特表 2022-548091 内部短絡評価用の電池セル及びそれを用いた電池セル内部短絡の評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-11-16

(54)【発明の名称】内部短絡評価用の電池セル及びそれを用いた電池セル内部短絡の評価方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/0585 20100101AFI20221109BHJP

   H01M 10/052 20100101ALI20221109BHJP

   H01M 50/443 20210101ALI20221109BHJP

   H01M 50/414 20210101ALI20221109BHJP

   H01M 50/105 20210101ALI20221109BHJP

【ＦＩ】

H01M10/0585

H01M10/052

H01M50/443 M

H01M50/414

H01M50/105

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022516365

(86)(22)【出願日】2020-12-10

(85)【翻訳文提出日】2022-03-14

(86)【国際出願番号】 KR2020018055

(87)【国際公開番号】W WO2021125694

(87)【国際公開日】2021-06-24

(31)【優先権主張番号】10-2019-0169230

(32)【優先日】2019-12-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521065355

【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】ソル・ニプ・イ

(72)【発明者】

【氏名】ジョン・ミン・ヤン

【テーマコード（参考）】

5H011

5H021

5H029

【Ｆターム（参考）】

5H011AA13

5H011CC10

5H021AA01

5H021CC04

5H021EE21

5H029AJ12

5H029AK01

5H029AK03

5H029AL06

5H029AL07

5H029AL11

5H029AL12

5H029AM02

5H029AM03

5H029AM04

5H029BJ04

5H029HJ09

(57)【要約】

本発明は、内部短絡評価用の電池セルおよびそれを用いた評価方法に関するものであって、上記電池セルは、電池セルの内部短絡状態を容易に誘導すると同時に、効果的な内部短絡の評価が可能である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属集電体の一面または両面に第１電極合剤層が塗布された有地部領域、および前記有地部領域から一方向に突出されて形成され、かつ前記第１電極合剤層が塗布されない第１電極タブを含み、かつ前記有地部領域のうちの一部領域に前記第１電極合剤層が塗布されない無地部領域が形成された第１電極と、
前記第１電極の前記無地部領域を覆い、かつ前記無地部領域よりも大きな面積に形成された第１サブ分離膜と、
前記第１電極の前記無地部領域に対応する位置に形成され、かつ前記第１電極の有地部領域から一方向に突出されるように形成された第１短絡電極と、
金属集電体の一面または両面に第２電極合剤層が塗布された有地部領域、および前記有地部領域から一方向に突出されて形成され、かつ前記第２電極合剤層が塗布されない第２電極タブを含み、かつ前記有地部領域のうちの一部領域に前記第２電極合剤層が塗布されない無地部領域が形成された第２電極と、
前記第１電極の前記有地部領域および前記第２電極の前記有地部領域を覆うように両電極の間に介在されたメイン分離膜と、
前記第１電極の前記無地部領域に対応する位置に形成され、かつ前記第２電極の前記有地部領域から一方向に突出されるように形成された第２短絡電極と、
前記第２電極の前記無地部領域を覆い、かつ前記無地部領域よりも大きな面積に形成された第２サブ分離膜と、
有地部有地部有地部を含む、内部短絡評価用の電池セル。

【請求項2】

前記第１短絡電極及び前記第２短絡電極はそれぞれ、多孔性の金属ホイルで形成された構造である、請求項１に記載の内部短絡評価用の電池セル。

【請求項3】

前記第１短絡電極及び前記第２短絡電極はそれぞれ、空隙率が５０％（ｖ／ｖ）以上の多孔性の金属ホイルで形成された構造である、請求項１に記載の内部短絡評価用の電池セル。

【請求項4】

前記第１サブ分離膜は、前記第１短絡電極が前記第１電極の前記有地部領域から突出された方向に対して反対方向に延長して形成された構造であり、
前記第２サブ分離膜は、前記第２短絡電極が前記第２電極の前記有地部領域から突出された方向に対して反対方向に延長して形成された構造である、請求項１に記載の内部短絡評価用の電池セル。

【請求項5】

前記第１電極及び前記第２電極において、前記第１電極タブ及び前記第２電極タブはそれぞれ、独立的に前記有地部領域から一方向又は前記一方向に対して反対方向に突出された構造であり、
前記第１短絡電極及び前記第２短絡電極は、前記第１電極タブ及び前記第２電極タブが突出された方向に対して垂直な他方向に突出された構造であり、
前記第１サブ分離膜及び前記第２サブ分離膜は、前記第１短絡電極及び前記第２短絡電極が突出された方向に対して反対方向に延長して形成された構造である、請求項１に記載の内部短絡評価用の電池セル。

