WO2021054636A1 - 자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법 - Google Patents

자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법 Download PDF

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separator
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perforation line
battery
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윤서영
김태종
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery cell including a separator having a magnetic material formed thereon, and a method for evaluating the safety of a battery cell according to an internal short circuit using the same.
  • a secondary battery assembles an electrode assembly by interposing a positive electrode, a negative electrode, and a separator between the positive and negative electrodes.
  • the assembled electrode assembly is mounted on a battery case, and an electrolyte is injected to manufacture a battery cell.
  • lithium secondary batteries are used in various fields due to their excellent electrical properties.
  • the safety of the lithium secondary battery is low.
  • lithium secondary batteries may ignite or explode in abnormal operating conditions such as overcharge, overdischarge, exposure to high temperatures, or electrical short circuits.
  • heat and gas are generated as active materials or electrolytes, which are constituent elements of the battery cell, cause a decomposition reaction.
  • the generated heat and gas increase the temperature and pressure inside the battery cell.
  • the elevated temperature and pressure further accelerate the decomposition reaction and eventually cause ignition or explosion.
  • one of the methods is to evaluate the safety of the battery cell when an internal short circuit occurs.
  • a heating element is placed inside the battery cell to induce internal heat generation to induce an internal short circuit
  • a method in which a separator is drilled in advance and treated with a chemical agent on the part to melt at a constant temperature, or a certain type of metal There is a method of inducing an internal short circuit by inserting a material and applying an external force to tear the separator.
  • these methods have limitations in that the separator is deformed or is different from the actual use environment of the battery cell.
  • the present invention was invented to solve the above problems, and a battery cell capable of testing safety due to an internal short circuit without physically altering the structure of the battery cell, and a battery cell safety evaluation method according to an internal short circuit using the same There is a purpose to provide.
  • the battery cell according to the present invention has a structure in which an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is housed in a battery case,
  • the separator may include a perforation line formed in all or part of the separator; And a magnetic material formed in a region adjacent to the perforated line but not overlapping, and arranged continuously or discontinuously at a position spaced apart from each other along the perforated line.
  • the perforation line forms a two-dimensional closed shape on the surface of the separator.
  • the perforation line is a structure in which a plurality of through-type slits or bead-type non-penetrating grooves are arranged discontinuously.
  • the magnetic material is in the form of a powder and is in a state of being fully or partially impregnated in the separation membrane.
  • the magnetic material has a bar shape, and a separator is attached to one side or both sides.
  • the magnetic body has a structure including a magnetic core and an insulating polymer shell surrounding the core.
  • the core is one or two or more alloys selected from the group consisting of iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), gadolinium (Gd), terbium (Tb), and dysprosium (Dy).
  • the insulating polymer shell is formed of a polymer film.
  • the battery cell according to the present invention is a lithium secondary battery.
  • the present invention also provides a method for evaluating the safety of a battery cell according to an internal short circuit using the battery cell described above.
  • the evaluation method includes inducing a short circuit inside the battery cell.
  • the battery cell has a structure in which an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is housed in a battery case.
  • the separator may include a perforation line formed in all or part of the separator; And a magnetic material formed in a region adjacent to the perforated line but not overlapping, and arranged continuously or discontinuously at a position spaced apart from each other along the perforated line.
  • the step of inducing a short circuit inside the battery cell includes rotating the magnet in a state in which the magnet is adjacent to or in contact with the outer peripheral surface of the battery cell, and the perforation line of the separator is partially or completely broken in response to the rotational motion of the magnet. Performed.
  • the perforation line forms a two-dimensional closed shape on the surface of the separator.
  • the step of inducing a short circuit inside the battery cell is performed during a charge/discharge cycle for the battery cell.
  • the battery cell according to the present invention can induce an internal short circuit without physically changing the structure of the battery cell, and can be effectively applied to a method for evaluating the safety of a battery cell according to the internal short circuit.
  • FIG. 1 is an exploded view schematically showing the structure of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 to 5 are front views schematically showing a separation membrane provided with a perforation line and a magnetic material, respectively, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a process of inducing an internal short circuit by using a magnet in a battery cell 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, a film, a region, or a plate 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 “above” may include a case where it is disposed not only in the upper part but also in the lower part.
  • the present invention relates to a battery cell in which a perforated line and a magnetic material are formed in a separator.
  • the battery cell according to the present invention has a structure in which an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is housed in a battery case.
  • the separator may include a perforation line formed in all or part of the separator; And a magnetic material formed in a region adjacent to the perforated line but not overlapping, and arranged continuously or discontinuously at a position spaced apart from each other along the perforated line.
  • the battery cell according to the present invention can be effectively applied to an internal short circuit test.
