WO2023068611A1 - Soc를 용이하게 측정할 수 있는 lfp 배터리 셀 - Google Patents

Soc를 용이하게 측정할 수 있는 lfp 배터리 셀 Download PDF

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WO2023068611A1
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battery cell
lfp
positive electrode
electrode assembly
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허준우
김기웅
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention includes an electrode assembly in which one monocell using NCM as a cathode active material is laminated together with a plurality of monocells using LFP as a cathode active material so that the SoC of a battery cell using LFP as a cathode active material can be easily measured. It relates to LFP battery cells.
  • secondary batteries are an alternative energy source for fossil fuels that cause air pollutants, and are used in electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (P-HEVs) and energy storage devices (ESSs). etc. are applied.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • P-HEVs plug-in hybrid electric vehicles
  • ESSs energy storage devices
  • These lithium secondary batteries generally include an electrode assembly and a battery case accommodating the electrode assembly and an electrolyte.
  • the electrode assembly is a jelly-roll-type assembly consisting of a structure in which a separator is interposed between a long sheet-shaped positive electrode and a negative electrode and then wound, or a stacked assembly having a structure in which rectangular positive and negative electrodes are stacked with a separator interposed therebetween , It is common to consist of a stack-folding assembly in which unit cells are wound by a long separation film, or a lamination-stack assembly in which battery cells are stacked and attached to each other with a separator interposed therebetween.
  • one of the general forms of a conventional stacked electrode assembly includes a plurality of monocells in which an anode 10-separator 30-cathode 20-separator 30 are sequentially stacked. to be layered with
  • the positive electrode tabs 11 are joined by welding or the like to form a bundle of positive electrode tabs, and the negative electrode tabs 21 are also bonded to form a bundle of negative electrode tabs.
  • Lithium cobalt-based oxide, lithium nickel-based oxide, lithium manganese-based oxide, and lithium composite oxide are used as the cathode active material.
  • EV lithium nickel cobalt manganese oxide
  • LiFePO 4 lithium iron phosphate
  • Patent Document 1 various attempts are being made to manufacture a lithium iron phosphate cathode active material and a battery using the same.
  • the manufactured battery is used as a power source for various devices, and accurate information about the state of charge (SoC) of the battery is essential to stably use the battery.
  • SoC state of charge
  • Patent Document 2 discloses a method for calibrating the SoC of an LFP battery, but includes a voltage and current measurement unit, a temperature measurement unit, a memory unit, a control unit that individually receives and calibrate the voltage and current values to determine the SoC, and the like
  • the structure is very complex because it contains
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2014-0066414
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 2018-0079771
  • an object of the present invention is to provide an LFP battery cell capable of easily measuring SoC.
  • an object of the present invention is to provide an LFP battery cell capable of increasing the reliability of the measured SoC value.
  • the first monocell and the second monocell are characterized in that each of the anode-separator-cathode-separator is a monocell in which a separator is sequentially stacked.
  • the first monocell and the second monocell are each a monocell in which a cathode-separator-anode-separator is sequentially stacked.
  • the negative electrode tab of the first monocell and the negative electrode tab of the second monocell are overlapped with each other to form a negative electrode tab bundle.
  • the positive electrode 110 of the first monocell is characterized in that lithium nickel-cobalt-manganese oxide (LiNixCoyMnzO2, NCM) is used as an active material.
  • LiNixCoyMnzO2, NCM lithium nickel-cobalt-manganese oxide
  • the positive electrode 210 of the second monocell is characterized in that lithium iron phosphate oxide (LiFePO4, LFP) is used as an active material.
  • LiFePO4, LFP lithium iron phosphate oxide
  • the electrode assembly is characterized in that it includes only one of the first mono-cell.
  • the electrode assembly is characterized in that it includes two or more of the second monocell.
  • the first monocell is characterized in that located between the stacked second monocells.
  • the electrode assembly is characterized in that it further comprises a half cell formed in the order of separator-cathode-separator at one or more of the uppermost part and the lowermost part.
  • the half cell is characterized in that the outermost electrode of the uppermost part or the lowermost part is laminated where the anode is.
  • a method for manufacturing an LFP battery cell includes a) a first monocell including a cathode using lithium nickel-cobalt-manganese oxide (LiNi x Co y Mn z O 2 , NCM) as a cathode active material; Preparing a second monocell including a cathode using lithium iron phosphate oxide (LiFePO 4 , LFP) as a cathode active material, b) stacking one or more of the first monocells and one or more of the second monocells to form an electrode assembly It is characterized in that it comprises the step of manufacturing, and c) accommodating the electrode assembly in the battery case.
