KR100670512B1 - 전지 외장재 및 이를 이용한 파우치형 이차 전지 - Google Patents

전지 외장재 및 이를 이용한 파우치형 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지 외장재 및 이를 이용한 파우치형 이차 전지에 관한 것으로서, 본 발명은 금속박층과, 상기 금속박층의 제1 표면에 형성되어 있는 고분자 외층과, 상기 금속박층의 제2 표면에 형성되어 있는 열접착층을 포함하며, 상기 열접착층은 폴리에틸렌 또는 폴리에틸렌계 공중합체로 이루어지는 전지 외장재를 제공한다.

Description

전지 외장재 및 이를 이용한 파우치형 이차 전지{Battery case and Pouch type secondary battery using it}
도 1은 종래의 파우치형 이차 전지를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 외장재의 적층 구성을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 전지 외장재를 이용한 파우치형 이차 전지를 나타낸 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
212a: 고분자 외층
212: 금속박층
212c: 열접착층
310: 전극조립체 312: 제1 전극
313: 세퍼레이터 314: 제2 전극
315: 제1 전극탭 316: 제2 전극탭
317: 보호 테이프 320: 전지외장재
322: 케이스 커버 324: 케이스 본체
324a: 밀봉부 325: 공간부
본 발명은 전지 외장재 및 이를 이용한 파우치형 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 전지 외장재보다 보다 낮은 온도에서 실링이 가능한 전지 외장재 및 이를 이용한 파우치형 이차 전지에 관한 것이다.
최근 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화가 급속하게 진전됨에 따라서 이들의 구동 전원으로서 사용되는 전지의 소형화 및 고용량화에 대한 필요성이 증대되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로서, 휴대용 전자 기기의 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속하게 신장되고 있는 추세이다.
리튬 이차 전지는 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입(intercalation)/탈리(deintercalation)될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기 에너지를 생성한다. 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 가역적인 삽입/탈리 가능한 물질을 양극과 음극의 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조한다.
이차 전지는 다양한 형태로 제조가 가능한데, 전극조립체를 수용하고 있는 케이스의 외관에 따라서 원통형 알루미늄 캔을 사용하는 원통형 전지, 각형의 알루미늄 캔을 사용하는 각형 전지 및 박판의 파우치 케이스에 수납되는 파우치형 전지 로 구분할 수 있다.
이 중 파우치형 이차 전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 전극조립체(10)와 상기 전극조립체(10)를 감싸서 밀봉하는 파우치 케이스(20)를 구비하여 이루어진다. 상기 전극조립체(10)는 제1 전극(12)과 제2 전극(14)과 그 사이에 세퍼레이터(13)를 개재하여 적층 또는 젤리롤(jelly-roll)형으로 권취되어 형성된다. 상기 전극조립체(10)의 각 전극판의 일측으로부터 연장된 제1 전극탭(15)과 제2 전극탭(16)은 그 표면에 보호 테이프(17)가 접착되어 파우치 케이스(20)의 외부로 일부 돌출되게 설치된다.
상기 파우치 케이스(20)는 케이스 커버(22)와, 전극조립체(10)가 수용될 수 있는 공간부(25)가 형성된 케이스 본체(22)를 포함한다. 상기 케이스 커버(22) 및 케이스 본체(24)는 적어도 일변이 일체로 접하여 있다. 상기 케이스 본체(24)에는 상기 전극조립체가 수용되는 공간부(25)가 형성되어 있으며, 상기 케이스 커버(22)가 일체로 접하여 있는 일 변을 제외하고 상기 공간부(25)의 3변을 따라서 밀봉부(24a)가 형성되어 있다.
상기 전극조립체(10)가 상기 케이스 본체(22)의 공간부(25)에 수용된 다음에 케이스 본체(24)와 케이스 커버(22)를 밀착시킨 상태에서 상기 밀봉부(24a)를 열융착하여 케이스 본체(20)를 밀폐시킨다.
