WO2024072047A1 - 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 Download PDF

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WO2024072047A1
WO2024072047A1 PCT/KR2023/014926 KR2023014926W WO2024072047A1 WO 2024072047 A1 WO2024072047 A1 WO 2024072047A1 KR 2023014926 W KR2023014926 W KR 2023014926W WO 2024072047 A1 WO2024072047 A1 WO 2024072047A1
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electrode assembly
insulating layer
positive electrode
protective member
cathode
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PCT/KR2023/014926
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Inventor
박지성
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly and a device including the same, and more specifically, to an electrode assembly that can improve safety and a secondary battery including the same.
  • Secondary batteries are classified into coin-shaped batteries, cylindrical batteries, square-shaped batteries, and pouch-shaped batteries, depending on the shape of the battery case.
  • the electrode assembly mounted inside the battery case is a power generation device capable of charging and discharging, consisting of a stacked structure of electrodes and separators.
  • Embodiments of the present invention seek to provide an electrode assembly that can improve safety and a secondary battery including the same.
  • the electrode assembly according to an embodiment of the present invention is formed by winding an anode, a separator, and a cathode, and is disposed to face an end of at least one of the anode and the cathode, and may include a protection member filled with a flame retardant therein. there is.
  • the protective member may face the shorter electrode among the anode and the cathode.
  • the protection member may be disposed on the separator to face the starting end where winding of the positive electrode begins.
  • the cathode includes an extended area that extends beyond the anode in a direction opposite to the winding direction of the electrode assembly, and the protective member may overlap the extended area of the cathode.
  • the protective member includes a first insulating layer disposed on the separator and forming a plurality of pores filled with the flame retardant; a second insulating layer disposed on the first insulating layer and facing the winding center of the electrode assembly; It may include an adhesive layer disposed between the first insulating layer and the second insulating layer.
  • the second insulating layer may be thinner than the first insulating layer and may have a thickness greater than or equal to the adhesive layer.
  • the first insulating layer has a thickness of 50 to 70% of the total thickness of the protective member
  • the second insulating layer has a thickness of 20 to 30% of the total thickness of the protective member
  • the adhesive layer may have a thickness of 10 to 20% of the total thickness of the protective member.
  • the second insulating layer may have a lower melting temperature than the first insulating layer.
  • the first insulating layer includes at least one of polyimide (PI) and polyethylene terephthalate (PET), and the second insulating layer includes polyethylene (PE), It may include either polypropylene (PP) or polyurethane (PU).
  • PI polyimide
  • PET polyethylene terephthalate
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PU polyurethane
  • the first insulating layer includes a first insulating region; It includes second insulating regions disposed on both sides of the first insulating region, and the plurality of pores may be formed in the first insulating region excluding the second insulating region.
  • the flame retardant may be a flame retardant liquid containing fluorine.
  • the positive electrode includes a positive electrode current collector; a first active material layer disposed on the positive electrode current collector; It includes a second active material layer disposed below the positive electrode current collector, and the protection member may contact a starting end of at least one of the positive electrode current collector, the first active material layer, and the second active material layer.
  • the electrode assembly further includes a negative electrode tab electrically connected to the negative electrode, and the protective member may have a width less than or equal to the separation distance between the starting end of the positive electrode and the negative electrode tab.
  • the thickness of the protective member may be the same as the thickness of the anode.
  • the electrode assembly may further include a fire extinguishing agent filled inside the protective member.
  • a secondary battery according to an embodiment of the present invention may include the electrode assembly described above.
  • the electrode assembly may include a protection member facing the winding start end where winding of the positive electrode begins. This protection member prevents cracks in the negative electrode from occurring at the portion that contacts the winding start end of the positive electrode, thereby preventing disconnection or short circuit, thereby improving the safety of the secondary battery.
  • the winding center of the electrode assembly can easily maintain its circular shape through the protective member. Accordingly, it is possible to prevent internal short circuits from occurring during the charge/discharge cycle of the secondary battery including the electrode assembly, thereby ensuring safety.
  • the inside of the protective member may be filled with a filling member containing a flame retardant.
  • the protection member containing this flame retardant can prevent an increase in the temperature of the secondary battery from leading to ignition or explosion.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a secondary battery including an electrode assembly according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing the electrode assembly shown in FIG. 1 in an unfolded state before being wound.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the electrode assembly shown in FIG. 1 in an unfolded state before being wound.
  • Figure 4 is a plan view and a cross-sectional view showing a protection member according to the present invention.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing the periphery of the center of the electrode assembly shown in FIG. 2 after it is wound.
  • Figure 6 is a cross-sectional view showing the unfolded state of the electrode assembly according to the second embodiment of the present invention before being wound.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a secondary battery including an electrode assembly according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing the electrode assembly shown in FIG. 1 in an unfolded state before being wound.
  • the secondary battery 10 may include an electrode assembly 100 and a battery case 180.
  • the electrode assembly 100 may be accommodated in the battery case 180.
  • the battery case 180 may include a battery can 182 and a cap assembly 181.
  • the battery can 182 may include a receiving portion 183 in which the electrode assembly 100 can be accommodated. Electrolyte solution may be injected into the receiving portion 183 so that the electrode assembly 100 is completely immersed in the battery can 182.
  • the top of the battery can 182 may be open so that it can be used as an inlet passage for the electrode assembly 100.
  • the battery can 182 may include metal.
  • the battery can 182 may include stainless steel.
  • the battery can 182 accommodates the electrode assembly 100, it can be formed in a shape corresponding to the shape of the electrode assembly 100.
  • the battery can 182 may be formed in a cylindrical shape so that the electrode assembly 100, which is formed in a jelly-roll shape, can be accommodated.
  • the cap assembly 181 may be mounted on the battery can 182 and coupled to the battery can 182 so as to cover the open top of the battery can 182.
  • the cap assembly 181 may be formed by sequentially stacking a safety belt, a current blocking element, a positive temperature coefficient (PTC) element, and a top cap.
  • the top cap is seated and coupled to the uppermost part of the cap assembly 181 and transmits the current generated in the secondary battery to the outside.
  • One of the battery can 182 and the cap assembly 181 is electrically connected to the positive electrode tab 171 of the electrode assembly 100, and the other one of the battery can 182 and the cap 181 is electrically connected to the negative electrode tab 172.
