JP2019537225A - 二次電池用パウチ外装材、これを用いたパウチ型二次電池及びこの製造方法 - Google Patents

二次電池用パウチ外装材、これを用いたパウチ型二次電池及びこの製造方法 Download PDF

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Abstract

電極組立体を収納部に定位置に容易に装着することができ、大気に接触する封止部を最小化して電池の寿命特性を向上させるように一体型であり、組立過程中でパウチ外装材が破裂することを防止することができ、かつセルのエネルギー密度を向上させることができるパウチ外装材、これを用いたパウチ型二次電池及びこの製造方法を提供する。本発明による二次電池用パウチ外装材は、電極組立体を包装するために用いられる１単位のシート型パウチ外装材であって、前記パウチ外装材の中央に形成され、前記電極組立体の厚さだけの幅を有する挿入部と、前記電極組立体の幅の中間に対応する部分から前記電極組立体の端部に対応する部分へ進むほど次第に深くなり、前記挿入部の両側に対称的に形成された収納部と、前記挿入部の両端に形成され、端部へ進むほど深さが次第に浅くなる三角形の段差部と、を含むものである。

Description

本発明は、二次電池用パウチ外装材、これを用いたパウチ型二次電池及びこの製造方法に関し、より詳しくは、セルのエネルギー密度を向上させるために成形形状を改善した二次電池用パウチ外装材、これを用いたパウチ型二次電池及びこの製造方法に関する。
本出願は、２０１７年７月２０日出願の韓国特許出願第１０−２０１７−００９２１５２号及び２０１８年６月２９日出願の韓国特許出願第１０−２０１８−００７５７６６号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
二次電池は、携帯電話、ノートブックＰＣ、カムコーダーなどのモバイル器機の電源として広く使われている。特に、リチウム二次電池の使用は、作動電圧が高く、単位重量当たりのエネルギー密度が高いという利点から急増しつつある。
このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物を正極活物質に、炭素材を負極活物質に使用し、通常、使用される電解質の形態によって、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池及びリチウムポリマー電池に分類されるか、または、電池の外形によって、円筒状、角形及びパウチ型二次電池に分けられる。代表的に、電池の形状面では、薄い厚さで携帯電話などのような製品に適用可能な角形二次電池とパウチ型二次電池に対する需要が高い。
その中でも、形態及び大きさに制約がなく、熱溶着による組立てが容易であり、異常挙動の発生時に気体や液体の放出が容易であって、軽量かつ薄厚のセルの製作に特に適したパウチ型二次電池に対する関心が集中している。通常、パウチ型二次電池は、アルミニウムラミネートシートからなるパウチ外装材に電極組立体が内蔵している構造となっている。即ち、パウチ型二次電池は、アルミニウムラミネートシートに電極組立体の装着のための収納部を成形し、前記収納部に電極組立体を装着した状態で前記アルミニウムラミネートシートから分離している別のアルミニウムラミネートシートまたは延びているアルミニウムラミネートシートを熱溶着することで製造される。
このようなパウチ外装材は、略１１３μｍ厚さのアルミニウムラミネートシートをダイ及びパンチを用いて深絞り工程に類似な方式で部分圧縮することで収納部を成形することができる。しかし、前記のような薄い厚さのアルミニウムラミネートシートは、それを圧縮する過程で破裂などが誘発し得るため、通常１５ｍｍ以上の深さを有する収納部を成形しにくい。
一方、分離型のパウチ外装材においては、二つの単位のアルミニウムラミネートシートを相互重ねて封止する方式で結合するので、二次電池の製造過程において電極組立体を内蔵した状態で両側の収納部を定位置で相互重畳しなくてはならない。前記電極組立体が定位置に装着されない場合、内部短絡が誘発されるため、別のガイド装置が必要となり、製造コストが増加するようになる。また、二つの単位のアルミニウムラミネートシートは、四面で結合して封止部を形成することから前記四面の全面で大気と接触するようになり、長期間の使用時、空気の流入可能性が非常に高くなることによって、電池の寿命が短縮するという問題点を有している。
このような問題点を解決するために、１単位のアルミニウムラミネートシートに相互対応する二つの収納部を成形して相互重ねて三面を封止する方法に関する技術が紹介されている。
