KR20240060452A - 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 이차전지 - Google Patents

이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 이차전지 Download PDF

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KR20240060452A
KR20240060452A KR1020230141161A KR20230141161A KR20240060452A KR 20240060452 A KR20240060452 A KR 20240060452A KR 1020230141161 A KR1020230141161 A KR 1020230141161A KR 20230141161 A KR20230141161 A KR 20230141161A KR 20240060452 A KR20240060452 A KR 20240060452A
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Abstract

본 발명은, 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극, 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 적층체가 권취된 형태의 전극 조립체에 있어서, 상기 음극의 길이 방향 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 단부는 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 무지부이며, 상기 양극은 길이 방향 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 단부에 세라믹 함유 필름부재가 구비된 것인, 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 이차전지에 관한 것이다.

Description

이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 이차전지{ELECTRODE ASSEMBLY FOR SECONDARY BATTERY AND CYLINDRICAL SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 분리막 손상에 의한 내부 단락을 방지할 수 있는 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지 케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전 소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리롤형 구조와, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 구조, 및 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(bicell) 또는 풀셀(full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체로 분류될 수 있다.
그 중 젤리롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어 널리 제작되고 있다. 젤리롤형 전극조립체는 긴 시트형의 양극과 음극 및 이들 사이에 분리막을 개재시킨 적층체를 조립하고, 전극 적층체의 일측 단부에 권심을 접촉시킨 상태에서 시트의 길이 방향으로 권취시킴에 따라 제조될 수 있다.
구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이 권심에 분리막(1a, 1b)이 가장 먼저 투입되어 겹쳐진 상태로 고정된 상태에서, 상기 권심이 회전하면서 음극(2)이 투입되고 이 후에 시차를 두고 양극(3)이 투입된다. 양극(3)까지 투입된 상태에서 권심이 미리 정해진 회전수만큼 회전하게 되면, 도 7에 도시된 바와 같이 젤리롤 형상이 이루어진다. 즉, 젤리롤의 중심으로부터 외측 방향으로 분리막(1a, 1b), 음극(2) 및 양극(3)이 위치하게 된다. 다만, 도 7에는 음극, 분리막 및 양극이 회전하는 동안 내부에 공간이 존재하는 것으로 도시되었으나, 이는 식별을 위해 의도적으로 이격하여 도시한 것일 뿐, 실제로는 회전이 이루어지는 동안 음극, 분리막 및 양극이 서로 밀착되어 속이 꽉찬 원통형 모양으로 권취가 이루어진다.
한편, 전지의 충방전 시 반복적인 팽창과 수축을 겪으면서 전극이 변형될 수 있다. 특히 젤리롤형 전극 조립체는 밀집된 형상을 가지고 있기 때문에 이러한 변형이 발생할 경우 내부 온도가 상승할 수 있다. 이와 같이 전극이 변형되거나 내부 온도가 과도하게 상승하는 경우 전극 조립체 내 분리막의 손상이 발생할 수 있으며 이에 따라 양극과 음극사이에 쇼트(short)가 발생할 위험이 있다. 이는 전극 조립체 내부 온도를 더욱 상승시켜 발화나 폭발 등의 심각한 안전 문제를 야기할 수 있으므로, 이러한 안전 문제를 해소하기 위한 방안 마련이 필요하다.
KR 10-2020-0134672 A
본 발명은 세라믹 함유 필름부재의 도입을 통해 상기와 같은 안전 문제가 해소된 이차전지용 전극 조립체 및 원통형 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극;
음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극; 및
상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 적층체가 권취된 형태의 전극 조립체에 있어서,
상기 음극의 길이 방향 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 단부는 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 무지부이며,
상기 양극은 길이 방향 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 단부에 세라믹 함유 필름부재가 구비된 것인, 이차전지용 전극 조립체를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 이차전지용 전극 조립체,
상기 전극 조립체가 수납되는 전지 캔, 및
상기 전지 캔의 개방 단부를 밀봉하는 캡 어셈블리를 포함하는 원통형 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지용 전극 조립체를 포함하여 원통형 이차전지를 제조할 경우, 충방전 과정에서 전극의 변형 및 이에 따른 분리막 손상을 방지할 수 있으며, 궁극적으로 내부 단락이 발생할 위험을 줄임으로써 이차전지의 안전성이 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극 적층체를 도식화하여 나타낸 도이다.
