KR100754423B1 - 고강도 전지케이스의 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성된 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 베리어층의 상기 금속박은 알루미늄 합금으로 이루어져 있고, 상기 외부 피복층이 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외부 피복층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있으며, 침상 관통력이 6.5 kgf 이상인 것으로 구성되어 있는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 전지는 외부로부터 물리적 충격을 받거나 또는 날카로운 물체 등에 의해 눌려지더라도 종래의 것에 비해 침입, 발화, 또는 폭발될 우려가 현저히 줄어들 수 있어서 더욱 향상된 안전성을 나타낸다.

Description

고강도 전지케이스의 이차전지 {SECONDARY BATTERY EMPLOYING BATTERY CASE OF HIGH STRENGTH}
도 1은 종래기술에 따른 파우치 형태의 리튬이온 폴리머 전지의 모식적 분해 사시도 및 부분 확대 단면도이다;
도 2는 조립된 상태에서의 도 1의 전지의 모식적 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 리튬이온 폴리머 전지의 분해 사시도 및 부분 확대 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
9a: 외부 피복층 9b: 베리어층
9c: 내부 실란트층 9d: PET 층
9: 전지케이스
본 발명은 고강도 전지케이스의 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 해당 전지가 외부로부터 물리적 충격을 받거나 또는 날카로운 물체에 의해 눌려지더라도 종래의 것에 비해 침입, 발화 또는 폭발될 우려를 현저히 줄일 수 있는 고강도 전지케이스를 사용하는 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로, "파우치 전지"로도 불리는 리튬이온 폴리머 전지(1)는 도 1과 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 소정 크기의 수납부(2a)가 형성된 케이스 본체(2); 케이스 본체(2)에 회전 가능하게 연결되는 커버(3); 양극판(4a), 음극판(4b) 및 분리막(4c)으로 이루어져 케이스 본체(2)의 수납부(2a)에 안착되는 전극조립체(4); 전극조립체(4)의 양극판(4a)과 음극판(4b)의 단부로부터 길이방향 외측으로 연장된 접속부(5); 및 해당 접속부와 연결되는 양극단자(6)와 음극단자(7)로 이루어져 있다.
케이스 본체(2)의 수납부(2a) 상부 모서리에는 수평면 상의 외측방향으로 열융착을 위한 소정 폭의 확장부(2b)가 형성되어 있으며, 해당 접속부(5)와 연결된 양극단자(6)와 음극단자(7)의 중앙 부위에는, 케이스 본체(2)의 확장부(2b)와 커버(3)의 테두리부(3a)가 열융착기(도시되지 않음)에 의해 열융착될 때 상기 열융착기와 전극단자(6, 7) 간에 쇼트가 발생되지 않게 함과 동시에, 각 단자(6, 7)와 밀봉 부분(2b,3a)간의 밀봉력도 높일 수 있도록 비전도성 물질의 단자 테이프(8)가 부착되어 있다.
따라서, 케이스 본체(2)의 수납부(2a)에 양극판(4a), 음극판(4b) 및 분리막(4c)으로 이루어지는 전극조립체(4)를 안착한 다음, 그러한 수납부(2a)에 소정량의 전해액을 주입하고, 커버(3)를 케이스 본체(2)에 밀착시킨 상태에서, 케이스 본체(2)의 확장부(2b)와 커버(3)의 테두리부(3a)를 전해액이 누출되지 않도록 열융착기(도시되지 않음)를 이용하여 밀봉함으로써 전지를 제조한다.
이때, 전극조립체(4)의 접속부(5)는 중앙 부분이 단자 테이프(8)가 부착된 해당 전극단자(6, 7)와 연결되어 있으며, 이러한 전극단자(6, 7)와 단자 테이프(8)의 일부는 케이스 본체(2)와 커버(3)의 외부로 돌출되어 있다.
한편, 케이스 본체(2)와 커버(3)는 연신 나일론 필름(ONy)으로 이루어진 외부 피복층(9a), Al로 이루어진 베리어층(9b), 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)로 이루어진 내부 실란트층(9c)으로 구성되어 있고, 내부 실란트층(9c)의 테두리에는 핫멜트층(도시되지 않음)이 코팅되어 있어서 케이스 본체(2)측 확장부(2b)와 커버(3)의 테두리부(3a)가 열융착기의 열과 압력에 의해 밀착 고정될 수 있게 된다.
