KR100866533B1 - 파우치형 리튬 2차전지 - Google Patents

파우치형 리튬 2차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극리드와 전극탭이 구비된 크루드 셀과 상기 크루드 셀을 밀봉하는 외장재로 이루어진 파우치형 리튬 2차전지에 있어서, 상기 전극리드와 전극탭의 연결부에 절연수지를 도포하여 상기 연결부를 감싸는 것을 특징으로 한다.
이를 통해 알루미늄계열 외장재와 리륨이차전지용 전해액과의 반응에 의한 스웰링 현상을 방지하고 크루드셀의 수납시 발생할 수 있는 외장재의 손상을 방지하여 리튬이차전지를 장기적으로 안정적으로 사용할 수 있다.
2차전지, 외장재, 절연수지, 전극탭, 전극리드, 연결부,

Description

파우치형 리튬 2차전지{POUCH TYPE LITHIUM SECONDARY BATTERY}
도 1은 종래의 파우치형 리튬이차전지의 개략도이다.
도 2는 종래의 알루미늄 외장재의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬이차전지의 단면도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬이차전지의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 파우치형 리튬이차전지에 대한 산화가속실험을 설명하기 위한 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 크루드 셀 111 : 전극리드
112 : 전극탭 121 : 수납부
123 : 실링부 130 : 제2수납부
140, 140' : 절연수지 150 : 연결부
본 발명은 파우치형 리튬 2차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 크루드셀의 전극리드와 전극탭간의 연결부를 감싸도록 절연수지를 도포하여 전해액과 외장재간의 산화반응을 억제하고 크루드셀의 수납시 발생할 수 있는 외장재의 손상을 방지할 수 있는 파우치형 리튬 2차전지에 관한 것이다.
최근 정보통신산업이 급속히 발전함에 따라 리튬이차전지에 대한 수요가 급증하였고 그에 따라 다양한 요구를 수용할 수 있는 리튬이차전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 리튬이차전지가 보완해야 될 주요한 과제 중 하나가 전지의 장기적 안정성이다. 특히 알루미늄계열의 외장재를 사용하는 파우치형 리튬이차전지의 경우 이를 수개월이상 사용시, 외장재의 내부 산화에 의한 전지 팽창현상인 스웰링 현상과 누액 현상이 발생하기도 한다.
도 1은 일반적인 외장재를 사용하는 통상의 파우치형 리튬이차전지의 모식도이다. 종래의 파우치형 리튬이차전지(10)은 양극전극과 음극전극을 와인딩 방식이라고 불리는 공정을 통해 분리막으로 감아 일체화하는 방식 또는 분리막, 양극, 음극 순으로 일정 면적으로 유지하면서 적층하는 스태킹 방식이 이용된다. 이들 방식은 공통적으로 단위셀의 집합체인 크루드셀(20)을 제작한 후, 상기 크루드셀(20)을 수납하는 외장재(30)의 수납부에(31) 크루드셀(20)을 수납하고 외장재 덮개(32)를 덮는다. 이때 크루드셀(20)의 양극전극 및 음극전극은 전극리드(40)에 연결되고 상기 전극리드는 전극탭(50)과 연결되어 외부로 돌출된다.
이후, 외장재 수납부(31)과 덮개(32)를 밀봉한다. 그 뒤 여기에 전해액을 넣어 리륨이차전지를 만든다. 이때 전극탭(50)과 외장재(30)가 연결되는 부분에는 파우치와의 밀봉성을 확보하기 위하여 레진층(51)이 있다.
한편, 일반적으로 사용되는 외장재를 도 2를 참조하여 설명하면 알루미늄계열의 외장재(70)는 여러층으로 이루어져 있고 중심층에는 파우치의 형태를 유지시키게 하는 박형의 알루미늄층(71)이 있으며, 최외각에는 외부 공기 및 자극에 알루미늄층을 보호하는 필름(72)이 있다. 전지내부인 알루미늄층 안쪽에는 전해액과 알루미늄과의 반응을 방지하는 폴리프로필렌계열의 레진층(73), 파우치의 밀봉을 위하여 열에 의해 융착이 되는 실런트층(74)이 순차적으로 있다. 파우치형 리륨이차전지 제작시 알루미늄계열 외장재(70)는 연포장재로 되어 있어 크루드셀(20)이 수납되기 쉽도록 오목한 공간을 만들며, 그 공간은 그에 대응하는 형상으로 이루어진 금형으로 성형한다. 이렇게 성형된 외장재(70)에 크루드셀을 수납한 후 덮개를 덮고 외장재 외부에 열을 가하여 실런트층(74)을 녹여 밀봉한다.