【請求項6】

前記電池セルは、前記第１電極、前記メイン分離膜、及び前記第２電極が順次に形成された単位積層体が繰り返された構造の電極組立体を含み、
前記単位積層体のうちのいずれか１つ以上は、
前記第１電極、前記第１サブ分離膜、前記第１短絡電極、前記メイン分離膜、前記第２短絡電極、前記第２サブ分離膜、および前記第２電極が順次に形成された構造である、請求項１に記載の内部短絡評価用の電池セル。

【請求項7】

前記単位積層体と前記単位積層体との間に介在されたメイン分離膜をさらに含む、請求項６に記載の内部短絡評価用の電池セル。

【請求項8】

前記第１サブ分離膜及び前記第２サブ分離膜は、フィルム材質の多孔性シートから形成されたシート分離膜構造であり、
前記メイン分離膜は、シート分離膜の一面または両面に無機粒子が分散塗布された安全性強化分離膜構造である、請求項１に記載の内部短絡評価用の電池セル。

【請求項9】

前記第１電極の前記金属集電体と前記第１短絡電極は、同種の材質で形成され、
前記第２電極の前記金属集電体と前記第２短絡電極は、同種の材質で形成された、請求項１に記載の内部短絡評価用の電池セル。

【請求項10】

前記第１電極および前記第２電極において、
前記有地部領域のうち、前記無地部領域が形成された面積の割合は５～１５％の範囲にある、請求項１に記載の内部短絡評価用の電池セル。

【請求項11】

前記電池セルは、パウチ型のリチウム二次電池である、請求項１に記載の内部短絡評価用の電池セル。

【請求項12】

請求項１から１１のいずれか一項に記載の電池セルを用いた電池セル内部短絡の評価方法において、
前記電池セルの充放電中、前記第１短絡電極及び前記第２短絡電極を互いに電気的に連結した状態で、前記第１サブ分離膜及び前記第２サブ分離膜を除去するステップを含む、電池セル内部短絡の評価方法。

【請求項13】

前記第１サブ分離膜および前記第２サブ分離膜を除去するステップは、
前記第１サブ分離膜及び前記第２サブ分離膜は、前記第１短絡電極及び前記第２短絡電極が突出された方向に対して反対方向に延長して形成された構造であり、前記第１サブ分離膜及び前記第２サブ分離膜の延長部分を引出する過程を通じて行う、請求項１２に記載の電池セル内部短絡の評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内部短絡評価用の電池セルおよびそれを用いた電池セル内部短絡の評価方法に関するものである。

【0002】

本出願は、２０１９年１２月１７日付の韓国特許出願第１０－２０１９－０１６９２３０号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書の一部として含まれる。

【背景技術】

【0003】

化石燃料の枯渇によりエネルギー源の価格が上昇し、環境汚染に対する関心が増しながら、環境にやさしい代替エネルギー源に対する要求が将来生活のために必要不可欠な要因となっている。特に、モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するにつれて、エネルギー源としての二次電池に対する需要が急激に増加している。

【0004】

通常、二次電池は、正極、負極、および上記正極と上記負極との間に分離膜を介在して電極組立体を組み立てる。組み立てられた電極組立体を電池ケースに装着し、電解液を注入して電池セルを製造する。

【0005】

二次電池のうち、リチウム二次電池は、優れた電気的特性に起因して多様な分野で利用されている。しかし、リチウム二次電池は安全性が低いという問題点がある。例えば、リチウム二次電池は、過充電、過放電、高温への暴露、または電気的短絡などのような非正常的な動作状態で発火または爆発する場合がある。具体的には、電池セルの構成要素である活物質または電解質などが分解反応を起こしながら熱とガスが発生する。発生した熱とガスは、電池セル内の温度および圧力を高めることになる。高められた温度と圧力は上記分解反応をさらに促進し、ついに発火または爆発をもたらすこともある。

