KR100624967B1 - 파우치형 리튬 이차 전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

파우치형 리튬 이차 전지 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 국부적으로 접합 강도가 다르도록 파우치 외장재를 실링하여, 이차 전지의 충전 시에 발생하는 가스의 배출을 할 수 있는 파우치형 이차 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간부를 구비하는 하면과, 상기 공간부를 구비하는 하면을 커버하기 위한 상면으로 이루어지며, 상기 공간부 가장자리의 하면과 상면이 접합되는 열융착부의 하면과 상면은 요철이 형성되어 있는 파우치 외장재를 포함하는 파우치형 이차 전지를 제공하는 것을 특징으로 한다.
이차 전지, 파우치, 요철

Description

파우치형 리튬 이차 전지 및 그의 제조 방법{Pouch type lithium secondary battery and the method of fabricating the same}
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
10; 전극 조립체 11; 양극 전극판
12; 음극 전극판 13; 세퍼레이터
14; 양극 탭 15; 음극 탭
20; 파우치 외장재 20a; 심부
20b; 열융착층 20c; 절연막
21; 하면 21a; 공간부
21b; 플랜지 22; 상면
23; 접철부 23a; 노치부
24; 열융착부
본 발명은 이차 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 국부적으로 접합 강도가 다르도록 파우치 외장재를 실링하여, 이차 전지의 충전시에 발생하는 가스의 배출을 할 수 있는 파우치형 이차 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 이차 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파우치형 이차 전지의 실링방법을 개선한 파우치형 이차 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충ㆍ방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판과, 음극 활물질 이 코팅된 음극 전극판과, 상기 양극 전극판 및 음극 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체를 구비하는 구조로 이루어져 있다. 이때, 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로 상기 이차 전지 중 상기 파우치형 이차 전지는 파우치 외장재가 통상 금속 포일층과 이를 덮는 합성 수지층의 다층막으로 구성되는데 이를 사용할 경우에는 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형 이차 전지보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어, 이차 전지의 경량화는 파우치형 이차 전지 방향으로 발전하여 왔다.
그러나, 이러한 파우치형 이차 전지는 충전을 반복하여 사용하는 중에 가스가 발생하여 상기 파우치 외장재가 팽창하는 스웰링(swelling) 현상이 발생하여 상기 전극 조립체의 변형을 유발한다. 이러한 상기 전극 조립체의 변형이 심한 경우에는 상기 전극 조립체의 음극 전극판과 양극 전극판 사이에 쇼트(short)가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 국부적으로 접합 강도가 다르도록 파우치 외장재를 실링하여, 이차 전지의 충전시에 발생하는 가스의 배출을 할 수 있는 파우치형 이차 전지 및 그의 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간부를 구비하는 하면과, 상기 공간부를 구비하는 하면을 커버하기 위한 상면으로 이루어지며, 상기 공간부 가장자리의 하면과 상면이 접합되는 열융착부의 하면과 상면은 요철이 형성되어 있는 파우치 외장재를 포함하는 파우치형 이차 전지를 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 파우치 외장재의 요철은 상기 파우치 외장재의 외부 방향으로 향하는 것이 바람직하다.
상기 파우치 외장재 요철의 철부의 두께는 상기 요철의 요부의 두께보다 두꺼운 것이 바람직하다.
상기 요철의 요부와 철부의 접합 강도가 서로 다르며, 바람직하게는 상기 요철의 철부는 요부보다 접합 강도가 상대적으로 작은 것이 바람직하며, 상기 요철의 철부의 접합 강도는 100㎏f 내지 150㎏f인 것이 바람직하며, 상기 요철의 요부의 접합 강도는 150㎏f 이상인 것이 바람직하다.
상기 요철은 상기 공간부 가장자리의 열융착부 중 적어도 일측면에 형성되는 것이 바람직하며, 상기 요철은 상기 전극 조립체 측면 방향의 열융착부 모두에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 전극 조립체를 수용하기 위한 공간부 및 상기 공간부 가장자리에 형성된 플랜지를 구비하는 하면과 상기 하면을 커버하기 위한 상면을 구비하는 파우치 외장재를 준비하는 단계와; 상기 공간부에 전극 조립체를 수용하는 단계와; 상기 하면의 플랜지와 상면을 밀착시키는 단계와; 상기 플랜지와 상면의 접촉부를 열을 가하고 요철을 구비하는 프레스를 이용하여 가압하여 접합시키는 단계를 포함하는 파우치형 이차 전지의 제조 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예를 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 파우치형 이차 전지는 전극 조립체(10)와 파우치 외장재(20)를 구비하는 구조로 이루어진다. 상기 파우치 외장재(20)는 열융착부(24)에 외부 방향으로 향하는 요철을 구비하며, 상기 요철의 철부와 요부의 접합 강도가 다르며, 상기 철부의 접합 강도가 요부의 접합 강도에 비하여 상대적으로 낮다. 상기한 바와 같은 파우치형 이차 전지는 충전 시에 전극 조립체(10)에서 발생하는 가스로 인한 상기 파우치 외장재(20)의 내부 압력이 일정치 이상이 되는 경우 상기 철부를 통하여 외부로 배출되어 상기 파우치 외장재(20)의 팽창에 따른 전극 조립체(10)의 변형을 방지하게 된다.
