KR100853619B1 - 분리막 상단이 밀봉되어 있는 전극조립체 및 이를 포함하는이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리막 상단이 밀봉되어 있는 전극조립체 및 그것을 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 충방전이 가능한 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체로서, 두 전극의 상단보다 돌출되어 연장되어 있는 분리막을 일측 방향으로 절곡한 상태에서 열처리를 행하여 절곡 상태를 고정시키고 상기 절곡면 상에 절연성 코팅층을 형성하는 것으로 구성되어 있어서 이물질이 전극조립체 내부로 유입되는 것을 방지하여 안전성을 향상시킨 전극조립체 및 이를 포함하는 것으로 구성된 이차전지를 제공한다.

Description

분리막 상단이 밀봉되어 있는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 {Battery Assembly Employed with Separator of Sealed Top Portion and Secondary Battery Comprising the Same}

도 1 내지 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 일련의 제조과정에 대한 모식도들이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

100: 전극조립체 110: 양극

120: 음극 130: 분리막

200: 절연성 코팅층

본 발명은 분리막 상단이 밀봉되어 있는 전극조립체 및 그것을 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 충방전이 가능한 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체 로서, 두 전극의 상단보다 돌출되어 연장되어 있는 분리막을 일측 방향으로 절곡한 상태에서 열처리를 행하여 절곡 상태를 고정시키고 상기 절곡면 상에 절연성 코팅층을 형성하는 것으로 구성되어 있어서 이물질이 전극조립체 내부로 유입되는 것을 방지하여 안전성을 향상시킨 전극조립체 및 이를 포함하는 것으로 구성된 이차전지에 관한 것이다.

이차전지는 휴대폰, 노트북, 캠코더 등 모바일 기기들의 전원으로 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지의 사용은 작동전압이 높고, 단위 중량당 에너지밀도가 높다는 잇점으로 인해 급속도로 증가되고 있는 추세이다.

이러한 리튬 이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있으며, 일반적으로, 전해액의 종류에 따라 액체전해질 전지와 고분자전해질 전지로 분류된다. 또한, 사용되는 전해질의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지로 분류되기도 하며, 전지의 외형에 따라 원통형, 각형 및 파우치형 전지로 분류되기도 한다.

이차전지를 구성하는 전극조립체는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 긴 시트형의 전극과 분리막을 둥글게 권취한 젤리-롤형 전극조립체와 소정 크기의 전극들과 분리막을 순차적으로 적층한 구조의 스택형 전극조립체가 대표적이다.

이러한 전극조립체는 분리막에 의해 전기적으로 이격되어 있음에도, 도전성 외부 이물질의 유입, 음극에서의 덴드라이트(dendrite)성장 등 다양한 원인에 의해 내부 단락이 유발되는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 전지의 안전성을 향상시키기 위한 방안으로서, 인접한 분리막들의 단부를 열융착시키는 기술(일본 특허출원공개 제2000-090965호, 한국 특허출원공개 제2004-0042373호), 리튬을 음극재료로 사용하는 전지에서 분리막의 주변부에 절연물질을 전극 두께의 1/2 이상의 두께로 형성하는 기술(일본 특허출원공개 제1993-109435호) 등이 제시된 바 있다. 그러나, 상기의 선행기술들에는 몇가지 문제점이 있다.

첫째, 인접한 분리막들의 단부를 상호 열융착시키는 기술은, 분리막들의 적어도 부분적인 용융이 유발될 수 있는 열을 전극의 단부에 인가함으로써 달성되므로, 분리막들의 완전한 밀봉을 위해 고열을 인가하는 과정에서 전극 활물질의 손상이 유발될 수 있다. 전극 활물질의 손상을 유발하지 않기 위해 상대적으로 낮은 온도에서 열융착을 행하는 경우에는 분리막 상호간의 완전한 밀봉이 달성되기 어렵다.

둘째, 분리막의 단부에 전극 두께의 1/2 이상의 크기로 절연물질의 밀폐부를 형성하는 기술은, 절연물질을 휘발성 용매에 용해시켜 분리막 단부에 분사한 후 건조하는 공정을 제시하고 있지만, 소정 크기 이상으로 밀폐부를 형성하기 위해 반복적인 작업 공정을 필요로 하며 건조 과정을 반드시 거쳐야 하므로, 실제 양산에 적용할 수 있는 경제적인 공정이라 할 수 없다.

따라서, 이들 기술들의 단점들을 해소하면서 다양한 원인에 의해 유발될 수 있는 내부 단락을 방지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 음극과 양극 사이에 개재되는 분리막(separator)을 두 전극보다 돌출되게 연장시킨 상태로 전극조립체를 구성하고, 상기 돌출된 분리막을 일측 방향으로 절곡되도록 가압한 후 열처리에 의해 고정한 상태에서 그것의 상단에 절연성 코팅층을 형성함으로써, 전극에 대한 열손상을 최소화하면서 이물질의 유입 등에 의한 단락 가능성을 방지할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 전극조립체는 충방전이 가능한 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체로서, 두 전극의 상단보다 돌출되어 연장되어 있는 분리막을 일측 방향으로 절곡한 상태에서 열처리를 행하여 절곡 상태를 고정시키고 상기 절곡면 상에 절연성 코팅층을 형성하는 것으로 구성되어 있다.