【0006】

したがって、電池セルの安全性を確保することは非常に重要であり、その方法のうちの一つが内部短絡が発生したときに、電池セルの安全性を評価することである。特に、電池セルの内部短絡発生の状況を模写した評価技術に対する必要があるのが実情である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、上記のような問題点を解決するために創案されたものであって、電池セルの内部短絡を容易に誘導し得る内部短絡評価用の電池セルおよびそれを用いた電池セル内部短絡の評価方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、電池セルの内部短絡評価用の電池セルを提供する。一例において、本発明に係る内部短絡評価用の電池セルは、
金属集電体の一面または両面に第１電極合剤層が塗布された有地部領域、および上記有地部領域から一方向に突出して形成され、かつ第１電極合剤層が塗布されない第１電極タブとを含み、かつ有地部領域のうちの一部領域に第１電極合剤層が塗布されない無地部領域が形成された第１電極と、
第１電極の無地部領域を覆い、かつ上記無地部領域よりも大きな面積で形成された第１サブ分離膜と、
第１電極の無地部領域に対応する位置に形成され、かつ第１電極の有地部領域から一方向に突出されるように形成された第１短絡電極と、
第１電極および第２電極の有地部領域を覆うように両電極の間に介在されたメイン分離膜と、
金属集電体の一面または両面に第２電極合剤層が塗布された有地部領域、及び上記有地部領域から一方向に突出して形成され、かつ第２電極合剤層が塗布されない第２電極タブとを含み、かつ有地部領域のうちの一部領域に第２電極合剤層が塗布されない無地部領域が形成された第２電極と、
上記第１電極の無地部領域に対応する位置に形成され、かつ第２電極の有地部領域から一方向に突出するように形成された第２短絡電極と、
第２電極の無地部領域を覆い、かつ上記無地部領域よりも大きな面積に形成された第２サブ分離膜と、
有地部有地部有地部 を含む。

【0009】

具体例において、第１短絡電極および第２短絡電極はそれぞれ、多孔性の金属ホイルから形成された構造である。

【0010】

別の具体例において、第１短絡電極および第２短絡電極はそれぞれ、空隙率が５０％（ｖ／ｖ）以上の多孔性の金属ホイルで形成された構造である。

【0011】

一例で、上記内部短絡評価用の電池セルにおいて、第１サブ分離膜は、第１短絡電極が第１電極の有地部領域から突出した方向に対して反対方向に延長して形成された構造であり、第２サブ分離膜は、第２短絡電極が第２電極の有地部領域から突出した方向に対して反対方向に延長して形成された構造である。

【0012】

別の一例において、第１電極および第２電極において、第１電極タブおよび第２電極タブはそれぞれ、独立的に有地部領域から一方向または上記一方向に対して反対方向に突出された構造であり、第１短絡電極および第２短絡電極は、上記第１電極タブ及び上記第２電極タブが突出した方向に対して垂直な他方向に突出した構造であり、第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜は、第１短絡電極及び第２短絡電極が突出した方向に対して反対方向に延長して形成された構造である。

【0013】

一例において、上記電池セルは、第１電極、メイン分離膜、および第２電極が順次に形成された単位積層体が繰り返された構造の電極組立体を含み、上記単位積層体のうちのいずれか１つ以上は、第１電極、第１サブ分離膜、第１短絡電極、メイン分離膜、第２短絡電極、第２サブ分離膜、及び第２電極が順次に形成された構造である。

【0014】

具体例において、本発明に係る内部短絡評価用の電池セルは、上記単位積層体と単位積層体との間に介在されたメイン分離膜をさらに含む。

【0015】

具体例において、第１サブ分離膜および第２サブ分離膜は、フィルム材質の多孔性シートから形成されたシート分離膜の構造であり、メイン分離膜はシート分離膜の一面または両面に無機粒子が分散塗布された安全性強化の分離膜構造である。

【0016】

一例において、第１電極の金属集電体と第１短絡電極は同種の材質で形成され、第２電極の金属集電体と第２短絡電極は同種の材質で形成される。

【0017】

別の一例で、第１電極および第２電極において、有地部領域のうち、無地部領域が形成された面積割合は５～１５％の範囲にある。

【0018】

具体例において、上記電池セルはパウチ型のリチウム二次電池である。

【0019】

また、本発明は、上述した電池セルを用いた電池セル内部短絡の評価方法を提供する。一例において、本発明に係る電池セルの内部短絡評価方法は、電池セルの充放電中、第１短絡電極及び第２短絡電極を互いに電気的に連結した状態で、第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜を除去するステップを含む。

【0020】

具体例において、第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜を除去するステップは、第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜は第１短絡電極及び第２短絡電極が突出された方向に対して反対方向に延長して形成された構造であり、第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜の延長部分を引出する過程を通じて行われる。

【発明の効果】

【0021】

本発明に係る内部短絡評価用の電池セル及びそれを用いた評価方法は、電池セルの内部短絡状態を容易に誘導し、効果的な内部短絡の評価が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の一実施形態に係る内部短絡評価用の電池セルの分解斜視図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る内部短絡評価用の電池セルの組み立て手順を示した図面である。