도 2는 젤리롤 전극 조립체에 있어서 세라믹 함유 필름부재가 도입되지 않은 경우(좌측)와 도입된 경우(우측)의 권취 중심부 상태를 비교하여 나타낸 도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시상태에 따른 세라믹 함유 필름부재를 도식화하여 나타낸 도이다.
도 4은 도 3에 도시된 세라믹 함유 필름부재에 있어서 A-A' 단면이 가질 수 있는 여러 형상을 나타낸 도이다.
도 5는 실시예 및 비교예에서 제조된 이차전지의 시간에 따른 전압 변화를 측정한 도이다.
도 6는 통상적인 방법에 따라 젤리롤 전극 조립체를 제조할 때에 분리막, 음극 및 양극이 권심으로 투입되는 과정을 나타낸 도이다.
도 7는 도 6의 상태에서 권심이 회전하면서 젤리롤 형상을 이루는 과정을 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 수직 단면 사시도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 어셈블리의 구조를 나타낸 도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
그리고 도면에서 본 발명에 대한 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
전술한 바와 같이 이차전지의 충방전 시 반복적인 팽창과 수축에 의해 전극이 변형되고, 분리막이 손상되면서 양극과 음극 사이에 단락이 발생할 수 있다. 원통형 이차전지에서는 권취 중심부에 압력이 집중되면서 이러한 문제가 더 빈번하게 나타날 수 있으며, 특히 양극이 무지부를 포함하지 않는 프리엣지(free edge) 양극인 경우 두께 단차가 크기 때문에 이러한 문제가 더욱 심화될 수 있다.
이에, 본 발명자들은 양극의 길이 방향 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 끝단 부분에 세라믹 함유 필름부재를 도입하여 전극의 변형을 방지하고 두께 단차를 줄이는 효과를 도모하였으며, 이를 통해 전극 조립체의 권취 중심부에서 발생하는 분리막 손상 및 내부 단락 문제를 해소할 수 있음을 알아내었다.
이하에서 본 발명의 각 구성을 보다 자세히 설명한다.
[전극 조립체]
본 발명에 따른 이차전지용 전극 조립체는 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극; 음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극; 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 적층체가 권취된 형태이며, 상기 음극의 길이 방향 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 단부는 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 무지부이며, 상기 양극은 길이 방향 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 단부에 세라믹 함유 필름부재가 구비된 것이다.
상기 전극 적층체는 도 1에 개시되어 있는 것과 같이, 분리막(1b), 양극 집전체(3b)의 양면에 양극 활물질층(3a)이 구비된 양극(3), 분리막(1a) 및 음극 집전체(2b)의 양면에 음극 활물질층(2a)이 구비된 음극(2)이 차례로 적층된 구조일 수 있다.
한편, 상기 세라믹 함유 필름부재는 상기 분리막을 사이에 두고 상기 음극 무지부의 영역과 일치하거나 이에 비해 더 넓은 영역에 구비될 수 있다. 즉, 상기 세라믹 함유 필름부재가 구비된 영역(31a)은 분리막(1a)을 사이에 두고 상기 음극 무지부의 영역(21a)과 일치하거나 이에 비해 더 넓은 것이 바람직하다. 도 1을 참조하면 양극(3) 끝단에 부착되어 있는 세라믹 함유 필름부재(31)가 권취 중심부(C)가 될 음극(2) 끝단에 위치한 음극 무지부의 영역(21a)을 모두 커버하도록 더 넓게(도면 상에는 더 길게) 형성된 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 세라믹 함유 필름부재는 양극의 양면에 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 일 실시상태에 있어서, 세라믹 함유 필름부재는 녹는점이 130℃ 이상인 고분자 필름에 세라믹이 첨가된 것일 수 있으며, 바람직한 예로서, 도 3과 같이 고분자 필름(50)에 세라믹(51)이 일정 간격을 두고 줄무늬 형태로 함유되어 있는 것일 수 있다. 도 4는 도 3의 A-A' 부분의 단면을 나타낸 모식도이며, (a)와 같이 고분자 필름과 세라믹이 교대로 부착되어 있거나, (b)와 같이 고분자 필름의 일부를 세라믹(51)으로 대체하여 도입할 수도 있고, (c) 및 (d)와 같이 고분자 필름(50)의 단면 혹은 양면에 세라믹(51)이 부착 혹은 코팅되어 있는 형태일 수도 있다.
