(57)【要約】  本発明は、二次電池用電極組立体とリチウム二次電池を提供する。本発明によれば、正極集電体上に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極と、前記正極と負極との間に介在されるポリオレフィン系分離膜を含む電極組立体であって、前記正極又は負極の少なくとも何れか一つの活物質層の上面にはＰＴＣ(Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ)物質層が形成されることを特徴とする。このように、ＰＴＣ物質層は、電池が正常に動作しているときは、充電、放電に関係なく、活物質が一定の導電性を示すようにする役割をし、短絡や事故により電池の内部温度が上昇することになるときは不導体に変わって電池の安全性が増大される。
2014505335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池用電極組立体であって、
正極集電体上に正極活物質層が形成された正極と、
負極集電体上に負極活物質層が形成された負極と、
前記正極と前記負極との間に介在されているポリオレフィン系分離膜とを備えてなるものであり、
前記正極又は前記負極の少なくとも何れか一つの活物質層の上面には、ＰＴＣ(Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：正温度係数)物質層が形成されることを特徴とする、二次電池用電極組立体。
【請求項２】
前記ＰＴＣ物質層の有効動作温度が、８０乃至１４０℃の範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池用電極組立体。
【請求項３】
前記ＰＴＣ物質層の厚さが１乃至３０μｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の二次電池用電極組立体。
【請求項４】
前記ＰＴＣ物質層の面積が、それぞれの活物質層の面積と同じことを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の二次電池用電極組立体。
【請求項５】
前記ＰＴＣ物質層が、カーボンブラック、カーボンファイバー、又はこれらの混合物を含むことを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の二次電池用電極組立体。
【請求項６】
前記電極組立体が、連続的に長く裁断された分離フィルム上にバイセル(Ｂｉ-ｃｅｌｌ）とフルセル(Ｆｕｌｌ-ｃｅｌｌ）が交差した状態で折りたたんで製造するスタック型及び折りたたみ型電極組立体、
バイセルのみを前記分離フィルム上に置いた状態で折りたたんで製造するスタック型及び折りたたみ型電極組立体、
フルセルのみ前記分離フィルム上に置いた状態で折りたたんで製造するスタック型及び折りたたみ型電極組立体、
前記バイセル又はフルセルを分離フィルムにジグザグ方向に折りたたんで製造するＺ型スタック型及び折りたたみ型電極組立体、
前記バイセル又はフルセルを同じ方向に連続して折りたたんで製造するスタック型及び折りたたみ型電極組立体、
長く裁断された分離フィルム上に正極と負極を交差した状態で折りたたんで製造する電極組立体、
正極板、分離膜、負極板の順に配置された状態で一方向に巻いて製造するジェリー・ロール型電極組立体、及び
スタック型電極組立体からなる群から選択される何れか一つであることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の二次電池用電極組立体。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の二次電池用電極組立体を備えてなることを特徴とする、リチウム二次電池。
【請求項８】
請求項７に係るリチウム二次電池を備えてなることを特徴とする、電池パック。
【請求項９】
前記電池パックが、中型又は大型デバイスの電源として用いられることを特徴とする、請求項８に記載の電池パック。
【請求項１０】
前記中大型デバイスが、パワーツール(ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）、電気車(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気車(Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）、及びプラグインハイブリッド電気車(Ｐｌｕｇ-ｉｎ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）を包含する電気車；Ｅ−ｂｉｋｅ、Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒを包含する電気二輪車；電動ゴルフカート(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）; 電気トラック、電気乗用車、及び電力貯蔵用システムからなる群から選択される何れか一つであることを特徴とする、請求項９に記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１１年６月３０日に韓国特許庁に提出された特許出願第１０−２０１１−００６４７８５号の優先権を請求し、本明細書で参照として組み込まれる。
