JP2020509553A - ガスを排出可能な二次電池用パウチ型ケース - Google Patents

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Abstract

本発明は電極組立体を収納して熱融着シーリングされる二次電池用パウチ型ケースであって、前記ケースは、外部被覆層、金属バリア層（Ｂａｒｒｉｅｒ Ｌａｙｅｒ）及び内部接着層が順次積層されており、前記外部被覆層と前記金属バリア層の間にかつ前記金属バリア層と前記内部接着層の間には相互間の接着力を向上させるための接着層が介装されており、前記パウチケースは、上部ケースの外周面と下部ケースの外周辺が熱融着によって密封されて内部に電極組立体を収納し、前記上部ケースと下部ケースが熱融着する密封部には電池ケース内側と外側を連通するガス排出用部材が介装されているパウチ型ケースに関するものである。

Description

本出願は２０１７年１０月１７日付の韓国特許出願第２０１７−０１３４６４８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この明細書の一部として含まれる。
本発明はガスを排出可能な二次電池用パウチ型ケースに係り、具体的に、電極組立体を収納する上部ケース及び下部ケースの外周辺が熱融着された密封部に電池ケースの内側と外側を連通するガス排出用部材が介装された二次電池用パウチ型ケースに関する。
充放電の可能な二次電池は既存のガソリン及びディーゼル車両などの代案として提示されている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−Ｉｎ ＨＥＶ）などを含めた高出力及び大容量が要求される運送手段の動力源として注目されている。
二次電池は、形状によって、円筒形、角形、パウチ型などに区分することができる。その中でも高集積度で積層可能であり、重量当たりエネルギー密度が高いく、安価で変形が容易なパウチ型が多くの関心を集めている。
パウチ型電池セルは電池ケースがラミネートシートからなる電池セルを意味し、前記電池ケースの内部に電極組立体が内蔵される構造である。
一般に、外被が柔軟なパウチ型電池の主要研究課題の一つは安全性を向上させることである。リチウム二次電池は、内部短絡、許容電流及び電圧を超えた過充電、高温、落下又は外部衝撃による変形など、電池の異常な状態によって引き起こされることができる電池内部の高温及び高圧によって電池の爆発を引き起こすことがある。
また、パウチ型電池の使用過程で発生した多量のガスによって電池の内圧が一定水準以上に増加することによってシーリング部位がベンティング（ｖｅｎｔｉｎｇ）される問題が発生する。
電池の内圧上昇によってパウチ型電池のシーリング部位がベンティングされることを防止するなど、安全性を向上させるための多様な努力が試みられている。
韓国特許公開第２０１２−０１０３２０６号公報は、電極タブに安全フィルムを形成することにより、電池内部の温度や圧力が上昇したとき、安全フィルムが溶融してケースの密封が迅速に解除されるようにする構造の二次電池を開示している
前記韓国特許公開第２０１２−０１０３２０６号公報の二次電池は、電池の爆発又は発火を防止することができるが、電池の再使用ができない点が問題である。
韓国特許公開第２０１６−００１４８２８号公報は、パウチの外側にガスを排出させるように通路を開閉調節することができるベンティング装置を含むベンティングシステムを開示している。韓国特許公開第２０１６−００１４８２８号公報は二次電池内部のガスを排出することができるとともに継続的な電池の使用が可能である。前記ベンティング装置は胴体部、栓部材及び弾性部材を含むガス排出調節部からなるもので、ガスベンティングのために追加的で複雑な部材を必要とする点が欠点である。
韓国特許公開第２０１７−００４３９２６号公報は、シーリング部の内部に未融着領域として電池内部に発生したガスを収容するガスポケットが形成された二次電池を開示しているが、前記ガスポケットはシーリング部の内部に位置するから、電池の内部で発生したガスを外側に全く排出することができない問題がある。
したがって、従来に使っていたパウチ型電池をそのまま使い、パウチ型電池の外観に変形を与えずに、電池の使用中に発生するガスを電池の外部に排出することによって持続的に電池を使うことができる技術に対する必要性が高い実情である。
本発明は前記のような従来技術の問題点と過去から要請されて来た技術的課題を解決するために、上部ケースと下部ケースが熱融着する密封部にガス排出用部材が介装されており、前記ガス排出用部材は電池ケースの内側と外側を連通する構造になったパウチ型ケースを使う場合、パウチ型電池の使用中に電池セルの内部に発生するガスを前記ガス排出用部材を通して外部に排出することができる。
したがって、パウチ型電池の使用中に電池の内部に発生するガスによって電池ケースが膨脹し、これにより、電池ケースの密封部が破損することを防止することができる。