  • the magnetic material is in a state of being bonded to the separation membrane, and when the magnet is moved from the outside, the magnetic material is also moved in response to the movement of the magnet. Stress is also applied to the separator according to the direction of movement of the magnetic material. For example, when the magnet is moved or rotated while the magnet is in contact with or adjacent to the outside of the battery cell, the magnetic material formed in the separator moves in response to the movement of the magnet. When the magnetic material is moved, the perforation line adjacent to the magnetic material is broken, thereby inducing an internal short circuit of the battery cell.
  • the magnetic material according to the present invention is formed in a region adjacent to the perforation line but not overlapping, and is continuously or discontinuously arranged at a position spaced apart at a predetermined interval along the perforation line.
  • a perforation line including a linear section is formed in the separator, a first point of the perforation line and a second point spaced apart from the first point at a predetermined interval are set.
  • Magnetic bodies are formed in regions adjacent to the first and second points of the perforation line, respectively.
  • the magnetic material may be a linearly connected shape or a structure formed separately near the first and second points.
  • the magnetic body located near the first point of the perforation line and the magnetic body located near the second point are moved in different directions.
  • stress is applied in different directions as well as the perforations formed in the separation membrane. The stress applied in different directions partially breaks the perforated line and induces an internal short circuit of the battery cell.
  • the perforations form a two-dimensional closed shape on the surface of the separator.
  • the present invention more clearly induces an internal short circuit of the battery cell due to the rotation of the external magnet by forming a closed-shaped perforation line.
  • the two-dimensional closed shape formed by the perforation line may be a shape having a diameter in one direction and a diameter in a direction perpendicular to the one direction different from each other. This is to facilitate the breakage of the perforated line when the magnet is rotated outside the battery cell.
  • the two-dimensional closed shape formed by the perforation line is an oval, a rectangle, or a triangular shape having a different side length.
  • the perforation line is a structure in which a plurality of through-type slits or bead-type non-penetrating grooves are arranged discontinuously.
  • the perforated line has a structure in which a plurality of through-type slits or bead-type non-penetrating grooves are spaced apart from each other at regular intervals. Arranging the perforations discontinuously prevents the perforated portions of the separator from being broken even by a small impact.
  • the magnetic material is a structure that is bonded to the separation membrane in various forms.
  • the magnetic material is in the form of powder, and is completely or partially impregnated in the separation membrane.
  • the magnetic material has a bar shape, and a separator is attached to one side or both sides.
  • the magnetic material may be applied near the perforation line while being mixed with a binder on one side of the separator.
  • the magnetic body may be bonded to a separator with a binder interposed therebetween.
  • the magnetic body has a structure including a magnetic core and an insulating polymer shell surrounding the core.
  • the core is one or two or more alloys selected from the group consisting of iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), gadolinium (Gd), terbium (Tb), and dysprosium (Dy).
  • the insulating polymer shell has a structure formed of a polymer film.
  • the present invention provides a method for evaluating the safety of a battery cell according to an internal short circuit using the battery cell described above.
  • the evaluation method includes inducing a short circuit inside the battery cell.
  • the battery cell has a structure in which an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is housed in a battery case, and the separator includes: a perforated line formed in all or part of the separator; And a magnetic material formed in a region adjacent to the perforated line but not overlapping, and arranged continuously or discontinuously at a position spaced apart from each other along the perforated line.
  • the step of inducing a short circuit inside the battery cell includes rotating the magnet in a state in which the magnet is adjacent to or in contact with the outer circumferential surface of the battery cell, and the perforation line of the separator is partially or completely broken in response to the rotational motion of the magnet. Is done.
  • the perforation line forms a two-dimensional closed shape on the surface of the separator.
  • the shape formed by the perforation line is as described above.
  • the step of inducing a short circuit inside the battery cell is performed during a charge/discharge cycle for the battery cell.
  • a charge/discharge cycle test may be performed on the battery cell, but an internal short circuit test of the battery cell may be performed assuming that a short circuit inside the battery cell occurs during the charging/discharging cycle.
  • the'internal short-circuit test' is a test for evaluating the resistance to short-circuit inside the cell among the safety tests of the battery cell, and is a test simulating a case where the positive electrode and the negative electrode are short-circuited inside the battery cell.
  • the internal short-circuit test an internal short circuit is generated for a fully charged battery cell, and the behavior of the battery cell is evaluated.
  • the voltage decreases as the battery cell is discharged, and when the voltage decreases to a certain value or less, the battery cell is evaluated for rupture and a change in voltage or temperature.
  • a battery cell according to the present invention includes an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; A non-aqueous electrolyte solution impregnating the electrode assembly; And a battery case containing the electrode assembly and the electrolyte solution.
  • the positive electrode has a structure in which a positive electrode active material layer is stacked on one or both surfaces of a positive electrode current collector.
  • the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material, a conductive material, and a binder polymer, and if necessary, may further include a positive electrode additive commonly used in the art.
