JP7038963B2 - 多種金属遮断層を含む電池ケース及びこれを含む電池セル - Google Patents

多種金属遮断層を含む電池ケース及びこれを含む電池セル Download PDF

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Description

本出願は２０１７年１０月１７日付の韓国特許出願第２０１７－０１３４３１３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。
本発明は多種金属遮断層を含む電池ケース及びこれを含む電池セルに関するものであり、具体的に外部被覆層、金属遮断層及び内部シーラント層を含み、前記金属遮断層は成形性に優れた第１金属及び高剛性を有する第２金属を含むパウチ型電池ケースに関する。
モバイル機器に対する需要が大きくなるにつれて、多様な要求に応じることができる様々な電池が開発されている。形態的な面では薄い厚さで携帯電話などの製品に適用可能な角形二次電池とパウチ型二次電池に対する需要が高く、材料の面では高いエネルギー密度、放電電圧、出力安全性などの利点を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのリチウム二次電池に対する需要が高い。
また、スタック型又はスタック／フォルディング型電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型電池が、低い製造費、小重量、容易な形態変形などの理由で、多くの関心を集めており、さらにその使用量が漸次増加している。
一般に、パウチ型電池は樹脂層と金属層を含んで構成されたラミネートシートのパウチ型ケースの内部に電極組立体及び電解質が密封されている電池を言う。電池ケースに収納される電極組立体はゼリーロール型（巻取型）電極組立体又はスタック型（積層型）電極組立体の構造になっている。
前記パウチ型電池ケースは、電池の容量増加のために収納部の面積及び深さが大きくなるように、高い成形性を有することが要求されるので、バリア層として延性及び展性の高いアルミニウムホイル（ｆｏｉｌ）を使っている。
しかし、アルミニウムホイルを使う場合には、電池ケースのシーリング部を折り曲げるとき、折り曲げられた部分が容易に破断して密封信頼性が低下する問題が発生する。
よって、韓国特許公開第２０１３－０００５８８６号公報は、内部被覆層、アルミニウムからなる第１遮断層、第１ポリマー層、前記第１遮断層の５０％以下の厚さを有し、アルミニウム合金からなる第２遮断層及び第２ポリマー層を含む二次電池用ケースを開示している。これは、第１遮断層が損傷しても第２遮断層が外部の水分流入を遮断することができるが、機械的強度の向上には限界がある。
日本特許公開第２００６－１１７９９０号公報は、ステンレス鋼板の一面にニッケル層が被覆され、他側面にはアルミニウム層が被覆された構造のステンレス鋼板を成形加工した電池ケースを開示しているが、前記電池ケースは角形電池用電池ケースである点で、パウチ型電池ケースの剛性を向上させるための技術を開示していない。
したがって、パウチ型電池ケースを使う二次電池において、高容量の電池を製造するために電池ケースの成形性を向上させることができるとともに電池ケースの強度を向上させる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、電池セルを外部から保護するための外部被覆層、水分遮断性及び熱伝導性を提供する金属遮断層及び熱融着性を有する高分子樹脂の内部シーラント層が順次積層された構造を有し、前記金属遮断層は、成形性に優れた第１金属及び高剛性を有する第２金属を含むパウチ型電池ケースの場合、第１金属によって電池ケースの成形性が向上して電極組立体収納部の深い成形が可能になって高容量の電池を収納することができ、第２金属によって電池ケースの剛性が向上するので、深い収納部の成形によって薄くなった金属遮断層の剛性を補強することができ、電池ケースシーリング部を折り曲げる場合にも容易に破断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電池ケースは、陽極と陰極との間に分離膜が介在されている構造の電極組立体を電解液とともに内蔵するためのパウチ型電池ケースであって、電池セルを外部から保護するために前記電池ケースの外面を構成する高分子樹脂の外部被覆層と、前記外部被覆層の内側に位置し、水分遮断性及び熱伝導性を提供する金属遮断層と、前記金属遮断層の内側に位置し、熱融着性を有する高分子樹脂の内部シーラント層とを含み、前記金属遮断層は、成形性に優れた第１金属及び高剛性を有する第２金属を含む構造を有することができる。
