KR100847545B1 - 라미네이트형 이차전지 및 그 전지팩 - Google Patents

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Abstract

전극단자(42)가 변형규제부재(3)를 거쳐 전극의 집전부(12)에 접합된다. 집전부(12)의 상하방향으로는 라미네이트 필름들(2, 2) 사이에 공간(15, 15)이 형성된다. 변형규제부재(3)가 시일부(23)를 포함하는 외장체의 내벽둘레부에 근접하여 배치되어 변형규제부(22)가 형성되고, 라미네이트 필름(2)의 안쪽방향으로의 변형이 규제된다. 변형규제부재(3)의 앞쪽 끝으로부터 전지요소(1)에 이르는 영역에서는 라미네이트 필름(2)이 공간(15)에 대향하고, 내압의 변화에 따라 라미네이트 필름(2)의 변형이 가능하다. 내압감소시, 라미네이트 필름(2)의 수축을 변형허용부(21)에 국소적으로 존재시킬 수 있고, 시일부(23)의 끝부(24)에 가해지는 굽힘응력을 경감할 수 있다. 라미네이트 필름을 점착하여 전지요소를 밀폐수납할 때, 내압변화에 따라 팽창과 수축을 반복하여도 라미네이트 필름의 점착부분에의 응력집중이 억제되는 라미네이트형 이차전지 및 그 전지팩을 제공할 수 있다.

Description

라미네이트형 이차전지 및 그 전지팩{Laminate Type Secondary Battery And A Battery Pack Thereof}
본 발명은 차량에 탑재되는 이차전지에 관한 것으로서, 특히 전지요소를 수납하는 라미네이트 필름의 내구성이 우수한 이차전지에 관한 것이다.
특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시되어 있는 전지팩은, 휴대전화기 및 모바일 컴퓨터 등의 휴대정보기기용 전지전원이다. 전지팩은 리튬이온 등의 발전요소가 알루미늄 라미네이트 필름(라미네이트 시트)으로 형성된 외장체 내에 수용되어 이차전지를 구성하고, 그 이차전지가 합성수지제의 외장 케이스(팩 케이스)에 수납되는 구성으로 이루어져 있다. 이러한 구성은, 이차전지의 내압상승에 의한 외장체의 팽창에 수반하여, 외장 케이스(팩 케이스)의 외측에의 팽창 또는 외형수치의 변화를 억제하는 것을 목적으로 하고 있다.
특허문헌 1에는, 합성수지제의 편평한 외장 케이스의 두께방향의 단면에 개구가 설치되고, 그 단면 각각이 개구를 덮도록 금속판이 붙여져, 전지 본체의 팽창이 개구 내의 공간에서 허용되도록 구성되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 내부에 이차전지를 수용하고 있는 팩 케이스 내에 이차전지와 케이스 사이에 공간을 설치한 공간형성부위가 형성되어 있다. 이로 인 해, 케이스 내벽과 이차전지 사이에 공간이 형성되기 때문에, 가스발생에 의해 외장체가 팽창하는 경우, 라미네이트 시트로 형성된 외장체의 팽창을 공간형성부위의 공간에서 허용하여 팩 케이스의 외형수치의 변화를 억제한다.
또한, 특허문헌 3에 개시되어 있는 이차전지는, 휴대용 전자기기와 퍼스널 컴퓨터용의 전지로서 사용되는 리튬이온 이차전지에 관한 것이다. 전지요소가 가소성의 합성수지 필름으로 피복되어 있는 경우의 전지요소의 파괴를 방지하는 것을 목적으로 하고 있다.
특허문헌 3에 기재되어 있는 이차전지는, 전지요소의 바깥둘레에 합성의 지지재가 접합되고, 그 외면을 가소성 합성수지 필름으로 피복되어 밀봉되어 있다. 이로 인해, 합성수지 필름의 피복공정중 또는 사용중에 전지요소에의 하중 인가를 방지하여 전지요소의 손상 또는 단락의 문제 발생을 방지한다.
한편, 상술한 선행기술문헌은 다음과 같다.
특허문헌 1 : 일본 특개2001-196035호 미심사공보 ([0002]-[0008] 단락)
특허문헌 2 : 일본 특개2001-57190호 미심사공보 ([0002]-[0008] 단락)
특허문헌 3 : 일본 특개2000-195475호 미심사공보 ([0002]-[0008] 단락, [0041] 단락)
상기 특허문헌 1 및 2는, 전지요소가 라미네이트 필름 등의 외장체에 수납된 2차전지를 다시 팩 케이스에 수납하여 사용하는 전지팩에 관한 것이다. 이러한 전지팩은, 이차전지의 내압상승에 수반하는 외장체의 팽창에 의해, 팩 케이스가 팽창 또는 변형되는 일이 없도록 팩 케이스에 개구를 설치하거나 팩 케이스 내에 공간형 성부위를 설치하여 외장체의 팽창을 흡수하는 것이다.