  • a first monocell including a cathode using lithium nickel-cobalt-manganese oxide (LiNi x Co y Mn z O 2 , NCM) as a cathode active material
  • the first monocell and the second monocell each have a positive electrode tab and a negative electrode tab, and the positive electrode tab of the first monocell manufactures the electrode assembly Then, it protrudes in the same direction as the positive electrode tab of the second monocell, but does not overlap with the positive electrode tab of the second monocell.
  • step b) the step of stacking half cells formed in the order of separator-cathode-separator on at least one of the top or bottom of the electrode assembly is further performed. It is characterized by including.
  • the LFP battery cell according to the present invention includes a first monocell using NCM as a cathode active material, and has the advantage of being able to measure the SoC of the LFP battery cell simply and accurately by measuring the voltage of the first monocell. .
  • the LFP battery cell according to the present invention has the advantage of suppressing the precipitation of lithium even in a situation such as overcharging by manufacturing a larger capacity of the negative electrode including the half cell.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing an electrode assembly in which two conventional single monocells are stacked.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing an electrode assembly in which two conventional single monocells are stacked.
  • FIG. 3 is a graph schematically illustrating OCV-SoC curves of an LFP battery and a typical lithium ion battery, respectively.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view schematically showing an electrode assembly composed of a first monocell and a second monocell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of an electrode assembly in a state in which monocells are stacked according to the embodiment shown in FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a plan view of the electrode assembly according to the embodiment shown in FIG. 5 .
  • FIG. 7 is an exploded perspective view schematically illustrating an electrode assembly composed of a first monocell, a second monocell, and a half cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of an electrode assembly in a state in which mono cells and half cells are stacked according to another embodiment shown in FIG. 7 .
  • a battery cell is a type in which an electrode assembly and an electrolyte are accommodated in a battery case, and may be divided into prismatic, cylindrical, and pouch type battery cells according to the shape of the battery case.
  • the pouch type case is usually composed of a laminated sheet structure of inner layer/metal layer/outer layer. Since the inner layer is in direct contact with the electrode assembly, it must have insulation properties and electrolyte resistance, and sealing properties, that is, the sealing portion where the inner layers are thermally bonded to each other, must have excellent thermal bonding strength for sealing with the outside.
  • Materials for the inner layer may be selected from polyolefin resins such as polypropylene, polyethylene, polyethylene acrylic acid, and polybutylene, polyurethane resins, and polyimide resins, which have excellent chemical resistance and good sealing properties, but are not limited thereto, Various polymer materials excellent in chemical resistance and mechanical properties such as tensile strength, stiffness, surface hardness, and impact resistance may be used.
  • the metal layer in contact with the inner layer corresponds to a barrier layer that prevents moisture or various gases from penetrating into the battery from the outside, and a lightweight aluminum thin film having excellent formability can be used as a preferable material for the metal layer.
  • an outer layer is provided on the other side of the metal layer, and the outer layer can use a heat-resistant polymer having excellent tensile strength, moisture permeability and air permeability to secure heat resistance and chemical resistance while protecting the electrode assembly,
  • a heat-resistant polymer having excellent tensile strength, moisture permeability and air permeability to secure heat resistance and chemical resistance while protecting the electrode assembly
  • nylon or polyethylene terephthalate may be used, but is not limited thereto.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view schematically showing an electrode assembly in which a first monocell and a second monocell are stacked according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a stacked monocell according to the embodiment shown in FIG. A perspective view of the electrode assembly in a state
  • FIG. 6 is a plan view of the electrode assembly according to the embodiment shown in FIG. 5 .
  • an electrode assembly 1000 applied to an LFP battery cell capable of easily measuring SoC (State of Charge) of the present invention includes one or more first monocells 100 and one or more first monocells 100. 2 mono cells 200 are stacked.
  • the first monocell 100 is a monocell in which an anode 110-separator 130-cathode 120-separator 130 are sequentially stacked, and the positive electrode tab 111 and the negative electrode tab 121 are connected to each other. It protrudes in the opposite direction.
  • the second monocell 200 is a monocell in which an anode 210-separator 230-cathode 220-separator 230 are sequentially stacked, and the anode tab 211 and the cathode tab 221 are They protrude in opposite directions.