【０００２】
本発明は、非正常的な状況での安全性を向上させた二次電池用電極組立体及びこれを含むリチウム二次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
最近、エネルギー貯蔵技術に対する関心がますます高まっている。携帯電話、デジタルビデオカメラ、ノートパソコン、さらには電気自動車のエネルギー源にまで適用分野が拡大されながら、電気化学素子の研究開発への取り組みがますます具体化されている。電気化学素子は、このような側面において最も注目されている分野であり、その中でも充放電が可能な二次電池の開発は関心の焦点となっている。最近では、このような電池を開発するに当たり、容量密度及び非エネルギーを向上させるために新しい電極と電池の設計に対する研究開発が進められている。
【０００４】
現在適用されている二次電池のうち、１９９０年代初期に開発されたリチウム二次電池は、水溶液電解液を用いるＮｉ−ＭＨ、Ｎｉ−Ｃｄ、硫酸−鉛電池などの従来の電池に比べて動作電圧が高く、エネルギー密度がはるかに大きいという長所で脚光を浴びている。しかし、このようなリチウム二次電池は、有機電解液を用いる際の発火や爆発などの安全性の問題が存在し、製造が難しいという短所がある。
【０００５】
前記のような電池の安全性評価及び安全性の確保は非常に重要である。最も重要な考慮事項は、電池が誤作動時に使用者に傷害を加えてはいけないということであり、このような目的のために電池の安全規格により電池内の発火や発煙などを厳しく規制している。よって、安全性の問題を解決するために、多くの解決方法が提示されている。
【０００６】
より根本的な問題として、現在生産されているリチウム二次電池は、正極と負極の短絡を防止するために、ポリオレフィン系の分離膜を用いています。しかし、前記分離膜は、通常２００℃以下で溶融される高分子成分を用いるだけでなく、分離膜として用いるために、細孔径と細孔度を調整する延伸(ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ)工程を経ることにより、高温にさらされる場合、本来の大きさで熱収縮(ｓｈｒｉｎｋｉｎｇ)される短点を有している。したがって、内部／外部の刺激によって電池が高温に上昇する場合、分離膜の収縮や溶融などにより、正極と負極が互いに接触して短絡する可能性が高くなり、これにより電気エネルギーが急激に放出され、電池の爆発、発火がもたらされる。したがって、高温での熱収縮が起こらない分離膜の開発が不可欠といえる。
【０００７】
このようなリチウム二次電池は、電極組立体の内部短絡または外部短絡または過充放電などによって電圧が急上昇し、このため、電池が破裂する危険にさらされている。二次電池の内部の短絡を防止するためには、電極組立体の正極板と負極板の終端部と電極タブ溶接部を含む短絡の危険性がある部分に絶縁テープを貼り付けることになる。また、二次電池は、正温度係数(Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：ＰＴＣ)素子、サーマルヒューズ(ｔｈｅｒｍａｌ ｆｕｓｅ)と保護回路(ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ)などの安全装置と電気的に接続され、これらの安全装置は、電池の電圧や温度が急上昇するときの電流を遮断して電池の破裂を未然に防止する。
【０００８】
近年、電池の大型化及び高容量化に応じて充放電時に正極／負極発熱が増大し、安全性の確保がより一層重要な課題として浮かび上がっている。特に、電池内部での短絡や過充電などにより電池温度が異常に急激に上昇する場合、電池の外部に設けられた安全機構だけでは、上述した発熱を速やかに抑制することが難しい。
【発明の概要】
【技術的課題】
【０００９】
本発明はこのような問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、電池内部の温度上昇時に電流を遮断して、それ以上の発熱を抑制することにより、電池の温度上昇を抑制することができるリチウム二次電池用電極組立体を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、前記電極組立体を含む安全性が向上したリチウム二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明は、正極集電体上に正極活物質層が形成された正極、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極；前記正極と負極との間に介在されているポリオレフィン系分離膜を含む電極組立体であって、前記正極または負極の少なくとも何れか一つの活物質層の上面には、ＰＴＣ(Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ)物質層が形成される二次電池用電極組立体を提供する。