図１は、従来の三面封止パウチ型二次電池のパウチ外装材の上面図である。図２は、図１のパウチ外装材を用いたパウチ型二次電池の製造方法の段階別断面模式図であって、図１の線ＩＩ−ＩＩ’による断面である。図３は、図２に示したような方法で製造したパウチ型二次電池の上面図である。
先ず、図１及び図２の（ａ）を参照すれば、１単位のパウチ外装材１０に完壁に対応する様子と大きさを有する二つの収納部２０ａ、２０ｂを電極組立体３０の厚さよりも大きい所定の距離ｄに離隔するように成形する。
その後、図２の（ｂ）に示したように、一側の収納部２０ａ（または２０ｂ）に電極組立体３０を装着した状態で図２の（ｃ）に示したように収納部２０ａ、２０ｂの間の中央部位Ｆを折り曲げて図２の（ｄ）に示したように収納部２０ａ、２０ｂを重ね、折曲面を除いた残りの三面を封止（Ｓ）し、図３のようなパウチ型二次電池を製造する。
このようなパウチ型二次電池の製造技術によれば、パウチ外装材１０に成形する収納部２０ａ、２０ｂの深さｔを電極組立体３０の厚さの略半分に減少させることができ、パウチ型二次電池の四面中の一面（折り曲げられた中央部位Ｆ側）は、密閉した状態を維持する。
しかし、隣接した二つの収納部２０ａ、２０ｂを成形するためにパウチ外装材１０を圧縮する過程で、追って折曲げが行われる前記中央部位Ｆは、両側に収納部２０ａ、２０ｂが形成されるように延伸変形されるため、一方向のみへ延伸する場合に比べて機械的強度が弱くなるしかなく、それによって、収納部２０ａ、２０ｂを成形する過程及び／または折り曲げる過程で破裂する可能性が非常に高い。したがって、収納部２０ａ、２０ｂを所定の距離ｄに離隔して成形しており、パウチ外装材１０が折り曲げられる部分の屈曲形状を考慮して、折畳み時に曲げられる中央部位Ｆの周辺から約１．５ｍｍ〜３ｍｍの余裕分を有するように成形している。
パウチ型二次電池に対しては高容量及び小型化の要求が多く、このような顧客の要求を具現するために多様な構造及び工程が研究及び開発されている。特に、パウチ型二次電池においては、容量を増加させるために、無駄な空間を活用してバッテリー容量を増加させることができる方法に関わる研究が盛んでいる。
ところが、図１〜図３を参照して説明した従来の三面封止パウチ型二次電池においては、パウチ外装材１０の折畳み時に曲げられる中央部位Ｆの周辺に確保しておいた約１．５ｍｍ〜３ｍｍの余裕分のため、無駄な空間である折畳み部ｗが発生して突出する。このような折畳み部ｗは、セル容量の制限として作用し、モジュール／パックにおけるエネルギー密度を低め、冷却構造においても不利であるため、改善が要求される。
一方、折畳み部ｗを有さないパウチ型二次電池も提案されている。
図４は、従来の他のパウチ型二次電池の製造実施形態を工程順に示した模式図である。
図４を参照すれば、（ａ）に示したように、先ず、必要な長さ及び幅で加工されたパウチ外装材６０を長手方向の略中央部Ｃで折り曲げ、この折り曲げられたパウチ外装材６０の間に電極組立体４０を位置決定し配置する。この際、前記電極組立体４０を形成する電極から引き出されたリード５０をパウチ外装材６０の先端側へ導き出す。
続いて、（ｂ）では、前記リード５０を導き出した側を除いたパウチ外装材６０の他の開口辺を封止（Ｓ）する。その後、リード５０を導き出した側の開口部から必要な電解液注入してから、この開口部を全部封止（Ｓ）する。
図４の製造形態によれば、折畳み部が形成されない。しかし、封止（Ｓ）時に折り曲げられた部分のパウチ外装材６０が押されながら、図４の（ｂ）において「Ａ」で示したように、底面方向へ突出部が発生するようになり、その部分のコンパクト化が失われる。このような突出部は、前述した折畳み部と同様にセル容量の制限として作用し、モジュール／パックにおけるエネルギー密度向上を阻害し、いわゆるコウモリ耳（Ｂａｔ ｅａｒ）と呼ばれるバリー形態で配置されるため、モジュールの組立時、容易でないという問題がある。
このように、１単位のパウチ外装材において、電極組立体の収納部を形成する過程及び／または収納部を重畳させるために折り曲げる過程で、パウチ外装材の破裂などを防止して不良率を最小化しながらも、セルのエネルギー密度を向上させることができるよう無駄な空間を有さないパウチ外装材に対する必要性が高い実情である。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電極組立体を収納部に定位置に容易に装着することができ、大気に接触する封止部を最小化して電池の寿命特性を向上させることができよう一体型であるとともに、組立て過程におけるパウチ外装材の破裂を防止することができ、かつ折畳み部や突出部のような無駄な空間が生じないようにすることでセルのエネルギー密度を向上させたパウチ外装材を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記パウチ外装材を用いたパウチ型二次電池及びこの製造方法を提供することを他の目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
