KR100956397B1 - 실링부가 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 코팅되어 안전성이 향상된 파우치형 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

실링부가 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 코팅되어 안전성이 향상된 파우치형 전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극, 세퍼레이터, 음극을 포함하여 이루어지는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 홈과 홈 주변에 상하부가 융착되어 플랜지 형태로 형성되는 가장자리를 가지는 파우치를 구비하여 이루어지는 파우치형 리튬 이차 전지에 있어서, 플랜지 형태로 형성되는 가장자리의 적어도 일 부분에서 가장자리의 단부가 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 덮이는 것에 의해 안전성이 향상되는 것을 특징으로 한다.
난연 물질, 내열 물질 , 파우치형 이차 전지

Description

실링부가 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 코팅되어 안전성이 향상된 파우치형 전지 및 그 제조 방법{POUTCH TYPE BATTERY AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME HAVING SEALING PART COATED WITH FLAME RETARDANT AND HEAT RESISTANT RESIN COMPOSITION WITH A COMBINED FLAME RETARDANT AND HEAT RESISTANT MATERIAL IN THERMOPLASTIC RESIN OR IN THERMOSETTING RESIN}
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극과 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 구조체가 파우치(pouch)에 수용되는 형태를 가지는 파우치형 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
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(31, 32), 전극 탭들(31, 32)에 용접되어 있는 전극리드(40, 41), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다. 상기 전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 상기 전극 탭들(31, 32)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 상기 전극리드(40, 41)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(31, 32)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(40,41)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(50)이 부착되어 있다.
상기 전지케이스(20)는 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(22)와 그러한 본체(22)에 일체로 연결되어 있는 덮개(21)로 이루어져 있고, 수납부(23)에 전극조립체(30)을 수납한 상태로 접촉부위인 양측부(24)와 상단부(25)를 접착시킴으로써 전지를 완성한다. 전지케이스(20)는 수지층/금속박층/수지층의 알루미늄 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 전극리드(40, 41)가 돌출되어 있으므로 전극리드(40, 41)의 두께 및 전지케이스(20) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(40, 41)와의 사이에 절연 필름(50)을 개재한 상태에서 열융착시킨다.
파우치형 리튬 이차 전지를 형성하기 위해 우선, 양극, 세퍼레이터, 음극을 적층하거나 적층 후 권취하여 이루어지는 전극조립체를 가봉지 상태의 파우치 내에 위치시킨다. 그리고, 파우치의 개방된 가장자리부에서 상하 파우치막을 가열 융착
시키면 밀봉된 파우치 형태의 베어 셀 전지가 만들어진다. 이러한 파우치형 전지에 사용되는 파우치는 통상 금속 포일층과 이를 덮는 합성 수지층의 다층막으로 구성되는데 이를 사용할 경우에는 금속캔을 사용할 때보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있다. 다층막 파우치에서 포일을 이루는 금속으로 통상 알미늄이 이용된다. 파우치 막 내층을 이루는 폴리머막은 전해질로부터 금속 포일을 보호함과 아울러, 양극과 음극, 그리고 전극 탭들 사이의 단락(短絡)을 방지한다. 그러나, 이러한 파우치의 가장 자리 단부에는 별도의 절연 작업이 없다면, 파우치막 중간층을 이루는 금속 포일이 작은 부분이지만 드러난 상태로 있다. 따라서, 베어셀 상태에서 코어 팩 전지를 형성하기 위해 양 옆의 가장자리부를 접고 전극탭 쪽에 보호회로 기판을 부착한 상태에서도 파우치의 가장자리부 단부에는 여전히 금속 포일이 노출된 상태를 유지하게 된다.
금속 포일이 노출된 상태에서 코어 팩 전지가 하드 케이스나 제품의 전지 박스에 직접 장입될 경우, 파우치 막의 금속 포일이 하드 케이스나 전지 박스 내의 회로부 기타 도전체를 통해 전지의 음극과 접속 될 수 있다. 혹은 파우치막의 금속 포일, 보호회로 기판의 도전체, 하드 케이스나 전지 박스의 도전체, 전지 음극이 경로로 전기 접속이 이루어질 수 있다. 이들 어느 경우나 일단 직, 간접적으로 파우치막의 금속 포일을 이루는 알루미늄과 음극의 구리탭이나 집전체가 접속되며 전기 화학 작용에 의해 파우치막의 알루미늄 포일이 부식을 일으킬 수 있고, 특히 파우치에서 음극 탭을 주변에 누출된 전해액 성분이나 습기가 존재하는 환경에서 부식이 가속될 수 있다.