  • the positive electrode active material may be a lithium-containing oxide, and may be the same or different.
  • a lithium-containing transition metal oxide may be used as the lithium-containing oxide.
  • the positive active material may be included in the range of 94.0 to 98.5 wt% in the positive active material layer.
  • the content of the positive electrode active material satisfies the above range, it is advantageous in terms of manufacturing a high-capacity battery and providing sufficient positive electrode conductivity or adhesion between electrode materials.
  • the current collector used for the positive electrode may be a metal having high conductivity, and any metal that can be easily adhered to the positive electrode active material slurry and not reactive in the voltage range of the electrochemical device may be used.
  • the current collector for the positive electrode include a foil manufactured by aluminum, nickel, or a combination thereof.
  • the positive electrode active material layer further includes a conductive material.
  • 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.
  • Such a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes to the secondary battery.
  • the conductive material 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; Polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • 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
  • Polyphenylene derivatives and the like can be used as the conductive material.
  • binder polymer a binder commonly used in the art may be used without limitation.
  • polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene Poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitrile ), polymethyl methacrylate, styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxyl methyl cellulose (CMC).
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • CMC carboxyl methyl cellulose
  • the content of the binder polymer is proportional to the content of the conductive material included in the upper positive electrode active material layer and the lower positive electrode active material layer. This is because a binder polymer is needed more when the content of the conductive material is increased, and less binder polymer can be used when the content of the conductive material is decreased.
  • the negative electrode has a structure in which a negative active material layer is stacked on one or both surfaces of a negative electrode current collector.
  • the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material, a conductive material, a binder polymer, and the like, and if necessary, may further include a negative electrode additive commonly used in the art.
  • the negative active material may include a carbon material, lithium metal, silicon or tin.
  • a carbon material is used as the negative electrode active material
  • both low crystalline carbon and high crystalline carbon may be used.
  • Typical low crystalline carbons include soft carbon and hard carbon
  • high crystalline carbons include natural graphite, kish graphite, pyrolytic carbon, and liquid crystal pitch-based carbon fiber.
  • High-temperature calcined carbons such as (mesophase pitch based carbon fiber), mesocarbon microbeads, mesophase pitches, and petroleum orcoal tar pitch derived cokes are typical.
  • Non-limiting examples of the current collector used for the negative electrode include copper, gold, nickel, or a foil manufactured by a copper alloy or a combination thereof.
  • the current collector may be used by stacking substrates made of the above materials.
  • the negative electrode may include a conductive material and a binder commonly used in the art.
  • the separator may be used as long as it is a porous substrate used in a lithium secondary battery, and for example, a polyolefin-based porous membrane or a nonwoven fabric may be used, but is not particularly limited thereto.
  • polyolefin-based porous membrane examples include polyolefin-based polymers such as high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, and ultra-high molecular weight polyethylene, polyolefin-based polymers such as polypropylene, polybutylene, and polypentene, respectively, alone or as a mixture of them. There is one membrane.
  • nonwoven fabric in addition to the polyolefin nonwoven fabric, for example, polyethyleneterephthalate, polybutyleneterephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate ), polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfide, polyethylenenaphthalene, etc., either alone or Nonwoven fabrics formed of polymers obtained by mixing them are exemplified.
  • the structure of the nonwoven fabric may be a sponbond nonwoven fabric composed of long fibers or a melt blown nonwoven fabric.
  • the thickness of the porous substrate is not particularly limited, but may be 5 to 50 ⁇ m, and the pore size and porosity present in the porous substrate are also not particularly limited, but may be 0.01 to 50 ⁇ m and 10 to 95%, respectively.
  • a porous coating layer including inorganic particles and a binder polymer may be further included on at least one surface of the porous substrate.
  • the electrolyte solution may include an organic solvent and an electrolyte salt, and the electrolyte salt is a lithium salt.
  • the lithium salt those commonly used in a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery may be used without limitation.
  • organic solvents included in the above-described electrolyte those commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries can be used without limitation, and for example, ether, ester, amide, linear carbonate, cyclic carbonate, etc. can be used alone or in combination of two or more. Can be used. Among them, representatively, a cyclic carbonate, a linear carbonate, or a carbonate compound that is a mixture thereof may be included.
  • cyclic carbonate compound examples include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, Any one selected from the group consisting of 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and halides thereof, or a mixture of two or more thereof.
  • halides include, but are not limited to, fluoroethylene carbonate (FEC).
  • linear carbonate compound examples include any one selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethylmethyl carbonate (EMC), methylpropyl carbonate, and ethylpropyl carbonate, or these A mixture of two or more of them may be representatively used, but is not limited thereto.
