KR100571269B1 - 이차전지용 파우치 및 파우치형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

적어도 실링부의 한쪽 면에 홈이 형성되고 이 홈의 적어도 일부에 용융된 열접착층이 채워져 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치와, 이 파우치를 이용한 베어 셀을 가지는 이차 전지가 개시된다. 홈은 점 형태 혹은 선 형태로 이루어질 수 있으며, 실링부를 포함하는 파우치 전체 면에 형성될 수 있다.
따라서, 파우치의 가장자리 실링부를 가열 가압하여 열융착시키는 과정에서 파우치를 형성하는 2이상의 복층막 중 내층을 형성하는 열접착층이 파우치 가장자리 외측으로 누출되는 문제를 줄일 수 있고, 파우치의 실링부 폭 감소에도 불구하고 실링의 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

이차전지용 파우치 및 파우치형 이차전지 {Pouch for secondary battery and Secondary battery using the same}
도1은 파우치 전지의 개략적 구성을 나타내는 조립 사시도,
도2은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치를 형성하는 단계에서 전극 조립체가 수용된 홈과 함께 실링부에 홈이 형성된 상태를 나타내는 사시도.
도3a 및 도3b는 본 발명의 파우치에서 홈이 형성된 단면 형태를 나타낸 단면도들로, 열접착층에만 홈이 형성된 실시예와 다층막 전체에 홈이 형성된 실시예를 나타내는 단면도들,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 주변 실링부에 홈이 형성된 베어셀을 나타내는 사시도,
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 주변 실링부에 엠보싱 형태로 다수의 점형 홈이 형성된 베어셀을 나태내는 사시도,
도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 실링부를 포함하여 이차전지 베어셀의 파우치 전체에 걸쳐 사선형 홈이 형성된 상태를 나타내는 사시도,
도7은 도3b와 같은 홈이 형성된 파우치의 양면이 융착되었을 때 홈이 용융된 CPP로 채워져 상하면의 맞닿은 홈의 CPP가 접착 코어를 형성하고 있는 상태를 나타내는 부분 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명.
10: 파우치 상부 11: 나일론층
13: 알미늄층 15,151: 열접착층(CPP)
17,17': 홈 19: 경계면
20: 파우치 하부 21: 수용홈
23: 실링부 30: 전극 조립체
31: 양극 33: 세퍼레이터
35: 음극 37: 양극 탭
38: 음극 탭 39: 테이프
100: 파우치 153: 코어
본 발명은 이차전지 분야에 관한 것으로 보다 상세하게는 이차전지 전극 조립체의 용기로 사용되는 파우치 및 이를 사용한 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대해서 중요성이 증가되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지와, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 두 전극과 세퍼레이터, 전해질을 필름으로 만든 파우치에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
도1은 통상의 파우치 전지의 개략적 구성을 나타내는 조립 사시도이다.
통상적으로 사용되는 리튬 이온 폴리머 전지의 파우치는 도시된 바와 같이 순차적으로 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 열접착층(15)인 폴리올레핀계 수지층(Polyolepin Layer), 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속층인 알미늄층(AL/Aluminum Layer:13), 기재 및 보호층으로 작용하는 나일론층(Nylon Layer:11)이 적층된 다층막구조로 구성되어 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다.
파우치는 수용홈(21)이 형성된 하부(20)와 홈을 덮는 상부(10)로 크게 구분 되고, 홈에 내장되는 전극 조립체(30)는 양극 및 음극(31,35)과 세퍼레이터(33)가 적층 권취되어 이루어진다. 각 전극에서는 탭(37,38)이 인출되고, 탭에는 실링부(23)와 겹치는 부분에 테이프(39)가 부착된다.
파우치형 이차전지는 형태에 융통성을 가질 수 있고 보다 작은 부피 및 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 캔형과 달리 파우치형은 연질의 파우치를 용기로 사용하므로 기계적 강도가 약하고 밀봉의 신뢰성이 낮아질 수 있다. 따라서 누액의 문제를 큰 전해액 사용 리튬 이온 이차전지에서 보다는 주로 겔형이나 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지에 사용된다.
그런데, 파우치형 전지에서도 이차전지의 고용량과 요구에 맞추어 보다 놓은 용량의 전지를 형성하기 위해 상대적으로 작은 크기의 파우치에 보다 많은 용량을 가지도록 전극과 전해질을 포함시켜야 한다. 또한, 전지 용량이나 수용기능과 직접 관계가 없는 파우치의 주변 실링부(23)를 점차 줄이도록 하는 요구가 발생한다.
