KR100325873B1 - 폴리머로 피복된 탭을 구비하는 리튬 이온 폴리머 전지 - Google Patents

폴리머로 피복된 탭을 구비하는 리튬 이온 폴리머 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해액의 누출을 효과적으로 방지할 수 있는 리튬 이온 폴리머 전지를 개시한다. 본 발명에 의한 리튬 이온 폴리머전지는 양극, 음극 및 세퍼레이터가 적층되어 있는 구조의 전지 몸체, 상기 전지 몸체에서 생성된 전류를 외부로 유도하기 위하여 상기 전지 몸체에 결합되어 있는 양극 단자와 음극 단자로서 그 소정영역의 표면에 빈 공간이 없도록 중량 평균분자량이 10만 이하인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 함량이 50 내지 80중량%인 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물로 이루어진 피복층이 형성되어 있는 양극 단자와 음극 단자, 및 상기 양극 단자와 음극 단자의 일부를 노출시킨 상태로 상기 전지 몸체, 양극 단자 및 음극 단자를 밀봉하며 내부 표면이 열접착성 물질로 피복되어 있는 절연성 외장재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

폴리머로 피복된 탭을 구비하는 리튬 이온 폴리머 전지{Lithium ion polymer battery employing taps coated with polymer}
본 발명은 리튬 이온 폴리머 전지에 관한 것으로서, 특히 전해액의 누출을 방지할 수 있는 밀봉구조를 갖는 리튬 이온 폴리머전지에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 무선 기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동용 전원으로서 사용되는 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 충전가능한 리튬 2차 전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소전지, 니켈-아연전지 등과 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 3배 정도 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 많은 기대를 가지고 국내외에서 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.
리튬 2차 전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속 전지와 리튬 이온 전지, 그리고 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 구분할 수 있다.
리튬 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 유기전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전고체형 리튬 폴리머 전지, 유기전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
그런데, 상기 완전 고체형 리튬 폴리머 전지의 경우에는 유기전해액의 누출문제가 없으나 리튬 이온 폴리머 전지의 경우에는 유기전해액의 누출문제가 심각하게 발생하는 경우가 있다.
예를 들면, 일반적인 2차 전지의 경우에는 금속 캔을 전지의 외장재로 사용하고 있으므로 양극 단자와 음극 단자를 상기 금속성 캔의 내부에서 각각 용접하고 절연체로 분리시킨다. 따라서, 이러한 경우에는 상기 금속 캔을 밀봉할 때 상기 양극 단자와 음극 단자가 문제가 되지 않는다. 그러나, 도 1에 나타낸 경우와 같이 전지 몸체를 폴리머 필름과 같은 절연성 외장재로 밀봉한 구조로 이루어진 리튬 이온 폴리머 전지의 경우에는 양극 단자와 음극 단자가 밀봉을 불완전하게 하는 문제가 있다.
도 1은 종래의 리튬 이온 폴리머전지의 개략적인 구조도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 리튬 이온 폴리머전지는 양극(도시생략), 음극(도시생략), 및 유기 전해액(도시생략)이 함침되어 있는 세퍼레이터(separator)를 적층한 구조로 되어 있는 전지 몸체(1); 상기 양극과 음극의 전류를 모으기 위하여 각각 상기 양극과 음극에 접합되어 있는 양극 집전체(3)와 음극 집전체(5); 상기 양극 집전체(3)와 음극 집전체(5)에 모인 전류를 외부로 유도하기 위하여 각각 양극 집전체(3)와 음극 집전체(5)에 접합되어 있는 양극 단자(7)와 음극 단자(9); 및 상기 전지 몸체(1), 양극 집전체(3)와 음극 집전체(5), 및 상기 양극 단자(7)와 음극 단자(9)를 밀봉하고 있는 절연성 외장재(11)로 이루어져 있다.
