WO2016111542A1 - 안전성이 향상된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

안전성이 향상된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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WO2016111542A1
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electrode assembly
secondary battery
heat
resistant film
needle
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PCT/KR2016/000096
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이수림
김수현
이재헌
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주식회사 엘지화학
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    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly having improved safety and a secondary battery including the same, and more particularly, to solve heat generation, ignition, or explosion, which may occur due to penetration of an electric element by a sharp needle.
  • the present invention relates to an electrode assembly having improved safety and a secondary battery including the same.
  • lithium secondary batteries developed in the early 1990s have a higher operating voltage and greater energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd, and sulfuric acid-lead batteries that use an aqueous electrolyte solution. I am in the spotlight.
  • Secondary batteries have various problems that threaten the safety of secondary batteries such as heat generation due to internal short circuit, overcharge, overdischarge due to external impact, electrolyte decomposition, thermal runaway phenomenon, and the like.
  • a lithium secondary battery has an internal short circuit due to nail penetration, and when a current caused by the internal short circuit flows locally around the needle object, the heat generation is locally generated, thereby causing a secondary short circuit. As it occurs additionally, there is a risk of fire / explosion as the battery is heated as a whole.
  • the secondary battery is penetrated by a metal or the like in the above non-ideal situation or exploded during a safety test such as a penetration test of the secondary battery.
  • the penetrating material is a material having good electrical conductivity, the material generates an electrical short between the positive electrode and the negative electrode in the secondary battery, thereby causing an internal current flow, thus deteriorating the secondary battery.
  • the phenomenon easily occurs and furthermore, there is a high possibility that a fire or explosion phenomenon occurs.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide an electrode assembly for secondary batteries with improved safety against external environmental factors such as needle through.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a secondary battery with improved safety against external environmental factors including the electrode assembly.
  • the present invention provides a secondary battery electrode assembly with improved safety in which at least one heat-resistant film is inserted in the electrode assembly consisting of one or more unit cells having a basic structure of the anode / separator / cathode. do.
  • the heat resistant film may be a non-porous film.
  • the heat resistant film may be inserted between the unit cells adjacent to each other.
  • two or more heat resistant films may be inserted spaced apart from each other at predetermined intervals in the electrode assembly.
  • the thickness of the heat resistant film may be 100 to 500 ⁇ m.
  • the heat resistant film may have a melting point of 150 ° C. or higher, and polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate, polyimide, polyether ether ketone, polyetherimide, and polyamide It may be any one selected from the group consisting of mead, polyether sulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide and polyethylene naphthalate or a mixture of two or more thereof.
  • the present invention provides a secondary battery having improved safety including the electrode assembly.
  • the present invention by inserting a heat-resistant film inside the battery, i.e., the electrode assembly, the effect of insulating the needle is given, and the short-circuit area of the needle and the electrode is reduced, thereby reducing the internal short-circuit current, thereby reducing the amount of local heat generation.
  • a heat-resistant film inside the battery i.e., the electrode assembly
  • the effect of insulating the needle is given, and the short-circuit area of the needle and the electrode is reduced, thereby reducing the internal short-circuit current, thereby reducing the amount of local heat generation.
  • FIG. 1 is a view showing the electrode assembly and the needle-penetrating test results that includes a heat-resistant film in one stage according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the electrode assembly and the needle-like test results of the heat-resistant film in two stages according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing an electrode assembly and a needle penetration test result including a heat-resistant film in three stages according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an electrode assembly and a needle penetration test result not including a heat resistant film.
  • the electrode assembly according to the present invention has a structure in which at least one heat resistant film is inserted into an electrode assembly including at least one unit cell having a basic structure of an anode, a separator, and a cathode.
  • the heat resistant film is preferably a non-porous membrane, because it is more excellent in heat resistance than the case of the porous membrane, and the effect of preventing a short circuit due to needle penetration is more excellent.
  • the electrode assembly is not particularly limited as long as it comprises one or more unit cells to form one electrode assembly.