그러나, ONy로 이루어진 외부 피복층, Al로 이루어진 베리어층, 및 CPP로 이루어진 내부 실란트층으로 구성된 종래 기술에 따른 케이스 본체와 커버는, 그것으로 구성된 전지가 물리적 충격을 받거나 또는 날카로운 물체에 의해 눌려질 때 케이스 본체와 커버가 쉽게 손상되어 침입, 발화, 또는 폭발되는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 전지가 외부로부터 물리적 충격을 받거나 또는 날카로운 물체 등에 의해 눌려지더라도 종래의 것에 비해 침입, 발화, 또는 폭발될 가능성을 현저히 줄일 수 있도록 하는 고강도 전지케이스를 사용하는 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성된 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 베리어층의 상기 금속박은 알루미늄 합금으로 이루어져 있고, 상기 외부 피복층이 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외부 피복층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있으며, 6.5 kgf 이상의 침상 관통력을 갖는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 종래기술에서 물질의 유입 내지 누출을 방지하는 작용을 주요 기능으로 하던 금속박의 베리어층이 상기 차단 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 가지도록 구성되어 있고 외부 피복층 또는 그것의 외면에 별도의 수지층을 더 포함함으로써 높은 강도를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 침상 관통력은 FTMS 101C 기준 측정방식으로 측정된 관통력을 의미하는 바, 종래의 라미네이트 시트형 전지케이스가 대략 5.0 kgf의 침상 관통력을 가짐에 비해 본 발명의 전지케이스는 적어도 6.5 kgf 이상, 바람직하게는 6.5 ~ 10.0 kgf, 더욱 바람직하게는 7.0 ~ 8.5 kgf의 침상 관통력을 가진다. 상기 범위의 침상 관통력은 전지의 사용시 다양한 침상부재에 의해 전지가 훼손될 수 있는 가능성에 대 응하여 전지의 안전성이 보장되는 범위라 할 수 있다.
강도의 증가에 기여하는 상기 베리어층은 20 ~ 150 ㎛의 두께를 가지며, 두께가 너무 얇으면 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
베리어층을 구성하는 상기 알루미늄 합금은 합금 성분에 따라 강도에 차이가 있으며, 다음의 것으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 합금번호 8079, 1N30, 8021, 3003, 3004, 3005, 3104, 3105 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 하기 표 1에는 상기 합금들의 성분 및 그것의 함량이 개시되어 있다. 하기 표 1에서 합금번호는 알루미늄 합금번호를 의미하며, 각각의 알루미늄 합금은 Al 이외에 표 1에 기재되어 있는 Si, Fe, Cu 등의 성분들을 포함하고 있다. 따라서, 알루미늄 합금을 구성하는 성분들의 전체 함량을 100%로 하였을 때, 알루미늄의 함량은 100%에서 각 성분들의 함량을 제외한 나머지 값을 의미한다.
Figure 112005058039330-pat00001
상기 알루미늄 합금들 중에서 8079, 1N30, 8021 및 3004이 베리어층의 금속박으로서 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 외부 피복층의 고분자 필름은 바람직하게는 5 ~ 40 ㎛의 두께를 가지며, 너무 얇은 경우에는 소정의 강도를 제공하지 못하고, 반대로 너무 두꺼우면 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다. 앞서의 설명에서와 같이, 본 발명에서 상기 외부 피복층의 고분자 필름은 선택적으로 PEN으로 구성될 수 있으며, PEN으로 구성되지 않는 경우에는 바람직하게는 연신 나일론 필름으로 구성될 수 있다.
외부 피복층의 외면에 PET 층이 선택적으로 부가되는 경우, 상기 PET 층은 바람직하게는 5 ~ 30 ㎛의 두께를 가지며, 너무 얇은 경우에는 부가에 따른 강도의 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
외부 피복층으로서의 PEN 필름의 사용과 외부 피복층 외면에 대한 PET 층의 부가가 선택적 사항이라 하더라도, 이들 중의 적어도 하나의 적용에 의해 상기 소정의 침상 관통력이 얻어질 수 있어야 한다. 또한, 이들의 동시 사용에 의해 더욱 강도가 얻어질 수도 있다.
상기 전극조립체는 젤리-롤형 또는 스택형 구조 등 특별히 한정되지 않다. 또한, 그것의 구성이 있어서도 본 발명에 따른 전지케이스에 내장될 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등이 모두 사용될 수 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 고강도 라미네이트 시트의 전지케이스를 사용한 이차전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지(1)은 도 1에서와 마찬가지로 수납부(2a)가 형성되어 있는 케이스 본체(2) 및 그것의 일측 단부에 회전가능하도록 일체로서 형성되어 있는 커버(3)로 이루어진 전지케이스에 전극조립체(4)가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.