이와 같이 세라믹이 도입된 필름은 세라믹의 고강도 특성으로 인하여 종래의 고분자 필름에 비해 높은 물리적 강성 및 고정력을 가지며 따라서 충방전에 따른 전극의 길이 변화를 보다 효과적으로 억제할 수 있고, 따라서 전극의 변형에 따른 분리막 손상도 방지할 수 있다. 구체적으로, 상기 세라믹 함유 필름부재는 200N/cm 내지 400N/cm, 바람직하게는 250N/cm 내지 350N/cm, 더욱 바람직하게는 280N/cm 내지 320N/cm의 인장강도(Tensile strength)를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 세라믹 함유 필름부재는 고분자 필름에 세라믹이 일정 간격을 두고 줄무늬 형태로 함유되어 있는 것이며, 상기 세라믹 한 줄의 폭(도 4의 w)은 1mm 내지 3mm일 수 있고, 줄무늬 간의 간격(도 4의 y)은 7mm 내지 10mm일 수 있다.
한편, 상기 세라믹 함유 필름부재의 양면 중 분리막과 맞닿는 면에 있어서, 상기 세라믹이 노출된 면적은 상기 세라믹 함유 필름부재 전체 면적의 5% 이상일 수 있으며, 다만, 권취 시 유연성을 고려하였을 때 10% 이하인 것이 바람직하다. 상기 세라믹 함유 필름부재의 두께는 20㎛ 이상이되, 170㎛ 이하, 바람직하게는 150㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 50㎛ 이하일 수 있으며, 세라믹 함유 필름부재의 두께가 상기 범위에 있는 것이 에너지 밀도를 감소시키지 않으면서 본 발명의 효과를 구현할 수 있는 점에서 바람직하다.
또한, 상기 고분자는 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리카보네이트 및 폴리설폰으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 폴리이미드, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 내화학성을 고려하였을 때 상기 고분자는 폴리프로필렌인 것이 가장 바람직하다. 구체적으로, 상기 세라믹 함유 필름부재는 고분자 테이프에 세라믹을 앞서 설명한 바와 같이 줄무늬 형태로 도입한 것일 수 있다.
또한, 상기 세라믹은 유리섬유, 텅스텐 카바이드(WC), Al2O3, Cr2O3, SiO2, MnO, ZnO, SnO, PbO, TiO2, B4C, TiC,　SiC,　AlN, Si3N4, MgB2, TiB2, TiAl, NiTi 및 Al2Si2O5(OH)4로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으며, 전기적 안정성 및 강도를 고려하였을 때 유리섬유, Al2O3 및 SiC로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하며, 유리섬유인 것이 가장 바람직하다.
한편, 상기 양극, 음극 및 분리막은 이차전지에 통상적으로 사용되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직한 예시로서 이하의 설명을 참고할 수 있다.
상기 양극(3)은 시트형 양극으로서, 전도성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄 호일로 이루어진 양극 집전체(3b)와, 그 양면에 코팅된 양극 활물질층(3a)을 포함할 수 있으며, 상기 음극(2)은 시트형 음극으로서, 전도성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극 집전체(2b)와 그 양면에 코팅된 음극 활물질층(2a)을 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질층은 리튬과 코발트, 망간 및/또는 니켈 등의 전이금속을 포함하는 리튬 금속 산화물 등을 양극 활물질로서 포함할 수 있으며 필요에 따라 도전재 및/또는 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 양극 활물질, 도전재 및 바인더는 이차전지의 제조에 통상적으로 사용되는 다양한 물질이 제한 없이 사용될 수 있다.
한편, 상기 양극의 길이 방향 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 단부에서 상기 양극 활물질층의 단부와 상기 양극 집전체의 단부가 일치할 수 있다. 즉, 길이 방향의 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 단부에 양극 무지부가 형성되지 않은 것일 수 있으며, 더욱 구체적으로 길이 방향의 양 단부 모두 양극 무지부를 포함하지 않는 프리엣지(free edge) 양극일 수 있다. 이 때 양극 무지부는 양극에서 양극 활물질층이 형성되지 않은 영역을 의미한다.