  • the electrode assembly constituting the secondary battery can be largely divided into a jelly-roll type (wound type), a stack type (stacked type), a stack-fold type, and the like according to its structure.
  • the secondary battery according to the present invention includes an electrode assembly in which one or more heat resistant films are interposed between the electrode assemblies.
  • the safety of the battery may be improved because the internal short-circuit area of the needle and the electrode may be reduced during penetration of the needle.
  • the heat resistant film may be inserted between the unit cells adjacent to each other.
  • one heat resistant film may be inserted into a middle portion of the inside of the electrode assembly, and as shown in FIGS. 2 and 3, two or more heat resistant films may be disposed in the electrode assembly at predetermined intervals.
  • the structure may be spaced apart from each other. In the inside of the electrode assembly, the short circuit effect is further improved when the heat resistant film is included more.
  • the heat resistant film when the heat resistant film is located in the electrode assembly, even if a short circuit occurs inside the electrode assembly of one portion, the short circuit of the other electrode assembly may be prevented, thereby preventing a chain phenomenon.
  • the shape of the heat resistant film inserted between the electrode assemblies to form an internal separation structure is not particularly limited.
  • the heat resistant film may be an integral plate structure, may be in the form of a mesh or in the form of a separate sheet.
  • Electrode assembly according to the invention is characterized in that at least one heat-resistant film is inserted.
  • the thickness of the heat resistant film is not particularly limited, but if the thickness is too thick, the size of the electrode assembly is smaller than that of the same standard, resulting in a reduction in battery capacity per unit weight and volume. On the contrary, when the thickness is too thin, efficient bed insulation effect is obtained. Since it is impossible to exert, the heat resistant film preferably has a thickness of 100 to 500 ⁇ m.
  • the thickness of the heat resistant film is less than 100 ⁇ m, it is difficult to show an effective short circuit resistance improvement, and if the thickness of the heat resistant film exceeds 500 ⁇ m, it is not only disadvantageous to the energy density of the battery, but rather, the lower short circuit may be worse.
  • any material that can withstand the internal heat of the battery is not particularly limited, and in particular, it melts even at 150 ° C. or higher when the battery is swollen or ignited by an external shock or environment. Material may not be used.
  • Such heat resistant films include, for example, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate, polyimide, polyetheretherketone, polyetherimide, polyamideimide, polyethersulfone, Films made of polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalate and the like are preferred, and further flame retardancy may be further imparted.
  • the heat resistant film is not limited as long as the area capable of suppressing a short circuit can be exerted, but is preferably configured to be the same as or similar to the area of the facing bicell.
  • the unit cell has a basic structure of an anode, a separator, and a cathode whether it is a bicell or a full cell.
  • the positive electrode is prepared by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder onto a positive electrode current collector, followed by drying, and optionally, a filler is further added to the mixture.
  • the positive electrode active material according to the present invention is not particularly limited as long as it is an oxide that can be used in the manufacture of a positive electrode for a conventional secondary battery.
  • lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium copper oxide, lithium vanadium oxide, lithium nickel based oxide, and lithium manganese composite And any one lithium transition metal oxide selected from the group consisting of oxides, more specifically Li 1 + x M 1 - x O 2 , wherein M is a combination of one or more metals of Ni, Co, Mn, x is 0.01 to 0.5), a layered compound such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or a compound substituted with one or more transition metals; Lithium manganese oxides (LiMnO 2 ) such as Li 1 + x Mn 2 - x O 4 (where x is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , LiMnO 2, and the like
  • 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 changes in the battery.
  • a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes 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 conductive agent is typically added in an amount of 1 to 20 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • a conductive agent is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the conductive agent 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 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 50 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 butyrene 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 negative electrode is manufactured by coating and drying a negative electrode material on the negative electrode current collector, and if necessary, the components as described above may be further included.