이때, 상기 절연성 외장재(11)는 보통 알루미늄 박막의 상하면위에 열접착성물질이 적층된 형태의 절연성 필름이다. 상기 절연성 외장재(11)가 전지를 밀봉하는 방식은 다음과 같다. 즉, 상기 절연성 외장재(11)의 외부로 상기 양극 단자(7)와 음극 단자(9)의 일부분 만을 노출시킨채 전지 몸체(1), 양극 집전체(3)와 음극 집전체(5)를 절연성 외장재(11)위에 올려 놓고 상기 절연성 외장재(11)을 반으로 접은 후 압력과 열을 가하여 도 1에서 빗금친 3면의 영역(11a)에서 상기 절연성 외장재(11)의 열접착성 물질끼리 접착되도록 하여 전지를 밀봉하고 있다.
도 2는 도 1의 리튬 이온 폴리머전지의 밀봉부분인 빗금친 영역(11a)을 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 절개한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도 1의 리튬 이온 폴리머전지의 밀봉부분은 음극 단자(9)의 상하면을 절연성 외장재(11)가 감싸고 있는 구조로 되어 있다. 상기 절연성 외장재(11)는 열접착성 물질(11aa)와 상기 열접착성 물질(11aa) 이외의 나머지층(11ab)으로 이루어져 있는데, 상기 음극 단자(9)의 양 측면에 유기 전해액이 누출될 수 있는 빈 공간(13)이 발생하는 문제가 있다. 이는 양극 단자(도 1의 7)의 양 측면의 경우에도 마찬가지이다.
이와 같이 양극 단자 및 음극 단자의 양 측면에 빈 공간이 발생하는 이유는 다음과 같다.
즉, 상기 양극 단자(7)와 음극 단자(9)의 자체 두께가 있고, 상기 절연성 외장재(11)의 열접착성 물질(11aa)이 접착시 압력과 온도에 의해 녹아서 상기 양극 단자(7)와 음극 단자(9)의 측면으로 흘러 공간을 메워야 하지만, 상기 열접착성 물질의 흐름성이 낮아 상기 양극 단자(7)와 음극 단자(9)의 양 측면을 잘 메워 주지못하기 때문이다. 따라서, 양극 단자(7)와 음극 단자(9) 부근에서의 유기 전해액의 누출을 방지하기 위해서 양극 단자(7)와 음극 단자(9) 부근의 밀봉 면적을 증가시켜 왔다. 그러나, 이는 전지의 부피를 불필요하게 증가시키는 원인이 되며, 또한 여전히 유기 전해액이 누출되는 문제를 남겨 전지의 수명을 단축시키는 원인이 되기도 한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기한 문제점을 해결하기 위해서 절연성 외장재와 양극 단자 또는 음극 단자 사이의 밀봉상태를 개선함으로써 상기 유기 전해액이 누출되는 문제를 해결할 수 있는 리튬 이온 폴리머 전지를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 리튬 이온 폴리머 전지의 개략적인 구조도이다.
도 2는 도 1의 리튬 이온 폴리머전지의 밀봉부분인 빗금친 영역(11a)을 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 절개한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 구조를 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 양극 단자(도 3의 25) 및 음극 단자(도 3의 27)의 구조를 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 절연성 외장재로 밀봉된 도 3의 리튬 이온 폴리머 전지의 개략적인 구조도이다.