上記の課題を達成するため、本発明による二次電池用パウチ外装材は、電極組立体を包装するために用いられる１単位のシート型パウチ外装材であって、前記パウチ外装材の中央に形成され、前記電極組立体の厚さだけの幅を有する挿入部と、前記電極組立体の幅の中間に対応する部分から前記電極組立体の端部に対応する部分へ進むほど次第に深くなり、前記挿入部の両側に対称的に形成された収納部と、前記挿入部の両端に形成され、端部へ進むほど深さが次第に浅くなる三角形の段差部と、を含む。
前記収納部において、前記挿入部から遠い側の底エッジ部の深さは、前記電極組立体の厚さの１／２以上であることが望ましい。前記挿入部と前記収納部との間は、偏平な区間である。前記挿入部に対向する収納部の外側が、相対的に長く延びているものであり得る。
本発明によるパウチ型二次電池は、このようなパウチ外装材に電極組立体を収納して熱溶着したものである。
具体的に、本発明によるパウチ型二次電池は、電極組立体と、前記電極組立体を包装するために用いられる１単位のシート型パウチ外装材を含み、前記パウチ外装材は、前記パウチ外装材の中央に形成され、前記電極組立体の厚さだけの幅を有する挿入部と、前記電極組立体の幅の中間に対応する部分から前記電極組立体の端部に対応する部分へ進むほど次第に深くなり、前記挿入部の両側に対称的に形成された収納部と、前記挿入部の両端に形成され、端部へ進むほど次第に深さが浅くなる三角形の段差部と、を含むものである。
なお、本発明によるパウチ型二次電池の製造方法においては、電極組立体を包装するために用いられる１単位のシート型パウチ外装材であって、前記パウチ外装材の中央に形成され、前記電極組立体の厚さだけの幅を有する挿入部と、前記電極組立体の幅の中間に対応する部分から前記電極組立体の端部に対応する部分へ進むほど次第に深くなり、前記挿入部の両側に対称的に形成された収納部と、前記挿入部の両端に形成され、端部へ進むほど次第に深さが浅くなる三角形の段差部と、を含むことを特徴とするパウチ外装材を準備する段階と、前記挿入部に電極組立体の側面を立てて装着し、両側のパウチ外装材を折り上げて前記収納部を重ねる段階と、前記重ねられた収納部の周辺を熱溶着する段階と、を含む。
ここで、前記パウチ外装材は、前記挿入部に対向する収納部の外側が相対的に長く延びており、前記収納部を重ねた後、前記収納部の外側を除いた部位を熱溶着し、前記収納部の外側から電解液を注入して熱溶着した後、前記収納部の外側を裁断するものであり得る。
本発明は、三面封止パウチ型二次電池において折畳み部の無駄な空間を除去することができ、封止後に突出部を形成しないように成形された外装材を提供する。
本発明によるパウチ外装材は、従来技術のように中央部位で折り畳むことではなく、挿入部に電極組立体の側面を立てて装着した状態で両側のパウチ外装材を折り上げるので、既存のパウチ外装材のように折畳みを考慮した約１．５ｍｍ〜３ｍｍの中央部位周辺への余裕分を有するようにしなくてもよい。
本発明によれば、セルにおける無駄な空間を残さずパウチ外装材内の電極組立体の領域を極大化することができるため、セルのエネルギー密度を向上させることができる効果を奏する。折畳み部の無駄な空間を除去してセル容量を増加させるだけでなく、このようなパウチ型二次電池を含むモジュール／パックのエネルギー密度を増加させることができる。
そして、折畳み部の無駄な空間を除去してモジュール／パックの冷却構造及び組立て工程の単純化を図ることができる。しかのみならず、封止してもパウチ型二次電池の底面（挿入部に挟まれた電極組立体の側面となる面）から突出する突出部がないため、その底面を冷却部材に密着させることができ、エッジ冷却型のモジュール／パックの冷却性能を向上させることができる。
また、本発明によるパウチ型二次電池は、バリー形態の突出部を有さないため、モジュールの組立時に邪魔にならず組立工程の効率を阻害しない効果を奏する。
本発明によるパウチ外装材は、製造過程でパウチ外装材が破裂することを防止することで不良率を減少させるだけでなく、別の装置を備えなくても電極組立体を定位置に装着することができ、大気に接触する封止部を最小化することで、空気、湿気などの流入及び電解液の漏液可能性をより減少させ、電池の寿命特性を向上させることができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
