JP2020520078A - 隠しガスポケット部を有するパウチ型電池ケース、これを備えたパウチ型二次電池及びこれを含む電池モジュール - Google Patents

Abstract

本発明による隠しガスポケット部を有するパウチ型電池ケース及びこれを備えたパウチ型二次電池は、パウチ型ケースの少なくとも一部分が折り畳まれていて、内部でガスが発生した場合に広がってガスを収集する空間を形成するガスポケット部が構成されることにより、ガスの発生時に電池が膨れ上がる程度を減らすことができ、また正常状態では空間を占めていないが、ガスの発生時にのみ広がってガス収容空間を形成して電池の空間利用効率を高めることができる効果を有する。

Description

本出願は２０１８年１月９日付の韓国特許出願第２０１８−０００２８６０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。

本発明は二次電池に関するものであり、特にラミネートシートからなるパウチ型電池ケースに電極組立体が内蔵されたパウチ型二次電池及び電池モジュールに関するものである。

一般に、二次電池は充電の不可な一次電池とは違って、充放電の可能な電池を意味し、携帯電話、ノートブック型パソコン、カムコーダーなどの電子機器又は電気自動車（ＥＶ）などに広く使われている。

二次電池の中で、リチウム二次電池は電子装備の電源として多く使われるニッケルカドミウム電池又はニッケル水素電池より大きな容量を有し、単位重量当たりエネルギー密度が高いから、その活用程度が急速に増加する趨勢にある。

リチウム二次電池は主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ陽極活物質と陰極活物質として使い、陽極活物質と陰極活物質がそれぞれ塗布された陽極板と陰極板が分離膜を挟んで配置されて電極組立体を構成し、この電極組立体は電解液とともに外装材、すなわち電池ケースに密封される構造を有する。

このようなリチウム二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が金属缶に内蔵されている缶型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内蔵されているパウチ型二次電池とに分類できる。

この中で、パウチ型二次電池は電極組立体の陽極タブと陰極タブ（ｔａｂ）に連結された電極リードが一方向に突出している単方向電池又は互いに反対方向に突出している両方向電池とに分類される。

パウチ型二次電池は、電極組立体、この電極組立体を収納して密封するパウチ型ケース、電極組立体からパウチ型ケースの外部に連結される電極リードなどからなることが一般的である。

しかし、前記のようなパウチ型二次電池は使用寿命が尽きるか、過充電されるか、高温に露出されるか、又は内部短絡などが発生したとき、電解質の分解による多量のガスが発生してパウチ型ケースが膨れ上がる、いわゆるスウェリング（Ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象が現れる。スウェリング現象は、発生ガスによってパウチ型ケースの中央部位が膨れ上がりながら電池の変形を引き起こし、それによって短絡が発生するか、ひどい場合は、密封されたケースの内部に高圧を生じさせ、電解質分解をもっと促進して爆発を引き起こす場合もある。

このような問題を解決するために、韓国特許公開第１０−２０１６−００５９７７６号、韓国特許公開第１０−２０１１−０１０７４４８号などにはスウェリング現象に対応するためのさまざまな技術が提示されている。

しかし、前述した韓国特許公開を含めた従来技術はガス収集のためにケースの内部空間を確張する構造を持っているから電池の全体大きさが大きくならなければならない問題があり、さらに拡大した空間は空いている空間であるため、外力に脆弱であって易しく変形することができる。これを解決するためには、内部に追加の構造物を取り付けて剛性を補強しなければならない問題点がある。

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、ガスが発生した場合に広がるか拡張しながらガス収容空間を形成するようにガスポケット部を構成することにより、ガスの発生時に電池が膨れ上がる程度を減少させることができ、また正常状態では空間を占めていないがガスの発生時にのみ広がってガス収容空間を形成して電池の空間利用効率を高めることができる隠しガスポケット部を有するパウチ型電池ケース、これを備えたパウチ型二次電池及びこれを含む電池モジュールを提供することを目的とする。

前記課題を実現するための本発明によるパウチ型二次電池は、電極組立体と、前記電極組立体を収納するパウチ型ケースとを含み、前記パウチ型ケースは少なくとも一部分が折り畳まれていて、内部でガスが発生した場合に広がってガスを収集する空間を形成するガスポケット部を有することを特徴とする。

