WO2014182102A1 - 안전성 향상을 위한 이차전지용 이중 파우치 및 이를 이용한 이차전지 - Google Patents

안전성 향상을 위한 이차전지용 이중 파우치 및 이를 이용한 이차전지 Download PDF

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김형석
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Definitions

  • the present invention relates to a double pouch for secondary batteries for improving safety, and more particularly, to a double pouch for secondary batteries, characterized in that the double pouch includes a safety member therein.
  • lithium secondary batteries are subject to high temperature and high pressure inside the battery, which may be caused by abnormal operating conditions of the battery, such as internal shorts, overcharge conditions exceeding the allowed currents and voltages, exposure to high temperatures, and impact from falling. This may cause an explosion of the battery.
  • automotive batteries require a large capacity, but the larger the capacity, the more vulnerable to safety.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2012-0132341 discloses a safety member for a secondary battery that prevents fire by absorbing heat as much as possible, which is a heat release. Since it is a method that can absorb and prevent ignition, there is a limit that it cannot be coped once ignition occurs by impact.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art as described above,
  • the purpose of the present invention is to provide a double pouch for a secondary battery for improving safety that prevents the battery from igniting even when the inside of the battery becomes hot due to abnormal operating conditions such as internal short, overcharge, exposure to high temperature, and shock. have.
  • the present invention provides a double pouch for a secondary battery including a safety member.
  • a positive electrode having a positive electrode active material, and a positive electrode current collector
  • a negative electrode having a negative electrode active material and a negative electrode current collector
  • Separator and a double pouch accommodating the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and the double pouch provides a double pouch type secondary battery comprising a safety member therein.
  • the safety member of the double pouch made of a flame retardant material Since it melts first due to high temperature, there is an advantage that the battery can be prevented from igniting.
  • FIG. 1 is a view showing the structure of a conventional pouch-type battery.
  • FIG. 2 is a view showing the structure of a double pouch type battery of the present invention.
  • Double pouch for a secondary battery according to the present invention includes a safety member.
  • the safety member may be included by forming a layer or a block inside the double pouch for a secondary battery, or may be included by forming a layer or a block outside the double pouch for a secondary battery.
  • the safety member in the form of a layer encloses the electrode assembly once or several times, or on one side or several sides of the electrode assembly Covering the safety member of the corresponding size in accordance with one or several sides of the electrode assembly, it is included in the double pouch in the form of enclosing again with a pouch except for the safety member.
  • the base portion of the pouch except for the safety member of the double pouch is used in the secondary battery is not particularly limited as long as it can stably protect the safety member without causing chemical reaction itself, preferably polyethylene, poly Propylene, polyurethane, and the like can be used, and more preferably those containing aluminum therein can be used.
  • the safety member is not particularly limited as long as it has a resin having a constant melting point of 80 ° C. or higher, but preferably, a flame retardant resin having a constant melting point of 80 ° C. or higher may be used, and more preferably, 80 ° C. consisting of one or more flame retardant elastomer resins.
  • a flame retardant resin having the above constant melting point can be used.
  • ABC acrylonitrile-butadiene-styrene
  • ACS resin acrylonitrile chlorinated polyethylene styrene terpolymer
  • AXS resin acrylonitrile styrene acrylic ester
  • AAS resin acrylonitrile styrene acrylic ester copolymer
  • polyvinyl chloride resin nylon 6 monomer, polychloroprene, trans-1,4-polyisoprene, repropylene oxide (Polypropylene oxide) and mixtures thereof can be used.
  • the flame-retardant elastomer resin preferably in the group consisting of modified PPE (Polyphenylene Ether) resin, ethylene propylene diene monomer elastomer (Ethylene-propylene-diene monomer elastomer), ethylene vinyl acetate copolymer (Ethylene-vinyl acetate copolymer) One or more selected may be used.
  • modified PPE Polyphenylene Ether
  • ethylene propylene diene monomer elastomer Ethylene-propylene-diene monomer elastomer
  • ethylene vinyl acetate copolymer ethylene vinyl acetate copolymer
  • the safety member is included in the inside of the double pouch and is thicker than the thickness of one anode of the electrode, it is preferable to be included in a thickness thinner than the thickness of the electrode assembly. If the thickness of the safety member is less than the thickness of one of the positive electrode, the ability to prevent the ignition of the battery is lowered, if the thickness of the electrode assembly there is a problem that the double pouch is not folded well.
  • the safety member of the present invention may further include a flame retardant solution therein.
  • the flame retardant solution may enter the inside of the battery to prevent a fire when the inside of the battery is shorted by an impact such as nail penetration. Will be.
  • the flame retardant solution is not particularly limited as long as it is in the form of a gel having flame retardancy.
  • a phosphate ester flame retardant gel may be used.
  • the double pouch of the present invention may be formed of at least two layers.
  • a metal layer may be further included in the pouch to improve the insulation and the stretch strength of the pouch.
  • the metal usable any one or more of metals made of aluminum, silicon oxide, or the like can be used.
  • the double pouch type secondary battery according to the present invention includes a positive electrode having a positive electrode active material and a positive electrode current collector; A negative electrode having a negative electrode active material and a negative electrode current collector; Separator; And a double pouch for a secondary battery accommodating the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and the double pouch for the secondary battery includes a safety member.
