KR100890160B1 - 케이스 열융착 부위의 밀봉성이 향상된 이차전지 - Google Patents

케이스 열융착 부위의 밀봉성이 향상된 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체가 장착되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스의 외측부에 위치한 열융착 부위(실링부위)의 선단에는 상기 실링부위의 분리 및 가스와 수분의 침투를 방지할 수 있는 연속적인 차단성 필름이 도포되어 있고, 상기 차단성 필름은 절곡 부위가 노치 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 간편한 조립공정으로 실링부위의 밀봉성을 더욱 향상시킬 수 있고, 그에 따라 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

케이스 열융착 부위의 밀봉성이 향상된 이차전지 {Secondary Battery Having Improved Sealing Property at Heat-melted Portion of Case}
본 발명은 케이스 열융착 부위의 밀봉성이 향상된 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체가 장착되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스의 외측부에 위치한 열융착 부위(실링부위)의 선단에는 상기 실링부위의 분리 및 가스와 수분의 침투를 방지할 수 있는 연속적인 차단성 필름이 도포되어 있고, 상기 차단성 필름은 절곡 부위가 노치 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치 형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
도 1에는 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 파우치형 전지케이스(20) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)를 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드(40, 41)가 외부로 노출되도록 장착한 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(22)와 그러한 본체(22)에 일체로서 연결되어 있는 덮개(21)로 이루어져 있고, 수납부(23)에 전극조립체(30)를 수납한 상태로 접촉부위인 양측부(24)와 상단부(25)를 접착시킴으로써 전지를 완성한다. 전지케이스는(20)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 덮개(21)와 본체(22)의 양측부(24) 및 상단부(25) 부위에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 접착시킨다. 양측부(24)는 상하 전지케이스(20)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(25)에는 전극 리드(40, 41)가 돌출되어 있으므로 전극 리드(40, 41)의 두께 및 전지케이스(20) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극 리 드(40, 41)와의 사이에 필름상의 실링부재(50)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.
그러나, 파우치형 전지(10)는 반복적인 충방전 과정에서 전지 본체가 팽창 및 수축을 거듭하므로, 상단부(25)와 양측부(24)의 열융착 부위가 쉽게 분리되는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 일부 선행기술에서는 외장부재(20)의 외측부 실링부위를 에폭시 수지, 실리콘 수지 등으로 재차 도포하는 등의 방법을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 방법으로는 우수한 밀봉력을 제공하지 못할 뿐만 아니라, 전지팩의 중량 및 크기를 증가시키고 조립공정을 복잡하게 만드는 문제점이 있다.
따라서, 일본 특허출원번호 제1997-196674호에서는 전지의 밀봉성을 향상시키기 위하여 전지케이스의 실링부위에 다수 개의 보호필름을 부착하여 열융착 부위가 분리되는 것을 방지하였다. 그러나, 상기 기술에서는 양측부와 상단부 및 하단부에 개별적으로 보호필름을 부착하여야 하므로 조립공정이 복잡하고, 그로 인해 제조비용이 상승할 뿐만 아니라, 각각의 보호필름의 단부에서 열융착 부위와 쉽게 분리되는 문제점을 가지고 있다. 특히, 전극리드가 돌출되어 있는 상단 실링부위에서는 이러한 문제점이 더욱 심각하게 나타난다.
따라서, 간편한 공정으로 전지의 밀봉성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 파우치형 전지와 같은 박형 전지에서 케이스 열융착 부위의 밀봉력을 더욱 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 간편한 조립공정으로 밀봉성을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 제조비용을 절감할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체가 장착되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스의 외측부에 위치한 열융착 부위(실링부위)의 선단에는 상기 실링부위의 분리 및 가스와 수분의 침투를 방지할 수 있는 연속적인 차단성 필름이 도포되어 있고, 상기 차단성 필름은 절곡 부위가 노치 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 그것의 열융착 부위에 차단성 필름을 부착함으로써 밀봉성을 향상시킬 수 있고, 상기 차단성 필름이 노치 구조를 포함하는 일체형 구조로 이루어져 있어서 제조공정을 용이하게 할 수 있으며, 그로 인하여 제조비용을 절감할 수 있는 장점을 가지고 있다.