그러나, 전지요소를 수납하는 라미네이트 필름 외장체는 열 용착 등으로 필름을 서로 접합함으로써 전지요소를 밀봉수납한다. 내압에 따라 필름 외장체는 팽창, 수축을 반복하지만, 팽창, 수축시 변형의 지지점은 필름의 접합부이다. 따라서, 접합부(bonded part)에는 항상 굽힘응력(bending stress)이 집중된다. 또한 필름의 접합부 중 예를 들어, 전극단자의 돌출부분과, 다른 접합부와 비교하여 접합부의 강도를 약하게 하여 과내전압시의 안전밸브로서의 역할을 가지게 하는 방폭기구부 등, 구조적인 단차 등의 불연속성을 가지는 개소에는, 특히 응력집중이 생기기 쉬운 경우가 있다.
상기 특허문헌 1 및 2에서는, 필름 외장체가, 개구 또는 공간형성부위애서는 자유롭게 팽창,수축을 행할 수 있다. 하지만, 팩 케이스 내에서 개구 또는 공간형성부위의 배치위치에 관해서는 어디에도 개시되어 있지 않다. 이들의 개구 또는 공간형성부위가 필름 외장체의 접합부에 국소적으로 존재하는 경우, 접합부에 팽창, 수축에 의한 응력이 반복하여 가해지게 된다. 또한, 개구 혹은 공간형성부위가 전극단자와 방폭기구부 등의 불연속성을 가지는 접합부에 있는 경우에는, 팽창, 수축에 수반하는 응력집중은 더욱 커지게 된다. 접합부분에 있어서, 라미네이트 필름이 피로파괴를 일으킬 우려가 있는 문제이다.
또한, 상기 특허문헌 3은, 합성수지 필름의 내부에서, 지지재가 전지요소의 바깥면에 당접하여 구비됨으로써, 전지요소의 손상을 방지하는 것이다. 그러나, 합성수지 필름의 팽창, 수축에 의한 필름의 접합부분에의 응력집중의 완화에 관해 서는 어디에도 기재되어 있지 않고, 지지재가 응력을 완화하는 작용을 나타내는 구성이라고는 볼 수 없다. 반복하여 가해지는 응력에 의해 필름이 피로파괴를 일으킬 우려가 있는 문제이다.
본 발명은 상기 배경기술의 과제 중 적어도 하나를 해소하기 위하여 이루어진 것으로, 라미네이트 필름을 점착(bonding)하여 외장체로서 전지요소를 밀폐수납하여 이루어지는 라미네이트형 이차전지에 있어서, 내압변화에 따라 팽창과 수축을 반복하는 경우에도, 라미네이트 필름의 점착부분에의 응력집중이 억제되는 라미네이트형 이차전지, 및 그 전지팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 라미네이트형 이차전지는, 적어도 일부가 서로 점착되어 이루어지는 점착부를 갖는 끝부를 포함하는 라미네이트 필름으로 형성된 외장체와, 외장체에 밀폐수납되어 이루어지는 전지요소를 구비하는 라미네이트형 이차전지에 있어서, 상기 점착부를 포함하는 상기 외장체의 내벽에 근접하여 배치되어, 상기 외장체의 팽창, 수축으로 인한 상기 라미네이트 필름의 변형을 규제하는 변형규제부와, 점착부로부터 이격되어 배치되고, 외장체의 팽창, 수축에 수반하는 라미네이트 필름의 변형을 허용하는 변형허용부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라미네이트형 이차전지는, 라미네이트 필름이 그 끝부 중 적어도 일부에 점착부를 구비하는 봉지형상(bag shape)으로 형성되고, 외장체로서 전지요소를 밀폐수납하고 있다. 변형규제부재는 점착부를 포함하여 외장체의 내벽에 근접된다. 이 변형규제부는 외장체의 팽창, 수축으로 인한 라미네이트 필름의 변형을 규제한다. 라미네이트 필름의 변형은, 점착부로부터 이격된 변형허용부에서 허용된다.
