JP7048843B2 - 二次電池用外装材及びその外装材を含む二次電池 - Google Patents

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１９年２月２７日付け韓国特許出願第１０－２０１９－００２３１２２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、二次電池用外装材及びその外装材を含む二次電池に関し、より詳しくは、電解液に対する耐腐食性が向上されながらも二次電池の発火問題を解決できる構造を有する二次電池用外装材及びその外装材を含む二次電池に関する。
繰り返し充電及び放電が可能な二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）は、その構造又は製造方法によって円筒状二次電池、角形二次電池、パウチ型二次電池等に区分される。このうち、パウチ型二次電池は、シート形態のパウチ外装材内に電極と分離膜が交互配置された構造を有する電極組立体が収容された構造を有するのが一般的である。特に、パウチ型二次電池は、製造に必要な工程が比較的簡単で製造コストが低いため、広く用いられている。
一方、従来の技術によれば、シート形態のパウチは、互いに異なる物質でなる複数の層で構成される。特に、パウチは、アルミニウム層を含むのが一般的であるが、アルミニウム層の内側面には電解液と水分の浸透を防止するための絶縁層が具備される。このような絶縁層は、アルミニウム層が正極又は負極と電気的に連結されないようにすることで、普段にアルミニウム層が極性を帯びないようにする役割を担う。
しかし、従来の技術によれば、二次電池の製造又は使用の過程で絶縁層が損傷される場合、損傷された隙間に電解液と水分等がアルミニウム層に浸透するようになり、アルミニウム層が損傷されるという問題が発生した。特に、リチウム二次電池で絶縁層が損傷される場合、電解液がアルミニウム層に浸透する過程で、電解液内のリチウムイオンがアルミニウム層と反応してアルミニウム層が酸化又は腐食することで、アルミニウム層に亀裂が発生するようになり、パウチの損傷が発生するという問題点があった。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、二次電池の使用過程で、電解液と外装材との反応によって発生し得る外装材の損傷問題を最小化することである。
特に、本発明が解決しようとする課題は、絶縁層の損傷によりアルミニウム層が極性を帯びるようになる場合に発生し得るアルミニウム層の損傷問題を最小化することである。
前記目的を達成するための本発明の一側面によれば、内部空間が形成された二次電池用外装材であって、第１金属部と、前記第１金属部と離隔されている第２金属部と、前記第１金属部と前記第２金属部の間に具備され、前記第１金属部と前記第２金属部にそれぞれ接着される第１接着部とを含み、前記第１金属部は、前記第２金属部より前記内部空間に隣接して具備され、前記第１金属部の熱伝導率は、前記第２金属部の熱伝導率より大きい二次電池用外装材が提供される。
前記第１接着部には、難燃性物質が混合されていてよい。
前記第１金属部又は第２金属部は、クラッド（ｃｌａｄ）材料でなってよい。
前記難燃性物質は、リン系化合物、窒素系化合物、ハロゲン系化合物、アンチモン系化合物、モリブデン系化合物、ホウ酸亜鉛系化合物及び金属水酸化物のうち一つ以上を含んでよい。
前記第１金属部から前記内部空間の方向に離隔して具備され、電気絶縁性を有する絶縁部と、前記第１金属部と前記絶縁部の間に具備され、前記第１金属部と前記絶縁部にそれぞれ接着される第２接着部とをさらに含んでよい。
前記第１金属部は、第１物質を含む第１層と、第２物質を含む第２層とを含み、前記第１層は、前記第２層より前記内部空間と隣接して具備され、前記第１層の熱伝導率は、前記第２層の熱伝導率より大きくてよい。
前記第２金属部は、第３物質を含む第３層と、第４物質を含む第４層とを含み、前記第３層は、前記第４層より前記内部空間と隣接して具備され、前記第３層の熱伝導率は、前記第４層の熱伝導率より大きくてよい。
前記第１物質は銅を含み、前記第２物質はアルミニウムを含んでよい。
前記第３物質は銅を含み、前記第４物質はアルミニウムを含んでよい。
前記第１接着部及び前記第２接着部はＰＰａ（ａｃｉｄ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）を含んでよく、前記絶縁部はＣＰＰ（ｃａｓｔ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）を含んでよい。
