영향을 미친다.
이러한 상황을 감안하여, 본원은 집전체(5), 전극 조립체(201), 전지 셀(20), 전지(10) 및 전력 소비 장치(100)의 안전 성능을 향상시키기 위해, 집전체(5)의 구조를 개선한다.
도 5 내지 도 6은 집전체(5)의 구조를 예시적으로 도시한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본원의 실시예에 의해 제공되는 집전체(5)는 지지층(51) 및 도전층(52)을 포함한다. 도전층(52)은 지지층(51)의 대향하는 양측 중 적어도 일측에 배치되며, 지지층(51)이 열수축되는 경우, 지지층(51)을 따라 함께 수축되어, 열 받는 부분을 둘러싸는 홀(526)을 형성한다. 또한, 도전층(52)은 지지층(51)과 접촉하는 제1 도전층(524)을 포함하고, 제1 도전층(524)은 과립상 도전층(521)이다.
따라서, 본원의 실시예에서, 집전체(5)는 더 이상 단일층 금속박 구조가 아니라, 지지층(51) 및 도전층(52)을 포함하는 적어도 2층 구조가 된다.
지지층(51)은 융점이 낮아, 가열하면 용융되어, 도전층(52)이 함께 수축하여, 열 받는 부분 주위에 홀(526)을 형성할 수 있으며, 따라서, 전지 셀(20)의 작업 과정에서 단락이 발생하는 경우, 지지층(51)은 실효 지점의 고온 작용하에, 도전층(52)과 함께 수축되어, 실효 지점의 주위에 홀(526)을 형성하며, 이로써, 실효 회로를 차단하여, 열 폭주 현상의 발생을 방지한다. 도 6을 참조하면, 홀(526)을 형성한 후, 단락 사고를 유발하는 단락 트리거(7)(예; 천자 니들(71), 금속 입자 또는 버 등) 주위에 도체가 없어, 단락 트리거(7)가 더 이상 도체와 접촉할 수 없으므로, 회로가 차단되어, 세퍼레이터(3)의 파손으로 인한 정극 시트(1)와 부극 시트(2) 사이의 통전을 방지할 수 있고, 국부적 열이 계속하여 다른 부품으로 확산되는 것을 방지하여, 열 폭주를 방지할 수 있다.
또한, 본원의 실시예에서는 지지층(51)과 접촉하는 도전층(52)의 제1 도전층(524)은 과립상 도전층(521)이고, 과립상 도전층(521)은 다른 형태의 도전 구조와 비교하여, 지지층(51)이 열수축하는 경우, 지지층(51)과 함께 수축하기 쉽게 때문에, 단락 사고 발생시, 보다 신속하게 회로를 차단하고, 적시에 열 폭주를 방지하므로, 안전성능을 더 효과적으로 향상시킬 수 있다.
따라서, 집전체(5)를 지지층(51)과 도전층(52)을 포함하도록 구성하고, 지지층(51)과 접촉하는 도전층(52)의 제1 도전층(524)을 과립상 도전층(521)으로 구성함으로써, 열 폭주를 더 효과적이고 확실하게 방지할 수 있어, 안전 성능의 효과적인 향상을 구현할 수 있다.
과립상 도전층(521)은 다양한 금속 또는 비금속 도전성 입자로 이루어질 수 있다. 예시적으로, 도 5를 참조하면, 과립상 도전층(521)은 금속 입자층(523)을 포함한다.
금속은 양호한 전기 전도 성능을 갖고 있어, 과립상 도전층(521)이 금속 입자층(523)을 포함하는 경우, 열 폭주를 효과적으로 방지하는 동시에, 집전체(5)의 전기 전도 성능도 고려할 수 있어, 집전체(5)가 양호한 전기 전도 성능을 갖도록 하여, 단락이 없는 정상적인 상태에서 효율적으로 전기를 전도할 수 있다.
금속 입자층(523)의 예로서, 금속 입자층(523)은 구리 입자층, 알루미늄 입자층, 금 입자층, 은 입자층 또는 합금 입자층을 포함한다. 구리, 알루미늄, 금, 은 또는 합금과 같은 금속 재료는 모두 전기 전도 성능이 좋은 금속 재료이므로, 집전체(5)의 전기 전도 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 합금 입자층 중의 합금의 저항률은
Figure pct00002
(ohm·미터)보다 작거나 같으며, 이 때의 합금 입자층의 전기 전도 성능 효율이 더 높아, 집전체(5)가 양호한 전기 전도 성능을 갖도록 한다.
제1 도전층(524)과 지지층(51) 사이의 결합 방식은 다양하다. 그 중 하나로서, 제1 도전층(524)은 지지층(51) 상에 스프레이 코팅될 수 있다.
