KR100894409B1 - 전지케이스에 분리막을 고정시켜 안전성을 향상시킨이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극과 음극이 그 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 전극조립체를 전지케이스에 내장한 후 전지케이스를 밀봉하여 제조되는 이차전지로서, 상기 전지케이스는 전극조립체가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부를 포함하는 하부 케이스와 그러한 하부 케이스의 덮개로서 상기 수납부를 밀봉하는 상부 케이스가 상호 연결되어 일체된 구조로 이루어져 있고, 상기 전극조립체는 그것의 전극방향이 상기 케이스들의 연결부에 인접한 일측면 방향(a)으로 돌출되도록 수납부에 장착되며, 상기 분리막의 외주면 중 타측면 방향(b) 및 상기 연결부의 대향면 방향(c)에 대응하는 분리막 외주면은 잉여부로서 전지케이스의 밀봉부위에 함께 고정되는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 고온에서 분리막의 수축현상을 억제하여 내부단락을 방지하고, 전지케이스의 밀봉부위를 감소시켜 밀봉력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전지케이스에　분리막을 고정시켜 안전성을 향상시킨 이차전지 {Secondary Battery Having Improved Safety by Fixing Separator to Battery Case}

도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다.

본 발명은 전지케이스에 분리막을 고정하여 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극과 음극이 그 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 전극조립체를 전지케이스에 내장한 후 전지케이스를 밀봉하여 제조되는 이차전지로서, 상기 분리막의 외주면 중 적어도 일부를 전지케이스의 밀봉부위에 함께 고정하여, 전지의 이상 발열시 분리막의 수축에 의해 단락이 유발되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 이차전지, 및 그러한 이차전지들로 이루어진 전지모듈에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이 차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 적층하거나 권취한 상태로 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 전지케이스에 내장한 다음 전해액을 주입하거나 함침시키는 것으로 구성되어 있다.

이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다.

안전성의 문제 중 하나로, 전지가 고온에 노출되었을 때 발생되는 분리막의 수축 또는 파손으로 인한 내부단락은 매우 심각한 실정이고, 이에 대한 원인규명 및 대안에 대한 연구가 많이 행해졌다.

일반적으로 분리막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 다공성 고분자 필름이 사용되고 있으며, 이러한 분리막은 저렴하고 내화학성이 우수하여 전지의 작동에 바람직하다는 장점을 가지고 있지만, 고온의 환경에서 수축하기 쉽다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 일반적으로 분리막과 전극 사이에 접착층을 도포하여 부착하는 방식이 많이 사용되고 있다. 이러한 접착층으로는 전극 활 물질의 결착제로도 사용되는 PVdF 등이 주로 사용되고 있다. 그러나, 이러한 접착층은 그것이 도포되지 않을 경우에 비하여 이온의 이동성이 저하되어 낮은 레이트 특성을 나타낸다는 단점을 가지고 있다. 또한, 접착층을 도포하는 작업 자체가 별도의 공정으로서 추가되어야 하므로, 작업 공정수의 증가에 따른 많은 문제점들을 유발하기도 한다.

한편, 파우치형 이차전지에서는 전지케이스의 밀봉력이 저하되어 전해액이 누출되는 문제점도 빈번하게 발생한다. 도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.

전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립 체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다.

이차전지(10)는 전지케이스(20)의 수납부에 전극조립체(30)를 장착한 상태에서 전지케이스(20) 외주면의 접촉부위를 상호 열융착시켜 제조는 바, 이러한 열융착 부위는 전지의 계속적인 사용에 의한 반복적인 수축 팽창, 외부 충격 등에 의해 밀봉력이 약화되어, 외부 물질의 유입, 전해액의 누액 등으로 인해 전지의 성능 및 안전성 저하가 유발되는 부위이다.

따라서, 이를 해결하기 위한 많은 기술들이 소개되었으나, 전지의 제조비용을 상승시키거나 조립공정을 복잡하게 하는 문제점을 유발하였다.