【００１２】
前記ＰＴＣ物質層の有効動作温度は、８０乃至１４０℃の範囲内であることを特徴とする。
【００１３】
前記ＰＴＣ物質層の厚さは１乃至３０μｍであることを特徴とする。
【００１４】
前記ＰＴＣ物質層の面積は、それぞれの活物質層の面積と同じことを特徴とする。
【００１５】
前記ＰＴＣ物質層は、カーボンブラック、カーボンファイバーの何れかまたは両方の混合物を含むことを特徴とする。
【００１６】
前記二次電池用電極組立体は、連続的に長く裁断された分離膜の上にバイセル(Ｂｉ-ｃｅｌｌ）とフルセル(Ｆｕｌｌ-ｃｅｌｌ）が交差した状態で折りたたんで製造するスタック＆折りたたみ型電極組立体、バイセルのみを前記分離フィルム上に置いた状態で折りたたんで製造するスタック＆折りたたみ型電極組立体、フルセルのみ前記分離膜の上に置いた状態で折りたたんで製造するスタック＆折りたたみ型電極組立体、前記バイセルまたはフルセルを分離フィルムにジグザグ方向に折りたたんで製造するＺ型スタック＆折りたたみ電極組立体、前記バイセルまたはフルセルを同じ方向に連続して折りたたんで製造するスタック＆折りたたみ電極組立体、長く裁断された分離フィルムの上に正極と負極を交差した状態で折りたたんで製造する電極組立体、正極板、分離膜、負極板の順に配置された状態で一方向に巻いて製造するジェリー・ロール型電極組立体、及びスタック型電極組立体からなるグループから選択された何れか一つであることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記電極組立体を含むリチウム二次電池を提供し、さらには、前記リチウム二次電池を含むことを特徴とする電池パックを提供する。
【００１８】
前記電池パックは、中大型デバイスの電源として用いられることを特徴とする。
【００１９】
前記中大型デバイスは、パワーツール(ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）、電気車(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気車(Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）やプラグインハイブリッド電気車(Ｐｌｕｇ-ｉｎ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）を含む電気車、Ｅ−ｂｉｋｅ、Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒを含む電気二輪車、電動ゴルフカート(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）;電気トラック、電気乗用車及び電力貯蔵用システムからなるグループから選択された何れか一つであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による二次電池は、特定の温度で導体から絶縁体に変わる特性、すなわち、ＰＴＣ(ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ)特性を示す物質を正極または負極の製造時に添加することにより、前記ＰＴＣ現象の物質が電池が正常に動作しているときは、充電、放電に関係なく、活物質が一定の導電性を示すようにする役割をし、短絡や事故により電池の内部温度が上昇するときは不導体に変わって安全性が増大する。
【００２１】
また、本発明による電池は、電池の容量が増加するに伴い発生する安全性の問題を解決することができるため、リチウム二次電池の高容量化(２０００ｍＡｈ以上／１８６５０電池）を可能にし、電池の安全性を確保するために個別の保護回路が不要なため、電池の製造コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例による二次電池用電極を簡単に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
前記のような目的を果たすために、本発明の一実施例による電極組立体及びこれを含むリチウム二次電池に対して説明する。
【００２４】
機能性高分子の一分野として電気の導電性高分子の重要性が次第に高まっている。高分子材料に導電性を付与することにより、高分子物質の有用な物理・化学的性質の物性と機能性に優れた利点を得ることができるだけでなく、生産コスト面でも安価な節約型材料を得ることができる。
【００２５】
