KR101032290B1 - 파우치 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상부시트와 하부시트가 실링되는 제1실링부를 포함하며, 상기 제1실링부의 일부 또는 전부에 제2실링부를 포함하는 파우치 및 이를 이용한 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명은 파우치 전지 실링부의 일부 또는 전체에 추가 실링부를 포함함으로써 외부로부터의 수분 침투와 내부로부터 전해액 누출을 효과적으로 막을 수 있어 장기 보존 성능이 개선되어 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

파우치 및 이를 포함하는 이차전지{Pouch and Secondary battery comprising the same}
본 발명은　파우치의 상부 시트와 하부 시트가 실링되는 제 1실링부의 일부 또는 전부에 추가의 실링부를 포함하여 장기 보존 특성이 향상되어 전지 성능이 향상된 파우치 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지와, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬이차전지 등을 들 수 있다. 이 중에서, 리튬이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수 개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 두 전극과 분리막, 전해질을 필름으로 만든 파우치에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
다음 도 1은 파우치형 이차전지를 나타내고 있는데, 여기서 파우치는 수용부(21)가 형성된 하부 시트(20)와 이를 덮는 상부 시트(10)로 크게 구분되고, 상기 수용부(21)에 내장되는 전극조립체(30)는 양극(31) 및 음극(35)과 분리막(33)이 적층 권취되어 이루어진다. 상기 전극조립체를 수납한 다음 상부 시트(10)와 하부 시트(20)를 열융착시키면 실링부(23)를 형성하게 되며, 각 전극에서는 탭(37, 38)이 인출되고, 전극 탭(37, 38)에는 실링부(23)와 겹치는 부분에 테이프(39)가 부착될 수 있다.
상기 상부 시트(10)와 하부 시트(20)로 구성된 파우치를 상부 시트(10)를 이용하여 설명하면, 순차적으로 열융착성을 가져 실링재 역할을 하는 내부층(15)인 폴리올레핀계 수지층(Polyolepin Layer), 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속층(13)인 알미늄층(AL/Aluminum Layer), 기재 및 보호층으로 작용하는 외부층(11)(통상 나일론층)이 적층된 다층막 구조로 구성되어 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다.
이러한 상부 시트와 하부 시트로 구성된 파우치는 전지 제조시 안쪽에 전극과 분리막으로 구성된 전극조립체(30)를 감싼 후 상호 열융착시키면, 다음 도 2에서와 같이 상기 상부 시트와 하부 시트가 접착되는 실링부(23)가 형성된다. 그러나 상기 파우치의 열융착 부위는 외부의 수분 침투에 약하다. 따라서, 장기적으로는 수분의 침투를 피할 수 없고, 침투된 수분은 전해액에 포함된 LiPF6의 음이온과 반응하여 HF를 생성하게 되고, 결과적으로 음극 활물질의 퇴화를 가져온다.
파우치형 이차전지는 형태에 융통성을 가질 수 있고 보다 작은 부피와 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 캔형과 달리 파우치형은 연질의 파우치를 용기로 사용하므로 기계적 강도가 약하고 밀봉의 신뢰성이 낮아질 수 있다. 따라서 누액의 문제가 큰 전해액을 사용하는 리튬 이온 이차전지보다는 주로 겔형이나 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지에 사용된다.
그런데, 파우치형 전지에서도 이차전지의 고 용량과 요구에 맞추어 보다 높은 용량의 전지를 형성하기 위해 상대적으로 작은 크기의 파우치에 보다 많은 용량을 가지도록 전극과 전해질을 포함시켜야 한다. 또한, 전지 용량이나 수용기능과 직접 관계가 없는 파우치의 주변 실링부를 점차 줄이도록 하는 요구가 발생한다.
이는 파우치의 실링부 폭을 줄이면 내부에 보다 큰 용량의 전극 조립체를 수용할 수 있고, 용량과 직접 관계없는 실링부 자체는 줄일 수 있기 때문이다. 따라서, 실링부의 폭을 줄이게 되면 동일한 크기를 가지는 파우치 대비 높은 용량의 이차전지를 형성할 수 있다.
