KR101684347B1 - 최외각면에 절연성 물질이 부가되어 있는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최외각면에 절연성 물질이 부가되어 있는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체가 전해액과 함께 케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 각각의 전극은 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있으며; 상기 전극조립체의 최외각면에는 절연성 물질이 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

최외각면에 절연성 물질이 부가되어 있는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지 {Electrode Assembly Having Insulating Material Added on Outermost Surface and Secondary Battery Comprising the Same}

본 발명은 최외각면에 절연성 물질이 부가되어 있는 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체가 전해액과 함께 케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 각각의 전극은 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 상기 전극조립체의 최외각면에는 절연성 물질이 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.

또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소 금속 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.

이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 및 권취형과 적층형을 조합한 스택/폴딩형 전극조립체로 구분된다.

이러한 이차전지는 일반적으로 양극과 음극 활물질이 도포되어 있는 양극판과 음극판 및 그 사이에 개재되는 분리막으로 구성되는 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장하여 제조된다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.

전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(30)의 경우, 다수의 양극 탭들(40)과 다수의 음극 탭들(50)이 전극리드(60, 70)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(20)의 내부 상단은 전극조립체(30)로부터 이격되어 있다.

한편, 종래의 소형전지에 사용되는 리튬 이차전지는 양극에 층상 구조(layered structure)의 리튬 코발트 복합산화물을 사용하고 음극에 흑연계 재료를 사용하는 것이 일반적이지만, 리튬 코발트 복합산화물의 경우, 주 구성원소인 코발트가 매우 고가이고, 안전성 측면에서 전기자동차용으로 적합하지 못하다는 단점이 있다. 따라서, 전기자동차용 리튬 이차전지의 양극으로는 저가이고 안전성이 우수한 망간으로 구성된 스피넬 구조의 리튬 망간 복합산화물이 적합할 수 있으며, 음극으로는 리튬 티타늄 산화물이 적합할 수 있다.

일반적으로, 스피넬 구조의 리튬 망간계 산화물은 열적 안전성이 우수하고 가격이 저렴하며 합성이 용이하다는 장점이 있지만, 용량이 작고 부반응에 의한 수명 특성의 저하가 있으며 고온 특성이 열악하고 전도성이 낮다는 문제점이 있었다. 예를 들어, 전지가 고전압으로 과충전되는 경우에는 양극 활물질의 분해반응이 일어나고, 음극에서 리튬 금속의 수지상(dendrite) 성장과, 전해액의 분해반응 등이 일어난다.

따라서, 전지특성의 저하 없이 고전압에서 양극 및 음극 활물질의 부반응을 억제시키는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

본 출원의 발명자들은 심도있는 연구와 많은 실험을 통해, 앞서 설명한 부반응이 전지셀의 최외각에 위치하여 전해액에 그대로 노출되는 전극면에서 쉽게 발생하여 전지의 성능을 저하시킴을 확인하였다.

따라서, 본 발명의 목적은, 전극조립체의 최외각면에 절연성 물질을 부가함으로써, 전지의 충방전 과정에서 전극조립체의 최외각에 위치하는 집전체와 전해액과의 부반응 또는 최외각에 위치하는 전극물질이 전지 반응에 참여하게 되어 나타나는 셀 성능 저하 등의 문제점을 해결하여, 전지의 안전성, 수명 특성을 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체가 전해액과 함께 케이스에 내장되어 있는 이차전지로서, 각각의 전극은 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 상기 전극조립체의 최외각면에는 절연성 물질이 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

일반적으로 Mn의 함량이 전이금속들의 전체량을 기준으로 50 몰% 이상으로 포함되는 리튬 망간계 산화물은 최소 4.4 내지 5V의 고전압에서 충전을 시켜야 고용량을 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 양극 활물질이 4.4V 이상으로 과충전되는 경우에는, 앞서 설명한 바와 같이, 양극 활물질의 분해반응이 일어나고, 음극에서 리튬 금속의 수지상 성장과, 전해액의 분해반응 등이 일어난다. 더욱이, 이러한 과정에서 열이 수반되어, 상기와 같은 분해반응과 다수의 부반응들이 급속히 진행되면서 전해액이 소모되어 전지의 성능을 저하시키는 문제점이 나타날 수 있으며, 특히, 이러한 부반응은 전지셀의 최외각에 위치하여 전해액에 그대로 노출되는 전극면에서 쉽게 발생할 수 있다.