라미네이트 필름의 점착부는, 접착과 열용착 또는 다른 기술로 인해 형성된다. 따라서, 점착부와 비점착부와의 경계에서의 구조적인 불연속성과 함께, 점착부내에서의 점착위치와 점착강도와 같은 점착상태에 불연속성을 가지는 것이 일반적이다. 변형허용부에 의해 라미네이트 필름의 변형이 점착부로부터 이격된 부위에 국소적으로 존재하여 허용되지만, 변형규제부에 의해 점착부에서의 라미네이트 필름의 변형이 규제된다. 따라서, 점착부 및 그 주변 등의 구조적인 불연속성을 가지는 부위에서의 필름의 변형이 억제된다. 점착부 등의 구조적인 불연속부분에서의 굽힘 응력 집중을 완화할 수 있다. 또는, 이에 따라 굽힘응력에 기인하는 라미네이트 필름의 크랙 등의 피로파괴를 방지할 수 있고, 누액 등의 발생을 방지할 수 있다.
이때, 라미네이트 필름의 점착부는, 전극단자와 라미네이트 필름이 점착되어 이루어지는 전극점착부를 포함하는 것이 바람직하다. 전극단자가 외부로 돌출되는 부위에서는 전극단자와 라미네이트 필름이 점착된다. 전극점착부에서는 전극단자의 두께에 대응하여 단차가 존재하기 때문에 구조적인 불연속을 생기게 한다. 전극점착부를 포함하여 라미네이트 필름의 변형을 규제할 수 있고, 전극점착부에서의 굽힘응력의 집중을 억제할 수 있다.
이러한 경우, 전지요소의 각 전극을 전극단자에 접속하기 위한 집전부(current collector part)를 더 구비할 수 있다. 변형규제부는 전극점착부로부터 연장되며 상기 집전부 중 적어도 일부를 포함하는 영역에 형성되고, 변형허용부는 전지요소로부터 연장되며 상기 집전부 중 적어도 일부를 포함하는 영역에 형성되는 것이 바람직하다.
집전부에서는, 전지요소로부터 연장하는 전극이, 전극단자 방향으로 각 전극이 모아지기 때문에, 전극단자 방향으로 확장되는 공간이 외장체 내부에 형성될 수 있다. 전지요소로부터 연장되며, 집전부 중 적어도 일부를 포함하는 영역에 변형허용부를 형성하고, 집전부 중 적어도 일부와 전극점착부를 포함한 영역을 변형규제부로 형성한다. 따라서,집전부 주위 공간에 생기는 공간을 이용하여 라미네이트 필름의 변형을 허용하면서, 전극점착부의 변형을 규제할 수 있다.
더욱이, 변형규제부를 상기 전극점착부로부터 상기 집전부를 경유하여 상기 전지요소에 이르는 영역으로 구성할 수 있다. 또한, 변형규제부재에 개구부, 절결부, 또는 오목부 중 적어도 어느 하나를 구비하여 변형허용부로 하는 것도 가능하다.
여기서, 변형규제부재는, 수지부재와 같은 전기절연성 부재에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 이로 인해, 외장체 내부에서의 전극 사이의 전도를 방지할 수 있다. 예를 들면, 집전부 내의 전극을 변형규제부재로 덮는 구성에서는, 라미네이트 필름의 내층금속 필름을 통한 전극 사이의 전도를 방지할 수 있다.
상기 라미네이트형 이차전지를 적층하여 전지팩을 구성하는 경우, 인접하는 전지간에 스페이서를 구비하여, 전지 사이에 완충공간을 형성할 수도 있다. 따라서, 변형허용부에서의 라미네이트 필름의 변형으로 인한 인접전지 간섭을 방지할 수 있게 된다.
도 1은, 일 실시형태의 라미네이트형 이차전지의 구조를 나타내는 분해사시도이고,
도 2는, 상기 실시형태의 라미네이트형 이차전지의 구조를 나타내는 투시사시도이고,
도 3은, 도 2의 A-A 선을 따르는 배터리의 단면도이고,
도 4A는, 본 실시형태에 있어서 내압변화에 대한 라미네이트 필름의 변형을 설명하기 위한 도이고,
도 4B는 비교예로서 내업변화에 대한 라미네이트 필름의 변형을 설명하기 위한 도이고,
도 5는, 변형허용부의 제 1 변형예를 나타내는 도이고,
도 6A 내지 6C는, 도 5에서 사용된 변형규제부재의 구체예를 나타내는 도이고,
도 7은 변형허용부의 제 2 변형예를 나타내는 도이고,
도 8은 실시형태의 이차전지를 전지팩으로서 구성하는 경우의 모식도이다.
이하, 본 발명의 라미네이트형 이차전지 및 그 전지팩에 관하여 구체화한 실시형태를 도 1 내지 도 8에 기초하여 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 실시형태의 라미네이트형 이차전지에서 는, 전지요소(1)가 라미네이트 필름(2)으로 형성된 외장체에 밀폐 수납된다. 상기 전기요소(1)는 금속제의 필름형상 박재(foil)의 표면에 정극 활물질(positive active material)이 형성된 정극판과, 금속제의 필름형상 박재의 표면에 부극 활물질(negative active material)이 형성된 부극판을 포함하며, 이들을 교대로, 그들 사이에 수지제의 다공질막으로 형성된 세퍼레이터를 끼워넣어 적층한다.
