JP2023541060A - 電池セル及びそれを含む電池モジュール - Google Patents

電池セル及びそれを含む電池モジュール Download PDF

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Abstract

本発明の一態様による電池セルは、電極組立体が取り付けられる収納部、及び該収納部の外周辺が密封されて形成されるシーリング部を含む電池ケースと、前記電極組立体に含まれた電極タブと電気的に接続され、前記シーリング部を通って前記電池ケースの外側に突出している電極リードと、前記電極リードの上部及び下部の少なくとも一方において、前記シーリング部に対応する部分に位置するリードフィルムと、を含み、前記リードフィルムは第１接着層及び第２接着層を含み、前記第１接着層と前記第２接着層との間に水分除去層が位置し、前記水分除去層はゲッター物質を含む。

Description

本出願は、２０２１年４月２１日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２１－００５１９２３号に基づく優先権を主張する。
本発明は、電池セル及びそれを含む電池モジュールに関し、より具体的には、電池セルの内部で発生したガスの外部排出能を向上させながらも、電池セルの内部に流れ込む水分の浸透を抑制する電池セル、及びそれを含む電池モジュールに関する。
モバイル機器に対する技術開発及び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ている。特に、二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイス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のエネルギー源としても多くの関心を集めている。
このような二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒形または角形の金属缶に収納されている円筒形電池及び角形電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートからなるパウチ型ケースに収納されているパウチ型電池とに分けられる。ここで、電池ケースに収納される電極組立体は、正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に介在された分離膜を備え、充放電が可能な発電素子であって、活物質が塗布された長尺シート型の正極と負極との間に分離膜を介在して巻き取ったゼリーロール型と、複数の正極と負極とを、分離膜を介在した状態で順次に積層した積層型とに分けられる。
中でも、特に積層型または積層／折畳み型電極組立体をアルミニウムラミネートシートからなるパウチ型電池ケースに収納した構造のパウチ型電池は、製造コストが低くて軽量であり、変形が容易であるなどの理由から使用量が次第に増加している。
しかし、近年、電池セルのエネルギー密度の増加とともに、電池セルの内部で発生するガスの量も増加するという問題がある。特に、電池セルの内部で発生したガスが円滑に排出されない場合、電池セルにはガス発生によるベンティング現象が生じ得る。また、電池セルがガスを排出するための別途のベンティング部を含んでいる場合にも、該ベンティング部から水分が電池セルの内部へと浸透することがあり、それによる副反応によって電池セルの性能が低下し、さらなるガスの発生につながるおそれがある。そこで、電池セルの内部で発生したガスの外部排出能を向上させながらも、電池セル外部の水分が内部に浸透することを防止する電池セルに対する開発要求が高まっている。
本発明が解決しようとする課題は、電池セルの内部で発生したガスの外部排出能を向上させながらも、電池セルの内部に流れ込む水分の浸透を抑制する電池セル、及びそれを含む電池モジュールを提供することである。
本発明が解決しようとする課題は、上述した課題に制限されず、言及されていない課題は、本明細書及び添付の図面から当業者に明確に理解されるであろう。
本発明の一態様による電池セルは、電極組立体が取り付けられる収納部、及び該収納部の外周辺が密封されて形成されるシーリング部を含む電池ケースと、前記電極組立体に含まれた電極タブと電気的に接続され、前記シーリング部を通って前記電池ケースの外側に突出している電極リードと、前記電極リードの上部及び下部の少なくとも一方において、前記シーリング部に対応する部分に位置するリードフィルムと、を含み、前記リードフィルムは第１接着層及び第２接着層を含み、前記第１接着層と前記第２接着層との間に水分除去層が位置し、前記水分除去層はゲッター（ｇｅｔｔｅｒ）物質を含む。
