WO2013048037A2 - 우수한 제조 공정성과 안전성의 이차전지 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery having excellent manufacturing process and safety, and more particularly, a secondary battery having a structure in which a jelly-roll having a cathode / separation membrane / cathode structure is mounted in a cylindrical battery case, and having an upper end of the jelly-roll.
  • the insulating member of the plate-like structure to be mounted on the secondary battery is composed of a woven or knitted structure of fibers.
  • lithium secondary batteries with high energy density, high operating voltage, and excellent storage and life characteristics are used for various mobile devices as well as various electronic products. It is widely used as an energy source.
  • secondary batteries are classified into cylindrical batteries and rectangular batteries in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can, and pouch-type batteries in which the electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet. .
  • the cylindrical battery has the advantage of relatively large capacity and structurally stable.
  • the electrode assembly embedded in the battery case is a power generator capable of charging and discharging composed of a laminated structure of a positive electrode, a separator, and a negative electrode, a jelly-roll type wound through a separator between a long sheet type anode and an anode coated with an active material, and A plurality of positive and negative electrodes of a predetermined size are classified into a stack type in which a separator is sequentially stacked, and a stack / fold type which is a composite structure of a jelly-roll type and a stack type.
  • the jelly-roll type electrode assembly has advantages of easy manufacturing and high energy density per weight.
  • FIG. 1 a structure of a conventional cylindrical secondary battery is shown in FIG. 1, and an insulating member generally used in the cylindrical secondary battery is schematically illustrated in FIGS. 2 and 3 as a plan view.
  • the cylindrical secondary battery 100 accommodates the jelly-roll type (winding type) electrode assembly 120 in the battery case 130 and injects the electrolyte solution into the battery case 130.
  • the electrode assembly 120 has a structure in which a cathode 121, a cathode 122, and a separator 123 are interposed therebetween, and then wound in a rounded shape, and at its core (center of jelly-roll), a cylindrical center pin ( 150) is inserted.
  • the center pin 150 is generally made of a metal material to impart a predetermined strength, and has a hollow cylindrical structure in which a plate is rounded.
  • the center pin 150 acts as a passage for fixing and supporting the electrode assembly and for discharging gas generated by internal reaction during charging and discharging and operation.
  • the upper surface of the electrode assembly 120 is mounted with a plate-shaped insulating member 180a, the gas can be discharged and the positive electrode tab 142 of the electrode assembly 120 is a cap plate of the cap assembly 140
  • An opening 181a is formed at the center thereof to communicate with the through hole 151 of the center pin 150.
  • the insulating member 180a positioned at the top of the jelly-roll is a structure that blocks a path through which the electrolyte penetrates into the battery during the battery pouring process. Therefore, since the electrolyte penetrates into the battery only through the opening 181a communicating with the center pin 150 and the portion where the insulating member 180a is not located, a lot of time is required for the pouring process and as a result, the productivity is increased. Have problems falling
  • a structure in which a plurality of through holes 182b are formed around the opening 181b in some insulating members 180b may be proposed.
  • conductive impurity particles such as metal powder generated during manufacturing and / or assembling of the cap assembly 140 and the battery case 130 may be formed through the through holes 182b formed in the insulating member 180b. Inflow to 120 may result in a short circuit or a drawback that significantly degrades the battery life characteristics.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problem that has been requested from the past.
  • this insulating member greatly improves the electrolyte solutionability and at the same time occurs during the assembly process such as the beading process By preventing foreign substances from entering the jelly-roll, it was confirmed that the battery was prevented and the safety was improved, and the present invention was completed.
  • a secondary battery according to the present invention for achieving the above object is a secondary battery having a structure in which a jelly-roll of a cathode / separation membrane / cathode structure is mounted in a cylindrical battery case, and has a plate-like structure mounted on an upper end of the jelly-roll.
  • the insulating member consists of a woven or knitted structure of fibers.
  • the secondary battery according to the present invention by using an insulating member made of a woven fabric or knitted fabric of fibers, resulting in the electrolyte injection by the woven fabric or knitted fabric of the fibers, the resulting injection path is dispersed to reduce the injection time As a result, the liquid-liquidity is improved.
  • the fiber is not particularly limited as long as the electrolyte is easily infused and electrically insulating, and may be made of, for example, synthetic fibers and / or natural fibers.