이러한 파우치 케이스 형태의 전지 외장재는 금속재와 수지재가 혼합된 박판 형태로 이루어지는데, 알루미늄과 같은 금속박층의 내측면으로 폴리머 수지인 무연신 폴리프로필렌(Casted Polypropylene: CPP)이 열접착층을 이루고, 외측면으로는 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)가 형성되어 있다. 상기 파우치 형태의 전지 외장재를 사용하는 경우 캔에 비해 두께를 대폭 줄일 수 있어, 같은 체적 내에 더욱 많은 전극조립체를 수용할 수 있게 된다.
전지의 안정성을 향상시키기 위해서 상기 금속층의 두께를 증가시키거나, 서스(Steel Use Stainless: SUS) 등의 강도가 강화된 다른 금속을 사용할 경우 열전달율이 떨어지게 된다. 따라서 기존의 열접착층을 이루는 무연신 폴리프로필렌을 실링하기 위해서 실링온도를 높이거나 실링 시간을 길게 하여야할 필요가 있으며, 이것은 결국 제조 공정의 속도를 저하시킨다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 열전달율이 떨어지는 금속의 사용이나 금속층의 두께 증가에도 상관없이 낮은 온도에서 실링할 수 있고 전지의 생산속도를 증가시킬 수 있는 전지 외장재 및 이를 이용한 파우치형 이차 전지를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 금속박층과, 상기 금속박층의 제1 표면에 형성되어 있는 고분자 외층과, 상기 금속박층의 제2 표면에 형성되어 있는 열접착층을 포함하며, 상기 열접착층은 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 메타크릴산-에틸렌 공중합체, 아크릴산 에틸-에틸렌 공중합체, 아크릴산 메틸-에틸렌 공중합체 및 메타크릴산 메틸-에틸렌 공중합체 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전지 외장재를 제공한다.
본 발명은 또한 제1 전극, 제2 전극 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 및 전극조립체가 수납될 수 있는 공간부가 형성되어 있는 케이스 본체와, 상기 케이스 본체와 적어도 일변이 접하여 있는 케이스 커버를 구비하는 파우치형 전지 외장재를 포함하는 파우치형 이차 전지에 있어서, 상기 전지 외장재가 금속박층과, 상기 금속박층의 제1 표면에 형성되어 있는 고분자 외층과, 상기 금속박층의 제2 표면에 형성되어 있는 열접착층을 포함하며, 상기 열접착층은 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 메타크릴산-에틸렌 공중합체, 아크릴산 에틸-에틸렌 공중합체, 아크릴산 메틸-에틸렌 공중합체 및 메타크릴산 메틸-에틸렌 공중합체 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지를 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 외장재의 적층 구성을 나타내는 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 전지 외장재는 고분자 외층(122a)과, 금속박층(122b)과, 열접착층(122c)이 적층되어 이루어진다.
상기 금속박층(122b)은 대략 평평한 제1 표면과 제2 표면을 가지며, 적정 두께를 유지하고 외부로부터 내부로 수증기, 가스가 침투하는 것을 방지하며, 전해액의 누수를 방지하며, 상기 전지 외장재의 강도를 유지하는 역할을 한다. 상기 금속박층(121)으로는 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금, 알루미늄(Al) 또는 그 등가물중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 그러나, 상기 금속박층(122b)을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아진다. 더불어, 상기 금속박층(121)을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 철 84∼88.2%, 탄소 0.5% 이하, 크롬 11 ∼15% 및 망간 0.3∼0.5%로 이루어진 합금이나, 철 63.7∼75.9%, 탄소 0.1∼0.3%, 크롬 12∼18% 및 니켈 7∼12%의 합금을 이용함이 좋다.