前記ゲッター物質は、酸化カルシウム（ＣａＯ）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、シリカ（ＳｉＯ２）、酸化バリウム（ＢａＯ）、バリウム（Ｂａ）、及びカルシウム（Ｃａ）のうちの少なくとも一つを含み得る。
前記ゲッター物質は、金属有機構造体（ＭＯＦ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ）の構造を有し得る。
前記水分除去層は、ポリオレフィン系樹脂をさらに含み得る。
前記水分除去層は、ポリプロピレンをさらに含み得る。
前記水分除去層の厚さは、６０μｍ以上であり得る。
前記水分除去層は、前記水分除去層の全体重量を基準にして０．０１重量％～８０重量％の前記ゲッター物質を含み得る。
前記第１接着層は、ポリオレフィン系樹脂を含み得る。
前記第１接着層は、無水マレイン酸（ＭＡＨ：Ｍａｌｅｉｃ Ａｎｈｙｄｒｉｄｅ）で処理されたポリプロピレンを含み得る。
前記第１接着層のガス透過度（ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）は、６０℃で２０～６０バーラー（ｂａｒｒｅｒ）であり得る。
前記第１接着層の厚さは、６０μｍ以上であり得る。
前記第２接着層は、ポリオレフィン系樹脂を含み得る。
前記第２接着層のガス透過度は、６０℃で２０～６０バーラーであり得る。
前記第２接着層の厚さは、６０μｍ以上であり得る。
前記第１接着層は前記電極リードの外面と接着され、前記第２接着層は前記シーリング部の内面と接着され得る。
前記リードフィルムは、第１リードフィルム及び第２リードフィルムを含み、前記第１リードフィルムは前記電極リードの上部に位置し、前記第２リードフィルムは前記電極リードの下部に位置し得る。
前記第１リードフィルムに含まれた前記第１接着層の端部と前記第２リードフィルムに含まれた前記第１接着層の端部とが互いに接し得る。
本発明の他の一態様による電池モジュールは、上述した電池セルを含む。
本発明の実施形態によれば、多層構造のリードフィルムが付着された電極リードを含む電池セル、及びそれを含む電池モジュールを提供することで、電池セルの内部で発生したガスの外部排出能を向上させ、電池セルの内部に流れ込む水分の浸透を抑制することができる。
本発明の効果は上述した効果に制限されず、言及されていない効果は本明細書及び添付される図面から当業者に明確に理解されるであろう。
本発明の一実施形態による電池セルの上面図である。 図１の電池セルに含まれた電極リード及びリードフィルムの斜視図である。 図２の電極リード及びリードフィルムの分解斜視図である。 図１の電池セルに含まれたリードフィルムの断面図である。
以下、図面を参照して本発明の多様な実施形態について当業者が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明は、様々な異なる形態で具現でき、後述する実施形態に限定されるものではない。
本発明を明確に説明するため、説明と関係ない部分は省略し、明細書の全体を通して同一または類似の構成要素に対しては、同じ参照符号を付することにする。
また、図示された各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜上、任意に示されているため、本発明が図示によって限定されることはない。図面においては、多様な層及び領域を明確に示すため、厚さを拡大して示している。そして、図面において、説明の便宜上、一部の層及び領域の厚さを誇張して示している。
また、明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは特に言及されない限り、他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
また、明細書の全体において、「平面図」とするとき、これは対象部分を上方から眺めた場合を意味し、「断面図」とするとき、これは対象部分を垂直に切った断面を側方から眺めた場合を意味する。
以下、本発明の一実施形態による電池モジュールについて説明する。但し、電池モジュールの前後面のうちの前面を基準にして説明するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、後面の場合にも同一または類似の説明が適用され得る。
図１は、本発明の一実施形態による電池セルの上面図である。
図１を参照すると、本実施形態による電池セル１００は、電池ケース２００、電極リード３００、及びリードフィルム４００を含む。
電池ケース２００は、電極組立体１１０が収納部２１０に取り付けられ、外周辺が密封された構造のシーリング部２５０を含む。前記シーリング部２５０は、熱またはレーザーなどによって密封され得る。電池ケース２００は、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートからなり得る。より具体的には、電池ケース２００は、ラミネートシートからなり、最外郭を成す外側樹脂層、物質の通過を防止する遮断性金属層、及び密封のための内側樹脂層を含み得る。
