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KR102425711B1 - 쇼트 유발 장치를 포함한 리튬 이차전지 - Google Patents

쇼트 유발 장치를 포함한 리튬 이차전지 Download PDF

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KR102425711B1
KR102425711B1 KR1020180007242A KR20180007242A KR102425711B1 KR 102425711 B1 KR102425711 B1 KR 102425711B1 KR 1020180007242 A KR1020180007242 A KR 1020180007242A KR 20180007242 A KR20180007242 A KR 20180007242A KR 102425711 B1 KR102425711 B1 KR 102425711B1
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lithium secondary
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박경태
김용훈
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지는 양극과 음극 사이에 삽입되어 내부 쇼트를 발생시키는 쇼트 유발 장치를 포함하고, 상기 쇼트 유발 장치는 양극 활물질층, 도전성 페이스트층 및 상기 양극 활물질층과 상기 도전성 페이스트층 사이에 위치하는 분리막, 상기 양극 활물질층과 상기 분리막 사이에 위치하는 제1 왁스층 및 상기 도전성 페이스트층과 상기 분리막 사이에 위치하는 제2 왁스층을 포함하고, 상기 분리막 내에 금속 포일부가 삽입되어 있다.

Description

쇼트 유발 장치를 포함한 리튬 이차전지{LITHIUM SECONDARY BATTERY INCLUDING SHORT INDUCTION DEVICE}
본 발명은 쇼트 유발 장치를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급증하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 이루어졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
한편, 종래의 리튬 이차전지는 고온에 노출되었을 때 발화 및 폭발할 위험성이 있다. 또한 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 짧은 시간 내에 큰 전류가 흐르게 될 경우에도, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성이 있다. 전지의 온도가 상승하면 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진된다. 그 결과, 반응열이 발생하여 전지의 온도는 추가적으로 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 따라서, 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 이러한 순환에 의해, 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있다. 또한, 전해액과 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되며, 일정 압력 이상에서 리튬 이차전지는 폭발하게 된다. 이와 같은 발화 및 폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다.
따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을　확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 소자를 장착하여 사용하는 방법과, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법 등 있으며, 구체적으로 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, CID 소자, 전압의 변화를 이용하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전벤트(Safety Vent) 등이 전자에 해당하고, 전지 내부의 온도나 전압의 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 것이 후자에 속한다.
한편, 오늘날 전기차 등에는 원통형 전지가 사용되고 있고, 이러한 원통형 전지가 다수 적용된 전기차의 경우 셀이 발화할 때, 인접한 셀들이 연쇄적으로 발화/폭발할 수 있기 때문에, 열폭주가 발생하더라도 캔(can)의 탑(top)이 아닌 사이드(side) 혹은 비딩부(Beading) 혹은 바닥면으로 폭발이 일어나는 것을 막을 필요성이 있다. 이에, 셀 외부에 손상을 가하지 않으면서, 내부에 열폭주를 발생시켜 셀의 폭발 양상을 구체적으로 관찰할 필요가 있다.
본 발명은 리튬 이차전지의 내부에 쇼트 유발 장치를 삽입함으로써 리튬 이차전지의 손상 없이 내부 쇼트를 유발하여 전지셀 내부에서 일어나는 열폭주 양상을 관찰할 수 있는 리튬 이차전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지는 내부 쇼트를 발생시키는 쇼트 유발 장치를 포함하고, 상기 쇼트 유발 장치는 양극 활물질층, 도전성 페이스트층 및 상기 양극 활물질층과 상기 도전성 페이스트층 사이에 위치하는 분리막, 상기 양극 활물질층과 상기 분리막 사이에 위치하는 제1 왁스층 및 상기 도전성 페이스트층과 상기 분리막 사이에 위치하는 제2 왁스층을 포함하고, 상기 분리막 내에 금속 포일부가 삽입되어 있다.
상기 제1 왁스층 및 상기 제2 왁스층 각각은 녹는점이 섭씨 50도 이상 섭씨 100도 이하인 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 왁스층 및 상기 제2 왁스층 각각은 파라핀 왁스(paraffin wax), 소이 왁스(soy wax), 비즈 왁스(bees wax), 팜 왁스(palm wax), 칸데리라 왁스(cadelilla wax) 및 세레신 왁스(ceresin wax)로 이루어진 군에서 선택되는 1종을 포함할 수 있다.