  • the synthetic fibers may be made of polyethylene, polypropylene, polybutylene, polystyrene, polyethylene terephthalate, nylon, and the like.
  • the fine pores formed in the woven fabric or knitted structure may have a size that passes through the electrolyte but does not pass foreign matter of 100 ⁇ m or more.
  • the secondary battery according to the present invention since the secondary battery according to the present invention, only the electrolyte is injected into the jelly-roll through the fine pores of the insulating member when the electrolyte is injected, there is no fear that foreign substances larger than 100 ⁇ m may be introduced into the jelly-roll.
  • the process to remove can be skipped and manufacturing processability can be improved significantly.
  • the secondary battery according to the present invention has no effect of short generation due to the inflow of foreign matters, thereby improving safety.
  • the fine pores have a high transmittance to the electrolyte when the electrolyte is injected while providing an electrically insulating state, which is a function of the insulating member, and is preferably formed in the range of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m to prevent the permeation of foreign substances larger than 100 ⁇ m. Do.
  • the position of the micropores, the interval between each other is non-limiting within the range that does not impair foreign matter inflow prevention, electrolyte pourability and gas dischargeability.
  • the fine pores are formed over the entire surface of the insulating member at the same or not mutually equal intervals to prevent the inflow of foreign matters larger than 100 ⁇ m size and to improve the liquid injection and gas discharge of the electrolyte solution It may be a structure.
  • the spacing refers to the spacing between the fine pores, the mutual spacing may be a size of 10 ⁇ m to 100 ⁇ m, for example.
  • the electrolyte is injected into the fine pores formed over the entire surface of the insulating member as described above, since the injection path can be further dispersed, the injection time can be reduced, and the pouring time can be reduced, When the intervals are the same, since the injection speed is constant, the electrolyte may impregnate the jelly-roll evenly, and as a result, battery characteristics are improved.
  • the fine pores formed over the entire surface of the insulating member at the same interval to each other becomes a discharge path of the gas generated due to decomposition of the electrolyte, and through the discharge path dispersed in consideration of the diffusivity of the gas If discharged, the exhaust speed can be improved.
  • the spacing between the fine pores may be composed of a structure that is not the same.
  • the fine pores may be made of a through-hole shape having a uniform diameter in the vertical direction, or may be made of a communication port shape having a non-uniform diameter in the vertical direction.
  • the through hole shape and the communication hole shape are related to the movement paths of the electrolyte and the gas in the insulating member.
  • the through-hole shape having a uniform diameter forms a two-dimensional movement path
  • the communication hole shape having a non-uniform diameter forms a three-dimensional movement path.
  • the communication port shape having the diameter of the micropores having a non-uniform diameter in the vertical direction it may be more preferable that the communication port shape having the diameter of the micropores having a non-uniform diameter in the vertical direction.
  • the insulating member may be made of a single layer or a multi-layer structure of woven or knitted structure as needed.
  • the number of layers in the multilayer structure is not particularly limited and may be, for example, in the range of 2 to 10.
  • Each layer may be bonded by, for example, bonding, heat welding, needle punching, etc., but is not limited thereto.
  • each layer or the woven or knitted structure of each layer may be changed to form a communication hole shape having fine pores having a non-uniform diameter in the vertical direction as described above.
  • the entire thickness of the insulating member is preferably 0.1 mm to 0.5 mm in size. If the thickness of the insulating member is too thin, it may be difficult to sufficiently exhibit the original electrical insulating function of the insulating member, on the contrary, if the thickness of the insulating member is too thick, the battery capacity is reduced by causing the size of jelly-roll in the battery case of the same standard. It is undesirable because it is.
  • the secondary battery according to the present invention may be preferably applied to a lithium secondary battery prepared by impregnating a lithium-containing electrolyte in the jelly-roll.
  • a lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte, and the like.
  • the positive electrode may be prepared by applying a slurry prepared by mixing a positive electrode mixture including a positive electrode active material and a conductive material, a binder, a filler, and the like to a solvent such as NMP on a positive electrode current collector, followed by drying and rolling.
  • the positive electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ⁇ m. Such a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the positive electrode current collector may be formed on a surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel. The surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. can be used.
  • the current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesion of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the binder is a component that assists in bonding the active material and the conductive agent to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
  • the filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the separator is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the pore diameter of the separator is generally from 0.01 to 10 ⁇ m ⁇ m, thickness is generally 5 ⁇ 300 ⁇ m.
