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WO2013115549A1 - 지그재그 형상의 실링부를 포함하는 이차전지 - Google Patents

지그재그 형상의 실링부를 포함하는 이차전지 Download PDF

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WO2013115549A1
WO2013115549A1 PCT/KR2013/000727 KR2013000727W WO2013115549A1 WO 2013115549 A1 WO2013115549 A1 WO 2013115549A1 KR 2013000727 W KR2013000727 W KR 2013000727W WO 2013115549 A1 WO2013115549 A1 WO 2013115549A1
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WO
WIPO (PCT)
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secondary battery
battery
electrode assembly
sealing
battery case
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2013/000727
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English (en)
French (fr)
Inventor
김성용
이한호
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to JP2014547126A priority patent/JP6084232B2/ja
Priority to CN201380004169.8A priority patent/CN103975461B/zh
Publication of WO2013115549A1 publication Critical patent/WO2013115549A1/ko
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery including a zigzag sealing part, and more particularly, to a secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a battery case, wherein the battery case is formed of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer. And a sealing by sealing the outer circumferential surface in a state in which the electrode assembly is embedded, and at least one sealing part of the outer circumferential surface sealing portions of the battery case, wherein the at least one indentation portion is continuously formed. .
  • Efforts to improve the safety of such a lithium secondary battery include a positive temperature coefficient (PTC), a thermal fuse, or a decompression protection circuit to prevent an increase in temperature.
  • PTC positive temperature coefficient
  • thermal fuse a thermal fuse
  • decompression protection circuit to prevent an increase in temperature
  • gas may be generated due to an abnormal reaction inside the battery under abnormal conditions.
  • FIGS. 1 to 3 there have been attempts to form one vent part in the battery case sealing part.
  • vent parts 15, 25, and 35 are formed in one sealing part of the battery case 14 of the battery cells 10, 20, and 30.
  • the vent part 15 of the battery cell 10 of FIG. 1 has a structure indented outward from the inside of the battery case 14, and the vent part 25 of the battery cell 20 of FIG. 2 has a width of the sealing part. It is a modified structure, the vent part 35 of the battery cell 30 of FIG. 3 is a structure through which a foreign material etc. interposed inside the sealing part.
  • vent parts 15, 25, and 35 When the pressure inside the battery case 14 rises, these vent parts 15, 25, and 35 are blown off by stress concentrated on the vent parts 15, 25, and 35, so that the gas generated therein is discharged to the outside. It is a structure to discharge. Therefore, the vent parts of this structure have specific dimensions determined according to the critical pressure value that is to be burst.
  • the structure of the vent parts 15, 25, and 35 disclosed in FIGS. 1 to 3 is a structure that can be easily damaged due to the expansion and contraction of the battery cell itself generated during charging and discharging of the battery cell.
  • the vent portion is designed in a specific dimension according to the critical pressure value, since the structure of these vent portions 15, 25, 35 can be easily damaged as described above, even though the critical pressure value has not been reached And can burst early.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • an object of the present invention is to continuously form the indents in the sealing portion of the outer peripheral surface of the battery case, a secondary battery having improved safety of the structure that can be discharged gas reliably when the internal pressure of the secondary battery reaches a threshold value To provide.
  • Another object of the present invention is to provide a secondary battery with improved safety by reducing the risk of explosion by venting the battery case is vented to discharge the internal gas in a situation where the abnormal operating state is relatively serious.
  • the battery case is formed of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and is sealed by sealing an outer circumferential surface with an electrode assembly embedded therein.
  • At least one sealing portion of the outer circumferential surface sealing portions of the battery case is formed with two or more indentations continuously.
  • the structure of the vent parts of the prior art is a structure that can be easily damaged due to the expansion and contraction of the battery cell itself generated during charging and discharging of the battery cell, the internal pressure and stress is a structure that is concentrated only on a specific site . Therefore, the vent parts of such a structure may burst early even though the critical pressure value has not been reached, resulting in low overall operation reliability.
  • the secondary battery according to the present invention since the secondary battery according to the present invention has a structure in which two or more indentations are formed in succession, the pressure generated therein can be dispersed in a plurality of indentations, and when the pressure inside the secondary battery reaches a threshold, The gas can be safely discharged in an exact response.
  • the battery case according to the present invention is composed of a laminate sheet comprising a resin layer and a metal layer, such a material, by the repeated expansion and contraction of the battery cell, that is, by the external force, the outer peripheral surface sealing portion of the sheet It has fatigue fracture characteristics that can deform, fracture or stiffness.