상기 제1 왁스층 및 상기 제2 왁스층의 두께는 10 마이크로미터 내지 30 마이크로미터일 수 있다.
상기 금속 포일부는 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 재질을 포함할 수 있다.
상기 제1 왁스층 및 상기 제2 왁스층 각각은 상기 양극 활물질층 또는 상기 도전성 페이스트층 면적 대비 70% 내지 100%의 면적을 가지고, 상기 금속 포일부 면적 대비하여 100% 이상의 면적을 가질 수 있다.
상기 도전성 페이스트층은 은(Ag) 또는 탄소를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 쇼트 유발 장치를 포함하는 리튬 이차전지는 전지 온도가 급격히 상승하는 경우 왁스층이 녹아 내리고, 이에 따라 분리막에 삽입된 금속 포일부를 통해 전류가 흘러 전지 내부의 쇼트를 유발함으로써, 셀 외부에 손상을 가하지 않으면서, 내부에 열폭주를 발생시켜 셀의 폭발 양상을 구체적으로 관찰할 수 있게 된다.
따라서, 상기 쇼트 유발 장치를 이용하면, 전지의 안정성 테스트를 보다 효율적으로 수행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지에 포함된 쇼트 유발 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지에서, 왁스층이 차지하는 부분을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지에는, 복수의 전극 조립체를 포함하는 전지셀 적층체 내부에 쇼트 유발 장치가 삽입되어 있고, 상기 쇼트 유발 장치는 양극 활물질층, 도전성 페이스트층 및 상기 양극 활물질층과 상기 도전성 페이스트층 사이에 위치하는 분리막, 상기 양극 활물질층과 상기 분리막 사이에 위치하는 제1 왁스층 및 상기 도전성 페이스트층과 상기 분리막 사이에 위치하는 제2 왁스층을 포함하고, 상기 분리막 내에 금속 포일부가 삽입되어 있다.
구체적으로, 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막으로 이루어진 전극 조립체가 복수로 적층되거나 권취되는 경우에, 복수의 전극 조립체 중 적어도 하나를 상기에서 설명한 쇼트 유발 장치로 대체할 수 있다.
본 발명자들은 리튬 이차전지에 포함된 복수의 전극 조립체 중 적어도 하나가 쇼트 유발 장치로 대체되고, 쇼트 유발 장치의 분리막 양면에 각각 왁스층을 구비하되, 상기 분리막 내부에 삽입된 금속 포일부가 구비되면, 전지 온도가 급격히 상승하는 경우 왁스층이 녹아내리고, 이에 따라 양극과 음극 사이의 금속 포일부를 통해 전류가 흘러 전지 내부의 쇼트를 유발하고, 이때 전지셀 외부에 손상을 가하지 않으면서, 내부에 열폭주를 발생시켜 전지셀의 폭발 양상을 구체적으로 관찰할 수 있음을 확인하였다. 이에 따라 전지의 안정성 테스트가 보다 효율적으로 수행된다는 점을 실험을 통하여 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 일실시예에 따른, 리튬 이차전지의 쇼트 유발 장치는 양극, 음극 및 이들 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 점에서 일반적인 전극 조립체와 유사하나, 본 실시예에 따른 쇼트 유발 장치는 양극 활물질층과 분리막 사이에 위치하는 제1 왁스층을 더 포함하고, 도전성 페이스트층과 분리막 사이에 위치하는 제2 왁스층을 더 포함한다. 이때, 본 실시예에 따른 쇼트 유발 장치의 분리막 내부에 금속 포일부가 형성되어 있다. 여기서, 양극 활물질층은 양극 집전체 상에 양극 합제가 도포된 것이고, 도전성 페이스트층은 음극 집전체 상에 음극 합제가 도포되어 이루어진 것일 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 양극 활물질층은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 상에 도포되고, 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 양극 합제로 이루어질 수 있다. 상기 양극 활물질은 리튬 이차전지 제조 시 양극 활물질로 사용되는 활물질이면 제한 없이 사용될 수 있다. 바인더 및 도전재 역시 당해 기술분야에서 일반적으로 적용되는 것이 제한없이 적용될 수 있다.