한편 종래의 파우치형 리튬이차전지 제작 시 외부충격이나 크루드셀(20)의 수납 시 전극리드(40)과 전극탭(50)의 돌출부위가 전지내부에서 외장재(30)에 손상을 주어 알루미늄층을 노출시키는 문제점을 가지고 있다. 또한 파우치 밀봉시 사용하는 열의 영향으로 레진층에 미세한 구멍인 핀홀 발생 및 파우치 손상 등으로 알루미늄층 노출 등이 발생하기도 한다. 완성된 파우치형 리튬2차전지의 경우에도 낙하, 충격, 압력 및 압착 등의 영향으로 전극리드(40)의 이동에 의한 외장재 손상이 발생한다. 이러한 경우 알루미늄층을 이루고 있는 알루미늄이 리튬이차전지용 전해액과 반응을 하여 전지내부에 가스가 발생하여 전지를 팽창시켜 스웰링 현상이 발생한다. 특히 외장재 밀봉 시 전극리드(40)에 대응하여 위치하는(맞닿는) 수납부 상단부분(34)은 파우치형 리륨이차전지의 밀봉을 위하여 전극리드(40)에 부착된 레진(51)을 녹이기 위하여 전극리드(40)에 대응하지 않고 덮개와 맞닿는 실링부(33)에 보다 많은 열과 압력을 가하여 밀봉을 한다. 이러한 경우 실런트층(74) 뿐만 아니라 알루미늄층을 보호하는 레진층(73)을 녹이는 경우가 발생하게 되어 알루미늄층을 이루고 있는 알루미늄이 리튬이차전지용 전해액과 반응을 하여 전지내부에 가스가 발생하여 전지를 팽창시키는 스웰링 현상이 발생한다. 또한 외부충격 또는 크루드셀 안착 시 전극리드(40)과 전극탭(50)의 돌출부위가 전지내부에서 외장재에 손상을 주어 알루미늄층을 노출시키는 문제점이 발생한다. 따라서, 알루미늄 계열의 외장재를 사용하는 파우치형 리륨이차전지의 외장재를 보호할 수 있는 기술의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 크루드셀의 전극리드와 전극탭간의 연결부를 감싸도록 절연수지를 도포하여 전해액과 외장재간의 산화반응을 억제하고 크루드셀의 수납시 발생할 수 있는 외장재의 손상을 방지할 수 있는 파우치형 리튬 2차전지를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 파우치형 리튬 2차전지의 제조방법은, 전극리드와 전극탭이 구비된 크루드 셀과 상기 크루드 셀을 밀봉하는 외장재로 이루어진 파우치형 리튬 2차전지에 있어서, 상기 전극리드와 전극탭의 연결부에 절연수지를 도포하여 상기 연결부를 감싸는 것을 특징으로 한다.
상기 절연수지는 바람직하게는 에폭시, 폴리이미드, 폴리염화비닐, 폴리에스터, 아세테이트 및 폴리프로필렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 절연수지를 사용할 수 있다.
상기 절연수지의 두께는 바람직하게는 0.001 내지 5 ㎜인 것을 사용할 수 있다.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 리튬이차전지의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파우치형 리튬2차 전지는 양극판/세퍼레이터/음극판의 구조를 가지며 전극리드와 전극탭을 구비한 크루드 셀(110)과 이 크루드 셀(110)이 수납되어 밀봉될 수 있는 외장재(120)를 구비한다. 상기 크루드 셀(110)은 이론적으로 리튬 2차 이온 전지 또는 리튬 2차 폴리머 전지일 수 있다.
또한, 크루드 셀(110)은 단위 셀(unit cell) 그 자체 또는 바이-셀(Bi-cell) 그 자체를 불문하며, 이러한 단위 셀 또는 바이셀이 여러 겹으로 적층된 것일 수도 있다. 그리고, 각각의 전극판(양극판 또는 음극판)은 극판 몸체와 극판 몸체로부터 돌출된 그리드로 구성된다.
상기 그리드는 양극 리드와 음극 리드로 구별되며, 양극 리드와 음극 리드는 크루드 셀(110)의 길이 방향에 대해 서로 반대 방향에 배치될 수도 있으나, 본 실시예에서는 양극 리드와 음극 리드는 크루드 셀의 길이 방향에 대해 서로 동일한 방향에 위치되는 것으로 가정하며 상기 양극 리드와 음극리드를 포괄하여 전극리드(111)라 한다. 상기 전극리드(111)는 전극탭(112)과 연결되어 있으며, 상기 전극탭(112)는 레진층(113)으로 보호되며 이러한 구조는 통상의 크루드 셀의 구조와 동일하다.
상기 크루드 셀(110)을 수납하는 외장재(120)는 실제로 크루드 셀(110)을 수납하는 수납부(121)와 이를 덮는 덮개부(122)로 구분된다. 상기 수납부는 크루드 셀(110)의 몸체 부분을 수납하는 제1수납부, 즉 크루드 셀(110)이 차지하는 공간과, 전극리드(111) 및 전극리드(111)와 전극탭(112)이 연결되는 연결부(150)를 수용하는 제2수납부(130) 및 레진층(113)에 대응하는 실링부(123)를 구비한다.
