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KR100925857B1 - 향상된 안전성의 다중 중첩식 전기화학 셀 - Google Patents

향상된 안전성의 다중 중첩식 전기화학 셀 Download PDF

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KR100925857B1
KR100925857B1 KR1020060023727A KR20060023727A KR100925857B1 KR 100925857 B1 KR100925857 B1 KR 100925857B1 KR 1020060023727 A KR1020060023727 A KR 1020060023727A KR 20060023727 A KR20060023727 A KR 20060023727A KR 100925857 B1 KR100925857 B1 KR 100925857B1
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Abstract

본 발명은 단위 셀로서 다수의 풀 셀 또는 바이 셀들이 긴 시트형의 분리필름에 의해 폴딩되어 있고 상기 단위 셀의 분리막과 폴딩용 분리필름이 열융착되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀을 제공하는 바, 이러한 전기화학 셀은 외부의 충격 및 진동 등에 의하여 적층된 단위 셀들의 전극이 분리필름에서 분리되거나 뒤틀리는 등의 현상을 방지하여 발열 또는 발화의 발생을 억제할 수 있고, 온도 상승시 또는 가스 발생에 의한 부피 팽창시에도 구조적으로 안정성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

향상된 안전성의 다중 중첩식 전기화학 셀 {Multi-layered Type Electrochemistry Cell of Improved Safety}
도 1a 내지 1e는 본 발명의 전기화학 셀에서 단위 셀로서 사용될 수 있는 하나의 예시적인 풀 셀 및 바이 셀들의 모식도들이다;
도 2a 및 2b는 도 1b 및 1c와 같은 바이 셀을 사용하여 본 발명의 하나의 실시예에 따라 단위 셀들을 폴딩하고, 상기 단위셀들의 양측면에서 분리필름을 열융착하여 제조되는 전기화학 셀의 모식도들이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 폴딩된 단위 셀들의 하단에서 분리필름을 열융착하여 제조되는 전기화학 셀의 모식도이다.
본 발명은 안전성이 향상된 다중 중첩식 전기화학 셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단위 셀로서 다수의 풀 셀 또는 바이 셀들이 긴 시트형의 분리필름에 의해 폴딩되어 있고, 상기 단위 셀의 분리막과 폴딩용 분리필름이 열융착되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀을 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전기화학 셀은 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전기화학 셀은, 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 전기화학 셀은 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전기화학 셀은 다수의 양극 및 음극 단위 셀들을 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 전기화학 셀로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀 셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이 셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 사용하여 폴딩한 구조의 전기화학 셀이 개발되었고, 이는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호, 제2001-82060호 등에 개시된 바가 있다.
그러나, 상기의 구조에서 전기화학 셀은 긴 길이의 분리필름이 사용됨에 따라 전지의 외부 또는 내부에서 가해지는 충격 및 진동 등에 의하여 단위 셀의 전극과 분리필름이 분리되거나 뒤틀리는 등의 현상이 발생될 가능성이 있으며, 이는 이차전지의 내부 단락을 유발할 수 있고, 경우에 따라서는 발화, 폭발 등을 초래하는 원인이 될 수도 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 긴 시트형의 분리필름에 의해 폴딩되어 있는 다수의 단위 셀에서, 상기 단위 셀의 분리막과 상기 분리필름을 열융착하여 고정할 경우, 외부의 충격 및 진동 등에 의하여 적층된 단위 셀들의 전극과 분리필름이 분리되거나 뒤틀리는 등의 현상을 방지하여 발열 또는 발화의 발생을 억제할 수 있고, 온도 상승시 또는 가스 발생에 의한 부피 팽창시에도 구조적으로 안정성을 유지할 수 있는 잇점을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전기화학 셀은 단위 셀로서 다수의 풀 셀 또는 바이 셀들이 긴 시트형의 분리필름에 의해 폴딩되어 있고 상기 단위 셀의 분리막과 폴딩용 분리필름이 열융착되어 있는 것으로 구성되어 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전기화학 셀은 상기 분리필름이 단위 셀들을 감쌀 수 있는 단위길이를 갖고, 단위길이 마다 내측으로 꺾여서 중앙의 단위 셀로부터 시작되어 최외각의 단위 셀까지 연속하여 각각의 셀을 감싸는 구조로 이루어져 있다.
