KR100561283B1 - 파우치형 리튬 이차 전지 - Google Patents

Abstract

파우치형 리튬 이차전지 제조 방법이 개시된다.

본 발명의 파우치형 리튬 이차 전지는 양극, 세퍼레이터, 음극으로 이루어지는 전극 조립체를 수용하도록 밀봉된 파우치의 적어도 일부를 감싸는 커버가 구비되는 것을 특징으로 한다. 이때, 커버는 절연성이고, 스크래치 등 외관 손상에 강한 재질을 쓰는 것이 바람직하다.

따라서, 파우치의 금속 포일과 전지 음극이 단락되어 금속 포일이 부식되는 현상을 줄일 수 있고, 파우치막의 스크래치, 기타 손상을 방지할 수 있다.

Description

파우치형 리튬 이차 전지 {Pouch type lithium secondary battery}

도1은 전극조립체를 수용하는 홈이 형성된 면에서 볼 때 대략 직사각형을 이루는 코어 팩 전지의 일 예를 나타내는 정면도,

도2는 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 리튬 이차 전지에서 커버가 파우치에 씌워진 상태를 나타내는 정면도,

도3은 도2의 커버 내에 있는 파우치의 구성을 나타내기 위한 파우치 개방 상태의 사시도,

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 커버와 그에 결합될 코어 팩 전지를 나타내는 사시도,

도5는 전지를 사용하는 기기에 본 발명의 파우치형 리튬 이차 전지가 결합된 상태를 설명하기 위한 부분 조립 사시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 상부 11: 폴리플로필렌

12,23: 가장자리부 13: 금속 포일

16: 도전선

18: 홈의 저면 20: 파우치 하부

21: 홈 30: 전극 조립체

31: 양극 33: 세퍼레이터

35: 음극 37: 음극 탭

38: 양극 탭 39: 절연 테이프

50: 기기 51: 양면 접착 테이프

100: 코어 팩 전지 200,300,400: 커버

301: 상방 303: 측방

410: 덮개

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극과 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 구조체가 파우치(pouch)에 수용되는 형태를 가지는 파우치형 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

리튬 이차 전지는 리튬과 수분의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용한다. 이 전해질은 리튬염을 함유하는 고체 폴리머이거나, 리튬염이 유기 용매에서 해리된 액상일 수 있다. 리튬 이차 전지를 전해질 종류에 따라 구분해 보면, 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속전지와 리튬 이온전지, 그리고 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다.

완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지의 경우에는 유기 전해액의 누출문제가 없고, 유기 전해액을 함유하는 겔형 리튬 이온 폴리머전지의 경우에도 액체 전해질 을 사용하는 리튬 이온 전지와 비교할 때 전해액의 누출 문제는 간이한 형태로 방지될 수 있다. 가령, 리튬 이온 폴리머 전지는 금속 포일과 이 포일을 덮는 하나 이상의 폴리머 막으로 구성된 다층막 파우치를 리튬 이온 전지의 금속캔(can) 대신 사용할 수 있다.

다층막 파우치를 사용할 경우에는 금속캔을 사용할 때보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있다. 다층막 파우치에서 포일을 이루는 금속으로 통상 알루미늄이 이용된다. 파우치막 내층을 이루는 폴리머막은 전해질로부터 금속 포일을 보호함과 아울러, 양극과 음극, 그리고 전극 탭들 사이의 단락(短絡)을 방지한다.

파우치형 리튬 이차 전지를 형성하기 위해 우선, 양극, 세퍼레이터, 음극을 적층하거나 적층 후 권취하여 이루어지는 전극조립체를 가봉지 상태의 파우치 내에 위치시킨다. 그리고, 파우치의 개방된 가장자리부에서 상하 파우치막을 가열 융착시키면 베어 셀 전지가 만들어진다.

파우치 밀봉이 이루어져 형성된 베어 셀(bare cell)에 도시되지 않은 보호 회로 기판(PCM:protecting circuit moudule)이나 PTC(positive temperature coefficient)같은 부속품 혹은 구조체가 부착되어 코어 팩(core pack)이 형성된다.