  • the cap assembly 181 may be electrically connected to the positive electrode tab 171 through a welding process, and the bottom surface of the battery can 182 may be electrically connected to the negative electrode tab 172 through a welding process.
  • either the battery can 182 or the cap assembly 181 may be electrically connected to the positive electrode tab 171 and the negative electrode tab 172.
  • the electrode assembly 100 may be a power generating element capable of charging and discharging.
  • the electrode assembly 100 forms a structure in which electrodes 130 and separators 160 are assembled and stacked alternately.
  • the electrode assembly 100 may be formed in a form in which the electrodes 130 and the separator 160 are alternately gathered and wound.
  • the electrode assembly 100 may have a structure whose diameter expands radially in proportion to the number of winding rotations. At this time, the electrode assembly 100 may be wound in the form of a cylinder wound around the winding center (or central axis) C.
  • the electrode 130 may include an anode 110 and a cathode 120
  • the separator 160 may include a first separator 140 and a second separator 150.
  • the electrode assembly 100 may be a jelly roll-shaped electrode assembly in which an anode 110, a first separator 140, a cathode 120, and a second separator 150 are sequentially stacked and wound into a cylindrical shape.
  • the positive electrode 110 includes a positive electrode current collector 113, a first positive electrode active material layer 111 formed on the outer surface (e.g., the surface facing the winding outer portion O) 123b of the positive electrode current collector 113, and , It may include a second positive electrode active material layer 112 formed on the inner surface (eg, the surface facing the winding center C) of the positive electrode current collector 113.
  • the positive electrode current collector 113 may be formed to extend beyond at least one of the first positive electrode active material layer 111 and the second positive electrode active material layer 111 toward the winding outer portion O.
  • An area where at least one of the first positive electrode active material layer 111 and the second positive active material layer 111 is not formed and the positive electrode current collector 113 is formed may be the positive electrode uncoated region 115 .
  • At least one positive electrode tab 171 may be fused to the positive electrode current collector 113 of the positive electrode uncoated region 115 by a method such as welding.
  • the positive electrode current collector 113 may be made of, for example, aluminum foil. At least one of the first positive electrode active material layer 111 and the second positive electrode active material layer 112 includes, for example, lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium iron phosphate, or one or more of these. It may consist of compounds, mixtures, etc.
  • the negative electrode 120 includes a negative electrode current collector 123, a first negative electrode active material layer 121 formed on the outer surface of the negative electrode current collector 123 (e.g., the surface facing the winding outer portion O), and a negative electrode current collector 123. It may include a second negative active material layer 122 formed on the inner surface of the entire body 123 (e.g., the surface facing the winding center C).
  • the negative electrode 120 has a negative electrode coated portion (or holding portion) and a negative electrode uncoated portion (or uncoated portion) 125 depending on the formation positions of the first negative electrode active material layer 121 and the second negative electrode active material layer 122.
  • the negative electrode coating portion may be an area where the first negative electrode active material layer 121 and the second negative electrode active material layer 122 are formed.
  • the negative electrode uncoated region 125 may be an area in which at least one of the first negative electrode active material layer 121 and the second negative electrode active material layer 122 is not formed.
  • At least one negative electrode tab 172 may be fused to the negative electrode current collector 123 of the negative electrode uncoated region 125 by a method such as welding.
  • the negative electrode current collector 123 may be made of a foil containing copper (Cu) or/and nickel (Ni).
  • At least one of the first negative electrode active material layer 121 and the second negative electrode active material layer 122 is artificial graphite, lithium metal, lithium alloy, carbon, petroleum coke, activated carbon, graphite, silicon compound, tin compound, titanium compound, or It may be made of an alloy thereof.
  • At least one of the first negative electrode active material layer 121 and the second negative electrode active material layer 122 may contain, for example, non-graphite SiO (silica) or SiC (silicon carbide). .
  • the separator 160 is disposed between the anode 110 and the cathode 120 to separate and electrically insulate the anode 110 and the cathode 120.
  • the separator 160 may include a first separator 140 and a second separator 150.
  • the first separator 140 may be laminated on the outside of either the anode 110 or the cathode 120.
  • the second separator 150 may be laminated on the outside of the other one of the anode 110 and the cathode 120.
  • the first separator 140 when the first separator 140 is laminated on the outside of the positive electrode 110, the first separator 140 will be disposed between the first positive electrode active material layer 121 and the second negative active material layer 112. You can.
  • the second separator 150 When the second separator 150 is laminated on the outside of the negative electrode 120, the second separator 150 may be disposed between the second positive electrode active material layer 122 and the first negative electrode active material layer 111. Meanwhile, when a laminate in which the anode 110, the first separator 140, the cathode 120, and the second separator 150 are laminated in order is wound, the second separator 150 is formed on the outermost surface of the jelly roll. A type electrode assembly 100 may be formed.
  • At least one of the first separator 140 and the second separator 150 is, for example, a multilayer film made of polyethylene, polypropylene, or a combination thereof, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, or polyacrylonitrile.
  • it may be a polymer film for a solid polymer electrolyte or a gel-type polymer electrolyte such as polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene copolymer.
  • the electrode assembly 100 may include a protection member 200 disposed to face an end of at least one of the anode 110 and the cathode 120.
  • the protection member 200 may be arranged to face the starting end of the shorter electrode among the anode 110 and the cathode 120.
  • the protection member 200 may be located closer to the center of the winding (C) than to the outer portion of the winding (O).
  • the protection member 200 may be formed to be long along the width direction of either the first separator 140 or the second separator 150.
  • the protection member 200 may be formed parallel to at least one of the positive electrode tab 171 and the negative electrode tab 172.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the electrode assembly shown in FIG. 2 in an unfolded state before being wound.
  • the anode 110, the first separator 140, the cathode 120, and the second separator 150 are shown as being spaced apart, but after being wound, the anode 110, the first separator 140 , the cathode 120 and the second separator 150 may be in close contact with each other.
  • the cathode 120 is formed to surround the anode 110 when wound, so the cathode 120 may be formed longer than the anode 110.
  • the cathode 120 may include an extension area 126 extending beyond the anode 110 in a direction opposite to the winding direction WD of the electrode assembly.
