KR20140024600A - Lithium ion secondary battery cell and module comprising phase change material - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 상변화 물질(phase change material, PCM)을 포함하는 리튬이온 이차전지 셀 및 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion secondary battery cell and module including a phase change material (PCM).
최근 정보 통신 산업의 발전에 따라 전자 기기가 소형화, 경량화, 박형화 및 휴대화됨에 따라, 이러한 전자 기기의 전원으로 사용되는 전지의 고에너지 밀도화에 대한 요구가 높아지고 있다. 리튬이온 이차전지는 이러한 요구를 가장 잘 충족시킬 수 있는 전지로서, 현재 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.BACKGROUND ART [0002] With the recent development of the information communication industry, as electronic devices have become smaller, lighter, thinner, and portable, there is a growing demand for higher energy density of batteries used as power sources for such electronic devices. Lithium-ion secondary batteries are the batteries that can best meet these needs, and research is being actively conducted on them.
그런데, 리튬이온 이차전지는 오용 및 충전기 등의 고장에 의해 과충전이 되거나, 또는 전지 자체의 설계상의 결함, 관통, 외부 충격 등에 의해 내부 단락이 일어나는 경우, 전지의 온도가 급격히 상승하는 현상이 일어날 수 있다. 이러한 전지의 온도가 급격히 상승하는 경우, 전해질과 리튬이 반응하거나 양극이 산화되는 등으로 인해 전지가 매우 불안정한 상태로 되며, 전해질의 용매가 분해되어 가스가 발생한다. 용매의 분해가스는 발화되어서 전지의 폭발로 이어질 수 있다.However, when the lithium ion secondary battery is overcharged due to misuse or failure of a charger, or an internal short circuit occurs due to a design defect, penetration, or external shock of the battery itself, the temperature of the battery may increase rapidly. have. When the temperature of such a battery rises rapidly, the battery becomes very unstable due to the reaction between the electrolyte and lithium or the oxidation of the positive electrode, and the solvent of the electrolyte is decomposed to generate gas. The decomposition gas of the solvent may ignite and lead to explosion of the battery.
이러한 안정성의 문제점을 개선하기 위한 수단으로, 강제로 전해액을 방출시키는 방법, 전지를 연결한 팩의 제어 PTC(Positive Temperature Coefficient) 회로에서 전지를 보호하는 방법 등이 있다. 하지만, 이러한 방법에서는 회로에 문제가 발생하면 오작동을 일으킬 확률이 큰 한계가 있다. 또한, 전류 차단 소자와 같이 셀이 팽창하는 힘을 이용해 전류를 차단하는 장치를 적용하는 시도가 있으나, 여전히 보다 빨리 작용하게 할 필요성이 남아 있다.As a means for improving the stability problem, there is a method of forcibly discharging the electrolyte, the method for protecting the battery in a control PTC (Positive Temperature Coefficient) circuit of the pack to which the battery is connected. However, this method has a limit that is likely to cause a malfunction if a circuit problem occurs. In addition, there have been attempts to apply a device that cuts off the current using a force that the cell expands, such as a current blocking element, but there is still a need to make it work faster.
그 결과, 전지 셀 및 모듈의 이상 거동시 급격한 온도 상승을 억제하고, 전류 흐름을 차단하여 안정성을 향상시키는 노력이 여전히 요구되고 있는 실정이다.As a result, there is still a need for an effort to suppress sudden temperature rise during the abnormal behavior of battery cells and modules, and to block current flow to improve stability.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 리튬이온 이차전지의 온도가 급격히 상승하거나 외부로부터 물체가 관통하는 경우, 열을 흡수하고 관통 물체에 의한 전기적 흐름을 방해하여 안정한 리튬이온 이차전지 셀 및 리튬이온 이차전지 모듈을 제공하는데 있다.Therefore, the problem to be solved by the present invention, when the temperature of the lithium ion secondary battery rapidly rises or the object penetrates from the outside, absorbs heat and interferes with the electrical flow by the penetrating object, stable lithium ion secondary battery cells and lithium It is to provide an ion secondary battery module.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 구비한 전극-분리막 조립체, 및 상기 전극-분리막 조립체의 외부 전면을 둘러싼 파우치(pouch)를 구비하되, 상기 파우치의 내부 또는 외부의 적어도 일면에 상변화 물질이 도포된 리튬이온 이차전지 셀이 제공된다.In order to achieve the above object, according to an aspect of the present invention, an electrode-membrane assembly having an anode, a cathode and a separator interposed between the anode and the cathode, and a pouch surrounding the outer front of the electrode-separator assembly ( A pouch) is provided, and a lithium ion secondary battery cell coated with a phase change material on at least one surface of the inside or outside of the pouch is provided.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막을 구비한 하나 이상의 전극-분리막 조립체, 및 상기 전극-분리막 조립체 각각의 외부 전면을 둘러싼 파우치, 상기 하나 이상의 파우치 모두의 외부 전면을 둘러싼 커버(cover)를 구비하되, 상기 파우치들 사이 및 상기 파우치와 상기 커버 사이 중 1종 이상에 상변화 물질이 도포된 리튬이온 이차전지 모듈이 제공된다.According to another aspect of the invention, at least one electrode-membrane assembly having an anode, a cathode and a separator interposed between the anode and the cathode, and a pouch surrounding the outer front of each of the electrode-membrane assembly, the at least one pouch A lithium ion secondary battery module having a cover surrounding an outer front surface of all, and coated with a phase change material between at least one of the pouches and between the pouch and the cover is provided.