  • 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 conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver, and the like, and aluminum-cadmium alloys may 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 negative electrode material includes amorphous carbon or crystalline carbon, and specifically, carbon such as hardly graphitized carbon and 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 , And oxides
  • a conventionally known polyolefin-based separator As the separator that insulates the electrodes between the anode and the cathode, a conventionally known polyolefin-based separator, a composite separator in which an organic or inorganic composite layer is formed on the olefin-based substrate, and the like can be used.
  • An electrode current collector having the above structure is accommodated in a pouch packaging material, and then an electrolyte is injected to manufacture a battery.
  • the electrolyte according to the present invention is a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte, which consists of a non-aqueous electrolyte and lithium.
  • a nonaqueous electrolyte a nonaqueous electrolyte, a 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-butyl Low lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolon, formamide, dimethylformamide, dioxorone, aceto Nitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative Aprotic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl propionate and ethyl propionate can be used.
  • organic solid electrolytes examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyagitation 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 material that is readily soluble in the non-aqueous electrolyte, a lithium salt, the anion is F -, Cl -, Br - , I -, NO 3 -, N (CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 - , PF 6 -, (CF 3 ) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 (CF 2) 7 SO 3 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 CO 2 -, SCN - and (CF 3 CF
  • pyridine triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, etc.
  • a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included.
  • a needle-penetration test was performed with a needle diameter of 6 mm by inserting a 125- ⁇ m polyethylene terephthalate (PET) film (melting point 250 ° C.) into the electrode assembly as shown in FIG. 1. At this time, the needle was made of stainless steel (SUS) material.
  • PET polyethylene terephthalate
  • SUS stainless steel
  • a needle-penetration test was performed with a needle diameter of 6 mm by inserting a 250- ⁇ m polyethylene terephthalate (PET) film (melting point 250 ° C.) into the electrode assembly as shown in FIG. 1. At this time, the needle was made of stainless steel (SUS) material.
  • PET polyethylene terephthalate
  • SUS stainless steel
  • a needle-penetration test was performed with a needle diameter of 6 mm by inserting a polyethylene terephthalate (PET) film (melting point 250 ° C.) having a thickness of 500 ⁇ m into the electrode assembly as shown in FIG. 1.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the needle was made of stainless steel (SUS) material.
  • a needle-penetration test was performed with a needle diameter of 8 mm by inserting a 250 ⁇ m thick polyethylene terephthalate (PET) film (melting point 250 ° C.) into the electrode assembly as shown in FIG. 1. At this time, the needle was made of stainless steel (SUS) material.
  • PET polyethylene terephthalate
  • SUS stainless steel
  • a needle-penetration test was performed with a needle diameter of 8 mm by inserting a polyethylene terephthalate (PET) film (melting point 250 ° C.) having a thickness of 500 ⁇ m into the electrode assembly as shown in FIG. 1.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the needle was made of stainless steel (SUS) material.
  • a needle-penetration test was performed with a needle diameter of 8 mm by inserting a 250 ⁇ thick polyethylene terephthalate (PET) film (melting point 250 ° C.) into the electrode assembly as shown in FIG. 2. At this time, the needle was made of stainless steel (SUS) material.
  • PET polyethylene terephthalate
  • SUS stainless steel
  • a needle-penetration test was performed with a needle diameter of 8 mm by inserting a polyethylene terephthalate (PET) film having a thickness of 250 ⁇ m (250 ° C.) into the electrode assembly as shown in FIG. 3. At this time, the needle was made of stainless steel (SUS) material.
  • PET polyethylene terephthalate
  • SUS stainless steel
  • a needle-penetration test was performed with a needle diameter of 8 mm by inserting a 250- ⁇ m thick polyamide (PA) film (melting point to 350 ° C.) into the electrode assembly as shown in FIG. 2. At this time, the needle was made of stainless steel (SUS) material.
  • PA polyamide
  • SUS stainless steel
  • a needle-penetration test was performed with a needle diameter of 8 mm by inserting a 250 ⁇ m-thick polyether ether ketone (PEEK) film (melting point ⁇ 340 ° C.) into the electrode assembly as shown in FIG. 2. At this time, the needle was made of stainless steel (SUS) material.