  • the winding direction (WD) may refer to the direction in which the cathode 120 and the anode 110 are wound. In Figure 3, the winding direction (WD) may be clockwise.
  • the protection member 200 overlaps the extended area 126 of the cathode 120 and may be arranged to face the winding start end AE of the anode 110.
  • the protection member 200 may be disposed on the first separator 140 and contact the winding start end (AE) of the positive electrode 110.
  • the protection member 200 may contact the winding start end portion AE of at least one of the first positive electrode active material layer 111, the second positive active material layer 112, and the positive electrode current collector 113.
  • the protection member 200 may be disposed on one side of the first separator 140 facing the winding center C.
  • the protection member 200 may have a thickness T corresponding to that of the anode 110.
  • the thickness T of the protection member 200 may be the same as the thickness of the anode 110.
  • the thickness of the protection member 200 may be 90 ⁇ m to 150 ⁇ m, and in the present invention, the thickness of the protection member 200 is not limited. Since the thickness of the anode 110 may vary from product to product depending on the product characteristics of the electrode assembly, the thickness of the protection member 200 may be formed to be the same as that of the positive electrode depending on the product characteristics.
  • the protection member 200 may be formed to be wound from the winding start end (AE) of the positive electrode 110 toward the winding center (C).
  • the protection member 200 may extend from the winding start end (AE) of the positive electrode 110 toward the winding center (C).
  • the protection member 200 may be disposed between the winding start end (AE) of the positive electrode 110 and the winding start end (CE) of the cathode 120.
  • the protection member 200 may be disposed between the winding start end (AE) of the positive electrode 110 and the negative electrode tab 172.
  • the width (W) of the protection member 200 may be less than or equal to the distance (D) from the winding start end (AE) of the positive electrode to the negative electrode tab 172.
  • the width W of the protection member 200 may be 10 mm to 21 mm.
  • a protection tab 173 may be attached to at least one of the negative electrode tab 172 and the positive tab (eg, the positive tab 171 in FIG. 1).
  • the protection tab 173 can alleviate the step formed by the electrode tabs 171 and 172 and prevent damage to the separators 140 and 150 facing the electrode tabs 171 and 172.
  • the protection member 200 may cover the step of the winding start end (AE) of the positive electrode 110.
  • the protection member 200 can eliminate the step of the winding start end AE corresponding to the maximum thickness of the positive electrode 110.
  • the negative electrode 120 which contracts and expands as charging and discharging of the secondary battery progresses, may not be bent to the winding start end (AE) of the positive electrode 110 by the protection member 200. It is possible to prevent the winding start end (AE) of the anode 110 from coming into contact with the cathode. Accordingly, it is possible to prevent cracks from occurring in the first separator 140 due to the winding starting end (AE) of the anode 110, thereby preventing an electrical short between the cathode 120 and the anode 110. You can prevent it from happening.
  • the winding center C of the electrode assembly can easily maintain its original shape. Accordingly, it is possible to prevent internal short circuits from occurring during the charge/discharge cycle of the secondary battery including the electrode assembly, thereby ensuring safety.
  • FIG. 4 is a plan view and a cross-sectional view showing a protection member according to the present invention
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing the area around the center C of the electrode assembly shown in FIG. 2 after it is wound.
  • the protection member 200 may be formed in the form of an insulating tape.
  • the protective member 200 may include a first insulating layer 301, an adhesive layer 201, and a second insulating layer 302 sequentially stacked on one surface of the first separator 140.
  • the adhesive layer 201 may be disposed between the first insulating layer 301 and the second insulating layer 302 to adhere the first insulating layer 301 and the second insulating layer 302. Additionally, the protection member 200 may be attached to the first separator 140 through the second adhesive layer 202. The second adhesive layer 202 may be disposed between the first insulating layer 301 and the first separator 140.
  • the first insulating layer 301 may include a first insulating region 310 and a second insulating region 320.
  • the first insulating region 310 may include a first side 311, a second side 312, and a third side 313.
  • the first surface 311 may be formed to face the winding center C (or the second insulating layer 302).
  • the second surface 312 may be formed to face the opposite direction to the first surface 311 (or the second adhesive layer 202 or the first separator 140).
  • a plurality of third surfaces 313 may be disposed between the first surface 311 and the second surface 312 .
  • a plurality of third surfaces 313 may be formed to intersect the first surface 311 and the second surface 312.
  • the first insulating region 310 may include a plurality of pores 330 .
  • the first filling member 340 may be filled in the plurality of pores 330 .
  • the first filling member 340 may be a flame retardant liquid (or flame retardant) containing fluorine (F).
  • the first filling member 340 in a liquid state may flow out of the protection member 200 when the secondary battery (e.g., the secondary battery 10 of FIG. 1) is in an abnormal operating state such as an overcurrent state or a high temperature state.
  • the first filling member 340 may flow out to the winding center C in an abnormal operating state of the secondary battery 10 and cool the electrode assembly.
  • the first filling member 340 can prevent an increase in temperature of the secondary battery from leading to ignition or explosion.
  • the second insulating region 320 may be formed to surround a portion of the first insulating region 310 .
  • the second insulating region 320 may be formed to surround a plurality of third sides 313 excluding the first and second sides 311 and 312 of the first insulating region 310 .
  • the second insulating region 320 may be formed to surround the second surface 312 excluding the first surface 311 of the first insulating region 310 and a plurality of third surfaces 313.
  • the second insulating region 320 serves to confine the first filling member 340 within the first insulating region 310 to prevent the first filling member 340 in a liquid state from flowing out during normal operation of the secondary battery. You can.
  • the first insulating region 310 and the second insulating region 320 may be formed of different materials, or may be formed to be integrated with the same material. At least one of the first insulating region 310 and the second insulating region 320 may be formed of an electrically insulating plastic material. The first insulating region 310 and the second insulating region 320 may be formed of a material that has a higher melting point than the second insulating layer 302 and does not easily melt at high temperatures.
  • the first insulating layer 301 including the first insulating region 310 and the second insulating region 320 is made of at least one of polyimide (PI) and polyethylene terephthalate (PET). It can contain one.
  • the second insulating layer 302 may be disposed on the adhesive layer 201 to face the winding center C.
