JP7486880B2 - ベンティング誘導部が形成されたパウチ型電池ケースの製造方法及び前記方法によって製造されたパウチ型電池ケース - Google Patents

ベンティング誘導部が形成されたパウチ型電池ケースの製造方法及び前記方法によって製造されたパウチ型電池ケース Download PDF

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Description

本出願は２０１９年１１月６日付の韓国特許出願第２０１９－０１４０９６４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すべての内容はこの明細書の一部として含まれる。
本発明はベンティング誘導部が形成されたパウチ型電池ケースの製造方法及び前記方法によって製造されたパウチ型電池ケースに関し、具体的には、パウチ型電池ケースの製造過程中に前記パウチ型電池ケースの一部にベンティング誘導部を成形する過程を含むパウチ型電池ケースの製造方法及びこれによって製造されたパウチ型電池ケースに関する。
リチウム二次電池は、外形によって、大別して、円筒型二次電池、角型二次電池及びパウチ型二次電池に分類することができ、電解液の種類によって、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、リチウムポリマー電池及び全固体電池などに分類することができる。
ウェアラブルデバイス（ｗｅａｒａｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）及びモバイルデバイス（ｍｏｂｉｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）の小型化及び軽量化の傾向に応じて、厚さの薄い角型電池やパウチ型電池に対する需要が増加している。特に、金属缶を用いる円筒型二次電池または角型二次電池より電池ケースの重さを著しく減らすことができるので、電池の軽量化が可能であり、多様な形態変形が可能なパウチ型二次電池に対する関心が高い。前記パウチ型二次電池は、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートをパウチ型にした電池ケースに電極組立体が内蔵される形態を有する。
前記リチウム二次電池は、継続的な充放電過程で発生する熱によって電極組立体及び電気的連結部材などの温度が増加する。このように、リチウム二次電池の内部温度が高くなれば、電解液などが分解してガスが発生して電池ケースを膨張させる。また、中大型電池パックは多数の電池セルが一定したケース内に固定された状態で装着された構造を有するので、それぞれの膨張した電池セルは限定されたケース内で一層圧縮され、異常作動条件の下で発火及び爆発の危険性が増加する。
このようなリチウム二次電池の危険性を低めるための多様な試みが遂行されている。特許文献１は、電池の内圧上昇によってケースが収縮する方向に沿ってコーティングされることで、他の部分より優先的に破断されてガスを外部に排出させるようにケースの外面に形成される破断層を含むリチウムポリマー電池に関するものであり、前記破断層はケースの外面に一定の幅でコーティングされたポリマー素材であり、延伸率に優れた素材である。
特許文献２は、電極組立体に連結される一対の電極リードの中で相対的に柔軟性が低い電極リードに対応する部位のシーリング部上に、所定の圧力が印加されるときに物理的変形が引き起こされて内部ガスを放出させることができる脆弱部が形成された電池セルを開示する。
しかし、前記特許文献１及び特許文献２は破断層や脆弱部を形成する具体的な方法を提示していない。
一方、特許文献３は、ガスポケット部において電極組立体に隣接するように電極組立体の縁部に沿って内側遮断ラインと外側遮断ラインを設ける段階を含むパウチ型二次電池の製造方法を開示する。しかし、前記内側及び外側遮断ラインはパウチ型二次電池の製造中の脱ガス過程で電解液が一緒に吐き出されることを防止するための構造であるだけで、パウチ型二次電池の安全性を確保するための技術を開示していない。
このように、パウチ型二次電池の製造過程で、パウチ型電池ケースの外面に破断を誘導して電池ケースの爆発を防止することができる方法の開発が必要な実情である。
韓国公開特許第２００３－００３５１８７号公報 韓国公開特許第２００８－００９４６０２号公報 韓国公開特許第２０１８－００５９３７３号公報
本発明は前記のような問題を解決するためのものであり、パウチ型電池ケースを成形する過程中にベンティング誘導部を形成する場合、パウチ型電池ケースの製造工程を簡素化することができるとともに、パウチ型電池ケースの内圧増加の際に破断を誘導して爆発を防止することができる構造を有するパウチ型電池ケースの製造方法及び前記方法によって製造されたパウチ型電池ケースを提供することを目的とする。