  • a separator for example, olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used.
  • a solid electrolyte such as a polymer
  • the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • the negative electrode is manufactured by applying a negative electrode mixture including a negative electrode active material on a negative electrode current collector and then drying the negative electrode mixture.
  • the negative electrode mixture may include components as described above, as necessary.
  • the negative electrode active material may be, for example, carbon such as hardly graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), Sn x Me 1-x Me ' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, halogen, 0 ⁇ x ⁇ 1; 1 ⁇ y ⁇ 3; 1 ⁇ z ⁇ 8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , Metal oxides such as Bi 2 O 5 ;
  • the negative electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ⁇ m.
  • a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver and the like on the surface, aluminum-cadmium alloy and the like can be used.
  • fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the electrolyte is preferably a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte consisting of an electrolyte and a lithium salt.
  • a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, etc. are used.
  • non-aqueous organic solvent examples include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethylformamide, dioxolon , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymerizers containing ionic dissociating groups and the like can be used.
  • Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates, and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 —LiI-LiOH, Li 3 PO 4 —Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.
  • the lithium salt is a good material to be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.
  • pyridine triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride and the like may be added. .
  • a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-Ethylene) may be further included.
  • carbonate), PRS (propene sultone), FPC (Fluoro-Propylene carbonate) may be further included.
  • the battery may have a structure including an opening perforated on the insulating member for gas discharge and penetration of the electrode terminal.
  • the present invention also provides a device including the secondary battery as a power source, and the device according to the present invention is not only a mobile device such as a mobile phone and a portable computer, but also considers excellent life characteristics and safety, such as LEV (Light Electronic Vehicle) , Electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles and power storage devices and the like can be preferably used.
  • LEV Light Electronic Vehicle
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a cylindrical secondary battery
  • FIG. 2 is a plan view of an insulating member used in the secondary battery of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a plan view of another type of insulating member used in the secondary battery of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a plan view of an insulating member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view schematically showing an insulating member according to an embodiment of the present invention.
  • the secondary battery 100 has a structure in which a jelly roll 120 having a structure of a cathode 121, a separator 123, and a cathode 122 is mounted on a cylindrical battery case 130.
  • a jelly roll 120 having a structure of a cathode 121, a separator 123, and a cathode 122 is mounted on a cylindrical battery case 130.
  • an insulating member 180c having a plate-like structure is mounted on the top of the jelly-roll 120.
  • the insulating member 180c has a polyethylene terephthalate (PET) of about 0.4 mm in a woven fabric structure, an opening 181c is perforated on one side, and a plurality of pores 182c having a diameter of 10 to 30 ⁇ m are randomly selected. It is formed over the whole surface of the insulating member 180c.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the electrolyte penetrates over the entire surface of the insulating member 180c by the plurality of fine pores 182c, the liquid injection property is greatly improved, and short generation can be prevented.
  • the thickness is 0.4 mm, and as shown in FIG. 4, a 6 mm wide and 2.5 mm square opening is perforated on one side, and a plurality of fine pores having a diameter of 10 to 30 ⁇ m are formed.
  • An insulating member is formed on the front surface at intervals of about 10 to 30 ⁇ m. Then, the insulating member is mounted on the jelly-roll top of the structure in which the anode / separation membrane / cathode is wound by the center pin, and fine metal powders generally generated in the battery assembly process are placed on the insulating member. In the state, a cylindrical secondary battery of 18650 standard (diameter 18 mm, length 65 mm) was produced.
  • An insulating member and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that an insulating member having a plurality of fine pores having a diameter of 100 ⁇ m was formed on the front surface at intervals of about 120 ⁇ m.
  • an insulating member and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1.
  • an insulating member and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1.
  • An insulating member and a secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that an insulating member having a plurality of fine pores having a diameter of 150 ⁇ m was formed on the front surface at intervals of about 120 ⁇ m.
  • cap assembly was welded to the open top of the secondary battery manufactured as described above, and each produced 10 pieces, and the charging and discharging experiment was conducted to check whether the short circuit occurred, and the results are shown in Table 1 below.
