KR100879466B1 - 전극조립체 수납용 파우치형 용기 - Google Patents

전극조립체 수납용 파우치형 용기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해액에 대한 내성 및 긁힘에 대한 내성이 향상된 외피층을 갖는 전극조립체 수납용 파우치형 용기 및 이 용기를 구비한 리튬 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 파우치형 용기는, 금속기재; 금속기재의 외면에 위치하며 PC와 EPDM의 혼합물을 함유하는 외피층; 및 금속기재의 내면에 위치하며 열접착성을 갖는 내피층을 포함한다.

Description

전극조립체 수납용 파우치형 용기 {Pouch-type container for containg electrodes assembly}
도 1은 파우치형 용기를 사용하는 리튬 이온 전지의 일예를 모식적으로 도시한 분리사시도이고,
도 2는 파우치형 용기를 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지의 일예를 모식적으로 도시한 분리사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 전극조립체 수납용 파우치형 용기 재질의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명은 리튬 2차 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 리튬 2차 전지의 전극조립체를 수납하는 파우치형 용기에 관한 것이다.
일반적으로, 리튬 2차 전지는 전극 조립체를 수납하는 용기로서 원통형 용기, 각형 용기 또는 파우치형 용기를 사용하고 있다. 그 중에서 파우치형 용기는 단위 중량 및 체적당 에너지밀도가 상대적으로 높고, 전지의 박형화 및 경량화를 가능하게 할 뿐만 아니라 용기 재료비가 적게 든다는 장점을 가지고 있다.
도 1은 파우치형 용기를 사용하는 리튬 이온 전지의 일예를 보여주는 분리사시도이다. 도 1의 리튬 이온 전지는 캐소드(11), 애노드(12) 및 세퍼레이터(13)를 포함하는 전극조립체(10)와, 전극조립체(10)를 수납하여 밀봉하는 용기(16)를 구비하고 있다. 이때 전극조립체는 캐소드와 애노드 사이에 세퍼레이터를 삽입하고 이를 권취하여 형성될 수 있다. 그리고 상기 전극조립체(10)와 외부 간의 전기적 통로 역할을 하는 캐소드탭(14) 및 애노드탭(14')은 캐소드 및 애노드로부터 인출되어 전극 단자(15, 15')에 연결된다.
도 2는 파우치형 용기를 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지의 일예를 보여주는 분리사시도이다. 도 2의 리튬 이온 폴리머 전지는 캐소드, 애노드 및 세퍼레이타를 구비하는 전극조립체(21)와, 전극조립체(21)를 수납하여 밀봉하는 용기(22)를 구비하고 있다. 상기 전극조립체(21)에서 발생하는 전류를 외부로 유도하기 위한 전기적 통로 역할을 하는 전극 단자(또는 리드선)(24, 24')는 캐소드 및 애노드에 마련된 캐소드탭 및 애노드탭(23, 23')에 연결되며 용기(22) 밖으로 노출되도록 설치된다.
상술한 바와 같은 도 1의 리튬 이온 전지 및 도 2의 리튬 이온 폴리머 전지에서는, 전극단자 (15, 15') 및 (24, 24')의 일부분만을 노출시킨 채 용기 (16, 22) 내에 전극 조립체 (10, 21)을 넣고 여기에 전해액을 주입한 다음, 열과 압력을 가하여 상부 케이스의 가장자리 부분과 하부 케이스의 가장자리 부분의 열접착성 물질끼리 접착시켜 전극조립체를 밀봉한다.
이러한 전지 제조 공정에서, 전해액이 파우치형 용기의 외부에 묻는 일이 비 일비재하게 발생한다. 용기의 외부에 묻어 있는 전해액을 수작업으로 완벽하게 제거하는 것은 불가능하다.
종래의 파우치형 용기는 알루미늄층, PPA를 함유하는 내피층 및 나일론을 함유하는 외피층을 포함하고 있다. 그러나, 나일론은 수분에 대한 친화력이 다른 폴리머 보다 상대적으로 높고, 전해질에 대한 내성은 상대적으로 낮다.
결국, 전지 제조 공정 중 열처리 단계에서 용기의 외부에 묻어 있는 전해질은 나일론 외피층을 부식시키게 되고, 용기의 외피층이 부식된 리튬 전지 최종 제품은 외관이 손상된 불량품으로 전락한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전해액에 대한 내성 및 긁힘에 대한 내성이 향상된 외피층을 갖는 전극조립체 수납용 파우치형 용기를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 전해액에 대한 내성 및 긁힘에 대한 내성이 향상된 외피층을 갖는 전극조립체 수납용 파우치형 용기를 구비한 리튬 전지를 제공하는 것이다.
본 발명에서는, 금속기재; 금속기재의 외면에 위치하며 PC와 EPDM의 혼합물을 함유하는 외피층; 및 금속기재의 내면에 위치하며 열접착성을 갖는 내피층을 포함하는 전극조립체 수납용 파우치형 용기를 제공한다.
본 발명에 따른 전극조립체 수납용 파우치형 용기는 상기 외피층과 상기 금 속기재 사이에 위치하는 접착층 및 상기 내피층과 상기 금속기재 사이에 위치하는 접착층을 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에서는, 캐소드 단자와 애노드 단자가 연결되어 있는 전극조립체; 전해질; 및 상기 전극조립체와 전해질을 수납하는 본 발명에 따른 파우치형 용기를 포함하고, 상기 용기는 상기 전극조립체에 연결된 캐소드 단자 및 애노드 단자의 일부가 외부에 노출된 상태로 상기 전극조립체와 전해질을 밀봉하고 있는 리튬 전지를 제공한다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체 수납용 파우치형 용기를 이루는 재질의 단면을 보여주고 있다.
도 3에서 파우치형 용기는 PC와 EPDM의 혼합물을 함유하는 외피층(34), 열접착성을 갖는 내피층(30), 외피층(34)과 내피층(30) 사이에 위치하는 금속기재(32)를 포함한다. 금속기재(32)와 내피층(30) 사이의 접착력 및 금속기재층(32)와 외피층(34) 사이의 접착력을 향상시키기 위하여, 내피층(30)과 금속기재(32) 사이에 위치하는 접착층(31), 및/또는 외피층(34)과 금속기재(32) 사이에 위치하는 접착층(33)을 더 포함할 수 있다.