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の製造方法は、（ａ）パウチ型電池ケース用ラミネートシートを下部成形型上に位置させる段階と、（ｂ）上部成形型で前記ラミネートシートを押圧して電極組立体収納部を成形する段階と、（ｃ）前記電極組立体収納部の底にベンティング誘導部を成形する段階と、（ｄ）前記電極組立体収納部及び前記ベンティング誘導部が成形されたパウチ型電池ケースを前記下部成形型から取り外す段階とを含む。
一実施例で、前記段階（ｂ）及び前記段階（ｃ）は同時に遂行され、前記上部成形型は、下面のサイズが前記電極組立体収納部の底に対応するサイズを有し、下面には凹部が形成されている第１上部成形型であり、前記下部成形型は、前記第１上部成形型の凹部に対応する上面に突起が形成されている第１下部成形型であることができる。
他の実施例で、前記段階（ｂ）及び前記段階（ｃ）は順次遂行され、前記段階（ｂ）は、下面のサイズが電極組立体収納部の底に対応するサイズを有する第２上部成形型及び第２下部成形型を用い、前記段階（ｃ）は、下面のサイズが電極組立体収納部の底に対応するサイズを有し、下面には凹部が形成されている第１上部成形型、及び前記第１上部成形型の凹部に対応する上面に突起が形成されている第１下部成形型を用いることができる。
前記凹部は前記第１上部成形型の中心部に形成されることができる。
また、前記凹部に前記突起が挿入される構造を有し、前記凹部と前記突起は互いに対応するサイズ及び形態を有し、前記突起の形態は、多角錐、多角錐台、円錐、円錐台、及び半球の中でいずれか一つであることができる。
前記突起は、複数の突起が前記下部成形型の中心部に集中するように形成されることができる。
前記段階（ｃ）は、ベンティング誘導部の金属層の厚さを薄くするために複数回遂行することができる。
また、前記段階（ｃ）は、ラミネートシートを複数回プレスする過程を含むことができる。
本発明によるパウチ型電池ケースは、外部被覆層、金属層及び内部接着層を含む上部ケース及び下部ケースからなり、前記上部ケース及び前記下部ケースの中で少なくとも一つには電極組立体収納部が形成され、前記電極組立体収納部にはベンティング誘導部が形成される構造を有する。
前記ベンティング誘導部において前記金属層の厚さは前記ベンティング誘導部を除いた電極組立体収納部の底の厚さより薄いことができる。
前記ベンティング誘導部は前記電極組立体収納部の底の中心部に形成されることができる。
前記ベンティング誘導部のベンティング圧力は熱融着で密封される前記上部ケース及び前記下部ケースのシーリング部のベンティング圧力より小さいことができる。
また、本発明は、前記パウチ型電池ケースを含むパウチ型電池セルを提供する。
第１実施例によるパウチ型電池ケースの製造方法の模式図である。 第２実施例によるパウチ型電池ケースの製造方法の模式図である。 第３実施例によるパウチ型電池ケースの製造方法の模式図である。 図１の製造方法によって製造されたパウチ型電池ケースの斜視図である。
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使う。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とき、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。
構成要素を限定するか付け加えて具体化する説明は、特別な制限がない限り、すべての発明に適用されることができ、特定の発明に限定されない。
本発明を図面に基づいて詳細な実施例と一緒に説明する。
図１は第１実施例によるパウチ型電池ケースの製造方法の模式図である。
図１を参照すると、パウチ型電池ケース用ラミネートシート１１０は、外部被覆層１０１、金属層１０２、及び内部接着層１０３を含み、場合によって、外部被覆層と金属層との間、及び金属層と内部接着層との間に接着層をさらに含むことができる。
パウチ型電池ケース用ラミネートシート１１０を第１下部成形型１２１上に位置させた後、第１上部成形型１３１でラミネートシート１１０を押圧することにより、電極組立体収納部１１２及びベンティング誘導部１１３を成形する。
第１上部成形型１３１は、下面のサイズが電極組立体収納部１１２の底面に対応するサイズを有し、下面には凹部１３５が形成されている。第１下部成形型１２１は、第１上部成形型１３１の凹部１３５に対応する位置の上面に突起１２５が形成されている。
第１上部成形型１３１の凹部１３５は第１上部成形型１３１の下面中心部に形成され、第１下部成形型１２１の突起１２５は第１下部成形型１２１の上面中心部に形成される。
したがって、前記過程によって製造されたパウチ型電池ケース１１１は、電極組立体収納部１１２の底面中心部にベンティング誘導部１１３が形成される。