また、電極組立体１１０は、ゼリーロール型（巻取型）、積層型（スタック型）、または複合型（積層／折畳み型）の構造を含み得る。より具体的には、電極組立体１１０は、正極、負極、これらの間に配置される分離膜を含み得る。
以下、電極リード３００及びリードフィルム４００を中心に説明する。
図２は図１の電池セルに含まれた電極リード及びリードフィルムの斜視図であり、図３は図２の電極リード及びリードフィルムの分解斜視図である。
図１及び図２を参照すると、電極リード３００は、電極組立体１１０に含まれた電極タブ１１５と電気的に接続され、シーリング部２５０を通って電池ケース２００の外側に突出している。また、リードフィルム４００は、電極リード３００の上部及び下部の少なくとも一方において、シーリング部２５０に対応する部分に位置する。これにより、リードフィルム４００は、熱融着時に電極リード３００で短絡が発生することを防止するとともに、シーリング部２５０と電極リード３００との密封性を向上させることができる。
また、リードフィルム４００は、電極リード３００よりも広い幅を有し得る。リードフィルム４００は、シーリング部２５０の長さよりも長く、電極リード３００の長さよりも短い長さを有し得る。これにより、リードフィルム４００は、電極リード３００の電気的接続を妨害しないとともに、電極リード３００の側面が外側に露出することを防止することができる。本明細書において、前記リードフィルム４００の幅とは、電極リード３００の突出方向の垂直方向を基準にしてリードフィルム４００の一端と他端との間の距離の最大値を意味し、前記電極リード３００の幅とは、電極リード３００の突出方向の垂直方向を基準にして電極リード３００の一端と他端との間の距離の最大値を意味する。前記リードフィルム４００の長さとは、電極リード３００の突出方向を基準にしてリードフィルム４００の一端と他端との間の距離の最大値を意味し、前記シーリング部２５０の長さとは、電極リード３００の突出方向を基準にしてシーリング部２５０の一端と他端との間の距離の最大値を意味する。前記電極リード３００の長さとは、電極リード３００の突出方向を基準にして電極リード３００の一端と他端との間の距離の最大値を意味する。
図２及び図３を参照すると、リードフィルム４００は第１リードフィルム４０１及び第２リードフィルム４０２を含み、第１リードフィルム４０１は電極リード３００の上部に位置し、第２リードフィルム４０２は電極リード３００の下部に位置し得る。このとき、電極リード３００は、第１リードフィルム４０１と第２リードフィルム４０２との間に位置した状態でシーリング部２５０と共に融着され得る。熱またはレーザーなどによって第１リードフィルム４０１及び／または第２リードフィルム４０２がシーリング部２５０と共に融着され得る。ここで、第１リードフィルム４０１の両端部と第２リードフィルム４０２の両端部とは互いにそれぞれ接し得る。換言すると、図２に示されたように、第１リードフィルム４０１の両端部と第２リードフィルム４０２の両端部とは互いにそれぞれ一体化され得る。例えば、第１リードフィルム４０１の両端部と前記第２リードフィルム４０２の両端部とは熱またはレーザーなどによって融着されて互いに一体化され得る。
これにより、リードフィルム４００は、電極リード３００の側面が外側に露出することを防止するとともに、シーリング部２５０と電極リード３００との密封性を向上させることができる。
以下、リードフィルム４００について詳しく説明する。
図４は、図１の電池セルに含まれたリードフィルムの断面図である。
図１及び図４を参照すると、リードフィルム４００は、第１接着層４１０、水分除去層４２０、及び第２接着層４３０を含み得る。ここで、水分除去層４２０は、第１接着層４１０と第２接着層４３０との間に位置し得る。換言すると、リードフィルム４００は、第１接着層４１０、水分除去層４２０、及び第２接着層４３０が順に積層されている多層構造を有し得る。
また、図１及び図４を参照すると、第１接着層４１０は電極リード３００の外面と接着され、第２接着層４３０はシーリング部２５０の内面と接着され得る。すなわち、第１接着層４１０は電極リード３００と容易に接着可能な物質を含み得、第２接着層４３０はシーリング部２５０と容易に接着可能な物質を含み得る。