前記第２金属部の外側表面上に積層される第１外面部と、前記第１外面部の外側表面上に積層される第２外面部とを含み、前記第１外面部は延伸ナイロン（ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｎｙｌｏｎ）を含み、前記第２外面部はＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）を含んでよい。
前記目的を達成するための本発明の他の側面によれば、電極組立体と、前記電極組立体を収容する前記二次電池用外装材とを含む二次電池が提供される。
本発明によれば、二次電池の使用過程で、電解液と外装材との反応によって発生し得る外装材の損傷問題を最小化できる。
特に、本発明によれば、絶縁層の損傷によりアルミニウム層が極性を帯びるようになる場合に発生し得るアルミニウム層の損傷問題を最小化できる。
本発明による二次電池用外装材の層状構造を拡大図示した断面図である。 本発明による二次電池用外装材において、第１金属部の層状構造を拡大図示した断面図である。 本発明による二次電池用外装材において、第２金属部の層状構造を拡大図示した断面図である。 本発明による二次電池用外装材において、第１金属部と電解液が反応した時の初期様子を示した断面図である。 本発明による二次電池用外装材において、第１金属部と電解液が反応した時の後期様子を示した断面図である。
以下、図面を参照して本発明による二次電池用外装材及び二次電池の構造を説明する。
二次電池用外装材及び二次電池
図１は、本発明による二次電池用外装材の層状構造を拡大図示した断面図である。
本発明による二次電池用外装材１０（以下、「外装材」と称する）は、図１に示された通り、互いに異なる物質でなる複数の層を有する層状構造を有してよい。また、外装材１０は、薄い厚さを有するシート形態の外装材であってよい。また、外装材１０には内部空間が形成されてよいが、内部空間は、電極と分離膜で構成された電極組立体が収容される空間であってよい。また、本発明による外装材１０は、パウチ型二次電池に用いられる外装材であってよい。
図１に示された通り、外装材１０は、第１金属部１００及び第１金属部１００と離隔されている第２金属部２００を含んでよい。
また、第１金属部１００と第２金属部２００の間には、第１金属部１００と第２金属部２００間の相対的な動きが発生しないように、第１金属部１００と第２金属部２００にそれぞれ接着される第１接着部３００が具備されてよい。第１接着部３００は、ＰＰａ（ａｃｉｄ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）を含んでよい。ＰＰａは、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）にマレイン酸（ｍａｌｅｉｃ ａｃｉｄ）が結合された構造を有する材質を意味してよい。
前述した通り、外装材１０には内部空間が形成されてよいが、第１金属部１００は、第２金属部２００より内部空間に隣接して具備されてよい。
また、本発明による外装材１０は、第１金属部１００から外装材１０の内部空間の方向に離隔して具備され、且つ、電気絶縁性を有する絶縁部４００、及び第１金属部１００と絶縁部４００の間に具備される第２接着部５００をさらに含んでよい。第１接着部３００の場合と類似して、第２接着部５００は第１金属部１００と絶縁部４００間の相対的な動きが発生しないようにするための構成であってよい。よって、第２接着部５００は、第１金属部１００と絶縁部４００それぞれに接着されてよい。また、第１接着部３００と類似して、第２接着部５００もまたＰＰａ（ａｃｉｄ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）を含んでよい。また、絶縁部４００はＣＰＰ（ｃａｓｔ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）を含んでよい。または、絶縁部４００はＣＰＰでなってよい。