  • the batteries of Examples 1 and 2 of the present invention can be confirmed that the impregnation time of the electrolyte is significantly shorter than the comparative example 1. That is, the fine pores of the woven fabric structure formed in the insulating member, it can be seen that the electrolyte is effectively transmitted.
  • the battery of Comparative Example 2 has improved impregnation compared to the battery of Comparative Example 1, the short circuit rate is relatively large, and the battery of Comparative Example 3 also shows the impregnation similar to that of Examples 1 and 2, but the short circuit rate is relatively You can see the largeness. This was confirmed to be due to the passage of the metal powder through the relatively large pores causing a short circuit inside the jelly-roll.
  • the battery of Comparative Example 1 shows a higher short-circuit rate than the batteries of Examples 1 and 2, although the fine pores as in Examples 1 and 2 are not perforated in the insulating member attached thereto. give.
  • This high short-circuit rate while the metal powders on the micropores in the cells of Examples 1 and 2, the movement is suppressed, whereas in the battery of Comparative Example 1 is free to move on the smooth surface of the insulating member, opening or insulation It is thought to be due to the movement to the jelly-roll through the outer peripheral surface of the member.
  • the insulating member of the plate-like structure is composed of a woven or knitted structure of fibers, so that the injection path is dispersed during electrolyte injection by the woven or knitted structure to reduce the pouring time. As a result, the liquid-liquidity is improved.
  • the secondary battery according to the present invention may omit the step of selecting and removing foreign matters, in some cases, the step of preventing or removing the warpage phenomenon, it is possible to cut the insulating member to a certain dimension, There is an effect of greatly improving the fairness.
  • the secondary battery according to the present invention has no fear of short generation due to the inflow of foreign matters and the gas dischargeability is improved, resulting in improved safety.
  • the secondary battery according to the present invention improves the rate characteristic because the jelly-roll is impregnated evenly in the electrolyte.

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에 탑재되는 판상 구조의 절연부재는 섬유들의 직포 또는 편물 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

우수한 제조 공정성과 안전성의 이차전지
본 발명은 우수한 제조 공정성과 안전성의 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에 탑재되는 판상 구조의 절연부재는 섬유들의 직포 또는 편물 구조로 이루어져 있는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조인 스택/폴딩형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 종래의 원통형 이차전지의 구조가 도 1에 도시되어 있으며, 원통형 이차전지에서 일반적으로 사용되는 절연부재가 도 2 및 도 3에 평면도로서 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 전지케이스(130)에 수납하고, 전지케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 캡 어셈블리(140)를 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122) 및 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
또한, 전극조립체(120)의 상단면에는 판상형 구조의 절연부재(180a)가 장착되는 바, 가스가 배출될 수 있고 전극조립체(120)의 양극 탭(142)이 캡 어셈블리(140)의 캡 플레이트(145)에 연결될 수 있도록, 중앙에 센터 핀(150)의 관통구(151)와 연통되는 개구(181a)가 형성되어 있다.
그러나, 젤리-롤 상단에 위치하는 절연부재(180a)는 전지의 주액 공정에서 전해액이 전지 내부로 침투하는 경로를 차단하고 있는 구조물이다. 그로 인해, 센터 핀(150)과 연통되는 개구(181a)와, 절연부재(180a)가 위치하지 않는 부위를 통해서만 전해액이 전지 내부로 침투하게 되므로, 주액 공정에 많은 시간이 소요되고 결과적으로 생산성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다
이러한 주액 공정시 전해액의 침투 경로를 원활하게 하기 위하여, 도3과 같이 일부 절연부재(180b)에는 개구(181b) 주변에 다수의 관통구(182b)가 형성되어 있는 구조가 제안되기도 한다.
그러나, 이러한 구조는 전지의 안전성 측면에서 심각한 문제를 가지고 있는 것으로 확인되었다. 즉, 캡 어셈블리(140), 전지케이스(130) 등의 제조 및/또는 조립 과정에서 발생한 금속 분말 등과 같은 도전성 불순물 입자들이, 절연부재(180b)에 천공되어 있는 관통구들(182b)를 통해 전극조립체(120)로 유입되어, 단락을 유발시키거나 전지의 수명 특성을 현저히 떨어뜨리는 단점을 초래할 수 있다.