  • the vent part which is designed to be weaker than other sealing parts to be vented by the internal pressure, has a structure in which this fatigue fracture property is further accelerated. Therefore, even if the conventional vent unit having a single structure is designed in a specific dimension according to the critical pressure value, fatigue failure may occur due to repetitive external force, and thus bent at a pressure lower than the designed critical pressure value, or Can be vented to an unattained pressure value
  • the battery case according to the present invention includes a vent having a structure in which a plurality of indentations are arranged adjacent to each other, the internal pressure or external force may be dispersed in the plurality of indentations, and thus, the fatigue failure may occur. Can be significantly lowered and, consequently, can be vented in precise response to the designed critical pressure value.
  • the indentation portion may have a structure in which the outer circumferential surface sealing portion of the battery case is formed at a boundary line in the direction of the electrode assembly, and two or more indentations are continuously formed to form a zigzag shape.
  • the zigzag shape may be, for example, a shape in which two or more polygons are arranged adjacent to each other or a shape in which two or more semicircles are arranged adjacent to each other on a horizontal cross section.
  • the zigzag shape is not particularly limited as long as it can disperse the pressure and stress generated in the battery case in the indents, for example, a shape in which two or more triangles, squares, or ellipses are arranged adjacent to each other. Can be.
  • the total length of the continuously formed indentations may be 5 to 40% in size based on the length of the outer circumferential surface sealing portion, and the number of the indents may be 2 to 10.
  • the sealing portion is sealed. It is not preferable because the force may be lowered.
  • the indentation depth of the indentation portion may be a structure of 5 to 50% based on the width of the sealing portion, the width of the indentation portion may be a structure of 5 to 50% based on the width of the sealing portion.
  • the sealing force of the sealing part may be lowered, and the indentation depth or width of the indentation part is 5 based on the width of the sealing part.
  • it is less than% since the desired effect is difficult to be obtained, it is not preferable.
  • the battery case may be injected with an inert gas so that the inside of the battery case can be maintained at atmospheric pressure.
  • the secondary battery currently produced basically has a vacuum structure inside. This is to eliminate various side reactions that may occur by removing a gas that can react inside.
  • gas is generated inside due to an abnormal reaction of the battery such as overcharging, a relatively long time is required until the battery is vented. As a result, the internal abnormal reaction is intensified and there is a high risk of explosion. Problems may arise.
  • the inert gas may be any one as long as it does not cause a separate electrochemical reaction inside the secondary battery.
  • the inert gas may be at least one selected from the group consisting of helium, nitrogen, and argon.
  • the inert gas is preferably filled in the battery case after removal of the gas generated in the initial charge and discharge for battery activation during the manufacturing of the secondary battery.
  • gases that are not necessary for the performance of the battery are generated in the activation process during assembly of the battery, and are removed through a separate process. Therefore, after removing the gas generated in the activation step, it may be desirable to fill the inert gas into the battery case.
  • the electrode assembly is not particularly limited, but may be formed of, for example, a wound structure, a stacked structure, or a stack / folding structure.
  • the electrode assembly is composed of the positive electrode / separator / negative electrode constituting the secondary battery, and generally divided into jelly-roll type (winding type) and stack type (lamination type) according to its structure.
  • the jelly-roll type electrode assembly is coated with an electrode active material or the like on a metal foil used as a current collector, dried and pressed, cut into bands of a desired width and length, and the membrane is separated using a separator to form a spiral. It is manufactured by winding.
  • the jelly-roll type electrode assembly is suitable for cylindrical batteries, but has disadvantages such as peeling problems of electrode active materials and low space utilization when applied to rectangular or pouch type batteries.
  • the stacked electrode assembly has a structure in which a plurality of positive and negative electrode units are sequentially stacked, and it is easy to obtain a rectangular shape, but when the manufacturing process is complicated and an impact is applied, the electrode is pushed to cause a short circuit. There is a disadvantage.
  • the electrode assembly of the advanced structure of the jelly-roll type and the stacked form, a full cell or anode (cathode) / separator / cathode of a certain unit size of the anode / separator / cathode structure An electrode assembly was developed in which a bicell of (anode) / membrane / anode (cathode) structure was folded using a continuous membrane film of a long length, and the electrode assembly of the above structure was stacked / folded electrode assembly. It is called.
  • the full cell is a cell having a unit structure of an anode, a separator, and a cathode, and is a cell in which an anode and a cathode are located at both sides of the cell.
  • Such a full cell may include an anode / separator / cathode cell and an anode / separator / cathode / separator / anode / separator / cathode having the most basic structure.