  • PEEK polyether ether ketone
  • a needle penetration test was performed with a needle diameter of 6 mm without inserting a heat resistant film as shown in FIG. 4.
  • the needle was made of stainless steel (SUS) material.

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Abstract

본 발명은 본 발명은 안전성이 향상된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 양극/분리막/음극의 기본구조를 갖는 1개 이상의 단위셀로 구성된 전극 조립체 내에, 1개 이상의 내열성 필름이 삽입된 안전성이 향상된 이차전지용 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지가 제공된다. 본 발명에 따르면, 전지 내부, 즉 전극 조립체 내부에 내열성 필름을 삽입함으로써 침상을 절연하는 효과가 부여되고, 침상과 전극의 단락 면적이 줄어들고, 이로 인해 내부단락 전류가 줄어들어 국부적인 발열량이 적어지게 되어 전지의 열 폭주를 유도하는 국부적인 온도 상승이 방지됨으로써, 환경적 요인에 대한 안전성이 근본적으로 확보된 이차전지를 제공할 수 있다.

Description

안전성이 향상된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지
본 발명은 안전성이 향상된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 첨예한(sharp) 침상 물체에 의한 전기 소자의 관통 등으로 인해 발생될 수 있는 발열, 발화 또는 폭발 등을 해소할 수 있도록 안전성이 향상된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
본 출원은 2015년 1월 6일자로 출원된 한국 특허출원 제10-2015-0001224호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.
이차전지의 주요 연구과제 중의 하나는 이차전지의 안전성을 향상시키는 것이다. 이차전지는 외부 충격에 의한 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의한 발열과 이로 인한 전해질 분해, 열폭주 현상 등 이차전지의 안전성을 위협하는 여러 가지 문제가 있다.
특히, 리튬 이차전지는 침상(nail) 관통으로 인해 내부단락이 발생하고, 내부단락에 의한 전류가 침상 물체 주변으로, 상당히 국부적으로 흐르게 되면, 발열이 국부적으로 발생하게 되고, 이로 인한 2차 단락이 추가적으로 발생하게 되면서 전체적으로 전지가 가열되어 발화/폭발의 위험성이 있다.
이를 극복하고자 제안된 대표적인 방법으로, 분리막에 세라믹 물질을 코팅하여 이차전지의 침상 관통에 대한 안전성을 개선하는 방법이 있지만, 이차전지의 출력이 커지고, 에너지 밀도가 높아짐에 따라 상기와 같은 방법으로는 근본적인 안전성 확보가 어려워 새로운 접근 방법이 요구되고 있다.
한편, 이차전지가 상기와 같은 비이상적 상황에서 금속 등에 의해 관통되거나 또는 이차전지의 관통 시험 등의 안전성 시험 중 폭발하는 상황은 흔히 볼 수 있다. 예를 들어, 관통하는 물질이 전기 전도도가 좋은 물질일 경우 이 물질을 통해 이차전지 내의 양극 및 음극 간 전기적 쇼트(short)가 발생하고, 이로 인해 내부적으로 전류 흐름이 발생되며, 따라서 이차전지의 열화현상이 쉽게 일어나고 나아가 발화 또는 폭발 현상이 일어날 가능성이 높다는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 침상 관통에 대한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서 전지 조립체 내부에 삽입체를 넣어 침상 절연효과에 대한 시도는 많이 진행되고 있으나, 침상 관통시 파단현상이 침상을 제대로 감싸주지 못해 애초에 절연효과를 내지 못하거나 또는 내부 단락에 의한 침상과 주변 전극의 발열로 인해 내열성이 확보되지 않은 삽입체들이 녹아서 그 효과를 제대로 발휘하지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 이차전지가 침상 물체에 의하여 관통되는 경우 전지가 폭발하는 등의 위험을 미연에 방지하기 위하여, 이와 같은 위험을 근본적으로 차단하고 이차전지의 안전성을 향상시키기 위한 연구 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 침상관통과 같은 외부 환경적 요인에 대해 안전성이 향상된 이차전지용 전극 조립체를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 상기한 전극 조립체를 포함하는 외부 환경적 요인에 대해 안전성이 향상된 이차전지를 제공하기 위한 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 양극/분리막/음극의 기본구조를 갖는 1개 이상의 단위셀로 구성된 전극 조립체 내에, 1개 이상의 내열성 필름이 삽입된 안전성이 향상된 이차전지용 전극 조립체를 제공한다.