【図3】本発明の一実施形態に係る内部短絡評価用の電池セルの組み立て手順を示した図面である。

【図4】本発明の一実施形態に係る内部短絡評価用の電池セルの組み立て手順を示した図面である。

【図5】本発明の一実施形態に係る内部短絡評価用の電池セルの組み立て手順を示した図面である。

【図6】本発明の一実施形態に係る内部短絡評価用の電池セルの組み立て手順を示した図面である。

【図7】本発明の一実施形態に係る内部短絡評価用の電池セルの組み立て手順を示した図面である。

【図8】本発明の一実施形態に係る内部短絡評価用の電池セルの組み立て手順を示した図面である。

【図9】本発明の一実施形態に係る内部短絡評価用の電池セルの組み立て手順を示した図面である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明について詳細に説明する。その前に、本明細書および特許請求の範囲に使用された用語または単語は、通常的または辞書的の意味に限定して解釈されるてはならず、発明者は彼自身の発明を最善の方法で説明するために、用語の概念を適切に定義し得るという原則に基づいて、本発明の技術的思想に合致する意味と概念として解釈されるべきである。

【0024】

本発明は、内部短絡評価用の電池セルを提供する。一実施形態において、本発明に係る内部短絡評価用の電池セルは、
金属集電体の一面または両面に第１電極合剤層が塗布された有地部領域、および上記有地部領域から一方向に突出して形成され、かつ第１電極合剤層が塗布されない第１電極タブを含み、かつ有地部領域のうちの一部領域に第１電極合剤層が塗布されない無地部領域が形成された第１電極と、
第１電極の無地部領域を覆い、かつ上記無地部領域よりも大きな面積に形成された第１サブ分離膜と、
第１電極の無地部領域に対応する位置に形成され、かつ第１電極の有地部領域から一方向に突出するように形成された第１短絡電極と、
第１電極および第２電極の有地部領域を覆うように両電極の間に介在されたメイン分離膜と、
上記第１電極の無地部領域に対応する位置に形成され、かつ第２電極の有地部領域から一方向に突出するように形成された第２短絡電極と、
第２電極の無地部領域を覆い、かつ上記無地部領域よりも大きな面積に形成された第２サブ分離膜と、
金属集電体の一面または両面に第２電極合剤層が塗布された有地部領域、および上記有地部領域から一方向に突出して形成され、かつ第２電極合剤層が塗布されない第２電極タブとを含み、かつ有地部領域のうちの一部領域に第２電極合剤層が塗布されない無地部領域が形成された第２電極を含む。

【0025】

上記内部短絡評価用の電池セルは、電池セルの充放電過程で第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜を除去または部分引出することのみで、電池セル内部短絡の状態を誘導することができる。また、本発明は、リチウム二次電池からリチウム析出された場合を模写することによって、リチウム析出による内部短絡の発生時の発熱特性を効果的に評価することができる。

【0026】

一実施形態において、第１短絡電極および第２短絡電極はそれぞれ、多孔性金属ホイルで形成された構造である。本発明では、第１短絡電極及び第２短絡電極をそれぞれ、多孔性金属ホイルで形成することによって、電池セルの充放電時にリチウムイオンの移動通路を提供する。例えば、第１電極が正極であり、アルミニウムホイルで形成された構造である場合は、第１短絡電極は多孔性のアルミニウムホイルで形成可能である。また、第２電極が負極であり、銅ホイルで形成された構造である場合は、第２短絡電極は多孔性の銅ホイルで形成可能である。

【0027】

具体的な実施例において、第１短絡電極および第２短絡電極はそれぞれ、空隙率が５０％以上の多孔性金属ホイルで形成された構造である。上記第１短絡電極および第２短絡電極はそれぞれ、空隙率が５０％～８０％、５０～７０％、または５５～６５％の範囲にある。上記空隙率は、各短絡電極の全体面積と比べて、空隙が形成された面積の分率を示す。上記空隙率の範囲は、各短絡電極の機械的強度を一定レベル以上に維持しながらリチウムイオンの円滑な移動のためのものである。

【0028】

別の具体的な実施例において、第１サブ分離膜は、第１短絡電極が第１電極の有地部領域から突出した方向に対して反対方向に延長して形成された構造であり、第２サブ分離膜は、第２短絡電極が第２電極の有地部領域から突出された方向に対して反対方向に延長して形成された構造である。各サブ分離膜の延長方向を各短絡電極の突出された方向に対して反対方向に制御することによって、各短絡電極の電気的連結を容易にし、各サブ分離膜の除去または引出を容易にする。