따라서, 전지의 조립과정 중 구조적 측면에서 분리막의 수축을 억제하고 전지케이스의 밀봉력 저하를 방지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 조립공정에서 별도의 첨가물 및 추가공정 없이 구조적 변화만으로 향상된 안전성을 확보할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 고온에서 분리막의 수축현상을 억제하여 내부단락을 방지하고, 전지케이스의 밀봉부위를 감소시켜 밀봉력을 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지모듈을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 양극과 음극이 그 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 전극조립체를 전지케이스에 내장한 후 전지케이스를 밀봉하여 제조되는 이차전지로서, 상기 전지케이스는 전극조립체가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부를 포함하는 하부 케이스와 그러한 하부 케이스의 덮개로서 상기 수납부를 밀봉하는 상부 케이스가 일측에서 상호 연결되어 일체된 구조로 이루어져 있고, 상기 전극조립체는 그것의 전극방향이 상기 케이스들의 연결부에 인접한 일측면 방향(a)으로 돌출되도록 수납부에 장착되며, 상기 분리막의 외주면 중 타측면 방향(b) 및 상기 연결부의 대향면 방향(c)에 대응하는 분리막 외주면은 잉여부로서 전지케이스의 밀봉부위에 함께 고정되는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명은 상기 분리막 잉여부를 전지케이스의 밀봉부위에 고정함으로써, 분리막이 수축되는 것을 억제하고 분리막을 중심으로 대면하고 있는 양극과 음극이 접촉하여 단락되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 전지의 조립과정 중 별도의 첨가물 및 추가 공정 없이 구조적 측면에서의 일부 변경만으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 방향(a)의 전지케이스의 길이를 방향(c)의 전지케이스 길이보다 짧게 하여, 전지 전체의 밀봉성을 더욱 높일 수 있다. 즉, 전지케이스의 밀봉부위를 감소시켜 밀봉력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 소정 크기의 전극들 다수 개를 순차적으로 적층한 구조인 스택형 전극조립체에 바람직하게 적용될 수 있다.

상기 스택형 전극조립체는 전극들이 적층되는 구조에 따라 풀셀(full cell) 또는 바이셀(bicell)로 구분될 수 있다. 여기서, 상기 풀셀은 양극/분리막/음극 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 등과 같이 양쪽 단부의 전극들이 각각 양극과 음극을 형성할 수 있도록 적층된 전극 조립체를 의미하고, 상기 바이셀은 양쪽 단부의 전극들이 동일한 전극을 형성하도록 적층된 전극 조립체로서, 양극/분리막/음극/분리막/양극으로 이루어진 양극형 바이셀과 음극/분리막/양극/분리막/음극으로 이루어진 음극형 바이셀로 구분된다.

풀셀은 그 자체로서 하나의 전극조립체를 구성할 수 있으며, 경우에 따라서는 전극조립체의 일부 또는 전체 분리막들을 상기에 정의되어 있는 바와 같이 전지케이스의 밀봉부위에 함께 고정될 수 있도록 다소 큰 크기로 제조할 수 있다.

바이셀의 경우, 양극형 바이셀과 음극형 바이셀을 교번 배열하여 하나의 전극조립체를 구성할 수 있다. 여기서, 바이셀들 사이에 개재되는 분리막 및/또는 바이셀 자체를 구성하는 분리막들을 상기 설명에서와 같이 다소 크게 제조하여 본 발명에 따른 전지를 구성할 수도 있다.

본 발명에 따른 전지는 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 구체적으로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

상기 파우치형 케이스는 전극조립체를 내장한 상태에서, 예를 들어, 열융착에 의해 밀봉될 수 있으며, 그것의 열융착 실링부(밀봉부위)에 상기 분리막 잉여부를 함께 열융착하여 고정할 수 있다. 구체적으로, 상기 파우치형 케이스가, 상기에서 설명한 바와 같이 상부 케이스와 하부 케이스로 이루어졌을 경우, 상기 분리막 잉여부는 상기 상부 케이스와 하부 케이스의 접촉부위 사이에 개재된 상태에서 케이스들의 실링부와 함께 열융착 된다.

이때, 상기 분리막 잉여부가 열융착되는 부위는 상기 케이스의 실링부의 폭을 기준으로 30 내지 70%의 크기를 가지는 것이 바람직하다. 이는 상기 분리막 잉여부에 의하여 전지케이스의 밀봉성이 떨어지는 것을 방지하기 위함이다. 즉, 상기 분리막 잉여부가 위치하는 실링부에서는 상기 전지케이스들이 접하는 실링부에서보다 상대적으로 상호 결합력이 낮으므로, 전지케이스의 밀봉성이 떨어질 수 밖에 없다. 따라서, 상기 전지케이스의 실링부 폭을 현재 사용하고 있는 전지케이스의 실링부 폭보다 크게 하거나, 상기 실링부에서 분리막 잉여부가 위치하는 부위를 한정하여, 전지케이스의 밀봉성의 저하를 보상하였다.

