KR100522683B1 - 리튬 2차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캐소드 극판, 애노드 극판 및 세퍼레이타가 적층되어 있는 구조로 되어 있으며, 형성된 전류를 외부로 유도하기 위한 전극탭을 갖는 전지 조립체; 상부 케이스부와 하부 케이스부로 이루어져 있으며, 상기 전극탭의 일부를 외부로 노출시킨 상태로 상기 상부 케이스부의 가장자리와 상기 하부 케이스부의 가장자리가 접합되어 전지 조립체를 밀봉하는 케이스; 및 상기 전극탭의 소정영역에 소정의 폭으로 코팅되어 있으며, 상기 접합부위의 상부 케이스부의 가장자리와 상기 하부 케이스부의 가장자리의 사이에 개재되어 유기 전해액의 누출을 방지하며, 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머로 이루어진 실링재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지를 제공한다. 본 발명의 리튬 2차전지는 전극탭에 코팅하는 실링재의 재질을 개선함으로써 전극탭과 케이스간의 접합 및 밀봉 능력을 개선하여 유기 전해액의 누출을 효율적으로 방지할 수 있고, 결국 충방전 특성 및 수명 특성이 향상된다.

Description

리튬 2차전지{Lithium secondary battery}

본 발명은 2차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 전극탭과 상하부 케이스의 밀봉상태를 보다 개선시켜 유기 전해액 누출이 효율적으로 방지된 리튬 2차전지에 관한 것이다.

리튬 2차전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고체형 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 이 때 상기 리튬 이온 폴리머 전지에서는 고체형 전해질로서 유기 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전고체형 전해질 또는 유기전해액을 함유하고 있는 겔형 전해질을 사용한다. 그런데, 전해질로서 완전고체형 전해질을 사용하는 경우에는 유기 전해액의 누출 염려가 없으나 액체 전해질을 사용하고 있는 경우에는 유기 전해액이 누출되는 문제점이 있다.

도 1을 참조하여, 통상적인 리튬 이온 폴리머 전지의 구조에 대하여 살펴보기로 한다.

도 1의 리튬 이온 폴리머 전지는 캐소드 극판, 애노드 극판 및 세퍼레이타를 구비하여 된 전지 조립체 (14)와, 이 전지 조립체 (14)를 감싸서 밀봉시키는 케이스 (15)를 구비하여 이루어진다. 그리고 전극탭 (17) 및 (17')은 상기 전지 조립체 (14)에서 형성된 전류를 외부로 유도하기 위한 전기적 통로 역할을 하는 부재로서, 이는 캐소드 극판 및 애노드 극판에 마련된 연결탭 (16) 및 (16')에 의하여 전지 조립체 (14)와 연결되며, 케이스 (15) 밖으로 소정 길이 노출되도록 설치된다.

도 2는 도 1과 같은 구조를 갖는 리튬 이온 폴리머 전지에 있어서 케이스 (15)와 전극탭 (17) 및 (17')을 밀봉한 상태를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 리튬 이온 폴리머 전지의 밀봉부분은 전극탭 (17) 및 (17')의 상, 하면을 상부 케이스 (15a)와 하부 케이스 (15b)가 감싸는 구조로 되어 있다. 이 때 상기 전극탭 (17) 및 (17')의 양 측면에는 유기 전해액이 누출될 수 있는 빈 공간(19)이 발생된다. 이와 같이 빈 공간(19)이 발생되어 밀봉이 불완전하게 되면, 전극탭 (17) 및 (17')을 이루는 금속과 상기 케이스 (15)에서 전지 조립체에 대하여 최내각층인 열접착성 물질층 사이의 결합력이 불량해지는 문제점이 있다. 그리고 전극 탭(17) 및 (17')은 소정의 두께를 갖고 있어서 밀봉이 완전하게 이루어지기 위해서는 케이스 (15)의 열접착성 물질층이 열 및 압력에 의하여 용웅되어 전극탭 (17) 및 (17')의 양 측면이 흘러 공간을 매립하여야 하지만, 상기 열접착성 물질층의 흐름성이 낮아 전극탭 (17) 및 (17')의 양 측면을 잘 매립하지 못하기 때문이다. 이와 같이 종래의 리튬 이온 폴리머 전지는 전극탭 (17) 및 (17')의 주위의 상하부 케이스 (15a) 및 (15b)의 불완전한 밀봉으로 인하여 유기 전해액이 곳을 통하여 누출되어 충방전 특성 및 수명 특성이 불량해지는 현상이 야기된다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 전극 탭의 소정영역의 표면을 실링재로 코팅하는 방법이 제안되었다. 이 때 상기 실링재는 케이스의 열접착물질층과 동일한 물질로 형성하는 것이 바람직하며, 이러한 물질로는 에틸렌과 아크릴산을 공중합한 것에 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 아연 등의 금속을 가하여 측쇄의 카르복실산을 중화시킨 아이오노머(예를 들어, 듀퐁사의 서린(surlyn))가 있고, 이밖에도 폴리에틸렌수지, 폴리프로필렌 수지, 나일론계 수지, 폴리에스테르 수지 또는 폴리우레탄 수지가 공지되어 있다.

