2종의 분리막을 포함하는 전극조립체 및 이를 포함하는이차전지 document_id A220623072271

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다. 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 전극조립체가 전해질이 함침된 상태로 케이스에 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다. 전극조립체는 긴 시트형의 집전체 호일(foil) 양면에 전극 활물질을 도포한 양극과 음극을 분리막을 개재한 상태로 둥글게 권취한 젤리-롤형과 일정한 단위 크기의 집전체 호일 양면에 전극 활물질을 도포한 다수의 양극과 음극을 분리막을 개재한 생태로 순차적으로 적층한 스택형으로 구분된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다. 구체적으로, 젤리-롤은 활물질이 도포되어 있는 음극 시트와 양극 시트 사이에 분리막을 위치시키고 상기 음극 시트의 외면 또는 양극 시트의 외면에 또 다른 분리막을 위치시킨 상태에서, 상기 두 시트를 수평 단면상 원형의 구조로 권취하여 원통형 케이스에 내장함으로써 원통형 전지로 제조되거나, 또는 상기 원통형 구조를 압축하여 각형 전지케이스에 내장함으로써 각형 전지로 제조된다. 상기 젤리-롤은 원통형 전지 또는 각형 전지로 제조되는 경우에 따라, 전기적 연결을 위한 전극 탭들의 위치가 달라진다. 예를 들어, 젤리-롤이 원통형 전지에 적용될 경우, 그것의 음극 탭은 음극 단자로서의 원통형 전지케이스에 직접 접속될 수 있도록 최외측의 음극 시트 자체로 위치하고, 양극 탭은 양극 시트에서 활물질이 도포되어 있지 않은 부위에 용접되어 돌출된 형태로 위치한다. 이러한 구조에 의하여, 상기 젤리-롤의 권심부위에는 양극 시트에 용접된 양극 탭에 의해 단차부위가 형성된다. 한편, 상기 젤리-롤에 사용되는 두 장의 분리막들은 일반적으로 동일한 물성을 갖는 다공성 분리막 시트로 이루어져 있으며, 고용량 이차전지용 젤리-롤에는 높은 공극율을 갖는 다공성 고분자 분리막을 사용한다. 그러나, 높은 공극율을 갖는 다공성 고분자 분리막은 제조 특성상 기계적 물성이 낮아 전지의 반복적인 충방전에 의한 상기 단차부위의 변형시 단락을 유발하기 쉬운 단점이 있다. 반면에, 상기와 같은 단락을 방지하기 위하여 다공성이 낮은 고분자 분리막을 사용할 경우, 기계적 특성은 보완되지만 전극 대면부위에서의 외부충격에 의한 단락 발생시 좁은 단락 면적으로 인하여 통전에 따른 발열량이 큰 문제점이 있다. 이러한 안전성 향상을 위하여 여러 가지 방법이 고안되었으며 2가지 이상의 분리막을 사용하여 전지를 제조한 특허도 출원된 바 있다. 일본특허 10-199502호의 경우 양극과 음극 사이에 서로 다른 특징을 보유하는 2장의 분리막을 적층하여 전지를 구성함으로써 높은 인장강도와 높은 용량 보존 특성을 동시에 추구하였다. 이때 사용되는 제1분리막과 제2분리막은 각각 폴리올레핀계 수지와 폴리아마이드계 수지를 사용하였다. 또한, 일본공개특허 제2000-82497호의 경우 전지의 사이클 특성 향상을 위해 동일한 2장의 PP 분리막을 권취하여 사용한 기술을 제시하였다. 또한, 일본공개특허 제2003-243037호의 경우 2개의 융점이 다른 분리막을 사용하여 전지의 안전성을 향상시키고자 하였는데, 구체적으로는 낮은 용융 온도의 제2분리막이 리튬이온을 흡장/방출하지 않는 제2의 전극대를 형성하여 전지의 온도가 상승할 때 미리 단락을 유도하여 안전성을 향상시킨 것이다. 그러나 이 경우 실제로 전지의 사용 범위는 고온으로는 약 90℃까지므로 그 이전의 온도에서 단락이 발생하는 경우 성능에 막대한 저하를 가져올 것이므로 90℃ 이상에서 그러한 우선적 단락이 발생해야 한다. 90℃ 이상에서 내부 단락이 발생하게 되면 실제 전지는 상온에서 단락이 발생하는 경우에 비해서 훨씬 더 위험한 상황에 노출되어 오히려 안전성이 더 나빠질 가능성이 높아 좋은 해결책이 될 수 없다. 또한 이러한 고분자 분리막의 융점 차이를 이용하는 것은 전지의 온도가 상승했을 때만 관계되는 것이지 전지의 외부충격 즉 압괴, 부분압괴 등에 의한 단락의 경우에는 전혀 안전성에 효과가 없다. 또한, 한국 공개특허 2005-106680에서는 양극, 음극 및 양극과 음극의 사이에 배치되는 제1분리막을 포함하는 전극조립체에 있어서, 활물질이 코팅되지 않은 양극, 활물질이 코팅되지 않은 음극 및 상기 양극과 음극의 사이에 배치되는 제2분리막으로 구성된 최외각 전극층을 상기 전극조립체의 최외각 상단과 최외각 하단에 각각 포함하며, 상기 제2분리막이 상기 제1분리막보다 낮은 파괴인장에너지를 가짐으로써 상기 제2분리막이 상기 제1분리막보다 파괴인장에너지가 낮음으로써 외부 충격시에 최외각 전극층에서 먼저 단락이 발생하여 전지의 열발산을 향상시켜 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 기술을 제시하고 있다. 따라서, 권취된 젤리-롤에서 단락이 유발될 때 전지의 안전성을 효과적으로 향상시킬 수 있도록 단락이 발생되는 부위별로 적합한 특성을 지닌 분리막을 사용하는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.