  • the bicell is a cell in which the same electrode is positioned on both sides of the cell, such as a unit structure of an anode / separator / cathode / separator / anode and a unit structure of a cathode / separator / anode / separator / cathode.
  • a cell having an anode / separation membrane / cathode / separation membrane / anode structure is referred to as a “type C bicell”
  • a cell having a cathode / separation membrane / anode / separation membrane / cathode structure is referred to as a “type A bicell”. That is, a cell where the anodes are located at both sides is called a C-type bicell, and a cell where the cathodes are located at both sides is called an A-type bicell.
  • Such bicells are not particularly limited in number if the electrodes on both sides of the cell have the same structure.
  • the full cell and the bicell are manufactured by mutually bonding the positive electrode and the negative electrode with a separator therebetween.
  • Preferred examples of such a bonding method include a heat fusion method.
  • the battery case of the present invention is composed of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and such a laminate sheet is preferable because it can reduce its own weight of a secondary battery as compared to a metal material case.
  • the battery case is sealed by sealing an outer circumferential surface in a state in which the electrode assembly is incorporated.
  • the laminate sheet may be made of a laminated structure of an outer resin layer, an air and moisture barrier metal layer, and a heat sealable inner resin layer.
  • the polymer resin of the outer coating layer may include polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET) or stretch nylon having excellent tensile strength and weather resistance.
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PET polyethylene terephthalate
  • stretch nylon having excellent tensile strength and weather resistance.
  • the outer coating layer may be made of polyethylene naphthalate (PEN) and / or may have a structure in which a polyethylene terephthalate (PET) layer is provided on the outer surface of the outer coating layer.
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PET polyethylene terephthalate
  • the polyethylene naphthalate (PEN) is preferred for use as an outer coating layer because it has excellent tensile strength and weather resistance even at a thin thickness compared to polyethylene terephthalate (PET).
  • a polymer resin having heat sealability (heat adhesiveness), low hygroscopicity to the electrolyte solution to suppress the invasion of the electrolyte solution, and not expanded or eroded by the electrolyte solution may be used. More preferably, it may be made of an unstretched polypropylene film (CPP).
  • the laminate sheet according to the present invention has a thickness of 5 to 40 ⁇ m, the barrier layer has a thickness of 20 to 150 ⁇ m, the thickness of the inner sealant layer is 10 to 50 ⁇ m It may be made of a structure. If the thickness of each layer of the laminate sheet is too thin, it is difficult to expect the blocking function and strength improvement for the material, on the contrary, too thick is not preferable because the workability is poor and causes an increase in the thickness of the sheet.
  • the secondary battery of the present invention may be a lithium secondary battery having a structure in which a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte is impregnated in an electrode assembly having a separator interposed between a positive electrode and a negative electrode.
  • the positive electrode is manufactured by, for example, applying a positive electrode mixture containing a positive electrode active material onto a positive electrode current collector and then drying the positive electrode mixture, and optionally, a binder, a conductive material, a filler, and the like are further optionally added to the positive electrode mixture. May be included.
  • the positive electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ⁇ m.
  • a positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery.
  • the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum or stainless steel Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like can be used.
  • the positive electrode current collector may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming minute unevenness on the surface thereof, as in the negative electrode current collector, and may be used in various forms such as film, sheet, foil, net, porous body, foam, and nonwoven fabric. Form is possible.
  • the cathode active material is a material capable of causing an electrochemical reaction, and is a lithium transition metal oxide, and includes two or more transition metals, for example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium substituted with one or more transition metals.
  • LiCoO 2 lithium cobalt oxide
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the binder is a component that assists the bonding of the active material and the conductive material to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
  • the filler is optionally used as a component for inhibiting the expansion of the electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the negative electrode is prepared by, for example, applying a negative electrode mixture containing a negative electrode active material on a negative electrode current collector and then drying the negative electrode mixture.
  • the negative electrode mixture may include, as necessary, a conductive material, a binder, a filler, and the like. The components of may be included.
  • the negative electrode current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 ⁇ m.
  • a negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper or stainless steel Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver and the like on the surface, aluminum-cadmium alloy and the like can be used.
  • fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the negative electrode active material may be, for example, carbon such as hardly graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), Sn x Me 1-x Me ' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me' Metal complex oxides such as Al, B, P, Si, Group 1, Group 2, Group 3 elements of the periodic table, halogen, 0 ⁇ x ⁇ 1; 1 ⁇ y ⁇ 3; 1 ⁇ z ⁇ 8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , Metal oxides such as Bi 2 O 5 ;
  • the binder, the conductive material and the components added as necessary are the same as those described for the negative electrode.