상기 분리막은 전극 상단으로부터 1.5 mm 내지 3 mm의 길이로 돌출되도록 연장되어 있는 것이 바람직하다. 분리막의 돌출 길이가 너무 짧으면 전극 상단을 완전히 도포하지 못하게 되므로 상기와 같은 절곡, 열처리 고정 및 절연성 코팅층의 형성에도 불구하고 밀봉을 이루기 어려우며, 반대로 너무 긴 경우에는 중첩 부위가 증가하여 전극조립체의 크기를 커지므로 바람직하지 않다.

바람직하게는 전극 중 음극의 상단이 양극의 상단보다 더 돌출되어 있고, 상기 분리막은 음극의 상단으로부터 상기의 범위로 돌출되어 있을 수 있다.

분리막의 상기 절곡은 분리막 사이의 전극 상부를 밀폐시키는 방향이라면 특별히 제한되지 않는다.

상기 열처리 고정은 절곡 상태를 유지시키는 작용을 하며 바람직하게는 분리막 소재의 유리전이온도 이상 내지 융점 이하의 온도에서 수행할 수 있다. 종래기술에서의 분리막 열융착은 분리막의 적어도 부분적인 용융을 유발할 수 있는 고온에서 수행되므로, 그것의 열처리 온도는 분리막의 융점 이상이어야 한다. 반면에, 본원발명은 분리막의 용점 이하에서 수행되므로 고열의 인가에 의한 전극 활물질의 손상을 유발하지 않는다.

경우에 따라서는, 분리막의 융점 또는 그 이상 온도의 고열을 단시간에 인가하여 열고정을 행할 수도 있다.

상기 절연성 코팅층은 전지의 작동에 영향을 미치지 않으면서 분리막의 상단에 안정적으로 코팅될 수 있는 전기절연성의 물질이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, PP, PE, PTFE, EPDM 등의 물질이 사용될 수 있다. 이러한 절연성 물질은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 절연성 코팅층은 당해 절연성 물질의 용융물을 절곡된 분리막의 상단부에 부가한 후 고화시켜 형성할 수 있다. 이러한 용융물의 부가 및 고화는 용매 등을 필요로 하지 않고 용매의 제거를 위한 건조 과정이 요구되지 않으므로 더욱 경제적이다. 이 경우에 있어서, 특히 바람직한 용융물은 분리막의 소재와 동일한 고분자 수지이며, 그러한 고분자 수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지 등을 들 수 있다.

상기 절연성 코팅층의 두께는 바람직하게는 1 mm 내지 3 mm이다. 절연성 코팅층의 두께가 너무 얇으면 분리막과의 결합력이 떨어지며, 반대로 너무 두터우면 전극조립체의 두께 증가와 층 형성의 공정 시간이 길어지므로 바람직하지 않다.

본 발명에 따른 전극조립체는 다양한 구조가 가능하며, 예를 들어, 젤리-롤형 전극조립체 또는 스택형 전극조립체일 수 있다.

본 발명은 또한 상기 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 이차전지를 제공한다.

본 발명에 따른 이차전지는 일반적인 이차전지에서 전극조립 체의 상단에 탑재되는 절연성 부재를 생략할 수도 있으므로, 이러한 구조의 이차전지는 제조 공정 및 비용 면에서 이점이 있다.

기타 전극조립 체를 사용하여 이차전지를 제조하는 방법 등은 당 업계에 공지되어 있으므로, 이에 대한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1 내지 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 일련의 제조과정이 모식적으로 도시되어 있다.

우선, 도 1을 참조하면, 전극조립체(100)는 집전체에 활물질이 도포되어 있 는 양극(110)과 음극(120) 사이에 다공성 분리막(130)이 개재되어 있는 구조로 이루어져 있다. 크기면에서 보면, 양극(110)의 높이가 가장 작으며, 분리막(130)은 음극(120)보다 높게 돌출되어 있다. 그러한 돌출 높이(h)는 적어도 양극(110) 및 음극(120)의 폭(w)보다 크므로, 도 2에서와 같이 전극조립체(100)를 일측 방향으로 가압하여 절곡할 때, 이들(110, 120)의 상단부를 완전히 덮을 수 있다.

