JP2023521808A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

本発明の一実施形態による二次電池は、電極組立体、前記電極組立体が内装されているパウチケースを含み、前記パウチケースは電極組立体の一部が内蔵される第１収納部が形成された第１ケース部および前記電極組立体の残り部分が収納される第２収納部が形成された第２ケース部を含み、前記第１ケース部と前記第２ケース部は前記第１および第２収納部を囲む縁部で互いに接し、前記縁部の少なくとも一部に帯形状に形成されたシーリング部によって密封され、前記シーリング部は、第１幅を有する第１シーリング部および前記第１幅より小さい第２幅を有する第２シーリング部を含み、前記第２シーリング部の長さ方向中心部は前記電極組立体の長辺の中心部と一致する。

Description

関連出願との相互引用
本出願は２０２０年１１月９日付韓国特許出願第１０－２０２０－０１４８８２０号に基づいた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。

本発明は二次電池に関するものであって、より具体的に、パウチ形態として、安全性を向上させた二次電池に関するものである。

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二次電池の需要が急激に増加している。これにより、多様な要求に応えられる二次電池に対する研究が多く行われている。

二次電池は、携帯電話機、デジタルカメラ、ノートパソコンなどのモバイル機器だけでなく、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力装置に対するエネルギー源としても多くの関心を集めている。

携帯電話機、カメラなどの小型デバイスには一つの電池セルがパッキングされている小型電池パックが使用されるが、ノートパソコン、電気自動車などの中大型デバイスには二つまたはそれ以上の電池セルを並列および／または直列に連結した電池パックがパッキングされている中型または大型電池パックが使用されている。

二次電池は形状面で薄い厚さで携帯電話機などのような製品に適用することができる角型二次電池とパウチ型二次電池に対する需要が高い。角型リチウム二次電池の場合には、電極組立体を外部衝撃から保護するのに有利であり注液工程が容易である反面、形態が固定されていて体積を減らすのに困難がある。反面、パウチ型リチウム二次電池の場合には、形態および大きさに制約がなくて薄い厚さのセル製作に適し、熱融着による組み立てが容易であり、異常挙動発生時、気体や液体を排出する効果が容易であって安全性が高いという長所がある。

しかし、このようなパウチ型二次電池は過充電、高温への露出、内部短絡などの要因によって電解質の分解が起こることがあり、これにより、多量のガスが発生することがあり、この場合、電池ケース内でこのようなガスの発生によって、前記電池ケースが膨らむスウェリング現象が発生することがある。

このようなスウェリング現象は前記密封された電池ケース内部で高圧を誘発することがあり、電解質の分解をさらに促進して、ひいては電池セルの爆発を招くことがある。また、前記ガスによって電池ケースの中央部位が膨らんで、前記電池セルの形態変形を誘発し、これにより、電気的短絡を招くことがあるという問題点を有している。

したがって、このような問題点を解決するために、前記スウェリング現象が発生した場合、電池ケースの内部に発生したガスを効率的に外部に排出して安全性を確保する必要がある。

実施形態は、パウチ型二次電池において、内部で多量のガスが発生しても意図した方向に安全にガスを排出して爆発を防止することができる二次電池を提供するためのものである。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は上述の課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張できる。

本発明の一実施形態による二次電池は電極組立体、前記電極組立体が内装されているパウチケースを含み、前記パウチケースは電極組立体の一部が内蔵される第１収納部が形成された第１ケース部および前記電極組立体の残り部分が収納される第２収納部が形成された第２ケース部を含み、前記第１ケース部と前記第２ケース部は前記第１および第２収納部を囲む縁部で互いに接し、前記縁部の少なくとも一部に帯形状に形成されたシーリング部によって密封され、前記シーリング部は第１幅を有する第１シーリング部および前記第１幅より小さい第２幅を有する第２シーリング部を含み、前記第２シーリング部の長さ方向中心部は前記電極組立体の長辺の中心部と一致する。