반면에, 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체의 최외각면에 절연성 물질이 부가됨으로써, 전지의 충방전 과정에서 전극조립체의 최외각에 위치하는 집전체와 전해액과의 부반응 또는 최외각에 위치하는 전극물질이 전지 반응에 참여하게 되어 나타나는 셀 성능 저하등의 문제점을 해결할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 양극은 양극 활물질로서 하기 화학식 1로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 화합물 일 수 있다.

Li_1+xM_yMn_2-x-yO₄ (1)

상기 식에서, 0≤x≤0.3, 0≤y≤1이고,

M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이다.

본 발명에 따른 이차전지는 특히, 음극으로서 Li_4/3Ti_5/3O₄ 등의 리튬 티타늄 산화물(lithium titanium oxide)계 음극 활물질을 포함하는 음극 합제가 도포된 것을 사용하는 경우에 매우 효과적일 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 화학식 1의 화합물에 당업계에 공지되어 있는 기타 리튬 전이금속 산화물이 1종 이상 혼합되어 양극 활물질을 구성할 수 있고, 상기 리튬 티타늄 산화물에 당업계에 공지되어 있는 기타 리튬 전이금속 산화물이 1종 이상 혼합되어 양극 활물질을 구성할 수 있다.

상기 절연성 물질로는 절연성 소재라면 특별히 제한되지 않고 다양한 소재가 사용될 수 있는 바, 예를 들어, 전기절연성 고분자 수지 또는 전기절연성 고분자 복합체일 수 있으며, 구체적으로, 상기 고분자 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리에틸렌(PE)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.

또한, 상기 절연성 물질은 코팅재일 수도 있고 필름형 부재일 수도 있는 등 다양한 형태일 수 있다. 필름형 부재의 경우, 예를 들어, 전극조립체의 최외각면과 절연성 물질의 일면이 서로 중첩된 상태로 결합될 수 있는 바, 하나의 구체적인 예에서, 전극조립체의 최외각면에 결합되는 절연성 물질의 일면에 접착제가 도포되어, 접착제에 의한 접착 방식으로 결합될 수 있다. 경우에 따라서는, 전극조립체가 열에 의해 열화되지 않는 범위 내에서 절연체의 일면을 열융착에 의해 결합시킬 수도 있다.

절연성 물질의 일면을 접착제에 의해 접착하는 방법에 있어서, 상기 접착제로는 전지의 작동에 영향을 미치지 않으면서 전극조립체의 최외각면과 절연성 물질의 접착을 충분히 유지할 수 있는 부착력을 제공하는 다양한 물질들이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 아크릴계 접착제, SBR계 접착제 등이 사용될 수 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 절연성 물질은 절연성 분말형태로 전극조립체의 최외각면에 부가될 수 있으며, 이러한 절연성 분말은 당 업계에서 알려진 통상적인 부도체 또는 반도체 입자를 사용할 수 있다.

구체적으로, 상기 절연성 분말은 MgO, TiO₂, ZrO₂, InSnO₂, Al₂O₃, SiO₂, GeO₂, MoO, SnO, Cr₂O₃ 및 Sb₂O₃-SnO₂로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 경우에 따라서는, 절연성 분말 자체 내에 수분을 일정량 함유할 수 있으며, 필요에 따라 건조 공정을 통해 수분을 제거한 채로 도포될 수도 있다.

이러한 절연성 분말은 다양한 형태로 부가될 수 있는 바, 일 예로, 상기에서 설명한 접착제에 의한 접착, 필름 부재에 도입된 상태에서 부착 등을 고려할 수 있다.