상술한 바와 같은 재질로 된 실링재를 사용하면 전극탭 (17) 및 (17')의 주위의 상하부 케이스 (15a) 및 (15b)의 불완전한 밀봉으로 인한 유기 전해액의 누출이 줄어들어 충방전 특성 및 수명 특성이 개선되기는 하지만, 아직도 만족할 만한 수준에 이르지 못하였다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 유기 전해액의 누출을 효과적으로 방지함으로써 충방전 특성 및 수명 특성이 향상된 리튬 2차전지를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는, 캐소드 극판, 애노드 극판 및 세퍼레이타가 적층되어 있는 구조로 되어 있으며, 형성된 전류를 외부로 유도하기 위한 전극탭을 갖는 전지 조립체;

상부 케이스부와 하부 케이스부로 이루어져 있으며, 상기 전극탭의 일부를 외부로 노출시킨 상태로 상기 상부 케이스부의 가장자리와 상기 하부 케이스부의 가장자리가 접합되어 전지 조립체를 밀봉하는 케이스; 및

상기 전극탭의 소정영역에 소정의 폭으로 코팅되어 있으며, 상기 접합부위의 상부 케이스부의 가장자리와 상기 하부 케이스부의 가장자리의 사이에 개재되어 유기 전해액의 누출을 방지하며, 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머로 이루어진 실링재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지를 제공한다.

본 발명은 상술한 바와 같이 실링재로서 녹는점이 약 120℃인 에틸렌-비닐아세테이트(EVA) 코폴리머를 사용한 데 그 특징이 있다. 이 EVA 코폴리머는 특히 비닐아세테이트 함량이 10 내지 50중량%인 것이 바람직하다. 이와 같은 비닐아세테이트 함량을 갖는 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머는 가소성이 부여된 폴리비닐클로라이드와 유연성이 거의 동등한 수준이며 특히 열에 의하여 접착되는 성질이 매우 우수하여 핫 멜트 코팅용 첨가제나 접착제로서 매우 유용하다.

본 발명에서는 상술한 바와 같이 우수한 열접착성 특성을 갖고 있는 EVA 코폴리머를 실링재로 이용함으로써, 전극 탭과 상하부 케이스의 접착력을 현저하게 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 구조를 나타낸 분리사시도이다.

이를 참조하면, 리튬 이온 폴리머 전지는 캐소드 극판, 애노드 극판 및 세퍼레이타를 구비하는 전지 조립체 (20)과 이 전지 조립체를 감싸서 밀봉하는 케이스 (30)을 구비하여 이루어진다. 여기에서 전지 조립체 (20)과 이 전지 조립체 (20)에서 형성된 전류를 외부로 유도하기 위한 전기적 통로 역할을 하는 전극탭 (23) 및 (23')은 각각 캐소드 극판과 애노드 극판에 마련된 연결탭 (21) 및 (21')에 의하여 연결된다. 이 때 전극 탭 (23) 및 (23')의 표면의 소정영역에는 EVA 코폴리머로 된 실링재 (25) 및 (25')로 코팅처리되어 있다.