  • the positive electrode may be prepared by applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material and a binder on a positive electrode current collector, followed by drying, if necessary, may further add a filler to the mixture.
  • 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 high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like 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 binder is a component that assists in bonding the active material and the conductive material to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 50 wt% based on the total weight of the positive electrode mixture.
  • a high molecular weight polyacrylonitrile-acrylic acid copolymer can be used as such a binder, but is not limited thereto.
  • polyvinylidene fluoride polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, Polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
  • CMC carboxymethyl cellulose
  • EPDM ethylene-propylene-diene monomer
  • EPDM ethylene-propylene-diene monomer
  • sulfonated EPDM styrene butylene rubber
  • fluorine rubber various copolymers and the like.
  • the conductive material is conductive without causing chemical change in the battery, and may be added in an amount of 1 wt% to 50 wt% based on the total weight of the positive electrode mixture.
  • 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 polymers such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the positive electrode may optionally include a filler as a component for inhibiting expansion.
  • the filler is not particularly limited as long as it is a fibrous material that does not cause chemical change in the battery.
  • the filler include olefin polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the negative electrode may be obtained by applying a mixture containing a negative electrode active material, a binder, and a conductive material to a current collector and drying the solvent.
  • Carbon and graphite materials such as natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, carbon fiber, non-graphitizable carbon, carbon black, carbon nanotube, fullerene, and activated carbon; Metals such as Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti which can be alloyed with lithium, and compounds containing these elements; Complex compounds of metals and their compounds with carbon and graphite materials; Lithium-containing nitrides; and the like.
  • the negative electrode active material of the present invention may further include a conductive material and / or a filler as a component for improving the conductivity of the negative electrode active material.
  • the conductive material and the filler are the same as described above with respect to the positive electrode.
  • the negative electrode current collector may be generally made to a thickness of about 3 to 500 ⁇ m. Such a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the negative electrode current collector may be formed on a surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper, or stainless steel. Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver and the like, 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 separator is interposed between the anode and the cathode, 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 is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • the separator has a weight average molecular weight of preferably in the range of 1,000 to 20,000. Outside of the molecular weight range, it may be difficult to secure proper tensile strength and elongation.
  • the double pouch type secondary battery according to the present invention typically further includes a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte in addition to the positive electrode, the negative electrode, and the separator.
  • the said lithium salt containing non-aqueous electrolyte consists of a nonaqueous electrolyte and lithium.
  • a nonaqueous electrolyte a nonaqueous electrolyte, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used.
  • N-methyl- 2-pyrrolidinone a propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butylo lactone, 1, 2- dimeth, for example Methoxy ethane, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolon, formamide, dimethylformamide, dioxolon, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester , Trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl propionate, ethyl propionate and the like
  • An aprotic organic solvent can benzophenylene carbonate derivatives,
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, poly-agitation lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, Polymers 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, may be used, such as chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate.
  • the non-aqueous electrolyte includes pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, for the purpose of improving charge and discharge characteristics, flame retardancy, and the like.
  • halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics.
  • the secondary battery 4 was finally manufactured by simply enclosing the electrode assembly 1 made of the positive electrode, the negative electrode, and the separator with the pouch 2, but in this case, the inside of the electrode assembly is hot. Even in this case, there was a problem that there was no device capable of preventing the ignition of the battery.
  • the safety member 3 surrounds the electrode assembly one or several times, or Since the safety member of one or several sides of the assembly is covered with one or several sides of the electrode assembly in accordance with one side or several surfaces, the packaging is then enclosed with a pouch 2 except for the safety member.
  • the inside of the battery becomes a high temperature of 80 ° C. or higher due to an abnormal operating state of the battery, the flame retardant resin of the safety member 3 surrounding the electrode assembly 1 melts and flows in, or at least a fire may occur due to the flame retardant resin. Since it does not spread to the outside, the ignition of the electrode assembly 1 can be prevented, and accordingly, the secondary battery 4 ′ of the present invention has a high temperature even when the inside of the electrode assembly 1 becomes hot. The fingers ignition can be prevented.