一般に、リチウム二次電池の内圧増加によって電池ケースが膨張したとき、圧力が集中する部分でベンティングされる点を考慮すると、前記ベンティング誘導部は電極組立体収納部の中心部に形成されることが好ましい。よって、突起１２５は複数が形成されることができ、特に、下部成形型の中心部に複数の突起が集中するように形成されることができる。
本発明は、上部成形型の凹部１３５に下部成形型の突起１２５が挿入される構造を有し、凹部１３５と突起１２５は互いに対応するサイズ及び形態を有するように形成される。
例えば、突起１２５の形態は、多角錐、多角錐台、円錐、円錐台、及び半球の中でいずれか一形態になることができ、詳細には半球形になることができる。
前記過程においてベンティング誘導部を成形する段階（ｃ）は、第１上部成形型１３１でラミネートシート１１０をプレスする過程を遂行することができ、ベンティング誘導部においてラミネートシート１１０の金属層１０２の厚さを小さくするために、前記プレスする過程を複数回繰り返し遂行することができる。
このように、電極組立体収納部及びベンティング誘導部が成形されたパウチ型電池ケース１１１を第１下部成形型１２１から取り外す。
このように、本発明によるパウチ型電池ケースは、ベンティング誘導部において金属層の厚さが、ベンティング誘導部を除いた電極組立体収納部の底の厚さより薄く形成されるので、リチウム二次電池の内圧増加の際、前記ベンティング誘導部に圧力が集中することによって早く破断されてガスを排出することができる。
したがって、リチウム二次電池の内圧増加による爆発が起こるに先立って予めベンティング誘導部が破断されるので、リチウム二次電池の安全性を確保することができる。
また、図１に示すパウチ型電池ケースの製造方法のように電極組立体収納部の成形とベンティング誘導部の成形を同時に遂行する場合には、パウチ型電池ケースの製造過程を手短に設計することができるので、製造コストを節減し、生産性を向上させることができる。
図２は第２実施例によるパウチ型電池ケースの製造方法の模式図である。
図２のパウチ型電池ケースの製造方法は、図１のパウチ型電池ケースの製造方法とは違い、電極組立体収納部を成形する段階（ｂ）とベンティング誘導部を成形する段階（ｃ）とを順次遂行する。
具体的には、図２を参照すると、ラミネートシート２１０を第２下部成形型２２２上に位置させた後、第２上部成形型２３２でラミネートシート２１０を押圧して電極組立体収納部２１２を成形する。
その後、電極組立体収納部２１２が成形されたパウチ型電池ケースを突起２２５の形成された第１下部成形型２２１上に配置し、凹部２３５の形成された第１上部成形型２３１でパウチ型電池ケース２１１を押圧してベンティング誘導部２１３を成形する。
前記ベンティング誘導部の成形方法は図１の説明に記載したものと同様である。
また、第１下部成形型２２１と第１上部成形型２３１のそれぞれは図１で説明した第１下部成形型１２１及び第１上部成形型１３１と凹部及び突起の構造とその位置及び形態で同一であるので、以下ではその説明を省略する。
図２に示すパウチ型電池ケースの製造方法のように電極組立体収納部の成形とベンティング誘導部の成形を順次進行する場合には、電極組立体収納部が形成されるとき、ラミネートシートが１次に延伸された状態でベンティング誘導部を成形するから、第１上部成形型でラミネートシートをプレスする過程を独立的に数回遂行することができるので、ラミネートシート金属層の厚さをより薄く成形することができ、金属層の厚さ偏差を減らすことができる。
図３は第３実施例によるパウチ型電池ケースの製造方法の模式図である。
図３を参照すると、図３に示すパウチ型電池ケースの製造方法は、図１に示す方法と同様に、電極組立体収納部を成形する段階（ｂ）と、ベンティング誘導部を成形する段階（ｃ）とを同時に遂行する。
したがって、図３に示す第１下部成形型３２１は上面に突起３２５が形成され、第１上部成形型３３１は下面に凹部３３５が形成された構造を有する。
また、パウチ型電池ケース３１１は、上部ケース３１１ａと下部ケース３１１ｂのそれぞれにベンティング誘導部３１５とベンティング誘導部３１４が形成される構造を有し、第１下部成形型３２１は、ラミネートシートにおいて上部ケース予定部及び下部ケース予定部が配置される部分のそれぞれに突起３２５が形成され、前記突起に対応する位置に二つの第１上部成形型３３１が下降してラミネートシートをプレスする。
図４は図１の製造方法によって製造されたパウチ型電池ケースの斜視図を示す。
図４を参照すると、パウチ型電池セル１００は電極組立体収納部１１２が上部ケース及び下部ケースの中でいずれか一方に形成された構造を有し、電極組立体収納部の底１１２ａの中心部にベンティング誘導部１１３が形成された形態を有する。
ベンティング誘導部において、ラミネートシート金属層の厚さは電極組立体収納部の底からベンティング誘導部を除いた部分の厚さより薄く形成されるので、電池ケースの膨張の際、物理的な強度の弱いベンティング誘導部が先に破断される。
