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KR100948972B1 - 폴딩부가 형성되어 있는 분리막으로 구성된 이차전지 - Google Patents

폴딩부가 형성되어 있는 분리막으로 구성된 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴딩부가 형성되어 있는 분리막으로 구성된 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극조립체를 구성하는 분리막에, 전지의 비정상적인 작동으로 인한 발열시 분리막이 수축할 때, 상기 수축을 보상할 수 있는 길이의 폴딩부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 이차전지를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전지의 비정상적인 작동으로 발생한 열에 의하여 분리막이 수축할 때 상기 폴딩부가 펼쳐지면서 수축한 길이를 보상하여 양극과 음극의 접촉을 방지하고 결과적으로 내부 단락을 방지하는 효과가 있다.

Description

폴딩부가 형성되어 있는 분리막으로 구성된 이차전지 {Secondary Battery Employed with Partially Folded Separator}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체에서 폴딩부가 형성되어 있는 분리막이 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 전극조립체를 모식적으로 도시한 단면도이다;
도 2는 도 1의 전극조립체에서 분리막과 전극을 접착하기 위하여 양 단부에 접착층이 도포되는 있는 분리막의 평면도이다;
도 3은 도 1과 같은 폴딩부가 서로 다른 위치에 형성되어 있는 분리막들로 구성된 적층형 전극조립체의 단면도이다.
본 발명은 폴딩부가 형성되어 있는 분리막으로 구성된 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극조립체를 구성하는 분리막에, 전지의 비정상적인 작동으로 인한 발열시 분리막이 수축할 때, 상기 수축을 보상할 수 있는 길이의 폴딩부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 이차전지를 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 적층하거나 권취한 상태로 알루미늄 캔 또는 라미네이트 시트의 전지케이스에 내장한 다음 전해액을 주입하거나 함침시키는 것으로 구성되어 있다.
이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다.
특히, 이러한 안전성의 문제 중에서, 전지가 고온에 노출되었을 때 발생되는 분리막의 수축 또는 파손으로 인한 내부단락에서 오는 안전성의 문제는 매우 심각한 실정이고, 이에 대한 원인규명 및 대안에 대한 연구가 많이 행해졌다.
일반적으로 분리막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 다공성 고분자 필름이 사용되고 있으며, 이러한 분리막은 저렴하고 내화학성이 우수하여 전지의 작동에 바람직하다는 장점을 가지고 있지만, 고온의 환경에서 수축하기 쉽고, 전자전달 매체인 이온의 이동을 위한 기공이 크기 및 분포면에서 고르지 못하게 형성되어 파열 되기 쉽다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 분리막의 수축 및 파열을 방지하고 전해액의 누액 현상을 최대한 억제하기 위하여 분리막과 전극 사이에 접착층을 도포하여 부착하는 방식이 많이 사용되고 있다. 이러한 접착층으로는 전극 활물질의 결착제로도 사용되는 PVdF 등이 주로 사용되고 있다. 그러나, 이러한 접착층은 그것이 도포되지 않을 경우에 비하여 이온의 이동성이 저하되는 단점을 가지고 있다.
따라서, 접착층을 사용하지 않거나 소량의 접착층을 사용하여 분리막의 수축 및 파열을 방지하고 이온의 이동성 저하를 최소화하기 위한 많은 기술이 소개되어 왔다. 예를 들어, 분리막에 열처리를 하거나 수축률이 낮은 분리막을 사용하여 분리막의 수축을 방지하거나, 봉투형태 등의 특정한 형태의 분리막을 사용하여 분리막의 수축을 방지하였다. 하지만, 상기의 기술들 역시 분리막의 수축 및 파열을 효과적으로 방지하기에는 부족함이 많은 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 분리막에 폴딩부를 형성하여 전극조립체를 구성할 경우, 전지의 비정상적인 작동으로 발생한 열에 의하여 분리막이 수축할 때 상기 폴딩부가 펼쳐지면서 수축한 길이를 보상하여 양극과 음극의 접촉을 방지하고 결과적으로 내부 단락을 방지할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
구체적으로 본 발명의 목적은 폴딩부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 분리막으로 구성된 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체를 구성하는 분리막에, 전지의 비정상적인 작동으로 인한 발열시 분리막이 수축할 때, 상기 수축을 보상할 수 있는 길이의 폴딩부가 적어도 하나 이상 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.
본 발명에서 상기 폴딩부는 시트형의 분리막을 한차례 접어서 3 층의 적층 구조가 형성되는 부위를 의미한다. 즉, 상기 폴딩부는 분리막의 일단이 타단의 방향을 향하도록 접혀짐으로써, 분리막이 절곡되는 제 1 접선과 그로부터 소정의 거리만큼 이격된 위치에 제 2 접선이 형성된 구조를 이룬다. 따라서, 두 접선을 너비(제 1 접선과 제 2 접선 사이의 거리)로 하는 대략 직사각형의 적층 구조로서 폴딩부가 형성되며, 그러한 너비만큼 보상 길이를 가지게 된다. 결과적으로, 고온에의 노출로 인한 분리막의 수축시 상기 너비는 분리막의 전체 수축을 방지하는 보상 길이로서 작용한다.