그러나, 실링부 폭의 감소로 인해 절대적 실링 면적이 줄어들면서 파우치의 밀봉 신뢰성이 떨어지게 되고, 외부로부터 수분이 침투되어 장기적인 보존 안정성이 떨어져 이는 전지의 성능 저하로 이어지는 문제가 발생되어 이러한 문제들을 해결할 수 있는 파우치의 개발이 필요하다.
　　　　　　따라서, 본 발명에서는 상기와 같이 파우치의 실링부에서 수분이 침투되거나, 내부로부터 전해액이 누출됨으로 인해 발생되는 종래 이차 전지의 여러 가지 문제들을 해결하여 전지의 장기 보존 성능을 향상시켜, 전지 성능을 향상시키기 위한 것이다.
이에 본 발명은 상부시트와 하부시트가 실링되는 제1실링부를 포함하는 이차전지의 파우치 외장재에서, 상기 제1실링부의 일부 또는 전체에 절연 특성이 우수한 알루미늄 금속 박 테이프 또는 알루미늄 금속 박 테이프의 적어도 일면이 전기절연성을 가지는 물질로 도포된 테이프로 도포시킨 제2실링부를 포함시킴으로써 외부로부터의 수분 침투를 막아 전지 성능이 저하되는 문제를 해결하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 외부로부터의 수분 침투, 내부로부터의 전해액 누출을 효과적으로 방지할 수 있는 파우치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 파우치를 이용하여 수분과 전해액을 효과적으로 차단시켜 장기적으로 보존 안전성이 향상되어 전지 성능이 향상된 파우치형 이차전지를 제공하는 데도 있다.
본 발명과 같이 이차전지의 파우치 제1실링부의 일부 또는 전부에 제2실링부를 형성시킴으로써 외부로부터 수분 침투와 내부의 전해액이 누출되는 것을 효과적으로 막을 수 있기 때문에 절연파괴를 최종단계에서 예방하고 연결된 다른 셀과의 간섭을 최소화시킬 수 있어 장기적으로 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 파우치 외장재 실링부의 절연 특성이 향상되어 외부로부터 수분 등이 침투되는 것을 방지하여 장기적인 보존 특성이 향상되는 효과를 가진다.
도 1은 파우치형 폴리머 이차전지의 일반적인 구조를 나타낸 것이고,
도 2는 실링부를 포함하는 통상의 파우치형 전지이고,
도 4~11은 본 발명의 일 실시 양태에 따른 파우치형 전지를 나타낸 것이며,
도 12는 실시예와 비교예에 따라 제조된 전지의 보존 기간에 따른 방전 저항 측정 그래프이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파우치는 상부시트와 하부시트가 실링되는 제1실링부를 포함하며, 상기 제1실링부의 일부 또는 전부에 제2실링부를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 이차전지는 상기와 같은 구조를 가지는 파우치를 이용한 것을 그 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 파우치는 다음 도 3~5에서와 같이 상부시트(110)와 하부시트(120)가 실링되는 제1실링부(123)를 포함하며, 상기 상부시트(110)와 하부시트(120)에서 제1실링부(123)의 일부 또는 전부에 제2실링부(140a, 140b)를 포함한다.
다음 도 4는 상기 제1실링부(123)의 일부에 제2실링부(140a)를 포함하는 일례를 나타낸 것이며, 다음 도 5는 상기 제1실링부(123)의 전부에 제2실링부(140b)를 포함하는 것이다.
본 발명에 따른 상기 제2실링부는 알루미늄 금속 박 테이프, 또는 알루미늄 금속 박 테이프의 적어도 일면이 전기절연성을 가지는 물질로 도포된 것이 바람직하다. 여기서 상기 전기절연성을 가지는 물질은 폴리올레핀계 고분자, 폴리에스터계 고분자, 및 나일론 중에서 선택되는 것이나, 전기절연성을 가지는 것이면 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 파우치 외장재의 상부 시트와 하부 시트가 열융착에 의해 접착되는 실링부에 알루미늄 금속 박 테이프, 또는 알루미늄 금속 박 테이프의 적어도 일면이 전기절연성을 가지는 물질로 도포된 테이프로 제2실링부를 형성하는 경우, 상기 상부와 하부 시트 간의 접착 불량으로 인해 외부로부터 수분이나 충격 등에 의해 국부적으로 발생되는 절연저항이 파괴되는 것을 방지할 수 있어, 연결된 다른 셀과의 간섭을 최소화시킬 수 있다.
