WO2020209529A1 - 단락 유도 부재를 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 안전성 평가방법 - Google Patents

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WO2020209529A1
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윤서영
김태종
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Definitions

  • the present invention relates to a battery cell including a short-circuit inducing member, and a method for evaluating the safety of a battery due to an internal short circuit using the battery cell.
  • lithium-ion batteries with high energy density, discharge voltage, and output stability
  • lithium secondary batteries such as lithium ion polymer batteries.
  • secondary batteries constitute a positive electrode and a negative electrode by coating an electrode mixture containing an electrode active material on the surface of a current collector, and after forming an electrode assembly with a separator interposed therebetween, a cylindrical or rectangular metal can or an aluminum laminate sheet It is mounted inside the pouch-shaped case of the electrode assembly, and is mainly manufactured by injecting or impregnating a liquid electrolyte into the electrode assembly or using a solid electrolyte.
  • secondary batteries are classified according to the structure of the electrode assembly of the anode/separator/cathode structure.
  • long sheet-shaped anodes and cathodes are wound up with a separator interposed between them.
  • a stack/folding electrode assembly having a structure in which bi-cells or full cells stacked in a state are wound with a separator sheet.
  • the electrode generates an electric current through the exchange of ions
  • the positive electrode and the negative electrode constituting the electrode have a structure in which an electrode active material is coated on an electrode current collector made of metal.
  • the negative electrode has a structure in which a carbon-based active material is coated on an electrode plate made of copper or aluminum
  • the positive electrode has a structure in which an active material made of LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 etc. is coated on an electrode plate made of aluminum. Done.
  • an electrode mixture including an electrode active material is applied to an electrode current collector made of a metal sheet long in one direction.
  • the separator is positioned between the positive electrode and the negative electrode of the battery to insulate, and maintains an electrolyte to provide a path for ion conduction.
  • Such a secondary battery is a rechargeable battery manufactured using a material in which the oxidation-reduction process between the current and the material can be repeated many times.
  • a reduction reaction is performed on the material by the current, the power is charged and the material is oxidized.
  • the reaction is carried out, the power is discharged, and electricity is generated as such charge-discharge is repeatedly performed.
  • a lithium secondary battery has a problem of low safety while having excellent electrical characteristics.
  • lithium secondary batteries generate heat and gas due to decomposition reactions of the battery components, such as active materials and electrolytes, in abnormal operating conditions such as overcharging, overdischarging, exposure to high temperatures, and electrical short circuits.
  • the condition of may further accelerate the decomposition reaction and eventually cause ignition or explosion.
  • battery evaluation tests that evaluate the heat generation behavior during internal short circuits are, for example, the UL standard for lithium batteries (UL1642), guidelines from the Battery Industry Association (SBA G1101-1997 lithium Secondary battery safety evaluation criteria guideline).
  • a heating element is placed inside the battery cell and internal heat is generated by the heating element, the internal separator is drilled in advance, and the part is treated with chemicals to melt it at a certain temperature.
  • the shape of the product actually used is different due to the heating element inside the cell and the external heating source, and in the second method, the actual separator must be modified and chemical treatment is applied to the damaged part.
  • characteristics may differ from existing products, and a desired reaction may not occur due to side reactions caused by chemical reactions inside the cell.
  • Patent Document 1 a copper plate is inserted into a battery cell after perforating a separator as an internal short circuit inducing device of a battery, and copper and aluminum plates are added to both sides of the separator, and then the copper plate and the separator.
  • a device for inducing a short circuit inside a battery cell in which a wax layer is installed between an aluminum plate and a separator is disclosed.
  • the wax layer is removed, and the anode and the cathode are electrically connected by a copper plate and an aluminum plate, thereby causing an internal short circuit.
  • this method has a problem that the manufacturing process of the internal short-circuit inducing device is complicated and the unit cost is high, and for repeated use, the battery cell must be disassembled again and then reassembled.
  • the present invention is invented to solve the above problems, and provides a test battery cell for evaluating the safety of a battery without physically altering the battery cell structure, and a battery safety evaluation method using the battery cell. There is a purpose to do.
  • anode cathode; A separation membrane disposed between the anode and the cathode and having at least one perforated portion; And a short inducing member disposed on the perforated portion,
  • the short inducing member may include a cover part covering the perforated part; And it characterized in that it comprises one or more magnetic parts disposed on the side of the cover part.
  • the short-circuit inducing member is inserted into a test battery cell including a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and is interposed between the perforated portion of the separator and the positive electrode and/or between the perforated portion and the negative electrode of the separator, and is provided by a magnetic field applied from the outside. By moving, it serves to induce an internal short circuit of the test cell.
  • the cover portion of the short-circuit inducing member must have an area larger than the area of the perforated portion so as to completely cover the perforated portion in order to prevent short circuit by contacting the anode and the cathode through the perforated portion.
  • the shape of the cover portion is not limited to shapes such as circles, ovals, rectangles, and triangles, but should be capable of completely covering the perforated portion while maintaining the insulation state of the cathode and the anode.
  • an insulating film may be used for the cover part, and a porous polymer film may be used for internal ion exchange.
  • the cover unit may be moved according to an external magnetic field, and may include a magnetic material to facilitate movement.
  • an additional insulating coating may be applied to the surface of the magnetic material so that an unintended short circuit does not occur inside the battery cell due to the magnetic material.
  • At least one magnetic part is attached to an end of the cover part with a binder, and two or more magnetic parts may be attached according to a moving direction.
  • the binder for attaching the magnetic part to the cover part is polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetra It may contain one or more materials selected from the group consisting of fluoroethylene, polyethylene, polypropylene, epoxy resin, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, or copolymers thereof. have.
  • the short-circuit inducing member since the magnetic part as described above is attached to the short-circuit inducing member, when a magnetic field is applied from the outside of the battery cell, the short-circuit inducing member may move inside the battery cell according to the direction of the magnetic field.
  • the magnetic part may include one or two or more of metals that exhibit strong magnetic properties when a magnetic field is applied, such as Fe, Ni, and Co.
  • the perforated portion may be formed in the center of the separation membrane, but is not limited thereto, and the position of the perforated portion may be changed according to a desired position to be short-circuited.
  • it is also possible to arbitrarily adjust the position of a short circuit by forming a plurality of perforated portions of two or more perforated portions, or to simulate a situation in which a short circuit occurs simultaneously in several places.
  • the short-circuit inducing member is also provided in the same quantity as the number of perforated portions formed accordingly.
  • a method for evaluating safety according to an internal short circuit of a battery using the battery cell may include the following steps.
  • the short-circuit inducing member When the short-circuit inducing member is moved to expose the perforated portion in the above step, the positive electrode and the negative electrode directly contact each other through the exposed perforated portion, thereby inducing an internal short circuit.
