JP2023536984A - 絶縁フィルムの上にベント部が形成された二次電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本実施例によれば、正極と、負極と、前記正極と負極との間に介在される分離膜と、を含む電極組立体が電解液と共に電池ケースに内蔵されており、前記正極は正極タブを含み、前記負極は負極タブを含み、前記正極タブは、正極リードに電気的に接続されており、前記負極タブは、負極リードに電気的に接続されており、前記正極リード及び前記負極リードは、前記電池ケースの密封部を通じて外部に露出しており、前記正極リード及び前記負極リードが、前記電池ケースの密封部と接触する部位には、各々正極絶縁フィルム及び負極絶縁フィルムが付着されており、前記正極絶縁フィルム及び前記負極絶縁フィルムの少なくとも一つの絶縁フィルムには、前記正極リードまたは負極リードと付着された部位で、前記正極リードまたは負極リードとの間に未接着物質で表面処理されたベント部が形成されている二次電池が提供される。

Description

本発明は、絶縁フィルムの上にベント部が形成されている二次電池及びその製造方法に関する。
本出願は、2021年1月27日出願の韓国特許出願第10-2021-0011775号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
化石燃料使用の急増につれ、代替エネルギーやクリーンエネルギーの使用に対する要求が増加しつつあり、その一環として最も研究が盛んである分野が電気化学を用いた発電、蓄電分野であるといえる。
現在、このような電気化学的エネルギーを用いる電気化学素子の代表的な例としては二次電池が挙げられ、ますますその使用領域が拡大されている。
最近、携帯用コンピューター、携帯電話、カメラなどの携帯用機器に対する技術開発と需要が増加するにつれ、エネルギー源としての二次電池の需要が急増しつつあり、そのような二次電池の中で、高い充放電特性と寿命特性を示し、環境に優しいリチウム二次電池に対して多様な研究が行われており、また常用化されて広く使用されている。
しかし、このようにリチウム二次電池の使用範囲が拡大されるにつれ、エネルギー密度の増加が求められ、これにより二次電池のエネルギー密度を高めることで二次電池の内部で発生するガス量が増加している。
さらに、二次電池の内部に水分が浸透する場合、副反応が発生し、これによって二次電池の性能が低下し、ガス発生がさらに加速化するという問題がある。
そこで、二次電池の内部で発生したガスを外部へ排出するように二次電池にベント部を形成して安全性の問題を解決しているが、二次電池がベントされると、二次電池の寿命が大幅に短縮されるので、このような問題を解決できる技術の開発が求められる。
本発明は、上記のような従来技術の問題点と過去から求められてきた技術的課題を解決することを目的とする。
具体的には、本発明は、より簡単な方法でガス排出通路を効率的に構造化して、ガスを外部へ効率的に排出すると共に、外部から拡散する水分を最小化することで、二次電池の安全性が向上する二次電池及びその製造方法を提供する。
上記の課題を達成するための本発明の一実施例による二次電池は、
正極と、負極と、前記正極と負極との間に介在される分離膜と、を含む電極組立体が電解液と共に電池ケースに内蔵されており、
前記正極は正極タブを含み、前記負極は負極タブを含み、
前記正極タブは、正極リードに電気的に接続されており、前記負極タブは、負極リードに電気的に接続されており、前記正極リード及び前記負極リードは、前記電池ケースの密封部を通じて外部に露出しており、
前記正極リード及び前記負極リードが、前記電池ケースの密封部と接触する部位には、各々正極絶縁フィルム及び負極絶縁フィルムが付着されており、
前記正極絶縁フィルム及び前記負極絶縁フィルムの少なくとも一つの絶縁フィルムには、前記正極リードまたは負極リードと付着された部位で、前記正極リードまたは負極リードとの間に未接着物質で表面処理されたベント部が形成されていることを特徴とする。
ここで、前記ベント部は、ロール圧延によって未接着物質をロールから絶縁フィルムの上へ転写する方式で形成されたコーティング層であり得る。
前記未接着物質は、融点が220℃以上の高分子、またはゲル化したセラミック粒子がコーティングされた後に硬化した物質であり得る。好ましくは、ポリイミド系物質、ポリテトラフルオロエチレン及びポリメチルペンテンからなる群より選択される一種以上の高分子、またはSiO、TiO、ZnO、CaO及びBaOからなる群より選択される一種以上のセラミック粒子がゲル化状態でコーティングされた後に硬化した物質であり得る。