다음 도 6~7은 본 발명의 전극조립체(230)를 파우치 외장재에 수납시킨 후의 도면으로, 도 6은 상기 파우치 외장재의 제1실링부(223)의 일부에 알루미늄 금속 박 테이프, 또는 알루미늄 금속 박 테이프의 적어도 일면이 전기절연성을 가지는 물질로 도포된 테이프를 이용한 제2실링부(240a)가 형성된 상태를 나타낸 것이다.
도 6에서와 같이, 본 발명의 일 실시양태에 의하면, 제2실링부(240a)는 상기 제1실링부(223)의 최외각으로부터 시작하여 상기 제1실링부(223)의 일부에 형성될 수 있다. 외부로부터 수분이 침투되는 경우는 통상 상기 제1실링부의 최외각의 금속층이 노출됨으로 인한 경우가 많기 때문에, 상기 제1실링부의 최외각으로부터 시작되어 제1실링부가 차지하는 모든 영역이 아니고 그 일부에 형성하더라도 외부로부터 수분 침투와 내부로부터 전해액의 누출을 막을 수 있다.
또한, 도 7에서와 같이, 본 발명의 일 실시양태에 의하면 제2실링부(240b)는 상기 제1실링부(제2실링부로 모두 덮혀져 도면상에는 나타나 있지 않음) 상에 제1실링부의 면적과 동일한 면적으로 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시양태에 의하면, 제2실링부는 파우치의 상부시트와 하부시트가 열융착되어 실링되는 경우, 상하좌우 4면 모두에 형성될 수도 있고 일부에 형성될 수도 있으며, 그 위치가 특별히 한정되는 것은 아니다.
한편, 다음 도 8에서 보는 바와 같이, 제2실링부(340a)는 제1실링부(323)에서 전극 탭(337, 338)이 위치된 영역을 제외한 부위에 형성되는 것이 단자부의 손상 가능성을 방지하는 면에 있어 바람직하다.
본 발명의 도 8~9에서는 각각의 전극 탭(양극 탭, 음극 탭, 337, 338)이 동일한 방향으로 형성되는 경우의 예를 나타낸 것이다.
또한, 본 발명의 도 10~11에서는 각각의 전극 탭(양극 탭, 음극 탭, 437, 438)이 서로 다른 방향으로 형성되는 경우에도 전극 탭이 위치된 영역을 제외한 제1실링부(423)의 일부 또는 전체에 제2실링부(440a, 440b)를 형성시킬 수 있다.
도 8~9 역시 전극조립체를 파우치 외장재에 수납시킨 다음, 전극의 단자부를 외부로 연결하여 제조된 파우치형 전지에서 제1실링부(323)의 일부 또는 전부에 제2실링부(340a, 340b)를 포함하는 파우치 전지의 일례를 나타낸 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 제2실링부의 두께는 0.1~400㎛로 형성되는 것이 바람직하며, 0.1㎛ 미만인 경우 제2실링부의 효과를 낼 정도로는 부족하고, 400㎛를 초과하는 경우 전지의 무게, 두께, 조업성, 가격을 고려하였을 때 비 현실적이다.
상기와 같은 제2실링부의 형성으로 파우치형 리튬이온 폴리머 전지 제조시 Degasing 작업으로 인한 셀 개봉 후 최종 실링시 진공분위기로 인한 기상 전해액의 확산과, 파우치 실링부위에 묻어있는 전해액에 의한 셀 내·외부 간의 전류통로가 생길 수 있으므로 최종 실링 후 그림과 같이 절연성이 우수한 복합수지를 박막으로 코팅할 경우 누설전류가 알루미늄 재질인 셀 보호 커버를 통해 유출되는 것을 방지하여 인접 셀의 연쇄적인 성능저하를 미연에 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 제2실링부를 포함하는 경우, 파우치 형태의 외장재를 가지는 전지라면 그 형태에 제한되지 않고 사용 가능하며, 이때 전극 탭의 위치도 동일한 방향을 가져도 되고, 서로 다른 방향을 가져도 무방하며, 특별히 한정되지 않는다.