電気導電性高分子の応用分野も帯電防止用、自己発熱用、または電磁波吸収などに多様化、専門化されており、このような用途でいくつかの導電性複合材料が製造されている。導電性充填剤が配合された半結晶性ポリマーは、温度を上昇させると、高分子の溶融領域の熱膨張により、高分子内の充填剤粒子の間の層が増えることになって電子の流れが妨げられるようになり、よって温度が増加するにつれて抵抗が急に大きく増加する現象が現れるが、これをＰＴＣ現象(Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ)現象という。
【００２６】
一般的に多くの高分子材料は、絶縁性が良い材料であると認識されてきており、高分子材料は、低電気伝導率により、電気絶縁材として優れた役割を果たすが、カーボンブラック(ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、カーボンファイバー(Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、金属粉などの充填剤をつけると電気伝導体としての役割をする。添加された充填剤は、高分子材料内において電気的経路を形成し、電子の通路として作用することになる。ＰＴＣとは、高分子材料に導電性粒子を入れることで導電体の役割をして、特定の温度や過電流が流れているとき、これによる製品や電子回路の損傷を防止するために用いられる物質を総称する。電気的に用いられてきたＰＴＣ材料は、優れた熱的、電気的保護性を有する。
【００２７】
本発明は上述したところのようなＰＴＣ(Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ)現象を現わす物質層(以下、「ＰＴＣ 物質層」という）が形成された電極を含む電極組立体を提供する。
【００２８】
前記ＰＴＣ物質層は、高分子材料と導電性充填剤を含むものである。
【００２９】
前記高分子材料としては、ＰＴＣ物質の製造に使用される通常の熱可塑性ポリマーを特に制限なく採用して用いることができる。具体的には、前記熱可塑性ポリマーは、半−結晶物質であり、これは非晶質熱可塑性物質と比較したとき、半−結晶物質のＰＴＣ特性を獲得することがより容易になるからである。一具体例において、半−結晶熱可塑性物質は、５％以上の結晶度、詳細には１０％以上の結晶度、より詳細には、１５％以上の結晶度を有する。ここで、用語 「半−結晶」は、熱可塑性物質の挙動が相当な量の、しかし完全ではない結晶性の熱可塑性挙動を示すようにするのに十分な結晶度を有することを意味する。
【００３０】
本発明で用いることができる熱可塑性ポリマーの例には、高密度ポリエチレン、線形低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、無水マイレン酸の機能化されたポリエチレン、無水マイレン酸の機能化されたエラストマーエチレン共重合体(例えば、エクソンモービル(Ｅｘｘｏｎ Ｍｏｂｉｌ)のＥＸＸＥＬＯＲ ＶＡ１８０１及びＶＡ１８０３）、エチレン−ブテン共重合体、エチレン−オクテン共重合体、エチレン−メチルアクリレート、エチレン−エチルアクリレート及びエチレンブチルアクリレート共重合体エチレン−アクリル酸共重合体、グリシジルメタクリレート変性ポリエチレンを含むポリエチレン(ＰＥ）、ポリプロピレン(ＰＰ)、無水マイレン酸の機能化されたポリプロピレン(ｍａｌｅｉｃ ａｎｈｙｄｒｉｄｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ)、グリシジルメタクリレート変性ポリプロピレン(ｇｌｙｃｉｄｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ポリ塩化ビニル(ＰＶＣ）、ポリビニルアセテート、ポリビニルアセチル、アクリル樹脂、シンジオタクチックポリスチレン(ｓｙｎｄｉｏｔａｃｔｉｃ ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ：ＳＰＳ）、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ１１、ＰＡ１２、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔを含むが、これらに限定されないポリアミド、ポリ−テトラ−フルオロエチレン(ｐｏｌｙ−ｔｅｔｒａ−ｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ：ＰＴＦＥ）、ポリブチレン−テレフタレート(ＰＢＴ）、ポリフェニレン−サルファイド(ＰＰＳ）、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエチレンビニルアセテート(ＥＶＡ）、グリシジルメタクリレート変性ポリエチレンビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリ(メチルメタクリレート）(ＰＭＭＡ）、ポリイソブチレン、ポリ(塩化ビニリデン）、ポリ(ビニリデンフルオライド(ＰＶＤＦ）、ポリ(メチルアクリレート）、ポリアクリロニトリル、ポリブタジエン、ポリエチレン−テレフタレート(ＰＥＴ）、ポリ(８−アミノカプリル酸）、ポリ(ビニルアルコール）(ＰＶＡ）、ポリカプロラクトン、またはブレンド、混合物、または複数のポリマーの組み合わせを含むが、これらに限定されているわけではない。一具体例で、熱可塑性ポリマーと高密度ポリエチレンのようなポリエチレンポリマーを使用することができ