상기 금속박층(122b)의 두께는 대략 20∼100㎛로 형성되어 있다. 상기 금속박층(122b)의 두께가 20㎛ 이하일 경우에는 제조 공정 중 드로잉이나 폴딩(folding) 공정 시 쉽게 파단 또는 손상될 수 있고, 또한 100㎛ 이상일 경우에는 드로잉이나 폴딩이 어려워 바람직하지 않다.
상기 고분자 외층(122a)은 상기 금속박층(122b)의 제1 표면에 소정 두께로 코팅(coating) 또는 라미네이팅(laminating)되어 있다. 상기 고분자 외층(122a)은 외부로부터 내부층들을 보호하는 역할을 하며, 전지의 외주면에 균열이 발생하는 것을 방지하여 전체적인 성형을 용이하게 한다. 상기 고분자 외층(122a)으로는 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 나프탈레이트 등이 사용될 수 있는데, 이러한 고분자 수지를 상기 금속박층(122b)의 제1 표면에 액상 코팅하거나, 고분자 수지를 미리 필름 형태로 만들어 각종 라미네이팅 방법에 의해 적층시킬 수 있다. 또한, 상기 고분자 외층(122a)을 다층화하거나, 상기 고분자 외층(122a) 표면에 불소계 수지, 아크릴계 수지층 등을 구비하여 상기 고분자 외층(122a)의 표면을 보호하거나 성형 가공성을 향상시킬 수 있다. 상기 고분자 외층(122a)의 두께는 10 내지 30㎛이다. 상기 고분자 외층(122a)의 두께가 10㎛ 미만인 경우에는 가공이 힘들고, 30㎛을 초과하는 경우에는 전지 외장재의 두께가 두꺼워져 바람직하지 않다.
상기 열접착층(122c)은 상기 금속박층(122b)의 제2 표면에 10 내지 40㎛의 두께로 코팅 또는 라미네이팅 되어 있다. 상기 열접착층(122c)은 폴리에틸렌 또는 폴리에틸렌 공중합체로 이루어진다. 상기 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이 사용될 수 있다. 상기 폴리에틸렌 공중합체로는 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 아크릴산-에틸렌 공중합체(EAA), 메타크릴산-에틸렌 공중합체(EMAA), 아크릴산 에틸-에틸렌 공중합체(EEA), 아크릴산 메틸-에틸렌 공중합체(EMA), 메타크릴산 메틸-에틸렌 공중합체(EMMA) 등이 사용될 수 있다. 상기 폴리에틸렌 또는 폴리에틸렌 공중합체는 무연신 폴리프로필렌 보다 융점이 낮아 보다 낮은 온도에서도 열융착이 가능하게 되어, 상기 금속박층(122b)에 열전단율이 떨어지는 금속을 사용하거나 그 두께를 증가시키더라도 낮은 온도에서 실링할 수 있고 전지의 생산속도를 증가시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 전지 외장재를 이용한 파우치형 이차 전지를 나타낸 사시도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 전지 외장재(320)는 전극조립체(310)가 수납될 수 있는 공간부(325)가 형성되어 있는 케이스 본체(324)와, 상기 케이스 본체(324)와 적어도 일변이 접하여 있는 케이스 커버(322)를 포함하여 이루어진다. 상기 케이스 커버(322)가 일체로 연결되어 있는 일 측변을 제외한 상기 케이스 본체(324)의 3변 가장자리를 따라서 상기 케이스(322)와의 접합을 위한 밀봉부(324a)가 형성되어 있다.
상기 전지 외장재(320)는 고분자 외층(322a)/금속박층(322b)/열접착층(322c) 이 적층되어 이루어진다. 상기 케이스 본체(324)와 상기 케이스 커버(322)를 밀착시킨 상태에서 상기 밀봉부(324a)를 열융착시키면, 상기 밀봉부(324a)의 열접착층들이 서로 접착되어 전지 외장재가 밀봉된다. 상기 층 구조에 대해서는 이미 위에서 상세히 설명하였으므로 여기서는 생략하기로 한다.