이차전지의 파우치는 통상적인 열융착층인 내부층, 금속층 및 외부층의 3개의 층을 기본적으로 포함하며, 필요에 따라 더 많은 기능 층들을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 이차전지의 파우치는 상부시트와 하부시트는 상호 마주하는 면이 열융착층이며, 이로부터 금속층과 외부층이 다른 재질의 필름층이 복수로 순차 적층되어 결합되는 형태이며, 또한, 많은 다른 대체 재질층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열융착층을 이루는 CPP층은 다른 폴리올레핀계 수지인 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 물질층으로 대체될 수 있다.
파우치의 전체 두께는 통상 40~120㎛이며, 상기 외부층과, 내부층은 10~40㎛, 금속층은 20~100㎛인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 이차전지의 파우치의 제조과정을 살피면, 상기와 같은 구조로 이루어진 상부시트와 하부시트로 이루어진 파우치를 준비하고, 상기 하부시트의 내부로 전극조립체를 수납한 다음 상기 상부시트와 하부시트의 마주보는 면을 열융착시켜 접착시키면 상기 접착되는 부분이 제1실링부가 형성된다. 또한, 각 전극 탭이 상기 전극조립체로부터 연장되어 파우치의 외부로 형성되며, 상기 전극 탭과 제1실링부의 절연을 위해 상기 전극 탭 상에 절연필름이 통상 형성된다.
본 발명에서는 상기 제1실링부의 일부 또는 전부에 제2실링부를 형성시키며, 전극 탭을 제외한 부위에 형성되는 것이 바람직하며, 제2실링부는 제1실링부가 위치되는 영역과 동일한 면적으로 형성될 수도 있고, 일부의 면적에 형성될 수도 있다.
상기 제2실링부가 상기 제1실링부의 일부에 형성되는 경우, 상기 제2실링부는 상기 제1실링부의 끝단면으로부터 형성되는 것이 바람직하다. 이는 외부로부터의 수분이나 내부의 전해액이 주로 파우치 외장재의 단면을 통하여 흡수되거나 누출되기 때문이다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 구조를 가지는 파우치에 두 개의 서로 다른 극성의 전극이 분리막으로 분리된 상태로 이루어지는 전극조립체를 수납하여 이루어진 이차전지를 제공하는 데도 특징이 있다.
상기 전극조립체는 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 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 전극 조립체는 양극활물질을 포함하는 양극과, 음극활물질을 포함하는 음극, 및 분리막으로 구성된 것이다.
구체적으로 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
본 발명에 따른 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 하나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬망간 산화물(LiMnO2); 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 니켈 사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 하는 화합물과 혼합 사용할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 결착제는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 결착제의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
또한, 음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 재료는 비정질 카본 또는 정질 카본을 포함하며, 구체적으로는 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 -xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 양극과 음극 사이에서 상기 전극들을 절연시키는 분리막으로는 통상 알려진 폴리올레핀계 분리막이나, 상기 올레핀계 기재에 유,무기 복합층이 형성된 복합 분리막 등을 모두 사용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
상기와 같은 구조로 이루어진 전극집전체를 파우치 외장재에 수납한 다음, 전해액을 주입하여 전지를 제조한다.
본 발명에 따른 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해질로서, 이는 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑
(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
한편, 상기와 같은 파우치형 이차전지는 리튬이차전지인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하의 실시예에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예를 나타냈으나, 이와 균등물을 이용한 경우에도 본 발명과 같은 효과 및 결과를 나타낼 수 있음은 당업자에게 자명하다.
실시예
상부 시트와 하부 시트로 구성된 파우치 외장재에 양극과 음극이 분리막으로 절연되어 구성된 전극조립체를 수납한 다음, 상기 파우치 외장재의 상/하부 시트를 열융착시키고, 상기 상/하부 시트의 제1실링부에 두께 40㎛의 알루미늄 금속 박 테이프를 접착시킨 제2실링부를 형성하였다.