また、ベンティング誘導部１１３のベンティング圧力は熱融着で密封される上部ケース及び下部ケースのシーリング部のベンティング圧力より小さい圧力である。よって、パウチ型電池セルの内部圧力増加の際、上部ケース及び下部ケースのシーリング部がベンティングされるに先立てベンティング誘導部が破断される。
このように、本発明によるパウチ型電池ケースの製造方法は、パウチ型電池セルの安全性を確保するための構造としてベンティング誘導部を含み、前記ベンティング誘導部の形成過程をパウチ型電池ケース成形過程に含むので、パウチ型電池ケースの製造段階が増加せずにパウチ型電池セルの安全性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が可能であろう。
以上で説明したように、本発明によるパウチ型電池ケースの製造方法は、電池ケースを成形する過程中にベンティング誘導部を形成するので、製造工程を簡素化することができる。
また、本発明によるパウチ型電池ケースは、内圧増加によって膨張する場合、ベンティング誘導部が破断されるので、パウチ型二次電池の爆発を予め防止することができる。
１００ パウチ型電池セル
１０１ 外部被覆層
１０２ 金属層
１０３ 内部接着層
１１０、２１０、３１０ ラミネートシート
１１１、２１１、３１１ パウチ型電池ケース
１１２、２１２ 電極組立体収納部
１１２ａ 電極組立体収納部の底
１１３、２１３、３１４、３１５ ベンティング誘導部
１２１、２２１、３２１ 第１下部成形型
１２５、２２５、３２５ 突起
１３１、２３１、３３１ 第１上部成形型
１３５、２３５、３３５ 凹部
２２２ 第２下部成形型
２３２ 第２上部成形型
３１１ａ 上部ケース
３１１ｂ 下部ケース

Claims (10)

  1. パウチ型電池ケース用ラミネートシートを下部成形型上に位置させる段階（ａ）と、
    上部成形型で前記ラミネートシートを押圧して電極組立体収納部を成形する段階（ｂ）と、
    前記電極組立体収納部の底にベンティング誘導部を成形する段階（ｃ）と、
    前記電極組立体収納部及び前記ベンティング誘導部が成形されたパウチ型電池ケースを前記下部成形型から取り外す段階（ｄ）と、
    を含む、パウチ型電池ケースの製造方法において、
    前記段階（ｃ）は、ベンティング誘導部の金属層の厚さを薄くするために複数回遂行される、パウチ型電池ケースの製造方法。
  2. 前記段階（ｂ）及び前記段階（ｃ）は順次遂行され、
    前記段階（ｂ）は、下面のサイズが電極組立体収納部の底に対応するサイズを有する第２上部成形型及び第２下部成形型を用い、
    前記段階（ｃ）は、下面のサイズが電極組立体収納部の底に対応するサイズを有し、下面には凹部が形成されている第１上部成形型、及び前記第１上部成形型の凹部に対応する上面に突起が形成されている第１下部成形型を用いる、請求項１に記載のパウチ型電池ケースの製造方法。
  3. 前記凹部は前記第１上部成形型の中心部に形成される、請求項２に記載のパウチ型電池ケースの製造方法。
  4. 前記凹部に前記突起が挿入される構造を有し、前記凹部と前記突起は互いに対応するサイズ及び形態を有し、
    前記突起の形態は、多角錐、多角錐台、円錐、円錐台、及び半球の中でいずれか一つである、請求項２または３に記載のパウチ型電池ケースの製造方法。
  5. 前記突起は、複数の突起が前記下部成形型の中心部に集中するように形成される、請求項４に記載のパウチ型電池ケースの製造方法。
  6. 前記段階（ｃ）は、ラミネートシートを複数回プレスする過程を含む、請求項１に記載のパウチ型電池ケースの製造方法。
  7. 外部被覆層、金属層及び内部接着層を含む上部ケース及び下部ケースからなり、
    前記上部ケース及び前記下部ケースの中で少なくとも一つには電極組立体収納部が形成され、
    前記電極組立体収納部にはベンティング誘導部が形成されている、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の製造方法。
  8. 前記ベンティング誘導部において前記金属層の厚さは前記ベンティング誘導部を除いた電極組立体収納部の底の厚さより薄い、請求項７に記載のパウチ型電池ケースの製造方法。
  9. 前記ベンティング誘導部は前記電極組立体収納部の底の中心部に形成されている、請求項７または８に記載のパウチ型電池ケースの製造方法。
  10. 前記ベンティング誘導部のベンティング圧力は熱融着で密封される前記上部ケース及び前記下部ケースのシーリング部のベンティング圧力より小さい、請求項７～９のいずれか一項に記載のパウチ型電池ケースの製造方法。
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