코어 팩 전지를 하드 케이스 내에 결합시키면 완성된 하드 팩 전지가 형성된다. 하드 케이스는 그 내측에 별도의 회로나 도전체부 없이 폴리프로필렌 수지 등을 이용하여 형성할 수 있으나, 전지가 사용되는 기기의 특성에 따라 하드 케이스 내부에 별도의 부속회로 기타 도전체부를 가지는 경우가 있다. 또한, 전지를 사용하는 제품에 따라서는 별도의 하드 케이스를 씌우지 않은 코어 팩 상태의 전지를 제품의 소정 부위에 직접 결합시켜 사용하는 경우가 있다.

도1은 전극조립체를 수용하는 홈이 형성된 면에서 볼 때 대략 직사각형을 이루는 코어 팩 전지의 일 예를 나타내는 도면이다.

도1을 참조하면, 4각형 코어 팩 전지(100)의 양 옆의 두 변에서는 파우치 밀봉시 융착부를 이루는 가장자리부(12)가 정면을 향해 접혀진 상태를 이루고 있다. 또한, 코어 팩 전지(100)의 4변 가운데 전극 탭이 인출되는 상변 가장자리부는 보호회로 기타 구조체가 부착된 채 테이프로 마감된 상태이고, 하드 케이스의 전극 리드나 외부 기기와 연결을 위한 인출되는 도전선(16)이 설치된 상태이다. 도면 부호 18은 파우치면에 형성되어 전극 조립체(미도시)를 수용하고 있는 홈의 저면을 나타내고 있다.

그런데, 베어 셀을 이루는 파우치의 가장자리 단부에는 별도의 절연 작업이 없다면 파우치막 중간층을 이루는 금속 포일이 작은 부분이지만 드러난 상태로 있다. 따라서, 베어 셀 상태에서 코어 팩 전지를 형성하기 위해 양 옆의 가장자리부(12)를 접고, 전극 탭 쪽에 보호회로 기판을 부착한 상태에서도 파우치의 가장자리부(12) 단부에는 여전히 금속 포일이 노출된 상태를 유지하게 된다.

금속 포일이 노출된 상태에서 코어 팩 전지(100)가 하드 케이스나 제품의 전지 박스에 직접 장입될 경우, 파우치막의 금속 포일이 하드 케이스나 전지 박스 내의 회로부 기타 도전체를 통해 전지의 음극과 접속될 수 있다. 혹은, 파우치막의 금속 포일, 보호회로 기판의 도전체, 하드 케이스나 전지 박스의 도전체, 전지 음극의 경로로 전기 접속이 이루어질 수 있다. 이들 어느 경우나 일단 직, 간접적으 로 파우치막의 금속 포일을 이루는 알미늄과 음극의 구리 탭이나 집전체가 접속되면 전기 화학 작용에 의해 파우치막의 알미늄 포일이 부식을 일으킬 수 있고, 특히, 파우치에서 음극 탭을 주변에 누출된 전해액 성분이나 습기가 존재하는 환경에서는 부식은 가속될 수 있다.

수분과 산소의 베리어(barrier)로 작용하는 알미늄 포일이 계속 부식되면 파우치막의 폴리머층만으로는 수분과 산소의 유입을 충분한 정도로 막을 수 없다. 파우치의 차단 능력이 떨어지면 전지는 이상을 일으킬 수 있다. 즉, 겔형 전해질 세퍼레이터의 유기 전해액이 증발되거나 외부 수분이나 산소가 유입되면 파우치에 스웰링(swelling) 등 이상 현상이 발생하여 전지의 폐기, 성능 열화와 수명 단축을 초래한다.

그리고, 단단한 금속 캔 대신 파우치를 전극조립체의 용기로 이용하는 파우치형 전지의 경우, 코어 팩 전지를 제조하는 과정까지 혹은 하드 케이스나 기기에 장착하는 과정에서도 파우치 표면에 스크래치가 발생할 위험이 크다. 또한, 파우치 표면에 발생한 스크래치가 전지 자체의 밀봉 상태 불량이나 외관 불량으로 이어질 위험성도 커진다.