상기 외피층(34)은 EPDM (ethylene-propylene dimer rubber)와 PC (polycarbonate)의 혼합물을 함유한다. 상기 혼합물은 내화학성 및 내열성이 강하고 수분친화력이 낮다는 특성을 갖는다. 이러한 재료로 형성된 외피층(34)은 어느 정도 고무와 같은 성질을 가지게 되며, 수분을 매우 적게 흡수하고 긁힘에 대하여 매우 강한 내성을 보인다. 또한, 상기 혼합물은 그 융점이 약 220 ~ 약 250 ℃ 정도이므로, 내열성이 나일론 보다 더 우수하다. 외피층의 두께가 너무 얇으면, 외피층이 외부로부터의 충격에 의해 손상받기 쉬우며 긁힘에 약할 수 있으며, 너무 두꺼우면, 용기의 성형이 용이하지 않게 되어서 성형후 용기가 정확한 사이즈나 형태를 유지하기가 어려워질 가능성이 있다. 이러한 점을 고려하여 외피층(34)의 두께는 약 10 내지 약 40 ㎛ 정도로 할 수 있다.
외피층에서의 EPDM과 PC의 함량은, 본 발명의 목적에 부합하는 한 특별한 제한은 없으나, 예를 들면, 용기가 갖추어야 할 물성을 고려하여 상기 외피층의 PC의 함량은 약 95 내지 약 99 중량% 정도가 되도록 할 수 있다.
외피층을 형성하기 위한 PC와 EPDM의 혼합물은 일정한 온도 및 전단응력 (shear force) 하에서 PC를 주 도메인으로 한 반응혼합(reactive blending)을 통하여 제조될 수 있다. 사용가능한 혼합장치로서는 배치(batch) 형태, 또는 익스트루더(extruder)와 같은 연속공정 형태의 장치 등이 사용될 수 있다. 이와 같이 제조된 PC와 EPDM의 혼합물은 드라이 라미네이팅 (dry laminating) 방법, 또는 익스트루더 라미네이팅 (extruder laminating) 방법으로 코팅될 수 있다.
금속기재(32)는 수분이 전지 내부로 침투하는 것을 방지하고 전해액이 전지 외부로 투과하는 것을 방지 하는 기능을 한다. 금속기재(33)의 재료로서는 일반적으로 알루미늄이 사용되지만, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 금속기재(33)의 두께가 너무 얇으면 용기의 형상유지가 용이하지 않게 되고, 너무 두꺼우면 전지의 무게를 과다하게 증가시키게 될 가능성이 있다. 이러한 점을 고려하여 금속기재(33)의 두께는, 예를 들면, 약 10 ~ 약 100㎛ 정도로 할 수 있다.
상기 내피층(30)은, 용기가 전극조립체 및 전해액을 내부에 수납한 후 가열/가압에 의하여 밀봉될 수 있도록, 열접착성을 가져야 한다. 내피층(30)의 재료로서는, 전해액에 안정하고 화학적으로 다른 관능기를 가지고 있지 않는 폴리올레핀 계열이 사용될 수 있으며, 보다 상세하게는 표면처리된 PP 또는 PE, 공중합에 의하여 접착력이 향상된 PP 또는 PE 계열의 물질 등이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 예를 들면, 프로필렌과 아크릴산의 공중합체인 PPA(poly(propylene-co-acrylic acid)), 또는 에틸렌과 아크릴산의 공중합체인 PEA(poly(ethylene-co-acrylic acid)) 등이 사용될 수 있다. PPA층의 융점은 약 120 ~ 180 ℃ 정도이다. 내피층(30)의 두께가 너무 얇으면 접착강도가 약하고, 너무 두꺼우면 전지의 중량을 과도하게 증가시키는 경향이 있다. 이러한 점을 고려하여 내피층의 두께는, 예를 들면, 약 10 내지 약 40 ㎛ 정도로 할 수 있다.
상기 접착층(31, 33)은 내피층과 외피층이 금속기재로부터 박리되는 것을 방지하기 위하여 사용될 수 있다. 접착층은 여러가지 첨가제가 화학반응에 의하여 강하게 결합함으로써 형성되고, 수분이나 다른 유기용매에도 견딜 수 있을 만큼 강한 3차원 네트워크 형태로 형성된다. 본 발명의 다른 구현예에서는 접착층(31)과 접착층(32)은 서로 다른 물질로 이루어질 수도 있다. 접착층의 재질로서는, 예를 들면, 아크릴계 접착제가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
본 발명에 따른 파우치형 용기의 전체적인 형상은 도 1 또는 도 2에 나타난 것과 같을 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 파우치형 용기는 그 적용범위가 매우 광범위하다. 예를 들면, 도 1에 나타난 것과 같이, 캐소드와 애노드사이에 세퍼레이터를 삽입하고 이를 젤리롤 방식으로 권취하여 된 전극 조립체를 본 발명에 따른 파우치형 용기에 내장할 수 있으며, 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 캐소드와 애노드사이에 세퍼레이터를 적층하여 바이셀 구조의 전극 조립체를 만든 다음 이를 본 발명에 따른 파우치형 용기에 내장할 수도 있다. 더우기, 본 발명에 따른 파우치형 용기는 리튬 2차 전지 뿐만아니라 리튬 1차 전지에 적용될 수도 있다.
전극조립체는 외부와의 전기적 연결을 위하여 캐소드 단자 및 애노드 단자에 연결되어 있다. 전극조립체와 전해질은 본 발명에 따른 파우치형 용기 내부에 수납되며, 상기 용기는 상기 전극조립체에 연결된 캐소드 단자 및 애노드 단자의 일부가 외부에 노출된 상태로 전극조립체와 전해질을 밀봉한다. 밀봉 부위에는 폴리머의 융점 근처의 온도까지 가열되어 있는 프레스 형태의 다이에 의해 일정한 압력이 가해진다.
전해액에 의한 외피층의 부식 부위는 변색되거나, 그 표면이 거칠어진다. 전해액에 의한 외피층의 부식정도는 육안, 광학현미경 또는 SEM을 통하여 관찰될 수 있다. 본 발명의 용기에서는 변색이나 표면거칠기가 육안으로 관찰되지 않았다. 외피층의 내긁힘성은 사포(sand paper)에 의한 일방향 마찰에 의하여 평가되었으며, 본 발명의 용기는 종래의 용기보다 약 1.5 배 정도 강한 내긁힘성을 보여주었다.
본 발명에 따른 파우치형 용기의 외피층은 매우 향상된 내화학성, 내열성 및 내긁힘성을 가지고 있다.
본 발명에 따른 파우치형 용기를 전지 제조에 적용함으로써 전해액에 의한 전지의 외관 손상 및 긁힘에 의한 전지의 외관 손상을 억제할 수 있으며, 결과적으로 전지 제조 공정의 불량율을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 파우치형 용기를 구비하는 리튬 전지는 전해액에 의한 외관 손상 및 긁힘에 의한 외관 손상에 견디는 능력이 향상된다.