  • ethylene carbonate and propylene carbonate which are cyclic carbonates
  • organic solvents of high viscosity and have high dielectric constants so that lithium salts in the electrolyte can be more easily dissociated. If a low viscosity, low dielectric constant linear carbonate is mixed in an appropriate ratio and used, an electrolyte solution having a higher electrical conductivity can be prepared.
  • any one selected from the group consisting of dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methylethyl ether, methylpropyl ether, and ethylpropyl ether, or a mixture of two or more thereof may be used. , But is not limited thereto.
  • esters of the organic solvent include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, ⁇ -butyrolactone, ⁇ -valerolactone, ⁇ -caprolactone, ⁇ -Any one selected from the group consisting of valerolactone and ⁇ -caprolactone, or a mixture of two or more of them may be used, but the present invention is not limited thereto.
  • the injection of the non-aqueous electrolyte may be performed at an appropriate step in the manufacturing process of the electrochemical device, depending on the manufacturing process and required physical properties of the final product. That is, it can be applied before assembling the electrochemical device or at the final stage of assembling the electrochemical device.
  • the battery cell according to the present invention refers to an electrochemical device that undergoes an electrochemical reaction.
  • the battery cell is a lithium secondary battery including a lithium metal secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery, or a lithium ion polymer secondary battery.
  • the battery cell 100 is an electrode assembly including a positive electrode 120, a negative electrode 130, and a separator 110 interposed between the positive electrode 120 and the negative electrode 130 ; A non-aqueous electrolyte (not shown) impregnating the electrode assembly; And battery cases 140 and 150 containing the electrode assembly and the electrolyte.
  • a positive electrode tab 121 protruding and extending in one direction of the positive electrode 120 is formed, and a negative electrode tab 131 protruding and extending in one direction opposite to the negative electrode 130 is formed.
  • the separation membrane 110 has a rectangular perforation line 111 formed thereon, and the perforation line 111 has a structure in which a plurality of linear slits or linear grooves are arranged at regular intervals.
  • a magnetic material 112 is arranged in a position adjacent to the perforated line 111.
  • the magnetic body 112 has a bar shape and is located inside each side of a rectangular structure formed by a perforated line.
  • the separator 210 according to an embodiment of the present invention has a rectangular perforated line 211 formed thereon, and the perforated line 211 has a structure in which a plurality of linear slits are arranged at regular intervals.
  • the magnetic body 212 is arranged so as to be adjacent to the perforated line 211.
  • the magnetic body 212 has a bar shape and is positioned in parallel while forming 11 characters inside the square structure formed by a perforated line.
  • the separator 310 has a rectangular perforation line 311 formed thereon, and the perforation line 311 has a structure in which a plurality of linear grooves are arranged at regular intervals.
  • the magnetic material 312 is arranged so as to be adjacent to the perforated line 311.
  • the magnetic body 312 has a shape in which short bars are arranged at regular intervals, and is positioned in parallel while forming 11 characters inside a rectangular structure formed by a perforated line.
  • the separator 410 has a triangular perforation line 411 formed thereon, and the perforation line 411 has a structure in which a plurality of linear grooves are arranged at regular intervals.
  • the magnetic body 412 is arranged so as to be adjacent to the perforated line 411.
  • the magnetic body 412 has a bar shape and is located inside the triangular structure formed by the perforated lines and adjacent to the perforated lines.
  • the separator 510 has a triangular perforation line 511 formed thereon, and the perforation line 511 has a structure in which a plurality of linear slits are arranged at regular intervals.
  • the magnetic material 512 is arranged so as to be adjacent to the perforated line 511.
  • the magnetic body 512 has a shape in which short bars are arranged at regular intervals, and is located inside the triangular structure formed by the perforated lines and adjacent to the perforated lines.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a process of inducing an internal short circuit by using a magnet in a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • safety evaluation according to an internal short circuit is possible using the battery cell 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic material attached adjacent to the perforation line of the separator also moves in response to the movement of the magnet 400.
  • the magnetic material coupled to the separator moves in response to the movement of the magnet 400.
  • the perforation line adjacent to the magnetic material is broken, thereby inducing an internal short circuit of the battery cell 100.

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Abstract

본 발명은 절취선과 상기 절취선에 인접한 자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 전지셀 안전성 평가방법에 관한 것으로, 상기 전지셀은 셀의 구조를 물리적으로 변형시키지 않으면서도 내부 단락의 유도가 가능하며, 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가에 효과적으로 적용 가능하다.

Description

자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법
본 출원은 2019.09.20.자 한국 특허 출원 제10-2019-0116176호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 자성체가 형성된 분리막을 포함하는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.
일반적으로, 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 전극조립체를 조립한다. 조립된 전극조립체를 전지 케이스에 장착하고, 전해액을 주입하여 전지셀을 제조한다.