본 발명에 따라 상변화 물질이 적용된 리튬이온 이차전지는, 그의 온도가 급격히 상승하거나 외부로부터 물체가 관통하는 경우, 열을 흡수하고 전극들 사이 또는 전극과 관통 물체 사이의 절연 상태를 유지하여서 전지의 발화 및 폭발을 억제함으로써 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, a lithium ion secondary battery to which a phase change material is applied may absorb heat and maintain insulation between electrodes or between an electrode and a penetrating object when its temperature rises rapidly or an object penetrates from the outside. By suppressing ignition and explosion, the safety of the battery can be improved.
도 1은 전극-분리막 조립체의 온도 상승으로 인한 열을 상변화 물질의 상변화 현상에 의하여 흡수하는 것을 예시한 개략적 도면이다.
도 2는, 전지 셀이 관통될 경우, 상변화 물질의 상변화에 의하여 물체를 둘러싸서 관통 물체의 전기적 흐름을 방해하는 것을 예시한 개략적 도면이다.
도 3은 상변화 물질이 적용된 전지 셀의 한 양태를 도시한 것이다.
도 4는 상변화 물질이 적용된 전지 셀의 다른 양태를 도시한 것이다.
도 5는 상변화 물질이 적용된 전지 모듈의 한 양태를 도시한 것이다.
도 6은 상변화 물질이 적용된 전지 모듈의 다른 양태를 도시한 것이다.1 is a schematic diagram illustrating absorption of heat due to a temperature change of an electrode-membrane assembly by a phase change phenomenon of a phase change material.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating that when a battery cell is penetrated, an electric flow of the penetrating object is disturbed by surrounding the object by a phase change of the phase change material.
3 illustrates an embodiment of a battery cell to which a phase change material is applied.
4 illustrates another embodiment of a battery cell to which a phase change material is applied.
5 illustrates an embodiment of a battery module to which a phase change material is applied.
6 illustrates another embodiment of a battery module to which a phase change material is applied.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시양태에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물 및 변형예가 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms used in the specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may properly define the concept of a term to describe its invention in its best possible way And should be construed in accordance with the principles and meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, it is possible to replace them at the time of the present application It should be understood that there may be various equivalents and variations.
도 1은 예컨대 파우치(2)에 의해 둘러싸여 있는 전지 셀의 외부 단락 및 과충전 발생시 전극-분리막 조립체(1)의 온도 상승으로 인한 열을 상변화 물질(3)의 상변화 현상에 의하여 흡수하는 것을 예시한 것이고, 도 2는 전지 셀이 관통될 경우 상변화 물질(3)의 상변화에 의하여 물체를 둘러싸서 관통 물체(4)의 전기적 흐름을 방해하는 것을 예시한 것이다.FIG. 1 exemplifies absorption of heat due to a phase change phenomenon of the
이차전지에서, 통상적으로 음극(도시되어 있지 않음)으로서 카본계 등의 물질을 사용하고, 양극(도시되어 있지 않음)으로서 리튬계 산화물 등의 물질을 사용하고, 전해질로서 유기 용매에 리튬염이 용해된 전해액 등을 사용하게 되는데, 전지가 과충전될 경우에는 양극에서 전해액의 분해가 일어나고, 음극에서는 금속이 석출되어 전지 특성이 열화되며, 발열이나 발화의 우려도 존재한다. 또한, 충방전시 국부적으로 과열이 되기 때문에 열에 약한 고분자 전해질은 부분적으로 용해되거나 연화되어 전류와 전위의 불균일을 초래할 수 있고, 이에 따라 단락, 화재 및 폭발의 위험성이 존재하게 된다.In secondary batteries, materials such as carbon-based materials are generally used as a negative electrode (not shown), materials such as lithium-based oxides are used as a positive electrode (not shown), and lithium salts are dissolved in an organic solvent as an electrolyte. If the battery is overcharged, the electrolyte may be decomposed at the positive electrode, the metal may be precipitated at the negative electrode, resulting in deterioration of battery characteristics, and there may be a risk of heat generation or ignition. In addition, since the polymer electrolyte is locally overheated during charging and discharging, the polymer electrolyte, which is weak to heat, may be partially dissolved or softened, resulting in nonuniformity of current and potential, thereby causing a risk of short circuit, fire, and explosion.