구체적으로, 상기 전기화학 셀은 상기 분리필름이 그것의 단부에서부터 중앙의 제 1 단위 셀의 외면을 한 바퀴 감싸고, 상기 분리필름을 사이에 두고 단위 셀이 적층될 수 있도록 제 2 단위 셀과 제 3 단위 셀을 상기 제 1 단위 셀의 상부와 하부에 각각 위치시킨 상태에서 상기 제 2 단위 셀과 제 3 단위 셀의 외면을 한 바퀴 감싸고, 또 그것들의 상부와 하부에 제 4, 제 5 단위 셀들을 위치시킨 상태에서 그것들의 외면을 감싸는 구조로, 최외각의 단위 셀들을 감싸는 구조로 이루어져 있다.
이러한 전기화학 셀은, 예를 들어, 상기 분리필름의 단부에 제 1 단위 셀을 열융착 등의 방법으로 고정하고, 그것의 두께와 너비 및 적층되는 제 2 단위 셀의 두께를 단위길이로 하여 제 2 단위 셀을 고정하고, 고정되어 있는 상기 두 개의 단위 셀과 고정되는 제 3 단위 셀의 두께를 단위길이로 하여 제 3 단위 셀을 고정하 는 등, 기존의 단위 셀과 늘어나는 단위 셀의 두께를 더한 길이를 단위길이로 하여 단위 셀들을 분리필름의 일면에 고정시킨 상태에서 분리필름을 단위길이마다 내측으로 꺾는 방법으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제 1 단위 셀과 제 2 단위 셀 사이의 단위길이는 상기 제 1 단위 셀의 두께와 너비를 포함하는 길이로, 다른 단위 셀들간의 단위길이와 다르다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 전기화학 셀은 상기 분리필름이 전기화학 셀을 감쌀 수 있는 단위 길이를 갖고, 단위 길이 마다 외측으로 꺾여서 첫 단의 단위 셀로부터 시작되어 끝 단의 단위 셀까지 연속하여 Z형으로 각각의 단위 셀들을 폴딩하고, 여분의 분리필름이 중첩 셀의 외주부를 감싸는 구조로 이루어져 있다.
이러한 전기화학 셀은, 예를 들어, 상기 분리필름의 단부 일면에 제 1 단위 셀을 열융착 등의 방법으로 고정하고, 단위 셀의 두께를 단위길이로 하여 제 2 단위 셀을 상기 제 1 단위 셀과 대향되는 타면에 고정하는 등, 단위 셀의 두께를 단위 길이로 하여 단위 셀들을 상기 분리막의 양면에 교대로 번갈아가며 고정시킨 상태에서 분리필름을 단위길이마다 외측으로 꺾는 방법으로 이루어질 수 있다.
본 발명에서, 상기 분리필름이 꺾이는 방향으로서의 "내측"과 "외측"은 상기 분리필름을 꺾을 때 바로 전에 행해진 꺾임의 방향을 기준으로 그것과 같은 방향을 내측으로 표현하고, 그것과 반대되는 방향을 외측으로 표현하였다. 즉, 예를 들어, 바로 전에 행해진 껌임 방향이 오른쪽일 경우, 그것과 같은 방향인 오른쪽을 "내측"으로 그것과 다른 방향인 왼쪽을 "외측"으로 나타내었다.
바람직하게 상기 분리필름에 행해지는 열융착은 상기 단위 셀들의 일측 또는 양측면에서 행해질 수 있으며, 그것들의 하단 및/또는 상단에서 행해질 수도 있다. 반면에, 상단에 전극단자가 돌출되어 있는 단위 셀을 사용할 경우, 단위 셀들의 하단에 열융착이 행해질 수도 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 셀의 하단 및/또는 상단에 열융착이 행해질 경우, 상기 셀의 하단 및/또는 상단을 완전히 감싸는 크기의 분리막을 덧댄 후 열융착이 행할 수 있다.
