KR100857034B1 - 난연성 접착부재를 포함하고 있는 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전지본체와 상기 전지본체가 장착되는 전지팩의 상호 접착에 사용되는 양면 접착 테이프나, 전지본체나 전지팩에 포장부재를 부착하는데 사용되는 접착제 등 전지본체 외부에 사용되는 접착부재에 난연성을 부여한 전지를 제공하는 바, 본 발명에 따르면, 전지의 작동요소들에 악영향을 주지 않고, 별도의 여분 공간을 필요로 하지 않으며, 또한 전지의 제조공정을 변형하거나 또는 일부 공정을 새로 추가하지 않고도, 난연성이 향상된 전지를 제조할 수 있다.

Description

난연성 접착부재를 포함하고 있는 전지 {Battery Having Frame Retardant Adhesive Member}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다;
도 2는 도 1의 부분 조립도이다;
도 3은 도 1의 분해 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 사용되는 난연성 양면 접착 테이프의 단면 모식도이다.
도면의 주요 부호에 대한 설명
100: 이차전지 200: 전지본체
300: 팩본체 400: 팩덮개
500: PCM 600: 절연부재
700: 양면 접착 테이프 710: 기재 필름
720, 722: 접착제층 730, 732: 이형지
본 발명은 난연성 접착부재를 포함하고 있는 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지본체와 전지팩의 접착에 사용되는 양면 접착 테이프나, 전지본체 또는 전지팩에 포장부재를 부착하는데 사용되는 접착제 등 전지본체의 외부에 사용되는 접착부재에 난연성을 부여하여 전지의 발화를 예방 또는 억제할 수 있는 전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지를 포함한 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 전지 중 충방전이 가능한 이차전지, 특히 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차전지에 있어서 가장 큰 문제점 중의 하나는 낮은 안전성이다. 리튬 이차전지는 과충전, 외부로부터의 가열, 물리적 변형 등 다양한 환경하에서 발화의 위험성이 높다. 이러한 발화 위험성의 원인인 과충전을 예방하고, 물리적 변형에 따른 내부 쇼트 등을 예방하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다. 그러나, 이러한 예방 수단에도 불구하고 발화를 예방하거나, 발화가 개시되었을 때 적어도 발화의 진행을 억제할 수 있는 수단이 요구된다.
한편, 여러 분야에서 발화의 예방 및 억제를 목적으로 소재의 일부에 난연제를 첨가하는 기술이 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 플라스틱 복합체에 첨가된 난연제는 발화시 소화 가스를 발생시키거나 용융되어 복합체의 표면에 산소를 차단 하는 피막을 형성하는 등의 방법으로 발화를 억제한다. 따라서, 발화 예방 및 억제의 측면에서 난연제의 사용은 매우 효과적임이 입증되어 있다.
전지 분야에서도 이러한 난연제의 사용을 통해 발화를 예방 및 억제하기 위한 방법들이 다수 제시된 바 있다. 예를 들어, 일본특허공개 제1992-84870호에는 전해액에 인산 에스테르를 첨가하는 방법이 제시되어 있고, 일본특허공개 제1999-154535호에는 인산 암모늄을 음극 또는 전극에 포함시키는 방법이 제시되어 있다. 이러한 방법들은 실제로 우수한 발화 억제능을 제공하지만, 전지의 주요 작동요소들(functional elements)에 직접 작용함으로 인해 전지 성능의 저하를 피할 수 없는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 고려하여, 전지작동에 영향을 미치지 않는 요소 또는 공간에 난연제 등을 부가하는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 전지는 한정된 공간내에 다양한 요소들이 밀집된 상태로 배치되어 있으므로, 별도의 구성요소를 부가하기에는 많은 제한을 받는다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 전지의 주요 작동요소들에 첨가되지 않은 상태로 전지에 부가될 수 있는 여분의 공간이 매우 제한되어 있다. 이러한 공간을 확보하기 위한 전지 구조의 변경은 더욱 큰 크기의 전지를 초래하며, 이는 전지의 소형 경박화를 추구하는 현재의 개발 추세에 역행하므로 바람직하지 못하다. 더욱이, 양극/분리막/음극으로 이루어진 전극 조립체가 전해질에 함침된 상태로 케이스에 내장되어 있는 전지본체 내부의 공간에서, 작동요소들에 영향을 주지 않으면서 난연제를 부가하기 위한 여분의 공간은 거의 존재하지 않는다.
한편, 전지를 구성하는 요소들 중에는 발화시 연소되는 소재로 이루어진 일부 구성요소들이 존재한다. 이러한 가연성 소재는 일반적으로 플라스틱 수지 등의 화학물질로 이루어져 있으며, 연소되면서 유독성 가스와 가연성 가스를 발생시키고 이는 전지의 발화를 더욱 촉진한다.