수분과 산소의 베리어로 작용하는 알루미늄 포일이 계속 부식되면 파우치막의 폴리머층만으로는 수분과 산소의 유입을 충분한 정도로 막을 수 없다. 파우치의 차단 능력이 떨어지면 전지는 이상을 일으킬 수 있다. 즉, 전해질 세퍼레이터의 유기 전해액이 증발되거나 외부 수분이나 산소가 유입되면 파우치에 스웰링 등 이상 현상이 발생하여 전지의 폐기, 성능 열화와 수명 단축을 초래한다.
이런 문제점을 방지하기 위한 하나의 방법으로 코어 팩 전지의 좌우의 두 변에서 플랜지 형태로 이루어진 가장자리를 접을 때 두번 접어 처리하는 방법도 제안된 바 있다. 도 2에 화살표로 도시된 바와 같이 파우치의 양 옆 가장자리(23)의 반을 한 번 접어 가장자리(23) 부분이 겹치도록 하면, 가장자리(23)의 너비가 반이 되고, 가장자리 단부(231)가 홈(54)을 이루는 측벽면(541) 부분에 닿게 된다. 그리고, 겹쳐진 가장자리를 다시 홈(54) 방향으로 접는다. 결과, 도 3에서 살펴보면 가 장자리의 단부(231)는 외부에서 보이지 않게 가장자리(23)와 홈(54)을 이루는 홈의 측벽면(541) 사이에 끼워진 상태가 된다. 그러나, 전극 탭(37,38)을 구부렸을 때 전극 탭에 접속된 보호회로 기판(미도시)이 위치하게 되는 영역은 파우치의 홈(54)에 의해 점유되지 않는 빈 공간이다. 그러므로, 가장자리(23)를 두번 접는 경우에도 가장자리의 단부(231)가 홈(54)을 이루는 홈의 측벽면(541)에 의해 가려지지 않는다. 이 공간에서는 여전히 가장자리의 단부(231)가 드러나 여기에 위치하는 보호회로 기판 등과 전기적으로 접속될 가능성이 크다.
한편, 중대형 전지팩의 단위전지(배터리 셀)로는 니켈-수소 이차전지가 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 소형 전지팩에서와 마찬가지로 용량 대비 고출력을 제공하는 리튬 이차전지가 많이 연구되고 있으며, 일부는 상용화 단계에 있다. 그러나, 리튬 이차전지는 근본적으로 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 상기 중대형 전지팩에 있어서 비정상적인 작동의 주요 원인들 중의 하나는 전기적 단락이 유발되는 경우이다. 파우치형 전지는 다양한 장점으로 인해 중대형 전지팩의 단위전지로서 유력한 후보이지만, 전지케이스의 기계적 강성이 낮고 앞서 설명한 바와 같이 알루미늄 포일이 노출되었을 때 화재의 위험성이 높은 문제점을 가지고 있다. 고출력 대용량을 목적으로 다수의 단위전지들이 전기적으로 연결되어 있는 중대형 전지팩에서 상기와 같은 발화는 안전성을 저해하는 매우 심각한 위험 요소이다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하고 파우치 금속 포일과 전지 음극 사이 의 전기적 단락을 방지할 수 있으며, 금속 포일이 부식되어 전지 이상이 발생하는 것을 방지 할 수 있는 파우치형 이차 전지의 필요성이 대두되었다. 따라서, 종래 기술의 문제점을 보완할 수 있도록, 전극 조합체를 수용하는 홈과 상기 홈 주변에 융착되어 플랜지 형태로 형성되는 가장자리를 가지는 파우치를 구비하여 이루어지는 파우치형 리튬 이차 전지를 제조함에 있어서, 상기 가장자리의 단부를 난연 물질 및 내열물질로 코팅하여 이러한 문제점을 해결하고자 하였다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 제거하기 위한 것으로, 다층 파우치막의 한층을 이루는 금속 포일이 노출된 파우치의 가장자리 단부가 보호회로 기판, 하드 케이스 내의 도전체 등을 통해 전극을 이루는 다른 금속과 전기적으로 접속되는 것을 방지하면서 또한 단락에 따른 발화의 위험성을 줄일 수 있는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 단위전지로서 이와 같은 이차 전지를 포함하고 있는 중대형 전지팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 양극, 세퍼레이터, 음극을 포함하여 이루어지는 전극 조합체와, 상기 전극 조합체를 수용하는 홈과 상기 홈 주변에 융착되어 플랜지 형태로 형성되는 가장자리를 가지는 파우치를 구비하여 이루어지는 파우치형 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 플랜지 형태로 형성되는 가장자리의 적어도 일 부분에서 상기 가장자리의 단부가 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 덮인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지를 제공한다.