前記シーリング部は、前記第１シーリング部と前記第２シーリング部を連結し、前記パウチケースの外側から前記電極組立体に向かって傾斜した形態を有する第１傾斜部、および前記第１シーリング部と前記第２シーリング部を連結し、前記電極組立体から前記パウチケースの外側に向かって傾斜した形態を有する第２傾斜部をさらに含むことができる。

前記第１傾斜部の長さは、前記第２傾斜部の長さよりさらに長くてもよい。

前記第２幅は、前記第１幅の１／４以下であってもよい。

前記縁部の幅は、前記第１シーリング部が位置する部分および前記第２シーリング部が位置する部分で一定に維持される。

前記第１ケース部および前記第２ケース部はそれぞれ、基材層、金属層、およびシーリング層を含み、前記シーリング部は前記第１ケース部のシーリング層と前記第２ケース部のシーリング層が相互熱融着されて一体に形成された領域であってもよい。

前記シーリング層は、熱可塑性樹脂を含むことができる。

前記電極組立体は互いに対向する一対の長辺を含み、前記一対の長辺のうちのいずれか一つの長辺に対応してのみ前記第２シーリング部が配置されてもよい。

前記電極組立体は互いに対向する一対の長辺を含み、前記一対の長辺のうちの両側長辺全てに対応して前記第２シーリング部が配置されてもよい。

前記第２シーリング部は、前記パウチケース内部で熱暴走が発生する場合、発生されるガスのベント部として作用することになる。

本発明の他の一実施形態による電池モジュールは、前述の二次電池を含むことができる。

実施形態によれば、パウチ型二次電池において、内部で多量のガスが発生しても意図した方向に安全にガスを排出することができるように誘導して爆発を防止することができるので、安全性が向上した二次電池を提供することができる。

本発明の一実施形態による二次電池を示す分解斜視図である。 図１の二次電池を組み立てた状態を示す図である。 図２のＡ部分を拡大して示す断面図である。 図２の二次電池を正面から見た様子を模式化して示す図である。 図２のＢ－Ｂ'に沿った断面図である。 本発明の実施形態および比較例の二次電池に対して高温での放置実験を行った結果を示すグラフである。 本発明の他の実施形態による二次電池を正面から見た様子を模式化して示す図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。本発明は様々の異なる形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。

本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一な参照符号を付けるようにする。

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示されたところに限定されない。図面において様々な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面において、説明の便宜のために、一部層および領域の厚さを誇張して示した。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分"の上に"または"上に"あるという時、これは他の部分"の直上に"ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分"の直上に"あるという時には中間に他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分"の上に"または"上に"あるというのは基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力反対方向に向かって"の上に"または"上に"位置することを意味するのではない。

また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を"含む"という時、これは特に反対になる記載がない限り他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。

また、明細書全体で、"平面上"という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、"断面上"という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。

図１は本発明の一実施形態による二次電池を示す分解斜視図であり、図２は図１の二次電池を組み立てた状態を示す図であり、図３は図２のＡ部分を拡大して示す断面図であり、図４は図２の二次電池を正面から見た様子を模式化して示す図であり、図５は図２のＢ－Ｂ'に沿った断面図である。

まず、図１および図２を参照すれば、本発明の一実施形態による二次電池１０はパウチケース１００と電極組立体２００を含む。パウチケース１００は第１ケース部１１０と第２ケース部１２０を含む。図１では第１ケース部１１０と第２ケース部１２０が互いに連結されて一体に形成されるものとして示したが、第１ケース部１１０と第２ケース部１２０が互いに分離されていてもよい。パウチケース１００の形態は図１に例示したものに限定されず、電極組立体２００を収納し密封できる形状のものであればいずれの形態も可能である。