  • the second insulating layer 302 may be disposed closer to the winding center C than at least one of the adhesive layer 201 and the first insulating layer 301.
  • the second insulating layer 302 and the adhesive layer 201 may be formed to easily melt at high temperatures.
  • the second insulating layer 302 and the adhesive layer 201 may be formed to melt when the internal temperature of the secondary battery exceeds 100 degrees Celsius.
  • the flame retardant 340 inside the first insulating layer 301 may flow out of the protective member 200.
  • the second insulating layer 302 may be formed of a material with a lower melting point than the first insulating layer 301.
  • the second insulating layer 302 may include any one of polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polyurethane (PU).
  • the first insulating layer 301 included in the protective member 200 may be formed thicker than the adhesive layer 201 and the second insulating layer 302.
  • the second insulating layer 302 may be formed to have a thickness equal to or greater than that of the adhesive layer 201.
  • the thickness T301 of the first insulating layer 301 may account for 50 to 70% of the total thickness of the protective member 200.
  • the thickness T302 of the second insulating layer 302 may account for 20 to 30% of the total thickness of the protective member 200.
  • the thickness T201 of the adhesive layer 201 may account for 10 to 20% of the total thickness of the protective member 200.
  • the portion of the protective member 200 occupied by the first filling member 340 filled in the first insulating layer 301 is The ratio may increase. Accordingly, the protection member including the first filling member 340 can prevent an increase in temperature of the secondary battery from leading to ignition or explosion.
  • Figure 6 is a cross-sectional view showing the unfolded state of the electrode assembly according to the second embodiment of the present invention before being wound.
  • the electrode assembly according to the second embodiment of the present invention includes a first filling member 340 and a first filling member 340 in the plurality of pores 330. 2 It has the same components except that the filling member 600 is filled. Accordingly, the detailed description of the same components will apply to the description of FIGS. 1 to 5.
  • the protection member 200 may include a plurality of pores 330. Some of the plurality of pores 330 may be filled with the first filling member 340. The remainder of the plurality of pores 330 may be filled with the second filling member 600.
  • the first filling member 340 and the second filling member 600 may be formed of different materials.
  • the first filling member 340 may contain a flame retardant liquid.
  • the second filling member 600 may include a fire extinguishing agent 610.
  • the second filling member 600 may be formed in a form in which a shell 620 surrounds a core containing the fire extinguishing agent 610.
  • the fire extinguishing agent 610 contained in the core may be discharged toward the winding center C.
  • the fire extinguishing agent 610 included in the second filling member 600 may not chemically react with the flame retardant included in the first filling member 340 .
  • the fire extinguishing agent 610 is discharged toward the center of the coil (C) when the secondary battery ignites and can extinguish the fire in a short time, and prevents the fire of the ignited electrode assembly 100 from spreading to the adjacent electrode assembly 100. can do.
  • a secondary battery including the above-described electrode assembly can be applied to various devices. It can be applied to transportation methods such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrids, but is not limited to this and can be applied to various devices that can use battery modules.

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Abstract

본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체는 양극, 분리막 및 음극이 권취되어 형성되며, 상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 단부와 대면하도록 배치되며, 내부에 난연제가 충진되는 보호 부재를 포함할 수 있다.

Description

전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지
관련 출원과의 상호인용
본 출원은 2022년 09월 30일자 한국특허출원 제10-2022-0125849호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 전극 조립체 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전성을 향상시킬 수 있는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
최근 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기와 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극들 및 분리막들이 적층된 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전 소자이다.
이러한 전극 조립체를 포함하는 이차전지의 충방전 사이클이 반복하여 진행되는 경우, 전극 조립체가 부풀어오르는 스웰링(swelling)이 발생하여 전극 조립체의 권취 중심부가 변형될 수 있다. 전극 조립체의 권취 중심부가 원형을 유지하지 못하고 변형되면 충방전 사이클 도중 내부 단락 또는 단선이 발생되어 안전성이 크게 저하될 수 있다.
본 발명의 실시 예는 안전성을 향상시킬 수 있는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 조립체는 양극, 분리막 및 음극이 권취되어 형성되며, 상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 단부와 대면하도록 배치되며, 내부에 난연제가 충진되는 보호 부재를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 보호 부재는 상기 양극 및 음극 중 길이가 짧은 전극과 대면할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 보호 부재는, 상기 양극의 권취가 시작되는 시단부와 대면하도록 상기 분리막 상에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 음극은 상기 전극 조립체의 권취 방향의 반대 방향으로 상기 양극보다 연장되는 연장 영역을 포함하며, 상기 보호 부재는 상기 음극의 연장 영역과 중첩될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 보호 부재는 상기 분리막 상에 배치되며 상기 난연제가 충진되는 복수의 기공이 형성되는 제1 절연층과; 상기 제1 절연층 상에 배치되며 상기 전극 조립체의 권취 중심부를 향하는 제2 절연층과; 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층 사이에 배치되는 접착층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층보다 얇고, 상기 접착층 이상의 두께를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 절연층은 상기 보호 부재의 전체 두께의 50~70%의 두께를 가지며, 상기 제2 절연층은 상기 보호 부재의 전체 두께의 20~30%의 두께를 가지며, 상기 접착층은 상기 보호 부재의 전체 두께의 10~20%의 두께를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층보다 용융 온도가 낮을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 절연층은 폴리이미드(polyimide, PI) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 제2 절연층은 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 절연층은 제1 절연 영역과; 상기 제1 절연 영역의 양측에 배치되는 제2 절연 영역을 포함하며, 상기 제2 절연 영역을 제외한 상기 제1 절연 영역에는 상기 복수의 기공이 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 난연제는 불소를 포함하는 난연성 액체일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극은 양극 집전체와; 상기 양극 집전체 상부에 배치되는 제1 활물질층과; 상기 양극 집전체의 하부에 배치되는 제2 활물질층을 포함하며, 상기 보호 부재는 상기 양극 집전체, 상기 제1 활물질층 및 상기 제2 활물질층 중 적어도 어느 하나의 시단부와 접촉할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전극 조립체는 상기 음극과 전기적으로 접속된 음극탭을 더 구비하며, 상기 보호 부재는 상기 양극의 시단부와 상기 음극탭 사이의 이격거리 이하의 폭을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 보호 부재의 두께는 상기 양극의 두께와 동일할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전극 조립체는 상기 보호 부재의 내부에 충진되는 소화 약제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지는 전술한 전극 조립체를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 전극 조립체에서 양극의 권취가 시작되는 권취 시단부와 대면하는 보호 부재를 포함할 수 있다. 이 보호 부재에 의해, 양극의 권취 시단부와 닿는 부분에서 발생되는 음극의 크랙을 방지하여 단선이나 단락을 방지함으로써, 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 보호 부재를 통해, 전극 조립체의 권취 중심부는 원형을 용이하게 유지할 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체를 포함하는 이차전지의 충방전 사이클 도중 내부 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있어 안전성을 확보할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 보호 부재의 내부에는 난연제를 포함하는 충진부재가 충진될 수 있다. 이 난연제를 포함하는 보호 부재에 의해, 이차 전지의 온도 상승이 발화나 폭발로 이어지는 것을 방지할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전극 조립체가 권취되기 전 펼쳐진 상태를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전극 조립체가 권취되기 전 펼쳐진 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 보호 부재를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 전극 조립체가 권취된 후의 권취 중심부의 주변을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전극 조립체가 권취되기 전 펼쳐진 상태를 나타내는 단면도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분 또는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서는, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
제1 실시 예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차전지
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전극 조립체를 포함하는 이차 전지를 나타내는 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 전극 조립체가 권취되기 전 펼쳐진 상태를 나타내는 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지(10)는 전극 조립체(100) 및 전지 케이스(180)를 포함할 수 있다.