【0029】

一実施形態において、第１電極および第２電極において、第１電極タブおよび第２電極タブはそれぞれ、独立的に有地部領域から互いに同一の一方向に形成されるか、あるいは互いに反対方向に形成された構造であり、第１短絡電極および第２短絡電極は、上記第１電極タブ及び第２電極タブが形成された方向に対して垂直な方向に突出して形成された構造である。また、第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜は、第１短絡電極及び第２短絡電極が突出した方向に対して反対方向に延長して形成された構造である。

【0030】

本発明に係る電池セルは、第１電極タブと第２電極タブが同じ方向に突出された構造であるか、あるいは互いに反対方向に形成された構造を含む。例えば、第１電極タブは前方に突出した構造であり、第２電極タブは後方に突出した構造である。このとき、上記第１短絡電極及び上記第２短絡電極は、左側又は右側に突出した構造である。このような構造的配置は、電池セルに対する評価における作業の容易性のためのものである。具体的に、上記電池セルは、パウチ型または角型電池であり、電池の種類に応じて、第１電極タブおよび第２電極タブが同一方向あるいは互いに異なる方向に形成された構造であり得る。これにより、第１短絡電極及び第２短絡電極の位置を上記第１電極タブ及び上記第２電極タブに対して垂直方向に形成することによって、電池セルに対する充放電と同時に評価を行うことができる。

【0031】

一実施形態において、上記電池セルは、第１電極、メイン分離膜、および第２電極が順次に形成された単位積層体が繰り返された構造の電極組立体を含み、上記単位積層体のうちのいずれか１つ以上は、第１電極、第１サブ分離膜、第１短絡電極、メイン分離膜、第２短絡電極、第２サブ分離膜、及び第２電極が順次に形成された構造である。本発明に係る電池セルは、単位積層体が多数繰り返される構造の電極組立体を含む。ここで、電極組立体を形成する単位積層体のうちの１つ以上は、内部短絡の誘導及び評価を行うための構造である。このような内部短絡の誘導および評価を行うための構造は、第１電極、第１サブ分離膜、第１短絡電極、メイン分離膜、第２短絡電極、第２サブ分離膜、および第２電極が順次に形成された単位積層体を意味する。

【0032】

具体的な実施例において、上記単位積層体と単位積層体との間に介在されたメイン分離膜をさらに含む。本発明に係る電池セルは、単位積層体が多数繰り返された構造の電極組立体を含み、各単位積層体の間の電気的絶縁のために別途の分離膜が必要される。

【0033】

より具体的な実施形態において、第１サブ分離膜および第２サブ分離膜はフィルム材質の多孔性シートから形成されたシート分離膜構造であり、メイン分離膜はシート分離膜の一面または両面に無機粒子が分散塗布された安全性強化分離膜の構造である。シート分離膜は、リチウムイオンの移動のための多孔構造が形成されたフィルム材質の分離膜を意味し、上記安全性強化分離膜は、シート分離膜の表面に無機粒子を分散塗布させた形態を意味する。

【0034】

一実施形態において、第１電極の金属集電体と第１短絡電極は、同種の材質で形成され、第２電極の金属集電体と第２短絡電極は同種の材質で形成された構造である。例えば、第１電極が正極であり、アルミニウムまたはその合金で形成されたホイルである場合は、第１短絡電極はアルミニウムまたはその合金で形成され、かつ多孔性の形態である。また、第２電極は負極であり、銅またはその合金で形成されたホイルである場合は、第２短絡電極は銅またはその合金で形成され、かつ多孔性の形態である。

【0035】

別の一実施形態において、第１電極および第２電極において、有地部領域のうち無地部領域が形成される面積の割合は５～１５％の範囲にある。具体的に、有地部領域のうち無地部領域が形成される面積の割合は、５～１０％、１０～１５％、または７～１２％の範囲にある。本発明において、有地部領域は、電極集電体において電極タブ部分を除いた領域を意味し、電極合剤層が塗布された範囲に対応する。無地部領域とは、有地部領域のうち一部に合剤層を塗布しない領域を意味する。また、有地部領域のうち無地部領域が形成された面積の割合は、上述した有地部領域のうちで無地部領域が形成された面積の割合を意味する。

【0036】

上記電池セルは二次電池であり、具体的にはリチウム二次電池であり、その形態はパウチ型または角型電池である。例えば、上記電池セルはパウチ型のリチウム二次電池である。

【0037】

また、本発明は、上述した電池セルを用いた電池セルの内部短絡の評価方法を提供する。一実施形態において、本発明に係る電池セルの内部短絡評価方法は、電池セルの充放電中、第１短絡電極及び第２短絡電極を互いに電気的に連結した状態で、第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜を除去するステップを含む。