파우치의 실링부 폭을 줄이면 내부에 보다 큰 용량의 전극 조립체를 수용할 수 있고, 용량과 직접 관계없는 실링부 자체는 줄일 수 있다. 그러므로, 동일한 파우치로 보다 높은 용량의 이차전지를 형성할 수 있다. 그러나, 실링부 폭의 감소로 절대적 실링 면적이 줄어들면서 파우치의 밀봉 신뢰성은 줄어들어 문제가 된다.
한편, 열접착성 폴리올레핀 내층을 맞대고 열로 융착시키는 과정에서 용융된 폴리올레핀층의 일부가 융착을 위한 외부 압력에 의해 파우치 바깥쪽으로 삐져나오게 된다. 이런 현상은 파우치의 외관을 해칠 뿐 아니라 융착되는 폴리올레핀층의 두께를 감소시켜 실링 강도를 작게 하고, 경우에 따라서는 폴리올레핀층의 다음층 인 금속 베리어층을 노출시켜 전극이나 외부와의 전기적 단락을 일으킬 가능성도 있어 문제가 된다.
본 발명은 상술한 종래 파우치의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 파우치의 가장자리 실링부를 가열 가압하여 열융착시키는 과정에서 파우치를 형성하는 2이상의 복층막 중 내층을 형성하는 열접착층이 파우치 가장자리 외측으로 누출되는 문제를 줄일 수 있는 이차전지용 파우치 및 이를 사용한 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 이차전지 고용량화에 따른 파우치의 실링부 폭 감소에도 불구하고 실링의 신뢰성을 높일 수 있는 구조의 이차전지용 파우치 및 이를 사용한 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차전지용 파우치는 적어도 실링부의 한쪽 면에 홈이 형성되어 봉지 상태에서 이 홈의 적어도 일부에 용융된 열접착층이 채워지도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 홈은 점 형태 혹은 선 형태로 이루어질 수 있으며, 실링부를 포함하는 파우치 전체 면에 형성될 수 있다.
본 발명의 홈은 상면과 하면 접착된 상태에서 이들 면에 서로 엇갈리게 배치될 수도 있으나 서로 대응되어 하나의 홈에 열접착층의 수지가 채워질 때 채워진 수지가 일종의 접착 코어를 형성하도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차전지는, 두 개의 서로 다른 극성의 전극이 세퍼레이터로 분리된 상태로 적층되어 이루어지는 전극 조립체를 2 이상의 복층막으로 형성한 파우치에 내장하여 베어 셀을 형성하는 이차전지에 있어서, 파우치의 실링부에는 접착된 양 측 가운데 적어도 일 측에는 홈이 형성되고 홈의 적어도 일부는 열접착층으로 채워져 있는 것을 특징으로 한다.
열접착층으로 홈이 채워진 것을 다른 관점에서 파우치의 실링부에는 접착된 양 측 가운데 적어도 일 측에는 열접착층이 두껍게 형성되는 부분이 있다고 표현할 수도 있을 것이다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치를 형성하는 단계에서 전극 조립체가 수용될 파우치 하부면의 공간과 함께 플랜지형 실링부에 홈이 형성된 상태를 나타낸다. 전극 조립체가 수용될 공간인 수용홈(21)은 파우치를 형성하는 다층막의 일부를 프레싱(PRESSING) 등의 가공을 통해 형성한다. 이 공간의 측부에 가스방을 함께 형성하여 초기 에이징과 충방전에서 발생하는 가스를 제거하는 용도로 사용할 수 있다. 실링부(23)의 홈(17)은 전극 조립체 수용 공간과 별도로 형성하는 것도 가능하지만, 프레싱(PRESSING) 가공 등을 통해 이 수용홈(21)과 함께 형성하면 한 단계의 공정을 절약할 수 있으므로 비용과 시간 면에서 바람직하다.