상기 열융착은 열에 약한 분리필름과 분리막에 행해지는 만큼, 70 내지 140℃의 온도에서 행해지는 것이 바람직하다. 온도가 너무 낮은 경우에는 열융착을 위해 많은 시간이 소요되거나 또는 열과 함께 높은 압력을 가할 필요가 있으므로 전지의 제조공정 측면에서 바람직하지 않다. 반면에, 온도가 너무 높은 경우에는 열융착시 분리필름 또는 분리막이 손상되어 내부 단락을 유발하거나 전극활물질의 손상이 유발될 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명에서 사용되는 상기 풀 셀 및 바이 셀의 구성과 이들을 사용하여 전기화학 셀을 구성하는 방법은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82058호, 제2001-82059호 및 제2001-82060호에 자세히 개시되어 있으며, 상기 출원들은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
단위 셀로서의 풀 셀은 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀이다. 이러한 풀 셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 셀 등을 들 수 있다. 그 중, 양극/분리막/음극 구조의 풀 셀의 모식도가 도 1a에 도 시되어 있는 바, 이러한 풀 셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 다수의 풀 셀들을 적층하여야 한다.
또한, 단위 셀로서의 바이 셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 셀이다. 그 중, 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이 셀의 모식도가 도 1b에 도시되어 있고, 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이 셀의 모식도가 도 1c에 도시되어 있는 바, 이러한 바이 셀을 사용하여 이차전지를 포함한 전기화학 셀을 구성하기 위해서는, 분리막 필름이 개재된 상태에서 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이 셀과 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이 셀이 서로 대면하도록 다수의 바이셀들을 적층하여야 한다.
경우에 따라서는, 더 많은 적층 수의 바이셀들도 가능한 바, 그러한 예로서, 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 바이 셀의 모식도가 도 1d에 도시되어 있고, 음극/분리막/양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 바이 셀의 모식도가 도 1e에 도시되어 있다.
본 발명은 또한, 상기의 전기화학 셀을 포함하는 것으로 구성된 리튬 이차전지에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 리튬 이차전지를 구성하는 구성 요소 및 제조 방법은 당업계에 공지되어 있는 것으로, 이에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
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 2a 및 2b에는 도 1b와 1c의 바이 셀들을 사용하여 본 발명의 실시예들에 따라 단위 셀의 양측면에서 분리필름을 열융착하여 제조되는 전기화학 셀의 모식도들이 도시되어 있다.
도면들을 참조하면, 전기화학 셀(100 또는 200)은 다수의 바이 셀들(110, 120, 130… 또는 210 … 220)이 하나의 긴 분리필름(310)에 의해 폴딩되어 있고, 바이 셀들(110, 120, 130 … 또는 210, 220)의 분리막(300)과 분리필름(310)을 양측면에서 열융착하는 것으로 구성되어 있다.
전기화학 셀(100 또는 200)은 도 2a에서와 같이, 분리필름(310)이 중앙의 제 1 바이 셀(110)의 외면을 한 바퀴 감싸고, 제 1 바이 셀(110)의 상부와 하부에 각각 제 2 바이 셀(120)과 제 3 바이 셀(130)을 위치시킨 상태에서 그것들의 외면을 한 바퀴 감싸는 구조로 바이 셀들(110, 120, 130 …)을 폴딩하거나, 도 2b에서와 같이, 분리필름(310)이 최하단의 바이 셀(210)에서 최상단의 바이 셀(220)까지 Z형태로 감싸는 구조로 바이 셀들(210 … 220)을 폴딩하여 제조될 수 있다.
이때, 전자의 방법으로 바이 셀들(110, 120, 130 …)을 폴딩할 경우, 외각에서 중앙의 바이 셀(110)로 갈수록 그것의 양측을 덮는 분리필름(310)의 두께가 두꺼워져 그 두께를 감안하기 위하여, 바이 셀(110)의 폭이 좁아지게 구성할 수도 있다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 단위 셀의 하단에서 분리필름을 열융착하여 제조되는 전기화학 셀의 모식도가 도시되어 있다.