電極組立体２００は、正極板および負極板が分離膜を挟んで配置された形態に構成することができる。この時、電極組立体２００は、一つの正極板および一つの負極板が分離膜を挟んで巻取られた構造を有するか、多数の正極板および多数の負極板が分離膜を挟んで積層された構造を有することができる。このような正極板と負極板はそれぞれ電極集電体に活物質スラリーが塗布された構造として形成することができ、スラリーは通常活物質、導電材、バインダーおよび可塑剤などが溶媒が添加された状態で攪拌されて形成される。

電極組立体２００には、電極板にスラリーが塗布されていない無地部が存在することがあり、このような無地部にはそれぞれの電極板に対応する電極タップを形成することができる。具体的に、図１に示されたように、電極組立体２００の正極板には正極タップ３１０が付着され、電極組立体２００の負極板には負極タップ４１０を付着することができる。正極タップ３１０および負極タップ４１０は正極リード３２０および負極リード４２０に電気的に連結されて電極端子３００、４００を形成する。この時、図２に示したように、正極リード３２０および負極リード４２０がパウチケース１００外部に引き出されてもよい。

図１の第１ケース部１１０と第２ケース部１２０にはそれぞれ凹んでいる形態の第１収納部１１０ｓおよび第２収納部１２０ｓを含み、このような第１収納部１１０ｓおよび第２収納部１２０ｓに電極組立体２００および電解液が収納される。

図２の二次電池１０は、図１に示した第１ケース部１１０と第２ケース部１２０が相互接着されて密封されたパウチ型二次電池を例示的に示している。

図３は図２のＡ部分を拡大して示した図であり、図４は図２の二次電池１０を正面から見た図である。図３を参照すれば、本発明の一実施形態によるパウチケース１００を構成する第１ケース部１１０と第２ケース部１２０は、図１の電極組立体２００が収納される第１収納部１１０ｓおよび第２収納部１２０ｓを囲むパウチケース１００の縁部１３０に形成されたシーリング部１４０を含む。シーリング部１４０はパウチケース１００の縁に沿って縁部１３０の少なくとも一部に帯形状に形成されて、これによって第１ケース部１１０と第２ケース部１２０が接合することになる。第１ケース部１１０と第２ケース部１２０が熱融着されてシーリング部１４０を形成することによってパウチケース１００が密封される。

図５は、図２のＢ－Ｂ'による断面を示した図である。図５に示されているように、第１ケース部１１０は外側から順次積層された第１基材層１１３、第１金属層１１２および第１シーリング層１１１を含み、第２ケース部１２０は外側から順次積層された第２基材層１２３、第２金属層１２２、および第２シーリング層１２１を含む。

第１基材層１１３と第２基材層１２３は、二次電池と外部との絶縁性および成形性を確保するためにポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂またはナイロン樹脂などの絶縁物質から構成することができる。第１金属層１１２と第２金属層１２２は銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、炭素、クロム、マンガンおよびこれらの合金からなる群より選択された一つを含むことができる。第１シーリング層１１１および第２シーリング層１２１はポリプロピレン（ＰＰ）のような熱可塑性樹脂を含むことができる。

第１ケース部１１０と第２ケース部１２０は、縁部１３０で第１シーリング層１１１と第２シーリング層１２１が互いに接するように張り合わせられる。この状態でシーリング部１４０に対応するように加熱された金型などによって加圧して、熱融着することによって第１シーリング層１１１と第２シーリング層１２１が一体に結合してシーリング層１４０が形成されてパウチケース１００が密封される。

この時、シーリング部１４０は、第１幅Ｗ１を有する第１シーリング部１４１および第１幅Ｗ１より小さい第２幅Ｗ２を有する第２シーリング部１４２を含むことができる。また、第２シーリング部１４２は、その長さｈ２の中心部が、第１収納部１１０ｓおよび第２収納部１２０ｓに収納された電極組立体２００の長辺の長さｈ１の中心部と一致するように形成することができる。即ち、図３で、電極組立体２００の長辺の中心と、第２シーリング部１４２の長さの中心は、全て中心ラインＣ上に位置する。