  • a filler may optionally be added as a component that inhibits expansion of the negative electrode.
  • a filler is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • viscosity modifiers such as viscosity modifiers, adhesion promoters, and the like may optionally be further included or in combination of two or more.
  • the viscosity modifier is a component for adjusting the viscosity of the electrode mixture to facilitate the mixing process of the electrode mixture and the coating process on the current collector thereof, it may be added up to 30% by weight based on the total weight of the negative electrode mixture.
  • examples of such viscosity modifiers include, but are not limited to, carboxymethyl cellulose, polyvinylidene fluoride, and the like.
  • the solvent described above can serve as a viscosity modifier.
  • the adhesion promoter is an auxiliary component added to improve the adhesion of the active material to the current collector, it may be added in less than 10% by weight compared to the binder, for example, oxalic acid (oxalic acid), adipic acid (adipic acid), Formic acid, acrylic acid derivatives, itaconic acid derivatives, and the like.
  • the separator is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the pore diameter of the separator is generally from 0.01 to 10 ⁇ m, and the thickness is generally from 5 to 300 ⁇ m.
  • a separator for example, olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used.
  • a solid electrolyte such as a polymer
  • the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • the lithium salt-containing non-aqueous electrolyte solution consists of an electrolyte solution and a lithium salt, and a non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used as the electrolyte solution.
  • non-aqueous organic solvent examples include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethylformamide, dioxolon , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymerizers containing ionic dissociating groups and the like can be used.
  • Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates, and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 —LiI-LiOH, Li 3 PO 4 —Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.
  • the lithium salt is a good material to be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide.
  • pyridine triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitro Benzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride and the like may be added. .
  • a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-Ethylene) may be further included. Carbonate), PRS (Propene sultone) may be further included.
  • lithium salts such as LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2, and the like, may be prepared by cyclic carbonate of EC or PC, which is a highly dielectric solvent, and DEC, DMC, or EMC, which are low viscosity solvents.
  • Lithium salt-containing non-aqueous electrolyte can be prepared by adding to a mixed solvent of linear carbonate.
  • the present invention also provides a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell, and provides a battery pack including the battery module.
  • the battery pack may be used as a power source for medium and large devices requiring high temperature stability, long cycle characteristics, high rate characteristics, and the like.
  • the medium-to-large device include a power tool driven by an electric motor; Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like; Electric motorcycles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); Electric golf carts; Power storage systems and the like, but is not limited thereto.
  • Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like
  • Electric motorcycles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); Electric golf carts; Power storage systems and the like, but is not limited thereto.
  • 1 to 4 are schematic cross-sectional views of conventional secondary batteries
  • 5 to 7 are cross-sectional schematic diagrams of secondary batteries according to some embodiments of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a conventional secondary battery
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structure of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the secondary battery 100 is manufactured by attaching the electrode assembly 110 to an accommodating portion of the battery case. At one end of the electrode assembly 110, electrode terminals 120 and 130 connected to the electrode assembly 110 and extending out of the battery case are positioned.
  • the battery case is sealed by forming a sealing unit 140 by heat-sealing the outer peripheral surface.
  • the sealing unit 140 is formed in a rectangular shape on each side.
  • the secondary battery 200A has the same basic configuration as the secondary battery 100 of FIG. 4. However, there is a difference in that a zigzag vent part 250A having a plurality of indentations arranged adjacent to one side of the sealing part 240 is formed. Since the vent part 250A is formed in a continuous zigzag boundary line in the direction of the electrode assembly 210, when the internal pressure increases, the vent part 250A can discharge the gas even at a relatively low pressure while the pressure is properly applied to the indents. .
  • 6 and 7 illustrate secondary batteries 200B and 200C according to still another embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the secondary batteries 200B and 200C is the same as that of the secondary battery 200A illustrated in FIG. 5.
  • the shapes of the zigzag vent parts 250B and 250C formed by arranging a plurality of indentations adjacent to each other are different.
  • the vent part 250B disclosed in FIG. 6 is a shape in which semi-circular indents are arranged adjacent to each other
  • the vent part 250C disclosed in FIG. 7 is in a shape in which the indents of a rectangular shape are arranged adjacent to each other.
  • the lengths L1, L2, and L3 of the vent parts 250A, 250B, and 250C disclosed in FIGS. 5 to 7 are preferably configured in a range of 5% to 40% based on the total length L of the sealing part.