従来の三面封止パウチ型二次電池のパウチ外装材の上面図である。 図１のパウチ外装材を用いたパウチ型二次電池の製造方法の段階別断面模式図であって、図１の線ＩＩ−ＩＩ’による断面である。 図２に示した方法で製造したパウチ型二次電池の上面図である。 従来の他のパウチ型二次電池の製造実施形態を工程順に示した模式図である。 本発明の一実施例によるパウチ型二次電池の分解斜視図である。 図５に示されたパウチ外装材の上面図である。 図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩ’による断面の一部である。 図７のパウチ外装材を用いたパウチ型二次電池の製造方法の段階別断面模式図であって、図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩ’による断面である。 図８に示した方法で製造したパウチ型二次電池の上面図である。 本発明によるパウチ型二次電池を含むバッテリーモジュールの構成を示す概略的な断面図である。 本発明の実験例によって製造したパウチ外装材の写真である。 図１１のパウチ外装材を用いて製造したパウチ型二次電池の写真である。 従来技術によるパウチ型二次電池の封止部の写真である。 本発明の他の実験例によるパウチ外装材を用いて製造したパウチ型二次電池の写真である。 図１１に示したパウチ型二次電池の底面写真である。 従来技術によるパウチ型二次電池の底面写真である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは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できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
図５は、本発明の一施例によるパウチ型二次電池の分解斜視図である。図６は、図５に示されたパウチ外装材の上面図である。図７は、図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩ’による断面の一部である。
先ず、図５を参照すれば、パウチ型二次電池１００は、電極組立体２００及びパウチ外装材３００からなっている。
電極組立体２００は、所定の大きさ単位で切り取った複数の正極板と負極板との間にをセパレーターを挟んだ状態で順次積層したスタック型（積層型）電極組立体であり得る。電極組立体２００の正極リード２１０及び負極リード２２０は、相互対向してパウチ外装材３００の両側に突出している。
本発明によるパウチ外装材３００には、二つの対応収納部３１０ａ、３１０ｂが成形されている。そして、収納部３１０ａ、３１０ｂの間には、挿入部３１５が形成されており、収納部３１０ａ、３１０ｂ同士は連通していない。収納部３１０ａ、３１０ｂは、挿入部３１５の両側に対称して成形されている。収納部３１０ａ、３１０ｂは、電極組立体２００の幅の中間に対応する部分ａ１、ｂ１から電極組立体２００の端部に対応する部分ａ２、ｂ２へ進むほど次第に深くなる。挿入部３１５と収納部３１０ａ、３１０ｂとの間のパウチ外装材３００は、偏平な区間である。
既存、収納部の間に、電極組立体の厚さよりも大きい間隔に加え、約１．５〜３ｍｍの余裕分までを考慮して離隔距離を設けたことに比べ、挿入部３１５は、電極組立体２００の厚さＴだけの幅を有する。従来に比べて二つの収納部３１０ａ、３１０ｂの間の距離は遠くなる。既存、収納部を隣接させて形成すべき場合に比べ、挿入部３１５と収納部３１０ａ、３１０ｂを形成するためにパウチ外装材３００を成形するに際し、特定部位の機械的強度が弱くなるか、破裂する恐れがない。
挿入部３１５の両側に収納部３１０ａ、３１０ｂが形成されており、その両側方向と直交する、挿入部３１５の両端には、端部へ進むほど次第に深さが浅くなる三角形の段差部３１７が形成されている。三角形の段差部３１７の長さが短くなれば、三角形の段差部３１７の底部の傾斜が相対的に急になる。三角形の段差部３１７の長さが長くなれば、三角形の段差部３１７の底部の傾斜が相対的に緩やかになる。また、挿入部３１５の深さｈが深ければ、三角形の段差部３１７の底部の傾斜が相対的に急になる。挿入部３１５の深さｈが浅ければ、三角形の段差部３１７の底部の傾斜が相対的に緩やになる。挿入部３１５の深さｈと三角形の段差部３１７の様子は、パウチ型二次電池の製造時、熱溶着の段階で封止部位の最終外郭の形状を決定する。
ここで、参照符号３２０、３３０、３５０は各々、上端封止部、下端封止部及び側面封止部を示す。
望ましい一例で、パウチ外装材３００は、挿入部３１５に対向する収納部３１０ａ、３１０ｂの外側が、即ち、側面封止部３５０側が相対的に長く延びている構造であり得る。この場合、パウチ型二次電池１００は、収納部３１０ａ、３１０ｂを重ねて電極組立体２００を収容し、延びた長さの側面封止部３５０側を除いた残りの封止部（相互接触する部位）全体、即ち、上端封止部３２０、下端封止部３３０を封止し、前記側面封止部３５０側から電解液を注入してから封止し、側面封止部３５０側を所定の大きさで裁断することで製造することができる。このようなパウチ外装材３００の構造によって、電解液を容易に注入できるだけでなく、注入過程で作業者のミスによって電解液が溢れてしまうなどの問題点を解決することもできる。