전지요소(1)는, 직사각형상으로 형성된 단위요소를 다층으로 적층하여 구성되거나 혹은 긴 형상으로 형성된 단위요소를 다층으로 감은 것을 직사각형상으로 성형하여 적층되어 있다. 직사각형상으로 적층된 전지요소(1)는, 그 중앙부에 활물질 형성부(active-material formation part; 13)와, 양 끝부의 띠 형상영역에, 각각 정/부극 활물질이 형성되지 않은 금속성 필름의 노출부를 가지고 있어, 정극 및 부극을 형성한다. 정/부극 전극은, 다층으로 적층된 전지의 단위요소의 각각 끝부에 형성되는 바, 라미네이트형 이차전지로서 전지요소(1)로부터 정/부극 전극을 뽑아내도록, 평판 형상의 정극 단자(41) 또는 부극 단자(42)에 접속되어 하나로 묶여 있다. 이렇게 묶인 영역이 집전부(11, 12)이다. 상기 전지 요소(1)는 집전부(11, 12)에, 극성에 따라, 전극에 묶여 정극 단자(41)와 부극단자(42)에 접속된다. 상기 전지요소(1)는 라미네이트 필름(2, 2)에 의해 구성되는 외장체에 밀폐 수납된다.
라미네이트 필름(2, 2)은, 바깥 표면이 나일론으로 구성되고 안쪽 표면이 폴리프로필렌으로 구성되며, 그 중간에 알루미늄필름을 갖추도록 구성된다. 각각의 필름(2)은 둘레에 밀봉용 시일부(23)를 구비하고, 전지요소(1) 두께의 대략 반 정 도의 깊이를 가지고 전지요소(1)의 상하의 직사각형 면을 덮는 평판 형상으로 성형되어 있다. 상기 필름(2, 2)은 전지요소(1)의 위에서 아래로 장착되고, 시일부(23)를 접착 또는 열용착함으로써 라미네이트 필름(2, 2)이 서로 점착되어 전지요소(1)가 밀봉수납된다.
전지요소(1)는 밀봉수납하기에 앞서, 정/부극단자(41, 42) 및 집전부(11, 12)는 변형규제부재(3, 3)에 의해 보호된다. 각각의 변형규제부재(3)는 전지요소(1)의 폭, 두께에 맞추어 형성된다. 상기 변형규제부재(3)는, 외부 볼록부가 형성되어 있고, 정/부극단자(41, 42)가 돌출할 수 있는 슬릿형상의 개구와, 안쪽 방향으로 전극단자와 집전부(11, 12)의 접합부분 및 집전부(11, 12)를 수납하는 오목부를 구비한다.
외장체에 있어, 라미네이트 필름(2, 2)이 점착되는 시일부(23)를 포함하는 외장체의 내벽둘레부 근처에는, 정/부극단자(41, 42)가 없는 엣지 부근(1U, 1D)에 있어서는 전지요소(1)의 적층단부가, 또한 정/부극단자(41, 42)가 외측으로 돌출되는 엣지 부근(1R, 1L)에 있어서는 변형규제부재(3, 3)의 외부 끝면이 배치되어 있다. 이로 인해, 시일부(23)를 포함하는 외장체의 둘레부에서는 라미네이트 필름(2, 2)의 안쪽 방향에의 변형이 규제된다.
도 3은, 도 2의 A-A 선을 따르는 이차전지의 단면도이다. 전극단자(42)가, 슬릿형상의 개구를 거쳐 변형규제부재(3)의 안쪽으로 삽입되어 있고, 적층된 전지요소(1)의 엣지로부터 연장되는 개개의 전극이 집전부(12)를 거쳐 접합된다. 전극단자(42)에는 라미네이트 필름(2, 2)의 시일부(23)가 점착되어 있다.
전극단자(42)는 전지요소(1)의 실질적으로 두께방향의 중앙부에 위치한다. 따라서, 개개의 전극은 각 층으로부터 중앙부로 모여 전극단자(42)에 접합된다. 이 때문에, 집전부(12)의 상하방향에는, 라미네이트 필름들(2, 2)과의 사이에 공간(15, 15)이 형성된다. 변형규제부재(3)가 시일부(23)를 포함하는 외장체의 내벽 둘레부에 근접하여 존재함으로써, 라미네이트 필름(2)이 공간(15)으로부터 격리되어, 라미네이트 필름(2)의 안쪽 방향으로의 변형을 규제하는 변형규제부(22)가 형성된다.