본 발명에서 상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물이 상기 파우치에서 상기 양극 및 상기 음극에 설치되는 전극 탭이 인출되는 부분을 제외한 상기 가장자리의 단부 전체를 덮도록 형성됨을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물은 난연 및 내열 테이프로 형성됨을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 파우치는 상기 홈의 두께 방향으로 볼 때 4각형을 이루며, 상기 파우치 양 옆 두변에서 상기 가장자리는 상기 홈이 형성된 방향으로 한 번 절곡되고, 상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 구성된 난연 및 내열 테이프가 상기 가장자리의 단부를 중심으로 너비의 일부는 상기 가장자리에 부착되고, 너비의 나머지 일부는 상기 홈을 이루는 면에 부착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 파우치는 상기 홈의 두께 방향으로 볼 때 4각형을 이루며, 상기 파우치 양 옆 두변의 상기 가장자리는 너비가 반이 되어 겹치도록 1차 절곡되고, 겹쳐진 상기 가장자리는 다시 상기 홈 방향으로 2차 절곡된 상태를 이루며, 상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물은 보호회로 기판이 설치되는 한 변과 상기 두변이 만나는 두 모서리 부분의 가장자리 단부에만 덮이는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 난연 물질은 할로겐계 난연제, 인계 난연제, 질소계 난연제 및 무기화합물 난연제로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 할로겐계 난연제는 트리브로모 페녹시에탄, 테트라 브로모 비스페놀-A (TBBA), 옥타브로모 디페닐에테르 (OBDPE), 브롬화 에폭시, 브롬화 폴리 카보네이트 올리고모, 염소화 파라핀, 염소화 폴리에틸렌 및 지환족 염소계 난연제로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 인계 난연제는 적인, 인산 암모늄 등의 phosphates, phosphine oxide, phosphine oxide diols, phosphites, phosphonates, triaryl phosphate, alkyldiaryl phosphate, trialkyl phosphate 및 resorcinaol bisdiphenyl phosphate (RDP) 로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 질소계 난연제는 멜라민, 멜라민 포스페이트 및 멜라민 시 아누레이트로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 무기화합물 난연제는 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화안티몬, 수산화주석, 산화주석, 산화몰리브덴, 지르코늄화합물, 붕산염 및 칼슘염으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 내열 물질은 구리계 내열제 또는 포스파이트계 내열제인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 포스파이트계 내열제가 비스(2,6-디-테르트-부틸-4-메틸페닐)펜타에르트리톨-디-포스파이트, 테트라키스[메틸렌-3-(라우릴티오) 프로피오네이트]메탄, 트리페닐포스파이트, 트리라우릴포스파이트, 트리스 (노닐페닐)포스파이트, 트리-이소-옥틸-포스파이트, 트리올레일포스파이트, 트리스(2,4-디-터셔리-부틸페닐)포스파이트, 디페닐-노닐페닐-포스파이트, 페닐-디-이소데실-포스파이트, 및 트리라우릴-트리-티오-포스파이트로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 이차 전지는 리튬 이온전지 또는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기의 또 다른 목적을 달성하기 위해서 상기 이차 전지를 하나 또는 둘 이상 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지팩을 제공한다.