도 6은 도 5의 리튬 이온 폴리머 전지의 밀봉부분인 빗금친 영역(35a)을 도 5의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절개한 단면도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
15 : 양극 17 : 음극 19 : 세퍼레이터
21 : 양극 집전체 23 : 음극 집전체
25 : 양극 단자 27 : 음극 단자
29 : 양극, 음극, 및 세퍼레이터를 포함하는 전지 몸체
31 : 폴리머 피복층 35 : 절연성 외장재
상기 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은 양극, 음극 및 세퍼레이터가 적층되어 있는 구조의 전지 몸체; 상기 전지 몸체에서 생성된 전류를 외부로 유도하기 위하여 상기 전지 몸체에 결합되어 있는 양극 단자와 음극 단자로서, 그 소정영역의 표면에 빈 공간이 없도록 중량 평균분자량이 10만 이하인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 함량이 50 내지 80중량%인 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물로 이루어진 피복층이 형성되어 있는 양극 단자와 음극 단자; 및 상기 양극 단자와 음극 단자의 일부를 노출시킨 상태로 상기 전지 몸체, 양극 단자 및 음극 단자를 밀봉하며 내부 표면이 열접착성 물질로 피복되어 있는 절연성 외장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머 전지를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 피복층의 상부에 중량 평균분자량이 100만 이상인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 함량이 10 내지 50중량%인 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물로 이루어진 피복층이 더 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상술한 바와 같은 피복층들은 상기 절연성 외장재의 열접착성 물질과 접촉하는 부분인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 절연성 외장재의 열접착성 물질은 상기 피복층과 동일한 물질인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 양극 단자와 음극 단자의 두께는 20 내지 150㎛이고, 상기 양극 단자와 음극 단자에 형성된 피복층의 두께는 30 내지 200㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 양극 단자와 음극 단자의 표면에 형성된 피복이 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물로 이루어지며, 한 변의 길이가 상기 양극 단자 및 음극 단자의 가로 길이 보다 긴 4각형 형태의 필름인 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머전지의 구조를 설명하기 위하여 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머전지는 2개의 양극(15) 사이에 1개의 음극(17)이 끼워져 있고 양극(15)과 음극(17) 사이에 세퍼레이터(19)가 삽입된 구조로 되어 있다. 상기 세퍼레이터(19)는 내부에 많은 포어(pore)가 네트웍크를 형성하고 있는 다공성 물질로 되어 있으며, 상기 포어의 내부에는 유기전해액이 함침되어 있다. 한편, 상기 양극(15)과 음극(17)에는 각각 양극 집전체(21)와 음극 집전체(21)가 용접 등의 방법에 의하여 접합되어 있으며, 또한 상기 양극 집전체(21)와 음극 집전체(23)에는 각각 양극 단자(25)와 음극 단자(27)가 용접 등의 방법에 의하여 접합되어 있다.
이때, 상기 양극 집전체(21)는 상기 2개의 양극(15)의 각각에 접합되어 있는 2개의 양극 집전체(21a, 21b)가 서로 붙어서 하나의 양극 집전체(21)를 구성하고 있다. 상기 양극 단자(25)와 음극 단자(27)는 구리, 알루미늄, 및 니켈로 이루어진 그룹에서 선택된 최소한 하나로 이루어진 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머전지의 양극 단자(도 3의 25) 및 음극 단자(도 3의 27)의 구조를 설명하기 위하여 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 양극 단자(도 3의 25) 또는 음극 단자(도 3의 27)는 모두 금속 탭(100)의 소정영역의 표면이 빈 공간이 없도록 피복층(102)이 형성되어 있는 구조로 되어 있다.
도 5는 도 3의 리튬 이온 폴리머전지를 절연성 외장재(35)로 밀봉한 상태를 설명하기 위한 개략적인 구조도이다.
도 5를 참조하면, 양극(도시생략), 음극(도시생략), 및 세퍼레이터(도시생략)를 적층한 구조로 되어 있는 전지 몸체(29); 상기 양극과 음극에 접합되어 있는 양극 집전체(21)와 음극 집전체(23); 및 상기 양극 집전체(21)와 음극 집전체(23)에 각각 접합되어 있는 양극 단자(25)와 음극 단자(27) 모두를 절연성 외장재(35)가 감싸서 밀봉하고 있다.
이때, 상기 절연성 외장재(35)는 보통 알루미늄 박막의 한쪽 면위에 열접착성 물질이 적층된 형태의 필름이다. 상기 절연성 외장재의 열접착성 물질로는 통상 아이노머, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론계 수지, 폴리에스테르 수지, 또는 폴리우레탄이 사용되는데 본 발명에서는 음극 단자와 양극 단자에 형성된 피복층의 물질과 동일한 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 양극 단자와 음극 단자의 피복층에 사용하는 물질과 동일한 물질을 절연성 외장재의 열접착성 물질로 사용하면 접착력이 더욱 강화되기 때문이다.
