KR101096894B1 - 탭과 고분자 필름의 접합성을 향상시킨 리튬이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 두꺼운 형태의 탭을 사용하는 경우에 탭 주변에서 밀봉 성능의 저하가 발생하는 것을 방지하기 위한 구조의 리튬이차전지에 관한 것이며, 이를 위하여 탭의 단면 형상을 변화시키거나 또는 탭에 부착되는 고분자 필름에 돌기부를 형성함으로써 탭의 발열량을 줄이기 위해 약 200 ㎛ 이상의 두께를 갖는 탭이 적용된 리튬이차전지의 경우에도 탭과 고분자 필름(즉, 탭과 외장재) 사이의 밀봉 성능을 향상시키고, 그에 따라 리튬이차전지 외부로부터 수분 등의 이물질이 침투하거나 또는 전지 내부로부터 전해액 등이 누설되는 것을 방지할 수 있다.
리튬이차전지, 탭, 고분자 필름, 외장재, 밀봉

Description

탭과 고분자 필름의 접합성을 향상시킨 리튬이차전지{Li secondary battery for improving bondability of tab to polymer film}
도 1은 일반적인 리튬이차전지의 일 예를 도시한 사시도;
도 2a는 종래의 일 예에 따른 탭과 고분자 필름의 결합 사시도;
도 2b는 도 2a의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도
도 3a는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 탭과 고분자 필름의 결합 사시도;
도 3b는 도 3a의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면도;
도 4a는 본 발명의 제 1 실시형태의 제 1 변형예에 따른 탭과 고분자 필름의 결합 사시도;
도 4b는 도 4a의 Ⅳ-Ⅳ선에 따른 단면도;
도 5a는 본 발명의 제 1 실시형태의 제 2 변형예에 따른 탭과 고분자 필름의 결합 사시도;
도 5b는 도 5a의 Ⅴ-Ⅴ선에 따른 단면도;
도 6a는 본 발명의 제 1 실시형태의 제 3 변형예에 따른 탭과 고분자 필름의 결합 사시도;
도 6b는 도 6a의 Ⅵ-Ⅵ선에 따른 단면도;
도 7a는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 탭과 고분자 필름의 결합 사시도; 그리고
도 7b 및 7c는 도 7a의 Ⅶ-Ⅶ선에 따른 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 리튬이차전지 20 : 전극 조립체
30, 30', 32, 34, 36, 38 : 탭
40, 42 : 고분자 필름 42a : 상부 필름
42b : 하부 필름 44, 44a, 44b : 돌기부
본 발명은 리튬이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 두꺼운 형태의 탭을 사용하는 경우에 탭 주변에서 밀봉 성능의 저하가 발생하는 것을 방지하기 위한 구조의 리튬이차전지에 관한 것이다.
통상적으로, 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행중이다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬이차전지 등을 들 수 있다. 이 중에서, 리튬이차전지는 작동 전압이 3.6 V 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.
도 1은 일반적인 리튬이차전지의 일 예를 도시한 사시도이며, 도 1을 참조하여 리튬이차전지의 일반적인 구조를 설명하면 다음과 같다.
도 1의 리튬이차전지(10)는 파우치(pouch)형 리튬이차전지로써, 전극 조립체(20; 또는 '전지본체'라고도 한다)의 일 측면에 금속성 탭(30)이 돌출되고 전극 조립체(20) 및 탭(30)의 일부가 파우치라 불리는 외장재(50)에 의해 둘러싸여 밀봉되는 구조를 특징으로 한다. 외장재(50)는 전극 조립체가 수용되는 공간을 갖는 하부(52)와 그에 대응되는 상부(54)로 구성되며, 탭(30)의 선단부가 노출된 상태에서 전극 조립체(20) 및 탭의 잔여 부분을 감싸 밀봉한다. 덧붙여, 탭과 외장재 사이에는 고분자 필름(40)이 개재됨으로써 탭과 외장재를 접착하여 밀봉하였다.