また、前記ベント部は、その平面形状が、円形、楕円形または多角形であり得る。
一方、前記正極リード及び前記負極リードの少なくとも一つの電極リードは、金属基材と、前記金属基材の表面に形成されたコーティング層と、を含み得る。
なお、本発明の他の一実施例による前記二次電池の製造方法は、
(a)少なくとも一側にタブが形成されている集電体の上に電極活物質層が形成されている構造の正極と負極を一つ以上ずつ準備する過程と、
(b)前記正極と負極との間に分離膜を介在させる過程と、
(c)ベント部の形状に対応する未接着物質を含むロールを使用して、ロール圧延方式によって未接着物質を正極絶縁フィルム及び負極絶縁フィルムの少なくとも一つに転写してベント部を形成する過程と、
(d)正極リードを正極タブに電気的に接続し、負極リードを前記負極タブに電気的に接続し、前記正極リード及び負極リードの上に正極絶縁フィルム及び負極絶縁フィルムを各々付着する過程と、を含み、
前記ベント部は、前記正極リードと前記正極絶縁フィルムの付着部位との間、前記負極リードと前記負極絶縁フィルムの付着部位との間、またはその両方に介在されることを特徴とする。
ここで、前記未接着物質は、融点が220℃以上の高分子、またはゲル化したセラミック粒子がコーティングされた後に硬化した物質であり得る。好ましくは、ポリイミド系物質、ポリテトラフルオロエチレン及びポリメチルペンテンからなる群より選択される一種以上の高分子、またはSiO、TiO、ZnO、CaO及びBaOからなる群より選択される一種以上のセラミック粒子がゲル化状態でコーティングされた後に硬化した物質であり得る。
または、前記ベント部は、その平面形状が、円形、楕円形または多角形であり得る。
上述したように、本発明の一実施例によれば、電極リードに付着される絶縁フィルムの上にベント部を形成することで、ガス排出経路をリード部に形成することができるため、有効値を高めることができる。
また、前記ベント部を前記電極リードと接着される絶縁フィルムの上に未接着物質をロール圧延方式でコーティングする簡素化した方法で形成することで、非常に迅速かつ効率的に形成可能である。
本発明の一実施例による絶縁フィルムの上に形成されたベント部の形状を示した模式図である。 本発明の他の一実施例による二次電池の模式図である。 本発明のさらに他の一実施例によるベント部を形成する方法を示した模式図である。
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。
本明細書及び特許請求の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。
本明細書で使用される用語は、単に例示的な実施例を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しない。単数の表現は、文脈上明白に異なる意味を示さない限り、複数の表現を含む。
また、本明細書において、「含む」、「備える」または「有する」などの用語は、実施された特徴、数字、段階、構成要素またはこれらの組合せが存在することを特定することであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や、数字、段階、構成要素またはこれらの組合せの存在または付加の可能性を排除しない。
本発明の一実施例によると、
正極と、負極と、前記正極と負極との間に介在される分離膜と、を含む電極組立体が電解液と共に電池ケースに内蔵されており、
前記正極は正極タブを含み、前記負極は負極タブを含み、
前記正極タブは、正極リードに電気的に接続されており、前記負極タブは、負極リードに電気的に接続されており、前記正極リード及び前記負極リードは、前記電池ケースの密封部を通じて外部に露出しており、
前記正極リード及び前記負極リードが、前記電池ケースの密封部と接触する部位には、各々正極絶縁フィルム及び負極絶縁フィルムが付着されており、
前記正極絶縁フィルム及び前記負極絶縁フィルムの少なくとも一つの絶縁フィルムには、前記正極リードまたは負極リードと付着された部位で、前記正極リードまたは負極リードとの間に未接着物質で表面処理されたベント部が形成されている二次電池が提供される。