경우에 따라서는, 상기 전지케이스의 밀봉부위에 전극조립체를 구성하는 모든 분리막들의 잉여부 또는 일부 분리막들의 잉여부가 고정될 수 있다. 예를 들어, 스택형 전극조립체일 경우, 전극조립체를 구성하는 분리막들은 모두 분리되어 있으므로 각각의 분리막에서 열수축 현상이 발생될 수 있다. 따라서, 이 경우, 모 든 분리막의 잉여부가 상기 전지케이스의 밀봉부위에 고정되는 것이 바람직하다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 분리막 잉여부는 접착제에 의해 전지케이스의 밀봉 예정부위에 미리 고정된 후 전지케이스의 밀봉시 함께 고정될 수 있다. 이는 전지케이스에 대한 분리막 잉여부의 결합력을 높여 전지케이스의 밀봉성을 향상시키기 위함이다.

또 다른 바람직한 예에서, 상기 분리막 잉여부는 열융착에 의해 미리 상호 결합된 상태에서 전지케이스의 밀봉 예정부위에 고정된 후 전지케이스의 밀봉시 함께 고정될 수도 있다.

상기의 두 구조에서, 상기 분리막 잉여부를 미리 결합하거나 고정함으로써 전지케이스의 밀봉부위에 정위치시킬 수 있으며, 분리막 잉여부들이 각각 분리되어 따로 움직이는 것을 방지할 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 두 구조는 분리막 잉여부의 고정 및 전지케이스의 밀봉 작업을 용이하게 할 수 있으므로, 하나의 이차전지에서 함께 적용될 수도 있다.

본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지모듈에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 높은 안전성과 우수한 밀봉성을 가진 이차전지를 단위전지로서 사용함으로써, 다수의 이차전지들로 구성된 중대형 전지모듈에서 특히 문제가 되는 우수한 안전성과 긴 수명의 요구를 동시에 해결할 수 있다.

본 발명에서 상기 일측면 방향(a)와 타측면 방향(b), 및 대향면 방향(c)은, 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도가 도시되어 있는 도 2에서 용이하게 확인할 수 있다.

도 2를 참조하면, 이차전지(100)는 양극(210)과 음극(220), 및 이들 보다 다소 큰 크기의 분리막(230)이 순차적으로 적층되어 있는 전극조립체(200), 및 전극조립체(200)가 안착될 수 있도록 오목한 형상의 수납부(340)가 형성되어 있는 하부 케이스(310)와 덮개로서 수납부(340)를 밀봉하는 상부 케이스(320)가 일측에서 상호 연결되어 있는 구조의 전지케이스(300)로 이루어져 있다. 따라서, 전극조립체(200)를 하부 케이스(310)의 수납부(340)에 장착하고 상부 케이스(320)를 덮은 뒤, 하부 케이스(310)와 상부 케이스(320)가 접하는 실링부들(360, 361, 362)을 열융착하여 밀봉함으로써 이차전지를 제조할 수 있다.

전극조립체(200)는 일측면에서 양극 탭(211)과 음극 탭(221)이 각각 돌출되어 있는 양극(210)과 음극(220), 및 그것들 사이에 개재되어 있는 분리막(230)으로 이루어져 있다. 따라서, 전극조립체(200)는 전체적인 형상면에서 그것의 네 측면들로부터 분리막(230)이 소정의 길이만큼 돌출되어 있는 분리막 잉여부(231)를 포함한다.

이러한 전극조립체(200)는 그것의 양극 탭(211)과 음극 탭(221)이 상부 케이스(320)와 하부 케이스(310)의 연결부(330)에 인접한 두 측면들(350, 351) 중 하나인, 일측면(350)의 방향(a)으로 돌출되도록 하부 케이스(310)의 수납부(340)에 장착된다. 이때, 전극조립체(200)의 분리막 잉여부(231)는 일측면(350)에 대향하는 타측면(351)의 방향(b) 및 케이스들(310, 320)의 연결부(330)에 대항하는 측 면(352)의 방향(c)으로 각각 돌출되고, 타측면 실링부(361)와 대향면 실링부(362)에서 전지케이스(300)와 함께 열융착되어 고정된다.

이차전지(100)를 제조하는 과정에서, 전지케이스(300)의 밀봉성은 실링부(360, 361, 362) 길이와 반비례 관계에 있는 바, 전체 전지에서 실링부(360, 361, 362)가 차지하는 크기가 클수록 전지케이스(300)의 밀봉성은 감소한다. 즉, 일체화되어 있는 상부 케이스(320)와 하부 케이스(310)의 연결부(330)는 열융착에 의한 실링부(360, 361, 362)보다 밀봉력이 우수하므로, 보다 많은 부위가 케이스(300)가 절곡되어 형성되는 연결부(330)로 구성되는 경우에 더욱 우수한 밀봉성을 발휘할 수 있다.