상기 케이스 (30)는 바람직하게는 도 5에 도시된 적층구조를 갖는다. 즉, 케이스 (30)은 전지 조립체 (20)에 대하여 최내각층으로 형성된 폴리프로필렌, 그 이오노머 및 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머로 된 열접착성 물질층 (31)을 구비한다. 이 열접착성 물질층 (31)은 전지 조립체를 둘러싸는 과정에서 상호 접촉되는 부위로서 이들이 열접착되어 전지의 내부를 밀봉한다. 그리고 이 열접착성 물질층 (31) 상부에는 폴리에틸렌테레프탈레이트층 (32)이 마련된다. 이 폴리에틸렌테레프탈레이트층 (32)를 구성하는 폴리에틸렌테레프탈레이트는 내구성과 기계적 강도 특성이 우수하므로 케이스의 전체적인 기계적 특성을 향상시키는 역할을 한다.

상기 폴리에틸렌테레프탈레이트층 (32) 상부에는 알루미늄이나 그 합금으로 된 금속층 (34)이 형성되어 있으며, 이 금속층 (34) 상부에는 전지 조립체 (20)에 대하여 최외각에 형성되어 있는 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 나일론으로 된 층 (33)이 마련된다. 이 최외각층 (33)은 외부로터의 내부층들을 보호하는 역할을 하며, 전지의 외주면에 균열이 발생하는 것을 방지하여 전체적인 성형을 용이하게 한다.

한편, 상기 폴리에틸렌테레트탈레이트 (32)와 금속층 (34) 상부에는 이 두 층간의 결합력을 향상시켜줄 수 있는 중간층 (33)이 형성되어 있다. 이 중간층 (33)은 층간 결합력을 향상시켜 줄 수 있는 재료라면 모두 다 사용가능하나, 우레탄 수지, 폴리에틸렌, 알루미늄 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 4를 참조하여, 상술한 케이스와 EVA 코폴리머로 된 실링재를 이용하여 리튬 이온 폴리머 전지를 밀봉하는 방식을 살펴보면 다음과 같다.

즉, 케이스 (30)의 외부로 전극탭 (23, 23')의 일부분만을 노출시킨 채 전극 조립체 (30)를 케이스 (30)의 내부에 넣고 케이TM (30)을 반으로 접은 후, 열과 압력을 가하여 상부 케이스 (30a)의 가장자리 부분과 하부 케이스 (30b)의 가장자리 부분의 열접착성 물질끼리 접착되도록 하여 전지를 밀봉하고 있다. 상기 전극탭 (23) 및 (23')의 소정영역의 표면에 미리 코팅되어 있는 실링재 (25) 및 (25')는 상부 케이스 (30a)의 가장자리와 상기 하부 케이스 (30b)의 가장자리의 사이에 개재되어 이 부분에서 상부 케이스 (30a)의 열접착성 물질층 및 하부 케이스 (30b)의 열접착성 물질층과 함께 융착되어 접착부위를 빈틈없이 함으로써 케이스 (30) 내부의 전해액이 전극탭 (23) 및 (23')과 케이스 (30)의 접합부위의 빈공간을 타고 누출되는 것을 방지하는 역할을 한다.

상기 전극탭 (23) 및 (23')에 EVA 코폴리머 실링재 (25) 및 (25')를 코팅하는 방법은 특별히 한정되는 않으나 본 발명에서는 다음의 방법을 사용한다.

먼저 산과 과산화수소를 이용하여 전극탭의 표면에 존재하는 불순물을 제거한 다음, 여기에 접착액을 바른다. 이어서, 전극탭의 상, 하면에 에틸렌-비닐아세테이트로 된 필름을 각각 배치하여 열과 압력을 가하는 방법이다. 이와 같은 프레스 방식에 의한 방법이외에 사출성형에 의한 피복방법을 사용하는 것도 가능하다. 여기에서 전극탭의 두께는 10 내지 100㎛이고 실링재의 두께는 5 내지 50㎛인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시에로만 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

전지 조립체에 대하여 최내각층인 두께 50㎛인 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머(비닐아세테이트 함량: 20중량%) 상부에, 두께 20㎛인 폴리에틸렌테레프탈레이트층, 두께 50㎛인 제1알루미늄층, 두께 20㎛인 제2알루미늄층 및 두께 20㎛인 나일론층을 순차적으로 적층하여 케이스를 제조하였다.

그리고 실링재로는 비닐아세테이트 함량이 20중량%인 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머를 사용하며, 이 코폴리머 된 필름을 도 3에 도시된 바와 같이 전극탭의 상, 하면에 프레스방식으로 코팅처리하였다.