고온 노출에 의한 분리막의 수축시, 분리막 전체가 수축되는 것을 억제하기 위하여, 바람직하게는 분리막의 양 단부에 상기 폴딩부와 평행하게 부가된 접착층에 의해 분리막의 단부는 전극에 부착되어 있는 구조일 수 있다. 전극과 분리막 사이에 부가되는 상기 접착층은 분리막의 전체 또는 일부에 부가될 수 있다.
본 발명에 따른 폴딩부는 바람직하게는 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막에 형성될 수 있으며, 경우에 따라서는, 전극단자(전극 탭 또는 리드)와 최외각 전극의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위해 최외각 전극의 외면에 별도의 분리막을 부가하는 경우에는 그러한 분리막에도 형성될 수 있다.
상기 접착층은 분리막의 양면에 전극들(양극 및 음극)을 위치시키는 경우, 이들과 각각 부착될 수 있도록 분리막 양면의 양단부에 각각 부가되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 접착층은 분리막의 상부면(예를 들어, 윗면)의 양단부와 하부면(예를 들어, 아래면)의 양단부에 부가되어, 결과적으로 4 곳에 부가된다.
본 발명에서 폴딩부가 형성되어 있는 분리막을 포함하는 전극조립체는 적층형 전극조립체일 수도 있고 권취형 전극조립체일 수도 있다. 여기서, 상기 적층형(또는 스택형) 전극조립체는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 다수의 단위 전극조립체들이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 의미하며, 상기 권취형(또는 젤리-롤형) 전극조립체는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 긴 시트형의 전극조립체가 원통형으로 권취되어 있는 구조로서, 권취된 그대로의 원통형 구조와 권취 후 압축한 각형 구조가 모두 포함된다.
전극조립체가 적층형 전극조립체일 경우, 각 단위 전극조립체의 분리막 폴딩부는 적층 방향(수직단면 방향)으로 동일 위치에 정렬되지 않도록 배열하는 것이 바람직하다. 즉, 제 1 단위 전극조립체에서 폴딩부가 분리막의 오른쪽 단부에 인접하도록 형성되어 있다면, 상기 제 1 단위 전극조립체에 적층되는 제 2 단위 전극조립체에서는 폴딩부가 분리막의 중앙부에 형성되어 있거나 왼쪽 단부에 인접하도 록 형성되어 있는 구조이다.
이와 같이 수직단면 방향에서 동일 위치에 정렬되지 않음으로써, 폴딩부의 형성으로 인한 전극조립체 전체의 두께 증가를 최대한 억제할 수 있고, 전극조립체의 일측이 두꺼워지는 불균형 구조의 형성을 방지할 수 있다. 바람직하게는, 단위 전극조립체들에서의 폴딩부가 적층 방향에서 순차적으로 그것의 측면 방향쪽으로 이동하는 구조로서 형성할 수 있다. 이 경우, 전극조립체에서 각각의 폴딩부들은 수직 단면 상으로 계단식 구조를 이룬다.
또한, 상기 폴딩부는 전지의 횡방향 또는 종방향으로 형성될 수 있으며, 이 경우에 접착층은 상기 폴딩부와 평행하게 부가되는 것이 바람직하다.
적층형 전극조립체에서 폴딩부는 각각의 분리막에 모두 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 일부 분리막에만 형성될 수도 있다. 일부 분리막에만 폴딩부가 형성되는 경우에, 상기 폴딩부는 앞서의 설명과 같이 적층 방향에서 순차적으로 그것의 측면 방향쪽으로 이동하는 구조로서 형성될 수 있음은 물론이다.
전극조립체가 권취형 전극조립체일 경우, 분리막의 폴딩부는 전극조립체 전체에서 하나 또는 둘 이상이 형성되도록 구성할 수 있다. 둘 이상이 형성되는 경우에는, 상기 적층형 전극조립체에서와 마찬가지로, 적층 방향(수직단면 방향)에서 동일 위치에 정렬되지 않도록 배열하는 것이 바람직하다. 이 경우, 다수의 폴딩부들은 전극조립체의 수평단면 상으로 서로 대칭 구조를 이루도록 배열되는 것이 바람직하다.
권취형 전극조립체에서, 상기 폴딩부는 전극조립체의 횡방향(시트의 길이방 향)으로 형성되어 있고 접착층은 그것에 평행하게 분리막의 양 단부에 부가되어 있는 것이 바람직하다. 이는 전극조립체가 권취되는 방향(종방향)으로의 분리막 수축은 권취된 구조에서의 큰 마찰력에 의해 억제되는 경향이 있기 때문이다.