이와 관련하여, 도 1에서와 같은 종래의 이차전지(10)는 전극 탭(40, 50)이 돌출되는 실링부의 길이가 그것에 인접한 양 측면의 길이보다 짧다. 따라서, 전지케이스(20)가 절곡되는 연결부의 길이 역시 작다.

반면에, 본원발명의 이차전지는 도 2에서와 같이 전극 탭(211, 221)이 연결부(330)에 인접한 일측면의 실링부(360)에 형성되므로, 종래의 이차전지에 비해 상대적으로 큰 크기로 연결부(330)를 얻을 수 있어서, 그것의 크기 증가한 분 만큼 밀봉성 향상을 기대할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

양극은 일반적으로 알려진 조성으로 리튬 코발트 산화물, PVDF 및 도전재의 슬러리를 알루미늄 집전체 위에 코팅하여 제조하였고, 음극은 일반적으로 알려진 조성으로 흑연, PVDF 및 도전재의 슬러리를 구리 집전체 위에 코팅하여 제조하였다.

상기 양극과 음극 사이에 그것들 보다 다소 큰 크기로 재단된 분리막을 개재시켜 전극조립체를 조립하고, 도 2에서와 같은 폭 대비 긴 길이의 전지케이스 내부에 전극조립체를 장착한 후, 전지케이스의 실링부를 전극조립체의 분리막 잉여부와 함께 열융착시켜 이차전지를 완성하였다.

[비교예 1]

전극조립체의 분리막 잉여부를 전지케이스의 실링부에 함께 열융착시키지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[비교예 2]

도 1에서와 같이 전극 탭 돌출 방향의 실링부 길이가 그것의 측면 실링부 길이보다 작은 크기의 전지케이스를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 20 개의 전지들에 대해 과충전과 고온 노출 실험을 수행하였고, 300 사이클 충방전을 수행한 후 전지케이스 실링부에서 전해액의 누액 여부를 확인하였다.

그 결과, 실시예 1의 모든 전지들에서는 단락이 유발되지 않았고 전해액의 누액이 확인되지 않았다. 반면에, 분리막을 실링부에 고정하지 않은 비교예 1의 전지들 중 6 개의 전지들에서 단락이 유발되었다. 한편, 분리막을 실링부에 고정하였지만 폭 대비 긴 길이의 전지케이스를 사용한 비교예 2의 전지들은 모든 전지에서 단락이 유발되지는 않았으나, 그 중 2 개의 전지들에서 전해액의 누액이 확인되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 고온에서 분리막의 수축현상을 억제하여 내부단락을 방지하고, 전지케이스의 밀봉부위를 감소시켜 밀봉력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (12)

1. 양극과 음극이 그 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 전극조립체를 전지케이스에 내장한 후 전지케이스를 밀봉하여 제조되는 이차전지로서,

   상기 전지케이스는 전극조립체가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부를 포함하는 하부 케이스와 그러한 하부 케이스의 덮개로서 상기 수납부를 밀봉하는 상부 케이스가 일측에서 상호 연결되어 일체된 구조로 이루어져 있고;

   상기 전극조립체는 그것의 전극방향이 상기 케이스들의 연결부에 인접한 일측면 방향(a)으로 돌출되도록 수납부에 장착되며;

   상기 분리막의 외주면 중 타측면 방향(b) 및 상기 연결부의 대향면 방향(c)에 대응하는 분리막 외주면은 잉여부로서 접착제 또는 열융착에 의해 전지케이스의 밀봉 예정부위에 고정된 후 전지케이스의 밀봉시 함께 고정되며;

   전지케이스의 밀봉부위에 잉여부가 고정되는 분리막은 전극조립체를 구성하는 모든 분리막들이거나 또는 일부 분리막들인 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 방향(a)의 전지케이스의 길이는 방향(c)의 전지케이스 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 소정 크기의 전극들 다수 개를 순차적으로 적층한 구조(스택형 구조)로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 전극들은 다수의 바이셀 또는 풀셀의 구조로 전극조립체를 구성하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 전지케이스는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 파우치형 케이스는 열융착에 의해 밀봉되고, 그것의 열융착 실링부에 상기 분리막의 잉여부가 함께 열융착되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 분리막 잉여부가 열융착되는 부위는 상기 실링부의 폭을 기준으로 30 내지 70%의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하고 있는 중대형 전지모듈.

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