상기 양극 활물질로는 예를 들어 망간 스피넬(spinel)계 활물질 또는 리튬 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 리튬 금속 산화물 중에는 망간을 함유하는 리튬-망간계 산화물, 리튬-니켈-망간계 산화물, 리튬-망간-코발트계 산화물 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물 등이 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 도전성 페이스트층은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 도포되고, 리튬을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 할 수 있는 음극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함하는 음극 합제로 이루어질 수 있다. 상기 음극 활물질은 리튬 이차전지 제조 시 음극 활물질로 사용되는 활물질이면 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는 예를 들어, 순수 리튬 금속, 리튬 알루미늄 합금 및 리튬 주석 합금과 같은 리튬을 포함하는 금속 또는 합금이거나, 결정질 탄소, 비정질 탄소와 같은 탄소계 물질일 수도 있다. 한편, 상기 바인더 및 도전재 역시 당해 기술분야에서 일반적으로 적용되는 것이 제한없이 적용될 수 있다.
구체적으로 바인더는 음극　활물질　입자들을 서로 잘 부착시키고, 또한 음극　활물질을 전류 집전체에 잘 부착시키는 역할을 하며, 그 대표적인 예로 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로즈, 히드록시프로필셀룰로즈, 폴리비닐클로라이드, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐피롤리돈, 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 스티렌-부타디엔 러버, 아크릴레이티드 스티렌-부타디엔 러버, 에폭시 수지, 나일론 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 구체적으로 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙,　탄소섬유 등의　탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등의 금속계 물질; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 폴리머; 또는 이들의 혼합물을 포함하는 도전성 재료를 사용할 수 있다.
분리막은 양극 활물질층과　도전성 페이스트층을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로 리튬 이차전지에서 통상적으로 사용되는 것이라면 제한되지 않는다. 한편, 상기 분리막은 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 사용될 수 있다.　상기 분리막의 일례로, 유리 섬유, 폴리에스테르, 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 이들의 조합물 중에서 선택된 것이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 고분자 분리막이 주로 사용될 수도 있고, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수도 있다.
이하에서는 도면을 참고하여 본 실시예에 따른 리튬 이차전지에 포함된 쇼트 유발 장치의 구성에 대해 살펴보기로 한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 양극 활물질층(10)과 도전성 페이스트층(20) 사이에 분리막(50)이 위치한다. 분리막(40)과 양극 활물질층(10) 사이에 제1 왁스층(30)이 위치하고, 분리막(40)과 도전성 페이스트층(20) 사이에 제2 왁스층(40)이 위치한다. 뿐만 아니라, 분리막(40) 내부에 금속 포일부(60)가 삽입되어 있다.
제1, 2 왁스층(30, 40)은 전지가 정상적으로 작동할 경우에는, 고체 형태로 유지되어 양극 활물질층(10)에 대응하는 양극과 도전성 페이스트층(20)에 대응하는 음극 사이에 전류가 통하는 것을 방지하고, 전지 온도가 비정상적으로 상승하는 경우 녹아 내리게 된다. 이에 따라 양극과 음극 사이의 금속 포일부(60)를 통해 전류가 흐르도록 하여, 전지 내부의 쇼트를 유발함으로써, 전지셀 외부에 손상을 가하지 않으면서, 내부에 열폭주를 발생시켜 전지셀의 폭발 양상을 구체적으로 관찰할 수 있게 된다.
구체적으로 본 실시예에 따른 제1, 2 왁스층(30, 40)은 분리막(50)의 양면에 각각 형성되며, 녹는점이 섭씨 50도 이상 섭씨 100도 이하인 물질을 포함할 수 있다.