본 발명에서 상기 전지팩에는 적어도 일부 또는 전체 단위전지들이 직렬로 연결되어 있으며, 상기 직렬 연결의 단위전지들 중 적어도 하나 또는 둘 이상의 단위전지가 상기 이차전지로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파우치형 리튬 이차 전지는, 양극, 세퍼레이터, 음극을 포함하여 이루어지는 전극 조합체와, 전극 조합체를 수용하는 홈과 홈 주변에 상하부가 융착되어 플랜지 형태로 형성되는 가장자리를 가지는 파우치를 구비하여 이루어지는 파우치형 리튬 이차 전지에 있어서, 가장자리의 적어도 일 부분에서 가장자리의 단부가 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 덮인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 난연성 및 내열성 수지 조성물은 내화 피복(fire retardant coating) 조성물로 형성되어 전극 탭이 인출되는 부분을 제외한 가장자리의 단부 전체를 감싸도록 형성될 수 있고, 접착 테이프 형식으로 난연 및 내열 테이프 등으로 형성될 수 있다.
본 발명에서 파우치는 홈의 두께 방향으로 볼 때 혹은 홈의 두께를 무시하고 볼 때 개략적으로 4각형을 이루며, 파우치 양 옆 두변에서 가장자리는 홈이 형성된 방향으로 절곡되는 것이 통상적이다. 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물이 접착 테이프 형식으로 형성되어 부착될 경우, 상기 난연성 및 내열성 수지 조성물로 구성된 난연 및 내열 테이프가 가장자리의 단부를 중심으로 접착 테이프 너비의 일부는 가장자리에 부착되고, 나머지 일부는 홈의 측벽면 혹은 저면에 부착되면 가장자리 단부를 덮는 것과 더불어 절곡된 가장자리가 파우치 홈에 밀착되도록 할 수 있다.
내화피복(fire-retardant coating)은, 가연성 재료의 표면을 치밀하게 둘러싸므로써, 화염이 가연성 재료에 전파되는 것을 억제하는 기능을 한다. 본 발명에서의 내화피복 형성용 난연성 및 내열성 수지 조성물은, 내화피복을 파우치 표면에 형성시키기 위하여 사용되는 조성물 이다.
본 발명의 상기 난연성 및 내열성 수지 조성물은, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 것이다. 이하, 특히 한정되지 않는 한, 본 발명의 난연성 및 내열성 수지 조성물이란, 열가소성 수지 및 열경화성 수지 중 하나를 매트릭스로 하는 수지 조성물을 총칭하는 것으로 한다.
본 발명에 사용되는 열가소성 수지로서는, 종래 공지된 것을 널리 사용할 수 있고, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소푸렌, 폴리에스테르 (폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등), 폴리부타디엔, 스티렌 수지, 내충격성 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-스티렌 수지(AS 수지), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지(ABS 수지), 메틸메타크릴레이트-부타디엔-스티렌 수지(MBS 수지), 메틸메타크릴레이트-아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지(MABS 수지), 아크릴로니트릴-아크릴 고무-스티렌 수지(AAS 수지), 폴리메틸(메트)아크릴레이트, 폴리카르보네이트, 변성 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리아미드, 폴리페닐렌술피드, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리술폰, 폴리아릴레이트, 폴리에테르케톤, 폴리에테르니트릴, 폴리티오에테르술폰, 폴리에테르술폰, 폴리벤즈이미다졸, 폴리카르보디이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 액정 중합체, 복합 플라스틱 등을 들 수 있다.
이들 열가소성 수지 중에서도, 폴리에스테르, ABS 수지, 폴리카르보네이트, 변성 폴리페닐렌에테르, 폴리아미드 등을 바람직하게 사용할 수 있다. 본 발명에서 열가소성 수지는 1종 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용한다.
본 발명에서의 상기 열경화성 수지로서는 종래 공지된 것을 널리 사용할 수 있고, 폴리우레탄, 페놀 수지, 멜라민 수지, 요소 수지, 불포화 폴리에스테르 수 지, 디알릴프탈레이트 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 이들 열경화성 수지 중에서도 폴리우레탄, 페놀 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지 등을 특히 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 에폭시 수지로서는 특히 제한없이 종래부터 알려져 있는 것을 널리 사용할 수 있다. 그 예로서 비스페놀-A형 에폭시 수지, 비스페놀-F형 에폭시 수지, 비스페놀-AD형 에폭시 수지, 페놀노볼락형 에폭시 수지, 크레졸노볼락형 에폭시 수지, 환상 지방족 에폭시 수지, 글리시딜에스테르계 수지, 글리시딜아민계 에폭시 수지, 복소환식 에폭시 수지, 우레탄 변성 에폭시 수지, 브롬화 비스페놀-A형 에폭시 수지 등을 들 수 있다.
