KR101104150B1 - 향상된 안전성의 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 외부로 배출할 수 있도록, 외측으로부터 만입된 구조를 가진 적어도 한 개의 절취부가 형성되어 있고, 상기 절취부가 형성되어 있는 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스로 인한 가압력이 상기 절취부에 집중될 수 있도록, 절취부를 중심으로 실링부의 양측 부위가 외측 방향으로 완만하게 돌출되어 있는 한 쌍의 내측 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

본 발명에 따른 이차전지는 고압 가스를 소망하는 부위로 선택적으로 배출하여 전지의 안전성을 담보할 수 있을 뿐만 아니라, 전지의 정상적인 작동상태에서 발생된 소량의 가스 등에 의해 실링부의 밀봉성이 해제되는 현상을 방지함으로써, 전지의 작동 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

향상된 안전성의 이차전지 {Secondary Battery of Improved Safety}

본 발명은 향상된 안전성의 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 외부로 배출할 수 있도록, 외측으로부터 만입된 구조를 가진 적어도 한 개의 절취부가 형성되어 있고, 상기 절취부가 형성되어 있는 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스로 인한 가압력이 상기 절취부에 집중될 수 있도록, 절취부를 중심으로 실링부의 양측 부위가 외측 방향으로 완만하게 돌출된 한 쌍의 내측 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 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 작동상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다. 특히, 파우치형 이차전지에서는 전지케이스의 밀봉력이 저하되어 전해액이 누출되는 문제점도 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, 전극조립체(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 제조한다.

이러한 이차전지는 내부 단락, 과충전, 고온 노출 등의 비정상적인 작동상태에 이르게 되면, 내부 전해액이 분해되면서 고압의 가스가 발생하게 된다. 발생된 고압 가스는 전지케이스의 변형을 유발하고 전지의 수명을 단축시킬 수 있으며, 심각하게는 전지의 발화 내지 폭발을 초래할 수 있다.

따라서, 이러한 고압 가스 발생시 전지의 발화 내지 폭발을 방지하고 효율적으로 가스를 방출하기 위한 다양한 시도들이 행해진 바 있다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2005-116235호는 전극조립체를 내장한 라미네이트 필름의 외주부를 열융착하여 밀봉하는 전지에서 소정의 가스 방출 기구를 형성하는 기술을 개시하고 있다.

이와 관련하여 도 2에는 상기 기술에 따른 하나의 예로서, 미융착부인 가스 방출 기구가 형성된 전지케이스의 투시 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3 내지 5에는 상기 기술에 따른 또 다른 예로서, 실층(seal layer)을 변형한 형태의 가스 방출 기구가 형성된 전지케이스 실링부의 측 단면도들이 도시되어 있다.

이들 도면을 참고하면, 상기 기술은 (i) 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 열융착시 실링부의 일부에 미융착부(11)를 형성함으로써 내부 가스의 응력이 미융착부(11)에 집중되도록 하는 방법과, (ii) 도 3 내지 5에 도시되어 있는 바와 같이, 최외층(41)/금속층(42)/실층(seal layer; 43)으로 구성된 라미네이트 필름에서, 최내층에 위치하는 실층을 변형하여 타 부위보다 열융착에 의한 접착 강도를 낮게 구성하는 방법을 개시하고 있다. 방법(ii)의 예로는, 도 3에서와 같이 실층의 일부를 제거(30)하거나, 도 4에서와 같이, 제거된 실층에 상대적으로 결합력이 낮은 고분자 수지(31)를 삽입하는 방법, 및 도 5에서와 같이, 실층의 일부에 결합력이 낮은 고분자 수지(32)를 결합시키는 방법 등이 제시되어 있다.

그러나, 본 출원의 발명자들이 수행한 실험에 따르면, 상기 기술은 가스 방출 기구가 형성된 실링부의 접착력이 약하므로, 정상적인 작동상태에서도 상기 부분을 통해 전지셀 내부로의 수분 침투 및 전해액의 누액이 지속적으로 발생하여 전지의 안전성에 심각한 문제가 있음을 확인하였다. 더욱이, 방법(i)의 경우, 전지 제조 과정에서 미융착부 형성을 위한 정밀 제어가 용이하지 않고, 내부 가스에 의한 응력이 집중되는 구조이므로 전지의 정상적인 작동 과정에서 발생되는 정도의 내부 가스압에 의해서도 미융착부가 점점 확장되면서 작동 신뢰성이 크게 떨어지고 전지의 밀봉성이 낮아진다는 문제가 있다. 또한, 상기 방법(ii)의 경우, 라미네이트 실층의 일부만을 제거하거나 별도의 수지를 삽입하는 공정 자체가 고도의 정밀 한 작업을 요하는 바, 실제 양산 공정에 적용되기 어렵다는 문제가 있다.