한편, 코어 팩 상태의 리튬 이차 전지를 바로 기기에 장착시켜 사용하는 경우가 있다. 기기에 장착된 이차 전지에 문제가 발생하면 기기에서 전지를 꺼내어 수리하거나 교체해야 한다. 그런데, 전기 접속의 안정성을 위해 전지를 기기 내에서 움직이지 못하도록 코어 팩 상태에서 파우치를 강력한 접착제, 접착 테이프 등으로 접착시키는 경우, 전지를 꺼내는 과정에서 전지의 파우치가 훼손되어 수리가 불가능하게 되거나 파우치가 훼손되면서 동시에 기기를 오염시킬 가능성도 커진다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점들을 제거하기 위한 것으로, 파우치형 리튬 이차 전지에서 파우치의 금속 포일을 이루는 알미늄과 전지 음극을 구성하는 구리 사이의 단락으로 금속 포일이 부식되어 파우치의 베리어로서의 기능이 떨어지고 전지의 이상이 발생하는 현상을 방지할 수 있는 파우치형 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 공정 중에 외관에 스크래치가 발생하는 것을 방지하거나 이미 발생한 스크래치에 의한 불량을 방지할 수 있는 파우치형 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 코어 팩 상태로 기기에 장착되는 경우 수리나 교체하는 과정에서 작업을 용이하게 하고, 기기 오염 등의 문제를 방지할 수 있는 파우치형 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파우치형 리튬 이차 전지는 양극, 세퍼레이터, 음극으로 이루어지는 전극 조립체를 수용하도록 밀봉된 파우치의 적어도 일부를 감싸되, 내면이 대응하는 상기 파우치의 외면과 서로 유동될 수 있는 상태로 감싸는 커버가 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 커버는 절연성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 커버를 이루는 절연성 물질로는 얇은 두께에도 불구하고 스크래치 등 외관 손상에 강한 나일론 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 커버는 파우치의 가장자리 단부가 위치하는 측면 및 모서리 부분을 감싸도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 커버는 파우치와 탈착 가능하게 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 커버는 베어 셀 상태에서 혹은 코어 팩 상태에서 파우치에 씌워질 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따라 파우치형 리튬 이차 전지에서 커버가 파우치에 씌워진 상태를 나타내는 정면도이며, 도3은 도2의 커버 내에 있는 파우치의 구성을 나타내기 위한 파우치 개방 상태의 사시도이다.

도3을 함께 참조하여 도2의 상태를 형성하는 방법의 일 예를 살펴보면, 먼저 일체로 형성되는 직방형 파우치막을 한 변의 길이 방향을 기준으로 중간을 접철하여 파우치의 상부(10), 하부(20)를 이룬다. 하부(20)에는 프레스(press) 가공 등을 통해 전극 조립체가 수용될 홈(21)을 형성한다. 파우치막은 통상 알미늄 재질의 금속 포일(13)을 중심으로 내외면에 폴리프로필렌(11), 나일론 등의 폴리머막을 코팅하여 이루어진다.

전극 조립체는 양극(31), 세퍼레이터(33), 음극(35)이 적층된 다층막을 와형으로 권취하여 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 형성한다. 젤리 롤을 권취 형성할 때 양극(31)과 음극(35)의 단락을 막기 위해 롤(roll)의 외부 혹은 내부 전극면에는 세퍼레이터가 덧붙여진다.

양극(31)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예컨대 알루미늄 메시나 포일로 된 양극 집전체에 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질층을 코팅하는 등의 방법으로 형성할 수 있다. 음극(35)은 전도성의 금속 박판, 이를테면 구리 호일로 된 음극 집전체에 탄소를 주성분으로 하는 음극 활물질층을 코팅하여 형성할 수 있다. 코팅은 도전체, 바인더, 기타 함유물이 섞인 페이스트 상태의 활물질을 집전체에 얇게 씌우는 방식으로 이루어질 수 있다.

통상 파우치형을 채택하는 리튬 이온 폴리머 전지에서 양극과 음극 사이의 폴리머층이 세퍼레이터 겸 전해질을 이룬다. 이때, 세퍼레이터(33)는 이온전도도를 높이기 위해 유기 전해액이 함유되는 겔(Gel)형인 것이 일반적이다.