이때, 상기 내열성 필름은, 무공막일 수 있다.
그리고, 상기 전극 조립체가 2개 이상의 단위셀로 구성된 경우, 상기 내열성 필름은 서로 인접한 상기 단위셀들 사이에 삽입될 수 있다.
그리고, 2개 이상의 상기 내열성 필름이 상기 전극 조립체 내에서, 소정 간격을 두고 서로 이격되어 삽입될 수 있다.
그리고, 상기 내열성 필름의 두께가 100 내지 500 ㎛일 수 있다.
그리고, 상기 내열성 필름은, 융점이 150 ℃ 이상일 수 있고, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기한 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 상기 전극 조립체를 포함하는 안전성이 향상된 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 전지 내부, 즉 전극 조립체 내부에 내열성 필름을 삽입함으로써 침상을 절연하는 효과가 부여되고, 침상과 전극의 단락 면적이 줄어들고, 이로 인해 내부단락 전류가 줄어들어 국부적인 발열량이 적어지게 되어 전지의 열 폭주를 유도하는 국부적인 온도 상승이 방지됨으로써, 환경적 요인에 대한 안전성이 근본적으로 확보된 이차전지를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내열성 필름이 1단으로 포함된 전극 조립체 및 침상 관통 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내열성 필름이 2단으로 포함된 전극 조립체 및 침상 관통 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내열성 필름이 3단으로 포함된 전극 조립체 및 침상 관통 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 내열성 필름이 포함되지 않은 전극 조립체 및 침상 관통 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.
본 발명에 따른 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 기본구조를 갖는 1개 이상의 단위셀로 구성된 전극 조립체 내에, 1개 이상의 내열성 필름이 삽입된 구조이다.
이때, 상기 내열성 필름은, 무공막인 것이 바람직한데, 다공막인 경우보다 내열성이 더 우수하고, 침상 관통에 의한 단락을 방지하는 효과가 더욱 뛰어나기 때문이다.
상기 전극 조립체는 1개 이상의 단위셀로 구성되어 하나의 전극 조립체를 이루는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 일반적으로, 이차전지를 구성하는 전극 조립체는 그것의 구조에 따라 크게는 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 스택-폴딩형 등으로 구분될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 전극 조립체 사이에 개재되어 있는 1개 이상의 내열성 필름이 삽입된 전극 조립체를 포함한다.
도 4와 같이 내열성 필름을 삽입하지 않고 전극 조립체만으로 이루어진 종래의 이차전지는 침상 전도체가 관통시 침상-전극 단락이 발생하여 안전성이 확보되기 어렵다.
그러나 도 1 내지 3에서 보듯이 본 발명에 따라 전극 조립체 내에 1개 이상의 내열성 필름을 삽입하는 경우, 침상 관통시 침상과 전극의 내부 단락 면적이 줄어들기 때문에 전지의 안전성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
상기 전극 조립체가 2개 이상의 단위셀로 구성된 경우, 상기 내열성 필름은 서로 인접한 상기 단위셀들 사이에 삽입될 수 있다. 이때, 도 1에서와 같이, 전극 조립체 내부의 중간부분에 하나의 내열성 필름이 삽입된 구조일 수 있고, 도 2 및 도 3에서와 같이 2개 이상의 내열성 필름이 전극 조립체 내에서, 소정 간격을 두고 서로 이격되어 삽입된 구조일 수 있다. 전극 조립체의 내부에, 내열성 필름을 더 많이 포함하는 경우 단락효과가 더 향상되는 장점이 있다.