한편, 일본 특허등록 제3,638,765호는 판상형의 전극조립체를 외장 부재에 수납하고 외장 부재의 외주부를 열융착 내지 접착제층을 통해 밀봉한 전지에서, 외주부의 일측에 외장 부재에 비해 열안전성이 높은 재질의 고분자 수지 시트를 삽입한 상태에서 밀봉함으로써, 밀봉된 부분의 일측이 다른 부분에 비해 저하된 내압 성능을 갖도록 구성하는 기술을 개시하고 있다. 또한, 일본 특허출원공개 제2001-093489호는 전극조립체를 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장함과 동시에 양극판 및 음극판에 접속된 양극 및 음극 리드를 외장 케이스의 실링부로부터 외부로 인출한 전지에서, 외장 케이스의 실링부의 일부에는 라미네이트 시트보다 융점이 낮은 열융착 수지 시트를 삽입한 상태에서 열융착을 행하는 기술을 개시하고 있다.

그러나, 상기 기술들은 모두 삽입되는 수지 절편이 실링부의 내측 단부에서 전지셀 내부의 전해액 등에 노출되므로 심각한 문제점을 가지고 있다. 그러한 문제점을 이하에서 설명하면 다음과 같다.

이차전지의 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. 이러한 전해액은 양 극판에 도포된 활물질과 전기화학적 반응을 일으키기 위해 대부분 강한 극성을 띄고 있다. 전지셀 자체의 케이스 재질과 삽입되는 고분자 수지 시트 간의 재질의 차이는 극성이 강한 전해액과의 사이에서 반응성의 차이를 유발하게 되고, 이는 실링부의 밀봉성 약화로 직결된다.

또한, 열융착되는 실링부 내에 다른 소재의 고분자 수지가 삽입되어 있는 경 우에는, 비록 열융착 과정을 거친다 하더라도, 서로 다른 고분자 수지 간의 접합부분에는 미세한 크랙이 발생하게 되고, 충방전 과정을 반복적으로 거치는 과정에서 이러한 미세한 크랙 등으로 인해 전지의 수명이 단축될 수 있고, 발생된 크랙을 통해 전해액이 외부로 누액될 수 있다는 문제점이 발생한다.

또한, 일본 특허출원공개 제2006-351431호는 노치 등을 형성하여 가스에 의한 신장률이 실링부의 나머지 부분의 신장률 보다 큰 장력 완충부를 구비함으로써, 상기 완충부에서 가스가 우선 배출되도록 하는 이차전지에 관한 기술을 개시하고 있다.

그러나, 상기 기술은 장력 완충부의 밀봉력이 너무 약해 정상 작동 조건에서 가스가 배출될 우려가 있으며, 고압 가스의 발생시 우선 박리부가 아닌, 장력 완충부에서 우선적으로 가스가 배출될 수 있다. 따라서, 박리부의 작동 신뢰성이 현저히 낮다는 문제가 있다.

특히, 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 전원으로서 중대형 전지팩에 사용되는 이차전지는 장기간의 수명이 요구되고 다수의 전지셀들이 밀집되는 특성상 안전성 확보가 매우 중요하다.