따라서, 주액 공정성을 향상시키면서 전지의 조립공정 중 발생하는 이물의 유입을 방지함으로써 수명 특성이 향상된 이차전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 출원인들은 다양한 실험과 심도있는 연구를 통해 이후 설명하는 바와 같은 특정한 형태의 절연부재를 개발하게 되었고, 이러한 절연부재는 전해액 주액성을 크게 향상시킴과 동시에 비딩공정과 같은 조립공정 중에 발생하는 이물들이 젤리-롤 내로 유입되는 것을 방지함으로써 전지의 불량을 방지하고 안전성을 향상시킴을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에 탑재되는 판상 구조의 절연부재는 섬유들의 직포 또는 편물 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 섬유들의 직포 또는 편물(편직물) 구조로 이루어진 절연부재를 사용함으로써, 섬유들의 직포 또는 편물 구조에 의해 전해액이 주액되는 결과 주액 경로가 분산되어 주액시간을 감소시킬 수 있고, 결과적으로 주액성이 향상된다.
상기 섬유는 전해액이 용이하게 주액되고 전기절연성을 가진 소재이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어 합성 섬유 및/또는 천연 섬유로 이루어질 수 있다.
구체적으로 합성 섬유는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부티렌, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 나일론 등으로 이루어질 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 직포 또는 편물 구조에 형성되어 있는 미세 기공들은 전해액은 통과하지만 100 ㎛ 크기 이상의 이물(異物)은 통과하지 못하는 크기를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 전해액 주입 시 전해액만 절연부재의 미세 기공들을 통해 젤리-롤 내에 주입되므로, 100 ㎛ 크기 이상의 이물들이 젤리-롤 내로 유입될 염려가 없고, 이러한 이물들을 선별하여 제거하는 공정을 생략할 수 있어서 제조 공정성을 크게 향상시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 이차전지는 이물들의 유입으로 인한 쇼트 발생 염려가 없으므로 안전성이 향상되는 효과가 있다.
상기 미세 기공은 절연부재 본연의 기능인 전기적 절연 상태를 제공하면서 전해액의 주입시 전해액에 대한 높은 투과율을 갖고, 100 ㎛ 크기 이상의 이물들의 투과를 방지하도록 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 미세 기공들의 위치, 상호간의 간격은 이물 유입방지, 전해액 주액성 및 가스 배출성을 저해하지 않는 범위 내에서 비제한적이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 미세 기공들은 100 ㎛ 크기 이상의 이물들의 유입을 방지하고, 전해액의 주액성 및 가스 배출성을 향상시킬 수 있도록 상호 동일하거나 상호 동일하지 않은 간격으로 절연부재의 전면에 걸쳐 형성되어 있는 구조일 수 있다. 여기서, 상기 간격은 미세 기공들 사이의 간격을 의미하고, 상호 간격은 예를 들어 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 크기일 수 있다.
상기와 같이 절연부재의 전면에 걸쳐 형성되어 있는 미세 기공들로 전해액이 주액되는 경우에는, 주액 경로가 더욱 분산될 수 있으므로 주액성이 향상되는 결과 주액시간을 감소시킬 수 있고, 미세 기공들 상호간의 간격들이 동일한 경우에는 주액 속도가 일정하게 되므로 전해액이 젤리-롤을 고르게 함침시킬 수 있으므로 결과적으로 전지 특성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 상호 동일한 간격으로 절연부재의 전면에 걸쳐 형성되어 있는 미세 기공들은, 예를 들어, 전해액의 분해로 인해 발생된 가스의 배출경로가 되고, 가스의 확산성을 고려할 때 분산된 배출경로를 통해서 배출되는 경우 배기속도가 향상될 수 있다.
그러나, 앞서 언급한 바와 같이, 미세 기공들 상호간의 간격들이 동일하지 않은 구조로 구성될 수도 있음은 물론이다.
상기 미세 기공들은 상하 방향으로 균일한 직경을 가진 관통구 형상으로 이루어진 것이거나, 상하 방향으로 불균일한 직경을 가진 연통구 형상으로 이루어진 것일 수도 있다. 상기 관통구 형상 및 연통구 형상은 절연부재 내에서의 전해액 및 가스의 이동경로와 관련이 있다.
구체적으로, 균일한 직경을 가진 관통구 형상은 2차원의 이동경로를 형성시킴에 반하여, 불균일한 직경을 가진 연통구 형상은 3차원의 이동경로를 형성시킨다. 전해액의 균일한 주입과 가스의 확산성 측면에서, 상기 미세 기공들이 상하 방향으로 불균일한 직경을 가진 연통구 형상이 더 바람직할 수도 있다.