스프레이 코팅 방법은 제1 도전층(524)에서 과립상 도전층(521)의 과립 상태에 더 적합하므로, 과립상 도전층(521)을 지지층(51) 상에 쉽게 합성할 수 있고, 스프레이 코팅 후 과립상 도전층(521)은 지지층(51) 상에 견고하게 부착될 수 있으며, 한편으로, 지지층(51)이 부분적으로 용융될 때 과립상 도전층(521)을 함께 융합 및 수축시켜, 단락 사고 발생시 집전체(5)가 회로를 원활하게 차단할 수 있도록 하는데 편리하고, 다른 한편으로, 과립상 도전층(521)이 비단락 상태에서 우발적으로 탈락되는 것을 방지하여, 집전체(5)가 정상 작업 과정에서 전류를 보다 확실하게 수집 및 전달할 수 있도록 하는데 유리하다.
또한, 도 5를 참조하면, 일부 실시예에서 도전층(52)은 제1 도전층(524)을 포함할 뿐만 아니라 제2 도전층(525)도 포함하며, 제2 도전층(525)은 과립상 도전층(521)의 지지층(51)으로부터 떨어져 있는 표면에 전기적으로 연결된다.
제2 도전층(525)은 도전층(52)의 전기 전도 성능을 더욱 향상시킬 수 있으므로, 제1 도전층(524)에 기초하여, 제2 도전층(525)을 더 추가하면, 집전체(5)의 전기 전도 성능을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
제2 도전층(525)과 제1 도전층(524)의 결합 방식은 다양할 수 있다. 그 중 하나로서, 제2 도전층(525)은 제1 도전층(524)에 접착될 수 있다. 예를 들어, 제2 도전층(525)은 도전제 및 접착제를 통해 제1 도전층(524)에 접착될 수 있다. 따라서, 제1 도전층(524)과 제2 도전층(525) 사이의 연결이 편리하고, 연결 견고함이 강함과 동시에, 양자 사이의 전기적 연결 관계를 구현하는데 편리하다.
또한, 제2 도전층(525)의 구조 형태는 다양할 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 일부 실시예에서, 제2 도전층(525)은 흑연층(522)을 포함한다. 흑연은 다른 비금속 전도성 물질에 비해 전기 전도 성능이 훨씬 높기 때문에, 제2 도전층(525)이 흑연층(522)을 포함하도록 구성되면, 도전층(52)의 전기 전도 성능을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 도전층(52)의 전도율은 104~105S/cm(센티미터당 지멘스)이다. 이 경우, 도전층(52)은 집전체(5)의 전기 전도 성능 요건을 보다 잘 충족시킬 수 있고, 전지 셀(20)이 통상적인 충방전 과정에서 과도한 열을 발생시키는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
전술한 각 실시예에서, 지지층(51)은 도전층(52)을 지지하기 위해 사용되며, 단락 사고가 발생하는 경우, 도전층(52)을 함께 수축시켜, 실효 회로를 차단함으로써 열 폭주 현상의 발생을 방지한다.
여기서, 지지층(51)의 융점은 120°보다 작거나 같을 수 있다. 따라서, 지지층(51)은 다른 부분이 용융되기 전에 쉽게 용융 및 수축되어, 실효 회로를 차단함으로써, 열 폭주를 보다 확실하게 방지할 수 있고, 안전 성능을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 지지층(51)은 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌 또는 폴리 우레탄과 같은 고분자 유기 물질로 제조된다. 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌, 폴리 우레탄 등의 고분자 유기 물질은 융점이 낮은 특성을 가지고 있어, 국부적으로 열을 받으면 열을 받은 부분이 급격하게 수축하여 붕괴되는 특성을 갖고 있기 때문에, 고분자 유기 물질로 제조된 지지층(51)은 필요시 실효 회로를 신속하게 차단할 수 있어, 열 폭주를 방지하고, 안전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 지지층(51)의 형상은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 과립상 또는 비과립상일 수 있다. 예시적으로, 도 5를 참조하면, 지지층(51)은 필름 형태이며, 이때, 지지층(51)은 지지 필름(511)이다. 지지 필름(511)은 도전층(52)을 더 잘 지지할 수 있으므로, 집전체(5)는 양호한 안전 성능뿐만 아니라, 강한 구조적 안정성을 갖는다.
계속해서 도 5를 참조하면, 일부 실시예에서, 지지층(51)은 폴리 에틸렌 필름(512)이다. 이때, 지지층(51)은 폴리 에틸렌 재질로 제조된 지지 필름(511)으로, 열 폭주를 효과적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 집전체(5)의 내굴곡성도 향상시킬 수 있다.