전지 케이스(180) 내에는 전극 조립체(100)가 수용될 수 있다. 전지 케이스(180)는 전지 캔(182)과 캡(Cap) 조립체(181)를 포함할 수 있다.
전지 캔(182)에는 전극 조립체(100)가 수용될 수 있는 수용부(183)를 포함할 수 있다. 전지 캔(182) 내에 전극 조립체(100)가 완전히 침지되도록 수용부(183)에는 전해액이 주입될 수 있다. 전지 캔(182)의 상부는 전극 조립체(100)의 유입 통로로 이용될 수 있도록 개방되어 있는 형태일 수 있다. 전지 캔(182)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전지 캔(182)은 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다.
전지 캔(182)은 전극 조립체(100)를 수용하므로, 전극 조립체(100)의 형태와 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 젤리-롤 형태로 형성되는 전극 조립체(100)가 수용될 수 있도록 전지 캔(182)은 원통형으로 형성될 수 있다.
캡 조립체(181)은 전지 캔(182)의 개구된 상부를 덮도록 전지 캔(182) 상에 탑재되어 전지 캔(182)과 결합될 수 있다. 캡 조립체(181)는 안전 밴트, 전류 차단소자, 양의 온도 계수(Positive Temperature Coefficient: PTC)소자 및 탑 캡 등이 순차적으로 적층되어 이루어 질 수 있다. 탑 캡은 캡 조립체(181)의 최상부에 안착되어 결합되고 이차전지에서 발생하는 전류를 외부로 전달하게 된다.
전지 캔(182) 및 캡 조립체(181) 중 어느 하나는 전극 조립체(100)의 양극 탭(171)과 전기적으로 연결되며, 전지 캔(182) 및 캡(181) 중 나머지 하나는 음극 탭(172)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 캡 조립체(181)는 양극 탭(171)과 용접공정을 통해 전기적으로 연결되며, 전지 캔(182)의 바닥면은 음극 탭(172)과 용접 공정을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 다른 예로, 전지 캔(182) 및 캡 조립체(181) 중 어느 하나는 양극 탭(171) 및 음극 탭(172)과 전기적으로 연결될 수 있다.
전극 조립체(100)는 충방전이 가능한 발전소자일 수 있다. 전극 조립체(100)는 전극(130)과 분리막(160)이 결집되어 교대로 적층된 구조를 형성한다. 전극 조립체(100)는 전극(130) 및 분리막(160)이 교대로 결집되어 권취된 형태로 형성될 수 있다. 전극 조립체(100)는 권취 회전수에 비례하여 방사형으로 지름이 확장되는 구조를 가질 수 있다. 이때, 전극 조립체(100)는 권취 중심부(또는, 중심축)(C)을 중심으로 권취된 원기둥 형태로 권취될 수 있다. 일 예로, 전극(130)은 양극(110) 및 음극(120)을 포함하며, 분리막(160)은 제1 분리막(140) 및 제2 분리막(150)을 포함할 수 있다. 전극 조립체(100)는 양극(110), 제1 분리막(140), 음극(120), 제2 분리막(150)이 순차적으로 적층되어 원기둥 형태로 권취된 젤리롤 형태의 전극 조립체일 수 있다.
양극(110)은 양극 집전체(113)와, 양극 집전체(113)의 외측면(예: 권취 외곽부(O)를 향하는 면)(123b)에 형성되는 제1 양극 활물질층(111)과, 양극 집전체(113)의 내측면(예: 권취 중심부(C)를 향하는 면)에 형성되는 제2 양극 활물질층(112)을 포함할 수 있다. 양극 집전체(113)는 권취 외곽부(O)를 향해 제1 양극 활물질층(111) 및 제2 양극 활물질층(111) 중 적어도 어느 하나보다 연장되게 형성될 수 있다. 제1 양극 활물질층(111) 및 제2 양극 활물질층(111) 중 적어도 어느 하나가 형성되지 않고 양극 집전체(113)가 형성된 영역은 양극 무지부(115)일 수 있다. 양극 무지부(115)의 양극 집전체(113) 상에는 용접 등의 방법으로 적어도 하나의 양극 탭(171)이 융착될 수 있다.