ここで、前記ガスポケット部は、前記パウチ型ケースの周囲部分において前記電極組立体を覆うために折られた部分側に形成されることができる。

前記パウチ型ケースは、四角平面の構造を有し、この四角平面の周囲面が折られた１面とシーリング付着された３面とからなるとき、前記ガスポケット部は折られた１面側に形成されることが好ましい。

また、前記ガスポケット部は、前記パウチ型ケースの周囲部分においてシーリング付着された部分側に形成されることができる。

前記ガスポケット部は、前記パウチ型ケースの両側面の少なくとも一方に形成されることができる。

前記パウチ型ケースは、前記電極組立体が内蔵されるケース本体部と、前記ケース本体部の一側に形成される前記ガスポケット部とを含み、前記ガスポケット部は前記ケース本体部から折り曲げられて前記ケース本体部に密着した構造を有するように構成されることができる。

ここで、前記ガスポケット部は、多重に折り曲げられて前記ケース本体部側に密着する構造を有するように構成されることができる。

前記ガスポケット部は、しわ構造に折り曲げられて前記ケース本体部に密着する構造を有するように構成されることができる。

前記課題を実現するための本発明によるパウチ型電池ケースは、電極組立体が内蔵されるケース本体部と、前記ケース本体部の少なくとも一側に形成されて折り畳まれていて、電極組立体でガスが発生した場合に広がってガスを収集する空間を形成するガスポケット部とを含むことを特徴とする。

前記ガスポケット部は前記ケース本体部から折り曲げられて前記ケース本体部に密着する構造を有するように構成されることができる。

前記課題を実現するための本発明による電池モジュールは、前記のようなパウチ型二次電池を一つ以上含むことを特徴とする。

前記のような本発明の主な課題解決手段は、以下で説明する‘発明を実施するための形態’、又は添付の‘図面’などの例示によってより具体的で明確になるであろう。ここで、前述したような主な課題解決手段の他にも、本発明による多様な課題解決手段をさらに提示して説明するであろう。

本発明による隠しガスポケット部を有するパウチ型電池ケース、これを備えたパウチ型二次電池及びこれを含む電池モジュールは、電極組立体からガスが発生した場合、折り畳まれていたガスポケット部が広がるか拡張してガス収容空間を形成するので、ガスの発生時に電池ケースが膨れ上がる程度を減少させることができ、特に正常状態では空間をほとんど占めていないが、ガスの発生時にのみ広がってガス収容空間を形成して電池の空間利用効率を高めることができる効果を提供する。

本発明の第１実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した図であり、図１は斜視図である。 本発明の第１実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した図であり、図２は図１のＡ−Ａ線についての断面図である。 本発明の第１実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した図であり、図３はガスポケット部の作動状態を示す正面図である。 本発明の第１実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した図であり、図４は図３のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線及びＤ−Ｄ線についての断面図である。 本発明の第２実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した図であり、図５は横断面図である。 本発明の第２実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した図であり、図６はガスポケット部の作動状態を示す要部断面図である。 本発明の第３実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した横断面図である。 本発明の第４実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した横断面図である。 本発明の第５実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した横断面図である。 本発明の第６実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した横断面図である。

添付図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明すれば次のようである。

図１〜図４は本発明の第１実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した図であり、図１は斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線についての断面図、図３はガスポケット部の作動状態を示す正面図、図４は図３のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線及びＤ−Ｄ線についての断面図である。

本発明の第１実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池は、図１〜図４に示したように、電極組立体１０と、この電極組立体を収容するパウチ型ケース２０とを含んでなる。そして、パウチ型ケース２０の外には電極リード１５が露出されるように構成される。

ここで、電極組立体１０は陽極、陰極、及び両極の間に介在された分離膜の構造を有する発電素子であり、公知の電極組立体１０を用いて構成することができるので、具体的な説明は省略する。

パウチ型ケース２０は、電極組立体１０の外部を覆って密封することができるように、ラミネートシートからなることができる。ラミネートシートはアルミニウムなどの金属素材から構成されることが好ましい。