パウチ外装材３００は、金属層及び樹脂層を含むラミネートシートからなり得る。特に、前記ラミネートシートは、アルミニウムラミネートシートであり得る。前記パウチ外装材３００は、その材質が金属層からなった芯部と、前記芯部の上部面の上に形成された熱溶着層と、前記芯部の下部面の上に形成された絶縁膜からなる。前記熱溶着層は、ポリマー樹脂である変性ポリプロピレン、例えば、ＣＰＰ（Ｃａｓｔｅｄ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）を用いて接着層として作用し、前記絶縁膜は、ナイロンやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような樹脂材が形成されているものであり得るが、ここで、前記パウチ外装材の構造及び材質を限定することではない。
パウチ外装材３００は、１単位のシートであり、ダイ及びパンチを用いて深絞り方式で、このようなアルミニウムラミネートシートへの圧縮成形によって、収納部３１０ａ、３１０ｂが一回の工程によって同時に成形可能である。挿入部３１５と三角形の段差部３１７も、一回の工程によって同時に成形できる。収納部３１０ａ、３１０ｂと挿入部３１５と三角形の段差部３１７も、一回の工程によって同時に成形することができる。
図６〜図８をさらに参照すれば、収納部３１０ａから挿入部３１５と遠い側の底エッジ部ａ２の深さｔ１は、電極組立体２００の厚さＴの１／２以上であり、同様に、収納部３１０ｂにおいて挿入部３１５から遠い側の底エッジ部ｂ２の深さｔ１も、電極組立体２００の厚さＴの１／２以上である。底エッジ部ａ２、ｂ２の深さｔ１は、電極組立体２００の厚さＴの１／２であることが残余部分がないことから理想的であるが、製品によっては工程の便宜のために余裕分を考慮してより深く形成してもよい。したがって、底角ａ２、ｂ２の深さｔ１は、電極組立体２００の厚さＴの１／２以上とする。
図７に、特によく示されているように、各収納部３１０ａ、３１０ｂは、底面の傾いた様子になる。収納部３１０ａ、３１０ｂは、電極組立体２００の幅の中間に対応する部分ａ１、ｂ１から電極組立体２００の端部に対応する部分ａ２、ｂ２へ進むほど次第に深くなる。
電極組立体２００の幅の中間に対応する部分ａ１、ｂ１は、挿入部３１５の深さｈによって変わる。挿入部３１５の深さｈが深くなるほど電極組立体２００の幅の中間に対応する部分ａ１、ｂ１は、挿入部３１５側へ近くなる。逆に、挿入部３１５の深さｈが浅くなるほど電極組立体２００の幅の中間に対応する部分ａ１、ｂ１は、挿入部３１５から遠くなる。挿入部３１５の深さｈは、パウチ外装材３００の材質、延伸率などを考慮して決定することができ、前述したように、挿入部３１５の深さｈは、三角形の段差部３１７の形態にも影響を与え、究極的には封止部位の最終外郭形状を決定するため、特に考慮すべき因子である。
図１〜図３を参照して説明した従来技術において、既存の収納部の深さは電極組立体の厚さの半分くらいとなって一定しており、収納部の底面が傾いていない。これに対し、本発明のパウチ外装材３００の収納部３１０ａ、３１０ｂは、最大深さが深さｔ１であって電極組立体２００の厚さＴの１／２以上であり、最小深さは０であって、底面は最大深さを有する一側エッジ（電極組立体２００の端部に対応する部分）から最小深さを有する反対側（電極組立体２００の幅の中間に対応する部分）まで次第に傾いていく様子を有する。
このように本発明のパウチ外装材３００は、既存のパウチ外装材とは収納部の成形深さ、底面の様子、そして二つの収納部の間における挿入部の存在、そして挿入部の両端における三角型の段差部などがかなり相違する。
図８は、図６のパウチ外装材を用いたパウチ型二次電池の製造方法の段階別断面模式図であり、図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩ’による断面である。図９は、図８に示した方法で製造したパウチ型二次電池の上面図である。
図８の（ａ）は、パウチ外装材３００の成形後に広げた状態の断面図であり、電極組立体２００が装着されるために挿入部３１５の上方へ移動している。それから、図８の（ｂ）に示したように、パウチ外装材３００中央の挿入部３１５に電極組立体２００の側面２３０を立てて挟んだ状態で、図８の（ｃ）及び（ｄ）に示したような手順で、両収納部３１０ａ、３１０ｂ側のパウチ外装材３００を折り上げ、収納部３１０ａ、３１０ｂを電極組立体２００の両面に、即ち、電極組立体２００の幅を決定する広い面（図５の２４０）に重ね合わす。