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Abstract

본 발명은 내부에 안전부재를 포함하는 이차전지용 이중 파우치에 관한 것이다. 본 발명은 이중 파우치의 안전부재 층이 고온에 의하여 먼저 녹기 때문에 전지의 발화를 방지할 수 있다.

Description

안전성 향상을 위한 이차전지용 이중 파우치 및 이를 이용한 이차전지
본 발명은 안전성 향상을 위한 이차전지용 이중 파우치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 이중 파우치는 내부에 안전부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안전성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 일반적으로, 리튬 이차전지는 내부 쇼트, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발을 초래할 수 있다. 특히 자동차용 배터리는 큰 용량을 요구하는데 용량이 클수록 안전성에 취약하게 된다는 문제점이 있었다.
이러한 전지의 안전성을 향상시키기 위하여, 많은 연구가 진행되고 있으며, 예를 들어 한국 공개특허 2012-0132341호의 경우, 발열을 최대한 흡수함으로써 발화를 방지하는 이차전지용 안전부재에 대하여 개시하고 있으나, 이는 열을 흡수하여 발화를 방지할 수 있는 방법이므로, 일단 충격에 의하여 발화가 일어난 경우에는 대처할 수 없다는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
내부 쇼트, 과충전 상태, 고온에의 노출, 충격과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인하여 전지의 내부가 고온이 되어도 전지의 발화를 방지할 수 있는 안전성 향상을 위한 이차전지용 이중 파우치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 안전부재를 포함하는 이차전지용 이중 파우치를 제공한다.
또한 본 발명은, 양극활물질, 및 양극 집전체를 구비하는 양극; 음극활물질, 및 음극 집전체를 구비하는 음극; 분리막; 및 상기 양극, 음극 및 분리막을 수용하는 이중 파우치를 포함하고, 상기 이중 파우치는 내부에 안전부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 파우치형 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지용 이중 파우치에 의하면, 내부 쇼트, 과충전 상태, 고온에의 노출, 충격과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인하여 전지의 내부가 고온이 되어도, 난연성 물질로 이루어진 이중 파우치의 안전부재가 고온에 의하여 먼저 녹기 때문에 전지의 발화를 방지할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 파우치형 전지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 이중 파우치형 전지의 구조를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 이차전지용 이중 파우치는 안전부재를 포함한다.
상기 안전부재는 이차전지용 이중 파우치의 내부에 층을 이루거나 블록을 형성하여 포함될 수도 있고, 또는 이차전지용 이중 파우치의 외부에 층을 이루거나 블록을 형성하여 포함될 수도 있다. 안전부재가 이차전지용 이중 파우치의 외부에 층을 이루거나 블록을 형성하여 포함되는 경우에는, 상기 안전부재가 층의 형태로 한차례 또는 수차례 전극조립체를 둘러싸거나, 전극조립체의 한면 또는 수개의 면의 대응하는 크기의 안전부재를 전극조립체의 한면 또는 수개의 면에 맞추어 덮은 후, 안전부재를 제외한 파우치로 다시 둘러싸는 형태로 이중 파우치에 포함된다.
상기 이중 파우치 중 안전부재를 제외한 파우치의 기재부분은 이차전지에 사용되는 것으로서 그 자체가 화학작용을 유발하지 않으면서 안전부재를 안정하게 보호할 수 있는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 등을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 내부에 알루미늄을 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 안전부재는 80℃ 이상의 일정한 녹는점을 갖는 수지이라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 80℃ 이상의 일정한 녹는점을 갖는 난연성 수지를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 하나 이상의 난연성 엘라스토머 수지로 이루어진 80℃ 이상의 일정한 녹는점을 갖는 난연성 수지를 사용할 수 있다. 상기 80℃ 이상의 일정한 녹는점을 갖는 난연성 수지로 바람직하게는, ABC(acrylonitrile-butadiene-styrene) 수지, ACS수지(acrylonitrile chlorinated polyethylene styrene terpolymer), AXS수지(acrylonitrile styrene acrylic ester), AAS수지(acrylonitrile styrene acrylic ester copolymer), 염화 비닐 수지(polyvinyl chloride resin), 나일론 6 단량체(Nylon 6 monomer), 폴리클로로프렌(Polychloroprene), 트랜스-1,4-폴리이소프렌(trans-1,4-Polyisoprene), 리프로필렌옥사이드(Polypropylene oxide) 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 난연성 엘라스토머 수지로, 바람직하게는 변형 PPE (Polyphenylene Ether) 수지, 에틸렌프로필렌디엔 단량체 엘라스토머(Ethylene-propylene-diene monomer elastomer), 에틸렌비닐아세테이트공중합체(Ethylene-vinyl acetate copolymer)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 안전부재는 이중 파우치의 내부에 포함되며, 전극 중 양극 한장의 두께보다 두껍고, 전극조립체의 두께보다는 얇은 두께로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 안전부재의 두께가 양극 한장의 두께보다 작으면, 전지의 발화를 방지능력이 저하되며, 전극 조립체의 두께를 초과하면 이중 파우치가 잘 접히지 않는 문제가 있다.