오늘날 난연 물질(FR) 마켓은 화학적 및/또는 물리적 수단에 의해 연소 과정을 방해하는 작용을 하는 제품으로 구성된다. 기계적으로, 이들 난연제는 가스상, 응축상 또는 이들 양쪽 상태인 물품을 연소하는 동안 작용하는 것으로 제시되어 왔다. 가장자리의 적어도 일 부분에서 가장자리의 단부가 난연물질 및 내열 물질로 덮이게 되면, 전지 내부에서의 단락 기타 원인으로 인한 발화 또는 폭발의 위험성을 차단한다. 또한, 본 발명에서는 난연 물질 및 내열 물질을 전지 내부에 첨가하지 않고 외장재에 투입하므로, 전지 내부에서의 화학 반응 및 리튬 이온 전도성에 영향을 주지 않아 전지의 성능 저하를 방지할 수 있다.
구체적으로 사용되는 난연성 성분("난연제: frame retardant")의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 할로겐계 난연제, 인계 난연제, 질소계 난연제 및 무기화합물 난연제 등이 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는 이들의 하나 또는 둘 이상의 혼합물의 형태로 사용될 수도 있다. 최근 환경문제로 인해 할로겐계 난연제를 규제하고 비할로겐계 난연제을 사용하려는 움직임이 있는데 특히 자동차 산업에 있어서 환경적인 문제는 중요한 사안으로 생각되고 있다. 현재, 이 기술 분야에서 사용되고 있는 난연제로는 무기산화물, 질소계 난연제, 인계 난연제 등이 비할로겐계 난연제로 사용되고 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.
질소계 난연제는 멜라민, 멜라민 포스페이트 및 멜라민 시아누레이트 등을 들 수 있으며, 이 중에서 바람직하게는 멜라민 시아누레이트가 선택될 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.
상기 난연제 중 특히 바람직하게는 인산 암모늄계 난연제를 사용할 수 있다.
경우에 따라서는, 상기에 예시한 난연제들을 혼합해서 사용할 수 있으며, 또한, 난연 상승효과를 유도하는 기타의 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명에서 내열 특성을 부여하기 위하여 구리계 내열제를 포함할 수 있으며, 표면 처리된 구리 화합물을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에서 장기 내열 특성을 강화할 수 있도록, 상기 구리계 내열제와 함께 장기 내열성의 시너지 효과가 있는 포스파이트계 내열제를 추가로 포함할 수 있다. 포스파이트계 내열제로는 비스(2,6-디-테르트-부틸-4-메틸페닐)펜타에르트리톨-디-포스파이트, 테트라키스[메틸렌-3-(라우릴티오) 프로피오네이트]메탄, 트리페닐포스파이트, 트리라우릴포스파이트, 트리스 (노닐페닐)포스파이트, 트리-이소-옥틸-포스파이트, 트리올레일포스파이트, 트리스(2,4-디-터셔리-부틸페닐)포스파이트, 디페닐-노닐페닐-포스파이트, 페닐-디-이소데실-포스파이트, 또는 트리라우릴-트리-티오-포스파이트 등으로부터 선택된 것을 사용할 수 있다. 이 중 바람직하게는 비스(2,6-디-테르트-부틸-4-메틸페닐)펜타에르트리톨-디-포스파이트를 사용할 수 있다.
본 발명에서 열경화성 수지는 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용된다. 이들 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 대한 난연제 배합 비율로서는 특히 한정되는 것은 아니지만, 통상 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 100 중량부 당, 0.1 내지 90 중량부, 바람직하게는 1 내지 50 중량부, 보다 바람직하게는 5 내지 30 중량부로 하는 것이며, 5 중량부 이상 30 중량부 이하인 경우에는 향상된 난열 특성을 확보할 수 있다. 또한, 이들 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 대한 내열제 배합 비율로는 0.1 내지 90 중량부, 바람직하게는 1 내지 50 중량부, 보다 바람직하게는 5 내지 30 중량부로 하는 것이며, 5 중량부 이상 30 중량부 이하인 경우에는 향상된 내열 특성을 확보할 수 있다.