このような第２シーリング部１４２は、パウチケース１００内部で温度が上昇する場合に発生するガスに対してベント部として作用することになる。即ち、高温条件に露出時、電極組立体２００内部の分離膜が収縮し、電解液の気化によって、電池が膨張するか、電極が変形されて正極と負極間短絡が発生するようになることがある。特に、電極と集電体が当接する場合、熱発生が熱放出より多くなる熱暴走（Ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ）状態に到達して電池に発火が起こる。しかし、この場合、正極と負極の短絡が発生しても、電池内部の電解液が全て排出されるようになれば、電池内のイオンの移動と電子の移動が制限されるので発火を防止することができる。即ち、既存のバッテリーよりさらに速い時点に電解液が気化して排出されるように誘導することによって安全性を改善することができるのである。

本実施形態では、他のシーリング部、即ち、第１シーリング部１４１に比べて小さい幅を有する第２シーリング部１４２が、ベント部として作用して気化した電解液のベントが急速に行われるようにすることによって発火および爆発を防止して安全性を改善した。即ち、電池が膨張する場合、変形および膨張が最も多く起こる部分は、電極組立体２００の長さ方向の中心部Ｃであり、これに対応して第２シーリング部１４２を配置したため、より迅速に第２シーリング部１４２を通じたベントを誘導することができる。

この時、第２シーリング部１４２は、第１シーリング部１４１の幅方向中心から、電極組立体２００側により偏るように配置されてもよい。即ち、図３に示したように、シーリング部１４０は第１シーリング部１４１と第２シーリング部１４２を連結し、パウチケース１００の外側から電極組立体２００に向かって傾斜した形態を有する第１傾斜部１４３を含み、また、第１シーリング部１４１と第２シーリング部１４２を連結し、電極組立体２００からパウチケース１００の外側に向かって傾斜した形態を有する第２傾斜部１４４を含む。また、この時、第１傾斜部１４３の長さは、第２傾斜部１４４の長さより長く形成することができる。

このような構造によって、第２シーリング部１４２が比較的に内側に近く配置されることによってその幅Ｗ２が小さく形成されても、十分な密封効果を有することができる。また、内側には第２傾斜部１４４を含むことによって、内部で発生したガスを当該部分、即ち、陥没した形態の第２傾斜部１４４側へより容易に誘導することができるので、第２シーリング部１４２の破損およびガスの排出をより急速に誘導することができる。

このような第２シーリング部１４２の第２幅Ｗ２は、第１シーリング部１４１の第１幅Ｗ１の１／４以下の値を有することができるが、特に限定されるものではない。その幅が過度に小さい場合、密封性能が低下することがあるので、好ましくは１／８以上１／４以下であってもよい。

また、前述のように第２シーリング部１４２は、縁部１３０の切断や切取りなどの変形を通じて得られる構成でなく、熱融着による密封工程時、当該部分の加圧形態のみを変形、即ち、金型の幅を小さくするなどの変形で得られる構成である。したがって、縁部１３０の幅は、第１シーリング部１４１と第２シーリング部１４２で同一であり、ただ熱融着される幅、即ち、シーリング部１４０の幅のみを変形することによって簡単に第２シーリング部１４２の構成を得ることができる。

このような本発明の実施形態による二次電池１０と比較例の二次電池を高温に露出する実験を行い、その結果を図６に示す。

図６は、本発明の実施形態および比較例の二次電池に対して高温での放置実験を行った結果を示すグラフである。

実施形態による二次電池１０では図２～４に示したように第２シーリング部１４２を形成し、比較例による二次電池ではこのような第２シーリング部１４２を形成せず、全て一定の幅のシーリング部を形成した。

これを１４０℃の温度で放置した結果、図６に示されているように、比較例の場合、約３０分が経過した時点で爆発が発生したことを確認した。反面、実施形態の二次電池１０では８０分が経過した時点で爆発が発生しなかったので、高温に露出されても電解液の排出が迅速に行われて安全性が向上したことを確認した。