도 1a를 참조하면, 이차 전지의 전극 조립체(10)를 준비한다.
상기 전극 조립체(10)는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판(11), 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판(12), 상기 양극 전극판(11) 및 음극 전극판(12) 사이에 위치하여 상기 양극 전극판(11)과 음극 전극판(12)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(13)로 이루어진다.
이때, 상기 양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있다. 음극 활물질는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있다. 또한, 일반적으로 상기 양극 전극판은 알루미늄(Al) 재질, 음극 전극판은 구리(Cu) 재질을 사용하며, 상기 세퍼레이터는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 양극 전극판(11)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 상부로 일정 길이 돌출된 양극 탭(14)이 접합되어 있다. 상기 음극 전극판(12)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(15)이 접합되어 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 전극 조립체(10)를 준비하고, 상기 전극 조립체(10)는 수용하기 위한 파우치 외장재(20)를 준비한다.
상기 파우치 외장재(20)는 그 재질이 알루미늄(Al)과 같은 금속재로 이루어진 심부(20a)와, 상기 심부의 상부면 상에 형성된 열융착층(20b)과, 상기 심부(20a)의 하부면 상에 형성된 절연막(20c)으로 이루어진다. 상기 열융착층(20b)은 폴리머 수지인 변성 폴리프로필렌, 예컨대 CPP(Casted Polypropylene)를 사용하여 접착층으로 작용하며, 상기 절연막(20c)은 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 수지재가 형성되어 있을 수 있으나, 여기서 상기 파우치 외장재(20)의 구조 및 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 파우치 외장재(20)는 상기 전극 조립체(10)를 수용하기 위한 소정의 내부 공간이 마련된 공간부(21a) 및 상기 공간부(21a) 가장자리의 플랜지(21b)를 구비하는 하면(21)과, 상기 공간부(21a) 및 플랜지(21b)를 구비하는 하면(21)을 커버하기 위한 상면(22)으로 이루어져 있다.
상기 파우치 외장재(20)의 하면(21)과 상면(22)의 경계는 상기 하면(21)을 커버하기 위하여 상면(22)을 접을 때 기준선이 되는 접철부(23)이며, 상기 파우치 외장재(20)의 상면(22)을 보다 용이하게 접을 수 있도록 상기 파우치 외장재(20)의 하면(21)과 상면(22) 경계의 접철부(23)에 미리 노치부(23a)를 형성할 수도 있다.
한편, 상기 전극 조립체(10) 및 파우치 외장재(20)를 준비하는 순서는 반드시 이에 한정되지는 않으며, 상기 파우치 외장재(20)를 준비한 후, 상기 전극 조립체(10)를 준비할 수도 있다.
상기 파우치 외장재(20)를 준비한 후, 상기 파우치 외장재(20) 하면(21)의 전극 조립체(10)를 수용하기 위한 공간부(21a)에 상기 전극 조립체(10)를 수용시킨다. 이때, 상기 전극 조립체(10)는 상기 파우치 외장재(20) 하면(21)의 공간부(25)에 안착되며, 이렇게 안착되어진 상태에서 전극 조립체(10)의 전극 탭(14, 15)의 일부는 상기 파우치 외장재(20)의 외부로 돌출된다.
도 1b를 참조하면, 상기 전극 조립체(10)를 상기 파우치 외장재(20)의 공간 부(21a)에 수용한 후, 상기 파우치 외장재(20)의 상기 접철부(23)를 기준으로 하여, 상면(22)을 접어 상기 하면(21)의 플랜지(21a)와 맞닿도록 한다. 이때, 상기 하면(21)의 플랜지(21a)와 상면(22)이 맞닿은 부분은 상기 파우치 외장재(20)의 밀봉시 열융착부(24)로 작용한다.
그런 다음, 상기 전극 조립체(10)를 수용한 상기 파우치 외장재(20)를 밀봉한다.
상기 파우치 외장재(20)의 밀봉은 상기 파우치 외장재(20)의 열융착층(20b)을 내측으로 하여, 상기 하면(21)의 플랜지(21a)와 상기 상면(22)이 밀착된 상태에서 상기 열융착부(24)에 열을 가하게 되면, 상기 열융착층(20b)이 용융이 되고, 상기 열융착부(24)에 압력을 가하여 접합하여 상기 파우치 외장재(20)를 밀봉하는 것이다.