次いで、図１を参照すれば、本発明による外装材１０は、第２金属部２００の外側表面上に積層される第１外面部６００、及び第１外面部６００の外側表面上に積層される第２外面部７００をさらに含んでよい。「第２金属部の外側表面及び第１外面部の外側表面」というのは、第２金属部と第１外面部の両表面（図１を基準に上面及び下面）のうち外装材１０に形成された内部空間と向かい合わない表面（図１を基準に上面）を意味するものと見られる。第１外面部６００は延伸ナイロン（ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｎｙｌｏｎ）を含んでよく、第２外面部７００はＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）を含んでよい。または、第１外面部６００は延伸ナイロンでなってよく、第２外面部７００はＰＥＴでなってよい。
このとき、本発明によれば、第１金属部１００の熱伝導率は第２金属部２００の熱伝導率より大きくてよい。また、第１金属部１００の厚さと第２金属部２００の厚さは互いに同一であってよい。また、第１金属部１００と第２金属部２００の厚さは、第１金属部１００と第２金属部２００の伸び率、及び外装材の一部領域を加圧し、外装材にコップ（ｃｕｐ）を形成する工程でコップが形成される深さ等に合わせて選定されてよい。
パウチ型二次電池において、電解液及び水分等が外装材の内部に浸透することを、外装材の最内側に具備された絶縁部が防止する。よって、外装材内の金属が電解液等と接触するのが防止される。しかし、外装材の一部領域を加圧して湾入された形状を有するコップ（ｃｕｐ）を形成する過程、又は二次電池の使用の過程における衝撃等によって絶縁部にクラックが発生し得る。この場合、絶縁部に形成されたクラックの間に電解液等が浸透するようになり、外装材内の金属部と電解液が接するようになる。
特に、リチウム二次電池の場合、電解液にはリチウムイオンが存在し、それとともに二次電池の作動過程で外装材内部の金属部にも電位が形成され得る。例えば、（ｉ）二次電池から外部に突出する電極リード（図示省略）と外装材との密封が過度になる場合、（ｉｉ）電極リードの形状が変形される場合、及び（ｉｉｉ）二次電池内部の電極が片方に傾くことで電極が外装材と接触する場合、外装材内部の金属部が電極組立体と電気的に連結されることで金属部に電位が形成され得る。
このとき、金属部に形成される電位が変わることで、金属部内部に電解液内のリチウムイオンが挿入してから脱離する過程が繰り返され、金属部にクラックが発生するようになる。リチウムと金属部との反応によって金属部の一部領域に発生したクラックは、金属部の全領域に拡散するようになり、結果的に外装材の耐久性が急激に下がるようになる。
しかし、本発明によれば、外装材１０内の金属部は、第１金属部１００及び第２金属部２００に分けられ、第１金属部１００と第２金属部２００が互いに離隔し得る。よって、絶縁部４００にクラックが発生する場合、電解液と先に接する第１金属部１００にクラックが発生しても、そのクラックが第２金属部２００に拡散することを防止し得る。よって、本発明によれば、クラックが外装材１０の金属部の全領域に拡散することを防止できるようになり、外装材１０の損傷を最小化できる。すなわち、本発明によれば、図４に示された通り、本発明による二次電池用外装材において、第１金属部１００と電解液（Ｌ）が接して反応してから初期に第１金属部１００の一部領域にクラック（Ｃ）が発生しても、そのようなクラック（Ｃ）は、図５に示された通り、第１金属部１００にだけ限られるため、第１金属部１００に形成されたクラック（Ｃ）が２金属部２００に拡散することを防止できる。
一方、二次電池の使用の過程で過充電、内部短絡又は長期間の連続使用等によって二次電池内部の温度が上昇し得るが、この場合、二次電池内部の熱を外部へ速やかに放出する必要がある。特に、このような熱の放出は、熱が発生する電極組立体と隣接した領域でより速やかに行われる必要がある。電極組立体と隣接した領域で熱放出が速やかに行われない場合、電極組立体の温度が上昇し続けるようになり、二次電池が爆発する等の問題が発生し得るからである。
しかし、本発明によれば、パウチ型二次電池において、電極組立体と隣接した領域に具備された第１金属部１００の熱伝導率が、電極組立体から相対的に遠い領域に具備された第２金属部２００の熱伝導率より大きいため、電極組立体と隣接した領域で熱をより速やかに放出し得る。よって、電極組立体の温度が上昇し続ける場合に発生し得る二次電池の安全性の問題を解決できる。
次いで、図１に示された通り、本発明の他の実施形態によれば、外装材１０の第１接着部３００は難燃性物質を含んでよい。例えば、第１接着部３００には難燃性物質が混合されていてよい。よって、本発明によれば、二次電池の内部に火事が発生しても第１接着部３００に混合された難燃性物質によってそのような火事が二次電池の外部に拡散することを防止できる。難燃性物質は、リン系化合物、窒素系化合物、ハロゲン系化合物、アンチモン系化合物、モリブデン系化合物、ホウ酸亜鉛系化合物及び金属水酸化物のうち一つ以上を含んでよい。