또한, 상기 전극 조립체 내에 내열성 필름이 위치하는 경우 한쪽 부분의 전극 조립체에 내부에 단락이 발생하여도 다른 쪽 전극조립체가 단락되는 것을 차단할 수 있어서 연쇄현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
전극 조립체 사이에 삽입되어 내부 분리구조를 형성하는 상기 내열성 필름의 형태는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 내열성 필름은 일체형의 판 구조일 수 있으며, 메쉬(mesh) 형태이거나 분리된 시트 형태일 수도 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 내열성 필름이 1개 이상 삽입된 것을 특징으로 하고 있다.
상기 내열성 필름의 두께는 특별히 제한되지 않지만 두께가 너무 두꺼우면 동일 규격 대비 전극 조립체의 크기가 작아지게 되므로 단위 무게 및 부피당 전지 용량이 줄어들게 되는 결과를 가져오고, 반대로 두께가 너무 얇으면 효율적인 침상 절연 효과를 발휘할 수 없으므로, 상기 내열성 필름은 100 내지 500 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 내열성 필름의 두께가 100 ㎛ 미만이면, 효과적인 단락 저항 개선을 보이기 어렵고, 500 ㎛를 초과하게 되면, 전지의 에너지 밀도에 불리할 뿐만 아니라, 오히려 하부 단락이 심화될 수 있어 바람직하지 않다.
내열성 필름으로는 전해액 및 전위 안정성이 확보되어야 하며, 전지의 내부열을 견딜 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않으며, 특히 전지가 외부충격이나 환경에 의해서 부풀거나, 발화 폭발한 상태가 되는 150 ℃ 이상에서도 용융되지 않는 재료일 수 있다. 이러한 내열성 필름으로는 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌 나프탈레이트 등으로 이루어진 필름이 바람직하며, 추가적으로 난연성이 더 부여될 수도 있다.
내열성 필름은 단락을 억제할 수 있는 기능이 발휘될 수 있는 면적이라면 한정되지 않지만, 대면하고 있는 바이셀의 면적과 동일 또는 유사하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 단위셀은 바이셀이든 풀셀이든 양극/분리막/음극의 기본구조를 갖고 있다.
양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
본 발명에 따른 양극 활물질은 통상적인 이차전지용 양극 제조시 사용 가능한 산화물이면 특별히 제한하지 않으며, 예컨대 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 구리 산화물, 리튬 바나듐 산화물, 리튬 니켈계 산화물 및 리튬 망간 복합 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 리튬 전이금속 산화물을 들 수 있고, 보다 구체적으로는 Li1 + xM1 - xO2 (이때, M은 Ni, Co, Mn 중 하나 이상의 금속들의 조합이고, x는 0.01 내지 0.5임), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 하나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬망간 산화물(LiMnO2); 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, 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 니켈 사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 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)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 하는 화합물과 혼합 사용할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 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 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 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, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 결착제는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 결착제의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 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 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
또한, 음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 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, 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.
상기 음극 재료는 비정질 카본 또는 정질 카본을 포함하며, 구체적으로는 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, 및 Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 양극과 음극 사이에서 상기 전극들을 절연시키는 분리막으로는 통상 알려진 폴리올레핀계 분리막이나, 상기 올레핀계 기재에 유, 무기 복합층이 형성된 복합 분리막 등을 모두 사용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
상기와 같은 구조로 이루어진 전극 집전체를 파우치 외장재에 수납한 다음, 전해액을 주입하여 전지를 제조한다.
본 발명에 따른 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해질로서, 이는 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수 전해액으로는, 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, 프로피온산 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, 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, 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 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 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
< 실시예 1>
두께가 125 ㎛인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름(융점 250 ℃)을 전극 조립체 내에 도 1과 같이 삽입하여 침상 관통(Nail-penetration) 테스트를 침상직경 6 mm로 실시하였다. 이때 상기 침상은 스테인레스스틸(SUS) 재질의 것을 사용하였다.