パウチ型ケース２０を用いて電極組立体１０を密封する構造は多様に構成することができる。本実施例では電極組立体１０が全体的に四角形平面の構造を有するので、パウチ型ケース２０も四角密封構造を有する。

このようなパウチ型ケース２０は、およそ中心部分を折り、その間に電極組立体１０を位置させた状態で、折られた部分を除いた残りの開放した周囲の３面をシーリングして密封する構造を有する。これにより、パウチ型ケース２０は、電極組立体１０が内部に位置する状態で電極組立体１０の上面及び下面を覆い、四角平面の周囲の４面が折られた１面（以下、‘折り面’ともいう）２２とシーリングが付着された３面（以下、‘シーリング面’ともいう）２４、２５とからなる。

ここで、シーリング面２４、２５はパウチ型ケース２０を構成するラミネートシートが互いに重なった状態で熱融着などの方法で密着させてシーリングする部分であることができる。

特に、パウチ型ケース２０の折り面２２には、さまざまな原因で、電極組立体１０からガスが発生したときにガスを収集することができるガスポケット部３０が構成される。これについては図２〜図４を参照して以下で詳細に説明する。

一方、図１ではパウチ型ケース２０の両端部に電極リード１５がそれぞれ露出されるように取り付けられた構造を例示しているが、電極リード１５の露出方向及び個数は実施条件によって多様に構成して実施することができる。例えば、電極リード１５をパウチ型ケース２０の一側面から両者が露出されるように構成することもできる。

以下、図２〜図４を参照して、前記ガスポケット部３０について説明する。

本実施例で、ガスポケット部３０はパウチ型ケース２０の折り面２２側に構成され、パウチ型ケース２０の側面側に折り畳まれていて、内部でガスが発生した場合に広がってガスを収集する空間を形成するように構成される。

このようなガスポケット部３０の折畳構造は、図２などを参照すると、パウチ型ケース２０において電極組立体１０が内蔵されるケース本体部２１に連結される折り面２２側にガスポケット部３０が構成され、またガスポケット部３０は折り面２２が２重に密着した状態でロール構造のように多重に折り曲げられるように形成され、このような状態でガスポケット部３０がケース本体部２１の側面に密着している構造を有するように構成される。

本実施例の図で、ガスポケット部３０はケース本体部２１の側面中央部から始まって２回〜３回折り曲げられてケース本体部２１の側面に密着した構造を有する。

参考までに、本発明による実施例の全ての図でガスポケット部３０の折畳構造が少し透き間ができている構造として示されているが、これは折畳構造を明確に現すために示したもので、ガスポケット部３０の折畳部分が互いに又はケース本体部２１側に密着している状態に組み立てられているものに理解することが好ましい。

ガスポケット部３０はパウチ型ケース２０が２重構造に単純に互いに密着した状態で折り曲げられてケース本体部２１の側面に密着するように構成されることができるが、必要によっては、ガスポケット部３０を構成する部分のうち重なった部分を低強度でシーリングしてケース本体部２１の側面に密着するように構成することも可能である。ここで、ガスポケット部３０のシーリング強度が他の３面側のシーリング面２４、２５のシーリング強度より一定程度低くなるようにシーリングすることにより、内部でガスが発生した場合にガスポケット部３０のシーリング部分が広がりながらガスを収集するように構成することができる。

このようなガスポケット部３０を用いて、内部でガスが発生した場合にガスを収集する過程を図３及び図４に基づいて説明する。

図３及び図４の（ａ）は正常状態、すなわちガスが発生しないとき、ガスポケット部３０の状態を示す図であり、ガスポケット部３０がケース本体部２１の側面に初期の組立状態の折畳状態で密着している。ここで、ガスポケット部３０はラミネートシートが多重に折り曲げられて密着しただけの外部体積のみ占めることになるので、電池の全体サイズがほとんど大きくならなくなる。