  • the battery cell including the short-circuit inducing member of the present invention improves the problem of physically deforming the battery cell after the internal short-circuit evaluation test, which was the biggest problem of the conventional methods, and induces internal short-circuit in various states and environments without physical change. can do.
  • experiments and evaluation are possible without disassembly and reassembly, the process is simple and time and cost can be saved.
  • FIG. 1 is a side view schematically showing a battery cell structure provided with a conventional short inducing member.
  • FIG. 2 is a side cross-sectional view schematically showing the structure of a battery cell equipped with a short inducing member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing the structure of a battery cell equipped with a short inducing member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view schematically showing a structure of a battery cell equipped with a short inducing member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing the structure of a battery cell equipped with a short inducing member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing, step by step, a safety evaluation method using a battery cell having a short inducing member according to an embodiment of the present invention.
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc. when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” another part, this includes not only the case where the other part is “directly above”, but also the case where there is another part in the middle. Conversely, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be “under” another part, this includes not only the case where the other part is “directly below”, but also the case where there is another part in the middle.
  • the term “top” may include a case where it is disposed not only on the top but also on the bottom.
  • covering means that the exposed part of the object is put on one side so that the object is not exposed and invisible
  • covered means that the appearance of the object is no longer covered on the covered side. It means an invisible state.
  • the perforated part is covered with the cover part means that the perforated part is no longer exposed on one side where the perforated part is covered by the cover part.
  • the internal short-circuit test is a test that evaluates the resistance to internal short-circuit among the safety tests of the battery, and is a test simulated when the positive and negative electrodes are short-circuited inside the battery.
  • a fully charged evaluation battery is prepared, an internal short circuit is generated, and the behavior of the battery is evaluated.
  • the test is conducted until the voltage decreases below a certain value to evaluate the presence or absence of rupture, the voltage of the battery, and the temperature.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an electrode assembly 100 equipped with a conventional internal short circuit induction device developed by the National Energy Research Institute (NREL).
  • NREL National Energy Research Institute
  • the wax 140 is used as an insulator to prevent the negative electrode and the positive electrode from contacting during normal operation of the battery, and when the battery rises to the melting point of the wax, the wax is removed. An internal short circuit occurs due to contact between the cathode and anode.
  • the conventional internal short-circuit inducing device creates a hole in the separator 120 and inserts a block 130 of a metal material such as copper into the hole, and then inserts a wax layer 140 on one side of the metal plate. do.
  • the aluminum plate 160 is attached to a portion of the separation membrane where the wax layer is not interposed, and the copper plate 150 is attached to the wax layer 140.
  • the separator 120 As described above, after installing the internal short-circuit inducing device on the separator 120, the separator 120, the cathode 110, and the anode 111 are wound to manufacture an electrode assembly.
  • the manufacturing cost is high, and there is an inconvenience of disassembling and reassembling the battery cell in order to be reused after testing by inserting it into a battery cell.
  • the structure of the battery cell may be deformed, which may cause safety problems.
  • the battery cell including the short-circuit inducing member according to the present invention is a further improvement of the prior art, and the short-circuit inducing member includes a cover part made of a porous polymer material and a magnetic part containing a magnetic material.
  • the battery cell into which the short-circuit inducing member is inserted according to the present invention has a structure in which an electrode assembly wound with a positive electrode and a negative electrode, and a separator with a short-circuit inducing member interposed between the positive electrode and the negative electrode is embedded in a battery case,
  • a battery such as a battery, a pouch-type battery, a prismatic battery, or a coin-type battery, but a pouch-type battery was used in an embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly has a structure that is impregnated with a lithium salt nonaqueous electrolyte in a state in which a negative electrode and a positive electrode are alternately stacked with a separator interposed between the electrodes.
  • the secondary battery electrode may be manufactured by applying an electrode mixture containing an electrode active material on a current collector and drying it.
  • the electrode mixture may optionally further include a binder, a conductive material, and a filler, as necessary.
  • the positive electrode current collector is generally made to have a thickness of 3 to 500 ⁇ m.
  • a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery, for example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel. Surface treatment of carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used on the surface of.
  • the current collector may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on its surface, and various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics are possible.
  • the negative electrode current collector sheet it is generally made to have a thickness of 3 to 500 ⁇ m.
  • a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery.
  • the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel For example, carbon, nickel, titanium, silver, etc. surface-treated, aluminum-cadmium alloy, and the like may be used.
  • the positive electrode current collector it is possible to enhance the bonding strength of the negative electrode active material by forming fine irregularities on the surface thereof, and may be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics.
  • the positive electrode active material is a material capable of causing an electrochemical reaction, as a lithium transition metal oxide, including two or more transition metals, and, for example, lithium cobalt oxide (LiCoO2) substituted with one or more transition metals.
  • a lithium transition metal oxide including two or more transition metals, and, for example, lithium cobalt oxide (LiCoO2) substituted with one or more transition metals.
  • the negative electrode active material examples include carbon such as non-graphitized carbon and graphite-based 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' : Al, B, P, Si, elements of groups 1, 2 and 3 of the periodic table, halogen, metal complex oxides such as 0 ⁇ x ⁇ 1;1 ⁇ y ⁇ 3;1 ⁇ z ⁇ 8); Lithium metal; Lithium alloy; 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 ; Conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 30% by weight 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 a chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
  • the binder is a component that aids in bonding of an active material and a conductive material and bonding to a current collector, and is typically added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • a binder include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, recycled cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, poly Propylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butyrene rubber, fluorine rubber, and various copolymers.
  • the filler is selectively used as a component that suppresses the expansion of the electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical changes to the battery, and examples thereof include olefin-based polymerizers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials such as glass fiber and carbon fiber are used.
  • viscosity modifiers may be further included optionally or as a combination of two or more.
  • the viscosity modifier is a component that adjusts the viscosity of the electrode mixture to facilitate the mixing process of the electrode mixture and the application process on the current collector, and may be added up to 30% by weight based on the total weight of the negative electrode mixture.
  • examples of such viscosity modifiers include carboxy methylcellulose, polyvinylidene fluoride, and the like, but are not limited thereto.
  • the solvent described above may simultaneously serve as a viscosity modifier.
  • the adhesion promoter is an auxiliary component added to improve the adhesion of the active material to the current collector, and may be added in an amount of 10% by weight or less relative to the binder, for example, oxalic acid, adipic acid, Formic acid (formic acid), acrylic acid (acrylic acid) derivatives, itaconic acid (itaconic acid) derivatives, and the like.