본 발명의 난연성 및 내열성 수지 조성물에는 드리핑 방지성을 한층 향상시 키기 위하여 무기질 충전제를 배합할 수 있다. 상기 난연제 및 내열제와 무기질 충전제가 수지 중에 공존하는 경우, 수지 표면층이 치밀하고 강고해져, 연소시의 수지 표면에서의 생성 가스의 확산을 억제하고, 나아가 상기 난연제의 탄화층(char)의 형성을 촉진함으로써, 우수한 난연 효과가 발현된다고 생각된다.
상기 무기질 충전제로서는 운모, 카오린, 활석, 실리카, 점토, 황산 바륨, 탄산 바륨, 탄산 칼슘, 황산 칼슘, 규산 칼슘, 산화 티탄, 유리 비드, 유리 벌룬, 유리 플레이크, 유리 섬유, 섬유상 티탄산 알칼리 금속(티탄산 칼륨 섬유 등), 섬유상 붕산 전이 금속염(붕산 알루미늄 섬유 등), 섬유상 붕산 알칼리 토류 금속염(붕산 마그네슘 섬유 등), 산화 아연 휘스커(whisker), 산화 티탄 휘스커, 산화 마그네슘 휘스커, 석고 휘스커, 규산 알루미늄(광물명 뮬라이트)휘스커, 규산 칼슘(광물명 와라스토나이트)휘스커, 탄화 규소 휘스커, 탄화 티탄 휘스커, 질화 규소 휘스커, 질화 티탄 휘스커, 탄소 섬유, 알루미나 섬유, 알루미나-실리카 섬유, 지르코니아 섬유, 석영 섬유가 선택될 수 있다. 이 중 바람직하게는 휘스커류 및 운모 등의 형상 이방성을 갖는 무기물 충전제가 선택될 수 있다. 또한 이들 무기질 충전제는 1종을 단독으로 사용할 수 있고, 또는 2종 이상을 병용할 수 있다.
상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 대한 무기질 충전제의 배합 비율로서는, 기계적 물성의 향상과 난연 성능의 향상과의 균형을 고려하면 통상 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 100 중량부 당, 0.01 내지 50 중량부, 바람직하게는 1 내지 20 중량부로 하는 것이 좋다.
본 발명에 의할 경우 전극 조합체를 수용하는 홈과 상기 홈 주변에 융착되어 플랜지 형태로 형성되는 가장자리를 가지는 파우치를 구비하여 이루어지는 파우치형 리튬 이차 전지를 제조함에 있어서, 상기 가장자리의 단부를 난연 물질 및 내열물질로 코팅하여 파우치 금속 포일과 전지 음극 사이의 전기적 단락을 방지할 수 있으며, 금속 포일이 부식되어 전지 이상이 발생하는 것을 방지 할 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 리튬 이차 전지를 나타낸다. 도 4의 상태를 형성하는 방법을 살펴보면, 대개 일체로 형성되는 직방형 파우치막을 한 변의 길이 방향을 기준으로 중간을 접철하여 파우치의 상부, 하부를 이룬다. 하부에는 프레스(press) 가공 등을 통해 전극 조립체가 수용될 수 있는 홈이 형성된다. 이때, 파우치막은 통상 알미늄 재질의 금속 포일 상하에 폴리 프로필렌 수지 등의 폴리머막을 코팅하여 이루어진 다층구조를 가진다. 한편 다른 실시예에서, 양극 및 음극과, 양극 및 음극 탭은 극성을 달리하여 배치될 수 있다. 전극 조립체가 놓인 하부 홈 주위의 가장자리와 이에 대응되는 파우치막 상부의 가장자리가 밀착된 상태에서 밀착된 부분을 가열 가압하면 내부 폴리머막이 융착하면서 파우치 밀봉이 이루어져 베어 셀 전지가 형성된다. 이때 가장자리(23,23')는 상하 파우치막이 융착된 상태로 홈(54) 주위의 4변 가운데 적어도 3 변에 플랜지 형태를 이루게 된다.
홈(54)의 두께를 무시할 때 대략 4각형을 이루는 파우치에서 전극 탭(37,38)이 인출되는 변과 연결되는 양 옆 두 변을 따라 가장자리(23) 단부에 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 구성된 난열 및 내열 테이프(201)를 붙여 단부의 금속 포일이 드러나지 않도록 한다. 그리고, 두 변의 가장자리(23)를 홈이 형성된 방향으로 절곡한다. 베어 셀 전지의 양극 탭 및 음극 탭(37,38)에 종래와 같이 보호회로 기판(51), PTC(positive temperature coefficient) 등의 구조체를 부착하여 코어 팩 전지(100)를 형성한다.