상술한 바와 같이 제조된 케이스와 실링재를 이용하여 도 4에 도시된 바와 같이 밀봉하여 리튬 이온 폴리머 전지를 완성하였다.

비교예

전지 조립체에 대하여 최내각층인 두께 50㎛인 서린(surlyn) 상부에, 두께 10㎛인 PE층, 두께 20㎛인 나일론층, 두께 20㎛인 EAA층, 두께 50㎛인 알루미늄층 및 두께 20㎛인 나일론층을 순차적으로 적층하여 케이스를 제조하였다.

그리고 실링재로는 서린 필름을 사용하며, 이 필름을 도 3에 도시된 바와 같이 전극탭의 상, 하면에 프레스방식으로 코팅처리하였다.

상술한 바와 같이 제조된 케이스와 실링재를 이용하여 도 4에 도시된 바와 같이 밀봉하여 리튬 이온 폴리머 전지를 완성하였다.

상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이온 폴리머 전지에 있어서, EVA 코폴리머 실링재로 코팅처리된 전극탭과 케이스간의 접착력을 조사하였다.

그 결과, 실시예에 있어서의 전극탭과 케이스간의 접착력이 비교예의 경우에 비하여 매우 향상된다는 확인할 수 있었다.

또한, 상기 실시예 및 비교예에 따라 리튬 2차전지에 있어서, 유기 전해액의 누출 정도를 관찰하였다. 이 때 실험조건은 리튬 이온 폴리머 전지를 0.2 기압, 90℃의 조건하에서 방치하여 유기 전해액의 누출이 발생되는 시간을 관찰하였다.

그 결과, 실시예의 경우는 비교예의 경우에 비하여 훨씬 많은 시간이 경과한 후에야 유기 전해액의 누출이 발생되는 것을 알 수 있었다. 그 결과, 실시예는 비교예의 경우에 비하여 유기 전해액의 누출 방지 효과가 개선됨을 알 수 있었다.

또한, 상기 실시예 및 비교예에 따라 리튬 이온 폴리머 전지에 있어서, 충방전 특성 및 수명 특성을 조사하였다.

그 결과, 실시예에 따른 리튬 이온 폴리머 전지는 비교예의 경우와 비교해 볼 때, 유기 전해액 누출로 인한 충방전 특성과 수명 특성의 저하가 억제된다는 것을 확인할 수 있있다.

본 발명의 리튬 2차전지는 전극탭에 코팅하는 실링재의 재질을 개선함으로써 전극탭과 케이스간의 접합 및 밀봉 능력을 개선하여 유기 전해액의 누출을 효율적으로 방지할 수 있고, 결국 충방전 특성 및 수명 특성이 향상된다.

도 1은 종래기술에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 구조를 도시한 분리사시도이고,

도 2는 도 1의 리튬 이온 폴리머 전지에서 케이스와 전극 탭의 밀봉상태를 나타낸 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 구조를 도시한 분리사도이고,

도 4는 도 3의 리튬 이온 폴리머 전지에 있어서, 상하부 케이스와 전극탭의 접합부위를 보다 상세하게 도시한 단면도이고,

도 5는 본 발명에 따른 리튬 이온 폴리머 전지의 케이스의 적층구조를 나타낸 단면도이다.

Claims (2)

1. 캐소드 극판, 애노드 극판 및 세퍼레이타가 적층되어 있는 구조로 되어 있으며, 형성된 전류를 외부로 유도하기 위한 전극탭을 갖는 전지 조립체;

   상부 케이스부와 하부 케이스부로 이루어져 있으며, 상기 전극탭의 일부를 외부로 노출시킨 상태로 상기 상부 케이스부의 가장자리와 상기 하부 케이스부의 가장자리가 접합되어 전지 조립체를 밀봉하는 케이스; 및

   상기 전극탭의 소정영역에 소정의 폭으로 코팅되어 있으며, 상기 접합부위의 상부 케이스부의 가장자리와 상기 하부 케이스부의 가장자리의 사이에 개재되어 유기 전해액의 누출을 방지하며, 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머로 이루어진 실링재를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머에서 비닐아세테이트의 함량이 10 내지 50중량%인 것을 특징으로 하는 리튬 2차전지.