  • the separator is interposed between an anode and a cathode, and an insulating thin ultrathin having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the pore diameter of the separator is generally 0.01 to 10 ⁇ m, and the thickness is generally 5 to 300 ⁇ m.
  • Examples of such separation membranes include olefin-based polymers such as polypropylene having chemical resistance and hydrophobicity; Sheets or non-woven fabrics made of glass fiber or polyethylene are used.
  • the lithium salt-containing non-aqueous electrolyte is composed of an electrolyte and a lithium salt, and as the electrolyte, a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like is used.
  • non-aqueous organic solvent for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma -Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc (franc), 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolone, formamide, dimethylformamide, dioxolone , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid tryster, trimethoxymethane, dioxolone derivative, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyropionate and ethoxyl
  • organic solid electrolyte for example, a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a phosphate ester polymer, a poly agitation lysine, a polyester sulfide, a polyvinyl alcohol, a polyvinylidene fluoride, A polymerization agent or the like containing an ionic dissociating group may be used.
  • 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, and sulfates of Li such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 may be used.
  • the lithium salt is a material soluble in the nonaqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 1 0Cl 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 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide.
  • the electrolyte solution includes, for example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, and nitro.
  • Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride, etc. may be added. .
  • a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride and ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included in order to improve high-temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS (Propene sultone), and the like may be further included.
  • lithium salts such as LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , and LiN(SO 2 CF 3 ) 2 are used in a cyclic carbonate of EC or PC as a highly dielectric solvent and DEC, DMC or EMC as a low viscosity solvent.
  • the lithium salt-containing non-aqueous electrolyte may be prepared by adding it to a mixed solvent of linear carbonate.
  • the battery cell according to the present invention includes the positive electrode, the negative electrode, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and a short-circuit inducing member is disposed on at least one perforated portion formed in the separator.
  • the short inducing member may include a cover portion covering the perforated portion; And it characterized in that it comprises one or more magnetic parts disposed on the side of the cover part.
  • Short circuit may occur due to direct contact between the positive electrode and the negative electrode through the perforated portion, and while the battery short-circuit inducing member of the present invention is disposed on one surface of the separator on which the perforated portion is formed, the cover portion of the short inducing member covers the perforated portion As a result, an internal short circuit is prevented. That is, the short-circuit inducing member may be disposed between the anode and the separator, or may be disposed between the cathode and the separator.
  • the cover portion of the short-circuit inducing member must have an area larger than the area of the perforated portion so as to completely cover the perforated portion in order to prevent short circuit by contacting the anode and the cathode through the perforated portion.
  • the shape of the cover portion is not limited to shapes such as circles, ovals, rectangles, and triangles, but should be capable of completely covering the perforated portion while maintaining the insulation state of the cathode and the anode. That is, even if the area of the perforated portion is larger than the area of the perforated portion, a portion of the perforated portion may be exposed if the shape is different.
  • the cover portion can completely block direct contact between the anode and the cathode through the perforated portion. It should be something you can do.
  • an insulating film may be used for the cover portion to maintain the insulating state
  • a porous polymer membrane having insulating properties may be used as the cover portion for internal ion exchange.
  • the cover part may move according to an external magnetic field, and may include a magnetic material to facilitate movement.
  • an additional insulating coating may be applied to the surface of the magnetic material so as not to cause an unintended short circuit inside the battery cell due to the magnetic material.
  • the cover portion includes a magnetic material
  • the short inducing member may be formed only by the cover portion without the magnetic portion.
  • the short-circuit inducing member of the present invention may include a cover part made of the same material as the separator and a magnetic part that enables movement according to a magnetic field from the outside.
  • one or more magnetic parts included in the short inducing member are attached to an end of the cover part by a binder.
  • the magnetic part is for moving the short inducing member by a magnetic field applied from the outside of the battery cell.
  • the perforated part may be exposed when the cover part covering the perforated part is removed.
  • an internal short circuit of the battery cell occurs. That is, as the magnetic part as described above is attached to the cover part of the short inducing member, when a magnetic field is applied from the outside of the battery cell equipped with the short inducing member, the position of the short inducing member is adjusted according to the direction of the magnetic field. You can change the position while moving inside.
  • the perforated portion is exposed as the short-circuit inducing member moves, the positive electrode and the negative electrode directly contact each other, and a short circuit may occur inside the battery cell.
  • the binder for attaching the magnetic part to the cover part does not affect the separator and the electrode layer of the short-circuit inducing member, and is designed so as not to hinder the conduction between electrodes when a short circuit occurs by the short-circuit inducing member, special restrictions on the type of chemical substance
  • An epoxy resin composition may be used as long as silver does not exist and the adhesive strength is not lowered by the internal electrolyte.
  • binder materials include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, recycled cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, It may include one or more materials selected from the group consisting of polypropylene, epoxy resin, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, or copolymers thereof.
  • CMC carboxymethylcellulose
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • sulfonated EPDM styrene butadiene rubber
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the magnetic material is preferably a metal element that exhibits strong magnetism when a magnetic field is applied, such as Fe, Ni, and Co, and one or two or more metal magnetic materials selected from the group consisting of them may be included in the magnetic portion.
  • FIGS. 2 and 3 are side cross-sectional views and perspective views schematically showing the structure of a battery cell into which a short inducing member and a short inducing member are inserted according to an embodiment of the present invention.
  • the short-circuit inducing member according to the present invention is inserted into the battery cell 200, the battery cell 200 is a negative electrode 220, a positive electrode 240, and interposed therebetween.
  • a separator 230 may be included, and the negative electrode 220 / the separator 230 / the positive electrode 240 may be accommodated in a pouch 210 type case.
  • the separation membrane 230 has a perforated portion 231 which is partially perforated, and a short circuit may occur due to direct contact between the cathode 220 and the anode 230 through the perforated portion 231.
  • the short-circuit inducing member according to the present invention includes a cover part 250 and a magnetic part 251 attached to the cover part 250, and may be interposed on one surface of the separator 230. Specifically, the short-circuit inducing member according to the present invention may be interposed on the perforated portion 231 formed in the separation membrane 230, wherein the cover portion 250 of the short-circuit inducing member is formed in the separation membrane 230 By covering on one side, it is possible to prevent the cathode 220 and the anode 230 from directly contacting.
  • the perforated part 231 may change the position or area to be short-circuited as desired.
  • FIG. 4 unlike FIGS. 2 and 3 in which the perforated portion 231 is formed in the center of the separation membrane 230, a perforated portion at one end of the separation membrane 230 ( 231) is formed.
  • a total of three perforations are formed at both ends and centers of the separation membrane 230.
  • the short-circuit inducing member is provided in the same quantity as the number of formed perforations, but the direction of the attached magnetic part 251 is different from that of FIGS. 2 to 4 to move the internal short-circuit moving device Even in the city, there was no interference with each other.