전극 조립체가 놓인 하부 홈(21) 주위의 가장자리와 이에 대응되는 파우치막 상부의 가장자리가 밀착된 상태에서 밀착된 부분을 가열 가압하면 내부 폴리머막이 융착하면서 파우치 밀봉이 이루어져 베어 셀이 형성된다. 이때 가장자리(23)는 상하 파우치막이 융착된 상태로 홈 주위의 4변 가운데 적어도 3 변에 플랜지 형태를 이루게 된다.

양극 집전체와 음극 집전체 각각에는 전극 탭(37,38)이 형성되어 파우치의 융착되는 일 부분을 통과하여 파우치 외부로 인출된다. 파우치 밀봉 과정에서 파우치 내면의 폴리머막과 전극 탭(37,38)을 이루는 금속 사이의 접착을 강화하기 위해 폴리머막 표면에 특정 성분을 함유시키거나, 밀봉전 이들 성분을 가진 별도의 테이프를 전극 탭(37,38)이 파우치와 접착되는 부분에 부착시킬 수도 있다. 실시예에 따라 양극 및 음극과, 양극 및 음극 탭(37,38)은 극성을 달리하여 배치될 수 있다.

베어 셀에서 전극 탭이 인출되는 변과 연결되는 양측 변의 가장자리부를 홈이 형성된 방향으로 절곡하여 주변을 정리하고 베어 셀의 양극 및 음극 탭(37,38)에 보호회로 기판을 접속시키고 PTC(positive temperature coefficient) 등의 구조체를 부착하면 코어 팩 전지(100)가 형성된다. 이때, 하드 케이스의 단자 전극과의 혹은 사용기기와의 전기적 연결을 위한 도전선(16)은 연결된 상태다.

이어서, 본 발명의 특징을 이루는 커버(200)가 파우치 위로 감싸진다. 커버(200) 일부(도2의 모서리부)에는 작은 개방부가 있고, 이 개방부를 통해 코어 팩 전지(100)의 외부와의 전기 접속을 위한 도전선(16)이 인출된다.

이때, 커버(200)는 절연성을 가지며, 기계적으로 스크래치에 대한 저항성이 큰 나일론 등의 재질을 사용한다. 만약 커버(200)가 도전성을 가질 경우, 파우치 단부에 드러난 금속 포일(13)과 전지의 음극 탭(37)이 커버(200) 자체를 통해 혹은 다른 전지 부속의 도전부와 커버를 통해 간접적으로 전기 접속되어 금속 포일을 이루는 알미늄을 부식시키는 경우를 증가시킬 것이다. 커버(200)는 전지의 부피를 줄이기 위해 얇게 성형될 수 있는 것을 사용한다. 동시에 공정중에 스크래치가 잘 발생하지 않고, 표면 스크래치가 발생하여도 쉽게 손상되지 않는 강한 재질을 사용한다.

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 커버와 그에 결합될 코어 팩 전지를 나타내는 사시도이다.

도4를 참조하면, 커버(300)는 와 같은 코어 팩 전지(100)에서 금속 포일이 드러나기 쉬운 양 측방(303)과 보호회로 기판 등이 부착되는 상방(301)을 커버하도 록 이루어진다. 커버(300)에 코어 팩 전지(100)를 끼우는 작업이 용이하도록 커버(300)는 자체의 형상을 유지할 수 있을 정도의 기계적 강도와 경도를 가진 것을 사용할 수 있다. 또한, 커버(300) 내측에 코어 팩 전지(100)를 끼우는 작업이 용이하도록 커버(300)는 마찰이 적고 매끈한 내면을 가지는 것이 바람직하다.

이때, 보호회로 기판은 전극 탭이 인출되는 곳에서 전극 탭과 접속되도록 설치되며, 이후 작업에 불편이 없도록 파우치의 전극 탭과 보호회로 기판이 접속된 부분을 테이핑 등의 방법으로 마감된 상태의 코어 팩 전지를 이루고 있다. 이때, 외부와의 전기 접속을 위해 전극 탭에서 도전선(16)이 테이프 등으로 마감된 부분의 작은 개구를 통해 인출된다.