도 3에서 보는 바와 같이, 전기화학 셀(100)은 그것의 상단에 전극단자가 돌출되어 있고, 그것의 하단에 셀(100)의 하단면 보다 다소 큰 크기의 별도의 분리막(320)을 위치시킨 상태에서 열융착시킨다. 이러한 열융착에 의해, 분리막(320)은 분리필름(310)의 하단에 열융착되고, 또한 그것의 일부는 단위 셀의 음극과 양극 사이에 개재되어 있는 분리막(300)과도 열융착된다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
양극 활물질로서 LiCoO2 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하고, 음극 활물질로서 인조흑연 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 호일과 구리 호일 상에 각각 코팅, 건조 및 압착하여 양극 및 음극을 제조하였다.
분리막으로 셀가드TM을 사용하고, 상기 양극과 음극 및 상기 분리막을 순서대 로 적층하여 바이 셀을 구성한 뒤, 분리필름으로서 분리막과 동일한 소재의 셀가드TM으로 7 개의 바이 셀을 순차적으로 폴딩하고, 양측면에서 100℃의 hot plate를 이용하여 상기 분리막과 분리필름을 열융착하는 것으로 전기화학 셀을 제조하였고, 상기의 전기화학 셀을 파우치형 전지 케이스에 내장한 후 전해액을 주입하여 전지를 완성하였다.
[실시예 2]
바이 셀들의 하단에서 분리막과 분리필름을 열융착하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.
[비교예 1]
바이 셀들의 양측면을 열융착하지 않았다는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.
[실험예 1]
상기의 실시예와 비교예에서 제조된 전지를 4.2 V까지 충전한 후, 1 m의 높이에서 50 회 연속 낙하 실험을 실시하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
Figure 112006017943509-pat00001
상기의 표 1에서와 같이, 단위 셀들을 긴 시트형의 분리필름으로 폴딩하고, 상기 단위 셀의 분리막과 폴딩용 분리필름을 열융착하여 제조된 전지화학 셀을 포함하는 전지에서는 50 회 연속 낙하 실험에서도 쇼트의 발생이 현저하게 감소하였다는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화학 셀은 외부의 충격 및 진동 등에 의하여 적층된 전극과 분리필름이 분리되거나 뒤틀리는 등의 현상을 방지하여 발열 또는 발화의 발생을 억제할 수 있고, 온도 상승시 또는 가스 발생에 의한 부피 팽창시에도 구조적으로 안정성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (8)

  1. 단위 셀로서 다수의 풀셀 또는 바이셀들이 긴 시트형의 분리필름에 의해 폴딩되어 있고 상기 단위 셀의 분리막과 폴딩용 분리필름이 열융착되어 있으며, 상기 열융착은 상기 셀의 양 측면에 행해진 것을 특징으로 하는 다중 중첩식 전기화학 셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 상기 분리필름이 단위셀들을 감쌀 수 있는 단위길이를 갖고, 단위 길이 마다 내측으로 꺾여서 중앙의 단위셀로부터 시작되어 최외각의 단위셀까지 연속하여 각각의 셀을 감싸는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 상기 분리필름이 전기화학 셀을 감쌀 수 있는 단위 길이를 갖고, 단위 길이 마다 외측으로 꺾여서 첫 단의 단위셀로부터 시작되어 끝 단의 단위셀까지 연속하여 Z형으로 각각의 단위셀드를 폴딩하고, 여분의 분리필름이 중첩 셀의 외주부를 감싸는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 셀의 (i) 하단, 또는 (ii) 상단, 또는 (iii) 하단 및 상단에 열융착이 행해진 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 셀의 (i) 하단, 또는 (ii) 상단, 또는 (iii) 하단 및 상단을 완전히 감싸는 크기의 분리막을 덧댄 후 열융착이 행해진 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 열융착은 70 내지 140℃의 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 하나에 따른 전기화학 셀을 포함하고 있는 리튬 이차전지.
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