  • the short-circuit inducing member according to the present invention can easily change the location or area of the short by simply setting the location and size of the perforated portion differently.
  • the short-circuit inducing member according to the present invention can easily change the location or area of the short by simply setting the location and size of the perforated portion differently.
  • multiple anodes and cathodes are stacked, part of a specific layer or It is possible to replicate in detail even the short circuit occurring in all.
  • the short inducing member of the present invention includes magnetic portions 251 at ends of the cover portion 250 in a direction opposite to each other.
  • This is a magnetic part is attached to the end of the direction in which the short inducing member moves when magnetism is applied from the outside. That is, the magnetic portion 251 is attached to an end portion of the cover portion 250 in the direction in which the cover portion 251 moves by an external magnetic field based on the center of the cover portion 250.
  • the magnetic portion 251 moves along with the cover portion 250 attached to the magnetic portion 251 while being dragged along the direction of the magnetic field, and through this moving method, the cover portion 251 It can prevent the phenomenon of being caught or folded while being pushed. That is, in the case of the embodiment of FIGS. 2 to 4, it is preferable that the short-circuit inducing member moves in the long axis direction of the separation membrane, and in the case of the embodiment of FIG. 5, it is an advantageous structure for the short-circuit inducing member to move in the short axis direction of the separation membrane.
  • FIG. 6 A method of inducing a short circuit due to movement of the short inducing member by a magnetic field is specifically shown in FIG. 6.
  • a magnetic field is applied from the outer surface of the battery cell provided with the short-circuit inducing member as shown in step (a) of FIG. 6.
  • the cover portion of the short inducing member is in a state that covers the perforated portion of the separation membrane, and the anode and the cathode facing through the perforated portion are physically blocked by the cover portion and are not in direct contact.
  • the magnetic field is applied to the magnetic portion of the short inducing member, and the method of applying the magnetic field may be simply applied with a permanent magnet such as neodymium, but is not limited thereto. Specifically, after applying a magnetic field to the magnetic portion attached to the end of the cover portion in a direction moving from the center of the cover portion, the short-circuit inducing member is moved to the side to expose the perforated portion.
  • a permanent magnet such as neodymium
  • the short-circuit inducing member moves inside the battery cell according to the externally applied magnetic field, and as a result, the positive electrode and the negative electrode come into contact with each other through a perforated portion formed in the separator to cause an internal short circuit. do.
  • the method for evaluating safety due to a short circuit inside a battery according to the present invention may specifically include the following steps.
  • the perforated portion of the separator may be exposed.
  • a short circuit may occur inside the battery cell.

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Abstract

본 발명은 분리막에 형성된 타공부 및 타공부 상에 배치되는 단락 유도 부재를 포함하는 전지셀 및 이러한 전지셀을 이용하여 내부 단락에 의한 전지의 안전성을 평가할 수 있는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 전지셀을 이용할 경우, 전지셀의 물리적인 변형이나 재조립 없이 용이하게 전지의 내부 단락에 의한 안전성 평가를 수행할 수 있다.

Description

단락 유도 부재를 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 안전성 평가방법
본 발명은 단락 유도 부재를 포함하는 전지셀 및 이러한 전지셀을 이용하여 내부 단락에 의한 전지의 안전성을 평가할 수 있는 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2019.04.09.자 한국 특허 출원 제10-2019-0041138호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있고, 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 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 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
일반적으로, 이차전지는 집전체의 표면에 전극활물질을 포함하는 전극 합제를 도포하여 양극과 음극을 구성하고 그 사이에 분리막을 개재하여 전극조립체를 만든 후, 원통형 또는 각형의 금속 캔이나 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 장착하고, 상기 전극조립체에 주로 액체 전해질을 주입 또는 함침시키거나 고체 전해질을 사용하여 제조된다.
또한 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 분리막 시트로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
한편, 전극은 이온의 교환을 통해서 전류를 발생시키는데, 전극을 이루는 양극 및 음극은 금속으로 이루어진 전극 집전체에 전극 활물질이 도포된 구조로 이루어진다.
일반적으로 음극은 구리 또는 알루미늄 등으로 이루어진 전극판에 탄소계 활물질이 도포된 구조로 이루어지고, 양극은 알루미늄 등으로 이루어진 전극판에 LiCoO 2, LiMnO 2, LiNiO 2 등으로 이루어진 활물질이 코팅된 구조로 이루어진다.
이렇게 양극 또는 음극을 제조하기 위해 한쪽 방향으로 긴 금속시트로 이루어진 전극 집전체에 전극 활물질을 포함하는 전극 합제를 도포한다.
분리막은 전지의 양극과 음극 사이에 위치하여 절연을 시키며, 전해액을 유지시켜 이온전도의 통로를 제공한다.
이러한 이차전지는 이차전지는 전류와 물질 사이의 산화환원과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지로서, 전류에 의해 소재에 대한 환원반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성되게 된다.
리튬 이차전지는 우수한 전기적 특성을 가지고 있음에 반해 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 과충전, 과방전, 고온에의 노출, 전기적 단락 등 비정상적인 작동 상태에서 전지 구성요소들인 활물질, 전해질 등의 분해반응이 유발되어 열과 가스가 발생하고 이로 인해 초래된 고온 고압의 조건은 상기 분해반응을 더욱 촉진하여 급기야 발화 또는 폭발을 초래하기도 한다.
또한 전지에 내부 단락이 발생한 경우에도 그 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해서는 내부 단락이 발생했을 때의 전지의 안전성을 올바르게 평가하는 것이 중요하다. 리튬 이온 이차전지 등의 전지의 안전성 항목으로서 내부 단락시의 발열거동을 평가하는 전지 평가 시험이, 예를 들면, 리튬 전지를 위한 UL규격(UL1642), 전지 공업회로부터의 지침(SBA G1101-1997 리튬 이차전지 안전성 평가 기준 가이드 라인) 등으로 제정되어 있다.
종래에는 내부 단락을 유도하기 위해 전지셀의 내부에 발열체를 넣고 발열체에 의해 내부 발열을 시키는 방식, 내부의 분리막을 미리 뚫어 놓고 그 부분에 화학 약품 처리를 해서 일정한 온도에서 녹게 하는 방식, 일정한 형태의 금속물질을 집어넣고 외력을 가하여 분리막을 찢어 내부 단락을 유도하는 방식이 있었다. 그러나 첫 번째 방법의 경우 셀 내부의 발열체 및 외부 발열원으로 인해 실제 사용하는 제품과 형태가 달라지게 되며, 두 번째 방법의 경우 실제 사용하는 분리막에 변형을 줘야 하고 분리막이 파손된 부분에 화학 처리를 함으로 인해 기존 제품과 특성이 달라질 수 있고 셀 내부 화학 작용에 의한 부반응으로 인해 원하는 반응이 발생하지 않을 수 있다는 문제가 있었다.