このように、ガスポケット部３０が折り畳まれている状態で電池の内部でガスが発生した場合には、図３及び図４の（ｂ）のように、ガスポケット部３０内にガスが流入するにつれて、折られていたガスポケット部３０が広がり始める。図面では便宜上ガスポケット部３０が一直線の構造に広がった状態を例示したが、ガスポケット部３０の入口側から広がりながら拡張するか、折り曲げられた部分が後で広がるなど、多くの条件によってガスポケット部３０が多様な形状に広がることが可能であろう。

その後、電池内でガスが続けて発生すれば、ガスポケット部３０が続けて膨れ上がり、全く膨れ上がれば、図３及び図４の（ｃ）のように、電池の側面側でガスポケット部３０が膨張しながらガス最大収集空間Ｓを形成するようになる。

ガスポケット部３０のガス最大収集空間Ｓは実施条件によって適宜設定して構成することができる。このようなガスポケット部３０により、電池の内部でガスが発生したとき、ガスポケット部がある部分を除いた残りの部分の変形を最小化することができ、特にガス収集空間を充分に確保することにより、爆発などの問題を予防することができるようになる。

以下、本発明によるガスポケット部の多くの実施例について説明する。参考までに、以下で説明する実施例では、第１実施例と同一又は同様な構成部分に対しては図面に同じ図面符号を付与し、できれば繰り返し説明は省略し、異なる構成部分を中心に説明する。

図５及び図６は本発明の第２実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した図であり、図５は横断面図、図６はガスポケット部の作動状態を示す要部断面図である。

前述した本発明の第１実施例ではガスポケット部３０がパウチ型ケース２０の折られた部分、すなわち折り面２２にのみ構成されたが、本発明の第２実施例ではガスポケット部３０がパウチ型ケース２０のシーリング部分、すなわちシーリング面２４にも形成されることができる構成を示す。

すなわち、図５及び図６を参照すると、本発明の第２実施例のガスポケット部３０はパウチ型ケース２０の両側に構成することができる。ここで、パウチ型ケース２０の一側面は折り面２２であり、他側面はシーリング面２４であるので、折り面２２側のガスポケット部３１は前述した第１実施例と同様に構成し、シーリング面２４側のガスポケット部３２は２重に折られた部分において端部のみシーリングして接合し、残りの部分はガスポケット部３０を構成するように２層が互いに密着した状態で折られるように構成することができる。

ここで、ガスポケット部３２が形成されるシーリング面２４はガスポケット部３０が形成されていない他のシーリング面２５（図１参照）よりシーリング付着面の幅をもっと小さく形成することも考慮することができる。これは、シーリング面積を最小に構成しつつ、ガスポケット部３２のガス収集空間を拡大するためのものである。

図６の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はガスポケット部３２の折畳組立状態、ガス発生時にガスポケット部３２が広がり始める状態、ガスポケット部３２の最大ガス収集状態などを順に示す図である。

このようにパウチ型ケース２０のシーリング面２４にもガスポケット部３２を形成する構成は、折り面２２側にはガスポケット部３０を構成せずにシーリング面２４側にのみガスポケット部３２を構成することも可能である。また、パウチ型ケース２０が２枚のラミネートシートから構成され、折り部分なしに全ての面がシーリングされて付着される場合、少なくともどの一側シーリング面に図６の（ａ）のようなガスポケット部３２を構成することも可能である。

図７は本発明の第３実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した横断面図であり、前述した本発明の第１及び第２実施例では電池の側面中央部からガスポケット部３０が始まるように構成されたものとは違って、ガスポケット部３０がパウチ型ケース２０の側面と他の面（上面又は下面）が交わる角部から始まって電池の側面を覆う構造に折り畳まれた実施例を示す。

このようなガスポケット部３０；３１ａ、３２ａも電池の両側面のいずれか一方にのみ構成することができる。

その他の構成部分は前述した他の実施例の構成と同一又は同様に構成できるので、繰り返し説明は省略する。

図８は本発明の第４実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した横断面図であり、前述した第３実施例の構成と類似しているが、両側が共にシーリング面２４に構成された場合、両側シーリング面２４にガスポケット部３２ａがそれぞれ構成された構造を示す。