비교예
파우치 외장재의 상/하부 파우치 제1실링부에 알루미늄 금속 박 테이프를 부착시키지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
실험예
장기 보존 특성의 향상을 확인하기 위해서 60℃에서 유지하면서, 보존 기간에 따라서 용량 변화 및 방전 저항을 확인하였다. 보존 기간이 3주, 6주, 10주가 될 때마다 측정을 하였으며, 용량 변화의 확인은 0.5 C-rate로 4.15V, 750mA 도달 정전류/정전압 방식으로 충전을 한 후 0.5 C-rate로 3.0V 정전류 방전으로 5회 반복 후 5회째의 용량으로 확인하였다. 방전 저항의 증가는 전지의 SOC50 상태에서 5C-rate 로 10 sec 급속 방전을 하며 변화한 전위의 변화를 전류로 나누어 확인하였다.
용량 보존율의 측정 결과를 다음 표 1에 나타내었으며, 보존율(%)이 높을수록 전지 성능이 우수한 것을 나타낸다. 저항증가율(%)은 다음 표 2에 나타내었으며, 저항증가율(%)이 낮을수록 전지 성능이 우수한 것을 나타낸다.
보존기간 용량보존율(%)
비교예 실시예
0주 100 100
3주 83.9 85.1
6주 70.5 73.6
10주 51.4 57
보존기간 저항증가율(%)
비교예 실시예
0주 0 0
3주 2.9 4.8
6주 26.4 21.0
10주 55.9 39.9
상기 표 1과 2의 결과를 종합해 보면, 본 발명 실시예에 따른 전지의 경우 60℃ 10주 저장 후 기존 전지인 비교예보다 6% 정도 용량 보존율이 높으며, 저항 증가율은 10주 저장 후 실시예는 비교예보다 약 15% 정도 성능 향상을 보이는 것을 확인할 수 있다. 상기 저항 증가율 결과는 다음 도 12에서 보는 바와 같이, 본 발명 실시예의 결과가 비교예보다 현저한 효과를 가짐을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명과 같이 파우치 외장재를 구성하는 상부시트와 하부시트의 제1실링부에 제2실링부를 형성시킴으로써 상기 제1실링부를 통한 외부로부터의 수분 침투와 내부의 전해액 누출을 효과적으로 막을 수 있어 용량보존율이나 저항증가율이 우수한 전지를 제조할 수 있다.

Claims (17)

  1. 상부시트와 하부시트가 실링되는 제1실링부를 포함하며,
    상기 제1실링부가 형성된 면 중 적어도 어느 한 면 이상의 일부 또는 전부에 알루미늄 금속 박, 또는 알루미늄 금속 박의 적어도 일면이 전기절연성을 가지는 물질로 도포되는 제2실링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제2실링부는 불연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2실링부는 제1실링부가 형성된 전면(全面)에 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2실링부는 상기 제1실링부의 끝단면으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1실링부의 끝단면은 외측 끝단면인 것을 특징으로 하는 파우치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1실링부의 끝단면은 내측 끝단면인 것을 특징으로 하는 파우치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 전기절연성을 가지는 물질은 폴리올레핀계 고분자, 폴리에스터계 고분자, 및 나일론 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 파우치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제2실링부의 두께는 0.1~400㎛인 것을 특징으로 하는 파우치.
  9. 상부시트와 하부시트가 실링되는 제1실링부를 포함하며, 상기 제1실링부가 형성된 면 중 적어도 어느 한 면 이상의 일부 또는 전부에 제2실링부가 형성되는 것으로, 상기 제2실링부는 전극 탭이 위치된 영역을 제외한 부위에 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 전극 탭은 동일한 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 파우치.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 전극 탭은 서로 다른 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 파우치.
  12. 상부시트와 하부시트가 실링되는 제1실링부를 포함하며, 상기 제1실링부가 형성된 파우치의 4면 중 적어도 어느 한 면 이상의 제1실링부가 형성된 일부에 제2실링부가 형성되는 것으로, 상기 제2실링부는 상기 제1실링부의 끝단면으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1실링부의 끝단면은 외측 끝단면인 것을 특징으로 하는 파우치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1실링부의 끝단면은 내측 끝단면인 것을 특징으로 하는 파우치.
  15. 제 １항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서，상기 파우치를 구성하는 상부시트 및 상기 하부시트는 각각 내부층, 금속층 및 외부층이 순차적으로 적층되어 구성된 것을 특징으로 하는 파우치.
  16. 제1항, 제9항, 또는 제12항 중 어느 한 항에 따른 파우치를 포함하는 이차전지.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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