상기 전극조립체(310)는 제1 전극(312)과 제2 전극(314)과 그 사이에 세퍼레이터(313)를 개재하여 권취된 젤리롤(jelly-roll) 형태로 구비되거나, 이들이 적층된 적층형 전극조립체로 구비될 수 있다.
상기 제1 전극(312) 및 제2 전극(314)은 서로 극성을 달리하며, 양극 또는 음극으로 사용될 수 있다. 상기 제1 전극(312) 및 제2 전극(314)은 집전체와 상기 집전체의 적어도 일면에 도포되는 전극 활물질, 즉 양극 활물질 또는 음극 활물질을 포함한다.
상기 제1 전극(312) 또는 제2 전극(314)이 양극으로 사용되는 경우, 전극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다. 상기 제1 전극(312) 또는 제2 전극(314)이 음극으로 사용되는 경우, 전극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 구리 또는 구리 합금이 바람직하다.
상기 양극 활물질로는 통상적으로 리튬함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코 게나이드 화합물을 모두 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi1-x-yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 세퍼레이터(313)는 상기 제1 전극(312) 및 제2 전극(314) 사이의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하는 것으로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포와 같은 공지된 것을 사용할 수 있다.
상기 전극조립체(310)의 제1 전극(312) 및 제2 전극(314)에는 각각 제1 전극탭(315) 및 제2 전극탭(316)이 레이저용접, 초음파용접, 저항용접과 같은 용접이나 도전성 접착제에 의하여 통전가능하도록 부착되어 있다. 이들 전극탭(315, 316)은 전극조립체(310)가 권취되는 방향과 수직한 방향으로 전극조립체(310)로부터 돌출되도록 형성되어 있다.
상기 밀봉부(324a) 중 상기 케이스 본체(324)와 케이스 커버(322)가 연결되어 있는 변과 반대편에 위치한 밀봉부를 통해서 상기 전극조립체(310)의 제1 전극탭(315)과 제2 전극탭(316)이 인출된다. 상기 전극탭(315, 316)에는 절연성 소재로 만들어진 보호 테이프(317)가 부착되어 전극간의 단락을 방지한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 열전달율이 떨어지는 금속의 사용이나 금속층 의 두께 증가에도 상관없이 낮은 온도에서 실링할 수 있고 전지의 생산속도를 증가시킬 수 있는 전지 외장재 및 이를 이용한 파우치형 이차 전지를 제공할 수 있다.
본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 금속박층과,
    상기 금속박층의 제1 표면에 형성되어 있는 고분자 외층과,
    상기 금속박층의 제2 표면에 형성되어 있는 열접착층을 포함하며,
    상기 열접착층은 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 메타크릴산-에틸렌 공중합체, 아크릴산 에틸-에틸렌 공중합체, 아크릴산 메틸-에틸렌 공중합체 및 메타크릴산 메틸-에틸렌 공중합체 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전지 외장재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 열접착층의 두께가 10 내지 40㎛인 것을 특징으로 하는 전지 외장재.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속박층은 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금, 또는 알루미늄(Al)중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지 외장재.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 금속박층은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 전지 외장재.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 외장재는 전극조립체가 수납될 수 있는 공간부가 형성되어 있는 케이스 본체와, 상기 케이스 본체와 적어도 일변이 접하여 있는 케이스 커버를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지 외장재.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 케이스 커버와 접하여 있지 않은 상기 케이스 본체의 3변을 따라서 상기 케이스 커버와 상기 케이스 본체의 열접착층이 상호 열융착되어 접합되는 것을 특징으로 하는 전지 외장재.
  9. 제1 전극, 제2 전극 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 및
    상기 전극조립체가 수납될 수 있는 공간부가 형성되어 있는 케이스 본체와, 상기 케이스 본체와 적어도 일변이 접하여 있는 케이스 커버를 구비하는 파우치형 전지 외장재를 포함하는 파우치형 이차 전지에 있어서
    상기 전지 외장재는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 전지 외장재인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
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