このような目的を達成するための本発明によるパウチ型ケースは、電極組立体を収納して熱融着シーリングされる二次電池用パウチ型ケースであって、前記パウチ型ケースは、外部被覆層、金属バリア層（Ｂａｒｒｉｅｒ Ｌａｙｅｒ）及び内部接着層が順次積層されており、前記外部被覆層と前記金属バリア層の間にかつ前記金属バリア層と前記内部接着層の間には相互間の接着力を向上させるための接着層が介装されており、前記パウチ型ケースは、上部ケースの外周面と前記下部ケースの外周辺が熱融着によって密封されて内部に電極組立体を収納し、前記上部ケースと前記下部ケースが熱融着する密封部には電池ケース内側と外側を連通するガス排出用部材が介装されている構造であり得る。
前記上部ケース及び下部ケースの少なくとも一方には電極組立体を収納することができる凹部が形成されることができ、前記凹部に電極組立体を収納した後、前記上部ケース及び下部ケースの外周辺は互いに対面するように位置する状態で熱融着して密封されることができる。
パウチ型電池は異常な使用状態だけでなく、正常な使用過程でも電極活物質と電解液の反応などによって二酸化炭素を含むガスが発生する。このようなガスによって電池内部の圧力が増加する場合、熱融着によって密封された電池ケースの外周辺でベンティングが発生し、高い内圧によって電池の爆発を引き起こすことがある。
本発明の場合、電池ケースの密封部にガス排出用部材が介装され、前記ガス排出用部材は電池ケースの内側と外側を連通するように位置するので、電池の内部で発生したガスは前記ガス排出用部材を通して電池の外部に排出されることができる。
また、本発明は、電池内部のガスを外部に排出するために、別途の追加的な装置を付け加えず、前記ガス排出用部材のみを適用しているので、パウチ型電池の全体的な大きさを増加させずに電池の内圧を下げることができる利点がある。
さらに、上部ケース及び下部ケースの間に前記ガス排出用部材を位置させた状態で熱融着による密封のみでも前記ガス排出用部材を適用することができるので、ガス排出用部材を介装するために別途の追加的な工程が必要ではない。
一具体例で、前記ガス排出用部材は電池ケースの密封部の間に位置して電池ケースの内側と外側を連通し、電池の全体的な大きさ及び形状の変形を引き起こさない構造であることが好ましい。例えば、前記ガス排出用部材は長細い管形になることができる。
前記ガス排出用部材は開放型気孔が形成された多孔性構造であることができるので、前記開放型気孔を通して電池内部のガスが外側に移動することができる。
前記ガス排出用部材を介して電池ケースの内側と外側が連通しているので、パウチ型電池の内部に発生するガスによって内圧が上昇する場合、前記ガスは外側方向に移動することができる。電池の内圧が高いから外部物質が電池の内部に流入しない。また、電池内部の圧力は外部の圧力と同じかそれより高い状態に維持されるので、前記ガス排出用部材の開放型気孔を通しての外部物質の流入が発生しない。
一具体例で、前記ガス排出用部材はガス吸着物質として金属酸化物又は金属水酸化物を含むことができる。前記ガス吸着物質によって電池内部のガスがもっと早く除去できる。
また、使われる電極活物質及び電解液などの種類を考慮して、発生量の多いガスを吸着することができる特定のガス吸着物質を含むようにすることにより、選択的にガスが除去されるように設計することができる。
前記ガス排出用部材の形状が長細い管形である点及び前記ガス排出用部材が電池ケースの内側と外側を連通するように位置する点を考慮すると、前記ガス排出用部材の長手方向が電池ケースの内側と外側を連通する方向と一致するように位置することが好ましい。
前記ガス排出用部材は上部ケース及び下部ケースが熱融着する密封部に位置し、前記密封部が溶融して前記ガス排出用部材の外面を取り囲む構造であるので、前記ガス排出用部材を安定的に固定させることができる。具体的に、前記ガス排出用部材は互いに熱融着した上部ケースの内部接着層と下部ケースの内部接着層の垂直方向の中心部に位置することができる。
前記ガス排出用部材が電池ケースの内側と外側を連通するように位置するにもかかわらず、一般的に電池内側の圧力が外側の圧力より高く維持される点を考慮すると、前記ガス排出用部材を通して外部物質が流入する可能性は非常に低い。すなわち、前記ガス排出用部材は、電池の正常作動状態では外部物質の内部への流入を防止し、電池内圧の上昇時にはガスを外部に排出する役割をすることができる。
前記ガス排出用部材は前記電池ケースの外周辺の４側面の中で一部の側面上にのみ位置することができるが、電池内部のガスを早く排出させるために、前記４個の外周辺の密封部に複数のガス排出用個別部材が配置されることが好ましい。
したがって、前記ガス排出用部材は前記密封部の全部分で個別部材が互いに離隔距離を維持して位置する。
前記ガス排出用部材の介装によってパウチ型ケースの総厚さが厚くなることを防止するために、前記管形のガス排出用部材の厚さは前記上部ケースの内部接着層の厚さ及び下部ケースの内部接着層の厚さの和より小さいことが好ましい。例えば、前記管形のガス排出用部材の厚さは前記上部ケースの内部接着層の厚さ及び下部ケースの内部接着層の厚さの和を基準に５０％以上〜９０％以下であり得る。
前記ガス排出用部材の厚さが前記内部接着層の厚さの和を基準に５０％より小さい場合にはガス排出のための通路が狭くなるから早いガス排出が難しい問題があり、９０％以上の場合にはガス排出用部材が接着層の間に安定的に固定されないことがあるから好ましくない。
前述したように、本発明によるガス排出用部材は電池ケースの全体的な大きさを増加させることなく形態の変形も伴わずに電池ケースの密封部に介装される。前記ガス排出用部材は前記密封部に介装された状態で熱融着して固定されるので、ガス排出用部材を固定させるための別途の追加的な工程を必要としない。