【0038】

ここで、第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜を除去するということは、第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜の延長部分を引出することによって、電池セル内部に短絡が誘導される過程を総称する。本発明に係る評価方法は、電池セルの充放電過程で第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜を除去または部分引出することのみで、電池セルの内部短絡状態を誘導することができる。

【0039】

本発明に係る電池セルの内部短絡の評価方法は、上述したように電池セルの内部短絡を誘導した状態で電池セルに対する評価を行うステップを含む。上記評価を行うステップは、電池セルに対する電圧、電流、および抵抗のうちのいずれか１つ以上を測定することによって行うことができる。例えば、上記評価を行うステップは、電池セルに対する電流を測定することによって行われる。

【0040】

一実施形態において、第１サブ分離膜および第２サブ分離膜を除去するステップは、第１サブ分離膜および第２サブ分離膜は、第１短絡電極および第２短絡電極が突出された方向に対して反対方向に延長して形成された構造であり、第1サブ分離膜および第２サブ分離膜の延長部分を引出する過程を通じて行う。

【0041】

本発明は、上述した内部短絡評価用の電池セルおよびそれを用いた電池セルの内部短絡の評価方法を提供する。上記電池セルは二次電池であり、具体的にはリチウム二次電池である。例えば、リチウム二次電池は、正極、負極、および上記正極と上記負極との間に介在された分離膜を含む電極組立体、上記電極組立体を含浸させる非水電解液、および電極組立体と上記非水電解液を内蔵する電池ケースを含む。

【0042】

正極は、正極集電体の一面または両面に正極合剤層が積層された構造である。正極活物質は、それぞれ独立的に、リチウム含有酸化物であってもよく、同一であるか、相違してもよい。上記リチウム含有酸化物としては、リチウム含有遷移金属酸化物が使用され得る。一例において、正極合剤層は、正極活物質の外に、導電材およびバインダー高分子などが含まれ、必要に応じて、当業界で通常的に使用される正極添加剤をさらに含むことができる。

【0043】

上記正極活物質はリチウム含有酸化物であってもよく、同一であるか、相違してもよい。上記リチウム含有酸化物としては、リチウム含有遷移金属酸化物が使用され得る。

【0044】

たとえば、上記リチウム含有遷移金属酸化物は、Ｌｉ_ｘＣｏＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３）、Ｌｉ_ｘＮｉＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３）、Ｌｉ_ｘＭｎＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３）、Ｌｉ_ｘＭｎ_２Ｏ_４（０．５＜ｘ＜１．３）、Ｌｉ_ｘ（Ｎｉ_ａＣｏ_ｂＭｎ_ｃ）Ｏ_２（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０＜ｃ＜１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、Ｌｉ_ｘＮｉ_１－ｙＣｏ_ｙＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ｙ＜１）、Ｌｉ_ｘＣｏ_１－ｙＭｎ_ｙＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３、０≦ｙ＜１）、Ｌｉ_ｘＮｉ_１－ｙＭｎ_ｙＯ_２（０．５＜ｘ＜１．３、Ｏ≦ｙ＜１）、Ｌｉ_ｘ（Ｎｉ_ａＣｏ_ｂＭｎ_ｃ）Ｏ_４（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ａ＜２、０＜ｂ＜２、０＜ｃ＜２、ａ＋ｂ＋ｃ＝２）、Ｌｉ_ｘＭｎ_２－ｚＯ_４（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ｚ＜２）、Ｌｉ_ｘＭｎ_２－ｚＣｏ_ｚＯ_４（０．５＜ｘ＜１．３、０＜ｚ＜２）、Ｌｉ_ｘＣｏＰＯ_４（０．５＜ｘ＜１．３） 及びＬｉ_ｘＦｅＰＯ_４（０．５＜ｘ＜１．３）からなる群から選択されるいずれか一つ、またはこれらのうち２種以上の混合物であり得る。そして、上記リチウム含有遷移金属酸化物は、アルミニウム（Ａｌ）などの金属や金属酸化物でコーティングされることもあり得る。また、上記リチウム含有遷移金属酸化物の他に硫化物（ｓｕｌｆｉｄｅ）、セレン化物（ｓｅｌｅｎｉｄｅ）及びハロゲン化物（ｈａｌｉｄｅ）などからなる群から選択される１種以上も使用され得る。