一般に、パウチ型電池ケース用ラミネートシートは最外郭を成す外部被覆層、物質の貫通を防止する金属バリア層及び密封のための内部シーラント層から構成される。
前記外部被覆層は外部から電池を保護する役割をするので、厚さに比べて優れた引張強度と耐候性などが要求され、延伸ナイロンフィルムが多く使われる。前記金属バリア層は空気、湿気などが電池の内部に流入することを防止する役割をし、主にアルミニウムが使われている。
前記内部シーラント層は電極組立体を内蔵した状態で印加された熱及び圧力によって互いに熱融着して密封性を提供する役割をし、主に無延伸ポリプロピレンフィルム（ＣＰＰ）からなっている。前記外部被覆層と前記金属バリア層との間及び／又は前記金属バリア層と前記内部シーラント層との間には接着層が設けられることができ、これは前記接着層の両面にある層間の低い接着力を補う役割をする。
本発明によるパウチ型電池ケースは成形性に優れた第１金属及び高剛性を有する第２金属を含む金属遮断層を含むので、高容量の二次電池に対する需要に応じて厚い電極組立体を収納することができる成形性の向上した電池ケースを製造することができる。
また、従来に延性及び成形性の良い金属のみを含む電池ケースと比較すると、高剛性を有する第２金属を含むことにより、電極組立体の成形によって電池ケースが薄くなっても外部物質の遮断性を確保することができ、電池ケースに機械的なストレスが印加されても破断することを防止することができ、密封性が向上した電池ケースを提供することができる。
前記第１金属は成形性及び延性に優れた素材であればその種類が特に制限されなく、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金素材からなることができ、前記第２金属は剛性の高い素材であればその種類が特に制限されなく、例えばステンレススチール系素材からなることができる。
前記金属遮断層は、第１金属を含む第１金属層と前記第２金属を含む第２金属層の形態に配置されることができる。
具体的に、前記第１金属層は前記第１金属を主金属として含む金属層であり、前記第２金属層は前記第２金属を主金属として含む金属層であり、前記第１金属層と前記第２金属層は垂直方向に積層される層状構造を有することができ、あるいは水平方向に交互に配列される構造を有することができる。
一具体例で、前記第１金属層と前記第２金属層との間には接着層が設けられている構造を有することができる。すなわち、前記第１金属層と第２金属層が垂直方向に積層される層状構造を有するか、あるいは水平方向に交互に配列される構造の場合、いずれも前記第１金属層と前記第２金属層が対面する面には接着層が介在された構造を有する。
前記金属遮断層は複数の第１金属層及び／又は第２金属層から構成されることができ、第１金属層と第２金属層が互いに隣接して位置するように配列されるとともに２個以上の第１金属層及び／又は２個以上の第２金属層を含む金属遮断層を形成することができる。
他の一具体例で、前記金属遮断層は第１金属及び第２金属を圧延によって互いに接合させたクラッド構造を有することができる。
このような場合、第１金属層と第２金属層の間に別途の接着層を介在しなくても、圧延によって金属同士が接着できる。
具体的に、前記金属遮断層は第１金属及び第２金属が前記電池ケースの厚さ方向に相互積層されて接合配列された構造を有することができる。また、前記金属遮断層は、前記第１金属と厚さ方向に接合された前記第２金属の他面に第１金属がさらに接合配列された構造を有することができ、前記第２金属と厚さ方向に接合された前記第１金属の他面に第２金属がさらに接合配列された構造を有することができる。
他の一具体例で、前記金属遮断層は第１金属及び第２金属が前記電池ケースの厚さ方向に垂直な幅方向に交互に配列されて接合された構造を有することができ、前記第１金属と幅方向に接合された前記第２金属の他面に第１金属がさらに接合配列された構造を有することができ、前記第２金属と幅方向に接合された前記第１金属の他面に第２金属がさらに接合配列された構造を有することができる。
前記クラッド構造からなる金属遮断層は第１金属の一部に第２金属が介在された構造を有することができる。例えば、前記金属遮断層は、前記第１金属の表面に溝が形成され、前記第２金属が前記溝に介在された構造を有することができ、あるいは第２金属の表面に溝が形成され、前記第１金属が前記溝に介在された構造を有することができる。
もしくは、前記金属遮断層は、前記第１金属の内部に貫通ラインが形成され、前記第２金属が前記貫通ラインに介在された構造を有することができ、あるいは前記第２金属の内部に貫通ラインが形成され、前記第１金属が前記貫通ラインに介在された構造を有することができる。
前記外部被覆層と前記金属遮断層の間及び／又は前記金属遮断層と前記内部シーラント層の間には接着層が介在されることができるので、前記外部被覆層と前記金属遮断層間、又は前記金属遮断層と前記内部シーラント層間の低い結合力を補うことができる。