이러한 구조의 리튬이차전지에서, 외장재의 밀봉(sealing)은 매우 중요한 이슈이며, 외부로부터 수분 등의 이물질이 침투하여 전극 조립체, 탭, 외장재의 부식을 촉진하거나 또는 정극/부극의 활물질에도 손상을 주는 등 성능의 저하를 가져올 수 있다. 일반적으로, 탭의 두께는 주로 50 내지 200 ㎛의 두께로 형성되었으며, 이 경우 수분 침투나 전해액 누수 등은 관찰되지 않았다.
한편, 위와 같은 리튬이차전지에 있어서, 전지의 출력이 커짐에 따라 탭의 저항 및 발열량이 증가하게 된다. 이는 다음의 수식에 의해 확인될 수 있다.
R = r * l / s
Q = i2 * R
여기서, R은 탭의 저항, r은 비저항(specific resistance), l은 탭의 길이, s는 탭의 단면적, Q는 탭의 발열량, 그리고 i는 전류를 의미한다.
따라서 전지의 출력을 증가시키면서 탭의 발열량을 줄이기 위하여, 탭의 단면적을 키우는 방안이 고려되었으나, 이는 탭의 두께의 증가를 가져오고 결과적으로 외장재와 탭 사이의 밀봉 저하라는 문제를 야기하게 되었다.
도 2a는 종래의 일 예에 따른 탭(30')과 고분자 필름(40)의 결합 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이다. 도 2에 도시된 것처럼, 탭(30')의 두께(d)가 소정의 값, 예컨대 200 ㎛ 이상으로 커지는 경우에 탭을 감싸는 고분자 필름(40)이 탭의 측면과 밀착되지 못하게 되어 공극(A)을 생성시킬 수 있고 결과적으로 외장재(50)와 탭(30')이 완전히 밀봉되지 못하게 됨으로써, 이 공극(A)을 통하여 외부로부터 수분이 침투하거나 또는 내부로부터 전해액 등이 누설되는 문제를 가져올 수 있다.
본 발명은 탭의 발열량을 낮추기 위하여 탭의 두께를 증가시킨 구조의 리튬이차전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 또한 탭의 두께를 증가시키는 경우에도 탭 주변부의 밀봉 성능을 유지시킬 수 있는 구조의 리튬이차전지를 제공하기 위한 것이다.
이러한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 일 측면에서 돌출된 적어도 하나의 탭을 구비한 전극 조립체와; 탭의 선단부를 제외한 부분 및 전극 조립체를 감싸 밀봉하는 외장재; 및 외장재 및 탭이 접촉하는 부분에 개재되어 접착성을 높이는 고분자 필름을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 탭이 소정의 두께로 형성되는 경우에, 탭의 단면은 상하면 중 적어도 한 면과 인접한 측면이 이루는 내각이 둔각이 되도록 형성됨으로써 탭과 고분자 필름의 접합성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.
본 발명에 있어서, 탭의 소정의 두께는 대략 200 ㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 탭의 단면은 단면의 상하 방향을 기준으로 좌우 대칭이거나, 단면의 중심을 기준으로 회전 대칭이거나, 또는 단면의 좌우 방향을 기준으로 상하 대칭인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 탭의 단면은 대응하는 상하면을 연결하는 볼록한 원호 형상의 측면을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 일 측면에서 돌출된 적어도 하나의 탭을 구비한 전극 조립체와; 탭의 선단부를 제외한 부분 및 전극 조립체를 감싸 밀봉하는 외장재; 및 외장재 및 탭이 접촉하는 부분에 개재되어 접착성을 높이며, 탭의 상하면을 감싸는 한 쌍의 고분자 필름을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 탭이 소정의 두께로 형성되는 경우에, 한 쌍의 고분자 필름은 그 대향면에서 각각 상기 탭의 폭보다 넓은 간격으로 형성되는 돌기부가 형성됨으로써 탭과 한 쌍의 고분자 필름의 접합성을 향 상시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 탭의 소정의 두께는 대략 200 ㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다. 참고로, 이하 도면은 탭과 고분자 필름 사이의 밀착된 구조를 중심으로 도시되었으며, 리튬이차전지에 관한 전반적인 구성은 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3a는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 탭과 고분자 필름의 결합 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면도이다.