  • FIGS. 4 to 6 only the form in which the first monocell 100 and the second monocell 200 are stacked in the order of anode-separator-cathode-separator is shown, but is not limited thereto, and cathode-separator. - It is also possible to laminate in the form of a cathode-separator.
  • the positive electrode tab 111 of the first monocell and the second monocell protrude in the same direction but do not overlap each other.
  • the negative electrode tab 121 of the first monocell and the negative electrode tab 221 of the second monocell protrude in the same direction and overlap each other to form one negative electrode tab bundle.
  • the positive electrode 210 of the second monocell 200 may be formed using lithium iron phosphate oxide (LiFePO 4 , LFP) as an active material.
  • LiFePO 4 lithium iron phosphate oxide
  • an LFP battery cell using LFP as a cathode active material has advantages in terms of safety, etc., but it is difficult to measure SoC by voltage in order to know the state of charge of the battery cell.
  • a first monocell 100 formed using lithium nickel-cobalt-manganese oxide (LiNi x Co y Mn z O 2 , NCM) as a cathode active material is provided. It is preferable to form the electrode assembly 1000 by stacking together with 2 mono cells 200 .
  • the SoC can be accurately measured by using the NCM in which the voltage change occurs linearly in the operating voltage range. That is, the SoC of the LFP battery cell can be more accurately measured only by adding the first monocell 100 to form the electrode assembly 1000 .
  • first monocell 100 and the second monocell 200 may be formed using the same separators 130 and 230 and cathodes 120 and 220 .
  • Electrode assembly 1000 of the present invention is not limited thereto, One first monocell 100 and three or more second monocells 200, a plurality of first monocells 100 and a plurality of second monocells 200, and a first monocell 100
  • Various types of electrode assemblies 1000 are possible, such as when each second mono cell 200 is made of one.
  • the first monocell 100 When composed of one first monocell 100 and two or more second monocells 200, it is possible for the first monocell 100 to be located outside the electrode assembly 1000, but the entire battery cell It is more preferable to be positioned in a form interposed between the second monocells 200 to increase SoC accuracy.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view schematically showing an electrode assembly composed of a first monocell, a second monocell, and a half cell according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a monocell according to another embodiment shown in FIG. It is a perspective view of the electrode assembly in a state in which cells and half cells are stacked.
  • the electrode assembly according to another embodiment of the present invention shown in FIGS. 7 and 8 has the same configuration except for the configuration in which half cells are additionally stacked, so, Hereinafter, only the half cell will be described.
  • the half cell 300 is a stack of a separator 330, a cathode 320, and a separator 330, and the reason for stacking the half cell 300 is to place the cathode as the outermost electrode of the electrode assembly 1000. am.
  • the reason why the electrode assembly 1000 is configured so that the number of negative electrodes is greater than that of the positive electrode by adding the half cell 300 is to configure the capacity of the negative electrode to be relatively larger than the capacity of the positive electrode, so that even in situations such as overcharging, the amount of lithium It is because precipitation can be suppressed.
  • FIG. 7 shows that the half cell 300 is located at the top, this is only an example and the position of the anode and cathode constituting the first mono cell 100 and the second mono cell 200 is changed to It is obvious that it can be located at the bottom by adjusting.
  • the LFP battery cell equipped with the NCM monocell as described above can be used in a mobile device such as a notebook or a vehicle battery by configuring a battery module or a battery pack, and can also be used for measuring the voltage of the LFP battery cell.
  • a method for manufacturing an LFP battery cell includes: a) as a cathode active material a) a first monocell including a cathode using lithium nickel-cobalt-manganese oxide LiNi x Co y Mn z O 2 , (NCM) as a cathode active material Manufacturing b) preparing a second monocell including a cathode using lithium iron phosphate (LiFePO 4 , LFP) as a cathode active material, c) stacking one or more first monocells and one or more second monocells manufacturing an electrode assembly, and d) accommodating the electrode assembly in a battery case.
  • the first monocell and the second monocell each have a positive electrode tab and a negative electrode tab, and the positive electrode tab of the first monocell and the positive electrode tab of the second monocell protrude in the same direction, but the second monocell They are stacked so that they do not overlap with the anode tab of the cell.
  • step a) of manufacturing a first monocell including a cathode using NCM (LiNi x Co y Mn z O 2 ) as a cathode active material a second mono cell including a cathode using LFP (LiFePO 4 ) as a cathode active material
  • step b) of manufacturing the cell has been described as being performed, steps a) and step b) may be performed simultaneously, or step a) may be performed after step b).