이때, 보호회로 기판(51)의 도전부는 여전히 파우치의 접힌 양 옆 가장자리(23)와 공간적으로 가깝게 위치한다. 그러나, 가장자리(23)의 단부에서 금속 포일이 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 구성된 난열 및 내열 테이프(201)에 의해 차단되므로 보호회로 기판(51)의 도전부가 금속 포일과 전기적으로 접속될 염려가 없어진다. 또한, 이후 코어 팩 전지(100)를 하드 케이스 내에 결합시킬 때, 하드 케이스 내측에 별도의 부속회로 기타 도전체부를 가지는 경우에도 파우치의 접힌 가장자리(23)의 단부에서 상기 난열 및 내열 테이프(201)가 파우치 금속 포일과 도전체부의 전기적 접속을 방지한다. 따라서, 파우치 금속 포일이 하드 케이스 내의 도전부를 통해 전지 음극과 단락되어 부식될 염려가 없어진다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코어 팩 전지를 개략적으로 나타낸 정면도이다. 도시된 바에 따르면, 도 4와 달리 파우치의 양 옆 가장자리(23) 단부에 대한 테이프 작업이 가장자리를 절곡하는 공정 후에 이루어진다. 그리고, 금속 포일이 노출된 가장자리(23) 단부를 중심으로 테이프(203) 너비의 반은 가장자리에 부착되고, 나머지 반은 파우치의 홈(54)을 이루는 벽면이나 저면의 일부를 덮게 된다. 따라서, 테이프(203)는 가장자리(23) 단부의 노출된 금속 포일이 다른 도전체 부분과 접속되는 것을 방지하면서 동시에 절곡된 가장자리(23)가 홈(54)에 밀착되도록 외관상 정리된 마감을 형성하는 역할을 한다. 이 경우, 코어 팩 전지(100)를 하드 케이스에 넣는 등의 이후 공정에서 절곡된 가장자리가 공정에 불편을 주는 문제도 해결할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코어 팩 전지를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 6에 도시된 예에서는 파우치의 양 옆 가장자리(23)가 두 번 절곡된다. 따라서, 파우치의 양 옆 두변을 따라 홈(54)이 형성된 부분(A)에서는 가장자리 단부(231)의 금속 포일이 노출되지 않는다. 그러나, 코어 팩 전지(100)에서 보호회로 기판(51)이 위치하는 공간을 제한하는 영역, 즉, 파우치의 위쪽 두 모서리 부분(B)에서 파우치의 좌우 가장자리(23)의 단부(231)는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 구성된 난연 및 내열 테이프(205)에 의해 덮여있다. 따라서, 보호회로 기판(51)의 도전부와 파우치 좌우 가장자리의 단부(231)가 가깝게 위치하여도 파우치 금속 포일과 보호회로 기판의 도전부 사이에 전기 단락이 발생될 염려는 없다. 이와 같은 실시예에서는 파우치 좌우 가장자리 대부분에서 가장자리 단부(231)가 드러나지 않고, 상기 난연 및 내열 테이프(205)는 단부가 노출되는 파우치의 위쪽 두 모서리에만 부착되므로, 상기 난연 및 내열 테이프를 길게 붙이는 다른 실시예의 경우에 비해 테이핑 작업이 간단해 진다.
도 1은 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조를 분해 사시도로 나타낸 도면이다.