한편, 미국공개특허 제2013-0209841호(특허문헌 1)에서는, 전지의 내부 단락 유도장치로서 분리막 타공 후 구리 판을 전지셀에 삽입하고, 분리막 양면에 구리 및 알루미늄 판을 덧댄 다음, 구리판과 분리막, 또는 알루미늄 판과 분리막 사이에 왁스층을 설치한 전지셀 내부 단락 유도장치를 개시하고 있다. 상기 내부 단락 유도장치에서 왁스층의 융점 이상으로 온도가 상승하면 왁스층이 제거되고 양극과 음극이 구리판 및 알루미늄 판에 의해 전기적으로 연결되어 내부 단락이 발생한다. 다만, 이러한 방법은 내부 단락 유도장치의 제작 공정이 복잡하고 단가가 높으며, 반복 사용을 위해서는 전지셀을 다시 분해한 후 재조립을 해야 된다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 창안된 것으로서, 전지셀 구조를 물리적으로 변형시키지 않으면서도, 전지의 안전성을 평가하기 위한 테스트용 전지셀 및 이러한 전지셀을 이용한 전지의 안전성 평가방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전지셀은,
양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 배치되며, 적어도 하나 이상의 타공부가 형성된 분리막; 및 상기 타공부 상에 배치되는 단락 유도 부재를 포함한다,
이때, 상기 단락 유도 부재는 상기 타공부를 덮는 커버부; 및 상기 커버부의 측면에 배치되는 하나 또는 둘 이상의 자성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 단락 유도 부재는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 테스트 전지셀의 내부에 삽입되며, 분리막의 타공부와 양극 사이 및/또는 분리막의 타공부와 음극 사이에 개재되며, 외부에서 인가되는 자기장에 의해 이동함으로써, 상기 테스트 셀의 내부 단락을 유도하는 역할을 한다.
한편, 상기 단락 유도 부재의 커버부는 타공부를 통해 양극과 음극이 접촉하여 단락되는 것을 방지하기 위하여, 타공부를 완전히 덮을 수 있도록 타공부의 면적보다는 큰 면적을 가져야 한다. 또한, 커버부의 모양은 원, 타원, 장방형, 삼각형 등 형상에 제한되지는 않으나, 타공부를 완전히 덮을 수 있으면서도 음극과 양극의 절연 상태를 유지할 수 있는 것이어야 한다.
따라서, 상기 커버부에는 절연 필름이 이용될 수 있으며, 내부 이온 교환을 위하여 다공성 고분자막이 사용될 수도 있다.
또한, 상기 커버부는 외부의 자기장에 따라 이동할 수 있는 것으로서, 이동을 용이하게 하기 위하여 자성체를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 자성체로 인하여 전지셀 내부에서 의도하지 않은 단락이 발생하지 않도록 상기 자성체의 표면에 추가적인 절연 코팅을 할 수 있다.
다만, 전지셀 내부 단락 평가에 영향을 미칠 수 있는 요소를 최소화하기 위하여, 상기 커버부는 분리막과 동일한 소재를 적용하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 자성부는 커버부 단부에 하나 이상이 바인더로 부착되어 있는 것을 특징으로 하며, 이동 방향에 따라 둘 이상의 자성부를 부착할 수도 있다.
상기 자성부를 커버부에 부착하기 위한 바인더는 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에폭시 수지, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무 또는 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기한 바와 같은 자성부가 단락 유도 부재에 부착됨으로서, 전지셀의 외부에서 자기장을 인가할 경우, 상기 단락 유도 부재는 자기장의 방향에 따라 전지셀 내부에서 위치가 이동할 수 있다.
이때, 상기 자성부는 Fe, Ni 및 Co과 같이 자기장 인가 시 강한 자성을 띠는 금속 중 하나 또는 둘 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 타공부는 분리막의 중앙에 형성하는 것도 가능하나, 이에 제한되지 않으며 단락시키기를 원하는 위치에 따라 타공부 위치를 변경할 수 있다. 또한, 타공부는 둘 이상의 복수 개로 타공부를 형성하여 단락 위치를 임의로 조정해 보거나 여러 곳에서의 동시에 단락이 발생하는 상황을 모사하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이 타공부가 복수 개 형성되는 경우, 그에 따라 상기 단락 유도 부재 또한 형성된 타공부의 수와 동일한 수량으로 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 전지셀을 이용한 전지의 내부 단락에 따른 안전성 평가방법은 다음과 같은 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
양극, 음극 및 타공부가 형성된 분리막을 준비하는 단계;
상기 타공부를 덮을 수 있는 커버부 및 자성부를 준비하는 단계;
상기 커버부에 상기 자성부를 부착하여 단락 유도 부재를 제조하는 단계;
상기 단락 유도 부재를 상기 타공부 상에 배치하는 단계;
상기 양극, 음극, 분리막 및 단락 유도 부재를 포함하는 전지셀을 조립하는 단계;
전지셀의 외부에서 상기 단락 유도 부재에 자기장을 인가하는 단계;
상기 단락 유도 부재를 이동하여 타공부를 노출시키는 단계.
상기한 단계에 단락 유도 부재를 이동하여 타공부를 노출시키면, 노출된 타공부를 통하여 양극과 음극이 직접 접촉함으로써, 내부 단락을 유도할 수 있다.
본 발명의 단락 유도 부재를 포함하는 전지셀은 종래 방법들의 가장 큰 문제점이었던 내부 단락 평가 시험 후 전지셀이 물리적으로 변형되는 문제를 개선한 것으로, 물리적인 변화 없이 다양한 상태 및 환경에서 내부 단락을 유도할 수 있다. 또한, 분해 및 재조립 없이 실험 및 평가가 가능하므로, 공정이 간단하고 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 단락 유도 부재가 구비된 전지셀 구조를 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단락 유도 부재가 구비된 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단락 유도 부재가 구비된 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단락 유도 부재가 구비된 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 단락 유도 부재가 구비된 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단락 유도 부재를 구비한 전지셀을 이용한 안전성 평가방법을 단계에 따라 나타낸 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용된 용어들은 이해를 돕기 위한 것이며, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소가 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 발명의 명세서에서 “상에” 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 명세서 전체에서 “덮는다”고는 하는 것은 대상이 드러나 보이지 않도록 일면에서 대상의 드러난 부위를 얹어 씌운다는 의미로서, 어떤 대상이 “덮여 있다”고 함은 덮여 있는 일면에서 대상의 외관이 더 이상 드러나지 않는 상태를 의미한다. 예를 들어 “타공부가 커버부에 덮여 있다”고 함은 타공부가 커버부에 의해 덮여 있는 일면에서 타공된 부위가 더 이상 노출되지 않는 상태인 것을 의미한다.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
내부 단락 시험이란 전지의 안전성 시험 중에서도 내부 단락에 대한 내성을 평가하는 시험으로, 전지 내부에서 양극과 음극이 단락하는 경우로 모의한 시험이다. 내부 단락 시험에서는 먼저 만충전시킨 평가 전지를 준비하고, 내부 단락을 발생시키고 전지의 거동을 평가한다. 일반적으로 내부 단락이 발생하면 전지가 방전되어 전압이 감소하며, 일정 수치 이하로 전압이 감소할 때까지 시험을 하여 파열 유무, 배터리의 전압, 온도 등을 평가하게 된다.