図７は、本発明の他の実施形態による二次電池を正面から見た様子を模式化して示す図である。

本発明の他の実施形態による二次電池１１では、第２シーリング部１４２の個数のみが異なり、残り構成は一実施形態による二次電池１０と同一なので、重複する構成に関する説明は省略する。

図７に示されているように、他の実施形態による二次電池１１では、電極組立体２００の互いに対向する一対の長辺のうちの両側長辺全てに対応して第２シーリング部１４２が位置する。この場合、二次電池１１内部で急激にガスが発生しても両側で同時にガスのベントが起こることになるので、より迅速に電解液を排出することができる。したがって、高温での爆発を防止することができるので、安全性を向上させることができる。

一方、本発明の実施形態によるパウチ型二次電池は複数が集められて電池モジュールを構成し、このような電池モジュールは一つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。

前述の電池モジュールおよびこれを含む電池パックは多様なデバイスに適用することができる。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用することができるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびこれを含む電池パックを使用することができる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する。

以上で本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるのではなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の様々な変形および改良形態も本発明の範囲に属するのである。

１００：パウチケース
２００：電極組立体
１３０：縁部
１４０：シーリング部
１４１：第１シーリング部
１４２：第２シーリング部

Claims (11)

1. 電極組立体；
   前記電極組立体が内装されているパウチケースを含み、
   前記パウチケースは、電極組立体の一部が内蔵される第１収納部が形成された第１ケース部および前記電極組立体の残り部分が収納される第２収納部が形成された第２ケース部を含み、
   前記第１ケース部と前記第２ケース部は、前記第１収納部および第２収納部を囲む縁部で互いに接し、前記縁部の少なくとも一部に帯形状に形成されたシーリング部によって密封され、
   前記シーリング部は、第１幅を有する第１シーリング部および前記第１幅より小さい第２幅を有する第２シーリング部を含み、
   前記第２シーリング部の長さ方向の中心部は、前記電極組立体の長辺の中心部と一致する、二次電池。
2. 前記シーリング部は、前記第１シーリング部と前記第２シーリング部を連結し、前記パウチケースの外側から前記電極組立体に向かって傾斜した形態を有する第１傾斜部、および前記第１シーリング部と前記第２シーリング部を連結し、前記電極組立体から前記パウチケースの外側に向かって傾斜した形態を有する第２傾斜部をさらに含む、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記第１傾斜部の長さは、前記第２傾斜部の長さよりさらに長い、請求項２に記載の二次電池。
4. 前記第２幅は、前記第１幅の１／４以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の二次電池。
5. 前記縁部の幅は、前記第１シーリング部が位置する部分および前記第２シーリング部が位置する部分で一定に維持される、請求項１から４のいずれか一項に記載の二次電池。
6. 前記第１ケース部および前記第２ケース部はそれぞれ、基材層、金属層、およびシーリング層を含み、
   前記シーリング部は、前記第１ケース部のシーリング層と前記第２ケース部のシーリング層が相互熱融着されて一体に形成された領域である、請求項１から５のいずれか一項に記載の二次電池。
7. 前記シーリング層は、熱可塑性樹脂を含む、請求項６に記載の二次電池。
8. 前記電極組立体は互いに対向する一対の長辺を含み、
   前記一対の長辺のうちのいずれか一つの長辺に対応してのみ前記第２シーリング部が位置する、請求項１から７のいずれか一項に記載の二次電池。
9. 前記電極組立体は互いに対向する一対の長辺を含み、
   前記一対の長辺のうちの両側長辺全てに対応して前記第２シーリング部が位置する、請求項１に記載の二次電池。
10. 前記第２シーリング部は、前記パウチケース内部で熱暴走が発生する場合、発生されるガスのベント部として作用する、請求項１から９のいずれか一項に記載の二次電池。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の二次電池を含む電池モジュール。

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