따라서, 전해질, 양극 또는 음극 활물질 등에 직접 첨가되지 않으면서 또한 여분의 공간을 필요로 하지 않으면서 전지에 난연성을 부여할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지의 제조에 사용되는 접착부재들이 일반적으로 가연성을 가지며 더욱이 이러한 접착부재에 난연제를 부가하거나 이를 난연성 소재로 만드는 경우, 전지의 작동요소들에 악영향을 주지 않고, 별도의 여분 공간을 필요로 하지 않으며, 또한 전지의 제조공정을 변형하거나 또는 일부 공정을 새로 추가하지 않고도, 난연성이 향상된 전지를 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전지는 전지본체의 외부에 사용되는 접착부재에 난 연성이 부여되어 있는 것을 특징으로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 전지본체의 구성요소들, 즉, 양극, 음극, 분리막 및 전해질과, 이들이 밀봉된 상태로 내장되는 케이스의 내부 공간에는, 전지의 작동에 직접적으로 영향을 주지 않으면서 난연성을 부여하기 위한 별도의 공간이 존재하지 않는다.
반면에, 전지본체의 외부에는 전지의 작동에 영향을 주지 않으면서 난연성 부여에 적용될 수 있는 일부 소재들이 존재한다. 예를 들어, 파우치형 전지본체의 경우, 이를 보호하기 위해 그것의 외면에 장착되는 전지팩은, 전지본체가 내부에 수납될 수 있는 장방형의 팩본체와, 상기 팩본체에 수납된 상태에서 전지본체의 상단에 설장되는 캡 어셈블리, 및 상기 팩본체의 개방 상부를 덮는 팩덮개로 이루어져 있다. 캡 어셈블리의 구성요소들이 전지의 작동에 직접 관여함에 반하여, 팩본체와 팩덮개는 전지본체와 캡 어셈블리를 외부로부터 보호하는 역할을 하므로, 팩본체와 팩덮개에 난연제를 첨가하는 방법을 고려할 수 있다. 따라서, 팩본체 및/또는 팩덮개를 스테인리스 스틸과 같은 불연성 소재로 제작하거나, 플라스틱 소재에 난연제를 첨가하는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 가연성 소재에 난연제를 첨가하는 후자의 경우, 이로 인해 강도 등 기계적 물성이 저하되어 전지팩 본래의 기능을 손상시킬 수 있다.
그러나, 본 발명에서는, 파우치형 전지본체를 전지팩에 안정적으로 고정하는데 사용되는 양면 접착 테이프, 파우치형 전지본체의 전지팩 외면을 감싸는 포장부재 또는 각형 전지본체의 외면을 감싸는 포장부재를 부착하는데 사용되는 접착제 등에 난연성을 부여함으로써, 소정의 목적을 달성하고 있다. 상기 양면 접착 테이프는 전지본체와 전지팩 모두에 접착되어 전지본체가 외부 충격에 의해서도 흔들림없이 고정된 상태를 유지할 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한, 상기 접착제는 포장부재를 전지본체 또는 전지팩에 부착하는 역할을 한다. 그러한 양면 접착 테이프, 접착제 등의 접착부재는 그것의 접착력에 의해 상기와 같은 목적을 달성하므로, 난연제의 첨가 또는 난연성 소재의 사용으로 인한 기계적 물성 저하가 그것의 본래 기능을 손상시키지는 않는다.
예를 들어, 양면 접착 테이프는 일반적으로 강인성을 가진 기재 필름과 그것의 양면에 도포되어 있는 접착제층으로 이루어져 있고, 포장부재는 상기와 같은 기재 필름과 그것의 일면에 도포되어 있는 접착제층으로 이루어져 있다. 일반적으로, 기재 필름은 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 수지 필름으로 만들어지고, 접착제층은 아크릴계 물질, 우레탄계 물질로 이루어져 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 기재 필름 및/또는 접착제층에 난연제를 첨가하거나 또는 이들을 난연성 소재로 만듦으로써 난연성을 부여할 수 있다. 난연제를 첨가하는 경우, 난연제의 함량은 기재 필름과 접착제층의 기능을 손상시키지 않으면서, 난연성을 부여할 수 있는 범위내에서 결정될 수 있다. 난연성 소재로 이루어진 경우도 당해 기능을 손상시키지 않으면서 난연성을 부여할 수 있는 물질들이 선택될 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 접착제층에 난연제를 첨가하거나 이를 난연성 소재로 만듦으로써, 양면 접착 테이프에 난연성을 부여할 수 있다.