케이스 본체(2)와 커버(3)는, 고분자 필름의 외부 피복층(9a), 금속박의 베리어층(9b), 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층(9c)으로 구성된 라미네이트 시트의 전지케이스(9)로서, 외부 피복층(9a)의 외면에는 인장강도, 충격강도 및 내구성이 우수한 PET층(9d)이 구비된 구조로 이루어져 있다.
외부 피복층(9a)의 고분자 필름은 연신 나일론 필름인 ONy15 또는 ONy25로 이루어져 있고, 여기서, ONy 일측의 수치는 두께(㎛)를 나타낸다. 외부 피복층(9a)은 인장강도, 충격강도 및 내구성이 우수한 PEN으로 이루어질 수도 있다.
베리어층(9b)의 금속박은 알루미늄 합금인 8079, 1N30, 8021 또는 3004로 이루어져 있다.
내부 실란트층(9c)은 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어져 있고 30 ~ 150 ㎛의 두께를 가진다.
본 발명의 전지에서 전지케이스를 이루는 라미네이트 시트는 다양한 방식으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 각각의 층들을 구성하는 필름, 금속박 등을 순차적으로 적층한 후 상호 접착하여 제조할 수 있으며, 그러한 접착 방법으로는 건식 라미네이션(Dry Lamination), 또는 압출 라미네이션(Extrusion Lamination) 방법들이 이용될 수 있다. 상기 건식 라미네이션 방법은 접착제를 일측 소재와 타측 소재 사이에 개재시켜 건조한 후 가열롤(Heating Roll)을 이용하여 그 두 소재를 상온보다 높은 온도와 압력에 의해 상호 접착시키는 방법이다. 또한, 상기 압출 라미네이션 방법은 접착제를 일측 소재와 타측 소재 사이에 개재시킨 후 프레싱롤(Pressing Roll)을 이용하여 그 두 소재를 상온에서 일정 압력에 의해 상호 접착시키는 방법이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예들에 따른 실험 내용을 설명하지만, 이는 참조를 위한 것으로 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 및 비교예]
하기 표 2에서와 같은 구성으로 라미네이트 시트를 제조하고, 이를 사용하여 도 3에서와 같은 구조의 파우치형 전지케이스를 건식 라미네이션 방법에 의해 제조하였다.
Figure 112007026236189-pat00007
Note: PET, ONy, PEN, Al 및 CPP 우측의 수치는 두께를 의미하며, 예를 들어, PET 12는 PET의 두께가 12 ㎛임을 의미함.
상기 각각의 전지케이스에 도 3에서와 같은 스택형 전극조립체를 장착하고 전해액을 함침시킨 뒤 케이스 본체와 커버를 열융착시켜 파우치형 전지셀을 제조하였다.
이렇게 제조된 전지들에 대해 FTMS 101C 조건으로 전지 관통 실험장치(UTM tester)를 사용하여 침상 관통력을 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 상기 장치에서의 침상 관통력은 침상구조의 부재를 전지셀 상부면에 가압하여 전지케이스가 관통될 때의 힘을 측정하여 나타내었다.
Figure 112005058039330-pat00003
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 종래의 전지(비교예 1)은 5.0 kgf의 힘에서 관통됨에 반하여, 본 발명에 따른 전지들(실시예 1 ~ 4)은 모두 6.5 kgf의 관통력을 가지는 것으로 확인되었다. 따라서, 본 발명에 따른 전지는 사용 중 고려될 수 있는 다양한 침상부재의 충격에 대해 쉽게 관통되지 않음으로써 전지의 안전성을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 더욱이, 외부 피복층 외면에 PET 층이 부가되어 있는 실시예 1 및 2의 전지는 특히 우수한 강도를 가지는 것으로 확인되었다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지는 알루미늄 합금의 베리어층과 PEN 외부 피복층 및/또는 부가된 PET 층에 의해 높은 강도를 가짐으로써, 전지가 외부로부터 물리적 충격을 받거나 또는 날카로운 물체 등에 의해 눌려지더라도 종래의 것에 비해 침입, 발화, 또는 폭발될 우려가 현저히 줄어들 수 있으므로, 더욱 향상된 안전성의 전지로서 제조될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (8)

  1. 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성된 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 베리어층의 상기 금속박은 알루미늄 합금으로 이루어져 있고, 상기 외부 피복층이 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있으며, 6.5 ~ 10.0 kgf의 침상 관통력을 가지는 것으로 구성되어 있는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 PEN층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 더 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 베리어층은 20 ~ 150 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 합금번호 8079, 1N30, 8021, 3003, 3004, 3005, 3104 및 3105로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 합금번호 8079, 1N30, 8021 및 3004로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 피복층은 5 ~ 40 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 삭제
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 PET 층은 5 ~ 30 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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