도 3을 참조하면, 양극(110)과 음극(120)의 상단을 덮고 있는 분리막(130)의 절곡부위(132)에 열처리를 행한다. 이러한 열처리는 분리막(130)의 유리전이온도 이상 내지 융점 이하의 온도에서 소정의 시간 동안 행해짐으로써, 절곡 상태가 고정될 수 있도록 도와준다. 경우에 따라서는, 분리막(130)의 일부 부위에서 열융착이 일어날 수도 있다. 그러나, 이 경우에도 분리막(130) 전체 부위에 대한 열융착을 의미하지는 않는다.

최종적으로 도 4를 참조하면, 열고정된 분리막(130)의 상단면에 절연성 수지의 용융물을 도포하여 절연성 코팅층(200)을 형성한다. 절연성 코팅층(200)은 분리막(130)을 상호 연결하면서 양극(110)과 음극(120)의 상단을 완전히 밀폐하여, 외부 물질이 그러한 부위에 유입되는 것을 방지한다. 또한, 별도의 절연부재를 사용하지 않고도, 예를 들어, 전지케이스(도시하지 않음)의 개방 상단부에 장착되는 캡 플레이트 등에 대해 전기적 절연상태를 유지할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체의 효과를 확인하는 실험내용을 기술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되지 않음은 물론이다.

[실시예 1]

1-1. 양극의 제조

활물질로서 LiCoO₂ 96 중량%, Super-P(도전제) 1.5 중량%, 및 PVDF(결합제) 2.5 중량%의 혼합물을 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 집전체 상에 코팅, 건조 및 압착하여 양극을 제조하였다.

1-2. 음극의 제조

음극 활물질로서 인조흑연 95.5 중량%, Super-P(도전제) 1.5 중량%, PVDF(결합제) 3 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 구리 집전체 상에 코팅, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다.

1-3. 전해액의 제조

전해액은 1M LiPF₆과 EC/PC/DMC계 용액을 사용하여 제조하였다.

1-4. 절연성 코팅층의 형성 및 전지의 제조

상기 1-1 및 1-2에서 각각 제조된 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 위치 시키고, 도 2 내지 4에서와 같이 분리막을 일측 방향으로 절곡시킨 상태에서 약 120℃ 전후의 온도로 3 초 동안 열처리하여 절곡 상태를 고정시킨 후, 절연성 물질로서 폴리프로필렌의 용융물을 분리막의 상단에 도포하여 대략 2 mm 전후의 절연성 코팅층을 형성하였다.

이렇게 준비된 전극조립체에 상기 1-3에서 제조된 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다.

[비교예 1]

분리막 상단에 절연물질을 코팅하지 않았다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이차전지를 제조하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1에서 제조한 전지에 대하여, 4 feet 높이에서 top/bottom/side 각 1 회씩 낙하(1cycle)하는 실험을 총 15 cycle 실시하여 전극조립체 내부로 이물질이 유입되었는지 측정하여, 그 결과를 하기에 표 1에 나타내었다.

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 돌출되어 연장된 분리막 상단에 절연물질을 분사하여 코팅한 경우, 이물투입이 이루어지지 않아 전지의 안정성이 향상되었음을 알 수 있다.

[실험예 2]

상기의 실시예 1과 비교예 1에서 제조한 전지에 대하여, charge-4.3V/ 0.5C/ 3V cut-off 조건으로 cycle test 10 회 실시하여, 전극조립체 내부로 이물질이 유입되었는지 측정하여, 그 결과를 하기에 표 2로 나타내었다.

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 돌출되어 연장된 분리막 상단에 절연물질을 분사하여 코팅한 경우, 이물투입이 이루어지지 않아 전지의 안전성이 향상되었음을 알 수 있다.

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 전극조립체는 내부로 이물질이 유입되는 것을 방지하고, 단락의 위험성을 방지할 수 있으며, 외부에서 인가되는 연속적인 진동 또는 충격 등으로부터 상기 전극조립체를 보호하여 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 충방전이 가능한 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체로서, 두 전극의 상단보다 돌출되어 연장되어 있는 분리막을 일측 방향으로 절곡한 상태에서 열처리를 행하여 절곡 상태를 고정시키고 상기 절곡면 상에 절연성 코팅층을 형성하는 것으로 구성되어 있는 전극조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막은 전극 상단으로부터 1.5 mm 내지 3 mm의 길이로 돌출되도록 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
3. 제 2 항에 있어서, 전극 중 음극의 상단이 양극의 상단보다 더 돌출되어 있고, 상기 분리막은 음극의 상단으로부터 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리 고정은 분리막 소재의 유리전이온도 이상 내지 융점 이하의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 코팅층은 당해 절연성 물질의 용융물을 절곡된 분리막의 상단부에 부가한 후 고화시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 용융물은 분리막의 소재와 동일한 고분자 수지로서 폴리올레핀 수지인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 코팅층은 1 mm 내지 3 mm의 두께로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤형 전극조립체 또는 스택형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 전극조립체.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 전극조립체를 포함하는 것으로 구성된 이차전지.
10. 삭제

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