양극 집전체(113)는 예를 들어, 알루미늄 재질의 포일(Foil)로 이루어질 수 있다. 제1 양극 활물질층(111) 및 제2 양극 활물질층(112) 중 적어도 어느 하나는 예를 들어 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬인산철, 또는 이들 중 1종 이상이 포함된 화합물 및 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
음극(120)은 음극 집전체(123)와, 음극 집전체(123)의 외측면(예: 권취 외곽부(O)를 향하는 면)에 형성되는 제1 음극 활물질층(121)과, 음극 집전체(123)의 내측면(예: 권취 중심부(C)를 향하는 면)에 형성되는 제2 음극 활물질층(122)을 포함할 수 있다. 음극(120)은 제1 음극 활물질층(121) 및 제2 음극 활물질층(122)의 형성 위치에 따라서 음극 코팅부(또는, 유지부) 및 음극 무지부(또는, 미코팅부)(125)로 나뉠 수 있다. 음극 코팅부는 제1 음극 활물질층(121) 및 제2 음극 활물질층(122)이 형성된 영역일 수 있다. 음극 무지부(125)는 제1 음극 활물질층(121) 및 제2 음극 활물질층(122) 중 적어도 어느 하나가 형성되지 않은 영역일 수 있다. 음극 무지부(125)의 음극 집전체(123) 상에는 용접 등의 방법으로 적어도 하나의 음극 탭(172)이 융착될 수 있다.
음극 집전체(123)는 예를 들어, 구리(Cu) 또는/및 니켈(Ni) 재질을 포함하는 포일(Foil)로 이루어질 수 있다. 제1 음극 활물질층(121) 및 제2 음극 활물질층(122) 중 적어도 어느 하나는 인조흑연, 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유코크, 활성화 카본, 그래파이트, 실리콘 화합물, 주석 화합물, 티타늄 화합물 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 제1 음극 활물질층(121) 및 제2 음극 활물질층(122) 중 적어도 어느 하나는, 예를 들어 비흑연계의 SiO(silica, 실리카) 또는 SiC(silicon carbide, 실리콘카바이드)등을 함유할 수 있다.
분리막(160)은 양극(110) 및 음극(120) 사이에 배치되어 양극(110)과 음극(120)을 분리하여 전기적으로 절연시킬 수 있다. 분리막(160)은 제1 분리막(140) 및 제2 분리막(150)을 포함할 수 있다. 제1 분리막(140)은 양극(110) 및 음극(120) 중 어느 하나의 외측에 적층될 수 있다. 제2 분리막(150)은 양극(110) 및 음극(120) 중 나머지 하나의 외측에 적층될 수 있다. 예를 들어, 제1 분리막(140)이 양극(110)의 외측에 적층되는 경우, 제1 분리막(140)은 제1 양극 활물질층(121)과 제2 음극 활물질층(112) 사이에 배치될 수 있다. 제2 분리막(150)이 음극(120)의 외측에 적층되는 경우, 제2 분리막(150)은 제2 양극 활물질층(122)과 제1 음극 활물질층(111) 사이에 배치될 수 있다. 한편, 양극(110), 제1 분리막(140), 음극(120) 및 제2 분리막(150)이 순서대로 적층된 적층체를 권취하면, 제2 분리막(150)이 최외면에 형성되는 젤리롤 형 전극 조립체(100)가 형성될 수 있다.
제1 분리막(140) 및 제2 분리막(150) 중 적어도 어느 하나는 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
본 발명에 따른 전극 조립체(100)는 양극(110) 및 음극(120) 중 적어도 어느 하나의 단부와 대면하도록 배치되는 보호 부재(200)를 포함할 수 있다. 보호 부재(200)는 양극(110) 및 음극(120) 중 길이가 짧은 전극의 시단부와 대면하도록 배치될 수 있다. 보호 부재(200)는 권취 외곽부(O)보다 권취 중심부(C)쪽에 위치할 수 있다. 보호 부재(200)는 제1 분리막(140) 및 제2 분리막(150) 중 어느 하나의 폭 방향을 따라 길게 형성될 수 있다. 보호 부재(200)는 양극 탭(171) 및 음극 탭(172) 중 적어도 어느 하나와 나란하게 형성될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 전극 조립체가 권취되기 전 펼쳐진 상태를 나타내는 단면도이다. 도 3에서, 양극(110), 제1 분리막(140), 음극(120) 및 제2 분리막(150)이 이격되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 권취된 후 양극(110), 제1 분리막(140), 음극(120) 및 제2 분리막(150)은 서로 밀착될 수 있다.
도 3을 참조하면, 음극(120)은 권취시 양극(110)을 감싸도록 형성되므로, 음극(120)은 양극(110)보다 길게 형성될 수 있다. 음극(120)은 전극 조립체의 권취 방향(WD)의 반대 방향으로 양극(110)보다 연장되는 연장 영역(126)을 포함할 수 있다. 권취 방향(WD)은 음극(120) 및 양극(110)이 감기는 방향을 의미할 수 있다. 도 3에서, 권취 방향(WD)은 시계 방향일 수 있다.
보호 부재(200)는 음극(120)의 연장 영역(126)과 중첩되며, 양극(110)의 권취 시단부(AE)와 마주보도록 배치될 수 있다. 보호 부재(200)는 제1 분리막(140) 상에 배치되어 양극(110)의 권취 시단부(AE)와 접촉할 수 있다. 보호 부재(200)는 제1 양극 활물질층(111), 제2 양극 활물질층(112) 및 양극 집전체(113) 중 적어도 어느 하나의 권취 시단부(AE)와 접촉할 수 있다.
보호 부재(200)는 권취 중심부(C)를 향하는 제1 분리막(140)의 일면 상에 배치될 수 있다. 보호 부재(200)는 양극(110)과 대응하는 두께(T)를 가질 수 있다. 보호 부재(200)의 두께(T)는 양극(110)의 두께와 동일할 수 있다. 예를 들어, 보호 부재(200)의 두께는 90㎛~150㎛로 형성될 수 있으며, 본 발명에서, 보호 부재(200)의 두께를 한정하는 것은 아니다. 양극(110)의 두께는 전극 조립체의 제품 특성에 따라서 제품마다 다를 수 있으므로, 보호 부재(200)의 두께는 제품 특성에 따라서 양극과 동일하게 형성될 수 있다.