< 실시예 2>
두께가 250 ㎛인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름(융점 250 ℃)을 전극 조립체 내에 도 1과 같이 삽입하여 침상 관통(Nail-penetration) 테스트를 침상직경 6 mm로 실시하였다. 이때 상기 침상은 스테인레스스틸(SUS) 재질의 것을 사용하였다.
< 실시예 3>
두께가 500 ㎛인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름(융점 250 ℃)을 전극 조립체 내에 도 1과 같이 삽입하여 침상 관통(Nail-penetration) 테스트를 침상직경 6 mm로 실시하였다. 이때 상기 침상은 스테인레스스틸(SUS) 재질의 것을 사용하였다.
< 실시예 4>
두께가 250 ㎛인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름(융점 250 ℃)을 전극 조립체 내에 도 1과 같이 삽입하여 침상 관통(Nail-penetration) 테스트를 침상직경 8 mm로 실시하였다. 이때 상기 침상은 스테인레스스틸(SUS) 재질의 것을 사용하였다.
< 실시예 5>
두께가 500 ㎛인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름(융점 250 ℃)을 전극 조립체 내에 도 1과 같이 삽입하여 침상 관통(Nail-penetration) 테스트를 침상직경 8 mm로 실시하였다. 이때 상기 침상은 스테인레스스틸(SUS) 재질의 것을 사용하였다.
< 실시예 6>
두께가 250 ㎛인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름(융점 250 ℃)을 전극 조립체 내에 도 2와 같이 삽입하여 침상 관통(Nail-penetration) 테스트를 침상직경 8 mm로 실시하였다. 이때 상기 침상은 스테인레스스틸(SUS) 재질의 것을 사용하였다.
< 실시예 7>
두께가 250 ㎛인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름(융점 250 ℃)을 전극 조립체 내에 도 3과 같이 삽입하여 침상 관통(Nail-penetration) 테스트를 침상직경 8 mm로 실시하였다. 이때 상기 침상은 스테인레스스틸(SUS) 재질의 것을 사용하였다.
< 실시예 8>
두께가 250 ㎛인 폴리아미드(PA) 필름(융점 ~ 350 ℃)을 전극 조립체 내에 도 2와 같이 삽입하여 침상 관통(Nail-penetration) 테스트를 침상직경 8 mm로 실시하였다. 이때 상기 침상은 스테인레스스틸(SUS) 재질의 것을 사용하였다.
< 실시예 9>
두께가 250 ㎛인 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 필름(융점 ~ 340 ℃)을 전극 조립체 내에 도 2와 같이 삽입하여 침상 관통(Nail-penetration) 테스트를 침상직경 8 mm로 실시하였다. 이때 상기 침상은 스테인레스스틸(SUS) 재질의 것을 사용하였다.
< 비교예 1>
비교예로서, 도 4와 같이 내열성 필름을 삽입하지 않고 침상 관통 테스트를 침상직경 6 mm로 실시하였다. 이때 상기 침상은 스테인레스스틸(SUS) 재질의 것을 사용하였다.