바람직하게는, 상기 절연부재는 필요에 따라 직포 또는 편물 구조의 단층 또는 다층 구조로 이루어질 수 있다. 다층 구조의 층 수는 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 2 내지 10개의 범위일 수 있다. 각 층들은, 예를 들어, 접착, 열융착, 니들 펀칭 등의 방법으로 접합될 수 있지만, 그것으로 한정되는 것은 아니다.
다층 구조에서는 각 층의 배열 형태나 각 층의 직포 또는 편물 구조를 변화시켜, 앞서 설명한 바와 같이, 미세 기공들이 상하 방향으로 불균일한 직경을 가진 연통구 형상을 만들 수 있다.
상기 절연부재의 전체 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm 크기를 가지는 것이 바람직하다. 상기 절연부재의 두께가 너무 얇은 경우에는 절연부재 본연의 전기적 절연 기능을 충분히 발휘하기 어려울 수 있으며, 반대로, 너무 두꺼운 경우에는 동일 규격의 전지케이스에서 젤리-롤의 크기 감소를 유발하여 전지 용량이 줄어드므로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 이차전지는 상기 젤리-롤에 리튬 함유 전해액을 함침시켜 제조되는 리튬 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
상기 양극은 양극 활물질과 선택적으로 도전재, 바인더, 충진제 등을 이 포함하는 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+yMn2-yO4 (여기서, y 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-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, y = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-yMyO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, y = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 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 공중합제 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 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 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; 주석계 합금; 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.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 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.
한편, 상기 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있는 리튬염 함유 비수계 전해액이 바람직하다. 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene carbonate), PRS(Propene sultone), FPC(Fluoro-Propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.
한편, 상기 전지는 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 절연부재 상에 천공되어 있는 개구를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 본 발명에 따른 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등 모바일 기기뿐만 아니라, 우수한 수명 특성과 안전성 등을 고려할 때, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치 등에 바람직하게 사용될 수 있다.
이러한 리튬 이차전지, 이를 단위전지로 포함하는 중대형 전지모듈 및 디바이스의 구조와 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
도 1은 원통형 이차전지의 대표적인 단면 모식도이다;
도 2는 도 1의 이차전지에서 사용된 절연부재의 평면도이다;
도 3은 도 1 의 이차전지에서 사용된 또 다른 형태의 절연부재의 평면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 절연부재의 평면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 절연부재의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 도 1과 함께 참조하면, 이차전지(100)는 양극(121), 분리막(123), 음극(122) 구조의 젤리-롤(120)이 원통형 전지케이스(130)에 장착되어 있는 구조로서, 젤리-롤(120)의 상단에는 판상 구조의 절연부재(180c)가 탑재되어 있다.
절연부재(180c)는 대략 0.4 mm의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)가 직포 구조로 이루어져 있으며, 일측에 개구(181c)가 천공되어 있고, 직경 10 내지 30 ㎛의 다수의 기공들(182c)이 랜덤하게 절연부재(180c)의 전면에 걸쳐 형성되어 있다.
따라서, 다수의 미세 기공들(182c)에 의해, 전해액의 주입시 절연부재(180c)의 전면에 걸쳐서 전해액이 침투하므로 주액성이 크게 향상되고, 쇼트의 발생을 미연에 방지할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
직포 구조로 이루어진 PET를 사용하여 두께가 0.4 mm이고, 도 4와 같이, 가로 6 mm, 세로 2.5 mm의 사각형 모양의 개구가 일측에 천공되어 있고, 직경이 10 내지 30 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 10 내지 30 ㎛의 간격으로 전면에 형성되어 있는 절연부재를 제조하였다. 그런 다음, 센터 핀에 의해 양극/분리막/음극이 권취되어 있는 구조의 젤리-롤 상단에 상기 절연부재를 탑재하고, 전지의 조립 과정에서 일반적으로 발생하는 미세 금속 분말들을 상기 절연부재 상에 위치시킨 상태로, 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 이차전지를 제작하였다.
[실시예 2]
직경이 100 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 120 ㎛의 간격으로 전면에 형성되어 있는 절연부재를 준비한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.