상기 난연제로는 할로겐계 난연제, 인계 난연제, 무기화합물 난연제 등이 사 용될 수 있으며, 경우에 따라서는 이들의 하나 또는 둘 이상의 혼합물의 형태로 사용될 수도 있다.
할로겐계 난연제는 일반적으로 기체상에서 발생하는 라디칼을 실질적으로 안정화시킴으로써 난연 효과를 발휘한다. 할로겐계 난연제의 예로는, 트리브로모 페녹시에탄, 테트라 브로모 비스페놀-A(TBBA), 옥타브로모 디페닐에테르(OBDPE), 브롬화 에폭시, 브롬화 폴리 카보네이트 올리고모, 염소화 파라핀, 염소화 폴리에틸렌, 지환족 염소계 난연제 등을 들 수 있다.
인계 난연제는 일반적으로 열분해에 의해 폴리메타인산을 생성하고 이것이 보호층을 형성하거나 폴리메타인산이 생성될 때의 탈수작용에 의해서 생성되는 탄소 피막이 산소를 차단함으로써 난연 효과를 발휘한다. 인계 난연제의 예로는, 적인, 인산 암모늄 등의 phosphates, phosphine oxide, phosphine oxide diols, phosphites, phosphonates, triaryl phosphate, alkyldiaryl phosphate, trialkyl phosphate, resorcinaol bisdiphenyl phosphate(RDP) 등을 들 수 있다.
무기화합물 난연제는 일반적으로 열에 의해 분해되어, 물, 이산화탄소, 이산화황, 염화수소 등의 불연성 가스를 방출하고 흡열반응을 유발함으로써, 가연성 가스를 희석시켜 산소의 접근을 방지하고, 흡열반응에 의해 냉각 및 열분해 생성물의 생성을 감소시켜 난연 효과를 발휘한다. 그러한 무기 화합물 난연제의 예로는, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화안티몬, 수산화주석, 산화주석, 산화몰리브덴, 지르코늄화합물, 붕산염, 칼슘염 등을 들 수 있다.
경우에 따라서는, 상기에 예시한 난연제와의 혼합 사용시 난연 상승효과를 유도하는 기타의 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
난연성이 부여된 양면 접착 테이프의 예로서 ST#9553(상표: 이화기업 제품) 등이 상용화되어 있고, 난연성 접착 테이프의 예로서 한국특허 제315130호 등이 공지되어 있다. 따라서, 난연성 접착부재와 관련한 상기 기존 제품들, 종래의 기술들은 참조로서 본 발명에 합체된다.
본 발명에서의 전지는 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 이차전지, 그 중에서도 안전성이 문제가 되고 있는 리튬이온 이차전지, 리튬이온 폴리머 이차전지 등의 리튬 이차전지일 수 있다. 또한, 전지본체를 전지팩 내부에 장착되어 있거나 전지본체 또는 전지팩이 포장부재에 의해 감싸여 있는 전지라면 특별히 제한되는 것은 아니므로, 파우치형, 각형 전지 등이 모두 포함될 수 있다.
본 발명은 다수의 단위전지들을 팩의 형태로 형성한 중형 또는 대형의 전지의 경우도 접착부재가 사용되는 것이면 모두 적용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 3에는 파우치형 이차전지를 전지팩의 내부에 수납하여 고정한 하나의 예시적인 사시도, 일부 조립도 및 분해도가 모식적으로 도시되어 있다.
우선 도 1 및 2를 참조하면, 이차전지(100)는, 양극, 음극 및 분리막의 전극군과 전해질이 밀봉된 상태로 파우치형 전지 케이스(210)에 내장되어 있는 장방형의 전지본체(200), 전지본체(200)를 수용할 수 있는 내부 공간을 가진 팩본체(300) 와, 전지본체(200)가 수용되어 있는 팩본체(300) 위에 결합되어 전지본체(200)를 밀봉하는 팩덮개(400)로 이루어져 있다.
일반적으로, 이러한 구조의 이차전지(100)는 각각 PC(Polycarbonate), ABS(Polyacrylonitrile-butadiene-styrene) 등과 같은 플라스틱 재질로 되어 있는 팩본체(300)와 팩덮개(400)를 초음파 용착법에 의해 상호 결합시킴으로써 조립된다. 상기 초음파 용착법(ultrasonic welding method)이란, 예를 들어, 20,000 Hz의 고주파를 이용한 진동으로 마찰열을 일으켜 두 피접착면을 용융 접착시키는 방법이다.
도 3을 참조하면, 전지본체(200)에는 양극 탭(220)과 음극 탭(230)이 노출되어 있고, 양극 탭(220)은 양극 리드(510)를 거쳐 보호회로 모듈(PCM: 500)에 접속되고, 음극 탭(230)은 PTC(530)에 연결되어 있는 음극 리드(520)를 거쳐 PCM(500)에 접속된다.