Claims (8)

  1. 금속기재;
    금속기재의 외면에 위치하며 PC와 EPDM의 혼합물을 함유하는 외피층; 및
    금속기재의 내면에 위치하며 열접착성을 갖는 내피층을 포함하는 전극조립체 수납용 파우치형 용기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 외피층의 PC의 함량은 95 내지 99 중량%인 것을 특징으로 하는 전극조립체 수납용 파우치형 용기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 외피층의 두께는 10 내지 40 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 전극조립체 수납용 파우치형 용기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속기재는 알루미늄을 함유하는 것을 특징으로 하 는 전극조립체 수납용 파우치형 용기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 내피층은 PPA, 또는 PEA를 함유하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 수납용 파우치형 용기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 외피층과 상기 금속기재 사이에 위치하는 접착층 및 상기 내피층과 상기 금속기재 사이에 위치하는 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 수납용 파우치형 용기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 접착층은 아크릴계 접착제를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체 수납용 파우치형 용기.
  8. 캐소드 단자와 애노드 단자가 연결되어 있는 전극조립체;
    전해질; 및
    상기 전극조립체와 전해질을 수납하는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 파우치형 용기를 포함하고,
    상기 용기는 상기 전극조립체에 연결된 캐소드 단자 및 애노드 단자의 일부가 외부에 노출된 상태로 상기 전극조립체와 전해질을 밀봉하고 있는 리튬 전지.
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