이때, 상기 열융착부(24)에 압력을 가할 때, 상기 파우치 외장재(20)의 외부 방향으로 향하는 요철(凹凸)을 구비하는 프레스를 이용하여 상기 파우치 외장재(20)를 밀봉한다. 상기 요철(凹凸)을 구비하는 프레스를 이용하여 상기 파우치 외장재(20)를 밀봉하면, 상기 열융착부(24)에 상기 파우치 외장재(20)의 외부 방향으로 향하는 요철(凹凸)이 형성되며, 요철(凹凸)의 부위에 따라 접합 강도가 다르게 된다. 즉, 상기 프레스의 요철(凹凸)의 요부(凹部)는 철부(凸部)에 비하여 상대적으로 상기 파우치 외장재(20)에 가하는 압력이 작게 된다. 따라서, 상기한 바와 같이 요철(凹凸)을 구비하는 프레스를 이용하여 접합한 상기 열융착부(24)는 요철(凹凸)이 형성되고, 열융착부(24) 요철(凹凸)의 철부(凸部)는 요부(凹部)에 비하여 접 합 강도가 작게 된다. 이때, 상기 열융착부(24) 요철(凹凸)의 철부(凸部)의 접합 강도는 100㎏f 내지 150㎏f인 것이 바람직하며, 상기 열융착부(24) 요철(凹凸)의 요부(凹部)의 접합 강도는 150㎏f 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 열융착 시에 상기 열융착부(24)에 요철(凹凸)을 구비하는 프레스를 이용하여 압력을 가하여 접합시키므로, 상기 프레스의 요부(凹部)는 철부(凸部)에 비하여 상기 파우치 외장재(20)에 가하는 압력이 작으므로, 상기 프레스의 요부(凹部)와 철부(凸部)에 의하여 압력이 가해지는 위치에 따라 두께가 달라지게 된다. 즉, 상기 파우치 외장재(20)의 열융착 이후 열융착부(24) 요철(凹凸) 중 철부(凸部)의 두께를 t1, 요부(凹部)의 두께를 t2라 하면, t1 > t2의 관계가 성립하며, 상기 철부(凸部)의 두께 t1은 파우치 외장재(20)의 초기 두께와 동일 또는 약간 작게 된다.
이후에는 일반적인 파우치형 이차 전지의 제조 공정을 수행하여 파우치형 이차 전지를 제조한다.
상기한 바와 같은 공정을 통하여 형성된 파우치형 이차 전지는 파우치 외장재의 열융착부에 요철이 형성되며, 상기 열융착부 요철의 철부(凸部)의 접합 강도가 요부(凹部)의 접합 강도에 비하여 상대적으로 작게 되므로, 상기 파우치형 이차 전지는 충전이 진행됨에 따라 가스가 발생하여 상기 가스의 압력이 일정 이상이 되는 경우에 상기 열융착부의 요철 중 접합 강도가 낮은 철부가 오픈되어 외부로 배출하게 된다.
따라서, 충전이 진행됨에 따라 발생하는 가스에 의한 파우치 외장재의 변형 을 방지할 수 있으며, 상기 파우치 외장재의 변형에 따른 상기 전극 조립체의 변형을 방지하여, 상기 양극 전극판 및 음극 전극판 간의 쇼트를 방지할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 국부적으로 접합 강도가 다르도록 파우치 외장재를 실링하여, 이차 전지의 충전시에 발생하는 가스의 배출을 할 수 있는 파우치형 이차 전지 및 그의 제조 방법을 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와;
    상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간부를 구비하는 하면과, 상기 공간부를 구비하는 하면을 커버하기 위한 상면으로 이루어지며, 상기 공간부 가장자리의 하면과 상면이 접합되는 열융착부의 하면과 상면은 요철이 형성되어 있는 파우치 외장재를 포함하며,
    상기 파우치 외장재 요철의 철부의 두께는 상기 요철의 요부의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 파우치 외장재의 요철은 상기 파우치 외장재의 외부 방향으로 향하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 요철의 요부와 철부의 접합 강도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 요철의 철부는 요부보다 접합 강도가 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 요철의 철부의 접합 강도는 100㎏f 내지 150㎏f인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 요철은 상기 공간부 가장자리의 열융착부 중 적어도 일측면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 요철은 상기 전극 조립체 측면 방향의 열융착부 모두에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  10. 전극 조립체를 수용하기 위한 공간부 및 상기 공간부 가장자리에 형성된 플랜지를 구비하는 하면과 상기 하면을 커버하기 위한 상면을 구비하는 파우치 외장재를 준비하는 단계와;
    상기 공간부에 전극 조립체를 수용하는 단계와;
    상기 하면의 플랜지와 상면을 밀착시키는 단계와;
    상기 플랜지와 상면의 접촉부를 열을 가하고 요철을 구비하는 프레스를 이용하여 가압하여 접합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지의 제조 방법.
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