상기 "연속적인" 차단성 필름이란, 전지케이스의 실링부위에 도포되는 차단성 필름이 하나의 일체형 구조로 이루어져 있다는 것을 의미한다. 이러한 일체형 구조에 의해 전지케이스의 실링부위를 효과적으로 도포할 수 있는 것은 절곡부위가 노치 구조로 이루어져 있기 때문이다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 차단성 필름에는 전극조립체의 전극 탭에 대응하는 위치에 관통구가 형성되어 있을 수 있다. 더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 이차전지가 전체적으로 장방형의 구조일 경우, 상기 차단성 필름은, 전극조립체를 내장한 상태로 열융착된 전지케이스에 부착될 때, 차단성 필름의 절곡부위, 즉, 전지케이스의 모서리에 대응하는 위치에, 두 쌍(제 1 노치쌍, 제 2 노치쌍)의 노치가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 차단성 필름은 단부와 노치쌍 사이 또는 노치쌍들 사이에 하나 또는 두 개의 관통구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전지의 일측 부위에 두 개의 전극리드를 포함할 경우, 상기 차단성 필름은 단부와 제 1 노치쌍 사이, 또는 제 1 노치쌍과 제 2 노치쌍 사이, 또는 제 2 노치쌍과 단부의 사이에 두 개의 관통구가 형성될 수 있다. 이러한 구조는 이하에서 도면을 참조하여 더욱 용이하게 확인할 수 있다.
상기 차단성 필름은 다양한 두께로 제조될 수 있는 바, 예를 들어, 20 내지 30 ㎛의 두께인 것이 바람직하다. 이는 상기 필름의 두께가 너무 클 경우 전지의 부피를 증가시킬 수 있고, 너무 작을 경우에는 쉽게 파손될 수 있기 때문이다.
또한, 상기 차단성 필름은 다양한 너비로 제조될 수 있는 바, 예를 들어, 열융착 부위(실링부위)의 선단으로부터 전지셀 본체 쪽으로 10 내지 15 ㎜의 폭을 감쌀 수 있는 너비인 것이 바람직하다. 이는 상기 필름의 너비가 너무 클 경우에는 전지의 부피를 증가시킬 수 있고, 너무 작을 경우에는 상기 실링부위로부터 쉽게 분리될 수 있기 때문이다. 여기서, 상기 너비는 차단성 필름에서 그것의 상단과 하단의 거리를 의미한다.
본 발명에 따른 차단성 필름은 다양한 구조로 전지케이스의 열융착 부위(실링부위)에 접착될 수 있는 바, 이를 예시적으로 설명하면 다음과 같다.
첫 번째 바람직한 예에서, 상기 차단성 필름은 단층 구조의 열융착성 수지로 이루어져 있고 실링부위에 위치한 상태에서 열융착에 의해 부착될 수 있다.
두 번째 바람직한 예에서, 상기 차단성 필름은 외층이 열융착성 수지로 되어 있고 내층이 차단성 수지로 이루어진 다층 구조로서 실링부위에 위치한 상태에서 열융착에 의해 접착될 수 있다.
세 번째 바람직한 예에서, 상기 차단성 필름은 차단성 수지의 단층 또는 다층 구조로서 일면에 접착층을 포함하고 있으며, 상기 접착층에 의해 실링부위에 접착될 수 있다. 이러한 구조는 별도의 열융착 공정이 행해지지 않는 장점을 가지는 반면에, 접착층만으로는 소망하는 수준의 접착력을 구현할 수 없으므로, 아크릴계 접착층, 실리콘계 접착제층, 증착 나일론층 등의 접착층을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 차단성 수지는 가스 및 수분에 대한 차단성을 지니고 있는 물질로 이루어진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며 않으며, 그 중에서도 PTFE(polytetrafluoroethylene), PET(polyethylene terephthalate), EVOH(ethylene vinyl alcohol) 등에서 선택되는 물질을 차단층으로서 포함하고 있는 것이 바람직 하다.
본 발명에 따른 이차전지는 그것의 구조적 특징으로 인해 다양한 변형이 가능할 수 있다.
하나의 바람직한 변형 예에서, 본 발명에 따른 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체가 장착되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스는 그것의 외측부에 위치한 열융착 부위(실링부위)에서 2 개의 라미네이트 시트(A, B)가 상호 접해 있는 구조로 내부의 전극조립체를 밀봉하고, 상기 실링부위에서 두 라미네이트 시트(A, B) 중 적어도 하나의 시트(A)는 나머지 시트(B)보다 상대적으로 길게 연장되어 있으며, 상기 시트(A)의 연장부는 다른 시트(B)의 외측면을 감싸는 구조일 수 있다.