一例として、第１接着層４１０及び第２接着層４３０はそれぞれ、ポリオレフィン系樹脂を含み得る。前記ポリオレフィン系樹脂は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリビニルジフルオライド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＰＶＤＦ）、またはこれらのうちの二つ以上を含み得る。より具体的には、第１接着層４１０は、無水マレイン酸（ＭＡＨ）で処理されたポリプロピレンを含み得る。これにより、第１接着層４１０は、金属物質から構成される電極リード３００とより容易に接着でき、電池セル１００の内圧が上昇するとき、第１接着層４１０と電極リード３００との界面が剥離することをより容易に防止することができる。
前記第１接着層４１０のガス透過度は、６０℃で２０～６０バーラー、または３０～４０バーラーであり得る。例えば、第１接着層４１０の二酸化炭素透過度が上述した範囲を満たし得る。また、第１接着層４１０の厚さ２００μｍを基準にしてガス透過度が６０℃で上述した範囲を満たし得る。前記第１接着層４１０のガス透過度が上述した範囲を満たす場合、電池セルの内部で発生するガスをより効果的に排出することができる。
前記第２接着層４３０のガス透過度は、６０℃で２０～６０バーラー、または３０～４０バーラーであり得る。例えば、第２接着層４３０の二酸化炭素透過度が上述した範囲を満たし得る。また、第２接着層４３０の厚さ２００μｍを基準にしてガス透過度が６０℃で上述した範囲を満たし得る。前記第２接着層４３０のガス透過度が上述した範囲を満たす場合、電池セルの内部で発生するガスをより効果的に排出することができる。
本明細書において、ガス透過度はＡＳＴＭ Ｆ２４７６－２０で測定し得る。
また、図３及び図４を参照すると、リードフィルム４００が第１リードフィルム４０１及び第２リードフィルム４０２を含む場合、第１リードフィルム４０１に含まれた第１接着層４１０の端部と第２リードフィルム４０２に含まれた第１接着層４１０の端部とが互いに接し得る。換言すると、図２に示されたように、第１リードフィルム４０１の両端部と第２リードフィルム４０２の両端部とが互いにそれぞれ融着され、第１リードフィルム４０１の第１接着層４１０の端部と第２リードフィルム４０２の第１接着層４１０の端部とが互いに一体化され得る。
これにより、リードフィルム４００は、電極リード３００の側面が外側に露出することを防止するとともに、シーリング部２５０と電極リード３００との密封性を向上させることができる。
前記第１接着層４１０の厚さは６０μｍ以上であり得る。前記第１接着層４１０の厚さが上述した範囲を満たす場合、製造工程において発生するフィルム変形をより容易に防止することができる。
前記第２接着層４３０の厚さは６０μｍ以上であり得る。前記第２接着層４３０の厚さが上述した範囲を満たす場合、製造工程において発生するフィルム変形をより容易に防止することができる。
また、水分除去層４２０はゲッター（ｇｅｔｔｅｒ）物質を含み得る。ここで、ゲッター物質とは、化学的に活性化された金属膜によって気体が吸着される作用を用いて真空排気可能な物質を意味する。一例として、前記ゲッター物質は、酸化カルシウム（ＣａＯ）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、シリカ（ＳｉＯ２）、酸化バリウム（ＢａＯ）、バリウム（Ｂａ）、及びカルシウム（Ｃａ）のうちの少なくとも一つを含み得る。他の例として、前記ゲッター物質は、金属有機構造体（ＭＯＦ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ）の構造を有し得る。但し、前記ゲッター物質はこれに限定されず、一般にゲッター物質として分類されるすべての種類の物質を含み得る。
これにより、水分除去層４２０がゲッター物質を含むことで、電池セル１００の外部から電池セル１００の内側に流れ込む水分の浸透度を最小化しながらも、ガス透過度が高いことから、電池セル１００の内部で発生したガスを外部により容易に排出することができる。
水分除去層４２０は、ゲッター物質の外にも、ポリオレフィン系樹脂を含み得る。前記ポリオレフィン系樹脂は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリビニルジフルオライド（ＰＶＤＦ）、またはこれらのうちの二つ以上を含み得る。
また、水分除去層４２０は、水分除去層４２０の全体重量を基準にして０．０１重量％～８０重量％、または３０重量％～７０重量％の前記ゲッター物質を含み得る。水分除去層４２０において、上述した範囲内に前記ゲッター物質の含量を調節することで、電池セル１００の外部から電池セル１００の内側に流れ込む水分の浸透度及び電池セル１００の内部で発生したガスが外側に排出される透過度を、リードフィルム４００の用途に合わせてより容易に調節することができる。さらに、電池セル１００の外部から電池セル１００の内側に流れ込む水分浸透をより容易に防止でき、また、第１接着層４１０と第２接着層４３０との接着力が低下して、電池セル１００の内圧上昇時に水分除去層４２０と第１接着層４１０または第２接着層４３０との界面が剥離する問題をより容易に防止することができる。製造工程において、フィルム変形などの損傷が発生して品質が低下する問題もより容易に防止することができる。