また、本発明は、前記パウチ型電池ケースに電極組立体及び電解液が内蔵されている電池セルを提供し、前記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。
一実施例によるパウチ型電池ケースの垂直断面図である。 他の一実施例によるパウチ型電池ケースの垂直断面図である。 更なる他の一実施例によるパウチ型電池ケースの垂直断面図である。 更なる他の一実施例によるパウチ型電池ケースの垂直断面図である。 更なる他の一実施例によるパウチ型電池ケースの垂直断面図である。 更なる他の一実施例によるパウチ型電池ケースの垂直断面図である。 更なる他の一実施例によるパウチ型電池ケースの垂直断面図である。
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可能性があ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及び図２は接着層が介在された金属遮断層を含むパウチ型電池ケースの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、パウチ型電池ケース１００は、外部被覆層１０１、金属遮断層１１０及び内部シーラント層１０４が順次積層されており、外部被覆層１０１と金属遮断層１１０の間には接着層１０５が介在されている。金属遮断層１１０は厚さ方向に積層された第１金属層１０２と第２金属層１０３の間に接着層１０５が介在された状態で結合されている。
パウチ型電池ケース２００は、外部被覆層２０１、金属遮断層２１０及び内部シーラント層２０４が順次積層されており、外部被覆層２０１と金属遮断層２１０の間には接着層２０５が介在されている。金属遮断層２１０は、第１金属層２０２、第２金属層２０３及び第１金属層２０２が垂直方向に積層されており、第１金属層２０２と第２金属層２０３の間には接着層２０５が介在された状態で結合されている。
図３～図７はクラッド構造の金属遮断層を含むパウチ型電池ケースの垂直断面図を模式的に示している。
図３～図７を参照すると、パウチ型電池ケース３００は、外部被覆層３０１、金属遮断層３１０及び内部シーラント層３０４が順次積層されており、金属遮断層３１０は、第１金属３０２と第２金属３０３が厚さ方向に互いに積層されて接合配列されている。
パウチ型電池ケース３００は外部被覆層３０１と金属遮断層３１０の間に接着層３０５が介在された構造を有するが、場合によって前記接着層３０５は省略可能である。
パウチ型電池ケース４００は、外部被覆層４０１、金属遮断層４１０及び内部シーラント層４０４が順次積層されており、金属遮断層４１０は、第１金属４０２、第２金属４０３及び第１金属４０２が厚さ方向に互いに積層されて接合配列されている。
パウチ型電池ケース４００は外部被覆層４０１と金属遮断層４１０の間に接着層４０５が介在された構造を有するが、場合によって前記接着層４０５は省略可能である。
パウチ型電池ケース５００は、外部被覆層５０１、金属遮断層５１０及び内部シーラント層５０４が垂直方向に順次積層されており、金属遮断層５１０は、第１金属５０２と第２金属５０３が厚さ方向に垂直な幅方向に交互に配列されて接合されている。第１金属５０２と第２金属５０３の幅又は個数は必要によって選択的に変更して適用可能である。
パウチ型電池ケース６００は、外部被覆層６０１、金属遮断層６１０及び内部シーラント層６０４が垂直方向に順次積層されており、金属遮断層６１０は、第１金属６０２の表面に溝が形成されており、前記溝に第２金属６０３が介在された構造を有する。前記溝の大きさ又は個数は必要によって選択的に変更して適用可能である。
パウチ型電池ケース７００は、外部被覆層７０１、金属遮断層７１０及び内部シーラント層７０４が垂直方向に順次積層されており、金属遮断層７１０は、第１金属７０２の内部に貫通ラインが形成され、前記貫通ラインに第２金属７０３が介在された構造を有する。前記貫通ラインの大きさ又は個数は必要によって選択的に変更して適用可能である。
このように、本発明によるパウチ型電池ケースは成形性に優れた第１金属及び高剛性を有する第２金属を含む金属遮断層を含むので、電池ケースの成形性及び剛性の両者を向上させることができる。
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。
本発明によるパウチ型電池ケースは、電池セルを外部から保護するための外部被覆層、前記外部被覆層の内側に位置する金属遮断層、及び前記金属遮断層の内側に位置する内部シーラント層を含み、前記金属遮断層は成形性に優れた第１金属及び高剛性を有する第２金属を含む構造を有し、前記第１金属の軟性によって電池ケースの成形性が向上し、前記第２金属の剛性によって高剛性を有する電池ケースを製造することができるので、電池ケースに機械的なストレスが印加されても破断することを防止することができ、密封性が向上した電池ケースを提供することができる。