도 3은 상변화 물질이 적용된 전지 셀의 한 양태를 도시한 것이고, 도 4는 상변화 물질이 적용된 전지 셀의 다른 양태를 도시한 것이다.3 illustrates one embodiment of a battery cell to which a phase change material is applied, and FIG. 4 illustrates another embodiment of a battery cell to which a phase change material is applied.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명은, 전극-분리막 조립체(1)의 외부 전면을 둘러싼 파우치(2)를 구비한 리튬이온 이차전지 셀에 있어서, 상기 파우치(2)의 내부 또는 외부의 적어도 일면에 상변화 물질(3)을 도포시킴으로써 전술된 리튬이온 이차전지의 문제점을 해결하고자 하였다. 여기서, 전극-분리막 조립체(1)는 양극(도시되어 있지 않음), 음극(도시되어 있지 않음) 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막(도시되어 있지 않음)을 구비할 수 있다.3 and 4, the present invention relates to a lithium ion secondary battery cell having a
그 일례로서 도 3을 참고하면, 전극-분리막 조립체(1)의 외부 전면을 둘러싼 파우치(2)의 상면에 상변화 물질(3)이 도포되어 있다. 이러한 양태에서, 전지 내부 또는 외부의 급격한 온도 상승의 경우 또는 외부 물체의 관통의 경우, 도 1 또는 도 2에서 설명한 바와 같이, 특정 범위의 상변화 온도(TPC)를 갖는 상변화 물질(3)에 의해 전지 내의 열을 제거하거나 또는 전지 내의 절연 상태를 그대로 유지할 수 있다. 또한, 상변화 물질(3)은 앞서 언급한 파우치(2)의 상면 이외의 일면, 예컨대 하면 또는 측면 등에 도포될 수 있다.Referring to FIG. 3 as an example, a
다른 예로서, 도 4를 참고하면, 파우치(2)와 전극-분리막 조립체(1) 사이의 공간, 구체적으로는 파우치(2)의 내부에서 전극-분리막 조립체(1)의 상면에 상변화 물질(3)이 도포되어 있다. 도 3과 유사하게, 전지 내부 또는 외부의 급격한 온도 상승의 경우 또는 외부 물체의 관통의 경우, 도 1 또는 도 2에서 설명한 바와 같이, 특정 범위의 상변화 온도(TPC)를 갖는 상변화 물질(3)에 의해 전지 내의 열을 제거하거나 또는 전지 내의 절연 상태를 그대로 유지할 수 있다. 또한, 상변화 물질(3)은 앞서 언급한 파우치(2)의 내부에서 전극-분리막 조립체(1)의 상면 이외의 파우치(2)와 전극-분리막 조립체(1) 사이의 공간, 예컨대 파우치(2)의 내부에서 전극-분리막 조립체(1)의 하면 또는 측면 등에 도포될 수 있다.As another example, referring to FIG. 4, a phase change material may be formed on the top surface of the electrode-
상변화 물질은, 물질이 갖고 있는 잠열의 흡수 또는 방출 효과를 이용하여 에너지를 저장하거나 온도를 일정하게 유지하는 목적으로 사용되는 물질을 일컫는다. 여기서, 잠열은 물질이 상변화될 때, 즉 고체에서 액체로 또는 액체에서 고체로, 액체에서 기체로 또는 기체에서 액체로 변할 때에 동일한 온도에서 흡수하거나 방출하는 열을 의미하며, 잠열은 현열(상변화가 일어나지 않은 상태에서의 흡수 또는 방출되는 열)의 양보다 매우 크다. 이와 같이, 상변화 물질은 주변 온도가 높을 때에는 서서히 온도가 상승되도록 하고, 주변 온도가 낮을 때에는 서서히 온도가 하강되도록 한다. 구체적으로, 상기 상변화 물질이 그의 고유 상변화 온도(TPC)를 갖거나 또는 물질에 대하여 일정한 온도를 기억시켜 놓으면, 해당 온도 범위에서 상변화 물질이 상을 변화시키면서 열을 방출하거나 열을 저장하여서 주변 온도를 높이거나 낮출 수 있다. 그러므로, 저온 장소에서 고온 장소로 옮긴 경우, 고체 상에서 액체 상으로 변화되면서 주변의 열을 빼앗아 주변을 냉각시킬 수 있게 되며, 이와 반대로 고온 장소에서 저온 장소로 옮긴 경우, 액체에서 고체로 상이 변화되면서 주변에 열을 방출하여 주변 온도를 증가시킬 수 있다.The phase change material refers to a material used for the purpose of storing energy or keeping a temperature constant by using the latent heat absorption or release effect of the material. Here, the latent heat means heat absorbed or released at the same temperature as the material changes phase, that is, from solid to liquid or from liquid to solid, from liquid to gas, or from gas to liquid, and latent heat refers to sensible heat (phase Very much greater than the amount of heat absorbed or released without change). As described above, the phase change material gradually increases the temperature when the ambient temperature is high, and gradually decreases the temperature when the ambient temperature is low. Specifically, if the phase change material has its own phase change temperature (T PC ) or if a constant temperature is stored for the material, the phase change material releases heat or stores heat while changing the phase in the temperature range. To increase or decrease the ambient temperature. Therefore, when moving from a low temperature place to a high temperature place, the solid phase is changed into a liquid phase to take away the surrounding heat, thereby cooling the surroundings. It can release the heat to increase the ambient temperature.