변형규제부(22)의 폭은, 변형규제부재(3)의 깊이에 맞추어 형성된다. 도 3에서는 시일부(23)부터 전지요소(1)의 끝부에 이르는 공간(15)의 중간부까지의 영역에 변형규제부재(3)가 배치되어 있고, 따라서 변형규제부(22)가 형성된다. 변형규제부재(3)의 내측 끝부터 전지요소(1)에 이르는 영역에서는, 라미네이트 필름(2)이 공간(15)에 대향하고 있고, 내압의 변화에 맞추어 변형이 가능하다. 이 영역에 있어서 변형허용부(21)가 형성되어 있다.
도 4A는, 실시형태에 있어서 변형허용부(21)와 변형규제부(22)의 작용, 효과를, 도 4B에 나타내는 비교예와 대비하여 나타낸다.
도 4A에 나타내는 실시형태에서는, 집전부(12)의 상하방향에 공간(15)이 형성되어 있다. 상기 변형규제부(22)는 시일부(23)부터 공간(15)의 중간영역까지에 배치되고, 변형허용부(21)는 상기 공간(15)의 중간부터 전지요소(1)에 이르기까지의 영역에 형성된다. 내압이 감소하면, 변형허용부(21)에 배치되어 있는 라미네이트 필름(2)에는 내압이 직접 인가된다. 따라서, 내압의 감소는 변형허용부(21)내의 라미네이트 필름(2)의 내부를 향한 수축을 유발한다.(도 4A에서 "2A"로 도시). 이와 비교하여, 시일부(23)로부터 연속적으로 이어지는 변형규제부(22) 내에 배치되어 있는 라미네이트 필름(2)은 변형규제부재(3)에 의해 수축되는 것이 방지된다. 이 때문에, 내압감소시, 라미네이트 필름(2)의 수축을 변형허용부(21)에 국소적으로 존재시킬 수 있다. 시일부(23)의 끝부(24)에 있어서 라미네이트 필름(2)의 변형 가능성은, 내압상승에 따른 필름의 팽창(도 4A의 2B)으로 한정된다. 이에 따라, 시일부(23)의 끝부(24)에 가해지는 굽힘응력을 경감하는 것이 가능하다.
여기서, 내압감소시 시일부(23)의 끝부에 있어서 라미네이트 필름(2)의 수축을 충분히 규제하기 위해서는, 변형규제부재(3)과 라미네이트 필름(2)의 간극을 소정범위 내로 줄이는 것이 효율적이다. 이 간극은, 예를 들면, 0mm 내지 3mm 정도면 라미네이트 필름(2)의 수축을 규제할 수 있다. 게다가 0.01mm 내지 1mm 정도면 효율적으로 라미네이트 필름(2)의 수축을 규제할 수 있다.
이와 비교하여, 도 4B의 비교예는 변형규제부(30)가 공간(15)의 전체를 덮는 경우가 있다. 내압상승시의 라미네이트 필름(2)의 변형은, 도 4A의 실시형태의 경우와 유사하다. 라미네이트 필름(2)이 팽창할 것이다(도 4B에서 "2B"로 도시). 이에 대해 내압감소시, 비교예에서는 라미네이트 필름(2)의 변형허용부가 없기 때문에, 변형규제부(30)와 시일부(23)의 사이에 존재하는 약간의 공간에 라미네이트 필름(2)이 수축하게 된다(도 4B "2A"로 도시). 라미네이트 필름(2)의 팽창과 수축에 의해 시일부(23)의 끝부(24)에서는 굽힘응력이 가해지게 되어 필름에 크랙 등 이 발생한다.
본 실시형태에서는, 내압감소시에 라미네이트 필름(2)의 변형을 국소화할 수 있다. 내압의 상승과 감소가 반복되는 경우에도 끝부(24)에 가해지는 굽힘응력이 비교예에 비해 저감될 수 있고, 따라서 라미네이트 필름(2)의 크랙 등의 피로파괴를 방지할 수 있다. 결과적으로 크랙에 의한 누액이 발생하는 일이 없다.
도 5 내지 도 7에서는, 허용변형부의 변형례를 나타낸다. 도 5에서는 시일부(23)로부터 이격한 위치에 개구부(31x, 31x)를 구비함으로써, 변형허용부(21B)를 공하는 변형규제부재(3x)를 구비한 경우이다. 이로 인해 시일부(23)부터 전지요소(1)에 이르는 공간(15)을 완전히 덮는 깊이를 가지는 변형규제부재(3x)를 구성할 수 있다. 내압감소시 개구부(31x)에 라미네이트필름(2)의 수축영역을 국소화한다. 따라서, 시일부(23)에서의 라미네이트 필름(2)의 굽힘응력을 경감할 수 있다. 또한, 라미네이트 필름(2)이 변형규제부재(3x)에 의해 지지되기 때문에, 낙하 등의 충격을 포함하는 외력에 대하여 라미네이트 필름(2)의 파손을 방지할 수 있다.