도 3a 및 3b에 따르면, 본 발명의 리튬이차전지는 탭(32)의 두께(d)가 약 200 ㎛ 이상으로 두껍게 하여 발열량을 낮춘 것을 특징으로 하며, 동시에 리튬이차전지가 평행사변형 단면의 탭을 구비한 것을 특징으로 하며, 이에 따라 탭(32)과 고분자 필름(40)이 밀착하여 접착되고 결과적으로 외장재(50)와 탭(32) 사이가 밀착됨으로써 밀봉 성능이 개선된 구조를 갖는다. 즉, 탭의 단면을 기준으로 상하면에서 엇갈리는 방향에서 각각 상하면과 상하면에 인접한 측면이 이루는 내각(θ)이 둔각을 형성한 것이며, 이는 동시에 탭 단면의 중심을 기준으로 회전 대칭 구조를 이룬다.
보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 리튬이차전지는 탭의 발열량을 줄이기 위하여 탭의 두께가 대략 200 ㎛ ∼ 500 ㎛ 의 범위로 형성되며, 이때 탭의 단면이 평행사변형 형상으로 구성됨으로써 탭과 고분자 필름 사이의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 결과적으로 고분자 필름의 외측에서 접착되는 외장재와 탭의 접합성이 향상 될 수 있다. 다만, 고분자 필름(40)의 좌우 높이가 탭의 두께(d)만큼 차이가 나기 때문에, 열 압착과 같은 접합 공정에서 변형되거나 또는 누설이 발생할 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따른 리튬이차전지는 탭과 고분자 필름을 밀착시킨다는 점에서 종래의 공극(A; 도 2 참조)이 형성되는 것을 방지할 수 있다는 특징을 구현할 수 있다.
참고로, 외장재는 히트시일층(heat seal layer), 배리어층(barrier layer) 및 기재층(base layer)의 적층체로 구성되며, 특히 히트시일층은 폴리올레핀 수지를 사용하고, 금속성 탭과의 접합을 위하여 열 접착이 가능한 고분자 필름을 사용하는 것이 일반적이다. 또한 고분자 필름은 폴리올레핀층/접착성 TPX층/산변성 폴리올레핀층으로 구성될 수 있으며, 폴리올레핀층은 외장재의 히트시일층 측면에 그리고 산변성 폴리올레핀층은 금속성 탭 측면으로 향하여 배치됨으로써 외장재와 탭의 접합을 돕는다.
또한, 본 발명이 적용되는 리튬이차전지(10; 도 1 참조)로써 직육면체 형상의 전극 조립체를 감싸는 형태의 외장재가 기술되고 있으나, 이는 실시예로써 주어진 것이며, 형태 및 크기에 관계없이 외장재로부터 금속성 탭이 돌출되는 모든 구조의 리튬이차전지에 본 발명의 특징이 적용될 수 있다는 점에 유의한다.
다음으로, 도 4a는 본 발명의 제 1 실시형태의 제 1 변형예에 따른 탭과 고분자 필름의 결합 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 Ⅳ-Ⅳ선에 따른 단면도이다.
도 4a 및 4b에 따르면, 본 발명의 리튬이차전지는 탭(34)의 두께(d)가 약 200 ㎛ 이상으로 두껍게 하여 발열량을 낮춘 것을 특징으로 하며, 동시에 리튬이차 전지가 사다리꼴 단면의 탭을 구비한 것을 특징으로 하며, 이에 따라 탭(34)과 고분자 필름(40)이 밀착하여 접착되고 결과적으로 외장재(50)와 탭(34) 사이가 밀착됨으로써 밀봉 성능이 개선된 구조를 갖는다. 즉, 탭의 단면을 기준으로 상면의 양 측면에서 각각 상면과 상면에 인접한 측면이 이루는 내각(θ)이 둔각을 형성한 것이며, 이는 동시에 탭 단면의 상하 방향을 기준으로 좌우 대칭 구조를 이룬다. 또한 도 4에서는 상면이 하면보다 짧은 형상의 사다리꼴 단면이 도시되어 있으나, 이와 달리 상면이 하면보다 긴 형상의 사다리꼴 단면이 형성될 수 있다는 점은 자명하다.