단, 본 실시예에서 나타난, 마감을 위한 테이핑은 본 발명과 같은 커버(300)를 가지는 파우치형 리튬 이차 전지에서 큰 문제 없이 생략될 수 있을 것이다.

도5는 전지를 사용하는 기기에 본 발명의 파우치형 리튬 이차 전지가 결합된 상태를 설명하기 위한 부분 조립 사시도이다.

도5를 참조하면, 코어 팩 전지(100)는 개폐 가능하게 형성된 덮개(410)를 가진 주머니형 커버(400) 내에 삽입된다. 커버(400)는 코어 팩 전지(100)의 전면을 덮게 된다. 그리고, 코어 팩 전지(100)가 든 커버(400)의 하부면은 접착제나 도시된 양면 접착 테이프(51)에 의해 기기(50) 내면에 직접 고정된다. 따라서, 기기(50)의 사용중에 전지의 수명이 다하거나, 전지에 이상이 생기는 경우에도 커버(400)를 기기(50)에서 떼어낼 필요 없이 커버(400)의 덮개(410)를 열고 코어 팩 전지(100)만을 간단하게 빼내면 기기(50)와 전지(100)를 쉽게 분리할 수 있다. 그 리고, 수리된 전지나 새로운 전지를 넣고 전지와 기기(50)에 도전선(16)을 연결시킨다.

아울러, 본 실시례와 같은 커버(400)를 사용할 경우, 금속 포일이 드러나는 가장자리(12) 단부가 커버(400)에 의해 덮여 코어 팩 전지(100)가 하드 케이스나 기기(50)의 전지 박스에 직접 장입될 경우에도 파우치막의 금속 포일이 하드 케이스나 전지 박스 내의 회로부 기타 도전체를 통해 전지의 음극과 접속되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 파우치가 이미 커버에 의해 보호되므로 전지를 하드 케이스나 기기에 장착할 때 주변의 단단하고 날카로운 부분에 긁혀 파우치 표면이 손상되는 것을 대부분 방지할 수 있고, 다소의 외관 이상이 있어도 기능에 이상이 없다면 커버로 가려지므로 불량처리 할 필요가 없다.

이상의 실시예에서는 커버(400)는 코어 팩 전지(100) 위로 씌워지는 것을 상정하고 있으나, 커버는 베어 셀 상태의 파우치에도 씌워질 수 있다. 단, 베어 셀 상태에서 파우치에 커버가 씌워질 경우, 커버가 씌워진 채 그 위로 베어 셀의 전극 탭과 보호회로 기판 등의 전지 부속을 결합 작업을 해야 하므로 번거로움이 있고 보호회로 기판 등은 여전히 노출된 상태가 되므로 코어 팩 상태의 파우치에 커버를 씌우는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 커버를 절연성으로 함으로써 파우치형 리튬 이차 전지에서 파우치의 금속 포일을 이루는 알미늄과 전지 음극이 하드 케이스나 기기의 전지 박스에 설치된 도전체 부분을 통해 단락되어 금속 포일이 부식되는 현상을 방지할 수 있고, 공정 중에 파우치에 스크래치로 인한 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 전지가 코어 팩 상태로 기기에 직접 접착되는 경우에도 실질적으로 커버가 기기에 접착되고 전지는 커버에서 용이하게 탈착되므로 전지 이상시 간단히 전지의 교체나 수선을 할 수 있다.

Claims (5)

1. 양극, 세퍼레이터, 음극으로 이루어지는 전극 조립체와

   상기 전극 조립체를 수용하도록 밀봉 형성된 파우치를 구비하여 이루어지는 파우치형 리튬 이차 전지에 있어서,

   내면이 대응하는 상기 파우치의 외면과 서로 유동될 수 있는 상태로 상기 파우치의 적어도 일부를 감싸는 커버가 더 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 커버는 절연성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 커버는 나일론 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 커버는 상기 파우치의 가장자리 단부가 위치하는 측면 및 모서리 부분을 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 커버는 상기 파우치와 탈착 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.

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