도 2는 파우치의 좌우의 두 변에서 플랜지 형태로 이루어진 가장자리를 한번 접는 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 파우치의 좌우의 두 변에서 플랜지 형태로 이루어진 가장자리를 두번 접는 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지로서, 파우치의 좌우의 두 변에서 플랜지 형태로 이루어진 가장자리에 난연 및 내열 물질을 포함하는 수지 조성물로 덮이는 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지로서, 파우치의 좌우의 두 변에서 플랜지 형태로 이루어진 가장자리를 한번 접은 후 난연 및 내열 물질을 포함하는 수지 조성물로 덮이는 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 리튬 이차 전지로서, 파우치의 좌우의 두 변에서 플랜지 형태로 이루어진 가장자리를 두번 접은 후 난연 및 내열 물질을 포함하는 수지 조성물로 덮이는 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 코어 팩 전지
23,231 : 가장자리
37,38: 전극 탭
51: 보호회로 기판
54: 홈
60: 하드 케이스
63: 부속 회로
65: 양면 테이프
231: 가장자리 단부
201,203,205,207,209: 난연 및 내열 테이프

Claims (15)

  1. 양극, 세퍼레이터, 음극을 포함하여 이루어지는 전극 조합체와,
    상기 전극 조합체를 수용하는 홈과 상기 홈 주변에 융착되어 플랜지 형태로 형성되는 가장자리를 가지는 파우치를 구비하여 이루어지는 파우치형 리튬 이차 전지에 있어서,
    상기 가장자리의 적어도 일 부분에서 상기 가장자리의 단부가 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 덮인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물이 상기 파우치에서 상기 양극 및 상기 음극에 설치되는 전극 탭이 인출되는 부분을 제외한 상기 가장자리의 단부 전체를 덮도록 형성됨을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물은 난연 및 내열 테이프로 형성됨을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파우치는 상기 홈의 두께 방향으로 볼 때 4각형을 이루며,
    상기 파우치 양 옆 두변에서 상기 가장자리는 상기 홈이 형성된 방향으로 한 번 절곡되고,
    상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물로 구성된 난연 및 내열 테이프가 상기 가장자리의 단부를 중심으로 너비의 일부는 상기 가장자리에 부착되고, 너비의 나머지 일부는 상기 홈을 이루는 면에 부착되는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파우치는 상기 홈의 두께 방향으로 볼 때 4각형을 이루며,
    상기 파우치 양 옆 두변의 상기 가장자리는 너비가 반이 되어 겹치도록 1차 절곡되고, 겹쳐진 상기 가장자리는 다시 상기 홈 방향으로 2차 절곡된 상태를 이루며,
    상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 난연 물질 및 내열 물질이 배합된 난연성 및 내열성 수지 조성물은 보호회로 기판이 설치되는 한 변과 상기 두 변이 만나는 두 모서리 부분의 가장자리 단부에만 덮이는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 난연 물질은 할로겐계 난연제, 인계 난연제, 질소계 난연제 및 무기화합물 난연제로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 할로겐계 난연제는 트리브로모 페녹시에탄, 테트라 브로모 비스페놀-A (TBBA), 옥타브로모 디페닐에테르 (OBDPE), 브롬화 에폭시, 브롬화 폴리 카보네이트 올리고모, 염소화 파라핀, 염소화 폴리에틸렌 및 지환족 염소계 난연제로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 인계 난연제는 적인, 인산 암모늄 등의 phosphates, phosphine oxide, phosphine oxide diols, phosphites, phosphonates, triaryl phosphate, alkyldiaryl phosphate, trialkyl phosphate 및 resorcinaol bisdiphenyl phosphate (RDP) 로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 질소계 난연제는 멜라민, 멜라민 포스페이트 및 멜라민 시아누레이트로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 무기화합물 난연제는 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화안티몬, 수산화주석, 산화주석, 산화몰리브덴, 지르코늄화합물, 붕산염 및 칼슘염으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 내열 물질은 구리계 내열제 또는 포스파이트계 내열제인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 포스파이트계 내열제가 비스(2,6-디-테르트-부틸-4-메틸페닐)펜타에르트리톨-디-포스파이트, 테트라키스[메틸렌-3-(라우릴티오) 프로피오네이트]메탄, 트리페닐포스파이트, 트리라우릴포스파이트, 트리스 (노닐페닐)포스파이트, 트리-이소-옥틸-포스파이트, 트리올레일포스파이트, 트리스(2,4-디-터셔리-부틸페닐)포스파이트, 디페닐-노닐페닐-포스파이트, 페닐-디-이소데실-포스파이트, 및 트리라우릴-트리-티오-포스파이트로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는 리튬 이온전지 또는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 리튬 이차 전지.
  14. 제 1항 내지 제 13항의 파우치형 리튬 이차 전지를 하나 또는 둘 이상 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전지팩에는 적어도 일부 또는 전체 단위전지들이 직렬로 연결되어 있으며, 상기 직렬 연결의 단위전지들 중 적어도 하나 또는 둘 이상의 단위전지가 상기 파우치형 리튬 이차 전지로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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