  • step c) may further include stacking half cells formed in the order of separator-cathode-separator on at least one of the uppermost part and the lowermost part of the electrode assembly.

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Abstract

본 발명은 LFP 배터리 셀의 SoC를 용이하게 측정할 수 있도록, 하나 이상의 제1 모노셀 및 하나 이상의 제2 모노셀을 포함하는 전극조립체, 및 전극조립체를 수납하는 배터리 케이스를 포함하고, 상기 제1 모노셀 및 상기 제2 모노셀은 각각 서로 마주보는 방향으로 형성된 양극 탭과 음극 탭을 포함하며, 상기 제1 모노셀의 양극 탭은 상기 제2 모노셀의 양극 탭과 동일한 방향으로 돌출되되, 상기 제2 모노셀의 양극 탭과 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀에 관한 것이다.

Description

SOC를 용이하게 측정할 수 있는 LFP 배터리 셀
본 출원은 2021년 10월 18일자 한국 특허 출원 제2021-0138151호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 양극 활물질로 LFP를 사용한 배터리 셀의 SoC를 용이하게 측정할 수 있도록, 양극 활물질로 NCM을 사용한 하나의 모노셀을 양극 활물질로 LFP를 사용한 다수의 모노셀에 함께 적층시킨 전극조립체를 포함한 LFP 배터리 셀에 관한 것이다.
스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등에 적용되고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 일반적으로 전극조립체, 및 전극조립체와 전해액을 수납하는 전지 케이스를 포함하여 구성된다.
여기서, 전극조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 스택형 조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 조립체, 또는 전지 셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 조립체 등으로 이루어지는 것이 일반적이다.
종래 스택형 전극조립체의 일반적인 형태 중 하나는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 양극(10)-분리막(30)-음극(20)-분리막(30)이 순차적으로 적층된 모노셀을 복수로 적층하는 것이다.
복수의 모노셀을 적층 후 양극 탭(11)들은 용접 등의 방법으로 접합하여 양극 탭 다발을 형성하고, 음극 탭(21)들도 접합하여 음극 탭 다발을 형성하게 된다.
양극 활물질로는 리튬 코발트계 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 복합 산화물 등이 사용되고 있다.
기존에는 양극 활물질로 충방전 용량 및 작동 전압 등에서 강점이 있는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1), NCM)이 주로 사용되어 왔으나, 최근에는 전기 자동차(EV) 등의 분야에서 전지의 안전성에 대한 문제가 대두됨에 따라 상대적으로 안전성이 높고 재료의 단가가 낮은 리튬 인산철 (LiFePO4, LFP)을 양극 활물질로 사용하는 전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
이에 따라 특허문헌 1과 같이 리튬 인산철 양극 활물질의 제조 및 이를 적용한 배터리를 제조하기 위한 다양한 시도들이 진행되고 있다.
한편, 제조된 배터리는 각종 장치의 전력원으로 사용하게 되는데, 배터리의 SoC(State of Charge)에 대한 정확한 정보는 배터리를 안정적으로 사용하기 위하여 필수적이다.
이러한 SoC를 측정하는 방법으로는 다양한 방법이 있으며, 비록 온도 등에 따라 오차가 발생하지만 전압을 측정하는 방법이 가장 간단하고 널리 사용되고 있는 상황이다.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 LFP를 적용한 배터리의 경우 다른 종류의 리튬 이온 배터리에 비하여 적정 사용 구간 동안의 OCV(Open Circuit Voltage) 변화가 상대적으로 작은 특성을 가진다. 즉, 전압이 평탄한 구간이 길어 SoC를 정확하게 측정하기 어려운 문제가 있다.
이에 따라, LFP를 적용한 전지의 충전 상태를 예측하기 힘들고, 측정된 SoC값과 실제 용량이 상이한 경우가 발생하는 문제가 있다.