다음으로, 도 5에 도시된 실시예를 더 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 해당 실시예에서, 집전체(5)는 지지층(51) 및 2개의 도전층(52)을 포함하고, 2개의 도전층(52)은 지지층(51)의 대향되는 양측에 배치되고, 각 도전층(52)은 모두 제1 도전층(524) 및 제2 도전층(525)을 포함한다.
지지층(51)은 구체적으로 폴리 에틸렌 필름(512)이다. 제1 도전층(524)은 구체적으로 금속 입자층(523)이다. 제2 도전층(525)은 구체적으로 흑연층(522)이다.
폴리 에틸렌 필름(512)은 중간에 위치한다. 폴리 에틸렌 필름(512)의 대향하는 양측 면에는 금속 입자층(523)이 스프레이 코팅된다. 각 금속 입자층(523)의 외면에는 모두 흑연층(522)이 접착되어 있다. 흑연층(522)은 도전제 및 접착제에 의해 폴리 에틸렌 필름(512)으로부터 떨어진 금속 입자층(523)의 표면에 접착된다. 흑연층(522)의 금속 입자층(523)으로부터 떨어진 면은 활성 물질(6)을 담지하는 도전층(52)의 외면이 된다. 전극 시트(4) 제조시, 집전체(5)의 대향하는 양측 면에 모두 활성 물질(6)이 도포되도록 흑연층(522)의 외면에 활성 물질(6)을 도포한다.
이러한 배치에 기초하여, 집전체(5)는 중간이 폴리 에틸렌 필름(512)이고, 폴리 에틸렌 필름(512)의 양측에 금속 입자층(523)과 흑연층(522)이 대칭적으로 배치되는 5층 구조를 형성한다.
여기서, 금속 입자층(523)과 흑연층(522)이 주로 전기 전도 성능 역할을 한다. 금속 입자층(523)과 흑연층(522)으로 이루어진 도전층(52)은 전도율을 104~105S/cm(센티미터당 지멘스) 범위로 유지할 수 있어, 집전체(5)의 전기 전도 요구를 더 잘 충족시킬 수 있으며, 따라서, 집전체(5)의 상대적으로 높은 저항률로 인해 통상적인 충방전 과정에서 전지 셀(20)이 과열되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
폴리 에틸렌 필름(512)은 금속 입자층(523)과 흑연층(522)을 지지하여, 집전체(5)의 내굴곡성을 증강시키고, 집전체(5)의 안전 성능을 향상시킨다.
도 6에 도시된 천자 실패 상황을 예로 들어, 본 실시예에서 집전체(5)의 안전 성능이 어떻게 개선되었는지를 설명한다. 도 6의 금속 입자층(523)은 단순화 드로잉 방법을 사용하였다.
도 6 및 도 4를 참조하면, 천자 니들(71)이 정극 및 부극 시트와 세퍼레이터(3)을 관통할 때, 천자 니들(71)은 정극 시트(1)의 집전체(5)와 부극 시트(2)의 집전체(5)를 통전시켜, 실효 지점에 매우 높은 전류가 통과하게 되며, 이는 실효 지점의 매우 높은 온도를 초래한다. 이 경우, 집전체(5)가 금속 집전체인 경우, 금속 집전체의 융점이 다른 물질보다 높아, 활성 물질(6)이나 세퍼레이터(3)와 같은 다른 부품이 실효되어, 열 폭주가 발생한다. 하지만 본 실시예의 집전체(5)는 더 이상 단일층 금속박 구조가 아니라, 폴리 에틸렌 필름(512), 금속 입자층(523) 및 흑연층(522)을 포함하는 5층 구조로 되어 있으며, 여기서, 금속 입자층(523) 및 흑연층(522)을 지지하는 폴리 에틸렌 필름(512)의 천자 니들(71)의 주위 부분은 실효 지점의 온도가 상승하는 동안 빠르게 용융 및 수축하여, 폴리 에틸렌 필름(512)의 대응되는 부분에 위치하는 금속 입자층(523)과 흑연층(522)을 함께 수축시킴으로써, 천자 니들(71) 주위에 위치한 집전체(5)의 부분이 빠르게 붕괴되어 홀(526)을 형성하며, 형성된 홀(526)은 천자 니들(71)과 집전체(5) 사이의 전기적 연결을 차단하고, 실효 회로를 차단할 수 있기 때문에, 전지 내부의 전기화학 반응과 내부 단락이 진일보 발전하는 것을 효과적으로 방지함으로써, 열 폭주를 방지하여, 안전 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
금속 입자층(523)은 과립상으로 되어 있어, 금속박과 같은 비과립상에 비해, 금속 입자 간의 결합 긴밀도가 상대적으로 낮아, 금속 입자 사이가 고온에서 쉽게 분리되기 때문에, 폴리 에틸렌 필름(512)의 용융 및 수축시, 금속 입자층(523)도 함께 수축되기 쉬워, 집전체(5)가 실효 회로를 보다 신속하게 차단할 수 있음으로, 보다 확실하게 열 폭주를 방지하여, 안전성능을 더욱 효과적으로 향상시키는데 유리하다.