また、両側のガスポケット部３２ａは対角線方向の反対側から始まる構成を示す。

図９は本発明の第５実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した横断面図であり、ガスポケット部３０が前述した実施例とは異なって、電池の側面側ではなくて電池の上面又は下面側に折り曲げられて形成された構成を示す。

ここで、ガスポケット部３０；３３、３４も電池の両側のいずれか一方にのみ構成することができる。

図１０は本発明の第６実施例による隠しガスポケット部を有するパウチ型二次電池を示した横断面図であり、ガスポケット部３０が電池の側面側にザバラのようなしわ構造を有するように形成された構成を示す。

この場合にも、シーリング面側に同じ構造のガスポケット部３５を構成することもでき、電池の両側に同じ構造のガスポケット部３５を構成することもできる。

また、ガスポケット部３５がしわ構造に形成されるので、しわ構造を形成するしわとしわとの間を接着部材などで互いに付着し、ガスの発生前に電池の側面に安定に密着固定するように構成することも可能である。

一方、前述したようなパウチ型二次電池を一つ以上含む電池モジュールを構成することができる。電池モジュールは前述したパウチ型二次電池セルを少なくとも一つ以上含めて多数の二次電池セルを束って構成したものである。また、このような電池モジュールを束って単一バッテリーパックに製作して構成することもできる。

前述したような本発明の実施例で説明した技術的思想はそれぞれ独立的に実施されることができ、互いに組み合わせられて実施されることもできる。また、本発明は図面及び発明の詳細な説明に記載された実施例に基づいて説明したが、これは例示的なものに過ぎなく、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であればこれから多様な変形及び均等な他の実施例が可能である。したがって、本発明の技術的保護範囲は添付の特許請求範囲によって決定されなければならないであろう。

１０ 電極組立体
１５ 電極リード
２０ パウチ型ケース
２１ ケース本体部
２２ 折り面
２４、２５ シーリング面
３０、３１ａ、３２、３２ａ、３３、３４、３５ ガスポケット部
Ｓ 最大収集空間

Claims (11)

1. 電極組立体と、前記電極組立体を収納するパウチ型ケースとを含み、
   前記パウチ型ケースは少なくとも一部分が折り畳まれていて、内部でガスが発生した場合に広がってガスを収集する空間を形成するガスポケット部を有する、パウチ型二次電池。
2. 前記ガスポケット部は、前記パウチ型ケースの周囲部分において前記電極組立体を覆うために折られた部分側に形成される、請求項１に記載のパウチ型二次電池。
3. 前記パウチ型ケースは、四角平面の構造を有し、この四角平面の周囲面が折られた１面とシーリング付着された３面とからなるとき、前記ガスポケット部は折られた１面側に形成される、請求項１に記載のパウチ型二次電池。
4. 前記ガスポケット部は、前記パウチ型ケースの周囲部分においてシーリング付着された部分側に形成される、請求項１に記載のパウチ型二次電池。
5. 前記ガスポケット部は、前記パウチ型ケースの両側面の少なくとも一方に形成される、請求項１に記載のパウチ型二次電池。
6. 前記パウチ型ケースは、前記電極組立体が内蔵されるケース本体部と、前記ケース本体部の一側に形成される前記ガスポケット部とを含み、
   前記ガスポケット部は前記ケース本体部から折り曲げられて前記ケース本体部に密着した構造を有するように構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のパウチ型二次電池。
7. 前記ガスポケット部は、多重に折り曲げられて前記ケース本体部側に密着する構造を有するように構成される、請求項６に記載のパウチ型二次電池。
8. 前記ガスポケット部は、しわ構造に折り曲げられて前記ケース本体部に密着する構造を有するように構成される、請求項６に記載のパウチ型二次電池。
9. 電極組立体が内蔵されるケース本体部と、前記ケース本体部の少なくとも一側に形成されて折り畳まれていて、電極組立体でガスが発生した場合に広がってガスを収集する空間を形成するガスポケット部とを含む、パウチ型電池ケース。
10. 前記ガスポケット部は前記ケース本体部から折り曲げられて前記ケース本体部に密着する構造を有するように構成される、請求項９に記載のパウチ型電池ケース。
11. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のパウチ型二次電池を一つ以上含む、電池モジュール。

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