이차전지 중에서, 리튬 이차전지는 우수한 전기적 특성으로 인해 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나, 리튬 이차전지는 안전성이 낮다는 문제점이 있다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 과충전, 과방전, 고온에의 노출 또는 전기적 단락 등의 비정상적인 작동 상태에서 발화 또는 폭발되는 경우가 있다. 구체적으로는, 전지셀의 구성요소들인 활물질 또는 전해질 등이 분해반응을 일으키면서 열과 가스가 발생한다. 발생된 열과 가스는 전지셀 내부의 온도 및 압력을 높이게 된다. 높아진 온도와 압력은 상기 분해반응을 더욱 촉진하고, 급기야 발화 또는 폭발을 초래하기도 한다.
따라서, 전지셀의 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하며, 그 방법 중 하나가 내부 단락이 발생했을 때 전지셀의 안전성을 평가하는 것이다. 그러나, 종래에는 내부 단락을 유도하기 위해 전지셀의 내부에 발열체를 넣고 내부 발열을 유도하는 방식, 분리막을 미리 뚫어 놓고 그 부분에 화학 약품 처리를 해서 일정한 온도에서 녹게 하는 방식, 또는 일정한 형태의 금속물질을 집어넣고 외력을 가하여 분리막을 찢어 내부 단락을 유도하는 방식 등이 있다. 그러나, 이러한 방식들은 분리막에 변형을 주거나 전지셀의 실제 사용 환경과 차이가 난다는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 창안된 것으로서, 전지셀의 구조를 물리적으로 변형시키지 않으면서도 내부 단락에 의한 안전성을 테스트할 수 있는 전지셀 및 이를 이용한 내부 단락에 따른 전지셀 안전성 평가방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이며,
상기 분리막은, 분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및 상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함한다.
하나의 예에서, 상기 절취선은, 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성한다. 또 다른 하나의 예에서, 상기 절취선은, 복수 개의 관통형 슬릿 또는 비드형의 비관통 홈이 비연속적으로 배열된 구조이다.
하나의 예에서, 상기 자성체는, 분말상이며, 분리막에 전부 또는 부분 함침된 상태이다. 또 다른 하나의 예에서, 상기 자성체는, 바 형태이고, 분리막이 일면 또는 양면에 부착된 형태이다.
구체적인 예에서, 상기 자성체는, 자성을 띠는 코어와 상기 코어를 감싸는 절연성 고분자 쉘을 포함하는 구조이다. 예를 들어, 상기 코어는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb) 및 디스프로슘(Dy)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금이다. 또한, 상기 절연성 고분자 쉘은 고분자막으로 형성된다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지셀은 리튬 이차전지이다.
본 발명은 또한 앞서 설명한 전지셀을 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법을 제공한다.
하나의 예에서, 상기 평가방법은, 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계를 포함한다. 구체적인 예에서, 상기 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이다. 상기 분리막은, 분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및 상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함한다. 또한, 상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는, 전지셀 외주면에 자석을 인접 또는 접촉한 상태에서, 상기 자석을 회전 운동시키고, 상기 자석의 회전운동에 대응하여 분리막의 절취선이 부분 또는 전부 파단되어 수행된다.
하나의 예에서, 상기 절취선은, 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성한다.
구체적인 예에서, 상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는, 전지셀에 대한 충방전 싸이클 중에 수행한다.
본 발명에 따른 전지셀은, 전지셀의 구조를 물리적으로 변형시키지 않으면서도 내부 단락의 유도가 가능하며, 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법에 효과적으로 적용 가능하다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 분해도이다.
도 2 내지 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 절취선과 자성체가 구비된 분리막을 모식적으로 나타낸 정면도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀에 자석을 이용하여 내부 단락을 유도하는 과정을 나타낸 모식도이다.
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 상부 뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명은 분리막에 절취선 및 자성체가 형성된 전지셀에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이다. 또한, 상기 분리막은, 분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및 상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함한다.