본 발명의 리튬이온 이차전지 셀 및 모듈에는 다양한 상변화 물질을 사용할 수 있다. 전지 내에서 이상 작동 또는 외부 물체의 관통 등으로 인해 발생되는 열을 제거하기 위해서 상변화 물질을 사용하는 것이므로, 그의 상변화 온도(TPC)는 제한되지 않는다. 예를 들면, 상온, 예컨대 약 60℃ 미만, 또는 약 25 내지 약 50℃ 미만의 온도에서 고체 상으로 존재하는 상변화 물질이 약 50℃ 이상의 상변화 온도(TPC)에서 액체 상으로 변화하는 상변화 물질이 사용될 수 있지만 이에 국한되지는 않는다. 기본적으로 전지의 운용 온도범위는 최대 약 60℃이며, 고체 상을 유지하는 범위는 약 25 내지 약 50℃이고, 액체 상으로 유지되는 온도는 약 50 내지 약 95℃이다. 또한, 전지의 종류에 따라 그 발열 정도가 조금씩 다르므로, 약 50℃ 이상, 바람직하게는 약 50 내지 약 90℃, 더욱 바람직하게는 약 50 내지 약 70℃의 상변화 온도(TPC)를 갖는 상변화 물질이 사용될 수 있다.Various phase change materials may be used for the lithium ion secondary battery cells and modules of the present invention. Since the phase change material is used to remove heat generated due to abnormal operation or penetration of an external object in the battery, the phase change temperature T PC thereof is not limited. For example, a phase change material present in the solid phase at room temperature, such as less than about 60 ° C., or less than about 25 to about 50 ° C., changes to a liquid phase at a phase change temperature T PC of at least about 50 ° C. Changing materials may be used but are not limited to these. Basically, the operating temperature range of the cell is up to about 60 ° C., the range for maintaining the solid phase is about 25 to about 50 ° C., and the temperature for the liquid phase is about 50 to about 95 ° C. In addition, since the degree of heat generation varies slightly depending on the type of battery, it has a phase change temperature (T PC ) of about 50 ° C. or more, preferably about 50 ° C. to about 90 ° C., and more preferably about 50 ° C. to about 70 ° C. Phase change materials can be used.