또한, 본 발명의 안전부재는 내부에 난연성 용액을 더 포함할 수 있다. 안전부재 내에 난연성 용액을 포함하는 경우, 파우치 외부의 충격, 예를 들어 못관통(nail penetration)과 같은 충격에 의하여 전지 내부가 단락이 되는 경우에 상기 난연성 용액이 전지의 내부에 들어가서 화재를 예방할 수 있게 된다. 상기 난연성 용액으로는 난연성을 갖는 겔 형태의 것이라면 특별한 제한은 없으나, 예를 들어, 인산에스테르계 난연성 겔 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 이중 파우치는 적어도 2층 이상으로 이루어질 수 있다. 이 경우에는 파우치에 금속 층을 더 포함시켜, 파우치의 절연성 및 연신강도 등을 향상시킬 수 있다. 이 때 사용 가능한 금속으로는 알루미늄, 산화규소 등으로 이루어지는 금속 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 이중 파우치형 이차 전지는 양극활물질, 및 양극 집전체를 구비하는 양극; 음극활물질, 및 음극 집전체를 구비하는 음극; 분리막; 및 상기 양극, 음극 및 분리막을 수용하는 이차전지용 이중 파우치를 포함하고, 상기 이차전지용 이중 파우치는 안전부재를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 양극은, 양극집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조될 수 있으며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다. 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4(여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x =0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 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 양극집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 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 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더로서 고분자량 폴리아크릴로니트릴-아크릴산 공중합체를 이용할 수 있으나, 이것만으로 한정되는 것은 아니다. 다른 예로는, 폴리비닐리덴 플로라이드, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것으로서, 양극 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 50 중량%로 첨가될 수 있다. 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; 산화 아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등이 사용될 수 있다. 상기 양극은 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 충진제를 포함할 수 있다.
상기 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않는 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
본 발명에 있어서, 상기 음극은 음극활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 혼합물을 집전체에 도포한 후 용제를 건조시켜 얻을 수 있다.
상기 음극 활물질로서는, 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 탄소섬유, 난흑연화성탄소, 카본블랙, 카본나노튜브, 플러렌, 활성탄 등의 탄소 및 흑연재료; 리튬과 합금이 가능한 Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb, Pd, Pt, Ti 등의 금속 및 이러한 원소를 포함하는 화합물; 금속 및 그 화합물과 탄소 및 흑연재료의 복화합물; 리튬 함유 질화물 등을 들 수 있다.
본 발명의 음극활물질은 음극 활물질의 도전성을 향상시키기 위한 성분으로서 도전재 또는/및 충진제를 더 포함할 수 있다. 상기 도전재 및 충진제는 앞서 양극과 관련하여 설명된 내용과 동일하다.
상기 음극집전체는 통상적으로 약 3 내지 500㎛의 두께로 만들어질 수 있다. 이러한 음극집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 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 양극집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 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 분리막은 중량평균분자량은 1,000 ~ 20,000 범위 이내인 것이 바람직하다. 상기 분자량 범위 이외에서는 적절한 인장강도 및 연신율의 확보가 어려울 수 있다.
본 발명에 따른 이중 파우치형 이차 전지는 양극, 음극 및 분리막 이외에 통상적으로 리튬염 함유 비수계 전해질을 더 포함한다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌카보네이트, 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-다이메톡시 에탄, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 다이메틸설폭사이드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 다이메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-다이메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양성자성 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, 폴리비닐알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 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 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해질에는 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 있다.
종래에는 도 1에서와 같이 상기 양극, 음극 및 분리막을 이용하여 만든 전극 조립체(1)를 단순히 파우치(2)로 둘러싸서 이차전지(4)를 최종적으로 제조하였으나, 이러한 경우 전극 조립체의 내부가 고온이 되어도 전지의 발화를 방지할 수 있는 장치가 없다는 문제가 있었다.
그러나, 도 2에서와 같이 상기 양극, 음극 및 분리막을 이용하여 만든 전극 조립체(1)를 파우치(2)로 둘러싸기 전에, 안전부재(3)를 한차례 또는 수차례 전극조립체를 둘러싸거나, 또는 전극조립체의 한면 또는 수개의 면의 대응하는 크기의 안전부재를 전극조립체의 한면 또는 수개의 면에 맞추어 덮은 후, 안전부재를 제외한 파우치(2)로 다시 둘러싸는 형태로 포장을 하기 때문에, 본 발명은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인하여 전지의 내부가 80℃ 이상의 고온이 되면, 상기 전극 조립체(1)의 주변을 감싸고 있는 안전부재(3)의 난연성 수지가 녹아 흘러 들어가거나, 적어도 난연성 수지로 인하여 화재가 외부로 번지지 않기 때문에 상기 전극 조립체(1)의 발화를 방지할 수 있으며, 따라서 본 발명의 이차전지(4')는 전극 조립체(1)의 내부가 고온이 되어도 전지의 발화를 방지할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
부호의 설명
1: 전극 조립체
2: 파우치
3: 안전부재
4, 4': 이차전지