  • the widths W1, W2, W3 of the vent portions 250A, 250B, 250C are preferably in the range of 5% to 50% based on the sealing portion width W.
  • the secondary battery according to the present invention continuously forms the indents in the sealing portion on the outer circumferential surface of the battery case, so that the gas discharge can be reliably discharged when the internal pressure of the secondary battery reaches a threshold, thereby ensuring the safety of the secondary battery.
  • the battery case is vented to discharge the internal gas in a situation in which the abnormal operating state is not relatively severe, thereby reducing the risk of explosion and improving the safety of the secondary battery.

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Abstract

본 발명은 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 내장한 상태에서 외주면을 실링하여 밀봉되어 있으며, 상기 전지케이스의 외주면 실링부 중 적어도 하나의 실링부에는, 둘 이상의 만입부들이 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

지그재그 형상의 실링부를 포함하는 이차전지
본 발명은 지그재그 형상의 실링부를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 내장한 상태에서 외주면을 실링하여 밀봉되어 있으며, 상기 전지케이스의 외주면 실링부들 중의 적어도 하나의 실링부에는, 둘 이상의 만입부들이 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
리튬 이차전지는 전기적 특성의 우수성과 상대적으로 경량인 점에도 불구하고 현재까지 활발하게 사용되지 않은 이유는 안전성에 있었다. 이러한 리튬 이차전지의 안전성을 향상시키기 위한 노력들로는, 온도의 상승을 막기 위한 PTC(Positive Temperature Coefficient), 온도 퓨즈, 또는 감압 보호회로 등을 들 수 있다.
그러나, 상기와 같은 수단들을 구비하고 있어도, 비정상적인 조건 하에서는 전지 내부에서 이상 반응으로 인한 가스가 발생할 수 있다.
현재 생산되는 이차전지는 기본적으로 내부가 진공 구조를 이루고 있다. 이는 전지 내부에 반응할 수 있는 가스를 제거함으로써 발생 가능한 부반응을 억제하기 위함이다. 그러나, 이로 인하여, 상기 비정상적인 조건 하에서 가스가 발생하는 경우, 가스가 외부로 배출되기까지 많은 양의 가스를 채우게 되고 배출 시기가 늦어지면서 폭발의 위험성이 커지는 문제가 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 종래기술에서는 전지케이스 실링부에 하나의 벤트부를 형성하는 시도들이 있어 왔다.
구체적으로, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 전지셀들(10, 20, 30)의 전지케이스(14)의 일측 실링부에는 벤트부들(15, 25, 35)이 형성되어 있다.
도 1의 전지셀(10)의 벤트부(15)는 전지케이스(14)의 내부로부터 외부 방향으로 만입된 구조이고, 도 2의 전지셀(20)의 벤트부(25)는 실링부의 폭을 변형한 구조이며, 도 3의 전지셀(30)의 벤트부(35)는 실링부 내부에 이물질 등을 개재한 구조이다.
이들 벤트부들(15, 25, 35)은, 전지케이스(14) 내부의 압력이 상승할 경우, 벤트부(15, 25, 35)에 집중된 응력에 의해 터짐으로써, 내부에서 발생된 가스를 외부로 배출하는 구조이다. 따라서, 이러한 구조의 벤트부들은 터지게 되는 임계 압력치에 따라 구체적인 치수가 결정되게 된다. 그러나, 도 1 내지 도 3에 개시된 벤트부들(15, 25, 35)의 구조는, 전지셀의 충방전시 발생하는 전지셀 자체의 팽창 및 수축으로 인해 쉽게 손상될 수 있는 구조이다. 또한, 임계 압력치에 따라 구체적인 치수로 설계된 벤트부 일 지라도, 이들 벤트부들(15, 25, 35)의 구조는 상술한 바와 같이 쉽게 손상될 수 있는 구조이므로, 임계 압력치에 도달하지 않았음에도 불구하고 조기에 터져버리는 경우가 발생할 수 있다.
따라서, 전지셀 내부의 압력이 임계 압력에 도달할 경우, 이에 정확히 대응하여 벤트될 수 있는 이차전지에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지케이스의 외주면 실링부에 만입부들을 연속적으로 형성함으로써, 이차전지의 내부 압력이 임계치에 도달했을 경우 신뢰성 있게 가스 배출이 이루어질 수 있는 구조의 안전성이 향상된 이차전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 비정상적인 작동 상태가 상대적으로 심각하지 않은 상황에서 전지케이스가 벤트되어 내부 가스를 배출함으로써, 폭발 위험 등을 감소시켜서 안전성이 향상된 이차전지를 제공하는 것이다.