도 2에서도 제시된 바와 같이 외부 물체(4)가 전지, 특히 전극-분리막 조립체(1)를 관통하는 경우, 외부 물체(4)가 전도성인 경우에는 이 전도성 물체(4)는 전극과의 접촉으로 인해 전기 흐름이 초래되어 과열될 수 있지만, 상변화 물질(3)이 전술된 속성(예컨대, 상변화 온도(TPC))을 갖는 상변화 물질인 경우, 이러한 상변화 물질은, 이 물질이 접촉하고 있는 주변의 온도가 적어도 대략 50℃ 이상으로 상승되는 경우, 상변화 물질의 고체 상이 액체 상으로 변하여서 주변의 열을 빼앗을 것이다. 즉, 전지 내의 과도하게 발생된 열을 제거할 수 있다.As also shown in FIG. 2, when the
이러한 상변화 물질의 예는 파라핀, 예컨대 C20-C45 파라핀, 무기 염, 염 수화물 및 이들의 혼합물, 카복실산 및 당 알코올 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있지만 이에 국한되지 않다. 바람직하게는, 상변화 물질의 예로는 테트라코산(융점 약 53℃), 헥사코산(융점 약 56℃), 노나코산(융점 약 63℃), 소듐아세테이트 트라이하이드레이트(융점 약 58℃), 소듐하이드록사이드 모노하이드레이트(융점 약 64℃), 리튬나이트레이트와 막네슘나이트레이트 헥사하이드레이트의 혼합물(융점 약 75℃), 트라이소듐포스페이트 도데카하이드레이트(융점 약 75℃), 마그네슘나이트레이트 헥사하이드레이트(융점 약 89℃), 미리스트산(융점 약 52℃), 스테아르산(융점 약 69℃), 크실리톨(융점 약 93 내지 95℃) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하지만 이에 국한되지 않는다.Examples of such phase change materials may be, but are not limited to, one or two or more mixtures selected from the group consisting of paraffins such as C 20 -C 45 paraffins, inorganic salts, salt hydrates and mixtures thereof, carboxylic acids and sugar alcohols, and the like. not. Preferably, examples of the phase change material include tetracoic acid (melting point about 53 ° C), hexacoic acid (melting point about 56 ° C), nonacoic acid (melting point about 63 ° C), sodium acetate trihydrate (melting point about 58 ° C), sodium Hydroxide monohydrate (melting point about 64 ° C), a mixture of lithium nitrate and magnesium nitrate hexahydrate (melting point about 75 ° C), trisodium phosphate dodecahydrate (melting point about 75 ° C), magnesium nitrate hexahydrate ( Melting point about 89 ° C.), myristic acid (melting point about 52 ° C.), stearic acid (melting point about 69 ° C.), xylitol (melting point about 93-95 ° C.), etc. It is not limited.
또한, 이러한 상변화 물질의 열전도성을 높이기 위하여, 우수한 열전도성을 갖는 하나 이상의 보조제가 전술된 상변화 물질과 함께 리튬이온 이차전지 셀 또는 모듈에 더 도포될 수 있다. 상기 하나 이상의 보조제는 우수한 열전도성을 갖는 물질 또는 조성물, 특히 금속 분말, 금속 과립 또는 흑연일 수 있다.In addition, in order to increase the thermal conductivity of the phase change material, at least one auxiliary agent having excellent thermal conductivity may be further applied to the lithium ion secondary battery cell or module together with the above-described phase change material. The one or more adjuvants may be materials or compositions with good thermal conductivity, in particular metal powders, metal granules or graphite.
상기 상변화 물질을 리튬이온 이차전지 셀의 파우치의 내부 및 외부면 상에 도포하는 방법은 당업계에 알려진 통상적인 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면 상변화 물질을 융점 이상으로 용융하여 그 용융물을 딥(Dip) 코팅, 다이(Die) 코팅, 롤(roll) 코팅, 콤마(comma) 코팅 또는 이들의 혼합 방식 등 다양한 방식으로 도포할 수 있다. The method of applying the phase change material on the inner and outer surfaces of the pouch of the lithium ion secondary battery cell may use a conventional coating method known in the art, for example, melting the phase change material above the melting point to melt The coating may be applied in various ways such as dip coating, die coating, roll coating, comma coating, or a mixture thereof.
상변화 물질의 도포량은 사용하는 전지의 종류, 예컨대 휴대폰, HEV, PHEV, EV 등에 사용되는 전지에 따라 크게 달라질 수 있다. 예를 들면, 상변화 물질의 도포량은 전극-분리막 조립체와 대향하는 파우치의 면적, 전지의 발열량 등에 따라 변할 수 있다. 파우치의 면적 및 발열량은 사용되는 전지에 따라 달라지므로, 사용되는 전지에 따라 달라지는 파우치의 면적 및 전지의 발열량에 따라 본 발명의 상변화 물질의 도포량 또한 크게 달라질 수 있다. 또한, 전지의 발열량은 통상적으로 사용되는 전지의 용량에 따라 크게 달라지는 데, 전지의 용량이 큰 경우 그에 따라 전지의 발열량이 증가하며, 결국 도포량도 또한 증가될 수 있다. 더불어, 사용되는 전지의 두께에 비례하여 도포량을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 상변화 물질의 도포 범위는 파우치 면적과 동일할 수 있고, 상변화 물질의 도포된 두께는 전지의 두께와 동일할 수 있다.The application amount of the phase change material may vary greatly depending on the type of battery used, for example, a battery used in a mobile phone, HEV, PHEV, EV, and the like. For example, the amount of application of the phase change material may vary depending on the area of the pouch facing the electrode-membrane assembly, the amount of heat generated by the cell, and the like. Since the area and the calorific value of the pouch vary depending on the battery used, the coating amount of the phase change material of the present invention may also vary greatly according to the area of the pouch and the calorific value of the battery that vary depending on the cell used. In addition, the calorific value of the battery varies greatly depending on the capacity of a battery that is commonly used. When the capacity of the battery is large, the calorific value of the battery increases accordingly, and the coating amount may also increase. In addition, the coating amount can be increased in proportion to the thickness of the battery used. For example, the coverage of the phase change material can be the same as the pouch area, and the applied thickness of the phase change material can be the same as the thickness of the cell.