양극이 양극 무지부를 포함하는 경우, 양극 활물질층 형성 시 비산된 활물질 슬러리가 무지부에 붙으며 아일랜드(island) 형태로 양극 활물질층이 형성될 수 있으며 이는 전지의 충방전 과정에서 전극 적층체가 수축, 팽창할 때 내부 단락을 일으키는 원인이 될 수 있다.
이를 방지하기 위해 프리엣지 양극을 도입하는 것이 바람직한데, 앞서 설명한 바와 같이 프리엣지 양극을 포함하는 전극 적층체를 권취하는 경우 두께 단차로 인해 권취 중심부에서 발생하는 분리막 손상 및 내부 단락 문제가 발생하기 더욱 쉽다.
따라서, 이러한 프리엣지 양극에서는 본 발명의 세리막 힘유 필름부재를 도입할 필요성이 더욱 크며, 세라믹 함유 필름부재를 적용함에 따른 효과가 더욱 극대화될 수 있다.
상기 음극 활물질층은 천연흑연, 인조흑연 등의 탄소질재료; 금속류 또는 상기 금속류로 구성된 합금류; 상기 금속류의 산화물; 및 상기 금속류와 탄소와의 복합체 등의 음극 활물질을 포함할 수 있으며 필요에 따라 도전재 및/또는 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질, 도전재 및 바인더는 이차전지의 제조에 통상적으로 사용되는 다양한 물질이 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 전극 적층체에 포함되는 분리막(1a, 1b)은 종래에 분리막으로서 사용된 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌과 부텐의 공중합체, 에틸렌과 헥센의 공중합체 및 에틸렌과 메타크릴레이트의 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 다공성 고분자 필름을 단독으로, 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 또한, 무기물 입자(예: Al2O3)가 도포된 폴리올레핀계 다공성 고분자 필름 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극 조립체는 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 적층체가 R 방향으로 권취된 것일 수 있으며, 권취 후 C 부분이 권취 중심부를 이룰 수 있다. 이와 같이 권취된 전극 조립체는 예컨대 젤리롤 형태일 수 있다.
상기 전극 조립체에서 권취 중심부를 도식화하여 도 2에 나타내었다. 좌측 그림은 종래 기술대로 양극(3) 끝단에 세라믹 함유 필름부재를 형성하지 않은 것이다. 이 경우, 충방전 과정에서 전극에 가해지는 응력으로 인해 음극 무지부(21)의 변형(deformation)이 일어나게 되면, 분리막(1a)도 손상되어 양극(3)과 음극 무지부(21)간 단락이 발생할 위험이 있다.
반면, 우측 그림과 같이 양극(3) 끝단에 세라믹 함유 필름부재(31)를 부착하는 경우, 양극(3)을 고정하는 효과가 있으므로 충방전 과정에서 전극에 가해지는 응력을 견딜 수 있고 음극 무지부(21)의 변형도 방지할 수 있다.
한편, 상기 세라믹 함유 필름부재는 상기 전극 적층체의 권취 방향과 수평인 줄무늬 형태로 세라믹이 도입되어 있는 것일 수 있다. 도 3을 참고하면, C 부분이 권취 중심부에, E 부분이 권취 끝단부에 위치하도록 세라믹 함유 필름부재가 배치될 수 있다. 이 경우 권취 방향으로 작용하는 응력을 견디는 힘을 가지기 유리하다.
[원통형 이차전지]
본 발명에 따른 원통형 이차전지는 상기 전극 조립체, 상기 전극 조립체가 수납되는 전지 캔, 및 상기 전지 캔의 개방 단부를 밀봉하는 캡 어셈블리를 포함한다. 구체적으로, 도 8과 같은 원통형 이차전지(100)일 수 있으며, 젤리-롤형 전극조립체(120)를 전지 캔(130)에 수납하고, 상기 전지 캔(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 전지 캔(130)의 개방 상면에 캡 어셈블리(140)를 장착하여 밀봉함으로써 제조될 수 있다. 이 때 캡 어셈블리(140)는 전극조립체(120)로부터 연장된 전극 탭(예를 들어, 양극 탭)을 통해 전극 조립체와 전기적으로 연결된다.