難燃性物質が難燃作用をする原理は、（ｉ）燃焼過程で用いられる熱エネルギーを消費することで燃焼を抑制する原理、（ｉｉ）可燃性物質が気体と接触しないように可燃性物質を固体や気体に凝縮させてから防御膜を形成する原理、（ｉｉｉ）燃焼時に不燃性気体を生成させることで消化作用をする原理、（ｉｖ）燃焼反応中のラジカル連鎖反応（ｒａｄｉｃａｌ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）においてラジカル吸収反応を抑制する原理等が例として挙げられる。前記（ｉ）原理は金属水酸化物によって、前記（ｉｉ）原理はリン系化合物によって、前記（ｉｉｉ）原理は金属水酸化物又はアンチモン系化合物によって、前記（ｉｖ）原理はハロゲン系化合物によって行われてよい。
一方、外装材１０の第１金属部１００は単一の金属でなってもよいが、それと異なり、本発明の他の実施形態によれば、第１金属部１００は互いに異なる材質でなる複数の層でなってもよい。
図２は、本発明による二次電池用外装材において、第１金属部の層状構造を拡大図示した断面図である。
図２に示された通り、本発明の他の実施形態によれば、第１金属部１００は、第１層１１０及び第２層１２０を含んでよい。第２層１２０と比べたとき、第１層１１０は、外装材１０の内部空間に相対的に隣接して具備された層であってよい。このとき、第１層１１０の熱伝導率は、第２層１２０の熱伝導率より大きくてよい。
図３は、本発明による二次電池用外装材において、第２金属部の層状構造を拡大図示した断面図である。
第１金属部１００の場合と類似して、本発明の他の実施形態によれば、第２金属部２００もまた層状構造を有してよい。すなわち、第２金属部２００は、第３層２１０及び第４層２２０を含んでよい。第４層２２０と比べたとき、第３層２１０は、外装材１０の内部空間に相対的に隣接して具備された層であってよい。このとき、第３層２１０の熱伝導率は、第４層２２０の熱伝導率より大きくてよい。
前述した通り、二次電池内部の温度が上昇する場合、二次電池内部の熱を外部へ速やかに放出するためには、熱が発生する電極組立体と隣接した領域で熱の放出がより速やかに行われる必要がある。よって、第１層１１０の熱伝導率が第２層１２０の熱伝導率より大きい場合、第２層１２０に比べて相対的に電極組立体と隣接した第１層１１０を介して熱を外部へ速やかに放出し得る。同様に、第３層２１０の熱伝導率が第４層２２０の熱伝導率より大きい場合にも、第４層２２０に比べて相対的に電極組立体と隣接した第３層２１０を介して熱を外部へ速やかに放出し得る。
一方、第１金属部１００の第１層１１０は第１物質を含んでよく、第２層１２０は第２物質を含んでよい。また、第２金属部２００の第３層２１０は第３物質を含んでよく、第４層２２０は第４物質を含んでよい。
このとき、前述した通り、第１層１１０の熱伝導率は第２層１２０の熱伝導率より大きくてよく、第３層２１０の熱伝導率は第４層２２０の熱伝導率より大きくてよいため、第１物質の熱伝導率は第２物質の熱伝導率より大きくてよく、第３物質の熱伝導率は第４物質の熱伝導率より大きくてよい。
一方、例えば、第１物質及び第３物質は銅を含んでよく、第２物質及び第４物質はアルミニウムを含んでよい。または、第１物質及び第３物質は銅でなってよく、第２物質及び第４物質はアルミニウムでなってよい。
銅はアルミニウムに比べて熱伝導性が約１．５倍大きい。よって、第２層１２０に比べて相対的に電極組立体に隣接して具備される第１層１１０及び第４層２２０に比べ、相対的に電極組立体に隣接して具備される第３層２１０が銅含むか銅でなっている場合、二次電池内部の熱をより速やかに外部へ放出できる。
一方、本発明による第１金属部１００又は第２金属部２００は、クラッド（ｃｌａｄ）材料でなってよい。
クラッドは、二以上の金属を接合して各金属の長所を発揮できる素材であって、クラッド内で二以上の金属間の接合は圧延（ｒｏｌｌｉｎｇ）により行われてよい。第１金属部１００の第１層１１０及び第２層１２０がそれぞれ銅とアルミニウムである場合、銅とアルミニウムの間の圧延による接合によってクラッド材質でなる第１金属部１００を製造できる。これと類似して、第２金属部２００の第３層２１０及び第４層２２０がそれぞれ銅とアルミニウムである場合、銅とアルミニウム間の圧延による接合によってクラッド材質でなる第２金属部２００を製造できる。これは、第１から第４層が異なる金属でなっている場合にも同様に適用してよい。