팩덮개(400)는 SUS 소재로 되어 있으므로, 그것이 PCM(500), 전극 리드(220, 230), PTC(530) 등과 접촉되면 전기 쇼트의 가능성이 있으므로, 그 사이에 절연부재(600, 610)가 설치된다. 또한, 전지본체(200)가 팩본체(300)와 팩덮개(400) 안에 내장된 상태에서 안정적으로 고정될 수 있도록, 팩본체(300)와 전지본체(200) 사이 및 팩덮개(400)와 전지본체(200) 사이에 양면 접착 테이프(700)가 배치된다.
본 발명에서는 이러한 양면 접착 테이프(700, 710)를 난연성으로 만들어, 이차전지(100)의 발화를 예방하고 발화시 이를 억제하는 것을 특징으로 한다. 양면 접착 테이프(700, 710)는 전지본체(200)와 팩본체(300) 및 팩덮개(400)를 일체로서 고정시키는 작용을 하므로, 전지의 작동에 직접적인 관련이 없으며, 또한 접착력을 발휘한다면 높은 강인성 등과 같은 우수한 기계적 강도를 필요로 하지 않는다. 따라서, 본 발명에서의 목적을 달성할 수 있다.
도 4에는 그러한 양면 접착 테이프의 단면 모식도가 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 테이프의 폭 대비 단면 두께를 과장하여 도시하였다.
도 4를 참조하면, 양면 접착 테이프(700)는, 예를 들어, 폴리에스테르 필름과 같은 기재 필름(710)의 양면에, 예를 들어, 아크릴계 물질의 접착제층(720, 722)이 도포되어 있고, 각각의 접착제층(720, 722) 상에는 이형지(730, 732)가 부착되어 있다. 도 3에서와 같이, 전지본체(200)와 팩 케이스(300, 400)에 양면 접착 테이프(700)를 부착하기 위해서는, 우선, 제 1 이형지(730)를 제거하고 노출된 제 1 접착제층(720)을 전지본체(200)의 하면 또는 팩본체(300)의 상면에 부착한다. 그런 다음, 외면을 형성하는 제 2 이형지(732)를 제거하여 제 2 접착제층(722)을 노출시키고 이를 대응면, 즉, 양면 접착 테이프(700)가 부착되지 않은 팩본체(300)의 상면 또는 전지본체(200)의 하면에 부착한다. 이와 같이, 전지본체(200)가 팩본체(300) 상에 부착된 상태에서, 상기와 마찬가지 방식으로 팩덮개(400)를 전지본체(200)의 상면에 부착하여, 전지본체(200)와 팩 케이스(300 및 400)의 결합을 완료하게 된다.
본 발명에서는, 기재 필름(710) 또는 접착제층(720, 722), 또는 이들 모두에 난연성을 부여함으로써 안전성이 향상된 이차전지를 제공한다. 난연성의 부여는 앞서 설명한 바와 같이, 기재 필름(710), 접착제층(720, 722) 등에 난연제를 첨가 하거나 또는 이들을 난연성 소재로 제작함으로써 실현될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따르면, 전지의 작동요소들에 악영향을 주지 않고, 별도의 여분 공간을 필요로 하지 않으며, 또한 전지의 제조공정을 변형하거나 또는 일부 공정을 새로 추가하지 않고도, 난연성이 향상된 전지를 제조할 수 있다.

Claims (11)

  1. 양극, 음극, 분리막 및 전해질로 이루어진 발전소자와 상기 발전소자를 밀봉된 상태로 내장하고 있는 케이스로 이루어진 전지본체의 외부에 사용되는 접착부재에 난연성이 부여된 전지로서,
    상기 접착부재는 전지본체와 상기 전지본체가 수납되는 전지팩을 상호 접착하는 양면 접착 테이프로서, 기재 필름과 상기 기재 필름의 양면에 도포되어 있는 접착제층으로 이루어져 있으며, 상기 기재 필름, 또는 접착제층, 또는 기재 필름 및 접착제층에 난연제를 첨가하거나, 또는 이들을 난연성 소재로 만듦으로써 난연성을 부여하는 것을 특징으로 하는 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 접착제층에 난연제를 첨가하여 난연성을 부여하는 것을 특징으로 하는 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 기재 필름 또는 포장부재는 폴리에스테르 필름이고 상기 접착제층은 아크릴계 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 파우치형 또는 각형 전지인 것을 특징으로 하는 전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 다수의 단위전지들을 전기적으로 결합시킨 중형 또는 대형의 전지인 것을 특징으로 하는 전지.
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