보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 리튬이차전지는 탭의 단면이 사다리꼴 형상으로 구성됨으로써 탭과 고분자 필름 사이의 밀착성을 향상시킬 수 있고, 결과적으로 고분자 필름의 외측에서 접착되는 외장재와 탭의 접합성이 향상될 수 있다. 다만, 탭의 상하면 길이가 다르기 때문에, 탭에 부착되는 고분자 필름의 소모량이 달라지게 되어 이로 인하여 고분자 필름의 가공에 어려움이 발생할 수도 있다. 그럼에도,, 본 발명에 따른 리튬이차전지는 탭과 고분자 필름을 밀착시킨다는 점에서 종래의 공극(A; 도 2 참조)이 형성되는 것을 방지할 수 있다는 특징을 구현할 수 있다.
다음으로, 도 5a는 본 발명의 제 1 실시형태의 제 2 변형예에 따른 탭과 고분자 필름의 결합 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 Ⅴ-Ⅴ선에 따른 단면도이다.
도 5a 및 5b에 따르면, 본 발명의 리튬이차전지는 탭(36)의 두께(d)가 약 200 ㎛ 이상으로 두껍게 하여 발열량을 낮춘 것을 특징으로 하며, 동시에 리튬이차 전지가 길게 늘어진 육각형 형상 단면의 탭을 구비한 것을 특징으로 하며, 이에 따라 탭(36)과 고분자 필름(40)이 밀착하여 접착되고 결과적으로 외장재(50)와 탭(36) 사이가 밀착됨으로써 밀봉 성능이 개선된 구조를 갖는다. 즉, 탭의 단면을 기준으로 상하면 각각의 양 측면에서 각각 상하면과 상하면에 인접한 측면이 이루는 네 개의 내각(θ)이 모두 둔각을 형성한 것이며, 이는 동시에 탭 단면의 상하 방향을 기준으로 좌우 대칭 구조를, 좌우 방향을 기준으로 상하 대칭 구조를, 그리고 단면 중심을 기준으로 회전 대칭 구조를 이룬다.
보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 리튬이차전지는 탭의 단면이 길게 늘어진 육각형 형상으로 구성됨으로써 탭과 고분자 필름 사이의 밀착성을 향상시킬 수 있고, 결과적으로 고분자 필름의 외측에서 접착되는 외장재와 탭의 접합성이 향상될 수 있다. 특히, 앞서 기술된 실시예들과 달리, 고분자 필름의 좌우 높이가 동일하고 동시에 탭의 상하면에 부착되는 고분자 필름의 소모량이 동일하게 되어 최적화될 수 있다. 덧붙여, 본 발명에 따른 리튬이차전지는 탭과 고분자 필름을 밀착시킨다는 점에서 종래의 공극(A; 도 2 참조)이 형성되는 것을 방지할 수 있다는 특징을 구현할 수 있다.
다음으로, 도 6a는 본 발명의 제 1 실시형태의 제 3 변형예에 따른 탭과 고분자 필름의 결합 사시도이고, 도 6b는 도 6a의 Ⅵ-Ⅵ선에 따른 단면도이다.
도 6a 및 6b에 따르면, 본 발명의 리튬이차전지는 탭(38)의 양 측면이 볼록한 원호 형상을 갖고 형성된 점을 특징으로 하며, 이에 따라 탭(38)과 고분자 필름(40)이 밀착하여 접착되고 결과적으로 외장재(50)와 탭(38) 사이가 밀착됨으로써 밀봉 성능이 개선된 구조를 갖는다. 즉, 탭의 단면 중 양 측면이 볼록한 원호를 형성함으로써 종래의 수직한 측면에 비하여 보다 탭과 고분자 필름을 밀착시킬 수 있다.
다음으로, 도 7a는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 탭과 고분자 필름의 결합 사시도이고, 도 7b는 탭과 고분자 필름의 분해도이며, 도 7c는 도 7a의 Ⅶ-Ⅶ선에 따른 단면도이다.