세부적으로 상세하게는 도시되지 않았지만, 통상의 전극 조립체의 구성 및 형성 과정을 도1을 통해 개략적으로 살펴보면, 양극(31) 및 음극(35)의 극판은 그 리드(Grid)나 박막에 전극 활물질을 충전시키거나 코팅하여 형성한다. 이들 극판은 세퍼레이터(Seperator:33)에 의해 분리된 채 적층되고, 통상 적층된 상태에서 다시 와형으로 권취되어 '젤리롤' 구조를 형성한다. 세퍼레이터가 전해질을 겸하여 별도의 전해질 함침이 필요하지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지의 경우를 제외하면, 젤리롤은 전해액으로 처리되어 세퍼레이터에 전해질이 함침된다. 그리고, 젤리롤은 파우치의 수용홈(21)에 내장된다.
각 극판의 일측에는 외부와의 전기 접속을 위한 탭(37,38)이 설치되어 있으며, 이들 탭은 일정한 간격을 두고 나란하게 배치된다. 이 탭(37,38)들이 파우치의 융착부 즉 실링부(23)와 겹치는 부분에서 파우치와 탭들의 접착이 잘 이루어지도록 별도의 열접착성 테이프(39)가 설치될 수 있다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 파우치에서 홈이 형성된 단면 형태를 나타낸 단면도들로, 열접착층(15)에만 홈(17)이 형성된 실시예와 다층막 전체에 홈(17)이 형성된 실시예를 나타낸다.
본 실시예에서는 단순히 3개의 층으로 이루어진 파우치막을 나타내고 있으나, 세부적으로 많은 기능층들이 더 설치될 수 있다. 또한, 많은 다른 대체 재질층으로 형성될 수 있다. 가령, 본 실시예의 열접착층(15)을 이루는 CPP층은 다른 폴리올레핀계 수지인 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 물질층으로 대체될 수 있다.
파우치막의 전체 두께는 통상 40 내지 120 마이크로 미터이며, 나일론층(11), CPP(15)층은 10 내지 40 마이크로 미터, 알미늄층(13)은 20 내지 100 마이크로 미터의 두께를 가진다. 홈의 형성 깊이는 파우치막 전체층에 걸쳐 홈(17)을 형성하는 경우에는 파우치막의 통상적 두께에 해당하는 100 마이크로미터로 하는 것이 적당하며, CPP와 같은 열접착층(15)에만 형성하는 경우, 열접착층의 두께와 비슷한 10 내지 40 마이크로 미터로 하는 것이 제작의 용이성을 고려할 때 적합하다. 홈(17)의 단면 형태는 반원형 혹은 삼각형 등 홈을 형성하기 쉬운 모양으로 할 수 있으며, 입구 폭은 홈의 깊이와 같이 할 수 있다.
단, 홈(17)의 형성 간격과 열융착시의 온도 및 압력을 고려하여 각 조건별로 최적화된 홈 크기의 수치를 구할 수 있으며, 역으로 홈의 간격과 홈의 깊이를 고려하여 용융된 열접착층이 파우치 외측으로 빠져나오지 않도록 온도 및 압력을 조절할 필요가 있다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 주변 실링부(23)에 홈(17)이 형성된 뒤 실링되어 이루어진 베어셀 파우치(100)를 나타내는 사시도이다.
도시된 바에 따르면, 파우치 상부 면의 실링부(17) 즉, 실링이 이루어지는 플랜지부에 홈(17)이 형성되어 있다. 이 상부 면의 실링부와 접착되는 하부 면의 실링부에도 상부 면의 홈(17)에 대응하는 위치에 홈이 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 파우치에서 상부 면과 하부 면을 구분하게 되는 절곡부를 기준으로 대칭되게 파우치의 내면을 이룰 열접착층 쪽에서 홈 형성 작업을 하는 방법을 사용할 수 있다. 실링된 상태에서 홈의 대부분은 가열, 가압 과정에서 제자리에서 밀려난 열접착층으로 채워지고, 이 홈을 채운 열접착층은 냉각 경화되면서 단단한 접 착부를 형성하게 된다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 주변 실링부(23)에 엠보싱 형태로 다수의 점 형태의 홈(17')이 형성된 베어셀 파우치(100)를 나태내는 사시도이다.
점 형태로 홈(17')을 형성할 경우, 용융된 열접착층을 수용할 공간을 확보하기 위해 선형 홈에 비해 형성 피치(pitch)를 보다 조밀하게 형성할 필요가 있다.
도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 실링부(23)를 포함하여 이차전지 베어셀의 파우치 상부 전체에 걸쳐 사선형 홈(17)이 형성된 상태를 나타내는 사시도이다.