[비교예 1]
도 2와 같이, 다수의 미세 기공들을 포함하지 않은 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 절연부재 및 이차전지를 제작하였다.
[비교예 2]
도 3과 같이, 다수의 미세 기공들 대신에 직경이 2.5 mm인 3개의 관통구들이 형성된 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.
[비교예 3]
직경이 150 ㎛인 다수의 미세 기공들이 약 120 ㎛의 간격으로 전면에 형성되어 있는 절연부재를 준비한 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절연부재 및 이차전지를 각각 제작하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1 내지 3에서 각각 제작된 이차전지에 대한 전해액 함침 실험을 실시하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 전해액 함침 실험은 1M LiPF6의 카보네이트계 전해액을 상기에서 제작된 원통형 전지케이스에 주입한 후 젤리-롤의 함침률이 100%가 되는데 소요되는 시간을 측정하였고, 이러한 과정을 4회 반복하여 평균값을 얻었다.
또한, 상기에서 제작된 이차전지의 개방 상단에 캡 어셈블리를 용접하여 각각 10 개씩을 제작하고, 충방전 실험을 진행하여 단락 여부를 확인하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure PCTKR2012007307-appb-I000001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2의 전지들은 전해액의 함침 시간이 비교예 1에 비해 현저히 단축되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 절연부재에 형성되어 있는 직포 구조의 미세 기공들에 의해, 전해액이 효과적으로 투과하였음을 알 수 있다.
비교예 2의 전지는 비교예 1의 전지에 비하여 함침성이 향상되지만 단락률이 상대적으로 커지며, 비교예 3의 전지 역시 실시예 1 및 2에 비견되는 함침성을 보여주고 있지만, 단락률이 상대적으로 큼을 알 수 있다. 이는 상대적으로 큰 기공을 통해 금속 분말이 통과하여 젤리-롤의 내부에서 단락이 유발되기 때문인 것으로 확인되었다.
한편, 비교예 1의 전지는, 그것에 장착되는 절연부재에 실시예 1 및 2에서와 같은 미세 기공들이 천공되어 있지 않음에도 불구하고, 실시예 1 및 2의 전지들에 비해 더 높은 단락률을 보여 준다. 이러한 높은 단락률은, 실시예 1 및 2의 전지들에서는 금속 분말들이 미세 기공 상에 걸치면서 이동이 억제됨에 반하여, 비교예 1의 전지에서는 절연부재의 매끈한 표면에서 이동이 자유로워, 개구 또는 절연부재의 외주면을 통해 젤리-롤로 이동되기 때문인 것으로 생각된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 판상 구조의 절연부재를 섬유들의 직포 또는 편물 구조로 구성함으로써, 직포 또는 편물 구조에 의해 전해액 주입시 주액 경로가 분산되어 주액시간을 감소시킬 수 있고, 결과적으로 주액성이 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지는 이물들을 선별하여 제거하는 공정, 경우에 따라서는, 와피지 현상을 방지 또는 제거하는 공정을 생략할 수 있고, 일정한 치수로 절연부재를 재단하는 것이 가능하므로, 제조 공정성을 크게 향상시키는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 이차전지는 이물들의 유입으로 인한 쇼트발생 염려가 없고 가스 배출성이 향상되므로 결과적으로 안전성이 향상된다.
게다가, 본 발명에 따른 이차전지는 젤리-롤이 전해액에 고르게 함침되므로 레이트 특성이 향상된다.

Claims (12)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 젤리-롤이 원통형 전지케이스에 장착되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 상단에 탑재되는 판상 구조의 절연부재는 섬유들의 직포 또는 편물 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유는 합성 섬유 및/또는 천연 섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 직포 또는 편물 구조에 형성되어 있는 미세 기공들은 전해액은 통과하지만 100 ㎛ 크기 이상의 이물(異物)은 통과하지 못하는 크기를 가진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 미세 기공들은 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 미세 기공들은 상하 방향으로 균일한 직경을 가진 관통구 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 미세 기공들은 상하 방향으로 불균일한 직경을 가진 연통구 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재는 직포 또는 편물 구조의 단층 또는 다층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연부재의 두께는 0.1 mm 내지 0.5 mm 크기인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 가스 배출 및 전극단자의 관통을 위해 절연부재 상에 천공되어 있는 개구를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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