도 1은 미국에너지연구소(NREL)에서 개발한 종래의 내부 단락 유도장치가 설치된 전극조립체(100)를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 단락 유도 부재는 왁스(140)가 절연체로 사용되어 배터리의 정상 작동 중에는 음극과 양극이 접촉하는 것을 방지하다가, 배터리가 왁스의 융점까지 상승할 경우 왁스가 제거되고, 음극과 양극 간에 접촉으로 인한 내부 단락이 발생한다.
구체적으로, 종래의 내부 단락 유도 장치는 분리막(120)에 구멍을 생성하여 상기 구멍에 구리와 같은 금속 소재의 블록(130)을 삽입 후, 상기 금속 판의 일측면에 왁스 층(140)을 개재한다. 그리고 알루미늄 판(160)을 분리막의 왁스층이 개재되지 않은 부분에 부착시키고, 왁스층(140)에는 구리 판(150)을 부착시키는 구조이다.
상기와 같이 분리막(120)에 내부 단락 유도장치를 설치 후 분리막(120)과 음극(110), 양극(111)을 권취하여 전극조립체를 제조하게 된다.
리튬이온 이차전지에서는 음극과 양극 간에 리튬 이온이 이동하면서 발생하는 산화 환원 반응이 발생하지만, 상기와 같은 종래의 단락 유도 부재가 설치된 전지의 경우 상기 단락 유도 부재가 설치된 부분에서 알루미늄 판 및 구리 판으로 인하여 리튬 이온의 이동이 불가능하여 미반응 영역이 형성되었다. 상기 미반응 영역으로 인하여, 기존 전지에 비해 용량 등 전지 성능이 감소하고, 내부 단락 발생시 정확한 전지의 거동을 모사하기 어려워서 안전성 평가의 정확성이 감소하는 문제점이 있었다. 또한, 상기 도 1과 같은 내부 단락 유도 장치의 경우 제조 단가가 높으며, 전지셀에 삽입하여 조립하여 테스트를 진행한 후 재사용하기 위해서는 전지셀을 분해하여 재조립을 해야 하는 불편함이 있다. 또한, 이러한 재조립 과정에서 전지셀에 구조에 변형이 일어날 수 있으며, 이로 인해 안전 문제가 발생할 수도 있다.
상기한 방법 외에 특허문헌 2에 기재된 것과 같은 형상기억 합금을 이용한 전지셀의 내부 단락 시험법이 있으나, 이 또한 전지를 특정 온도 이상으로 가열해 주어야 한다는 한계가 있으며, 전지셀 내부에 삽입된 형상기억 합금의 물리적 변화로 인하여 전지셀 구조가 틀어질 위험이 있다.
그 외에 공지된 방법으로 못 관통 시험, 압괴 시험 등이 있으나 이들은 전지셀 자체를 불가역적으로 영구 변형시키는 것으로서 테스트마다 매번 전지셀을 새로 제작해야 한다는 문제가 있다.
본 발명에 의한 단락 유도 부재를 포함하는 전지셀은 상기한 종래 기술을 더욱 개선한 것으로서, 상기 단락 유도 부재는 다공성 고분자 물질로 이루어진 커버부 및 자성 물질을 함유하는 자성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 단락 유도 부재가 삽입되는 전지셀은 구체적으로 양극 및 음극, 상기 양극과 음극 사이에 단락 유도 부재가 설치된 분리막이 개재된 상태로 권취된 전극 조립체가 전지케이스 내에 내장된 구조이며, 원통형 전지, 파우치형 전지, 각형 전지 또는 코인형 전지 등 전지의 형태에는 제한이 없으나, 본 발명의 일 실시예에서는 파우치형 전지를 사용하였다.
상기 전극 조립체는 전극 사이에 분리막이 개재된 채로 음극과 양극이 교대로 적층된 상태에서 리튬염 비수계 전해액에 함침되어 있는 구조이다. 상기 이차전지용 전극은 집전체 상에 전극 활물질을 포함하고 있는 전극 합제를 도포한 후 건조하여 제조될 수 있으며 상기 전극 합제에는 필요에 따라 바인더, 도전재, 충진재 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
본 발명에서, 양극 집전체의 경우 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 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.
음극 집전체용 시트의 경우, 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 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.
본 발명에서 양극 활물질은, 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi 1-yM yO 2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li 1+zNi 1/3Co 1/3Mn 1/3O 2, Li 1+zNi 0.4Mn 0.4Co 0.2O 2 등과 같이 Li 1+zNi bMn cCo 1-(b+c+d)M dO (2-e)A e (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li 1+xM+M' yPO 4-zX z(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li xFe 2O 3(0≤x≤1), Li xWO 2(0≤x≤1), Sn xMe 1-xMe' yO z (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, SnO 2, PbO, PbO 2, Pb 2O 3, Pb 3O 4, Sb 2O 3, Sb 2O 4, Sb 2O 5, GeO, GeO 2, Bi 2O 3, Bi 2O 4, Bi 2O 5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
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 도전재 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 셀룰로오즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진재는 전극의 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.
점도 조절제, 접착 촉진제 등의 기타의 성분들이 선택적으로 또는 둘 이상의 조합으로서 더 포함될 수 있다. 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시 메틸셀룰로오즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 극박이 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.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 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, Li 3N, LiI, Li 5NI 2, Li 3N-LiI-LiOH, LiSiO 4, LiSiO 4-LiI-LiOH, Li 2SiS 3, Li 4SiO 4, Li 4SiO 4-LiI-LiOH, Li 3PO 4-Li 2S-SiS 2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiBF 4, LiB 10Cl 10, LiPF 6, LiCF 3SO 3, LiCF 3CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3SO 3Li, (CF 3SO 2) 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) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, LiPF 6, LiClO 4, LiBF 4, LiN(SO 2CF 3) 2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 전지셀은 상기 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막을 포함하며, 분리막에 형성된 적어도 하나 이상의 타공부 상에는 단락 유도 부재가 배치되어 있다.