따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 다른 이차전지는,
전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서,
상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 내장한 상태에서 외주면을 실링하여 밀봉되어 있으며,
상기 전지케이스의 외주면 실링부들 중의 적어도 하나의 실링부에는, 둘 이상의 만입부들이 연속적으로 형성되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래기술의 벤트부들의 구조는, 전지셀의 충방전시 발생하는 전지셀 자체의 팽창 수축으로 인해 쉽게 손상될 수 있는 구조이고, 내부 압력 및 응력이 특정 부위에만 집중되는 구조이다. 따라서 이러한 구조의 벤트부들은 임계 압력치에 도달하지 않았음에도 불구하고 조기에 터져버리는 경우가 발생할 수 있어서, 전반적으로 작동 신뢰성이 낮다.
반면에, 본 발명에 따른 이차전지는 둘 이상의 만입부들이 연속적으로 형성되어 있는 구조이므로, 내부에서 발생하는 압력을 여러 개의 만입부들에 분산시킬 수 있어, 이차전지 내부 압력이 임계치에 도달했을 경우 이에 정확히 대응하여 안전하게 가스 배출이 이루어질 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있는 바, 이러한 소재는, 전지셀 자체의 반복적인 팽창 수축, 즉, 반복적인 외력에 의해, 시트의 외주면 실링 부위에서 변형, 파괴 또는 강성이 저하될 수 있는 피로 파괴(fatigue fracture) 특성을 지니고 있다. 더욱이, 내부 압력에 의해 벤트 될 수 있도록 다른 실링부보다 취약한 구조로 설계된 벤트부는 이러한 피로 파괴 특성이 더욱 가속화 될 수 밖에 없는 구조이다. 따라서, 단일 구조의 종래의 벤트부는, 임계 압력치에 따라 구체적인 치수로 설계되었을 지라도, 반복적인 외력에 의해 피로 파괴 현상이 일어날 수 있으며, 이에 따라, 설계된 임계 압력치 보다 낮은 압력에 벤트 되거나, 의도되지 않은 압력치에 벤트 될 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 전지케이스는, 여러 개의 만입부들이 인접 배열된 구조의 벤트부를 포함하고 있으므로, 내부 압력 또는 외력을 여러 개의 만입부들에 분산될 수 있으며, 이에 따라, 상술한 피로 파괴 발생 가능성을 현저히 낮출 수 있고, 결과적으로, 설계된 임계 압력치에 정확히 반응하여 벤트 될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 만입부는 전지케이스의 외주면 실링부가 전극조립체 방향의 경계선에 형성되어 있고, 둘 이상의 만입부들이 연속적으로 형성되어 지그재그 형상을 이루고 있는 구조일 수 있다.
상기 지그재그 형상은, 예를 들어, 수평 단면 상으로 둘 이상의 다각형들이 인접 배열된 형상 또는 둘 이상의 반원들이 인접 배열된 형상일 수 있다. 구체적으로, 상기 지그재그 형상은 전지케이스 내부에서 발생하는 압력 및 응력을 만입부들에 분산시킬 수 있는 형상이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 둘 이상의 삼각형들, 사각형들 또는 타원들이 인접 배열된 형상일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 연속적으로 형성된 만입부들의 총 길이는 외주면 실링부의 길이를 기준으로 5 내지 40%의 크기일 수 있고, 상기 만입부들의 개수는 2 내지 10 개일 수 있다.
구체적으로, 상기 만입부들의 총 길이가 전체 외주면 실링부의 길이를 기준으로 5% 미만인 경우에는 상기와 같이 상대적으로 낮은 내부 압력에서 가스를 배출하는 효과를 얻기 어렵고, 40% 초과인 경우에는 실링부의 밀봉력이 저하될 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 만입부의 만입 깊이는 실링부의 폭을 기준으로 5 내지 50% 인 구조일 수 있으며, 상기 만입부의 너비는 실링부의 폭을 기준으로 5 내지 50% 인 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 만입부의 만입 깊이 또는 너비가 실링부의 폭을 기준으로 50% 이상인 경우에는 실링부의 밀봉력이 저하될 수 있어 바람직하지 고, 상기 만입부의 만입 깊이 또는 너비가 실링부의 폭을 기준으로 5% 미만인 경우에는 소망하는 효과를 얻기 어려우므로 바람직하지 않다.