따라서, 전지의 정상적인 작동상태에서 가스 배출을 방지하고, 예기치 못한 상황 전개로 인해 발생할 수 있는 고압 가스를 소망하는 부위로 효과적으로 방출함으로써, 전지셀의 발화 내지 폭발을 미연에 방지하여, 전지의 수명 및 안정성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

구체적으로, 본 발명의 목적은 외측으로부터 만입된 구조의 절취부 및 외측 방향으로 완만하게 돌출되어 있는 내측 만입부 구조를 통해 전지셀 내부의 고압 가스를 소망하는 부위로 효과적으로 방출함으로써, 작동의 신뢰성을 확보하고, 고압 가스의 배출을 통해 전지에 대한 발화 내지 폭발의 위험성을 미연에 차단하여 향상된 안전성을 확보할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 외부로 배출할 수 있도록, 외측으로부터 만입된 구조를 가진 적어도 한 개의 절취부가 형성되어 있고, 상기 절취부가 형성되어 있는 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스로 인한 가압력이 상기 절취부에 집중될 수 있도록, 절취부를 중심으로 실링부의 양측 부위가 외측 방향으로 완만하게 돌출된 한 쌍의 내측 만입부가 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.

본 발명에 따르면, 내측 만입부들로 인해 절취부에 대응하는 실링부('절취 실링부')는 상대적으로 전지셀 내부 방향으로 돌출된 형상을 이루게 되며, 전지셀 내부에서 고압 가스가 발생하였을 때, 이들 내측 만입부들의 가상 경계면에 대응하는 위치로 절취 실링부의 변형을 유도하므로, 결과적으로 팽창 응력이 절취 실링부에 집중되어 우선적으로 밀봉이 해제되면서, 유해한 가스를 절취부를 통해 선택적으로 외부로 배출할 수 있다.

구체적으로, 가스가 소정의 가변적인 외장재에 의해 밀폐되어 있는 구조에서, 높은 내부 압력은 그것이 최소가 될 수 있도록 외장재의 형상을 변화시킨다. 내부 압력이 최소가 되는 외장재의 형상은 동일 압력 조건에서 가스와 외장재가 접촉되는 계면적이 최소가 되는 조건을 만족하는 형상이다. 예를 들어, 공기를 불어넣은 고무 풍선의 일측 외면을 가압하여 변형한 뒤 가압력을 제거하면, 고무 풍선은 가장 작은 계면적의 구 형상을 유지하도록 복원된다.

따라서, 본 발명의 이차전지에서, 전지셀의 내부에 고압 가스가 발생하였을 때, 절취 실링부에 팽창 응력이 집중되어, 가스와 전지케이스 내부의 계면적이 최소화가 되는 내측 만입부들의 가상 경계면의 형상으로 절취 실링부가 개방(분리)되면서 절취부를 통한 가스 분출이 가능해진다.

또한, 상기와 같은 원리에 의해 절취 실링부에 팽창 응력을 집중시킬 수 있어서, 상기 절취 실링부의 폭을 지나치게 작게 만들지 않더라도 전지셀 내부의 고압 발생시 선택적인 가스 배출이 가능하므로, 전지의 정상적인 작동상태에서 상기 절취 실링부가 분리되어 밀봉이 해제되는 것을 방지할 수 있다.

상기 절취부의 형성 위치는 특별히 제한되지 않으며 예를 들어 소망하는 가스 배출 경로에 따라 적절히 결정할 수 있다. 즉, 유해한 내부가스가 무분별하게 배출되는 것을 방지하기 위하여 소정의 배기 부재를 전지셀 자체 또는 팩 케이스 등에 장착할 수 있으며, 이러한 배기 부재에 연통되도록 절취부의 위치를 결정할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 절취부는 전지케이스의 중심을 기준으로 단축 상에 위치하는 일측 또는 양측 실링 부위의 중앙에 형성할 수 있다. 여기서, 전지케이스의 중심은 전지케이스의 장축의 중심과 단축의 중심이 교차하는 지점과 그것의 인근 부위를 의미한다. 이러한 단축 상에 위치하는 실링부의 중앙은 전지 내부에서의 가스 이동 경로가 가장 짧고, 전지케이스의 부피 팽창이 가장 크게 발생하는 부위에 해당하므로 여기에 절취부를 형성하면 신속하고 효율적인 가스 배출이 이루어질 수 있기 때문이다.

상기 절취부의 길이(높이)나 개수는 특별히 제한되지 않으며 전지케이스의 크기나 예측되는 가스의 압력, 형성 공정의 작업성 및 효율성을 고려하여 적절히 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 절취부가 2 개 이상인 경우 바람직하게는 전지케이스의 중심을 기준으로 서로 대향하는 위치의 실링부 상에 형성될 수 있다.