보호 부재(200)는 양극(110)의 권취 시단부(AE)로부터 권취 중심부(C)를 향해 권취되도록 형성될 수 있다. 보호 부재(200)는 양극(110)의 권취 시단부(AE)으로부터 권취 중심부(C)를 향해 연장될 수 있다. 일 예로, 보호 부재(200)는 양극(110)의 권취 시단부(AE)과 음극(120)의 권취 시단부(CE) 사이에 배치될 수 있다. 다른 예로, 보호 부재(200)는 양극(110)의 권취 시단부(AE)와 음극 탭(172) 사이에 배치될 수 있다. 보호 부재(200)의 폭(W)은 양극의 권취 시단부(AE)로부터 음극 탭(172)까지의 거리(D) 이하의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 보호 부재(200)의 폭(W)은 10mm~21mm로 형성될 수 있다. 한편, 음극 탭(172) 및 양극 탭(예: 도 1의 양극 탭(171)) 중 적어도 어느 하나 상에는 보호 탭(173)이 부착될 수 있다. 보호 탭(173)은 전극탭(171,172)에 의해 형성된 단차를 완화하고, 전극탭(171,172)과 대면하는 분리막(140,150)의 손상을 방지할 수 있다.
보호 부재(200)는 양극(110)의 권취 시단부(AE)의 단차를 커버할 수 있다. 보호 부재(200)는 양극(110)의 최대 두께에 해당하는 권취 시단부(AE)의 단차를 제거할 수 있다. 이차 전지의 충방전이 진행됨에 따라 수축 및 팽창되는 음극(120)은 보호 부재(200)에 의해 양극(110)의 권취 시단부(AE)로 꺾이지 않을 수 있다. 양극(110)의 권취 시단부(AE)와 음극이 닿는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 양극(110)의 권취 시단부(AE)에 의해 제1 분리막(140)에 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있으므로, 음극(120)과 양극(110) 사이에 전기적 단락(Short)이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 보호 부재(200)를 통해, 전극 조립체의 권취 중심부(C)는 원형을 용이하게 유지할 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체를 포함하는 이차전지의 충방전 사이클 도중 내부 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있어 안전성을 확보할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 보호 부재를 나타내는 평면도 및 단면도이며, 도 5는 도 2에 도시된 전극 조립체가 권취된 후의 권취 중심부(C) 주변을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 보호 부재(200)는 절연 테이프 형태로 형성될 수 있다. 보호 부재(200)는 제1 분리막(140)의 일면 상에 순차적으로 적층되는 제1 절연층(301), 접착층(201) 및 제2 절연층(302)을 포함할 수 있다.
접착층(201)은 제1 절연층(301)과 제2 절연층(302) 사이에 배치되어 제1 절연층(301)과 제2 절연층(302)을 접착시킬 수 있다. 또한, 보호 부재(200)는 제2 접착층(202)을 통해서 제1 분리막(140) 상에 부착될 수 있다. 제2 접착층(202)은 제1 절연층(301)과 제1 분리막(140) 사이에 배치될 수 있다.
제1 절연층(301)은 제1 절연 영역(310) 및 제2 절연 영역(320)을 포함할 수 있다.
제1 절연 영역(310)은 제1 면(311), 제2 면(312) 및 제3 면(313)을 포함할 수 있다. 제1 면(311)은 권취 중심부(C)(또는, 제2 절연층(302))를 향하도록 형성될 수 있다. 제2 면(312)은 제1 면(311)과 반대 방향(또는, 제2 접착층(202) 또는 제1 분리막(140))을 향하도록 형성될 수 있다. 제3 면(313)은 제1 면(311) 및 제2 면(312) 사이에 복수개 배치될 수 있다. 복수개의 제3 면(313)은 제1 면(311) 및 제2 면(312)와 교차되게 형성될 수 있다.
제1 절연 영역(310)은 복수개의 기공(330)을 포함할 수 있다. 복수개의 기공(330) 내에는 제1 충진 부재(340)가 충진될 수 있다. 예를 들어, 제1 충진 부재(340)는 불소(F)를 포함하는 난연성 액체(또는, 난연제)일 수 있다. 액상 상태의 제1 충진 부재(340)는 이차전지(예: 도 1의 이차 전지(10))가 과전류 상태, 고온 상태 등의 비정상적인 작동 상태에서 보호 부재(200)의 외부로 흘러나올 수 있다. 제1 충진 부재(340)는 이차 전지(10)의 비정상적인 작동 상태에서 권취 중심부(C)로 흘러나와 전극 조립체를 냉각시킬 수 있다. 제1 충진 부재(340)는 이차 전지의 온도 상승이 발화나 폭발로 이어지는 것을 방지할 수 있다.
제2 절연 영역(320)은 제1 절연 영역(310)의 일부를 감싸도록 형성될 수 있다. 일 예로, 제2 절연 영역(320)은 제1 절연 영역(310)의 제1 면(311) 및 제2 면(312)을 제외한 복수개의 제3 면들(313)을 감싸도록 형성될 수 있다. 다른 예로, 제2 절연 영역(320)은 제1 절연 영역(310)의 제1 면(311)을 제외한 제2 면(312)과 복수개의 제3 면(313)들을 감싸도록 형성될 수 있다. 제2 절연 영역(320)은 이차 전지가 정상적인 작동 상태에서 액상 상태의 제1 충진 부재(340)가 흘러나오지 못하도록 제1 충진 부재(340)를 제1 절연 영역(310) 내에 가두는 역할을 할 수 있다.
제1 절연 영역(310) 및 제2 절연 영역(320)은 서로 다른 재질로 형성되거나, 서로 동일 재질로 일체화되도록 형성될 수 있다. 제1 절연 영역(310) 및 제2 절연 영역(320) 중 적어도 어느 하나는, 전기적 절연을 띄는 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 제1 절연 영역(310) 및 제2 절연 영역(320)은 제2 절연층(302)보다 용융점이 높아 고온에서 쉽게 용융되지 않는 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 절연 영역(310) 및 제2 절연 영역(320)을 포함하는 제1 절연층(301)은 폴리이미드(polyimide, PI) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
제2 절연층(302)은 권취 중심부(C)를 향하도록 접착층(201) 상에 배치될 수 있다. 제2 절연층(302)은 접착층(201) 및 제1 절연층(301) 중 적어도 어느 하나보다 권취 중심부(C)에 가깝게 배치될 수 있다.