Claims (15)

  1. 안전부재를 포함하는 이차전지용 이중 파우치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안전부재는 파우치의 내부에 층 또는 블록 형태로 포함되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 안전부재는 파우치의 외부에 층 또는 블록 형태로 포함되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 안전부재는 80℃ 이상의 일정한 녹는점을 갖는 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 80℃ 이상의 일정한 녹는점을 갖는 수지는 난연성 수지인 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 난연성 수지는 하나 이상의 난연성 엘라스토머 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 난연성 엘라스토머 수지는 변형 PPE (Polyphenylene Ether) 수지, 에틸렌프로필렌디엔 단량체 엘라스토머(Ethylene-propylene-diene monomer elastomer) 및 에틸렌비닐아세테이트공중합체(Ethylene-vinyl acetate copolymer)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 난연성 수지는 ABC(acrylonitrile-butadiene-styrene) 수지, ACS수지(acrylonitrile chlorinated polyethylene styrene terpolymer), AXS수지(acrylonitrile styrene acrylic ester), AAS수지(acrylonitrile styrene acrylic ester copolymer), 염화 비닐 수지(polyvinyl chloride resin), 나일론 6 단량체(Nylon 6 monomer), 폴리클로로프렌(Polychloroprene), 트랜스-1,4-폴리이소프렌(trans-1,4-Polyisoprene) 및 리프로필렌옥사이드(Polypropylene oxide)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  9. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 안전부재는 내부에 난연성 액체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 난연성 액체는 인산에스테르계 난연성 겔인 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 안전부재는 양극 한장의 두께보다 두껍고, 전극조립체의 두께보다는 얇은 두께로 포함되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 이중 파우치는 적어도 2층 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 이중 파우치는 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 금속층은 알루미늄 또는 산화 규소 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 이중 파우치.
  15. 양극활물질, 및 양극 집전체를 구비하는 양극;
    음극활물질, 및 음극 집전체를 구비하는 음극;
    분리막; 및
    청구항 1의 이차전지용 이중 파우치를 포함하는 이중 파우치형 이차 전지.
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