집전체(5)는 정극 시트(1)의 집전체(5)일 수도 있고, 부극 시트(2)의 집전체(5)일 수 있다. 집전체(5)가 정극 시트(1)의 집전체(5)인 경우, 금속 입자층(523)은 분말상 알루미늄으로 제조된 알루미늄 입자층일 수 있다. 집전체(5)가 부극 시트(2)의 집전체(5)인 경우, 금속 입자층(523)은 분말상 구리로 제조된 구리 입자층일 수 있다.
이상은 본원의 예시적인 실시예일 뿐이며, 본원을 한정하려는 의도가 아니며, 본원의 사상 및 원칙 내에서 이루어진 모든 수정, 균등한 대체, 개선 등은 모두 본원의 보호 범위 내에 포함된다.

Claims (12)

  1. 집전체(5)로서,
    지지층(51) 및 도전층(52)을 포함하고,
    상기 도전층(52)은 상기 지지층(51)의 대향되는 양측 중의 적어도 일측에 배치되고, 상기 지지층(51)이 열수축되면 상기 지지층(51)을 따라 함께 수축되어, 열 받는 부분을 둘러싸는 홀(526)을 형성하고, 상기 도전층(52)은 상기 지지층과 접촉하는 제1 도전층(524)을 포함하며, 상기 제1 도전층(524)은 과립상 도전층(521)인 것을 특징으로 하는 집전체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도전층(52)은,
    상기 과립상 도전층(521)은 금속 입자층(523)을 포함하고;
    상기 도전층(52)은 제2 도전층(525)을 포함하고, 상기 제2 도전층(525)은 상기 과립상 도전층(521)의 상기 지지층(51)으로부터 떨어진 표면에 전기적으로 연결되며;
    상기 도전층(52)의 전도율은 104~105S/cm이고;
    상기 제1 도전층(524)은 상기 지지층(51)에 스프레이 코팅되는;
    상기 적어도 하나의 조건으로 구성되는 것을 특징으로 하는 집전체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 입자층(523)은 구리 입자층, 알루미늄 입자층, 금 입자층, 은 입자층, 또는 합금 입자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 집전체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 합금 입자층에서 합금의 저항률은
    Figure pct00003
    보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 집전체.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 도전층(525)은 상기 제1 도전층(524)에 접착되고, 및/또는, 상기 제2 도전층(525)은 흑연층(522)을 포함하는 것을 특징으로 하는 집전체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지층(51)은,
    상기 지지층(51)의 융점은 120°보다 작거나 같고;
    상기 지지층(51)은 지지 필름(511)이며;
    상기 지지층(51)은 고분자 유기 물질로 제조되는;
    상기 적어도 하나의 조건으로 구성되는 것을 특징으로 하는 집전체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지지층(51)은 폴리 에틸렌 필름(512)인 것을 특징으로 하는 집전체.
  8. 전극 시트(4)로서,
    활성 물질(6)을 포함하고,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 집전체(5)를 더 포함하며,
    상기 활성 물질(6)은 상기 집전체(5)의 표면에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 시트.
  9. 전극 조립체(201)로서,
    정극 시트(1) 및 부극 시트(2)를 포함하고,
    상기 정극 시트(1) 및/또는 상기 부극 시트(2)는 제8항에 따른 전극 시트(4)인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 전지 셀(10)로서,
    하우징(202)을 포함하고,
    제9항에 따른 전극 조립체(201)를 더 포함하며,
    상기 전극 조립체(201)는 상기 하우징(202) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
  11. 전지(10)로서,
    수용 캐비티(30)를 포함하고,
    제10항에 따른 전지 셀(20)을 더 포함하며,
    상기 전지 셀(20)은 상기 수용 캐비티(30) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전지.
  12. 전력 소비 장치(100)로서,
    제11항에 따른 전지(10) 또는 제10항에 따른 전지 셀(20)을 포함하고,
    상기 전지 셀(20)은 상기 전력 소비 장치(100)에 전기 에너지를 제공하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 소비 장치.
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