상기 전극조립체(120)는 상술한 바와 같이 양극(3)과 음극(2), 및 이들 사이에 분리막(1)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
한편, 상기 캡 어셈블리(140)의 통상적인 구조를 나타낸 도 9를 참고하면, 탑 캡(10)은 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고 배기구(미도시)가 천공되어 있으며, 탑 캡의 하부에 안전벤트(20)가 위치한다. CID 필터(30)는 상면의 일부가 상기 안전벤트(20)에 결합되어 있고 하면의 일부가 전극조립체(120)의 전극에 연결되어 있다. 과충전, 고온 등과 같은 원인에 의해 전극조립체(120)로부터 기체가 발생하여 내압이 증가하면, 안전벤트(20)의 형상이 역전되면서 상향 돌출되어 기체가 배기된다. 이때, CID 필터(30)도 함께 상방으로 이동하면서 노치부(T) 영역이 파단되어 전류의 흐름이 차단될 수 있다. 이를 통해 추가의 과충전 및 전지의 폭발을 방지할 수 있다.
또한, 캡 어셈블리는 탑 캡(10)과 전지 캔(130) 사이에 기밀성을 제공하며 절연성을 가지는 가스켓(32)을 포함하며, 상기 탑 캡(10)은 전지 캔(130)에 형성된 비딩부(60) 상에 압착되며, 크림핑부(70)에 의해 고정될 수 있다. 탑 캡(10)은 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어진 부품으로, 전지 캔(130)의 상단 개구부를 커버한다. 탑 캡(10)은 전극 조립체(120)의 양극과 전기적으로 연결되며, 전지 캔(130)과는 가스켓(32)을 통해 전기적으로 절연된다. 따라서, 탑 캡(10)은 원통형 이차전지의 양극 단자로서 기능할 수 있다. 탑 캡(10)은 그 중심부에 상방으로 돌출된 형성된 돌출부를 구비할 수 있으며, 상기 돌출부가 외부 전원과 접촉하여 외부 전원으로부터 전류가 인가되도록 할 수 있다.
한편, 상기 전해액으로는 충방전시 전극에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬이온이 이동 가능한 것이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들면 리튬염이 용해된 비수성 유기용매일 수 있다.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAlO2, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 통상적으로 사용 가능한 범위 내에서 적절히 변경할 수 있으나, 0.1 내지 5.0M, 바람직하게는 0.1 내지 3,0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
상기 비수성 유기용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 예컨대, 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 비닐렌 카보네이트 등의 환형 카보네이트계 용매, 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC) 등의 선형 카보네이트계 유기 용매 또는 이들의 혼합 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 원통형 이차전지는 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 예를 들면, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 적용될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 원통형 이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩이 제공된다.
상기 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차, 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 자세히 설명한다.
<실시예: 원통형 이차전지의 제조>
실시예 1.
Li[Ni0.60Co0.20Mn0.20]O2의 조성을 갖는 리튬 니켈코발트망간계 산화물, 카본블랙 도전재 및 PVDF 바인더를 95 : 2 : 3의 중량비로 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 알루미늄 집전체의 일면에 도포 및 건조한 후, 롤 프레스를 실시하여 양극을 제조하였다.
그라파이트, SBR-CMC 바인더 및 카본블랙 도전재를 95:3.5:1.5 중량비로 용매인 물에 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 음극 집전체인 구리 박막에 도포 및 건조한 후, 롤 프레스를 실시하여 음극을 제조하였다.
이후, 상기 도 1과 같은 구조로, 폴리프로필렌 원단에 유리섬유가 함유된 세라믹 필라멘트 테이프(3M　Scotch　Filament　Tape　8915)를 권취 중심부가 될 양극 끝단에 부착하였으며, 이 때 세라믹 필라멘트 테이프(31)가 부착된 영역은 권취 중심부에 위치한 음극 무지부(21)에 대응하는 영역을 모두 커버할 수 있도록 하였다.
이후, 시트형의 폴리에틸렌 분리막(1b), 상기 세라믹 필라멘트 테이프(31)가 부착된 양극(3), 폴리에틸렌 분리막(1a), 및 상기 음극(2)을 차례로 적층한 다음, R 방향으로 함께 권취하여 젤리-롤 형상의 전극 조립체를 제조하였다.