경우에 따라서는, 상기 전지케이스는, 전지케이스의 내부가 상압 상태로 유지될 수 있도록 불활성 가스가 주입되어 있을 수 있다.
현재 생산되고 있는 이차전지는 기본적으로 내부가 진공 구조를 이루고 있다. 이는, 내부에서 반응할 수 있는 가스를 제거함으로써, 발생할 수 있는 여러 가지 부반응을 없애기 위함이다. 그러나, 이로 인하여, 과충전 등 전지의 이상 반응으로 내부에 가스가 발생할 경우, 전지가 벤트(vent)되기까지 상대적으로 긴 시간이 요구되고, 그 결과, 내부의 이상 반응이 심화되고 폭발의 위험성이 커지게 되는 문제가 발생할 수 있다.
반면에, 이차전지 내부에 불활성 가스를 주입하여 전지 내부를 상압 상태로 유지하는 경우에는, 상기와 같은 이상 반응이 발생하면 상대적으로 짧은 시간에 내부 압력이 벤트 가능한 정도로 상승하게 된다. 따라서, 이상 반응이 심화되는 것을 방지할 수 있고, 또한 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.
상기 불활성 가스는 이차전지의 내부에서 별도의 전기화학적 반응을 유발하지 않는 것이면 어느 것이나 가능하나, 예를 들어, 헬륨, 질소 및 아르곤으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 불활성 가스는 이차전지의 제조과정 중 전지 활성화를 위한 초기 충방전에서 발생한 가스의 제거 후 전지케이스 내부에 충진되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 전지의 조립 시 활성화 과정에서 전지의 성능에 필요하지 않는 가스들이 발생하게 되고, 별도의 과정을 통해 이를 제거하고 있다. 따라서, 상기 활성화 단계에서 발생하는 가스의 제거 후 전지케이스 내부에 불활성 가스를 충진시키는 것이 바람직할 수 있다.
상기 전극조립체는 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 권취형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어질 수 있다.
전극조립체는 이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극으로 구성되고, 일반적으로 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 전극조립체가 개발되었고, 상기 구조의 전극조립체를 스택/폴딩형 전극조립체라고 한다.
상기 풀셀은 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀이다. 이러한 풀셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 등을 들 수 있다.
또한, 상기 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 셀이다. 본 명세서에서는 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 셀을 "C형 바이셀"로서 칭하고, 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 셀을 "A형 바이셀"로서 칭한다. 즉, 양측에 양극이 위치하는 셀을 C형 바이셀이라 하고, 양측에 음극이 위치하는 셀을 A형 바이셀이라 한다.
이러한 바이셀들은 셀 양측의 전극이 동일한 구조라면 그것을 이루는 양극 및 음극과 분리막의 수가 특별히 제한되는 것은 아니다.
풀셀과 바이셀은 양극 및 음극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 이러한 결합 방법의 바람직한 예로는 열융착 방식을 들 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 이러한 라미네이트 시트는 금속 소재 케이스에 비해 이차전지의 자체 중량을 감소시킬 수 있으므로 바람직하다. 또한, 모바일 제품 또는 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 이차전지의 경우 중량이 가벼울 것이 요구되고 있다. 본 발명에 따르면, 상기 전지케이스가 전극조립체를 내장한 상태에서 외주면을 실링하여 밀봉한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 라미네이트 시트는 외부 수지층, 공기 및 수분차단성 금속층, 및 열융착성 내부 수지층의 적층 구조로 이루어질 수 있다.
상기 외부 수지층은 외부 환경에 대해 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성이 필요하다. 이러한 측면에서 외부 피복층의 고분자 수지는 인장강도 및 내후성이 우수한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론을 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부 피복층은 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외부 피복층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)와 비교하여 얇은 두께에서도 우수한 인장강도와 내후성을 가지므로 외부 피복층으로 사용하기에 바람직하다.
상기 내부 수지층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 전해액에 대한 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어질 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 본 발명에 따른 라미네이트 시트는, 상기 외부 피복층의 두께가 5 내지 40 ㎛이고, 상기 베리어층의 두께가 20 내지 150 ㎛이며, 상기 내부 실란트층의 두께가 10 내지 50 ㎛인 구조로 이루어질 수 있다. 상기 라미네이트 시트의 각 층들의 두께가 너무 얇은 경우에는 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
본 발명의 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 리튬염 함유 비수계 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어진 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질을 포함하고 있는 양극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 양극 합제에는, 필요에 따라, 바인더, 도전재, 충진재 등이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체는, 상기 음극 집전체에서와 마찬가지로, 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등의 성분들이 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 바인더와 도전재 및 필요에 따라 첨가되는 성분들은 음극에서의 설명과 동일하다.