一方、本発明による二次電池は、電極と分離膜が交互に配置された構造を有する電極組立体と、電極組立体を収容する二次電池用外装材とを含んでよい。二次電池用外装材に対する説明は、前述した内容で代替する。
以上で本発明は、限定された実施形態と図面によって説明されたが、本発明は、これによって限定されず、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者により、本発明の技術思想と以下に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で多様な実施が可能なことは勿論である。
１０ 外装材
１００ 第１金属部
１１０ 第１層
１２０ 第２層
２００ 第２金属部
２１０ 第３層
２２０ 第４層
３００ 第１接着部
４００ 絶縁部
５００ 第２接着部
６００ 第１外面部
７００ 第２外面部

Claims (12)

  1. 内部空間が形成された二次電池用外装材であって、
    第１金属部と、
    前記第１金属部と離隔されている第２金属部と、
    前記第１金属部と前記第２金属部の間に具備され、前記第１金属部と前記第２金属部にそれぞれ接着される第１接着部と、を含み、
    前記第１金属部は、前記第２金属部より前記内部空間に隣接して具備され、
    前記第１金属部の熱伝導率は、前記第２金属部の熱伝導率より大きい二次電池用外装材。
  2. 前記第１接着部には、難燃性物質が混合されている、請求項１に記載の二次電池用外装材。
  3. 前記第１金属部又は前記第２金属部は、クラッド（ｃｌａｄ）材料でなる、請求項１または２に記載の二次電池用外装材。
  4. 前記難燃性物質は、リン系化合物、窒素系化合物、ハロゲン系化合物、アンチモン系化合物、モリブデン系化合物、ホウ酸亜鉛系化合物及び金属水酸化物のうち一つ以上を含む、請求項２に記載の二次電池用外装材。
  5. 前記第１金属部から前記内部空間の方向に離隔して具備され、電気絶縁性を有する絶縁部と、
    前記第１金属部と前記絶縁部の間に具備され、前記第１金属部と前記絶縁部にそれぞれ接着される第２接着部と、をさらに含む、請求項１～４の何れか一項に記載の二次電池用外装材。
  6. 前記第１金属部は、
    第１物質を含む第１層と、
    第２物質を含む第２層と、を含み、
    前記第１層は、前記第２層より前記内部空間と隣接して具備され、
    前記第１層の熱伝導率は前記第２層の熱伝導率より大きい、請求項１～５の何れか一項に記載の二次電池用外装材。
  7. 前記第２金属部は、
    第３物質を含む第３層と、
    第４物質を含む第４層と、を含み、
    前記第３層は、前記第４層より前記内部空間と隣接して具備され、
    前記第３層の熱伝導率は前記第４層の熱伝導率より大きい、請求項１～６の何れか一項に記載の二次電池用外装材。
  8. 前記第１物質は銅を含み、
    前記第２物質はアルミニウムを含む、請求項６に記載の二次電池用外装材。
  9. 前記第３物質は銅を含み、
    前記第４物質はアルミニウムを含む、請求項７に記載の二次電池用外装材。
  10. 前記第１接着部及び前記第２接着部はＰＰａ（ａｃｉｄ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）を含み、
    前記絶縁部はＣＰＰ（ｃａｓｔ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）を含む、請求項５に記載の二次電池用外装材。
  11. 前記第２金属部の外側表面上に積層される第１外面部と、
    前記第１外面部の外側表面上に積層される第２外面部と、を含み、
    前記第１外面部は延伸ナイロン（ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｎｙｌｏｎ）を含み、
    前記第２外面部はＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）を含む、請求項１～１０の何れか一項に記載の二次電池用外装材。
  12. 電極組立体と、
    前記電極組立体を収容する請求項１～１１の何れか一項に記載の二次電池用外装材と、を含む二次電池。
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