また、本発明は、前記パウチ型ケースを含むパウチ型電池セル、及び前記パウチ型電池セルを含む電池パックを提供することができる。
具体的に、前記電池パックは、高温安全性及び長いサイクル特性と高いレート特性などが要求されるデバイスの電源として使われることができる。このようなデバイスの詳細な例としては、モバイル電子機器（ｍｏｂｉｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）、ウェアラブル電子機器（ｗｅａｒａｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）、電池的モーターによって動力を受けて動作するパワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）；電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）などを含む電気車；電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）；電力貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）などを挙げることができるが、これに限定されるものではない。
これらのデバイスの構造及びその製作方法は当該分野に公知となっているので、本明細書ではそれについての詳細な説明は省略する。
一実施例によるガス排出用部材が介装されたパウチ型ケース密封部の垂直断面図である。 図１のパウチ型ケースの密封部が熱融着した状態を示す垂直断面図である。 図２のパウチ型電池ケースの一部の垂直断面図である。 一実施例によるパウチ型電池の平面図である。
以下、添付図面に基づいて本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただ、本発明の好適な実施例についての動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにすることができると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。
また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を付ける。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言う場合、これは直接的に連結されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
本発明を図面を参照して詳細な実施例に基づいて説明する。
図１は一実施例によるパウチ型ケースの密封部の垂直断面図を示し、図２は図１のパウチ型ケースの密封部が熱融着した状態を示す垂直断面図を模式的に示している。
図１及び図２を参照すると、パウチ型ケース１００は上部ケース１１０及び下部ケース１２０からなり、上部ケース１１０及び下部ケース１２０は互いに同じ構造である。具体的に、外側から内側方向に外部被覆層１０１、金属バリア層１０２及び内部接着層１０３が順次積層されており、前記外部被覆層１０１と前記金属バリア層１０２の間にかつ前記金属バリア層１０２と前記内部接着層１０３の間には相互間の接着力を向上させるための接着層１０４が介装されている。
上部ケース１１０の内部接着層１０３と下部ケース１２０の内部接着層１２３の間には長細い管形のガス排出用部材１３０が電池ケースの内側と外側を連通するように位置している。
パウチ型ケース１００の上面及び下面のそれぞれに矢印方向に熱と圧力が印加される場合、図２のパウチ型ケースのように、上部ケース及び下部ケースの内部接着層が溶融して単一の接着層１１３を形成するので、ガス排出用部材１３０の外面を接着層１１３が取り囲む構造になってガス排出用部材１３０を固定することができる。ガス排出用部材１３０の直径は接着層１１３の高さを基準に５０％〜９０％に相当するように形成され、ガス排出用部材１３０は接着層１１３の垂直方向の中心部に位置することになる。
図３は図２のパウチ型電池ケース一部の垂直断面図を模式的に示している。
図３を参照すると、上部ケース２１０及び下部ケース２２０からなる電池ケースの内部には、陽極及び陰極の間に分離膜が介装された構造の電極組立体２４０が収納されており、上部ケース２１０及び下部ケース２２０は外周辺が熱融着によって密封されている。
上部ケース２１０の内部接着層と下部ケース２２０の内部接着層が溶融して密封されたシーリング部にはガス排出用部材２３０が介装されることにより、電池ケースの内側と外側がガス排出用部材２３０を介して連通しているので、電池内部のガスを外部に排出することができる。
ガス排出用部材２３０として一つのガス排出用部材を示しているが、内部接着層の間に垂直方向に複数のガス排出用部材が介装される構造であってもよい。
図４は一実施例によるパウチ型電池の平面図を模式的に示している。
図４を参照すると、パウチ型電池３００は互いに異なる方向に突出した陽極タブ３０１及び陰極タブ３０３が付着された電極組立体３１０を収納するための凹部３０７が形成された電池ケースを含み、陽極タブ３０１と連結された陽極リード３０２及び陰極タブ３０３と連結された陰極リード３０４は電池ケースの外側に延びている。