１００ パウチ型電池ケース
１０１ 外部被覆層
１０２ 第１金属層
１０３ 第２金属層
１０４ 内部シーラント層
１０５ 接着層
１１０ 金属遮断層
２００ パウチ型電池ケース
２０１ 外部被覆層
２０２ 第１金属層
２０３ 第２金属層
２０４ 内部シーラント層
２０５ 接着層
２１０ 金属遮断層
３００ パウチ型電池ケース
３０１ 外部被覆層
３０２ 第１金属
３０３ 第２金属
３０４ 内部シーラント層
３０５ 接着層
３１０ 金属遮断層
４００ パウチ型電池ケース
４０１ 外部被覆層
４０２ 第１金属
４０３ 第２金属
４０４ 内部シーラント層
４０５ 接着層
４１０ 金属遮断層
５００ パウチ型電池ケース
５０１ 外部被覆層
５０２ 第１金属
５０３ 第２金属
５０４ 内部シーラント層
５１０ 金属遮断層
６００ パウチ型電池ケース
６０１ 外部被覆層
６０２ 第１金属
６０３ 第２金属
６０４ 内部シーラント層
６１０ 金属遮断層
７００ パウチ型電池ケース
７０１ 外部被覆層
７０２ 第１金属
７０３ 第２金属
７０４ 内部シーラント層
７１０ 金属遮断層

Claims (8)

  1. 陽極と陰極との間に分離膜が介在されている構造の電極組立体を電解液とともに内蔵するためのパウチ型電池ケースであって、
    電池セルを外部から保護するために前記電池ケースの外面を構成する高分子樹脂の外部被覆層と、
    前記外部被覆層の内側に位置し、水分遮断性及び熱伝導性を提供する金属遮断層と、
    前記金属遮断層の内側に位置し、熱融着性を有する高分子樹脂の内部シーラント層と、
    を含み、
    前記金属遮断層は、成形性に優れた第１金属及び高剛性を有する第２金属を含み、
    前記金属遮断層は、前記第１金属の表面に溝が形成され、前記第２金属が前記溝に介在された構造を有する、パウチ型電池ケース。
  2. 陽極と陰極との間に分離膜が介在されている構造の電極組立体を電解液とともに内蔵するためのパウチ型電池ケースであって、
    電池セルを外部から保護するために前記電池ケースの外面を構成する高分子樹脂の外部被覆層と、
    前記外部被覆層の内側に位置し、水分遮断性及び熱伝導性を提供する金属遮断層と、
    前記金属遮断層の内側に位置し、熱融着性を有する高分子樹脂の内部シーラント層と、
    を含み、
    前記金属遮断層は、成形性に優れた第１金属及び高剛性を有する第２金属を含み、
    前記金属遮断層は、前記第１金属の内部に貫通ラインが形成され、前記第２金属が前記貫通ラインに介在された構造を有する、パウチ型電池ケース。
  3. 陽極と陰極との間に分離膜が介在されている構造の電極組立体を電解液とともに内蔵するためのパウチ型電池ケースであって、
    電池セルを外部から保護するために前記電池ケースの外面を構成する高分子樹脂の外部被覆層と、
    前記外部被覆層の内側に位置し、水分遮断性及び熱伝導性を提供する金属遮断層と、
    前記金属遮断層の内側に位置し、熱融着性を有する高分子樹脂の内部シーラント層と、
    を含み、
    前記金属遮断層は、成形性に優れた第１金属及び高剛性を有する第２金属を含み、
    前記金属遮断層は、複数の第１金属及び複数の第２金属が前記電池ケースの厚さ方向に垂直な幅方向に交互に配列されて接合された構造を有する、パウチ型電池ケース。
  4. 前記第１金属はアルミニウム又はアルミニウム合金素材であり、第２金属はステンレススチール系素材である、請求項１～３のいずれか一項に記載のパウチ型電池ケース。
  5. 前記金属遮断層は第１金属を含む第１金属層と前記第２金属を含む第２金属層の形態に配置される、請求項１～４のいずれか一項に記載のパウチ型電池ケース。
  6. 前記金属遮断層は第１金属及び第２金属を圧延によって互いに接合させたクラッド構造を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のパウチ型電池ケース。
  7. 前記外部被覆層と前記金属遮断層との間及び／又は前記金属遮断層と前記内部シーラント層との間には接着層が介在されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のパウチ型電池ケース。
  8. 請求項１～７のいずれか一項に記載のパウチ型電池ケースに電極組立体及び電解液が内蔵されている、電池セル。
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