한편, 상기 전극조립체의 최외각면에는 양극이 위치할 수도 있고 음극이 위치할 수도 있다. 예를 들어, 전극 조립체의 최외각면에서 집전체의 표면에 전극 활물질을 포함하는 전극 합체층이 도포되어 있고, 상기 절연성 물질이 전극 합체층의 외면에 부가되어 있는 구조로 이루어질 수도 있고, 또는 집전체의 표면에 절연성 물질이 직접 부가되어 있는 구조로 이루어질 수도 있다.

상기 절연성 물질의 부가량은 특별히 제한되지 않는 바, 예를 들어, 전극조립체 전체 중량을 기준으로 0.001% 내지 10%일 수 있지만, 그것으로 한정되지 않음은 물론이다.

상기 전극조립체는 양극과 음극을 포함하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 권취형 구조, 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

상기 전지케이스는, 예를 들어, 각형 또는 원통형의 금속 캔일 수 있으며, 원통형 이차전지는 분리막이 개재된 상태의 양극 시트와 음극 시트를 둥글게 권취하여, 그 외면을 감싸도록 보호테이프가 부착되어 있는 젤리-롤을, 원통형 캔에 삽입한 후 전해액을 함침시키고 캔을 밀봉함으로써 제조할 수 있다.

각형 이차전지는 타원형으로 권취한 젤리-롤을 각형 캔에 삽입한다는 점을 제외하고는 상기 원통형 이차전지와 동일한 방법으로 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지는 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 예를 들어, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스의 수납부에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

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 도전제 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 양극의 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.

본 발명에 따른 양극은 상기와 같은 화합물들을 포함하는 양극 합제를 NMP 등의 용매에 혼합하여 만들어진 슬러리를 양극 집전체 상에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조될 수 있다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 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. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

본 발명은 또한 상기 양극과, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성된 리튬 이차전지를 제공한다.

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 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 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 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, CF₃SO₃Li, (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), FPC(Fluoro-Propylene carbonate) 등을 더 포함시킬 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 이차전지를 전원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터 등 모바일 기기뿐만 아니라, 우수한 수명 특성과 안전성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력저장 장치 등에 바람직하게 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체의 최외각면에 절연성 물질이 부가됨으로써, 전지의 충방전 과정에서 전극조립체의 최외각에 위치하는 집전체와 전해액과의 부반응 또는 최외각에 위치하는 전극물질이 전지 반응에 참여하게 되어 나타나는 셀 성능 저하등의 문제점을 해결하여, 전지의 안전성, 수명 특성을 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체의 구조에 대한 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극조립체의 구조에 대한 모식도이다;
도 4는 실험예 1에 따른 수명특성을 나타내는 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2 및 3에는 본 발명의 실시예들에 따른 전극조립체 구조의 모식도가 도시되어 있다.

먼저 도 3을 참조하면, 전극조립체(100)는 양극 집전체(121 ,122)의 양면에 양극 활물질(111, 112)이 도포되어 있고, 음극 집전체(151, 152)의 양면에 음극 활물질(141, 142)이 도포되어 있는 상태로, 이들 사이에 분리막 (131, 132)이 개재되어 있는 다수의 전지셀들이 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다.

이러한 전극조립체(100)의 최외각면에 각각 절연성 필름 부재(161, 162)가 접착제에 의해 결합되어 전극조립체를 완성한다.

다음으로 도 4를 참조하면, 전극조립체(200)는 양극 집전체(222)의 양면에 양극 활물질(212)이 도포되어 있고, 음극 집전체(251)의 양면에 음극 활물질(241)이 도포되어 있는 상태로, 이들 사이에 분리막(231, 232)이 개재되어 있는 다수의 전지셀들이 적층되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 이러한 전극들 중에서 최외각에 위치하는 전극의 경우, 양극 집전체(221)의 일면에 양극 활물질(211)이 도포되고 음극 집전체(252)의 일면에 음극 활물질(242)가 도포되어 있다.

이러한 전극조립체(200)의 최외각면에 위치하는 양극 집전체(221) 및 음극 집전체(252)의 표면에 각각 절연성 필름 부재(261, 262)가 접착제에 의해 결합되어 전극조립체를 완성한다.