図８及び図５を共に参照すれば、正極リード２１０及び負極リード２２０が上端封止部３２０及び下端封止部３３０に対応するように電極組立体２００の側面２３０を挿入部３１５に装着し、上端封止部３２０、下端封止部３３０及び側面封止部３５０が各々接触するようにパウチ外装材３００を折り曲げるのである。
この際、従来のように収納部３１０ａ、３１０ｂの間に扁平な中央部位を折り曲げるのではなく、挿入部３１５に電極組立体２００がぴったり挟まれた状態で両パウチ外装材３００が折り上げられるため、電極組立体２００の側面２３０を無駄な空間なく囲むことができ、折曲げの角度が従来よりも大きくないため、無理な折曲げ力が加えられない。
しかのみならず、挿入部３１５と収納部３１０ａ、３１０ｂとの間は偏平な区間にし、収納部３１０ａ、３１０ｂは、電極組立体２００の幅の中間に対応する部分ａ１、ｂ１から電極組立体２００の端部に対応する部分ａ２、ｂ２へ進むほど次第に深く形成するため、電極組立体２００の広い面２４０も合わせて囲みながら電極組立体２００の側面２３０に対向する他側面のエッジ部分まで囲むことができる。
本発明によるパウチ外装材３００は、柔軟かつ容易に折り上げられ、大きい力が必要な折曲げ部分が存在しないため、しわなどが発生せず、後続の段階で堅固に密封される。このように、従来には、二つの収納部の間における中央部分である一つの折曲げ線を基準で折り曲げ、折り曲げられた部分が電極組立体の側面の中央部分に余剰部として構成されてしまうが、本発明においては、中央部分に挿入部３１５が存在するため、ここに挟まれる電極組立体２００の側面２３０側に無駄に残される部分が生じない。また、収納部３１０ａ、３１０ｂの底面の傾斜構造によって、挿入部３１５に挟まれる電極組立体２００の側面２３０に対向する側面もぴったり合わせて収納することができる。
このように本発明においては、パウチ外装材の成形形状を変更して電極組立体の側面エッジを完全に囲むようにするため、エッジ部位に無駄な空間を残すことなく安定的に封止することができ、パウチ外装材内の電極組立体の領域を極大化することができ、高容量・高密度の電気自動車用の電池及び大容量二次電池に使用可能なパウチ型二次電池及びこの製造方法を提供することができる。
図５の上端封止部３２０、下端封止部３３０及び側面封止部３５０が各々接触するようにパウチ外装材３００を折り曲げて重ねた図８の（ｄ）以後の過程は、上端封止部３２０及び下端封止部３３０を熱溶着し、側面封止部３５０の離隔隙間から電解質を注入して側面封止部３５０を熱溶着した後、側面封止部３５０を所定の長さで裁断する順に行われ得る。
特に、本発明の挿入部３１５の両端に、端部へ進むほど次第に深さが浅くなる三角形の段差部３１７を形成することから、封止部３２０、３３０、３５０の熱溶着の後に電極組立体２００の側面２３０側に突出部が形成されないことが大きい特徴である。
図９を参照すれば、上端と下端封止部３２０、３３０の熱溶着後の封止（Ｓ）まで示したが、従来とは相違に電極リードが各々引き出された上端と下端に、パウチ外装材が押されて発生する突出部が形成されず、むしろ「Ｂ」で示したように湾入部が形成される。これは、パウチ外装材３００に成形した三角形の段差部３１７による効果である。前述したように、三角形の段差部３１７の様子は封止部位の最終外郭形状を決定するため、三角形の段差部３１７の様子はこのような湾入部Ｂの形状及び湾入程度に影響を与える。そして、三角形の段差部３１７の様子に影響を及ぼすことは、三角形の段差部３１７の長さ及び挿入部３１５の深さｈであるため、これらの因子を調節することで湾入部Ｂの形状を決定することができる。
このように、パウチ外装材３００に、電極組立体２００の厚さ方向における側面２３０の形状を有する挿入部３１５を成形した後、電極組立体２００を挿入すれば、電極組立体２００の側面２３０が載置される面（パウチ型二次電池の底面）を扁平な形態として製作可能である。そして、挿入部３１５の両端に三角形の段差部３１７を形成することで、既存の封止時に発生していた突出部がパウチ型二次電池の底面に対して突出しない効果を奏する。
このように本発明は、三面の封止時、パウチ外装材の折畳み部や封止時の突出部などの無駄な空間を除去することで、パウチ型二次電池内に含まれる電極組立体の容量を高めることができる。本発明によるパウチ外装材を用いて製造されたパウチ型二次電池において、バリー形状の突出部が形成されないため、これによるデッドスペースが形成されず、このようなパウチ型二次電池を含むモジュール／パックのエネルギー密度を大幅向上させることができる。また、突出部を除去するため、モジュールの組立性が容易になる。従来のような突出部によって惹起され得る周辺構成品などとの干渉などが発生しないため、本発明によるパウチ型二次電池を含むモジュール／パックの組立工程効率も大幅向上させることができる。また、本発明によるパウチ型二次電池において、扁平な底面はエッジ冷却型の冷却に非常に有利である。