従来から、二次電池の内部におけるガス発生時、ガスを外部へ排出するための前記ベント部を形成する多様な方法が開発されてきた。例えば、パウチにノッチを形成するか、またはリード部の間に別のガス排出部材を形成するなど、内部で発生したガスを外部へ排出して二次電池の安全性を確保していた。
しかし、前記方法は、ベント時に二次電池がそれ以上使用不可になり、二次電池の寿命が顕著に減少するか、または別の部材が必要となるなど、工程効率性及び価格競争力で優位を占めにくかった。
これに対し、本発明は、より簡素化した方法で電極リード部にベント部を形成することで、二次電池の安全性を確保する共に、寿命を大幅に向上させることができる効果を奏する。
具体的には、前記ベント部は、非常に簡単かつ低価の工程によって形成可能である。
例えば、前記ベント部は、従来に知られた多様なコーティング方法を制限なく使用し得る。例えば、スピンコーティング、ブレードコーティング、スプレーコーティング、インクジェットプリンティングの方法で行われ得る。好ましくは、ロール圧延によって未接着物質をロールから絶縁フィルムの上へ転写する方式で形成されたコーティング層であり得る。
このような前記ベント部は、リードと付着される絶縁フィルムの上に未接着物質のコーティング層を形成し、これを前記リードと前記絶縁フィルムとの間に介在されるように前記絶縁フィルムを前記リードに付着する方法で非常に簡単に形成可能であるので、工程及び経済的に非常に効率的である。
この際、前記未接着物質は、正極リードまたは負極リードと接着しない物質を意味し、例えば、融点が220℃以上である高分子、またはゲル化したセラミック粒子がコーティングされた後に硬化した物質であり得る。好ましくは、ポリイミド系物質、ポリテトラフルオロエチレン及びポリメチルペンテンからなる群より選択される一種以上の高分子、またはSiO、TiO、ZnO、CaO及びBaOからなる群より選択される一種以上のセラミック粒子がゲル化した状態でコーティングされた後に硬化した物質であり得る。
この際、前記未接着物質のコーティング厚さは、30nm~1mmに形成され得る。
未接着物質のコーティング厚さが前記範囲を満たす場合、工程上の利点を有すると共に、未接着物質を除いた部分が密封されないという問題を防止して電解液の漏出問題をより容易に防止することができる。
この際、前記ベント部は、前記正極リードと前記正極絶縁フィルム、または前記負極リードと前記負極絶縁フィルムが付着される全体の広さを基準にして10%~70%の面積に形成されることが可能であり、詳しくは、20%~50%の面積に形成され得る。
前記ベント部の面積が前記範囲を満たす場合、ベント効果が確保できると共に、電解液の漏出のような密封性などの問題をより容易に防止することができる。
一方、前記ベント部は、その平面形状が限定されず、円形、楕円形または多角形などの多様な形状に形成可能であるが、電解液漏出のような問題が発生せず、かつガスを効率的に排出可能なパターンに形成され得る。
図1には、絶縁フィルム100の上のベント部101の形状の例を模式的に示した。
図1を参照すると、図1の(a)は長方形、図1の(b)は楕円形、図1の(c)は凹凸形状のような多角形、図1の(d)は、三角形のベント部101が示されている。
但し、図面は一例であって、これらの形状に限定されない。
図2には、本発明の一実施例による二次電池200が模式的に示されている。
図2を参照すると、正極と、負極と、前記正極と負極のと間に介在される分離膜と、を含む電極組立体201が電解液と共に電池ケース202に内蔵されており、前記正極は正極タブ203を含み、前記負極は負極タブ204を含み、正極タブ203は、正極リード205に電気的に接続されており、負極タブ204は負極リード206に電気的に接続されており、正極リード205と負極リード206は、電池ケース202の密封部を通じて外部に露出しており、正極リード205と負極リード206が電池ケース202の密封部と接触する部位には、正極絶縁フィルム110及び負極絶縁フィルム100が各々付着されている構造からなっている。
この際、負極リード206の上に負極絶縁フィルム100が付着された部位を拡大(A)してその構造を検討すると、負極絶縁フィルム100が負極リード206の上に付着される部位内の一部にベント部101が形成されていることが分かる。
この際、ベント部101は、負極絶縁フィルム100と負極リード206との間に位置し、負極リード206とは接着しないことでガス排出通路になるのである。
図示していないが、正極絶縁フィルム110にベント部を形成してもよく、正極絶縁フィルム110と負極絶縁フィルム100の両方ともにベント部を形成してもよい。