통상적으로, 상기 상변화 물질은, 이 상변화 물질이 도포되는 여러 공간, 예컨대 앞서 언급된 전극-분리막 조립체의 상면, 파우치와 전극-분리막 조립체 사이의 공간, 예컨대 파우치의 내부에서 전극-분리막 조립체의 하면 또는 측면 등에 전체적으로 또는 부분적으로 적정량으로 존재하는 경우, 전지의 내부에서 급격히 발생한 열을 충분히 흡수할 수 있고, 방열이 끝난 후, 전지가 정상 상태로 회복되면 그의 내부에 존재하는 상변화 물질은 상온, 예컨대 약 50℃ 미만에서 고체 상으로 되돌아오며, 이로 인해 전지는 재사용이 가능하게 된다.Typically, the phase change material is formed of the electrode-membrane assembly in various spaces to which it is applied, such as the top of the aforementioned electrode-membrane assembly, the space between the pouch and the electrode-membrane assembly, such as inside the pouch. When present in an appropriate amount in whole or in part on the lower surface or side, etc., it is possible to sufficiently absorb the heat generated rapidly inside the battery, and after the heat dissipation, if the battery recovers to a normal state, the phase change material present in the interior thereof is room temperature. For example, back to the solid phase at less than about 50 ° C., thereby allowing the cell to be reused.
따라서, 본 발명의 상변화 물질은, 리튬이온 이차전지의 과충전 또는 내부 단락시 전지의 온도가 급격히 상승하는 경우, 단독으로 또는 열전도성 보조제와 조합되어 열을 흡수하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the phase change material of the present invention may improve the safety of the battery by absorbing heat alone or in combination with a thermal conductive aid when the temperature of the battery increases rapidly during overcharging or internal short circuit of the lithium ion secondary battery. .
한편, 본 발명에서 사용되는, 양극, 음극, 분리막, 전해액, 파우치, 커버 등은 당해 분야에 공지되어 있는 공정 및/또는 방법에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 전극-분리막 조립체를 이루는 양극, 음극 및 분리막은 리튬이온 이차전지 제조에 통상적으로 사용되던 것들이 모두 사용될 수 있다. Meanwhile, the positive electrode, the negative electrode, the separator, the electrolyte solution, the pouch, the cover, and the like used in the present invention can be easily manufactured by processes and / or methods known in the art. As the positive electrode, the negative electrode, and the separator constituting the electrode-separation membrane assembly, all of those conventionally used in manufacturing a lithium ion secondary battery may be used.
구체적으로, 양극은 당업계에서 알려진 통상적인 방법에 따라 양극 활물질을 양극 집전체에 결착시킨 형태로 제조하며, 리튬 이온을 흡장 및 방출하는 역할을 수행한다. 이때, 양극 활물질로는 종래 이차전지의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극 활물질이 사용 가능하며, 비제한적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1, 0<b<1, a+b+c=1), LiNi1 - YCoYO2, LiCo1 - YMnYO2, LiNi1 -YMnYO2(여기서, 0≤Y<1), Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2, 0<b<2, a+b+c=2), LiMn2 - ZNiZO4, LiMn2 -ZCoZO4(여기서, 0<Z<2), LiCoPO4, LiFePO4 및 이들의 혼합물 등이 있다. 또한, 양극 집전체로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등을 사용할 수 있다.Specifically, the positive electrode is prepared in a form in which the positive electrode active material is bound to the positive electrode current collector according to a conventional method known in the art, and serves to store and release lithium ions. As the cathode active material, a conventional cathode active material that can be used for a cathode of a conventional secondary battery can be used, and examples thereof include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni a Co b Mn c) O 2 (0 <a <1, 0 <b <1, a + b + c = 1), LiNi 1 -
음극은 당업계에서 알려진 통상적인 방법에 따라 음극 활물질을 음극 집전체에 결착시킨 형태로 제조하며, 상기 양극과 동일하게 리튬 이온을 흡장 및 방출하는 역할을 수행한다. 이때, 음극 활물질은 예컨대 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 -xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8)의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다. 한편, 음극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금 등을 사용할 수 있다.The negative electrode is manufactured by binding an anode active material to an anode current collector according to a conventional method known in the art, and performs a function of intercalating and deintercalating lithium ions in the same manner as the anode. At this time, the negative electrode active material may be carbon such as non-graphitized carbon or graphite carbon; Li x Fe 2 O 3 (0? X? 1), Li x WO 2 (0? X? 1), Sn x Me 1 -x Me y O z (Me: Mn, Fe, Pb, : Metal complex oxides of Al, B, P, Si,
분리막은 상기 양극과 상기 음극 사이에 마련되어 절연 상태를 유지하여 단락을 방지하는 것으로, 폴리올레핀, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포 등을 사용할 수 있다. 또한, 유기/무기물 입자 코팅층이 당해 분야에 공지되어 있는 바와 같이 분리막 위에 형성될 수 있다.Separation membrane is provided between the positive electrode and the negative electrode to maintain an insulating state to prevent a short circuit, a polymer membrane such as polyolefin, polypropylene, polyethylene or the like, multiple membranes thereof, microporous film, woven fabric and nonwoven fabric can be used. In addition, an organic / inorganic particle coating layer may be formed over the separator as is known in the art.