【0045】

上記正極に用いられる集電体は、伝導性が高い金属であって、正極活物質スラリーが容易に接着し得る金属でありながら、二次電池の電圧範囲で反応性がないものであれば何れでも使用し得る。具体的に、正極用集電体の非限定的な例としては、アルミニウム、ニッケルまたはこれらの組み合わせによって製造されるホイルなどがある。具体的に、上記正極用集電体は、説明した金属成分で形成され、かつ厚さ方向に貫通ホールが形成された金属プレート、および上記金属プレートの貫通ホールに充填されたイオン伝導性の多孔性補強材を含む形態である。

【0046】

負極は、負極合剤層として炭素材、リチウム金属、ケイ素、または錫などを含み得る。負極活物質として炭素材が使用される場合、低結晶炭素、および高結晶性炭素などが全て使用され得る。低結晶性炭素としては、軟質炭素（ｓｏｆｔ ｃａｒｂｏｎ）と硬質炭素（ｈａｒｄ ｃａｒｂｏｎ）が代表的であり、高結晶性炭素としては、無定形、板状、鱗片状、球状又は繊維状の天然黒鉛又は人造黒鉛、キッシュ黒鉛（Ｋｉｓｈ ｇｒａｐｈｉｔｅ）、熱分解炭素（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ）、液晶ピッチ系炭素繊維（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ ｂａｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、炭素微小球体（ｍｅｓｏｃａｒｂｏｎ ｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ）、液晶ピッチ（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈｅｓ）、石油又は石炭系コークス（ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｏｒｃｏａｌ ｔａｒｐｉｔｃｈ ｄｅｒｉｖｅｄ ｃｏｋｅｓ）などの高温焼成炭素が代表的である。

【0047】

上記負極に用いられる集電体の非限定的な例としては、銅、金、ニッケルまたは銅合金、またはこれらの組み合わせによって製造されるホイルなどがある。また、上記集電体は、上記物質からなる基材を積層して使用することもできる。具体的に、上記負極用集電体は、説明した金属成分で形成され、かつ厚さ方向に貫通ホールが形成された金属プレート、および上記金属プレートの貫通ホールに充填されたイオン伝導性の多孔性補強材を含む形態である。

【0048】

また、上記負極は、当該技術分野で通常的に使用される導電材およびバインダーを含み得る。

【0049】

上記分離膜は、リチウム二次電池で用いられる多孔性基材であれば何れも使用が可能であり、例えば、ポリオレフィン系多孔性膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ）または不織布を用いることができるが、特にこれに限定されない。上記ポリオレフィン系多孔質膜の例としては、高密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレンのようなポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリペンテンなどのポリオレフィン系高分子をそれぞれ単独で又はこれらを混合した高分子で形成した膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ）が挙げられる。本発明において、第１サブ分離膜及び第２サブ分離膜は、シート分離膜を適用され得る。シート分離膜は、上述した分離膜に対応される。また、メイン分離膜は、上記シート分離膜の表面に無機粒子が分散塗布された構造である。上記無機粒子は、例えば、ナノサイズのセラミック粒子が多様に適用可能である。

【0050】

本発明の一実施形態によると、上記電解液は、非水電解液を含む非水系電解質を用いることができる。上記非水電解液としては、例えば、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ガンマブチロラクトン、１，２－ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン（ｆｒａｎｃ）、２－メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３－ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノン、炭酸プロピレン誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、ピロリン酸塩メチル、プロピオン酸エチルなどの非プロトン性有機溶媒が使用され得る。しかし、特にこれに限定されず、通常的にリチウム二次電池の分野で用いられる多数の電解液成分が適切な範囲内で加減され得る。

【0051】

以下、図面などを通じて本発明をより詳細に説明する。

【0052】

第１実施形態
図1は、本発明の一実施形態に係る内部短絡評価用の電池セルの分解斜視図である。図１を参照すると、上記電池セルは、第１電極１００、第１サブ分離膜２１０、第１短絡電極３１０、メイン分離膜２００、第２短絡電極３２０、第２サブ分離膜２２０及び第２電極４００が順次に積層された構造である。第１電極１００は、表面の一部領域に無地部が形成された構造である。第１サブ分離膜２１０は、上記第１電極１００に形成された無地部を覆い、かつ右側方向に延長して形成された構造である。上記第１サブ分離膜２１０上には、第１短絡電極３１０が位置し、上記第１短絡電極３１０は多孔性の金属ホイルで形成され、第１電極１００の無地部に対応する大きさであり、電池セルの左側に突出されたタブが形成される。第２電極４００は、上記第１電極１００と互いに対応されるように積層された構造であり、第１電極１００及び第２電極４００の間にはメイン分離膜２００が位置する。