一方、パウチ型二次電池１００は、正極リード２１０と負極リード２２０とが相互対向して突出している電極組立体２００を中心にして説明したが、正極リードと負極リードとが相互同じ方向へ突出している電極組立体に対しても、本発明によるパウチ外装材を用いてパウチ型二次電池として製造することができる。
図９のようなパウチ型二次電池１００は、複数個が積層され、モジュール／パックとして製造され得る。図１０は、本発明によるパウチ型二次電池を含むバッテリーモジュールの構成を示す概略的な断面図である。
図１０を参照すれば、バッテリーモジュール５００において、パウチ型二次電池１００は、複数個を纏めて、封止されない一面が下部に位置して冷却プレート６００の上部面に付着されるように構成することができる。例えば、パウチ型二次電池１００は、図９の構成において、左側面となる面が下部に位置することで、このような面が冷却プレート６００の上部面に装着して接触するように構成され得る。
封止されない面は、封止される面に比べて無駄に突出する構成を有しないため、冷却プレート６００にパウチ型二次電池１００を完全に密着させることができ、冷却プレート６００の上面構造を単純化することができる。パウチ型二次電池１００内の電極組立体と冷却プレート６００とが非常に近く位置できる。即ち、封止されない面に無駄に突出する構成がないことから、冷却プレート６００とパウチ型二次電池１００とを完全に密着させることができる。その故、バッテリーモジュール５００の全体体積を減らしてエネルギー密度を高めることができる。しかのみならず、このような本発明の構成によれば、パウチ型二次電池１００と冷却プレート６００との接触面積を最大に確保することができ、熱伝達を増加させることができる。したがって、パウチ型二次電池１００の内部の電極組立体で発生した熱が冷却プレート６００へより迅速かつ円滑に伝達され、冷却効率が向上する。
以下、本発明の実験例と従来技術とを比較して説明する。
図１１は、本発明の実験例によって製造したパウチ外装材の写真である。収納部３１０ａ、３１０ｂが下方に位置するようにパウチ外装材３００を覆して撮影し、パウチ外装材３００の底面が見えるようにした。図１１を参照すれば、パウチ外装材３００は、電極組立体の厚さだけの幅を有する挿入部３１５を１ 単位のシート型パウチ外装材の中央に成形しており、電極組立体の幅の中間に対応する部分から電極組立体の端部に対応する部分へ進むほど次第に深くなる収納部３１０ａ、３１０ｂを挿入部３１５の両側に対称して成形した。また、挿入部３１５の両端に、端部へ進むほど次第に深さが浅くなるが三角形の段差部３１７も形成した。図１１から分かるように、本発明によるパウチ外装材３００の製造過程で破裂または破れることなく成形可能であることを確認した。収納部３１０ａ、３１０ｂ、挿入部３１５及び三角形の段差部３１７が希望するとおりに形成されており、いずれの部分も歪みまたは応力の集中なく成形可能であることを確認した。
図１２は、図１１のパウチ外装材３００を用いて製造したパウチ型二次電池の写真である。本実験例において、上端及び下端封止部は、図１１のパウチ外装材３００の挿入部３１５に対応する側面に比べ、各々ｐ１、ｐ２だけ突出したことが確認されたが、図１３のような従来技術の突出程度であるｐ３と比較すれば、非常に微々たる程度である。そして、この突出程度は、前述したように、パウチ外装材３００の挿入部３１５の深さを調節することで除去することができる。挿入部３１５の深さを突出量だけさらに深く調節すれば、突出部を除去することができる。但し、挿入部３１５の深さが深くなれば、収納部３１０ａ、３１０ｂの幅、即ち、電極組立体２００の幅の中間に対応する部分ａ１から電極組立体２００の端部に対応する部分ａ２までの長さ、そして、電極組立体２００の幅の中間に対応する部分ｂ１から電極組立体２００の端部に対応する部分ｂ２までの長さは、減らすべきである。
図１４は、本発明の他の実験例によるパウチ外装材を用いて製造したパウチ型二次電池の写真である。