또한, 상기 단락 유도 부재는 상기 타공부를 덮는 커버부; 및 상기 커버부의 측면에 배치되는 하나 또는 둘 이상의 자성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 양극 및 음극이 타공부를 통해 직접 접촉함으로써 단락이 발생할 수 있는데, 본 발명의 전지 단락 유도 부재가 상기 타공부가 형성된 분리막의 일면 상에 배치되면서, 이때 단락 유도 부재의 커버부가 타공부를 덮음으로써, 내부 단락을 방지하는 상태가 된다. 즉, 상기 단락 유도 부재는 양극과 분리막 사이에 배치되거나, 음극과 분리막 사이에 배치될 수 있다.
한편, 상기 단락 유도 부재의 커버부는 타공부를 통해 양극과 음극이 접촉하여 단락되는 것을 방지하기 위하여, 타공부를 완전히 덮을 수 있도록 타공부의 면적보다는 큰 면적을 가져야 한다. 또한, 커버부의 모양은 원, 타원, 장방형, 삼각형 등 형상에 제한되지는 않으나, 타공부를 완전히 덮을 수 있으면서도 음극과 양극의 절연 상태를 유지할 수 있는 것이어야 한다. 즉, 타공부의 커버부의 면적이 타공부의 면적보다 더 크더라도, 형상이 상이한 경우 타공부의 일부가 노출될 수 있는바, 상기 커버부는 타공부를 통하여 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 완전히 차단할 수 있는 것이어야 한다.
또한, 절연 상태를 유지하기 위하여 상기 커버부에는 절연 필름이 이용될 수 있으며, 내부 이온 교환을 위하여 절연성을 가지는 다공성 고분자막이 커버부로 사용될 수도 있다.
상기 커버부는 외부의 자기장에 따라 이동할 수 있는 것으로서, 이동을 용이하게 하기 위하여 자성체를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 자성체로 인하여 전지셀 내부에서 의도하지 않은 단락이 발생하지 않도록, 필요한 경우 상기 자성체의 표면에 추가적인 절연 코팅을 할 수 있다. 또한, 커버부가 자성체를 포함하는 경우에는, 상기 단락 유도 부재는 자성부 없이 커버부만으로도 이루어질 수 있다.
다만, 전지셀 내부 단락 평가에 영향을 미칠 수 있는 요소를 최소화하기 위하여, 상기 커버부는 분리막과 동일한 소재를 적용하는 것이 가장 바람직하다. 이에 따르면, 본 발명의 단락 유도 부재는 분리막과 동일한 소재로 이루어진 커버부 및 외부에서 자기장에 따른 이동이 가능하게 하는 자성부를 포함하는 것일 수 있다.
한편, 상기 단락 유도 부재에 포함된 자성부는 바인더에 의해 커버부의 단부에 하나 또는 둘 이상 부착되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 자성부는 전지셀 외부에서 인가되는 자기장에 의하여 단락 유도 부재를 이동시키기 위한 것으로서, 자기장의 방향에 따라 단락 유도 부재가 이동하면 타공부를 덮고 있는 커버부가 제거되면 타공부가 노출될 수 있으며, 그에 따라 양 극판이 직접 접촉할 수 있게 되면서 전지셀의 내부 단락이 발생한다. 즉, 상기한 바와 같은 자성부가 단락 유도 부재의 커버부에 부착됨으로서, 상기 단락 유도 부재가 구비된 전지셀의 외부에서 자기장을 인가할 경우, 상기 단락 유도 부재의 위치를 자기장의 방향에 따라 전지셀 내부에서 이동하면서 위치를 변경할 수 있다. 이러한 단락 유도 부재의 이동에 따라 타공부가 노출되면 양극과 음극이 직접 접촉하여 전지셀의 내부에 단락이 발생할 수 있다.
상기 자성부를 커버부에 부착하기 위한 바인더는 상기 단락 유도 부재의 분리막 및 전극층에 영향을 주지 않고, 상기 단락 유도 부재에 의한 단락 발생 시 전극 간의 통전을 저해하지 않도록 설계된 것이라면 화학물질의 종류에 특별한 제한은 존재하지 않으며, 내부 전해액에 의해 접착력이 저하되지 않는 것이라면 에폭시 수지 조성물을 이용할 수도 있다.
이러한 바인더 물질로는 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에폭시 수지, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무 또는 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 물질을 포함하는 것일 수 있다.
특히 상기 화학물질 중 폴리불화비닐리덴(PVDF)은 전극의 바인더로 통상 사용되는 물질이며, 불소 수지의 장점인 뛰어난 내약품성과 양호한 기계적·열적·전기적 특성을 가지고 있다는 장점이 있으므로, 단락 유도 부재의 커버부와 자성부의 접착 상태를 유지하면서, 전지셀 내부의 전기적 연결을 방해하지 않으므로 바람직하다.
한편, 상기 자성 물질은 Fe, Ni 및 Co과 같이 자기장 인가 시 강한 자성을 띠는 금속 원소인 것이 바람직하며, 이들로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속 자성 물질이 자성부에 포함할 수 있다.
이하 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 단락 유도 부재 및 이를 이용한 전지의 안전성 평가방법에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
도 2 및 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 단락 유도 부재 및 단락 유도 부재가 삽입되는 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 측단면도 및 사시도이다.
상기 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 단락 유도 부재는 전지셀(200) 내부에 삽입되며, 상기 전지셀(200)은 음극(220), 양극(240) 및 그 사이에 개재되는 분리막(230)을 포함할 수 있으며, 상기 음극(220)/분리막(230)/양극(240)은 파우치(210)형 케이스 내부에 수납될 수 있다.
상기 분리막(230)에는 그 일부를 타공한 타공부(231)가 형성되어 있으며, 상기 타공부(231)를 통해 음극(220) 및 양극(230)이 직접 접촉하여 단락이 발생할 수 있다.
본 발명에 의한 단락 유도 부재는 커버부(250) 및 커버부(250)에 부착된 자성부(251)를 포함하며, 상기 분리막(230)의 일면에 개재될 수 있다. 구체적으로 본 발명에 의한 단락 유도 부재는 분리막(230)에 형성된 타공부(231) 상에 개재될 수 있으며, 이때 단락 유도 부재의 커버부(250)이 분리막(230)에 형성된 타공부(231)를 일면에서 덮음으로써, 음극(220) 및 양극(230)이 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
한편 상기 타공부(231)는 단락시킬 위치나 면적을 원하는 대로 변경이 가능하다. 도 4에 도시된 본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 타공부(231)가 분리막(230)의 중앙에 형성되어 있는 도 2 및 도 3과는 달리 분리막(230)의 일측 단부에 타공부(231)가 형성되어 있다.