【0053】

本発明に係る電池セルは、充放電過程において、第１短絡電極３１０及び第２短絡電極３２０を互いに電気的に連結した状態で、第１サブ分離膜２１０及び第２サブ分離膜２２０を右側に引出すると内部短絡が発生する。これは、第１サブ分離膜２１０及び第２サブ分離膜２２０が右側に引出されながら、第１電極１００と第１短絡電極３１０が互いに接地され、同時に第２電極４００と第２短絡電極３２０が互いに接地される。ここで、第１短絡電極３１０及び第２短絡電極３２０が互いに電気的に連結された状態であるので、第１電極１００と第２電極４００との間も電気的に連結されながら電池セルの内部短絡が発生される。

【0054】

第２実施形態
図２～図９は、本発明の一実施形態に係る内部短絡評価用の電池セルの組み立て手順を示した図面である。図２を参照すると、第１電極１００はアルミニウムホイルで形成され、かつ右側の上方向に突出された第１電極タブ１２０が形成され、第１電極タブ１２０を除いた残りの部分は電極合剤層が塗布された第１電極有地部１１０である。上記第１電極有地部１１０のうちの左側の中央部位には、電極合剤層が塗布されない第１電極無地部１１１が形成された構造である。上記第１電極無地部１１１が形成された面積は、第１電極有地部１１０を基準にして、約８％レベルである。

【0055】

図３を参照すると、図２で説明した第１電極１００上に第１サブ分離膜２１０が積層される。上記第１サブ分離膜２１０は、第１電極無地部１１１を覆い、かつ電池セルの右側方向に延長して形成された構造である。これは、電池セルに対する内部短絡評価時に上記第１サブ分離膜２１０を容易に引出するためのものである。

【0056】

図４では、第１サブ分離膜２１０上に第１短絡電極３１０が位置することになる。上記第１短絡電極３１０は、空隙率が約６０％の多孔性のアルミニウムホイルから形成される。上記第１短絡電極３１０は、第１電極無地部１１１に対応される形状であり、かつ電池セルの左側に突出されたタブが形成された構造である。

【0057】

図５では、第１短絡電極３１０の上にメイン分離膜２００が形成される。上記メイン分離膜２００は、例えば、シート分離膜の表面にナノサイズの無機粒子が分散塗布された構造である。

【0058】

図６では、メイン分離膜２００の上に第２短絡電極３２０が形成される。上記第２短絡電極３２０は、空隙率が約６０％の多孔性の銅ホイルで形成される。上記第２短絡電極３２０は、後述する第２電極無地部に対応される形状であり、かつ電池セルの左側に突出されたタブが形成された構造である。第１短絡電極３１０及び第２短絡電極３２０のそれぞれ突出されたタブは、電池セルの左側で互いに平行するように形成される。

【0059】

図７を参照すると、第２短絡電極３２０の上に第２サブ分離膜２２０が積層される。上記第２サブ分離膜２２０は、第２電極無地部を覆い、かつ電池セルの右側方向に延長して形成された構造である。これは、電池セルに対する内部短絡評価時に上記第２サブ分離膜２２０を容易に引出するためのものである。

【0060】

図８を参照すると、第２サブ分離膜２２０の上に第２電極４００が積層される。第２電極４００は銅ホイルで形成され、かつ左側上方向に突出された第２電極タブ４２０が形成され、第２電極タブ４２０を除いた残りの部分は電極合剤層が塗布された第２電極有地部（図示せず）である。上記第２電極４００は、第１電極無地部１１１と互いに対応される位置に無地部（図示せず）が形成された構造である。

【0061】

図２～図８は、電池セルの内部短絡のための単位積層体を形成する過程を順次に図示したものである。本発明に係る電池セルを形成する電極組立体は、多数の単位積層体を含むことができ、この場合、単位積層体の間には別途の分離膜が介在され得る。図９を参照すると、第２電極４００上に別のメイン分離膜２０１が積層される。上記別のメイン分離膜２０１は、他の単位積層体の間の電気的絶縁のためのものである。

【0062】

以上、図面などを通じて本発明をより詳細に説明した。しかし、本明細書に記載された図面に記載された構成は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替し得る多様な均等物と変形例があり得ることを理解する必要がある。

【符号の説明】

【0063】

１００：第１電極
１２０：第１電極タブ
１１０：第１電極有地部
１１１：第１電極無地部
２００、２０１：メイン分離膜
２１０：第１サブ分離膜
２２０：第２サブ分離膜
３１０：第１短絡電極
３２０：第２短絡電極
４００：第２電極
４２０：第２電極タブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】