도 2 및 3에 도시된 전극조립체들은 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 전극조립체의 최외각면에 절연성 물질이 부가되어 있는 것으로 설명되어 있지만, 전극조립체의 구조 및 형태는 따라 다양한 전극조립체에 적용되는 것도 가능하다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

필수 전이금속으로서 Mn을 포함하고 스피넬 결정 구조를 가진 리튬 망간계 산화물로서, LiNi_0.5Mn_1.5O₄의 화학식을 가지는 양극 활물질을 제조 하였고, 상기 양극 활물질 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 슬러리를 만들고 두께 20 ㎛의 Al-foil의 일면에 각각 코팅, 건조, 및 압착하여 양극을 제조하였다.

음극으로는 티타늄 이소프로폭사이드와 수산화 리튬을 혼합 및 고온 소성하여 Li_4/3Ti_5/3O₄을 제조하고, 제조된 음극 활물질 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 이를 두께 20 ㎛의 Al-foil의 일면에 코팅, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다.

분리막으로 셀가드^TM를 사용하여 상기 양극과 음극을 적층함으로써 전극조립체를 제조하고, 전극조립체의 최외각면에 절연성 물질로서 65㎛ 두께의 폴리아미드 테이프를 부착한 후, 환형 및 선형 카보네이트 혼합 용매에 1M LiPF₆를 포함하고 있는 리튬 비수계 전해액을 첨가하여 전지를 제조하였다.

<비교예 1>

상기 실시예 1의 전지의 제조과정에서 전극조립체의 최외각면에 절연성 필름 부재를 부가하지 않은 것을 제외하고는, 양극, 음극 제조 및 전지의 제조방법에 있어서는 상기 실시예 1와 동일한 방법으로 전지를 제작하였다.

<실험예 1>

실시예 1 및 비교예 1에서 각각 제조된 전지를 4.4 내지 5V 전압 범위에서 0.5C-rate의 전류를 흘려 수명특성 실험을 진행하였고, 이때 수명 특성을 50 사이클 진행 후 초기 용량 대비 유지율로 평가하여 표 1 및 도 4 에 나타내었다.

	실시예 1	비교예 1
수명특성	97%	91%

상기 표 1 및 도 4에 따르면, 실시예 1의 전지는 전지의 제조과정에서 전극조립체의 최외각면에 부가된 절연성 물질로 인하여, 전지의 수명 특성이 비교예 1 에 따른 전극조립체를 사용한 전지에 비하여 우수한 것으로 확인할 수 있다.

본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체가 전해액과 함께 케이스에 내장되어 있는 이차전지로서,
   각각의 전극은 시트형 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질층이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있으며;
   상기 전극조립체의 최외각면에는 절연성 물질이 부가되어 있고;
   상기 이차전지는 4.4 내지 5V 의 고전압에서 작동하며;
   상기 양극은 양극 활물질로서 하기 화학식 1로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물을 포함하고;
   상기 절연성 물질은 필름형 부재이며, 전극조립체의 최외각면에 결합되는 일면에만 접착제가 도포되어, 접착제에 의한 접착 방식으로 전극조립체의 최외각면에 결합되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 이차전지:
   Li_1+xM_yMn_2-x-yO₄ (1)
   상기 식에서, 0≤x≤0.3, 0≤y≤1이고,
   M은 Al, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Ti, Cu, B, Ca, Zn, Zr, Nb, Mo, Sr, Sb, W, Ti 및 Bi로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소이다.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 음극은 음극 활물질로서 리튬 티타늄 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 물질은 전기절연성 고분자 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 전기절연성 고분자 수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 및 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 최외각면에서 집전체의 표면에는 전극 활물질을 포함하는 전극 합체층이 도포되어 있고, 상기 절연성 물질은 전극 합제층의 외면에 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 최외각면에서 집전체의 표면에 절연성 물질이 직접 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 최외각면에는 양극이 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 최외각면에는 음극이 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 원통형 또는 각형의 금속 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 이차전지.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 금속층이 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
19. 제 1 항, 제 4 항 내지 제 6 항, 제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.

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