한편, 특허문헌 2에서는 LFP 배터리의 SoC를 캘리브레이션하는 방법이 개시되어 있지만, 전압 및 전류 측정부, 온도 측정부, 메모리부, 전압값 및 전류값을 개별적으로 수신하고 캘리브레이션하여 SoC를 결정하는 제어부 등을 포함하기 때문에 구조가 매우 복잡하다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 한국공개특허공보 제2014-0066414호
(특허문헌 2) 한국공개특허공보 제2018-0079771호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, SoC를 쉽게 측정할 수 있는 LFP 배터리 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서는 측정한 SoC값의 신뢰성을 높일 수 있는 LFP 배터리 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀은, 하나 이상의 제1 모노셀 및 하나 이상의 제2 모노셀을 포함하는 전극조립체; 및 전극조립체를 수납하는 배터리 케이스를 포함하고, 상기 제1 모노셀 및 상기 제2 모노셀은 각각 서로 마주보는 방향으로 형성된 양극 탭 및 음극 탭을 포함하며, 상기 제1 모노셀의 양극 탭은 상기 제2 모노셀의 양극 탭과 동일한 방향으로 돌출되되, 상기 제2 모노셀의 양극 탭과 중첩되지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀에서, 상기 제1 모노셀 및 상기 제2 모노셀은 각각 양극-분리막-음극-분리막이 순서대로 적층된 모노셀인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀에서, 상기 제1 모노셀 및 상기 제2 모노셀은 각각 음극-분리막-양극-분리막이 순서대로 적층된 모노셀인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀에서, 상기 제1 모노셀의 음극 탭과 상기 제2 모노셀의 음극 탭은 서로 중첩되어 음극 탭 다발을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀에서, 상기 제1 모노셀의 양극(110)은 활물질로 리튬 니켈-코발트-망간 산화물(LiNixCoyMnzO2, NCM)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀에서, 상기 제2 모노셀의 양극(210)은 활물질로 리튬 인산철 산화물(LiFePO4, LFP)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀에서, 상기 전극조립체는 상기 제1 모노셀을 한 개만 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀에서, 상기 전극조립체는 상기 제2 모노셀을 두 개 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀에서, 상기 제1 모노셀은 적층된 상기 제2 모노셀들 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀에서, 상기 전극조립체는 최상부 및 최하부 중 한 곳 이상에 분리막-음극-분리막의 순서로 형성된 하프셀을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀에서, 상기 하프셀이 상기 최상부 또는 상기 최하부 중 최외곽의 전극이 양극인 곳에 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀을 제조하는 방법은 a) 양극 활물질로 리튬 니켈-코발트-망간 산화물(LiNixCoyMnzO2, NCM)을 사용한 양극을 포함하는 제1 모노셀과, 양극 활물질로 리튬 인산철 산화물(LiFePO4, LFP)을 사용한 양극을 포함하는 제2 모노셀을 제조하는 단계, b) 하나 이상의 상기 제1 모노셀과 하나 이상의 상기 제2 모노셀을 적층하여 전극조립체를 제조하는 단계, 및 c) 상기 전극조립체를 배터리 케이스에 수용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀을 제조하는 방법에서, 상기 제1 모노셀 및 상기 제2 모노셀이 각각 양극 탭 및 음극 탭을 구비하고, 상기 제1 모노셀의 양극 탭은 상기 전극조립체 제조 후 상기 제2 모노셀의 양극 탭과 동일한 방향으로 돌출하되, 상기 제2 모노셀의 양극 탭과 중첩되지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀을 제조하는 방법에서, 상기 b) 단계에서는 상기 전극조립체의 최상부 또는 최하부 중 어느 한 곳 이상에 분리막-음극-분리막의 순서로 형성된 하프셀을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 LFP 배터리 셀은, 양극 활물질로 NCM을 사용한 제1 모노셀을 포함하고 있으며, 이러한 제1 모노셀의 전압을 측정함으로써 LFP 배터리 셀의 SoC를 간단하면서도 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀은, 하프셀을 포함하여 음극의 용량을 더 크게 제조함으로써, 과충전과 같은 상황에서도 리튬의 석출을 억제할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 단일 모노셀 두 개를 적층한 전극조립체를 개략적으로 나타낸 분해사시도이다.
도 2는 종래의 단일 모노셀 두 개를 적층한 전극조립체를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 LFP 배터리와 일반적인 리튬 이온 배터리 각각의 OCV-SoC 커브를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모노셀과 제2 모노셀로 구성되는 전극조립체를 개략적으로 나타낸 분해사시도이다.
도 5는 도 4에 도시한 일 실시예에 따른 모노셀들이 적층된 상태의 전극조립체 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시한 일 실시예에 따른 전극조립체의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 모노셀, 제2 모노셀 및 하프셀로구성되는 전극조립체를 개략적으로 나타낸 분해사시도이다.
도 8은 도 7에 도시한 다른 실시예에 따른 모노셀들과 하프셀이 적층된 상태의 전극조립체 사시도이다.