전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (γ-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.Electrolyte solution is A + B - A salt of the structure, such as, A + is Li +, Na +, K + comprises an alkaline metal cation or an ion composed of a combination thereof, such as, and B - is PF 6 -, BF 4 -, Cl -, Br -, I - , ClO 4 -, AsF 6 -,
파우치는 전해액에 용해되지 않는 물질이면 제한 없이 사용될 수 있다. 파우치는 전지 셀의 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 금속 박막, 예컨대 알루미늄 박막이 개재된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 상기 전지 셀과 외부와의 절연성을 확보하기 위하여 상기 알루미늄 박막은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET) 수지 또는 나일론(nylon) 수지 등의 절연 물질로 코팅된 절연층(도시되어 있지 않음)이 외부에 형성될 수 있다. 밀봉을 위해 파우치의 내면은 열접착성 수지로 이루어진 접착층(도시되어 있지 않음)을 형성할 수 있다. 따라서, 파우치는 금속 박막 내면에 접착층을 외면에는 절연층을 형성할 수 있으며, 내면에 코팅된 열접착성 수지가 가열, 가압에 의하여 융착되어 밀봉될 수 있다.Pouches can be used without limitation as long as the material does not dissolve in the electrolyte. The pouch may be configured in the form of interposing a metal thin film, such as an aluminum thin film, in order to improve the electrochemical properties of the battery cell and to improve heat dissipation. In addition, in order to ensure insulation between the battery cell and the outside, the aluminum thin film may include an insulating layer (not shown) coated with an insulating material such as polyethylene terephthalate (PET) resin or nylon (nylon) resin. It may be formed on the outside. The inner surface of the pouch for sealing may form an adhesive layer (not shown) made of a heat adhesive resin. Therefore, the pouch may form an adhesive layer on the inner surface of the metal thin film and an insulating layer on the outer surface thereof, and the heat-adhesive resin coated on the inner surface may be fused and sealed by heating and pressing.
도 5는 상변화 물질이 적용된 전지 모듈의 한 양태를 도시한 것이고, 도 6은 상변화 물질이 적용된 전지 모듈의 다른 양태를 도시한 것이다.5 illustrates an embodiment of a battery module to which a phase change material is applied, and FIG. 6 illustrates another embodiment of a battery module to which a phase change material is applied.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 양극(도시되어 있지 않음), 음극(도시되어 있지 않음) 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막(도시되어 있지 않음)을 구비한 하나 이상의 전극-분리막 조립체(1), 및 상기 전극-분리막 조립체(1) 각각의 외부 전면을 둘러싼 파우치(2), 상기 하나 이상의 파우치(2) 모두의 외부 전면을 둘러싼 커버(5)를 구비하는 리튬이온 이차전지 모듈에 있어서, 상기 파우치들(2) 사이 및 상기 파우치(2)와 상기 커버(5) 사이 중 1종 이상에 상변화 물질(3)이 도포된 구성을 특징으로 한다.5 and 6, according to another embodiment of the present invention, an anode (not shown), a cathode (not shown), and a separator interposed between the anode and the cathode (not shown) At least one electrode-membrane assembly (1), and a pouch (2) surrounding the outer front of each of the electrode-membrane assemblies (1), and a cover (5) surrounding the outer front of all of the at least one pouch (2) In the lithium ion secondary battery module having a, characterized in that the phase change material (3) is applied between at least one of the pouches (2) and between the pouch (2) and the cover (5). .
여기서, 양극, 음극, 분리막, 전극-분리막 조립체 및 파우치의 물질 및 구성은 전술된 바와 같다.Here, the materials and configurations of the positive electrode, the negative electrode, the separator, the electrode-membrane assembly and the pouch are as described above.