제조된 전극 조립체를 제조한 다음, 전지 케이스 내부에 위치시킨 후, 상기 케이스 내부로 전해액을 주입하고, 캡 조립체로 케이스 상부를 밀봉하여 원통형 이차전지를 제조하였다. 상기 전해액은 에틸렌 카보네이트 및 에틸메틸카보네이트를 3:7의 부피비로 혼합한 혼합 유기 용매에 1M 농도의 LiPF6을 용해시켜 제조하였다.
비교예 1.
상기 실시예 1에서 양극 끝단에 세라믹 필라멘트 테이프를 부착하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 과정으로 원통형 이차전지를 제조하였다.
< 실험예: 원통형 이차전지의 성능 평가 >
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 원통형 이차전지에 대해 25℃에서 0.3C의 전류로 4.2V에 도달할 때까지 정전류 충전을 실시하였다. 충전이 완료된 셀에 대하여 약 50시간의 휴지기간 동안, 시간에 따른 전압 변화를 측정하여 도 5에 나타내었다.
도 5의 결과를 통해 본 발명의 일 실시상태에 따라 양극 끝단에 세라믹 함유 필름부재를 부착하는 경우 그렇지 않은 경우에 비해 전압 유지율이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 즉, 비교예 1의 경우 분리막 손상이 나타났으며, 실시예 1의 경우 세라믹 함유 필름부재의 도입을 통해 분리막 손상을 방지하였음을 예상할 수 있다.
1, 1a, 1b: 분리막
2: 음극
21: 음극 무지부
21a: 음극 무지부의 영역
2a: 음극 집전체
2b: 음극 활물질층
3: 양극
3a: 양극 집전체
3b: 양극 활물질층
31: 세라믹 함유 필름부재
31a: 세라믹 함유 필름부재가 구비된 영역
50: 고분자 필름
51: 세라믹
10: 탑 캡
20: 안전벤트
30: CID 필터
T: 노치부
40: 전극 탭
32: 가스켓
60: 비딩부
70: 크림핑부
100: 원통형 이차전지
120: 전극 조립체
130: 전지 캔
140: 캡 어셈블리
150: 센터 핀

Claims (11)

  1. 양극 집전체 및 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 형성된 양극 활물질층을 포함하는 양극;
    음극 집전체 및 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층을 포함하는 음극; 및
    상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 적층체가 권취된 형태의 전극 조립체에 있어서,
    상기 음극의 길이 방향 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 단부는 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 무지부이며,
    상기 양극은 길이 방향 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 단부에 세라믹 함유 필름부재가 구비된 것인, 이차전지용 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 함유 필름부재는 상기 분리막을 사이에 두고 상기 음극 무지부의 영역과 일치하거나 이에 비해 더 넓은 영역에 구비되는 것인, 이차전지용 전극 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 함유 필름부재는 상기 양극의 양면에 구비되는 것인, 이차전지용 전극 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극의 길이 방향 양 끝단 중 권취 중심부를 향하는 단부에서 상기 양극 활물질층의 단부와 상기 양극 집전체의 단부가 일치하는, 이차전지용 전극 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 함유 필름부재는 200N/cm 내지 400N/cm의 인장강도를 갖는 것인, 이차전지용 전극 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 함유 필름부재는 녹는점이 130℃ 이상인 고분자 필름에 세라믹이 첨가된 것인, 이차전지용 전극 조립체.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 세라믹 함유 필름부재의 양면 중 분리막과 맞닿는 면에 있어서, 상기 세라믹이 노출된 면적은 상기 세라믹 함유 필름부재 전체 면적의 5% 이상인, 이차전지용 전극 조립체.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 고분자는 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리카보네이트 및 폴리설폰으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인, 이차전지용 전극 조립체.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 세라믹은 유리섬유, 텅스텐 카바이드, Al2O3, Cr2O3, SiO2, MnO, ZnO, SnO, PbO, TiO2, B4C, TiC,　SiC,　AlN, Si3N4, MgB2, TiB2, TiAl, NiTi 및 Al2Si2O5(OH)4로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인, 이차전지용 전극 조립체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 함유 필름부재는 상기 전극 적층체의 권취 방향과 수평인 줄무늬 형태로 세라믹이 도입되어 있는 것인, 이차전지용 전극 조립체.
  11. 청구항 1에 따른 이차전지용 전극 조립체,
    상기 전극 조립체가 수납되는 전지 캔, 및
    상기 전지 캔의 개방 단부를 밀봉하는 캡 어셈블리를 포함하는 원통형 이차전지.
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