경우에 따라서는, 음극의 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
또한, 점도 조절제, 접착 촉진제 등의 기타의 성분들이 선택적으로 또는 둘 이상의 조합으로서 더 포함될 수 있다.
상기 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 내지 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 내지 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 4는 종래 이차전지들의 단면 모식도이다;
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이차전지의 단면 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 종래 이차전지의 구조를 나타내는 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 구조를 나타내는 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4을 참조하면, 이차전지(100)는 전극조립체(110)를 전지케이스의 수납부에 장착하여 제조한다. 전극조립체(110)의 일측 단부에는 전극조립체(110)에서 연결되어 전지케이스 외부로 연장되어 있는 전극 단자들(120, 130)이 위치하고 있다. 상기 전지케이스는 외주면을 열융착하여 실링부(140)를 형성함으로써 밀봉한다. 이러한 실링부(140)는 각 측면에서 직사각형 형상으로 이루어져 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지(200A)는 도 4의 이차전지(100)와 기본 구성은 동일하다. 다만, 실링부(240) 중 일측 측면에 다수의 만입부들이 인접 배열되어 형성된 지그재그 형상의 벤트부(250A)가 형성되어 있다는 점에 차이가 있다. 이러한 벤트부(250A)는 전극조립체(210) 방향의 경계선이 연속적인 지그재그 형상으로 형성되어 있음으로써, 내부 압력 증가 시, 만입부들로 압력이 적절히 가해지면서 상대적으로 낮은 압력에서도 가스를 배출할 수 있다.
도 6 및 도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지들(200B, 200C)이 도시되어 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 이차전지들(200B, 200C)의 기본 구성은 도 5에 도시된 이차전지(200A)와 동일하다. 다만, 다수의 만입부들이 인접 배열되어 형성된 지그재그 형상의 벤트부(250B, 250C)의 형상이 다르다. 구체적으로, 도 6에 개시된 벤트부(250B)는 반원 형상의 만입부들이 인접 배열된 형상이고, 도 7에 개시된 벤트부(250C)는 사각형 형상의 만입부들이 인접 배열된 형상이다.
도 5 내지 도 7에 개시된 벤트부들(250A, 250B, 250C)의 길이(L1, L2, L3)는 실링부 전체 길이(L)를 기준으로 5% 내지 40% 범위로 구성되는 것이 바람직하고, 상기 벤트부들(250A, 250B, 250C)의 폭(W1, W2, W3)은 실링부 폭(W)을 기준으로 5% 내지 50% 범위인 것이 바람직하다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전지케이스의 외주면 실링부에 만입부들을 연속적으로 형성함으로써, 이차전지 내부 압력이 임계치에 도달했을 때 신뢰성 있게 가스 배출이 이루어질 수 있어 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있으며, 비정상적인 작동 상태가 상대적으로 심각하지 않은 상황에서 전지케이스가 벤트(vent)되어 내부 가스를 배출하도록 함으로써, 폭발 위험 등을 감소시켜서 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서,
    상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 내장한 상태에서 외주면을 실링하여 밀봉되어 있으며,
    상기 전지케이스의 외주면 실링부들 중의 적어도 하나의 실링부에는, 둘 이상의 만입부들이 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부는 전지케이스의 외주면 실링부가 전극조립체 방향의 경계선에 형성되어 있고, 둘 이상의 만입부들이 연속적으로 형성되어 지그재그 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 지그재그 형상은, 수평 단면 상으로 둘 이상의 다각형 들이 인접 배열된 형상 또는 둘 이상의 반원들이 인접 배열된 형상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연속적으로 형성된 만입부들의 총 길이는, 외주면 실링부의 길이를 기준으로 5 내지 40% 의 크기인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부들의 개수는 2 내지 10 개인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부의 만입 깊이는 실링부의 폭을 기준으로 5 내지 50 % 인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 만입부의 너비는 실링부의 폭을 기준으로 5 내지 50 % 인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는, 전지케이스의 내부가 상압 상태로 유지될 수 있도록 불활성 가스가 주입되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 불활성 가스는 헬륨, 질소 및 아르곤으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 불활성 가스는 이차전지의 제조과정 중 전지 활성화를 위한 초기 충방전에서 발생한 가스의 제거 후 전지케이스 내부에 충진되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 권취형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 외부 수지층, 공기 및 수분 차단성 금속층, 및 열융착성 내부 수지층의 적층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 14 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 전지팩.
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