、ここで、「高密度」とは、０．９４ｇ／ｃｍ３超過の密度を有することをいう。ＰＴＣ物質層に含まれる高分子材料としては、前記のような熱可塑性物質が一般的に用いられるが、熱硬化性樹脂(ｔｈｅｒｍｏｓｅｔ）の使用を排除するものではない。
【００３１】
前記熱可塑性ポリマーの量は、ＰＴＣ組成物の総重量の３０乃至９０重量％、詳細には４０乃至７０重量％、更に詳細には４０乃至６０重量％であり得る。
【００３２】
前記導電性充填剤としては、カーボンブラック、カーボンファイバー、グラファイトのような炭素系物質を用いることができるが、これらに限定されるものではない。
【００３３】
前記導電性充填剤の量は、ＰＴＣ組成物の総重量の１０乃至７０重量％、詳細には３０乃至６０重量％、更に詳細には４０乃至６０重量％であることができる。
【００３４】
一方、ＰＴＣ物質層としてセラミック材料、例えばＢａＴｉＯ３を使用することもできる。
【００３５】
また、純粋なＢａＴｉＯ３原料の原子が＋３、＋５のＹ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５を混合、合成して半導性セラミックスＰＴＣ物質層を製造することができ、温度変化のためにＢａ位置にＰｂ、Ｓｒ元素を置き換えることもできる。
【００３６】
前記電極組立体は、正極集電体上に正極活物質がコーティングされて正極端子が接続された正極、負極集電体上に負極活物質がコーティングされて負の端子が接続された負極と、前記正極と負極との間に介在される分離膜を含んでいる。
【００３７】
前記正極板は、ストリップ状の金属薄板となった正極集電体と前記正極集電体の少なくとも1面にコーティングされている正極活物質層を備えている。前記正極集電体は、導電性に優れた金属薄膜のアルミニウムの薄板が好ましく、前記正極活物質層は、本発明では特に限定せず、公知されたリチウム系酸化物及びバインダー、可塑剤、導電材などが混合された組成物であり得る。前記正極板には正極無地部に正極リードが取り付けられている。
【００３８】
前記負極板は、ストリップ状の金属薄板となった負極集電体と前記負極集電体の少なくとも一面にコーティングされている負極活物質層を備えている。
【００３９】
前記負極集電体は、優れた導電性を有する銅薄板が好ましく、前記負極活物質層には、炭素材のような負極活物質とバインダー、可塑剤、導電材などが混合された組成物であり得る。前記負極板もまた、前記正極板と同様に負極無地部に正極リードが取り付けられている。
【００４０】
前記正極及び負極リードは、正極と負極無地部の表面に電気的に連結されており、そのために前記正極と負極無地部に対してレーザー溶接や超音波溶接などのような溶接や導電性接着剤によって通電可能なように取り付けられている。
【００４１】
本発明に含まれる電極組立体は、特にその形態を限定せず、様々な形態の電極組立体が全て含まれることはもちろんであり、例えば、バイセル(Ｂｉ-ｃｅｌｌ）とフルセル(Ｆｕｌｌ-ｃｅｌｌ）という互いに異なるタイプのスタック型の単位セルを交差して長く裁断された分離フィルムに巻線(ｗｉｎｄｉｎｇ）して含むスタック＆折りたたみ型電極組立体、前記のような方式のスタック＆折りたたみ型電極組立体としてバイセルとプルセルの区別なく、同じタイプのスタック型の単位セルを含むスタック＆折りたたみ型電極組立体、前記スタック型の単位セルを分離フィルムに巻線(ｗｉｎｄｉｎｇ）している場合、ジグザグ方向に折りたたむＺ型スタック＆折りたたみ電極組立体、前記スタック型の単位セルを同じ方向に連続して巻線(ｗｉｎｄｉｎｇ）するスタック＆折りたたみ電極組立体、または前記スタック型セルを単位セルとし、分離膜に折りたたむのではなく、正極、負極を交互に分離フィルム上に置いた状態で連続して巻線する電極アセンブリまたはこれをジグザグ方向に巻線するＺ型電極組立体、及び一般的なスタック型電極組立体、正極板、分離膜、負極板の順に配置された状態で一方向に巻かれたジェリー・ロール型の電極組立体などが全て含まれています。
【００４２】
また、本発明は、前記電極組立体を前記電極組立体を収容する電池ケースに収容し、前記電極組立体が離脱しないようにして、前記電池ケースに電解液を注入した後、密封してリチウム二次電池を完成する。
【００４３】
前記電池ケースは、缶又はパウチであり得る。
【００４４】
本発明によるパウチ型ケースは、前記上部ケースと下部ケースが互いに向き合う面が熱接着性を有する素材のフィルムであり、その他の異なる材質の複数のフィルムが順次積層結合された形態であり得、ここで前記上部ケースと下部ケースのフィルム層は、熱接着性を有してシーリング材の役割をするポリオレフィン系樹脂層、機械的強度を維持する基材及び水分と酸素のバリア層としての役割をするアルミニウム層、基材と保護層として作用するナイロン層からなる構成であり得る。