상기 구조에서, 시트(A)의 연장부는 기본적으로 시트(A)의 나머지 부위와 동일하며, 바람직하게는, 시트(B)의 외측면에 부착되는 시트(A)의 내측면에는 시트(B)의 외측면에 열융착될 수 있는 수지층이 도포되어 있거나, 또는 접착층이 도포되어 있을 수 있다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 바와 같은 차단성 필름이 일체로서 부가되어 있는 구조일 수도 있다.
상기 구조의 이차전지에서, 전극조립체의 수납부가 전지케이스의 시트 중 일측에만 형성되어 있을 경우, 상기 수납부가 형성되어 있지 않은 시트를 시트(A)로 칭하고, 수납부가 형성되어 있는 시트를 시트(B)로 구분할 수 있다. 이러한 구조에서, 상기 시트(A)는 전극조립체의 전극리드에 대응하는 부위에 그것의 단부로부터 소정 거리의 만입구가 형성되어 있는 구조의 연장부를 포함할 수 있다. 즉, 전 지케이스 내부에 전극조립체를 장착한 상태에서, 전극리드가 위치하고 있지 않은 실링부위만을 시트(A)의 상단 연장부로 감쌀 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는, 특히, 장시간의 수명과 우수한 내구성이 요구되는 고출력 대용량의 전지, 또는 이러한 전지를 단위전지로서 다수 개 포함하는 중대형 전지팩에 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 전지팩은, 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 동력원으로 사용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2a 및 2b에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 차단성 필름을 부착하기 전과 후의 이차전지들에 대한 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 2a 및 2b의 파우치형 전지는 일반적으로 사용되는 종래의 파우치형 전지와 대략 동일하므로, 본 발명의 특징적인 사항을 제외한 나머지 사항들에 대한 설명은 생략한다. 또한, 설명의 편의를 위하여 전극리드가 돌출되어 있는 단부를 '상단부'로 정의하고, 상기 상단부를 기준으로 평면상에서 그것의 양쪽 부위를 '양측부'로 정의한다.
전극조립체를 내장한 상태에서 상단부와 양측부를 열융착시키면, 파우치형 전지(100)의 상단부와 양측부에는 각각 열융착 부위, 즉, 실링부위(110, 120, 130) 가 만들어 지고, 실링부위(110, 120, 130)의 선단을 감싸는 구조로 차단성 필름(200)이 부착된다.
이러한 차단성 필름(200)은 전지의 장방형 형상으로 인해, 실링부위(110, 120, 130)를 감쌀 때, 2 곳의 절곡부위(C1, C2)를 포함한다. 이러한 차단성 필름의 구조는 도 2b의 전지에서 분리된 차단성 필름의 준비과정을 나타내는 평면도 및 사시도를 모식적으로 도시한 도 3a, 3b 및 3c에서 용이하게 확인할 수 있다.
절곡과정을 나타내기 위하여, 우선 도 3a를 참조하면, 차단성 필름(200)은 긴 시트형의 구조로서, 중심축을 기준으로 상단과 하단에 두 쌍의 노치(제 1 노치쌍, 제 2 노치쌍: 210, 220)가 형성되어 있으며, 제 1 노치쌍(210)과 제 2 노치쌍(220) 사이에 전극리드(도시하지 않음)가 삽입될 수 있는 두 개의 관통구(230, 240)가 형성되어 있다. 이러한 차단성 필름(200)은 전지케이스에 대한 부착 과정에서, 우선 도 3b에서와 같이 중심축을 따라 화살표 방향으로 1차 절곡하고, 장방형 전지케이스의 형상에 따라 도 3c에서와 같이 2차 절곡하게 된다.
따라서, 차단성 필름(200)은, 도 2b에서 보는 바와 같이, 전지케이스의 상단 실링부위(110) 및 양측 실링부위(120, 130)에서 그것들의 상면과 하면 및 일측면을 동시에 감쌀 수 있는 구조로 만들어진다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 케이스에 대한 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 이차전지 케이스(300)는 전극조립체(도시하지 않음)가 장착될 수 있는 수납부가 형성된 본체(310)와 그러한 본체(310)에 일체로 연결되어 있는 덮개(320)로 이루어진 전지케이스를 포함하며, 전지케이스의 실링부위에서 덮개(320)의 일부가 연장되어 본체(310)의 실링부위(312)를 감싸는 구조로 밀봉된다.
덮개(320)는 전지케이스(300) 중 본체(310)의 실링부위(312)보다 길게 연장되어 있는 상단 연장부(321)와 양측 연장부(322, 323)를 포함하고 있다. 양측 연장부(322, 323)는 단순히 본체(310)의 실링부위(312)보다 길게 연장되어 있는 반면에, 상단 연장부(321)는 전극리드(도시하지 않음)가 전지케이스의 외측에 위치할 수 있도록, 그것에 대응하는 위치에 만입부(324, 325)가 형성되어 있다. 또한, 모든 연장부(321, 322, 323)에는 그것의 내측면과 본체(310) 실링부위(312)의 외측면이 강하게 부착될 수 있도록 열융착성 수지층(326)이 도포되어 있다.