본 발명에 따른 전지셀은 내부 단락 시험에 유효하게 적용 가능하다. 상기 자성체는 분리막과 접합된 상태이며, 외부에서 자석을 움직이게 되면, 상기 자성체도 자석의 움직임에 대응하여 이동하게 된다. 자성체의 이동 방향에 따라 분리막에도 응력이 가해진다. 예를 들어, 자석을 전지셀의 외부에 접촉 내지 인접한 상태에서 상기 자석을 이동 또는 회전하게 되면, 상기 분리막에 형성된 자성체가 자석의 움직임에 대응하여 움직이게 된다. 자성체가 움직이게 되면, 상기 자성체와 인접한 절취선이 파단되면서 전지셀의 내부 단락을 유도하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 자성체는 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된다. 예를 들어, 분리막에 선형 구간을 포함하는 절취선이 형성된 경우, 절취선의 제1 지점과 상기 제1 지점과 일정 간격이 이격된 제2 지점을 설정한다. 상기 절취선의 제1 및 제2 지점과 인접한 영역에 각각 자성체가 형성된다. 이 경우, 상기 자성체는 선형으로 이어진 형태이거나 상기 제1 및 제2 지점 인근에 분리되어 각각 형성된 구조일 수 있다. 본 발명에서 전지셀 외부에서 자석이 회전 운동하게 되면, 상기 절취선의 제1 지점 인근에 위치하는 자성체와 제2 지점 인근에 위치하는 자성체가 서로 다른 방향으로 이동하게 된다. 이를 통해, 2 지점에 이격되어 형성된 자성체가 서로 다른 방향으로 이동하게 되면, 분리막에 형성된 절취선 역시 서로 다른 방향으로 응력이 가해진다. 서로 다른 방향으로 가해지는 응력은 상기 절취선을 부분적으로 파단시키면서, 전지셀의 내부 단락을 유도하게 된다.
하나의 예에서, 상기 절취선은 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성한다. 본 발명은 폐쇄된 형상의 절취선을 형성함으로써, 외부 자석의 회전에 따른 전지셀의 내부 단락을 보다 명확히 유도한다. 구체적인 예에서, 상기 절취선이 형성하는 2차원의 폐쇄된 형상은, 일측 방향의 직경과 상기 일측 방향과 수직되는 방향의 직경이 서로 다른 형상일 수 있다. 이는 전지셀 외부에서 자석을 회전하는 경우, 절취선의 파단을 보다 용이하게 하기 위함이다. 예를 들어, 상기 절취선이 형성하는 2차원의 폐쇄된 형상은 타원형, 직사각형 또는 어느 한 변의 길이가 다른 삼각형 형태이다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 절취선은 복수 개의 관통형 슬릿 또는 비드형의 비관통 홈이 비연속적으로 배열된 구조이다. 구체적으로, 상기 절취선은 복수 개의 관통형 슬릿 또는 비드형의 비관통 홈이 일정 간격으로 이격되어 배열된 구조이다. 상기 절취선을 비연속적으로 배열하는 것은, 분리막의 절취선 부분이 작은 충격에도 파단되는 것을 방지한다.
본 발명에서 상기 자성체는 다양한 형태로 분리막에 결합되어 있는 구조이다. 예를 들어, 상기 자성체는 분말상이며, 분리막에 전부 또는 부분 함침된 상태이다. 또 다른 예를 들어, 상기 자성체는 바 형태이고, 분리막이 일면 또는 양면에 부착된 형태이다. 상기 자성체가 분말상인 경우에는, 상기 자성체는 분리막의 일면에 바인더와 혼합된 상태로 절취선 인근에 도포될 수 있다. 또한, 상기 자성체가 바 형태인 경우에는, 상기 자성체는 바인더가 개재된 상태로 분리막과 접합된 형태일 수 있다.
하나의 예에서, 상기 자성체는 자성을 띠는 코어와 상기 코어를 감싸는 절연성 고분자 쉘을 포함하는 구조이다. 예를 들어, 상기 코어는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb) 및 디스프로슘(Dy)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금이다. 또한, 상기 절연성 고분자 쉘은 고분자막으로 형성된 구조이다. 자성을 띠는 코어에 절연성 고분자 쉘을 형성함으로써, 자성체의 자성을 저하하지 않으면서 전기적 절연성을 부여하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 앞서 설명한 전지셀을 이용한 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법을 제공한다.
하나의 예에서, 상기 평가 방법은, 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계를 포함한다. 상기 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이고, 상기 분리막은, 분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및 상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함한다. 구체적으로, 상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는, 전지셀 외주면에 자석을 인접 또는 접촉한 상태에서, 상기 자석을 회전 운동시키고, 상기 자석의 회전운동에 대응하여 분리막의 절취선이 부분 또는 전부 파단되어 수행된다.
하나의 예에서, 상기 절취선은, 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성한다. 상기 절취선이 형성하는 형상은 앞서 설명한 바와 같다.
구체적인 예에서, 상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는, 전지셀에 대한 충방전 싸이클 중에 수행한다. 예를 들어, 전지셀에 대한 충방전 싸이클 테스트를 수행하되, 상기 충방전 싸이클 진행 중에 전지셀 내부 단락이 발생된 경우를 상정한 전지셀의 내부 단락 시험을 수행할 수 있다.
본 발명에서, '내부 단락 시험'이란 전지셀의 안전성 시험 중에서도 셀 내부 단락에 대한 내성을 평가하는 시험으로, 전지셀 내부에서 양극과 음극이 단락되는 경우를 모의한 시험이다. 내부 단락 시험에서는 만충전된 전지셀에 대하여 셀 내부 단락을 발생시키고 전지셀의 거동을 평가한다. 일반적으로 셀 내부 단락이 발생하면 전지셀이 방전되면서 전압이 감소하며, 전압이 일정 수치 이하로 감소시 전지셀의 파열 유무, 전압 내지 온도의 변화 등을 평가하게 된다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액; 및 상기 전극 조립체와 상기 전해액을 내장하는 전지 케이스를 포함한다.