【００４５】
結合された上部及び下部ケースの外形、は大きさを最小化するために、上記電池部の外形と対応することができるように長方形を維持している。
【００４６】
前記上部及び下部ケースは、少なくとも一辺が一体に接している可能性があり、他の変数は相互に開放され得る。
【００４７】
前記下部ケースまたは上部ケースの何れかには、前記電極組立体が収容される空間部が形成され、前記空間部の端に沿ってシール部が形成される。また、電極組立体を収容する空間部は、前記下部ケースと上部ケースの両方に形成することもできる。
【００４８】
前記シール部は、前記電極組立体が空間部内に収容された後に熱融着によってシールされる部分をいう。
【００４９】
本発明はさらに、上記のリチウム二次電池を含む電池パックを提供する。
【００５０】
本発明による電池パックは、小型デバイスの電源として用いることができるだけでなく、好ましくは、多数の電池セルを含む中・大型機器に用いることができる。
【００５１】
前記中大型デバイスの好ましい例としては、パワーツール(ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）、電気車(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気車(Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）やプラグインハイブリッド電気車(Ｐｌｕｇ-ｉｎ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）を含む電気車、Ｅ−ｂｉｋｅ、Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒを含む電気二輪車、電動ゴルフカート(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）;電気トラック、電気乗用車及び電力貯蔵用システムなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００５２】
以下では、本発明の一実施例に係る図面を参照して説明するが、これは本発明をより容易に理解できるようにするためのもので、本発明の範囲は、それによって限定されるものではない。
【００５３】
図１は本発明の一実施形態によるＰＴＣ物質層３０を含む電極を示したもので、前記ＰＴＣ物質層３０は、特定の温度で導体から絶縁体に変わるＰＴＣ(Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ)特性を示す物質層として、前記ＰＴＣ物質層は、バッテリーが正常に動作しているときは、充電、放電に関係なく、活物質が一定の導電性を示すようにする役割をしますが、短絡や事故により電池の内部温度が上昇することとなるときは、不導体に変わり電池が正しく動作しないようにする。
【００５４】
ＰＴＣ物質層３０の有効作動温度は８０乃至１４０℃であることが好ましい。ここで、「ＰＴＣ物質層の有効動作温度」とは、ＰＴＣ物質層がＰＴＣ現象を示す温度、すなわち、過大電流発生時の行(Ｊｏｕｌｅ）熱の発生に応じて抵抗が急激に増加して電流を遮断するヒューズの機能をすることができる温度を意味する。リチウム二次電池の使用温度範囲は、通常放電の場合、−２０乃至６０℃であり、充電は０乃至４５℃で行われる。
【００５５】
しかし、過充電や内部短絡などにより電池の内部温度が１００℃以上と急激に上昇することがあり、このとき、前記ＰＴＣ物質層が動作するように構成されていることが好ましい。しかし、ＰＴＣ現象が発現する温度が１４０℃を超える場合は、バッテリー内部の温度が過度に上昇するまで、ＰＴＣ現象が現れないため、電池の安全性の面で好ましくない。
【００５６】
前記ＰＴＣ物質層は、陽極または負極の少なくとも何れかに形成され、特に、本発明では、正極集電体または負極集電体上の活物質層２０上に形成されることが好ましい。例えば、ポリオレフィン系分離膜は、電池の内部温度が急に上昇すると、熱収縮が発生するため、分離膜を挟んでその両側に位置している陽極と負極が相互に接触する恐れがある。したがって、正極と負極の最も外側の面、特に相互対向する面にＰＴＣ物質層が形成されると、上述したように、分離膜が収縮しても相互間に接触する可能性を最小化し、内部短絡を防止し、安全性を向上させることができる。
【００５７】
この際、ＰＴＣ物質層の面積は、それぞれの活物質層の面積と同じように形成されることが好ましい。前記ＰＴＣ物質層が、前記活物質層よりも面積が小さい場合ＰＴＣ物質層が形成されていない活物質層は、内部短絡の恐れがあり、前記ＰＴＣ物質層が、前記活物質層の面積を超えている場合、内部短絡の問題がない電極の無地部に内部短絡を防止しようとするＰＴＣ物質層が形成されることになってＰＴＣ物質層の面積は、それぞれの活物質層の面積と同じように形成されることが好ましい。