한편, 본 발명은 상기 전극리드(111)와 전극탭(112)의 연결부(150)를 감싸도록 절연수지(140, 140')로 도포하는 것으로, 보다 상세하게는 상기 제2수납부(130) 에 위치하는 전극리드(111)와 전극탭(112)의 연결부(150)를 감싸도록 절연수지(140, 140')를 도포하여 전극리드(111)와 외장재(120)가 반응하여 스웰링 현상을 일으키는 것을 방지하는데 그 특징이 있다.
한편, 절연수지로 도포되는 부분은 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이 전극리드와 전극탭의 연결부(150)이며, 보다 구체적으로 도 4a와 같이 연결부(150)만을 절연수지로 도포하거나 도 4b와 같이 연결부(150)를 포함하는 제2 수납부의 일면을 절연수지(140, 140')로 도포할 수 있다.
본 발명에 사용되는 절연수지는 에폭시, 폴리이미드, 폴리염화비닐, 폴리에스터, 아세테이트, 폴리프로필렌 및 그 유도체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 절연수지를 사용할 수 있으며, 상기 절연수지의 두께는 바람직하게는 0.001 내지 5 ㎜이다. 한편 절연수지의 도포방법은 통상의 방법으로 도포할 수 있으며, 상기 절연수지의 희석농도는 통상의 절연수지의 희석농도와 동일하고, 충분한 건조과정을 거친 후 밀봉하여 사용한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 4a와 같이 전극리드와 전극탭의 연결부를 감싸도록 절연 에폭시 수지를 150 ~ 200℃의 열을 가하여 녹인 뒤 를 0.1 ㎜의 두께로 도포하고, 통상의 크루드 셀(새한 에너테크)을 수납한 후 이를 밀봉하여 파우치형 리튬이차전지를 제조하였다.
비교예 1
절연수지를 도포하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 파우치형 리튬이차전지를 제조하였다.
<실험예>
상기 실시예 1 및 비교예 1의 파우치형 리튬이차전지를 각각 30개씩 제작한 후, 이에 대한 산화가속실험을 수행하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 보다 구체적으로 파우치형 리튬이차전지의 알루미늄계열의 외장재와 리튬이차전지용 전해액 전해질과의 반응에 의한 산화는 전지내부에서 외장재의 미세한 핀홀 및 손상부분에서 반응하여 가스가 발생하여 전지가 팽창하는 스웰링 현상이 발생하기 때문에 전지가 팽창하기 전까지는 육안상 및 기타측정장비를 동원하여 측정하는 것이 어렵고 시일이 오래 걸린다. 그러므로, 외장재에 흐르는 전자의 양을 크게 할 경우 산화를 가속할 수 있어 결과를 빠르게 확인할 수 있다. 이에 도 5와 같이 4.2V까지 충전된 파우치형 리륨이차전지의 음극리드 부분과 와장재의 알루미늄층을 연결하여 외장재에 높은 전위를 흐르게 하여 산화를 가속하여 실험을 하였다. 총 30개의 전지를 제작하였으며 시간경과에 따른 스웰링 발생유무 결과를 표 1에 나타내었다.
[표 1]
일차 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
스웰링발생 전지수 (누적) 실시예 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2
비교예 1 0 0 3 9 10 11 11 13 14 14
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예 1의 전지에서는 스웰링 현상이 거의 발생하지 않았으나, 비교예 1의 경우 3일차부터 스웰링 현상이 발생하여 10일차에는 절반 가량의 전지에서 스웰링 현상이 나타났다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 알루미늄계열 외장재와 리륨이차전지용 전해액과의 반응에 의한 스웰링 현상을 방지하고 크루드셀의 수납시 발생할 수 있는 외장재의 손상을 방지하여 리튬이차전지를 장기적으로 안정적으로 사용할 수 있다. 또한 리륨이차전지 사용시 낙하, 압착, 충격 등의 외부 요인에 의해서 발생할 수 있는 전극 탭의 이동에 의한 외장재 손상을 방지하여 리륨이차전지의 안전성을 높일 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (3)

  1. 전극리드와 전극탭이 구비된 크루드 셀과 상기 크루드 셀을 밀봉하는 외장재로 이루어진 파우치형 리튬 2차전지에 있어서, 상기 외장재는 상기 크루드 셀이 수납되는 제1 수납부와 상기 전극리드가 수납되는 제2 수납부로 이루어지고, 제2 수납부에 위치하는 상기 전극리드와 전극탭의 연결부에 절연수지를 0.001 ~ 5 ㎜의 두께로 도포하여 상기 연결부를 감싸는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 2차전지의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연수지는 에폭시, 폴리이미드, 폴리염화비닐, 폴리에스터, 아세테이트 및 폴리프로필렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 절연수지인 것을 특징으로 하는 상기 파우치형 리튬 2차전지.
  3. 삭제
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