본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 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, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우만이 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 LFP 배터리 셀에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
일반적으로 배터리 셀은 전극조립체 및 전해액이 배터리 케이스에 수용된 형태이고, 배터리 케이스의 형태에 따라 각형, 원통형 및 파우치형 배터리 셀로 나눌 수 있다.
그 중 파우치형 케이스는 통상적으로 내부층/금속층/외부층의 라미네이트 시트 구조로 이루어져 있다. 내부층은 전극 조립체와 직접적으로 접촉하므로 절연성과 내전해액성을 가져야 하고, 또 외부와의 밀폐를 위하여 실링성 즉, 내부층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다.
이러한 내부층의 재료로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌아크릴산, 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지 및 폴리이미드수지로부터 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않고, 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내화학성이 뛰어난 다양한 고분자 재료들이 사용될 수 있다.
내부층과 접하고 있는 금속층은 외부로부터 수분이나 각종 가스가 전지 내부로 침투하는 것을 방지하는 배리어층에 해당되고, 이러한 금속층의 바람직한 재료로는 가벼우면서도 성형성이 우수한 알루미늄 박막을 사용할 수 있다.
그리고 금속층의 타측면에는 외부층이 구비되며, 이러한 외부층은 전극 조립체를 보호하면서 내열성과 내화학성을 확보할 수 있도록 인장강도, 투습방지성 및 공기 투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일 예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 모노셀과 제2 모노셀을 적층한 전극조립체를 개략적으로 나타낸 분해사시도, 도 5는 도 4에 도시한 일 실시예에 따른 모노셀들이 적층된 상태의 전극조립체 사시도, 그리고 도 6은 도 5에 도시한 일 실시예에 따른 전극조립체의 평면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 SoC(State of Charge)를 용이하게 측정할 수 있는 LFP 배터리 셀에 적용되는 전극조립체(1000)는 하나 이상의 제1 모노셀(100) 및 하나 이상의 제2 모노셀(200)이 적층된 형태이다.
여기서 제1 모노셀(100)은 양극(110)-분리막(130)-음극(120)-분리막(130)이 순서대로 적층된 모노셀이며, 양극 탭(111)과 음극 탭(121)은 서로 마주보는 방향으로 돌출되어 있다.
한편, 제2 모노셀(200)은 양극(210)-분리막(230)-음극(220)-분리막(230)이 순서대로 적층된 모노셀이며, 양극 탭(211)과 음극 탭(221)은 서로 마주보는 방향으로 돌출되어 있다.
물론, 도 4 내지 도 6에서는 제1 모노셀(100) 및 제2 모노셀(200)이 양극-분리막-음극-분리막의 순서로 적층된 형태만을 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고, 음극-분리막-양극-분리막의 형태로 적층되는 것도 가능하다.
하지만 제1 모노셀(100)과 제2 모노셀(200)은 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이 적층되어 전극조립체를 형성하더라도, 제1 모노셀의 양극 탭(111)과 제2 모노셀의 양극 탭(211)은 같은 방향으로 돌출되지만 서로 중첩되지 않는다.
따라서, 제2 모노셀의 양극 탭(211)들만 중첩되어 양극 탭 다발을 형성하게 되고, 제1 모노셀의 양극 탭(111)은 도 5에 도시한 바와 같이 별도로 위치하게 된다.
이에 비해 제1 모노셀의 음극 탭(121)과 제2 모노셀의 음극 탭(221)은 같은 방향으로 돌출되고, 서로 중첩되어 하나의 음극 탭 다발을 형성하게 된다.
여기서, 제2 모노셀(200)의 양극(210)은 활물질로 리튬 인산철 산화물(LiFePO4, LFP)을 사용하여 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, LFP를 양극 활물질로 사용한 LFP 배터리 셀은 안전성 등에서 장점이 있으나, 배터리 셀의 충전 상태를 알기 위하여 전압으로 SoC를 측정하는 데 어려움이 있다.
따라서, 이러한 LFP 배터리 셀의 SoC를 용이하게 측정할 수 있도록 양극 활물질로 리튬 니켈-코발트-망간 산화물(LiNixCoyMnzO2, NCM)을 사용하여 형성된 제1 모노셀(100)을 제2 모노셀(200)과 함께 적층하여 전극조립체(1000)를 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, x, y, z는 상수로서, x+y+z=1 조건을 만족하는 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니며 공지의 NCM 배터리 셀이면 족하다.