【００５８】
また、ＰＴＣ物質層の厚さ１乃至３０μｍで形成されることが好ましい。ＰＴＣコーティング層の厚さが１μｍ 未満の場合、ＰＴＣ現象の発現が容易ではなく、前記厚さが３０μｍを超えた場合、電極の大きさ(厚さ）が大きくなるので、エネルギー密度が低くなり好ましくない。
【００５９】
このような電極組立体を含む二次電池の製造方法を簡略に説明すると、次の通りである。
【００６０】
先ず、正極活物質と、バインダーとしてポリビニリデンフルオライドを混合して正極活物質スラリーを製造した後、これを正極集電体であるアルミニウム箔に塗布し、乾燥する。その後、ＰＴＣ物質を正極活物質層の上にコーティングして正極を製造する。もちろん、前記正極活物質スラリーにカーボンブラック、ケッチェンブラックなどの導電材を一部添加することもできる。
【００６１】
また、負極活物質と、バインダーとしてポリビニリデンフルオライドを混合して負極活物質スラリーを製造した後、これを負極集電体である銅箔に塗布し、乾燥する。前記負極活物質は、非晶質炭素、結晶質炭素などの炭素材料、またはＳｎＯ２を用いることができる。その後、ＰＴＣ材料を負極活物質層の上にコーティングして負極を製造する。もちろん、前記負極活物質スラリーにカーボンブラック、ケッチェンブラックなどの導電材を一部添加することもできる。
【００６２】
製造された正極、負極をポリプロピレン、ポリエチレン製の多孔質フィルムの膜とともに巻取り、二次電池用外装材に収納して電解液を注入した後、密封して二次電池を完成する。
【００６３】
この際、電解液としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ６、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ(ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＣｌＯ４などのリチウム塩をプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、またはこれらの混合物である非水性有機溶媒に溶解させたものを用いることができる。
【００６４】
下記の実施例を介して本発明を具体的に説明するが、これは本発明を詳細に説明するための一つの実施例であるだけであり、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。
【実施例１】
【００６５】
正極活物質としてＬｉＣｏＯ２、バインダーとしてポリビニリデンフルオライド、導電材としてケッチェンブラックの混合物を９４:４:２の重量比でＮ−メチルピロリドンに混合して正極活物質スラリーを製造し、このスラリーをアルミニウム箔に塗布した後乾燥させて、正極活物質層を製造した。前記正極活物質層の上にＬｉＣｏＯ２  １００重量部を基準として、カーボンブラック１０重量部及び高密度ポリエチレン１５重量部を含む組成物(ＰＴＣ材料）を塗布して正極を製造した。負極活物質としては、非晶質炭素、バインダーとしてポリビニリデンフルオライドを９５:５の重量比でＮ−メチルピロリドンに混合して負極活物質スラリーを製造した。
【００６６】
このスラリーを銅箔に塗布した後乾燥させて負極活物質層を製造した。
【００６７】
前記負極活物質層の上に非晶質炭素１００重量部に対して、カーボンブラック１０重量部及び高密度ポリエチレン１５重量部を含む組成物(ＰＴＣ材料）を塗布して負極を製造した。
【００６８】
セパレータとしては、Ａｓａｈｉ社のポリエチレン多孔質フィルムを使用し、電解液として、エチレンカーボネート／ジメチルカーボネート／ジエチルカーボネートの混合物(３:３:４体積比）にＬｉＰＦ６を溶かしたものを注入した。続いて、電解液注入部を密封させ、パウチ型リチウム二次電池を完成した。
【実施例２】
【００６９】
カーボンブラックの代わりにカーボンファイバーを使用したことを除いては、実施例１と同様の方法でパウチ型リチウム二次電池を完成した。
【実施例３】
【００７０】
ＰＴＣ材料としてＢａＴｉＯ３を用いたことを除いては、実施例1と同様の方法でパウチ型リチウム二次電池を完成した。
【比較例１】
【００７１】
ＰＴＣ物質を塗布していないことを除いては、実施例１と同様の方法でパウ
チ型リチウム二次電池を完成した。
【実験例】
【００７２】
実施例１乃至３及び比較例１のリチウム二次電池を１５０℃のホットボックス(ＨＯＴ ＢＯＸ)に１時間放置し、安全性を評価した。その結果を表１に記載した。
【表１】
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【符号の説明】
【００７３】
１０: 電極集電体
２０: 活物質層
３０: ＰＴＣ物質層
【図１】
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【国際調査報告】
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