도 7a 내지 7c에 따르면, 본 발명의 리튬이차전지는 탭(30')의 두께(d)가 약 200 ㎛ 이상으로 두껍게 하여 발열량을 낮춘 것을 특징으로 하며, 동시에 고분자 필름(42)에 탭의 폭보다 넓은 간격으로 형성된 돌기부들(44a 및 44b)을 서로 대향하도록 형성한 것을 특징으로 하며, 이에 따라 탭(30')과 고분자 필름(42)이 밀착하여 접착되고 결과적으로 외장재(50)와 탭(30') 사이가 밀착됨으로써 밀봉 성능이 개선된 구조를 갖는다. 즉, 상부 필름(42a)과 하부 필름(42b)이 탭(30')을 사이에 두고 서로 접착될 때, 서로 마주보는 면상에 형성된 돌기부들(44a, 44b)이 서로 접촉하여 맞물림으로써 공극(도 2의 A 참조)에 대응하는 영역(44)이 채워져 밀봉된 구조이다.
보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 리튬이차전지는 소정의 두께, 예컨대 약 200 ㎛ 이상의 두께를 갖는 탭(30')에 대하여 탭의 폭보다 넓은 간격으로 돌기부들(44a, 44b)이 형성된 상부/하부 필름(42a, 42b)으로 구성된 한 쌍의 고분자 필름(42)을 제공함으로써, 탭과 고분자 필름 사이의 밀착성을 향상시킬 수 있고, 결과적으로 고분자 필름의 외측에서 접착되는 외장재와 탭의 접합성이 향상될 수 있 다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 탭의 발열량을 줄이기 위하여 약 200 ㎛ 이상의 두께의 탭을 구비한 리튬이차전지에 관한 것이며, 탭과 외장재(고분자 필름) 사이에 공극이 발생하는 것을 방지하기 위하여 탭의 단면을 예컨대, 사다리꼴, 평행사변형 또는 원호 등으로 구성함으로써 탭과 고분자 필름의 접합성을 향상시킬 수 있다. 덧붙여, 탭과 외장재(고분자 필름)를 밀착시키기 위하여 한 쌍의 고분자 필름 내측에 소정의 돌기부들을 형성함으로서 탭과 고분자 필름 사이의 접합성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 리튬이차전지는 탭의 단면 형상을 변화시키거나 또는 탭에 부착되는 고분자 필름에 돌기부를 형성함으로써 탭의 두께가 두꺼워지는 경우에도 탭과 고분자 필름(즉, 탭과 외장재) 사이의 밀봉 성능을 향상시키고, 그에 따라 리튬이차전지 외부로부터 수분 등의 이물질이 침투하거나 또는 전지 내부로부터 전해액 등이 누설되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (8)

  1. 일 측면에서 돌출된 적어도 하나의 탭을 구비한 전극 조립체;
    상기 탭의 선단부를 제외한 부분 및 상기 전극 조립체를 감싸 밀봉하는 외장재; 및
    상기 외장재 및 탭이 접촉하는 부분에 개재되어 접착성을 높이는 고분자 필름을 포함하는 리튬이차전지에 있어서,
    상기 탭이 소정의 두께로 형성되는 경우에, 상기 탭의 단면은 상하면 중 적어도 한 면과 인접한 측면이 이루는 내각이 둔각이 되도록 형성됨으로써 상기 탭과 상기 고분자 필름의 접합성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 두께는 200 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 탭의 단면은 상기 단면의 상하 방향을 기준으로 좌우 대칭인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 탭의 단면은 상기 탭의 단면의 중심을 기준으로 회전 대칭인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 탭의 단면은 상기 탭의 단면의 좌우 방향을 기준으로 상하 대칭인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 탭의 단면은 대응하는 상하면을 연결하는 볼록한 원호 형상의 측면을 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
  7. 일 측면에서 돌출된 적어도 하나의 탭을 구비한 전극 조립체;
    상기 탭의 선단부를 제외한 부분 및 상기 전극 조립체를 감싸 밀봉하는 외장재; 및
    상기 외장재 및 탭이 접촉하는 부분에 개재되어 접착성을 높이며, 상기 탭의 상하면을 감싸는 한 쌍의 고분자 필름을 포함하는 리튬이차전지에 있어서,
    상기 탭이 소정의 두께로 형성되는 경우에, 상기 한 쌍의 고분자 필름은 그 대향면에서 각각 상기 탭의 폭보다 넓은 간격으로 형성되는 돌기부가 형성됨으로써 상기 탭과 상기 한 쌍의 고분자 필름의 접합성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 소정의 두께는 200 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
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