커버(5)는 일 실시양태에서 전술된 파우치(2)와 동일한 물질 및 구성을 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 커버(5)는 그 내부에 전해액이 존재하지 않을 수 있으므로, 그 물질의 예가 광범위할 수 있다. 또한, 커버(5)는 전술된 파우치(2)와 유사하게 외부에 절연층(도시되어 있지 않음)을 형성하고, 밀봉을 위해 내면에 열접착성 수지로 이루어진 접착층(도시되어 있지 않음)을 형성할 수 있다.The
1 - 전극-분리막 조립체
2 - 파우치
3 - 상변화 물질
4 - 관통 물체
5 - 커버1-electrode-membrane assembly
2 - Pouch
3-phase change material
4-penetrating object
5-cover
Claims (11)
상기 파우치의 내부 또는 외부의 적어도 일면에 상변화 물질(phase change material, PCM)이 도포된 리튬이온 이차전지 셀.An electrode-membrane assembly having an anode, a cathode and a separator interposed between the anode and the cathode, and a pouch surrounding the outer front surface of the electrode-membrane assembly,
A lithium ion secondary battery cell coated with a phase change material (PCM) on at least one surface of the inside or outside of the pouch.
상기 상변화 물질이 50℃ 이상의 상변화 온도(TPC)를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 셀.The method of claim 1,
And the phase change material has a phase change temperature (T PC ) of 50 ° C. or higher.
상기 상변화 물질이 파라핀, 무기 염, 염 수화물, 카복실산 및 당 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 셀.The method of claim 1,
The phase change material is a lithium ion secondary battery cell, characterized in that one or two or more selected from the group consisting of paraffins, inorganic salts, hydrates, carboxylic acids and sugar alcohols.
상기 상변화 물질이 테트라코산, 헥사코산, 노나코산, 소듐아세테이트 트라이하이드레이트, 소듐싸이오설페이트 펜타하이드레이트, 소듐하이드록사이드 모노하이드레이트, 리튬나이트레이트와 막네슘나이트레이트 헥사하이드레이트의 혼합물, 트라이소듐포스페이트 도데카하이드레이트, 마그네슘나이트레이트 헥사하이드레이트, 미리스트산, 스테아르산 및 크실리톨로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 셀.The method of claim 3,
The phase change material may be tetracoic acid, hexacoic acid, nonacoic acid, sodium acetate trihydrate, sodium thiosulfate pentahydrate, sodium hydroxide monohydrate, a mixture of lithium nitrate and magnesium nitrate hexahydrate, trisodium phosphate Lithium ion secondary battery cell, characterized in that one or two or more selected from the group consisting of dodecahydrate, magnesium nitrate hexahydrate, myristic acid, stearic acid and xylitol.
상기 상변화 물질과 함께, 우수한 열전도성을 갖는 하나 이상의 보조제가 더 도포되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 셀.The method of claim 1,
A lithium ion secondary battery cell, wherein the at least one auxiliary agent having excellent thermal conductivity is further applied together with the phase change material.
상기 보조제가 금속 분말, 금속 과립 또는 흑연인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 셀.6. The method of claim 5,
Lithium ion secondary battery cell, characterized in that the auxiliary agent is a metal powder, metal granules or graphite.
상기 상변화 물질의 도포량이 전극-분리막 조립체와 대향하는 파우치의 면적, 전지의 용량 또는 발열량에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 셀.The method of claim 1,
And the coating amount of the phase change material is adjusted according to the area of the pouch facing the electrode-separator assembly, the capacity of the battery, or the amount of heat generated.
상기 파우치들 사이 및 상기 파우치와 상기 커버 사이 중 1종 이상에 상변화 물질이 도포된 리튬이온 이차전지 모듈.At least one electrode-membrane assembly having an anode, a cathode and a separator interposed between the anode and the cathode, a pouch surrounding the outer front of each of the electrode-membrane assemblies, and a cover surrounding the outer front of all of the at least one pouch. But
Lithium ion secondary battery module is a phase change material is applied between at least one of the pouch and between the pouch and the cover.
상기 상변화 물질이 50℃ 이상의 상변화 온도(TPC)를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 모듈.9. The method of claim 8,
The phase change material has a phase change temperature (T PC ) of 50 ℃ or more lithium ion secondary battery module.
상기 상변화 물질이 파라핀, 무기 염, 염 수화물, 카복실산 및 당 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 모듈.9. The method of claim 8,
The phase change material is a lithium ion secondary battery module, characterized in that one or two or more selected from the group consisting of paraffins, inorganic salts, hydrates, carboxylic acids and sugar alcohols.
상기 상변화 물질의 도포량이 전극-분리막 조립체와 대향하는 파우치의 면적, 전지의 용량 또는 발열량에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 모듈.9. The method of claim 8,
And the coating amount of the phase change material is adjusted according to the area of the pouch facing the electrode-separator assembly, the capacity of the battery, or the amount of heat generated.
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