一方、ベント部101は、負極リード206と負極絶縁フィルム100との接触面積を基準とするとき、20%~90%の面積、詳しくは30%~80%の面積に形成され得る。
ベント部101の面積が前記範囲を満たす場合、ベント効果が確保可能であると共に、リードと絶縁フィルムとの付着面積を充分に確保して密封性もより容易に確保できる。
また、このようなベント部の形状も前述したことと同一である。
前記正極絶縁フィルム110及び負極絶縁フィルム100の材質は、電気絶縁性を有する熱可塑性、熱硬化性及び光硬化性樹脂のうちいずれか一つであり得る。一例として、ポリオレフィン樹脂、スチレンブタジエン樹脂、スチレン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル系樹脂、フェノール樹脂、アミド系樹脂、アクリレート系樹脂、及びそれらの変性樹脂であり得るが、前記のような機能が遂行可能な樹脂であれば、特に制限されない。
その他の前記絶縁フィルムの具体的な内容は、従来に知られた内容を含む。
一方、正極リード205及び前記負極リード206の少なくとも一つの電極リードは金属基材からなり得るが、前記金属基材と、前記金属基材の表面に形成されたコーティング層と、を含み得る。
この際、前記金属基材は、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)及びステンレススチールからなる群より選択される一種以上を含み得る。より具体的には、前記電極リードが正極リードであるか、それとも負極リードであるかによって望ましい金属基材の材質が相違し得る。例えば、正極リードの場合、アルミニウム、ニッケルまたはこれらの少なくとも一種以上が含まれた合金であり得、負極リードの場合、銅、ニッケルまたはこれらの少なくとも一種以上が含まれた合金であり得る。
一方、前記コーティング層は、二次電池に水分が浸透して電解液と反応することで発生する強酸などによる電極リードの腐食を防止すると共に、電極リードと絶縁フィルムとの接着力の向上のためのものであって、例えば、金属または金属酸化物を含むことができる。詳しくは、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、モリブデン(Mo)、シリコン(Si)、チタン(Ti)、コロンビウム(Cb)、シリコン酸化物、スズ酸化物及びチタン酸化物からなる群より選択される一種以上を含み得る。
この際、前記コーティング層の厚さは、100μm以下であり得る。好ましくは、30μm~100μm、より好ましくは、30μm~80μm、最も好ましくは、30μm~70μmであり得る。
前記範囲を満たす場合、二次電池の内部で発生する強酸による正極リード及び負極リードの腐食をより容易に防止可能であると共に、リードの厚さがあまり厚くなることを容易に防止することができる。
また、前記コーティング層は、当該技術分野における公知の方法を用いて形成可能であり、その方法は特に限定されない。例えば、電気メッキなどよって形成され得る。
前記電池ケースは限定されないが、前記構成が適切に活用されるパウチ型電池ケースであり得る。
その他の正極、負極、分離膜、正極タブ、負極タブ、電池ケース、電解液などの構成は公知であるため、本発明では具体的な説明を省略する。
一方、本発明のさらに他の一実施例によれば、
前記二次電池の製造方法であって、
(a)少なくとも一側にタブが形成されている集電体の上に電極活物質層が形成されている構造の正極と負極を一つ以上ずつ準備する過程と、
(b)前記正極と負極との間に分離膜を介在する過程と、
(c)ベント部の形状に対応する未接着物質を含むロールを使用して、ロール圧延方式によって未接着物質を正極絶縁フィルム及び負極絶縁フィルムの少なくとも一つに転写してベント部を形成する過程と、
(d)正極リードを正極タブに電気的に接続し、負極リードを前記負極タブに電気的に接続し、前記正極リード及び負極リードの上に正極絶縁フィルム及び負極絶縁フィルムを各々付着する過程と、を含み、
前記ベント部は、前記正極リードと前記正極絶縁フィルムの付着部位との間、前記負極リードと前記負極絶縁フィルムの付着部位との間、またはその両方に介在される、二次電池の製造方法が提供される。
具体的には、本発明によれば、前記ベント部をロール圧延方式によって行う。
このような製造方法を図3に簡略に示した。