도5까지의 실시예들에서는 융착이 이루어지는 파우치 주변의 실링부(23)에만 홈(17,17')을 형성한 데 비해 도6에서는 전극 조립체가 수용되는 공간을 제외한 혹은 공간을 포함하는 파우치(100) 전체 면에 홈을 형성하고 있다. 이런 형태는 실링부에만 홈을 형성하기 위해 공정상 구역을 나눌 필요가 없다는 면에서 공정을 편하게 하는 것이다. 단, 이때에도 실제로 용융된 여분의 열접착층이 채워지는 것은 플랜지 부분에 한정된다.
도7은 도3b와 같은 홈이 형성된 파우치의 양면이 융착되었을 때 홈이 용융된 CPP(151)로 채워져 상하면의 맞닿은 홈의 CPP가 접착 코어(153)를 형성하고 있는 상태를 나타내는 부분 단면도이다.
도시된 바에 따르면 홈은 열융착 과정에서 압력을 받아 제 위치에서 밀려난 열접착층(151)을 수용하여 채워진다. 그리고, 파우치 하부의 홈과 상부의 홈을 채운 용융된 열접착층(151)은 일체화되어 냉각 경화됨으로 강한 접착 코어(153)를 형 성하게 된다. 결과적으로 열접착층(151)이 홈을 채우게 되어 열접착층 가운데 선형 혹은 점형태로 두꺼운 부분이 형성된다.
본 발명에 따르면, 파우치의 가장자리 실링부를 형성하는 과정에서 내층을 형성하는 열접착층이 녹으면서 압력을 받아도 홈을 이루는 공간에 저장되므로 용융된 열접착층이 파우치 가장자리 외측으로 누출되는 문제가 줄어들고, 동시에 접착력을 높이는 부분을 이루게 된다.
결국, 본 발명에 따르면, 이차전지 고용량화에 따른 파우치의 실링부 폭 감소에도 불구하고 실링의 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims (12)

  1. 재질이 다른 복수 층의 필름으로 이루어지고 주변의 적어도 일부 영역이 가열 및 가압에 의해 실링되는 이차전지용 파우치에 있어서,
    상기 일부 영역의 적어도 실링되는 한 쪽의 내면 열접착층에 홈이 형성됨을 특징으로 하는 이차전지용 파우치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 홈은 점 형태로 혹은 선 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 홈은 실링되는 양 쪽의 내면에 대응되도록 형성됨을 특징으로 하는 이차전지용 파우치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 홈은 파우치 전체면에 걸쳐 형성됨을 특징으로 하는 이차전지용 파우치.
  5. 두 개의 서로 다른 극성의 전극이 세퍼레이터로 분리된 상태로 적층되어 이 루어지는 전극 조립체를 2 이상의 복층막으로 형성한 파우치에 내장하여 베어 셀을 형성하는 이차전지에 있어서,
    상기 파우치의 실링부에는 접착된 양 측 가운데 적어도 일 측에는 홈이 형성되고 상기 홈의 적어도 일부는 열접착층으로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 두 개의 서로 다른 극성의 전극이 세퍼레이터로 분리된 상태로 적층되어 이루어지는 전극 조립체를 2 이상의 복층막으로 형성한 파우치에 내장하여 베어 셀을 형성하는 이차전지에 있어서,
    상기 파우치의 실링부에는 접착된 양 측 가운데 적어도 일 측에는 열접착층이 두껍게 형성되는 부분이 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열접착층이 두껍게 형성되는 부분은 적어도 하나의 점 형태로 또는 선 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 열접착층이 두껍게 형성되는 부분은 상기 복층막 전체 층에 걸쳐 홈이 형성되고, 상기 열접착층이 상기 홈을 채우는 형태를 가짐을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 파우치의 실링부에는 접착된 양 측 모두에 열접착층이 두껍게 형성되는 부분이 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열접착층이 두껍게 형성되는 부분은 상기 양 측에 서로 대응되는 위치에 존재하여 열접착층 코어를 형성함을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 열접착층이 두껍게 형성되는 부분은 다른 부분에 비해 열접착층이 20 내지 100 마이크로 미터 더 두껍게 형성됨을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 복층막은 파우치를 이룬 상태에서 내층인 열접착층은 CPP(Casted Polypropylene), 중간 베리어층은 알미늄층, 외부 보호막은 나일론층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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