상기 절연성 외장재(35)가 전지를 밀봉하는 방식은 다음과 같다. 즉, 상기 절연성 외장재(35)의 외부로 상기 양극 단자(25)와 음극 단자(27)의 일부분 만을 노출시킨채 전지 몸체(29), 양극 집전체(21)와 음극 집전체(23)를 절연성 외장재(35)위에 올려 놓고 상기 절연성 외장재(35)를 반으로 접은 후 압력과 열을 가하여 빗금친 3면의 영역(35a)에서 상기 절연성 외장재(35)의 열접착성 물질층 끼리 접착되도록 하여 전지를 밀봉하고 있다.
이때, 상기 양극 단자(25)와 음극 단자(27)의 소정 영역의 표면은 미리 폴리머 피복층(31, 33)이 형성되어 있다. 이 폴리머 피복층은 중량 평균분자량이 10만 이하인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 함량이 50 내지 80중량%인 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물로 이루어진 단일층이 이거나 이 단일층 상부에 중량 평균분자량이 100만 이상인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 함량이 10 내지 50중량%인 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물로 이루어진 피복층이 더 형성된 이중층 구조를 갖는다.
이는 위에서 설명한 양극 단자(25)와 음극 단자(27)의 부근, 특히 양 측면에서 유기 전해액이 누출되는 것을 방지하기 위해서 양극 단자(25)와 음극 단자(27)를 상기 절연성 외장재(35)의 열접착성 물질(도 5의 35aa)과 용이하게 결합시키기 위한 것이다. 상기 양극 단자(25)와 음극 단자(27)에 폴리머 피복층(31, 33)이 형성된 부분은, 최소한 상기 절연성 외장재(35)의 열접착성 물질(도 5의 35aa)과 접촉되는 부분을 포함하여야 한다.
상기 양극 단자(25)와 음극 단자(27)에 폴리머 피복층을 형성하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 상기 양극 단자(25) 또는 음극 단자(27)의 표면을 산으로 몇초간 에칭하고 과산화수소로 닦아내 불순물을 제거한다. 이어서, 상기 불순물이 제거된 양극 단자(25) 또는 음극 단자(27)의 표면에 적당한 접착액을 바른 후, 상기 양극 단자(25) 또는 음극 단자(27)의 상하면에 피복 물질로 이루어진 필름을 각각 1장씩 2장을 덮고 열과 압력을 가한 상태에서 프레스함으로써 양극 단자(25)와 음극 단자(27)에 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물(31, 33)의 피복을 완료한다. 한편, 이와 같은 프레스 방식에 의한 형성방법 이외에도 몰딩 또는 사출성형에 의한 피복방법을 사용할 수도 있다.
이때, 형성된 폴리머 피복층(31, 33)의 폭은 상기 양극 단자(25)와 음극 단자(27)의 폭 보다 넓게 하는 것이 바람직하다. 이는 양극 단자(25)와 음극 단자(27)의 양 측면에 빈 공간이 발생하여 이 곳이 유기 전해액의 누출통로가 되는 현상을 방지하기 위해서이다.
또한, 상기 양극 단자(25)와 음극 단자(27)의 두께는 통상 20 내지 150㎛인데, 상기 양극 단자와 음극 단자에 형성된 피복층의 두께는 30 내지 200㎛인 것이 바람직하다. 양극 단자와 음극 단자에 형성된 피복층의 두께가 30㎛ 미만이면 압력과 온도를 높여 접착시 열접착성 물질이 밀려 나가는 등 밀봉이 불완전한 문제가 있고, 200㎛를 초과하면 양극 단자 및 음극 단자의 두께가 너무 두꺼워져 양극 단자 및 음극 단자의 양 측면에 공간이 발생할 수 있기 때문이다.
도 6은 도 5의 리튬 이온 폴리머전지의 밀봉부분인 빗금친 영역(35a)을 도 5의 Ⅱ-Ⅱ'선으로 잘라본 단면도이다.
도 6을 참조하면, 리튬 이온 폴리머전지의 밀봉부분은 음극 단자(27)의 상하면을 열접착성 외장재(35)의 열접착성 물질(35aa)와 상기 열접착성 물질(35aa) 이외의 나머지층(35ab)이 감싸고 있는 구조로 되어 있다. 그런데, 이경우에는 도 2의 종래의 음극 단자(도 2의 9)의 양 측면에 유기 전해액이 누출될 수 있는 빈 공간(도 2의 13)이 발생하지 않고, 상기 음극 단자(27)의 양 측면이 피복물질(33)로 충진되어 있으므로 유기 전해액이 누출될 염려가 거의 없다.