따라서, 전극조립체(도시하지 않음)를 수납부에 장착한 상태에서 덮개(320)를 덮고, 연장부(321, 322, 323)를 절곡한 후, 덮개(320)와 본체(310)의 접촉부위를 열융착시키면 도 2b와 유사한 같은 구조가 만들어진다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
1-1. 양극의 제조
양극 활물질로 LiCoO2를 사용하였고, LiCoO2 95 중량%, 및 Super-P(도전제) 3 중량%, PVdF(결합제) 2 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 양극을 제조하였다.
1-2. 음극의 제조
음극 활물질로는 인조흑연을 사용하였고, 인조흑연 95 중량%, 및 Super-P(도전제) 1 중량%, PVdF(결합제) 4 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 구리 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다.
1-3. 차단성 필름의 제조
PET의 단층 구조로 이루어진 열융착성 수지로, 상기 도 4a 및 4b의 구조를 가진 차단성 필름을 제조하였다.
1-4. 전지의 제조
분리막으로 셀가드TM을 사용하고 상기 1-1의 양극과 1-2의 음극을 순차적으로 적층하여 전지케이스에 수납한 후, 전지케이스를 밀봉한 뒤 전해액을 함침하고, 전지케이스의 밀봉부위에 상기 1-3의 차단성 필름을 부착하여 열융착하는 것으로 전지를 제조하였다.
[실시예 2]
PET의 차단층과 폴리프로필렌의 열융착성 수지층을 포함하는 다층 구조의 차단성 필름을 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지 를 제조하였다.
[실시예 3]
PET의 차단층과 폴리프로필렌의 열융착성 수지층 및 아크릴계의 접착층을 포함하는 다층 구조의 차단성 필름을 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 1]
차단성 필름을 부착하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1의 과정으로 각각 10 개의 전지들을 제조하고, 전지케이스가 팽창할 때까지 60 도의 열을 계속적으로 가하였다. 고열은 전극 표면에서 전해액의 분해를 유발하며, 그러한 분해 과정에서 다량의 가스가 발생하여 궁극적으로는 전지케이스가 팽창하게 된다.
실험 결과, 실시예 1 내지 3의 모든 전지들은 전지케이스의 팽창에도 불구하고 케이스의 열융착 부위가 분리되지 않았음에 반하여, 비교예 1의 전지들은 10 개 중 8 개의 전지에서 열융착 부위의 분리가 확인되었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 간편한 조립공정으로 열융착 부위의 밀봉력을 더욱 향상시킬 수 있으므로, 그에 따라 장시간의 수명 및 안전성을 담보하면서 저렴함 비용으로 전지의 제조가 가능해 지는 효과를 발휘한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 일반적인 파우치형 전지의 분해 사시도이다;
도 2a 및 2b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 차단성 필름을 부착하기 전과 후의 이차전지들에 대한 부분 투시도들이다;
도 3a 내지 3c는 도 2b의 전지에서 분리된 차단성 필름의 일련의 분리 과정을 단계적으로 나타낸 도면들이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 전지케이스에 대한 사시도이다.

Claims (3)

  1. 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체가 장착되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스는 그것의 외측부에 위치한 열융착 부위(실링부위)에서 2 개의 라미네이트 시트(A, B)가 상호 접해 있는 구조로 내부의 전극조립체를 밀봉하고, 상기 실링부위에서 두 라미네이트 시트(A, B) 중 적어도 하나의 시트(A)는 나머지 시트(B)보다 상대적으로 길게 연장되어 있으며, 상기 시트(A)의 연장부는 다른 시트(B)의 외측면을 감싸면서 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 시트(A)의 연장부는 시트(A)의 나머지 부위와 동일하거나, 시트(B)의 외측면에 부착되는 시트(A)의 내측면에는 시트(B)의 외측면에 열융착될 수 있는 수지층이 도포되어 있거나 또는 접착층이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 전극조립체의 수납부가 전지케이스의 시트 중 일측 시트(B)에만 형성되어 있고, 나머지 시트(B)는 전극조립체의 전극리드에 대응하는 부위에 그것의 단부로부터 소정 거리의 만입구가 형성되어 있는 구조의 연장부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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