제2 절연층(302) 및 접착층(201)은 고온에서 쉽게 녹도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 절연층(302) 및 접착층(201)은 이차 전지의 내부 온도가 섭씨 100도 이상이 되면, 녹도록 형성될 수 있다. 제2 절연층(302) 및 접착층(201)이 고온에서 녹으면서, 제1 절연층(301) 내부의 난연제(340)는 보호 부재(200)의 외부로 흘러나올 수 있다. 제2 절연층(302)은 제1 절연층(301)보다 용융점이 낮은 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 절연층(302)은 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
보호 부재(200)에 포함되는 제1 절연층(301)은 접착층(201) 및 제2 절연층(302)보다 두껍게 형성될 수 있다. 제2 절연층(302)은 접착층(201)과 같거나 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. 제1 절연층(301)의 두께(T301)는 보호 부재(200)의 전체 두께의 50~70%를 차지할 수 있다. 제2 절연층(302)의 두께(T302)는 보호 부재(200)의 전체 두께의 20~30%를 차지할 수 있다. 접착층(201)의 두께(T201)는 보호 부재(200)의 전체 두께의 10~20%를 차지할 수 있다. 제1 절연층(301)은 접착층(201) 및 제2 절연층(302)보다 두껍게 형성되므로, 보호 부재(200)에서 제1 절연층(301) 내에 충진되는 제1 충진 부재(340)가 차지하는 비율이 높아질 수 있다. 이에 따라, 제1 충진 부재(340)를 포함하는 보호 부재에 의해, 이차 전지의 온도 상승이 발화나 폭발로 이어지는 것을 방지할 수 있다.
제2 실시 예에 따른 전극 조립체
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전극 조립체가 권취되기 전 펼쳐진 상태를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 전극 조립체는 도 1 내지 도 5b에 도시된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전극 조립체와 대비하여 복수의 기공(330) 내에 제1 충진 부재(340) 및 제2 충진 부재(600)가 충진되는 것을 제외하고는 동일한 구성요소를 구비한다. 이에 따라, 동일한 구성요소에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 5의 설명을 준용하기로 한다.
도 6을 참조하면, 보호 부재(200)는 복수개의 기공(330)을 포함할 수 있다. 복수개의 기공(330) 중 일부에는 제1 충진 부재(340)가 충진될 수 있다. 복수개의 기공(330) 중 나머지에는 제2 충진 부재(600)가 충진될 수 있다. 제1 충진 부재(340) 및 제2 충진 부재(600)는 서로 다른 재질로 형성될 수 있다. 제1 충진 부재(340)는 난연성 액체를 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 충진 부재(600)는 소화약제(610)를 포함할 수 있다. 다른 예로, 제2 충진 부재(600)는 소화약제(610)가 함유된 코어를 쉘(620)이 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다. 쉘(620)은 이차 전지의 발화시 용융되므로, 코어에 포함된 소화약제(610)는 권취 중심부(C)를 향해 배출될 수 있다. 제2 충진 부재(600)에 포함되는 소화 약제(610)는 제1 충진 부재(340)에 포함되는 난연제와 화학적으로 반응하지 않을 수 있다.
소화 약제(610)는 이차 전지의 발화시 권취 중심부(C)를 향해 배출되어 화재를 단시간에 진압할 수 있으며, 발화된 전극 조립체(100)의 불이 인접한 전극 조립체(100)로 전파되는 것을 방지할 수 있다.
전술한 전극 조립체를 포함하는 이차 전지는 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 전지 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
[부호의 설명]
100: 전극 조립체
110: 제1 전극
120: 제2 전극
140: 제1 분리막
150: 제2 분리막
171,172: 전극 탭
200: 보호 부재
340, 600: 충진 부재

Claims (16)

  1. 양극, 분리막 및 음극이 권취되어 형성되는 전극 조립체에 있어서,
    상기 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나의 단부와 대면하도록 배치되며, 내부에 난연제가 충진되는 보호 부재를 포함하는 전극 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 부재는 상기 양극 및 음극 중 길이가 짧은 전극과 대면하는 전극 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 부재는,
    상기 양극의 권취가 시작되는 시단부와 대면하도록 상기 분리막 상에 배치되는 전극 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극은
    상기 전극 조립체의 권취 방향의 반대 방향으로 상기 양극보다 연장되는 연장 영역을 포함하며,
    상기 보호 부재는 상기 음극의 연장 영역과 중첩되는 전극 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 부재는
    상기 분리막 상에 배치되며 상기 난연제가 충진되는 복수의 기공이 형성되는 제1 절연층과;
    상기 제1 절연층 상에 배치되며 상기 전극 조립체의 권취 중심부를 향하는 제2 절연층과;
    상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층 사이에 배치되는 접착층을 포함하는 전극 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층보다 얇고, 상기 접착층 이상의 두께를 가지는 전극 조립체.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 상기 보호 부재의 전체 두께의 50~70%의 두께를 가지며,
    상기 제2 절연층은 상기 보호 부재의 전체 두께의 20~30%의 두께를 가지며,
    상기 접착층은 상기 보호 부재의 전체 두께의 10~20%의 두께를 가지는 전극 조립체.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층보다 용융 온도가 낮은 전극 조립체.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 폴리이미드(polyimide, PI) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
    상기 제2 절연층은 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU) 중 어느 하나를 포함하는 전극 조립체.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 절연층은
    제1 절연 영역과;
    상기 제1 절연 영역의 양측에 배치되는 제2 절연 영역을 포함하며,
    상기 제2 절연 영역을 제외한 상기 제1 절연 영역에는 상기 복수의 기공이 형성되는 전극 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 난연제는 불소를 포함하는 난연성 액체인 전극 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극은
    양극 집전체와;
    상기 양극 집전체 상부에 배치되는 제1 활물질층과;
    상기 양극 집전체의 하부에 배치되는 제2 활물질층을 포함하며,
    상기 보호 부재는 상기 양극 집전체, 상기 제1 활물질층 및 상기 제2 활물질층 중 적어도 어느 하나의 시단부와 접촉하는 전극 조립체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극과 전기적으로 접속된 음극탭을 더 구비하며,
    상기 보호 부재는
    상기 양극의 시단부와 상기 음극탭 사이의 이격거리 이하의 폭을 가지는 전극 조립체.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 부재의 두께는 상기 양극의 두께와 동일한 전극 조립체.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 부재의 내부에 충진되는 소화 약제를 더 포함하는 전극 조립체.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 전극 조립체를 포함하는 이차 전지.
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