図3を参照すると、ベント部101の形状に対応する未接着物質111が表面に形成されたロール300を使用して、圧延する方式によって未接着物質111を絶縁フィルム100の表面に転写し、コーティングする方法でベント部101を形成し得る。
この際、未接着物質111の具体的な例は、前述したものと同一であり、ベント部101の形状を長方形に示したが、これに限定されず、その平面形状は、円形、楕円形または多角形などであり得る。
以上、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者であれば、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が可能であろう。
100 負極絶縁フィルム
101 ベント部
110 正極絶縁フィルム
111 未接着物質
200 二次電池
201 電極組立体
202 電池ケース
203 正極タブ
204 負極タブ
205 正極リード
206 負極リード
300 ロール

Claims (8)

  1. 正極と、負極と、前記正極と負極との間に介在される分離膜と、を含む電極組立体が電解液と共に電池ケースに内蔵されており、
    前記正極は正極タブを含み、前記負極は負極タブを含み、
    前記正極タブは、正極リードに電気的に接続されており、前記負極タブは、負極リードに電気的に接続されており、前記正極リード及び前記負極リードは、前記電池ケースの密封部を通じて外部に露出しており、
    前記正極リード及び前記負極リードが、前記電池ケースの密封部と接触する部位には、各々正極絶縁フィルム及び負極絶縁フィルムが付着されており、
    前記正極絶縁フィルム及び前記負極絶縁フィルムの少なくとも一つの絶縁フィルムには、前記正極リードまたは負極リードと付着された部位で、前記正極リードまたは負極リードとの間に未接着物質で表面処理されたベント部が形成されている、二次電池。
  2. 前記ベント部が、ロール圧延によって未接着物質をロールから絶縁フィルムの上へ転写する方式で形成されたコーティング層である、請求項1に記載の二次電池。
  3. 前記未接着物質は、ポリイミド系物質、ポリテトラフルオロエチレン及びポリメチルペンテンからなる群より選択される一種以上の高分子、またはSiO、TiO、ZnO、CaO及びBaOからなる群より選択される一種以上のセラミック粒子がゲル化状態でコーティングされた後に硬化した物質である、請求項1または2に記載の二次電池。
  4. 前記ベント部は、その平面形状が、円形、楕円形または多角形である、請求項1から3のいずれか一項に記載の二次電池。
  5. 前記正極リード及び前記負極リードの少なくとも一つの電極リードが、
    金属基材と、前記金属基材の表面に形成されたコーティング層と、を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の二次電池。
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載の二次電池の製造方法であって、
    (a)少なくとも一側にタブが形成されている集電体の上に電極活物質層が形成されている構造の正極と負極を一つ以上ずつ準備する過程と、
    (b)前記正極と負極との間に分離膜を介在させる過程と、
    (c)ベント部の形状に対応する未接着物質を含むロールを使用して、ロール圧延方式によって未接着物質を正極絶縁フィルム及び負極絶縁フィルムの少なくとも一つに転写してベント部を形成する過程と、
    (d)正極リードを正極タブに電気的に接続し、負極リードを前記負極タブに電気的に接続し、前記正極リード及び負極リードの上に正極絶縁フィルム及び負極絶縁フィルムを各々付着する過程と、を含み、
    前記ベント部は、前記正極リードと前記正極絶縁フィルムの付着部位との間、前記負極リードと前記負極絶縁フィルムの付着部位との間、またはその両方に介在される、二次電池の製造方法。
  7. 前記未接着物質は、ポリイミド系物質、ポリテトラフルオロエチレン及びポリメチルペンテンからなる群より選択される一種以上の高分子、またはSiO、TiO、ZnO、CaO及びBaOからなる群より選択される一種以上のセラミック粒子がゲル化状態でコーティングされた後に硬化した物質である、請求項6に記載の二次電池の製造方法。
  8. 前記ベント部は、その平面形状が、円形、楕円形または多角形である、請求項6または7に記載の二次電池の製造方法。
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