図１２の結果を確認した後、挿入部３１５の深さをｐ１〜ｐ２の突出量だけさらに深く調節して他のパウチ外装材を製造し、これを用いてパウチ型二次電池として製造した結果、図１２に対比される突出部を除去することができた。むしろ、パウチ外装材３００の挿入部３１５に対応する側面から所定の距離ｐ４だけさらに内側に下端封止部が位置した。このように、本発明によれば、電極組立体２００の側面２３０が載置される面（パウチ型二次電池の底面）、即ち、封止されない面で無駄な空間を削除してセル容量を増加させることができる。また、このようなパウチ型二次電池を含むモジュール／パックのエネルギー密度を増加させることができる。そして、無駄な空間を削除することでモジュール／パック冷却構造及び組立工程の単純化が可能となる。図１５は、本発明の実験例によるパウチ型二次電池の底面（パウチ外装材３００の挿入部３１５に挟まれる電極組立体２００の側面２３０に対応する面）の写真であり、図１６は、従来技術によるパウチ型二次電池の底面写真である。図１５と図１６との比較から、本発明の場合がパウチ型二次電池の底面が偏平になってエッジ冷却方式のモジュールにおける密着力が改善され、これによって冷却性能が改善されることを確認することができた。
以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
１０ パウチ外装材
２０ａ 収納部
２０ｂ 収納部
３０ 電極組立体
４０ 電極組立体
５０ リード
６０ パウチ外装材
１００ パウチ型二次電池
２００ 電極組立体
２１０ 正極リード
２２０ 負極リード
３００ パウチ外装材
３１０ａ 収納部
３１０ｂ 収納部
３１５ 挿入部
３１７ 段差部
３２０ 上端封止部
３３０ 下端封止部
３５０ 側面封止部
５００ バッテリーモジュール
６００ 冷却プレート

Claims (11)

  1. 電極組立体を包装するために用いられる１単位のシート型パウチ外装材であって、
    前記パウチ外装材の中央に形成され、前記電極組立体の厚さだけの幅を有する挿入部と、
    前記電極組立体の幅の中間に対応する部分から前記電極組立体の端部に対応する部分へ進むほど次第に深くなり、前記挿入部の両側に対称的に形成された収納部と、
    前記挿入部の両端に形成され、端部へ進むほど深さが次第に浅くなる三角形の段差部と、を含むことを特徴とするパウチ外装材。
  2. 前記収納部において、前記挿入部から遠い側の底エッジ部の深さが、前記電極組立体の厚さの１／２以上であることを特徴とする請求項１に記載のパウチ外装材。
  3. 前記挿入部と前記収納部との間が、偏平な区間であることを特徴とする請求項１に記載のパウチ外装材。
  4. 前記挿入部に対向する収納部の外側が、相対的に長く延びていることを特徴とする請求項１に記載のパウチ外装材。
  5. 電極組立体と、
    前記電極組立体を包装するために用いられる１単位のシート型パウチ外装材を含み、
    前記パウチ外装材が、
    前記パウチ外装材の中央に形成され、前記電極組立体の厚さだけの幅を有する挿入部と、
    前記電極組立体の幅の中間に対応する部分から前記電極組立体の端部に対応する部分へ進むほど次第に深くなり、前記挿入部の両側に対称的に形成された収納部と、
    前記挿入部の両端に形成され、端部へ進むほど次第に深さが浅くなる三角形の段差部と、を含むことを特徴とするパウチ型二次電池。
  6. 前記収納部において、前記挿入部から遠い側の底エッジ部の深さが、前記電極組立体の厚さの１／２以上であることを特徴とする請求項５に記載のパウチ型二次電池。
  7. 前記挿入部と前記収納部との間が、偏平な区間であることを特徴とする請求項５に記載のパウチ型二次電池。
  8. 電極組立体を包装するために用いられる１単位のシート型パウチ外装材であって、
    前記パウチ外装材の中央に形成され、前記電極組立体の厚さだけの幅を有する挿入部と、
    前記電極組立体の幅の中間に対応する部分から前記電極組立体の端部に対応する部分へ進むほど次第に深くなり、前記挿入部の両側に対称的に形成された収納部と、
    前記挿入部の両端に形成され、端部へ進むほど次第に深さが浅くなる三角形の段差部と、を含むことを特徴とするパウチ外装材を準備する段階と、
    前記挿入部に電極組立体の側面を立てて装着し、両側のパウチ外装材を折り上げて前記収納部を重ねる段階と、
    前記重ねられた収納部の周辺を熱溶着する段階と、を含む、パウチ型二次電池の製造方法。
  9. 前記パウチ外装材は、前記挿入部に対向する収納部の外側が相対的に長く延びており、前記収納部を重ねた後、前記収納部の外側を除いた部位を熱溶着し、前記収納部の外側から電解液を注入して熱溶着した後、前記収納部の外側を裁断することを特徴とする請求項８に記載のパウチ型二次電池の製造方法。
  10. 前記収納部において、前記挿入部から遠い側の底エッジ部の深さが、前記電極組立体の厚さの１／２以上であることを特徴とする請求項８に記載のパウチ型二次電池の製造方法。
  11. 前記挿入部と前記収納部との間が、偏平な区間であることを特徴とする請求項８に記載のパウチ型二次電池の製造方法。
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