또한, 도 5에 도시된 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 분리막(230)의 양측 단부 및 중앙에 총 3개의 타공부가 형성되어 있다. 한편, 단락 유도 부재는 형성된 타공부의 수와 동일한 수량으로 구비하되, 부착된 자성부(251)의 방향을 도 2 내지 4와는 자성부(251)의 방향을 다르게 하여, 내부 단락 이동장치의 이동 시에도 서로 간섭이 발생하지 않도록 하였다.
이처럼 본 발명에 의한 단락 유도 부재는 타공부의 위치 및 크기를 다르게 설정하는 것만으로도 단락의 위치나 면적을 용이하게 변경이 가능하며, 양극과 음극이 여러 장 적층된 경우, 특정 층의 일부 또는 전부에서 발생하는 단락도 세부적으로 모사하는 것이 가능하다.
또한, 상기 도 2 내지 5의 각 실시예들에 의한 본 발명의 단락 유도 부재는 각각 커버부(250)의 단부에 서로 대향하는 방향으로 자성부(251)를 포함하고 있다. 이는 외부에서 자성을 인가할 시 단락 유도 부재가 이동하는 방향의 단부에 자성부를 부착한 것이다. 즉, 커버부(250)의 중앙을 기준으로 커버부(251)가 외부 자기장에 의하여 이동하는 방향 측의 단부에 자성부(251)를 부착한다. 외부에서 자기장이 인가되면, 자성부(251)는 자기장의 방향을 따라 끌려가면서 자성부(251)에 부착된 커버부(250)를 함께 이동시키게 되며, 이러한 이동 방법을 통하여 인해 커버부(251)가 밀리면서 걸리거나 접히는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 도 2 내지 4의 실시 형태인 경우, 분리막의 장축 방향으로 단락 유도 부재가 이동하는 것이 바람직하며, 도 5의 실시 형태인 경우 단락 유도 부재가 분리막의 단축 방향으로 이동하는 것이 유리한 구조이다.
자기장에 의한 단락 유도 부재의 이동으로 인한 단락 유도 방법은 도 6에 구체적으로 나타내었다.
도 6을 참조하여 내부 단락 안전성 평가방법을 더욱 구체적으로 설명하면, 먼저 도 6의 (a) 단계와 같이 단락 유도 부재가 구비된 전지셀의 외면에서 자기장을 인가한다. 이때, 단락 유도 부재의 커버부가 분리막의 타공부를 덮고 있는 상태이며, 타공부를 통해 대면하는 양극과 음극은 커버부에 의해 물리적으로 차단되어 직접 접촉하지 않고 있는 상태이다.
자기장은 단락 유도 부재의 자성부에 인가하며, 자기장의 인가 방법은 네오디뮴과 같은 영구 자석으로 간단히 인가할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 구체적으로 커버부의 중앙을 기준으로 이동하는 방향의 커버부 단부에 부착된 자성부에 자기장을 인가한 후, 단락 유도 부재를 옆으로 끌어 내듯이 이동하여 타공부를 노출시키기게 된다.
도 6의 (b) 단계를 참조하면, 외부에서 인가된 자기장에 따라 단락 유도 부재는 전지셀 내부에서 이동하게 되며, 이로 인해 분리막에 형성된 타공부를 통해 양극과 음극이 접촉하여 내부 단락이 발생하게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 전지 내부 단락에 의한 안전성 평가방법은 구체적으로 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.
양극, 음극 및 타공부가 형성된 분리막을 준비하는 단계;
자성부 및 상기 타공부를 덮을 수 있는 커버부를 준비하는 단계;
상기 커버부에 상기 자성부를 부착하여 단락 유도 부재를 제조하는 단계;
상기 단락 유도 부재를 상기 타공부 상에 배치하는 단계;
상기 양극, 음극, 분리막 및 단락 유도 부재를 포함하는 전지셀을 조립하는 단계;
전지셀의 외부에서 상기 단락 유도 부재에 자기장을 인가하는 단계;
상기 단락 유도 부재를 이동하여 타공부를 노출시키는 단계.
상기 단계에 따라, 도 6의 (a), (b)에 도시된 바와 같이 분리막 타공부를 덮고 있는 단락 유도 부재를 일측으로 이동시킴으로써, 분리막 타공부를 노출시킬 수 있다. 상기 노출된 분리막 타공부를 통하여 양극과 음극이 직접 접촉하게 되면서, 전지셀 내부에서 단락이 발생할 수 있다.
<부호의 설명>
100 : 전극조립체
110 : 음극
111 : 양극
120: 분리막
130: 블록
140: 왁스 층
150: 구리 판
160: 알루미늄 판
200 : 전지셀
210 : 파우치
220 : 음극
230: 분리막
231 : 타공부
240 : 양극
250 : 커버부
251 : 자성부

Claims (11)

  1. 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 배치되며, 적어도 하나 이상의 타공부가 형성된 분리막; 및 상기 타공부 상에 배치되는 단락 유도 부재를 포함하며,
    상기 단락 유도 부재는 상기 타공부를 덮는 커버부; 및 상기 커버부의 측면에 배치되는 하나 또는 둘 이상의 자성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단락 유도 부재는 상기 양극과 상기 분리막 사이에 배치되거나, 상기 음극과 상기 분리막 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커버부의 면적은 상기 타공부의 면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 커버부는 절연필름, 다공성 고분자막, 자성체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 커버부는 상기 분리막과 동일한 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자성부는 바인더에 의해 상기 커버부에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에폭시 수지, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 부타디엔 고무 또는 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단락 유도 부재는 전지셀의 외부에서 인가되는 자기장에 의해 위치가 이동하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 자성부는 Fe, Ni 및 Co로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 자성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단락 유도 부재는 상기 분리막에 형성된 타공부의 수와 동일한 수량으로 구비되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 양극, 음극 및 타공부가 형성된 분리막을 준비하는 단계;
    자성부 및 상기 타공부를 덮을 수 있는 커버부를 준비하는 단계;
    상기 커버부에 상기 자성부를 부착하여 단락 유도 부재를 제조하는 단계;
    상기 단락 유도 부재를 상기 타공부 상에 배치하는 단계;
    상기 양극, 음극, 분리막 및 단락 유도 부재를 포함하는 전지셀을 조립하는 단계;
    전지셀의 외부에서 상기 단락 유도 부재에 자기장을 인가하는 단계;
    상기 단락 유도 부재를 이동하여 타공부를 노출시키는 단계;를 포함하는 전지의 내부 단락에 따른 안전성 평가방법.
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