이와 같이 LFP 모노셀에 NCM 모노셀을 함께 적층시킬 시, 작동 전압 구간에서 전압의 변화가 선형적으로 일어나는 NCM을 활용함으로써 SoC를 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다. 즉, 제1 모노셀(100)을 부가하여 전극조립체(1000)를 형성하는 것 만으로 LFP 배터리 셀의 SoC를 좀 더 정확하게 측정할 수 있게 된다.
한편, 제1 모노셀(100)과 제2 모노셀(200)은 동일한 분리막(130, 230)과 음극(120, 220)을 사용하여 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5에서는 하나의 제1 모노셀(100)이 2개의 제2 모노셀(200) 사이에 위치하여 적층되는 것으로 도시하고 있으나, 본 발명의 전극조립체(1000)는 이에 한정되지 않고, 하나의 제1 모노셀(100)과 3개 이상의 제2 모노셀(200), 복수의 제1 모노셀(100)과 복수의 제2 모노셀(200), 또 제1 모노셀(100)과 제2 모노셀(200)이 각각 하나로 이루어지는 경우 등 다양한 형태의 전극조립체(1000)가 가능하다.
하나의 제1 모노셀(100)과 2개 이상의 제2 모노셀(200)로 구성되는 경우, 제1 모노셀(100)이 전극조립체(1000)의 외곽에 위치하는 것도 가능하지만 배터리 셀 전체의 SoC 정확도를 높일 수 있도록 제2 모노셀(200)들 사이에 개재되는 형태로 위치하는 것이 보다 바람직하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 모노셀, 제2 모노셀 및 하프셀로 구성되는 전극조립체를 개략적으로 나타낸 분해사시도이고, 도 8은 도 7에 도시한 다른 실시예에 따른 모노셀들과 하프셀이 적층된 상태의 전극조립체 사시도이다.
도 7 및 도 8에 도시한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극조립체는 도 4 내지 6을 참조하면서 설명한 실시예와 대비하여, 하프셀이 추가적으로 적층되어 있는 구성을 제외하고 나머지 구성은 동일하므로, 이하에서는 하프셀과 관련하여서만 설명하기로 한다.
하프셀(300)이란 분리막(330)-음극(320)-분리막(330)이 적층된 것으로, 하프셀(300)을 적층하는 이유는 전극조립체(1000)의 최외곽 전극으로 음극을 배치하기 위함이다.
이와 같이 하프셀(300)을 부가하여 전극조립체(1000)에서 양극보다 음극의 개수가 많도록 구성하는 이유는, 음극의 용량을 양극의 용량에 비해 상대적으로 크게 구성함으로써 과충전과 같은 상황에서도 리튬의 석출을 억제할 수 있기 때문이다.
비록 도 7에서는 하프셀(300)이 가장 위에 위치하는 것으로 도시하고 있으나, 이는 일 예시에 불과할 뿐 제1 모노셀(100)과 제2 모노셀(200)을 이루는 양극과 음극의 위치를 변경 내지 조절함으로써 가장 아래에 위치할 수 있음은 자명하다.
전술한 바와 같은 NCM 모노셀이 구비된 LFP 배터리 셀은 전지 모듈 내지 전지 팩을 구성함으로서 노트북 등의 모바일 기기 또는 차량용 배터리에 사용될 수 있고, 또 LFP 배터리 셀의 전압 측정용으로도 활용이 가능하다.
이하에서는 전술한 SoC를 용이하게 측정할 수 있는 LFP 배터리 셀을 제조하는 방법에 관해 설명하기로 한다.
LFP 배터리 셀을 제조하는 방법은, a) 양극 활물질로 a) 양극 활물질로 리튬 니켈-코발트-망간 산화물 LiNixCoyMnzO2, (NCM)을 사용한 양극을 포함하는 제1 모노셀을 제조하는 단계, b) 양극 활물질로 리튬 인산철 산화물(LiFePO4,LFP)을 사용한 양극을 포함하는 제2 모노셀을 제조하는 단계, c) 하나 이상의 제1 모노셀과 하나 이상의 제2 모노셀을 적층하여 전극조립체를 제조하는 단계, 및 d) 상기 전극조립체를 배터리 케이스에 수용하는 단계를 포함하여 구성된다.
전술한 바와 같이, x, y, z는 상수로서 x+y+z=1 조건을 만족하는 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
여기서, c) 단계에서는 제1 모노셀과 제2 모노셀은 각각 양극 탭 및 음극 탭을 구비하며, 제1 모노셀의 양극 탭과 제2 모노셀의 양극 탭은 동일한 방향으로 돌출하지만 제2 모노셀의 양극 탭과 중첩되지는 않게 적층시킨다.