제1, 2 왁스층(30, 40)은 파라핀 왁스(paraffin wax), 소이 왁스(soy wax), 비즈 왁스(bees wax), 팜 왁스(palm wax), 칸데리라 왁스(cadelilla wax) 및 세레신 왁스(ceresin wax)로 이루어진 군에서 선택되는 1종을 포함할 수 있다. 이러한 물질들을 포함하는 제1, 2 왁스층(30, 40)은 녹는점이 섭씨 50도 내지 섭씨 100도 범위 내이며, 구체적으로 파라핀 왁스의 경우 원유에서 생산되는 것으로서, 녹는점의 분포가 약 섭씨 60도 부근이며, 이에 따라 전지 구동 중 전지 내부의 온도가 섭씨 60도를 넘어가게 되는 경우 제1, 2 왁스층(30, 40)은 액상화되어 흘러내리게 되며, 이에 따라 양극과 음극 사이의 금속 포일부(60)가 양극 및 음극과 직접 접하게 됨으로써 금속 포일부(60)를 통해 전류가 흘러 내부 쇼트가 유발되게 된다. 제1, 2 왁스층(30, 40)의 녹는점 상한이 섭씨 100도로 선택된 이유는, 대략 섭씨 130도 이상이 되면 전지 발화 및 폭발이 일어나기 때문에 안정적인 범위에서 전지의 열폭주 현상을 발생시키기 위한 것이다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 제1, 2 왁스층(30, 40)의 두께는 10 마이크로미터 내지 30 마이크로미터일 수 있다. 이러한 왁스층의 두께 범위는, 본 실시예에 따른 양극 활물질층(10)의 두께가 대략 70 마이크로미터이고, 이러한 두께를 가진 양극 활물질층(10)에 전압이 인가될 때 제1 왁스층(30)의 액상화가 잘 일어나기 위한 최적 두께를 설계한 것이다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 내부에 삽입된 금속 포일부(60)가 구비될 수 있다. 상술한 바와 같이, 전지 구동 중 전지 내부의 온도가 섭씨 60도를 넘어가게 되는 경우 제1, 2 왁스층(30, 40)이 액상화되어 흘러내리게 되며, 이에 따라 양극 활물질층(10)과 도전성 페이스트층(20) 사이의 금속 포일부(60)가 양극 활물질층(10) 및 도전성 페이스트층(20)과 직접 접하게 됨으로써 금속 포일부(60)를 통해 전류가 흘러 내부 쇼트를 유발할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 금속 포일부(60)는 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 재질을 포함할 수 있으며, 상기와 같은 재질의 경우 전기 전도성이 뛰어나기 때문에, 금속 포일부(60)의 역할을 수행하기 적절하다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1, 2 왁스층(30, 40) 각각은, 양극 활물질층(10) 또는 도전성 페이스트층(20) 면적 대비 70% 내지 100%의 면적을 가지면서, 금속 포일부(60) 면적 대비 100% 이상의 면적을 가지도록 구비되는 것일 수 있는데, 상기와 같은 면적을 가질 때, 셀 외부에 손상을 가하지 않으면서, 내부에 열폭주를 발생시켜 전지셀의 폭발 양상을 구체적으로 관찰할 수 있다.
특히, 상기와 같은 구성을 가진 쇼트 유발 장치를 이용하여 전지 안정성 테스트를 수행하는 경우, 전기차와 같이 다수의 원통형 전지가 적용된 기기에 있어서, 전지 열폭주 시 전지캔이 탑(top)부분으로만 폭발하는지, 아니면, 사이드나 비딩부 혹은 바닥면으로 폭발하는지 등, 폭발 양상을 보다 상세하게 관찰 및 예상할 수 있게 된다.
10: 양극 활물질층
20: 도전성 페이스트층
30, 40: 제1, 2 왁스층
50: 분리막
60: 금속 포일부

Claims (7)

  1. 내부 쇼트를 발생시키는 쇼트 유발 장치를 포함하는 리튬 이차전지에 있어서,
    상기 쇼트 유발 장치는
    양극 활물질층, 도전성 페이스트층 및 상기 양극 활물질층과 상기 도전성 페이스트층 사이에 위치하는 분리막, 상기 양극 활물질층과 상기 분리막 사이에 위치하는 제1 왁스층 및 상기 도전성 페이스트층과 상기 분리막 사이에 위치하는 제2 왁스층을 포함하고,
    상기 분리막 내에 금속 포일부가 삽입되어 있으며,
    상기 제1 왁스층 및 상기 제2 왁스층 각각은 녹는점이 섭씨 50도 이상 섭씨 100도 이하인 물질을 포함하는 리튬 이차전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 왁스층 및 상기 제2 왁스층 각각은 파라핀 왁스(paraffin wax), 소이 왁스(soy wax), 비즈 왁스(bees wax), 팜 왁스(palm wax), 칸데리라 왁스(cadelilla wax) 및 세레신 왁스(ceresin wax)로 이루어진 군에서 선택되는 1종을 포함하는 리튬 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 왁스층 및 상기 제2 왁스층의 두께는 10 마이크로미터 내지 30 마이크로미터인 리튬 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 포일부는 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 재질을 포함하는 리튬 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 왁스층 및 상기 제2 왁스층 각각은 상기 양극 활물질층 또는 상기 도전성 페이스트층 면적 대비 70% 내지 100%의 면적을 가지면서 상기 금속 포일부 면적 대비하여 100% 이상의 면적을 가지는 리튬 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트층은 은(Ag) 또는 탄소를 포함하는 리튬 이차 전지.
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