상기 양극은, 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층이 적층된 구조이다. 하나의 예에서, 양극 활물질층은 양극 활물질, 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 양극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 함유 산화물일 수 있으며, 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 리튬 함유 산화물로는, 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은, Li xCoO 2(0.5<x<1.3), Li xNiO 2(0.5<x<1.3), Li xMnO 2(0.5<x<1.3), Li xMn 2O 4(0.5<x<1.3), Li x(Ni aCo bMn c)O 2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), Li xNi 1-yCo yO 2(0.5<x<1.3, 0<y<1), Li xCo 1-yMn yO 2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), Li xNi 1-yMn yO 2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Li x(Ni aCo bMn c)O 4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), Li xMn 2-zNi zO 4(0.5<x<1.3, 0<z<2), Li xMn 2-zCo zO 4(0.5<x<1.3, 0<z<2), Li xCoPO 4(0.5<x<1.3) 및 Li xFePO 4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 양극 활물질층 중에 94.0 내지 98.5 중량% 범위로 포함될 수 있다. 양극 활물질의 함량이 상기 범위를 만족할 때 고용량 전지의 제작, 그리고 충분한 양극의 도전성이나 전극재간 접착력을 부여하는 면에서 유리하다.
상기 양극에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 양극 활물질 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속이면서, 전기화학소자의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 양극용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
양극 활물질층은 도전재를 더 포함한다. 상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전재로는 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 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더 고분자는 당업계에서 통상적으로 사용되는 바인더가 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose, CMC) 등의 다양한 종류의 바인더가 사용될 수 있다.
상기 바인더 고분자 함량은 상부 양극 활물질층 및 하부 양극 활물질층에 포함되는 도전재 함량에 비례한다. 이는 활물질에 비해 입자 크기가 상대적으로 매우 작은 도전재에 접착력을 부여하기 위함으로 도전재 함량이 증가하면 바인더 고분자가 더 필요하게 되고, 도전재 함량이 감소하면 바인더 고분자가 적게 사용될 수 있기 때문이다.
상기 음극은, 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층이 적층된 구조이다. 하나의 예에서, 음극 활물질층은 음극 활물질, 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 음극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 포함할 수 있다. 음극 활물질로서 탄소재가 사용되는 경우, 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (mesocarbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum orcoal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 음극에 사용되는 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다.
또한, 상기 음극은 당해 분야에 통상적으로 사용되는 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.
상기 분리막은 리튬 이차전지에서 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50 ㎛일 수 있고, 다공성 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95 %일 수 있다.
한편, 상기 다공성 기재로 구성된 분리막의 기계적 강도 향상 및 양극과 음극 사이의 단락 억제를 위해, 상기 다공성 기재의 적어도 일면에, 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 전해액은 유기용매 및 전해질 염을 포함할 수 있으며, 상기 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 비수 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F -, Cl -, Br -, I -, NO 3 -, N(CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3) 2PF 4 -, (CF 3) 3PF 3 -, (CF 3) 4PF 2 -, (CF 3) 5PF -, (CF 3) 6P -, CF 3SO 3 -, CF 3CF 2SO 3 -, (CF 3SO 2) 2N -, (FSO 2) 2N -, CF 3CF 2(CF 3) 2CO -, (CF 3SO 2) 2CH -, (SF 5) 3C -, CF 3(CF 2) 7SO 3 -, CF 3CO 2 -, CH 3CO 2 -, SCN - 및 (CF 3CF 2SO 2) 2N -로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 포함할 수 있다.
전술한 전해액에 포함되는 유기용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.
또한, 상기 유기용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 유기용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오 네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전기화학소자의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전기화학소자 조립 전 또는 전기화학소자 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은, 전기 화학 반응을 하는 전기화학소자를 총칭한다. 예를 들어, 상기 전지셀은 리튬 금속 이차전지, 리튬 이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차전지 등을 포함하는 리튬 이차전지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 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.
이하 도면을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 분해도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 양극(120), 음극(130) 및 상기 양극(120)과 상기 음극(130) 사이에 개재된 분리막(110)을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액(미도시); 및 상기 전극 조립체와 상기 전해액을 내장하는 전지케이스(140, 150)를 포함한다. 상기 양극(120)의 일 방향에는 돌출되어 연장된 양극 탭(121)이 형성되어 있고, 상기 음극(130)의 반대편 일 방향에는 돌출되어 연장된 음극 탭(131)이 형성되어 있다.