상기 실시예 및 비교예에서의 실험 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실험 내열성 필름 삽입 침상 관통 실험 실험 결과
종류 융점(℃) 두께(㎛) 구조 침상재질 침상직경(mm) 관통속도(mm/s)
실시예 1 PET 250 125 도 1 SUS 6 20 Hazard level 4, vent
실시예 2 PET 250 250 도 1 SUS 6 20 Hazard level 2, no eventTmax=95 ℃
실시예 3 PET 250 500 도 1 SUS 6 20 Hazard level 2, no eventTmax=81 ℃
실시예 4 PET 250 250 도 1 SUS 8 20 Hazard level 4, vent
실시예 5 PET 250 500 도 1 SUS 8 20 Hazard level 2, no eventTmax=96 ℃
실시예 6 PET 250 250 도 2 SUS 8 20 Hazard level 2, no eventTmax=87 ℃
실시예 7 PET 250 250 도 3 SUS 8 20 Hazard level 2, no eventTmax=56 ℃
실시예 8 PA ~350 250 도 2 SUS 8 20 Hazard level 2, no eventTmax=69 ℃
실시예 9 PEEK ~340 250 도 2 SUS 8 20 Hazard level 2, no eventTmax=77 ℃
비교예 1 - - - - SUS 6 20 Hazard level 5, fire
이상의 결과에서 보듯이, 실시예 1 내지 9에서와 같이 본 발명에 따라 전극 조립체 내에 PET 필름을 도 1 내지 도 3과 같이 삽입한 이차전지는 침상-전극 단락이 방지되었으며, 비교예의 경우에는 침상-전극 단락이 발생하였음을 알 수 있다.
한편, 본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
또한, 본 명세서에서 상하, 좌우, 전후 등과 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위해 상대적인 위치를 나타내는 것일 뿐, 관측자의 관측 위치나 각 구성요소의 배치 형태에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (8)

  1. 양극/분리막/음극의 기본구조를 갖는 1개 이상의 단위셀로 구성된 전극 조립체 내에, 1개 이상의 내열성 필름이 삽입된 안전성이 향상된 이차전지용 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내열성 필름은, 무공막인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체가 2개 이상의 단위셀로 구성된 경우, 상기 내열성 필름은 서로 인접한 상기 단위셀들 사이에 삽입된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    2개 이상의 상기 내열성 필름이 상기 전극 조립체 내에서, 소정 간격을 두고 서로 이격되어 삽입된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 내열성 필름의 두께가 100 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 내열성 필름은, 융점이 150 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 내열성 필름은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극 조립체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 이차전지.
PCT/KR2016/000096 2015-01-06 2016-01-06 안전성이 향상된 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차전지 WO2016111542A1 (ko)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113767517A (zh) * 2019-08-09 2021-12-07 株式会社Lg新能源 包括短路诱发构件的电化学装置和使用该电化学装置的安全性评价方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102051554B1 (ko) * 2016-08-17 2019-12-03 주식회사 엘지화학 침상 도체로 인한 단락을 방지하는 인슐레이터 어셈블리를 포함하는 전지셀

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05325923A (ja) * 1992-05-22 1993-12-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 偏平形電池
KR20000015320A (ko) * 1998-08-28 2000-03-15 홍건희 리튬이온 및 리튬이온 폴리머 전지용 전극 제조 방법
KR20040005242A (ko) * 2002-07-09 2004-01-16 삼성에스디아이 주식회사 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부와 이를 채용한리튬이차전지
JP3632062B2 (ja) * 1997-08-13 2005-03-23 株式会社リコー 薄型ポリマー電池
JP2006093130A (ja) * 2004-09-22 2006-04-06 Samsung Sdi Co Ltd リチウム二次電池

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05325923A (ja) * 1992-05-22 1993-12-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 偏平形電池
JP3632062B2 (ja) * 1997-08-13 2005-03-23 株式会社リコー 薄型ポリマー電池
KR20000015320A (ko) * 1998-08-28 2000-03-15 홍건희 리튬이온 및 리튬이온 폴리머 전지용 전극 제조 방법
KR20040005242A (ko) * 2002-07-09 2004-01-16 삼성에스디아이 주식회사 단락방지수단이 형성된 젤리-롤형의 전지부와 이를 채용한리튬이차전지
JP2006093130A (ja) * 2004-09-22 2006-04-06 Samsung Sdi Co Ltd リチウム二次電池

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113767517A (zh) * 2019-08-09 2021-12-07 株式会社Lg新能源 包括短路诱发构件的电化学装置和使用该电化学装置的安全性评价方法
CN113767517B (zh) * 2019-08-09 2023-07-25 株式会社Lg新能源 包括短路诱发构件的电化学装置和使用该电化学装置的安全性评价方法

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