前記水分除去層４２０の厚さは６０μｍ以上であり得る。前記水分除去層４２０の厚さが上述した範囲を満たす場合、製造工程において発生するフィルム変形をより容易に防止することができる。
また、本発明の他の一態様による電池モジュールは、上述した電池セルを含む。一方、本実施形態による電池モジュールは、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してもよい。
上述した電池モジュール及びそれを含む電池パックは、多様なデバイスに適用され得る。このようなデバイスは、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であり得るが、本発明はこれに制限されず、電池モジュール及びそれを含む電池パックを使用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、本発明の望ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求する本発明の基本概念を用いた当業者の多様な変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属することは言うまでもない。
１００ 電池セル
１１０ 電極組立体
１１５ 電極タブ
２００ 電池ケース
２１０ 収納部
２５０ シーリング部
３００ 電極リード
４００ リードフィルム
４０１ 第１リードフィルム
４０２ 第２リードフィルム
４１０ 第１接着層
４２０ 水分除去層
４３０ 第２接着層

Claims (18)

  1. 電極組立体が取り付けられる収納部、及び該収納部の外周辺が密封されて形成されるシーリング部を含む電池ケースと、
    前記電極組立体に含まれた電極タブと電気的に接続され、前記シーリング部を通って前記電池ケースの外側に突出している電極リードと、
    前記電極リードの上部及び下部の少なくとも一方において、前記シーリング部に対応する部分に位置するリードフィルムと、を含み、
    前記リードフィルムは、第１接着層及び第２接着層を含み、前記第１接着層と前記第２接着層との間に水分除去層が位置し、
    前記水分除去層は、ゲッター物質を含む、電池セル。
  2. 前記ゲッター物質が、酸化カルシウム、塩化リチウム、シリカ、酸化バリウム、バリウム、及びカルシウムのうちの少なくとも一つを含む、請求項１に記載の電池セル。
  3. 前記ゲッター物質が、金属有機構造体の構造を有する、請求項１に記載の電池セル。
  4. 前記水分除去層が、ポリオレフィン系樹脂をさらに含む、請求項１に記載の電池セル。
  5. 前記水分除去層が、ポリプロピレンをさらに含む、請求項１に記載の電池セル。
  6. 前記水分除去層の厚さが６０μｍ以上である、請求項１に記載の電池セル。
  7. 前記水分除去層が、前記水分除去層の全体重量を基準にして０．０１重量％～８０重量％の前記ゲッター物質を含む、請求項４に記載の電池セル。
  8. 前記第１接着層が、ポリオレフィン系樹脂を含む、請求項１に記載の電池セル。
  9. 前記第１接着層が、無水マレイン酸で処理されたポリプロピレンを含む、請求項１に記載の電池セル。
  10. 前記第１接着層のガス透過度が６０℃で２０～６０バーラーである、請求項１に記載の電池セル。
  11. 前記第１接着層の厚さが６０μｍ以上である、請求項１に記載の電池セル。
  12. 前記第２接着層が、ポリオレフィン系樹脂を含む、請求項１に記載の電池セル。
  13. 前記第２接着層のガス透過度が６０℃で２０～６０バーラーである、請求項１に記載の電池セル。
  14. 前記第２接着層の厚さが６０μｍ以上である、請求項１に記載の電池セル。
  15. 前記第１接着層は、前記電極リードの外面と接着され、
    前記第２接着層は、前記シーリング部の内面と接着される、請求項１に記載の電池セル。
  16. 前記リードフィルムは、第１リードフィルム及び第２リードフィルムを含み、
    前記第１リードフィルムは、前記電極リードの上部に位置し、
    前記第２リードフィルムは、前記電極リードの下部に位置している、請求項１に記載の電池セル。
  17. 前記第１リードフィルムに含まれた前記第１接着層の端部と前記第２リードフィルムに含まれた前記第１接着層の端部とが互いに接している、請求項１６に記載の電池セル。
  18. 請求項１～１７のいずれか一項に記載の電池セルを含む、電池モジュール。
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