상기 분리막(110)에는 사각형 형태의 절취선(111)이 형성되어 있고, 상기 절취선(111)은 복수 개의 선형 슬릿 또는 선형 홈이 일정 간격으로 배열된 구조이다. 상기 절취선(111)과 인접한 위치에는 자성체(112)가 배열된 구조이다. 상기 자성체(112)는 바 형태이고, 절취선에 의해 형성된 사각형 구조의 각 변의 내측에 위치한다.
도 2 내지 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 절취선과 자성체가 구비된 분리막을 모식적으로 나타낸 정면도들이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막(210)은 사각형 형태의 절취선(211)이 형성되어 있고, 상기 절취선(211)은 복수 개의 선형 슬릿들이 일정 간격으로 배열된 구조이다. 상기 절취선(211)과 인접하도록 자성체(212)가 배열된 구조이다. 상기 자성체(212)는 바 형태이고, 절취선에 의해 형성된 사각형 구조의 내측에 11자를 형성하면서 평행하게 위치한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막(310)은 사각형 형태의 절취선(311)이 형성되어 있고, 상기 절취선(311)은 복수 개의 선형 홈들이 일정 간격으로 배열된 구조이다. 상기 절취선(311)과 인접하도록 자성체(312)가 배열된 구조이다. 상기 자성체(312)는 짧은 바 형태가 일정 간격을 두고 배열된 형태이고, 절취선에 의해 형성된 사각형 구조의 내측에 11자를 형성하면서 평행하게 위치한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막(410)은 삼각형 형태의 절취선(411)이 형성되어 있고, 상기 절취선(411)은 복수 개의 선형 홈들이 일정 간격으로 배열된 구조이다. 상기 절취선(411)과 인접하도록 자성체(412)가 배열된 구조이다. 상기 자성체(412)는 바 형태이고, 절취선에 의해 형성된 삼각형 구조의 내측에 절취선과 인접하여 위치한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막(510)은 삼각형 형태의 절취선(511)이 형성되어 있고, 상기 절취선(511)은 복수 개의 선형 슬릿들이 일정 간격으로 배열된 구조이다. 상기 절취선(511)과 인접하도록 자성체(512)가 배열된 구조이다. 상기 자성체(512)는 짧은 바 형태가 일정 간격을 두고 배열된 형태이고, 절취선에 의해 형성된 삼각형 구조의 내측에 절취선과 인접하여 위치한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀에 자석을 이용하여 내부 단락을 유도하는 과정을 나타낸 모식도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀(100)을 이용하여 내부 단락에 따른 안전성 평가가 가능하다. 전지셀(100) 외부에서 자석(400)을 움직이게 되면, 분리막의 절취선에 인접하여 부착된 자성체도 상기 자석(400)의 움직임에 대응하여 이동하게 된다. 구체적으로, 자석(400)을 전지셀(100)의 외부에 접촉 내지 인접한 상태에서 상기 자석(400)을 제자리에서 회전시키면, 분리막에 결합된 자성체가 자석(400)의 움직임에 대응하여 움직이게 된다. 자성체가 움직이게 되면, 상기 자성체와 인접한 절취선이 파단되면서 전지셀(100)의 내부 단락을 유도하게 된다.

Claims (12)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이며,
    상기 분리막은,
    분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및
    상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절취선은, 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절취선은, 복수 개의 관통형 슬릿 또는 비드형의 비관통 홈이 비연속적으로 배열된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성체는,
    분말상이며, 분리막에 전부 또는 부분 함침된 상태인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성체는,
    바 형태이고, 분리막이 일면 또는 양면에 부착된 형태인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성체는, 자성을 띠는 코어와 상기 코어를 감싸는 절연성 고분자 쉘을 포함하는 구조인 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 코어는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb) 및 디스프로슘(Dy)로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연성 고분자 쉘은 고분자막으로 형성된 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계를 포함하며,
    상기 전지셀은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스 내에 수납된 구조이고,
    상기 분리막은, 분리막의 전부 또는 일부 영역에 형성된 절취선; 및 상기 절취선에 인접하되 겹치지 않는 영역에 형성되되, 절취선을 따라 일정 간격이 이격된 위치에 연속적 또는 비연속적으로 배열된 자성체를 포함하고,
    상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는,
    전지셀 외주면에 자석을 인접 또는 접촉한 상태에서, 상기 자석을 회전 운동시키고, 상기 자석의 회전운동에 대응하여 분리막의 절취선이 부분 또는 전부 파단되어 수행되는 것을 특징으로 하는 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 절취선은, 분리막 표면에 2차원의 폐쇄된 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전지셀 내부 단락을 유도하는 단계는,
    전지셀에 대한 충방전 싸이클 중에 수행하는 것을 특징으로 하는 내부 단락에 따른 전지셀의 안전성 평가방법.
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