이는 열과 압력을 가했을 때, 양극 단자(25)와 음극 단자(27)에 미리 형성시킨 피복물질(31, 33)이 양극 단자(25)와 음극 단자(27)의 양 측면으로 잘 흘러 양극 단자(25)와 음극 단자(27)의 양 측면에 빈 공간이 생성되지 않으며, 절연성 외장재(35)의 열접착성 물질(35aa)과 양극 단자(25)와 음극 단자(27)에 미리 형성시킨 피복물질(31, 33)의 경계면에서 강한 결합이 형성되기 때문이다. 또한, 양극 단자(25)와 음극 단자(27)의 양 측면으로 삐져 나오도록 형성된 피복물질(31, 33)이 양극 단자(25)와 음극 단자(27)의 양 측면을 보완해주는 역할을 하기 때문이기도하다.
실제로 본 발명에서와 같은 피복층이 형성된 단자와 열접착성 물질이 상기 피복층의 형성물질과 동일물질로 이루어진 절연성 외장재 사이의 접착력은 약 98.2gf/mm로서 피복되지 않은 단자와 열접착성 물질층이 아이노머로 이루어진 절연성 외장재 사이의 접착력(약 3.4gf/mm) 보다 30배 정도 높은 것으로 나타났다.
또한, 유기 전해액 누출 방지 효과를 살펴보면, 유기 전해액 3g을 포함하는 도 1의 구조를 하고 있는 리튬 이온 폴리머전지를 0.2기압, 90℃의 조건하에 방치한 결과 30분이 경과한 후 유기 전해액의 누출이 발생하였지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 구조를 하고 있는 리튬 이온 폴리머전지는 같은 조건에서 3시간이 경과한 후에야 유기 전해액의 누출이 발생하였다. 따라서, 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머전지의 유기 전해액 누출방지 효과가 우수함을 알 수 있었다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머전지는 단자와 절연성 외장재 사이의 밀봉특성이 개선됨으로써 전해액의 누출을 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 전지의 안전성을 높이고 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 종래의 경우 보다 단자 부분의 밀봉면적을 감소시킬 수 있으므로 전지를 패킹할 때, 전극물질의 부피를 감소시킬 수 있으므로 단위부피당 전지용량을 증가시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 양극, 음극 및 세퍼레이터가 적층되어 있는 구조의 전지 몸체;
    상기 전지 몸체에서 생성된 전류를 외부로 유도하기 위하여 상기 전지 몸체에 결합되어 있는 양극 단자와 음극 단자로서, 그 소정영역의 표면에 빈 공간이 없도록 중량 평균분자량이 10만 이하인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 함량이 50 내지 80중량%인 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물로 이루어진 피복층이 형성되어 있는 양극 단자와 음극 단자; 및
    상기 양극 단자와 음극 단자의 일부를 노출시킨 상태로 상기 전지 몸체, 양극 단자 및 음극 단자를 밀봉하며 내부 표면이 열접착성 물질로 피복되어 있는 절연성 외장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 피복층의 상부에 중량 평균분자량이 100만 이상인 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 함량이 10 내지 50중량%인 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물로 이루어진 피복층이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 양극 단자와 음극 단자에 형성된 피복층은 상기 절연성 외장재의 열접착성 물질과 접촉하는 부분인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지.
  4. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 절연성 외장재의 열접착성 물질이 상기 피복층 형성물질로 동일한 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 양극 단자와 음극 단자의 두께는 20 내지 150㎛이고, 상기 양극 단자와 음극 단자에 피복된 열접착성 물질의 두께는 30 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 폴리머 전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 양극 단자와 음극 단자의 표면에 피복된 열접착성 물질은 한 변의 길이가 상기 양극 단자 및 음극 단자의 가로 길이 보다 긴 4각형 형태의 필름인 것을 특징으로 하는 리튬 폴리머전지.
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