도 6A 내지 6C에서는 변형규제부재(3x)의 구체예를 나타낸다. 도 6A 및 6B에서는 각 변형규제부재(3A)가 개구부(31A)를 포함한다. 개구부(31A)의 형상은, 도 6A의 경우는 원형이고, 도 6B의 경우는 사각형이다. 개구부(31A)는, 그 형상과 상관없이 변형허용부로 기능하게 할 수 있다.
도 6C에서는, 변형규제부재(3B)에 개구부 대신 절결부(31B)를 구비하는 구성이다. 도 6C에서는 사각형의 절결부(31B)를 구비하는 경우를 나타내고 있으나, 그 형상과 상관없이 변형허용부로 기능하게 할 수 있다.
도 7에서는, 라미네이트 필름(2)으로 밀폐수납된 전지요소를 전지케이스(6)에 수납하는 구성예이다. 이 구성에서는, 변형규제부(30)가 집전부(12)의 상하방향으로 존재하고, 시일부(23)부터 전지요소에 이르는 공간(15)을 덮도록 구성되어 있다. 공간(15)을 이용한 변형허용부는 형성하지 않는 대신, 전지요소의 사각형 면 위에 전지케이스(6)에 개구된 개구부(61, 61)에 의해 변형허용부(21C, 21C)가 형성된다. 따라서, 개구부(61)에 의해 라미네이트 필름(2)은 바깥방향으로의 변형이 허용된다. 내압상승시의 라미네이트 필름(2)의 팽창변형을 변형허용부(21C)로 국소화시킬 수 있다. 이로 인해, 내압상승시의 시일부에서의 라미네이트 필름(2)의 변형이 억제되고, 굽힘응력을 경감할 수 있다.
도 8은, 상기의 라미네이트형 이차전지를 전지팩으로서 구성하는 경우의 전지배치를 모식적으로 나타낸 도이다. 인접하는 전지 사이에는 스페이서(7)가 제공되어, 전지 개개의 변형허용부에 있어서 라미네이트 필름(2)이 변형할 때에, 인접하는 전지 사이에서 변형이 간섭하는 일이 없도록 완충공간(71)을 설치하고 있다. 이것은, 개개의 전지요소가, 내압상승시에 라미네이트 필름(2)이 변형허용부에서만 국소적으로 팽창하는 것이 허용되는 경우에 효율적인 구성이다. 한편, 도 7에 있어서 개구부(61)에 대응하도록 스페이서(7)에 개구부와 오목부를 제공하는 것도 가능하다.
라미네이트형 이차전지는, 종래보다 가정용기기분야에 있어서 사용되어 오고 있지만, 최근 가정용기기분야를 넘어 용도가 넓어지고 있다. 실용화로의 개발이 급한 하이브리드 차와 전기자동차 등의 차량탑재 배터리로서의 용도 등이다. 자 동차분야에서는, 가정용기기분야와 비교해서 사용온도범위가 넓고 엄격한 사용환경에서의 신뢰성이 요구된다. 넓은 온도범위에 따라 내압이 크게 변화하는 것을 생각할 수 있고, 라미네이트 필름의 팽창, 수축의 변화폭이 중요한 것임을 생각할 수 있다. 이러한 관점에서, 차량 배터리로서 본 실시형태의 라미네이트형 이차전지를 사용하게 되면, 넓은 온도범위에 따라 내압이 크게 변화하는 경우에도 라미네이트 필름의 팽창, 수축에 의한 변화를 변형허용부에 국소화시킬 수 있기 때문에, 시일부 등에서의 라미네이트 필름의 굽힘 응력의 집중을 피할 수 있다. 라미네이트 필름의 크랙 등의 피로파괴를 회피할 수 있고, 크랙 등에 수반하는 누액을 방지할 수 있다. 사용온도범위가 넓고 엄격한 사용환경에서의 신뢰성이 요구되는 자동차분야에서의 사용에 적합한 라미네이트형 이차전지를 제공할 수 있다.