본 발명에서의 분리막으로는 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이고, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 고분자; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있다. 본 발명은 특히 고열에 의한 수축 성향이 큰 폴리올레핀계 고분자로 이루어진 분리막에 바람직하게 적용될 수 있다. 한편, 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 접착층으로는 바람직하게는 전극 활물질에 부가되는 결착제와 동일한 성분이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 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 공중합체 등을 들 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 충방전이 가능하고 분리막을 사용하는 전지라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법으로 제조 가능한 이차전지들을 모두 포함한다. 이에 대한 설명은 당업계에 공지되어 있으며 본 명세서에서는 생략한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체에서 폴딩부가 형성되어 있는 분리막이 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 단위 전극조립체의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극조립체는 양극(10)과 음극(20) 및 그 사이에 개재되어 있는 분리막(30)으로 구성되어 있다. 분리막(30)에는 고온 시, 분리막의 수축 길이를 보상하는 폴딩부(130)가 형성되어 있다.
폴딩부(130)는 분리막(30)을 접어서 형성된 3 층의 적층 구조로서, 분리막(30)이 그것의 일측 단부(134) 쪽으로 접혀 생긴 제 1 접선(132)과 제 1 접선(132)으로부터 소정의 이격 거리에서 타측 단부(133) 쪽으로 접혀 생긴 제 2 접선(132)으로 이루어져 있다. 따라서, 두 접선(131, 132)은 양 단부(133, 134)에 대해 평행하고, 두 접선(131, 132) 사이의 거리만큼 분리막(30)이 중첩되어 있다.
도 2에는 전극조립체에서 분리막과 전극을 접착하기 위하여 양 단부에 접착층이 도포되는 있는 분리막의 평면도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 분리막(30)은 그것의 중앙에 폴딩부(130)가 형성되어 있으며, 폴딩부(130)와 평행하도록 양 단부(133, 134)에 접착층(40)이 형성되어 있다. 접착층(40)은 폴딩부(130)의 접선들(131, 132)을 기준으로 하여 접선들(131, 132)과 평행한 양단부(133, 134)에 형성되어 있다. 또한, 견고한 접착력을 제공하기 위하여 양 단부(133, 134)의 전체에 도포되어 있다.
도 3에는 폴딩부가 형성되어 있는 분리막에서 서로 다른 위치에 폴딩부가 형성되어 있는 분리막들로 구성된 적층형 전극조립체의 단면도가 도시되어 있다.
도 3을 참고하면, 제 1 단위 전극조립체(1)에서는 폴딩부(130)가 분리막(30)의 왼쪽 단부에 인접하도록 형성되어 있고, 제 2 단위 전극조립체(2)에서는 폴딩부(130)가 분리막(30)의 중앙에 형성되어 있으며, 제 3 단위 전극조립체(3)에서는 폴딩부(130)가 분리막(30)의 오른쪽 단부에 인접하도록 형성되어 있다. 따라서, 폴딩부(30)들이 단위 전극조립체(1, 2, 3)의 적층 방향으로 동일한 위치에 배열되지 않음으로써, 전극조립체 전체의 두께 증가를 억제하고 전체적으로 균형이 잡힌 구조가 얻어질 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 상술하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이 본 발명에 따른 이차전지는, 전지의 비정상적인 작동으로 발생한 열에 의하여 분리막이 수축할 때 분리막에 형성되어 있는 폴딩부가 펼쳐지면서 수축한 길이를 보상하여 양극과 음극의 접촉을 방지하고, 결과적으로 내부 단락을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 전극조립체를 구성하는 분리막에, 전지의 비정상적인 작동으로 인한 발열시 분리막이 수축할 때, 상기 수축을 보상할 수 있는 길이의 폴딩부가 적어도 하나 이상 형성되어 있고, 상기 전극조립체는 적층형 구조로 이루어져 있으며, 상기 폴딩부는 전극조립체의 횡방향 또는 종방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막의 양 단부에 상기 폴딩부와 평행하도록 접착층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막의 폴딩부는 적층 방향으로 동일 위치에 배열되지 않도록 다수의 단위 전극조립체에서 폴딩부들이 각각 분리막의 오른쪽 단부, 또는 중앙부, 또는 왼쪽 단부에 인접한 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 단위 전극조립체들에서의 폴딩부는 적층 방향에서 순차적으로 그것의 측면 방향쪽으로 이동하는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 권취형 구조로 이루어져 있고, 상기 분리막에는 하나 또는 둘 이상의 폴딩부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 둘 이상의 폴딩부가 분리막에 형성되는 경우, 상기 폴딩부는, 적층 방향에서 동일 위치에 정렬되지 않도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 폴딩부는 전극조립체의 횡방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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