電池ケースは、平面上で、左側シーリング部３１１、右側シーリング部３１２、上部シーリング部３１３及び下部シーリング部３１４にガス排出用個別部材３３０が介装されている。ガス排出用個別部材３３０は互いに一定の間隔で離隔するように配置されている。しかし、ガス排出用個別部材間の離隔間隔は互いに異なる間隔で配置されるか、あるいは長手方向の中心部のスウェリングがもっと大きく発生する点を考慮して、長手方向の中心部にはもっと小さい間隔で配置されることができる。
もしくは、ガス排出用個別部材はいずれか一側のシーリング部にのみ配置されることができ、前記４個のシーリング部の中で選択される２個又は３個のシーリング部にのみ配置されることができるのは言うまでもない。
本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形をなすことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明によるパウチ型ケースは電極組立体を収納した状態で外周辺が熱融着して密封される上部ケース及び下部ケースからなるパウチ型ケースであって、前記上部ケースと下部ケースが密封される密封部に電池ケースの内側と外側を連通するガス排出用部材が介装される構造であるので、前記ガス排出用部材を通して電池内部のガスを外部に排出することができる。
また、前記ガス排出用部材は電池ケースの密封部に位置するから、パウチ型電池の全体的な大きさ又は形状が変形されなく、パウチ型電池の製造工程で密封部に位置させることができるので、前記ガス排出用部材を付け加えるための別途の工程が不要である。
また、パウチ型電池の使用過程で内圧が増加するときにガスが排出され、電池の内圧が減少するときにガスの排出が中断される過程が繰り返し行われることができるので、電池の継続的な使用が可能である。
１００ パウチ型ケース
１０１ 外部被覆層
１０２ 金属バリア層
１０３ 内部接着層
１０４ 接着層
１１０ 上部ケース
１１３ 接着層 １２０ 下部ケース
１２３ 内部接着層
１３０ ガス排出用部材
２１０ 上部ケース
２２０ 下部ケース
２３０ ガス排出用部材
２４０ 電極組立体
３００ パウチ型電池
３０１ 陽極タブ
３０２ 陽極リード
３０３ 陰極タブ
３０４ 陰極リード
３０７ 凹部
３１０ 電極組立体
３１１ 左側シーリング部
３１２ 右側シーリング部
３１３ 上部シーリング部
３１４ 下部シーリング部
３３０ ガス排出用個別部材

Claims (11)

  1. 電極組立体を収納して熱融着シーリングされる二次電池用のパウチ型ケースであって、
    前記パウチ型ケースは、外部被覆層、金属バリア層（Ｂａｒｒｉｅｒ Ｌａｙｅｒ）及び内部接着層が順次積層されており、前記外部被覆層と前記金属バリア層の間にかつ前記金属バリア層と前記内部接着層の間には相互間の接着力を向上させるための接着層が介装されており、
    パウチ型ケースは、上部ケースの外周面と下部ケースの外周辺が熱融着によって密封されて内部に電極組立体を収納し、
    前記上部ケースと前記下部ケースが熱融着する密封部には電池ケース内側と外側を連通するガス排出用部材が介装されている、パウチ型ケース。
  2. 前記ガス排出用部材は長細い管形である、請求項１に記載のパウチ型ケース。
  3. 前記ガス排出用部材は開放型気孔が形成された多孔性構造である、請求項２に記載のパウチ型ケース。
  4. 前記ガス排出用部材はガス吸着物質を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパウチ型ケース。
  5. 前記ガス排出用部材の長手方向が電池ケースの内側と外側を連通する方向と一致するように位置する、請求項２〜４のいずれか一項に記載のパウチ型ケース。
  6. 前記ガス排出用部材は互いに熱融着した上部ケースの内部接着層と下部ケースの内部接着層の垂直方向の中心部に位置する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパウチ型ケース。
  7. 前記ガス排出用部材は、電池の正常作動状態時には外部物質の内部流入を防止し、電池の内圧上昇時にはガスを外部に排出する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のパウチ型ケース。
  8. 前記ガス排出用部材は、前記密封部の全部分で個別部材が互いに離隔距離を維持して位置する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のパウチ型ケース。
  9. 前記管形のガス排出用部材の厚さは前記上部ケースの内部接着層の厚さ及び下部ケースの内部接着層の厚さの和より小さい、請求項２に記載のパウチ型ケース。
  10. 前記ガス排出用部材は前記密封部に介装された状態で熱融着して固定される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のパウチ型ケース。
  11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の前記パウチ型ケースを含む、パウチ型電池セル。
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