변형규제부재(3, 3x, 3A, 3B, 30)는 내전해액성을 구비함과 동시에 전기적인 절연특성을 가지는 재질인 것이 바람직하다. 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate)와 디에틸렌 카보네이트(diethylene carbonate) 혹은 이들의 혼합용액을 용매로 하는 전해액에 대해서도, 예를들면 팽윤(swelling) 등의 재질변화가 없는 내전해액성을 구비할 필요가 있다. 변형규제부재(3, 3x, 3A, 3B, 30)는, 전극과 라미네이트 필름의 사이에 구비된다. 따라서, 가령 라미네이트 필름(2)의 안쪽 표면의 필름이 벗겨지고, 중간층인 라미네이트 필름 등의 금속 필름이 노출되는 경우에도, 금속 필름을 거쳐 전극 간 전도가 없도록 하는 배려가 필요하다. 변형규제부재를 전기적인 절연재료로 구성하는 것이 효율적이다.
상기의 특성을 가지는 재료로서는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리 페닐렌 설파이드(PPS), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 다른 수지재료를 포함할 수도 있다.
앞서 상세히 설명한 대로, 본 실시형태에 관한 라미네이트 이차전지, 및 그 전지팩에 의하면, 라미네이트 필름(2)이, 그 끝부에, 점착부 혹은 전극점착부의 일례인 시일부(23)를 구비하고 있다. 시일부(23)끼리, 혹은 시일부(23)와 정/부극단자(41, 42)가 점착되고, 라미네이트 필름(2)이 봉지형상으로 형성되어 외장체로서 전지요소(1)를 밀폐수납하고 있다. 변형규제부재(3)가 시일부(23)를 포함하는 외장체의 내벽에 근접 위치되어, 외장체의 팽창, 수축에 수반한 라미네이트 필름(2)의 변형을 규제하는 변형규제부(22)를 형성한다. 라미네이트 필름(2)의 변형은 시일부(23)로부터 이격한 변형허용부(21)에서 허용된다.
이로 인해, 라미네이트 필름(2)의 시일부(23)에 의한 점착부위와 시일부(23)외의 비점착부위와의 경계에서 구조적인 불연속부분이 존재하고, 더욱이 시일부(23) 내에서도 점착부위와 점착강도와 같은 점착상태에 불연속부분이 존재한다. 따라서, 변형허용부(21)가 국소 존재하고, 의해 라미네이트 필름(2)의 변형을 시일부(23)로부터 이격한 부위에서 허용한다. 변형규제부(22)는 시일부(23)에서의 라미네이트 필름(2)의 변형을 규제한다. 따라서, 시일부(23) 및 그 주변과 같은 구조적인 불연속부분에서의 라미네이트 필름(2)의 변형이 억제되어, 불연속부분에 가해지는 굽힘응력의 집중을 완화할 수 있다. 굽힘응력에 기인하는 라미네이트 필름(2)의 크랙 등의 피로파괴를 방지할 수 있고, 누액 등의 발생을 방지할 수 있다.
변형규제부재(3)는, 라미네이트 필름(2)의 정/부극단자(41, 42)가 외부로 돌 출되는 부위에 구비된다. 따라서, 정/부극단자(41, 42)의 두께에 의한 단차가 존재하는 구조적인 불연속 부분을 포함하여 라미네이트 필름(2)의 변형을 규제할 수 있다.
또한, 변형규제부(22)가 시일부(23)로부터 연장하며 집전부(12)의 적어도 일부를 포함하는 영역에 형성되고, 변형허용부(21)가 전지요소(1)로부터 연장하며 집전부(12)의 적어도 일부를 포함하는 영역에 형성된다. 라미네이트 필름(2)의 변형은 집전부(12)의 상하방향으로 존재하는 공간(15)을 이용하여 허용되며, 시일부(23)의 변형을 규제할 수 있다. 변형규제부재(3A)는 개구부(31A)를 구비하거나, 또는 변형규제부재(3B)에 절결부(31B)를 구비함으로써, 변형허용부(21B)를 형성하는 것도 가능하다. 라미네이트 필름(2)은 안쪽 방향으로의 변형이 허용된다. 따라서, 내압감소시의 라미네이트 필름(2)의 수축변형을 변형허용부(21, 21B)로 국소화시킬 수 있다.
또한, 라미네이트 필름(2)에 밀폐수납된 전지요소(1)를 전지케이스(6)에 수납하는 경우에 있어서, 전지케이스(6)에 개구부(61)가 구비되어 있으면, 변형허용부(21C)를 형성할 수 있다. 이에 의해, 라미네이트 필름(2)은 바깥방향으로의 변형이 허용되고 내압상승시의 라미네이트 필름(2)의 팽창변형을 변형허용부(21C)에 국소화시킬 수 있다.
상기의 라미네이트형 이차전지를 적층하여 전지팩을 구성하는 경우, 인접하는 전지 사이에 완충공간(71)을 구비하게 되면, 변형허용부에서의 라미네이트 필름(2)의 변형이 인접전지 사이에서 간섭하는 일은 없다.