비록 양극 활물질로 NCM(LiNixCoyMnzO2)을 사용한 양극을 포함하는 제1 모노셀을 제조하는 a) 단계 이후에 양극 활물질로 LFP(LiFePO4)를 사용한 양극을 포함하는 제2 모노셀을 제조하는 b) 단계가 수행되는 것으로 기재하였으나, 이들 a) 단계와 b) 단계를 동시에 수행하거나, b) 단계 이후에 a) 단계가 수행되어도 무방하다.
또한, 상기 c)단계에서는 전극조립체의 최상부 또는 최하부 중 어느 한 곳 이상에 분리막-음극-분리막의 순서로 형성된 하프셀을 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그 외 전해액을 주액하는 단계, 활성화 단계, 및 실링 단계 등은 공지의 배터리 셀 제조 단계와 동일하므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
(부호의 설명)
1000: 전극조립체
100: 제1 모노셀
110: 제1 모노셀의 양극
111: 제1 모노셀의 양극 탭
120: 제1 모노셀의 음극
121: 제1 모노셀의 음극 탭
130: 제1 모노셀의 분리막
200: 제2 모노셀
210: 제1 모노셀의 양극
211: 제1 모노셀의 양극 탭
220: 제1 모노셀의 음극
221: 제1 모노셀의 음극 탭
230: 제1 모노셀의 분리막
300: 하프셀
320: 하프셀의 음극
321: 하프셀의 음극 탭
330: 하프셀의 분리막

Claims (14)

  1. 하나 이상의 제1 모노셀 및 하나 이상의 제2 모노셀을 포함하는 전극조립체; 및
    전극조립체를 수납하는 배터리 케이스를 포함하고,
    상기 제1 모노셀 및 상기 제2 모노셀은 각각 서로 마주보는 방향으로 형성된 양극 탭 및 음극 탭을 포함하며,
    상기 제1 모노셀의 양극 탭은 상기 제2 모노셀의 양극 탭과 동일한 방향으로 돌출되되, 상기 제2 모노셀의 양극 탭과 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모노셀 및 상기 제2 모노셀은 각각 양극-분리막-음극-분리막이 순서대로 적층된 모노셀인 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모노셀 및 상기 제2 모노셀은 각각 음극-분리막-양극-분리막이 순서대로 적층된 모노셀인 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모노셀의 음극 탭과 상기 제2 모노셀의 음극 탭은 서로 중첩되어 음극 탭 다발을 형성하는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모노셀의 양극은 활물질로 리튬 니켈-코발트-망간 산화물(LiNixCoyMnzO2, NCM)을 사용하는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀.
    (여기서, x+y+z는 1을 만족함)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 모노셀의 양극은 활물질로 리튬 인산철 산화물(LiFePO4, LFP)을 사용하는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 상기 제1 모노셀을 한 개만 포함하는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극조립체는 상기 제2 모노셀을 두 개 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 모노셀은 적층된 상기 제2 모노셀들 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 최상부 및 최하부 중 어느 한 곳 이상에 분리막-음극-분리막의 순서로 적층된 하프셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하프셀은 상기 최상부 또는 상기 최하부 중 최외곽의 전극이 양극인 곳에 적층되는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀.
  12. a) 양극 활물질로 리튬 니켈-코발트-망간 산화물(LiNixCoyMnzO2, NCM)을 사용한 양극을 포함하는 제1 모노셀과, 양극 활물질로 리튬 인산철 산화물(LiFePO4, LFP)을 사용한 양극을 포함하는 제2 모노셀을 제조하는 단계;
    (여기서, x+y+z는 1을 만족함)
    b) 하나 이상의 상기 제1 모노셀과 하나 이상의 상기 제2 모노셀을 적층하여 전극조립체를 제조하는 단계; 및
    c) 상기 전극조립체를 배터리 케이스에 수납시키는 단계;를 포함하는 LFP 배터리 셀 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 모노셀 및 상기 제2 모노셀은 각각 양극 탭 및 음극 탭을 구비하고, 상기 제1 모노셀의 양극 탭은 상기 전극조립체 제조 후 상기 제2 모노셀의 양극 탭과 동일한 방향으로 돌출하되, 상기 제2 모노셀의 양극 탭과 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 b) 단계에서는 상기 전극조립체의 최상부 및 최하부 중 어느 한 곳 이상에 분리막-음극-분리막의 순서로 형성된 하프셀을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LFP 배터리 셀 제조 방법.
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