본 발명은 본 발명의 취지를 면탈하지 않는 범위 내에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다.
예를 들어, 본 실시형태에 있어서는, 변형규제부재(3, 3x, 3A, 3B, 30)를 시일부(23) 내에 전극단자(42)가 외부로 돌출하는 부분에 제공하는 경우에 관하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아님은 물론, 내압의 상승, 감소에 수반하는 라미네이트 필름(2)의 팽창, 수축에 의한 굽힘응력이 집중하는 부위에 제공되어 효율적이다.
또한, 변형규제부재(3A, 3B)에, 개구부(31A), 절결부(31B)를 구비하여, 변형허용부를 형성하는 경우에 관하여 설명하였으나, 변형허용부를 형성하는 때에는 반드시 개구된 영역이 필요한 것은 아니고, 변형규제부재에 오목부를 구비하는 것으로도 형성할 수 있다.
또한, 변형규제부재(3, 3x, 3A, 3B, 30) 및/또는 개구부(61)를 적절히 조합하여 복수의 변형허용부(21, 21B, 21C)에 의해 라미네이트 필름(2)의 변형부분을 국소화하는 것도 가능하다.
본 발명에 의하면, 라미네이트 필름을 외장체로서 전지요소를 밀폐수납하여 이루어지는 라미네이트형 이차전지에 있어서, 라미네이트 필름을 밀폐수납할 때의 필름의 점착부를 포함하여 내압변화에 따른 팽창, 수축에 의한 라미네이트 필름의 변형을 억제함으로써, 라미네이트 필름의 점착부에의 응력집중을 완화할 수 있는 라미네이트형 이차전지 및 그 전지팩을 제공하는 것이 가능하다.

Claims (11)

  1. 적어도 일부가 서로 점착되어 점착부를 형성하는 끝부를 가지는 라미네이트 필름으로 형성된 외장체와, 상기 외장체에 밀폐수납되는 전지요소를 구비하는 라미네이트형 이차전지에 있어서,
    상기 점착부를 포함하는 상기 외장체의 내벽에 근접하여 배치되어, 상기 외장체의 팽창, 수축에 의한 상기 라미네이트 필름의 변형을 규제하는 변형규제부와,
    상기 점착부로부터 이격하여 배치되되, 상기 외장체의 팽창, 수축에 의한 상기 라미네이트 필름의 변형을 허용하는 변형허용부를 구비하는 것을 특징으로 하는 라미네이트형 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 점착부는, 상기 라미네이트 필름이 전극단자에 점착되는 전극 점착부를 포함하는 것을 특징으로 하는 라미네이트형 이차전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전지요소의 각 전극을 상기 전극단자에 접속시키는 집전부를 더 구비하고,
    상기 변형규제부는, 상기 전극점착부로부터 연장되고 상기 집전부의 적어도 일부를 포함하는 영역에 제공되는 것을 특징으로 하는 라미네이트형 이차전지.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 전지요소의 각 전극을 상기 전극단자에 접속하는 집전부를 더 구비하고,
    상기 변형허용부는, 상기 전지요소로부터 연장되고 상기 집전부의 적어도 일부를 포함하는 영역에 제공되는 것을 특징으로 하는 라미네이트형 이차전지.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 변형규제부는, 상기 전극 점착부로부터 상기 집전부를 거쳐 상기 전지요소에 이르는 영역에 제공되고,
    상기 변형규제부재에는 개구부, 절결부, 또는 오목부 중 적어도 하나가 제공되어 상기 변형허용부를 형성하는 것을 특징으로 하는 라미네이트형 이차전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 변형규제부재는, 전기절연성 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 라미네이트형 이차전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 변형규제부재는, 수지부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 라미네이트형 이차전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 변형규제부재와 상기 외장체의 내벽 사이의 거리는, 0 mm 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 라미네이트형 이차전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 변형규제부재와 상기 외장체의 내벽 사이의 거리는, 0.01 mm 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 라미네이트형 이차전지.
  10. 제 1항에 따른 라미네이트형 이차전지를 적층한 전지팩에 있어서,
    인접하는 전지 사이에 제공되어, 상기 변형허용부에서의 상기 라미네이트 필름의 변형으로 인한 인접하는 전지 사이에서의 간섭을 방지하는 완충공간을 그 사이에 형성하는 스페이서가 제공되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 4항에 있어서,
    상기 변형규제부는, 상기 전극 점착부로부터 상기 집전부를 거쳐 상기 전지요소에 이르는 영역에 제공되고,
    상기 변형규제부재에는 개구부, 절결부, 또는 오목부 중 적어도 하나가 제공되어 상기 변형허용부를 형성하는 것을 특징으로 하는 라미네이트형 이차전지.
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