상기 절취부의 형상은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 반원, 삼각형, 직사각형 또는 사다리꼴로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 반원 형상일 수 있다.

상기 절취부의 형성 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 전 지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착하고 수납부의 외주면 실링부를 열융착한 후, 후처리 공정으로 실링부의 외측으로부터 만입된 구조를 갖는 형태로 실링부를 절취하여 형성될 수 있다. 따라서, 간단하고 용이한 방법으로 형성될 수 있어서 작업 효율이 우수하다.

일반적으로 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지에 있어서, 전지 내에서 발생된 가스는 실링부의 열융착 부위에 압력을 가하고, 가스 압력이 실링부의 결합력을 초과할 때 실링부가 개방되면서 외부로 배출된다. 따라서, 고압 가스가 배출되는 부위는 실링부의 폭 길이에 의존적이다.

즉, 실링부의 폭 길이가 짧을수록 가스 배출이 용이한 구조가 된다. 다만, 실링부의 폭 길이가 지나치게 짧아지게 되면 외부적 충격에 의해서나 정상 상태에서 발생될 수 있는 낮은 가스압에 의해서도 쉽게 전지의 밀봉이 해제될 수 있는 바, 안전 장치의 작동 신뢰성이 저하되고, 전지의 안정성에 문제가 있다.

이를 고려하여, 하나의 바람직한 예에서 상기 절취부의 폭(Wb)은 내측 만입부에 대응하는 실링부의 폭(Wa)을 기준으로 20 내지 60%의 크기를 가질 수 있다. 상기 절취부의 폭(Wb)이 너무 작으면, 절취 실링부의 폭이 상대적으로 커져 가스의 배출 경로의 감소 정도가 미미하게 되므로, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 소망하는 정도의 우선적 개방 효과를 발휘할 수 없다. 반대로, 절취부의 폭(Wb)이 너무 큰 경우에는, 정상 상태에서의 전지의 밀봉성을 담보할 수 없다.

본 발명에 따른 이차전지의 또 다른 중요한 특징 중의 하나는 절취부를 중심으로 실링부의 양측 부위가 외측 방향으로 완만하게 돌출되어 있는 형태의 내측 만 입부가 형성되어 있다는 점이다.

이와 같이 외측으로 완만하게 돌출되어 있는 형태는, 예를 들어, 타원형의 돌출 구조일 수 있다. 이와 같이 내측에서 외측으로 돌출된 형태의 내측 만입부로 인하여, 절취 실링부의 전극조립체 측 내면은 상대적으로 전지셀 내부방향으로 돌출된 형태가 만들어진다. 이러한 내부 돌출 형상에 의해, 앞서 설명한 바와 같이, 가스가 접촉하는 전지케이스의 계면적이 커지게 되어 동일 조건에서 높은 가스압을 유발하고, 상기와 같은 높은 가스압은 내측 만입부들의 형상에 대응하는 가상의 경계선으로 팽창 응력을 유발한다. 이러한 팽창 응력이 절취부에 집중되어 절취부의 밀봉력 해제가 더욱 신속하게 이루어질 수 있어서, 작동 신뢰성이 더욱 향상되므로 전지의 안전성을 보장할 수 있다.

상기와 같은 이유로 인해, 절취부가 형성되어 있는 실링부에는 상대적으로 큰 변형력이 유발될 수 있으므로, 하나의 바람직한 예에서, 상기 내측 만입부는 실링부의 내주면과 외주면이 동일한 형상으로 굴곡져 있어서, 내측 만입부 전체에서 실링부의 폭(Wa)이 동일하게 형성되어 있는 구조일 수 있다.

또한, 상기 내측 만입부의 실링부 폭(Wa)은 내측 만입부가 형성되지 않은 부위의 실링부의 폭(W)과 같거나 그보다 큰 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 내측 만입부의 실링부 폭(Wa)은 절취부가 형성되어 있지 않은 실링부의 폭(W)보다 5 내지 20% 정도 크게 구성할 수 있다.

상기 내측 만입부는 외측 방향으로 완만하게 돌출되어 있는 형태를 갖는 바, 돌출되는 형태는 특별히 제한되지 않는다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 내측 만입부는 절취부가 형성되어 있는 실링부의 내주면 상단과 하단을 연결하는 가상선으로부터, 실링부 내주면의 최대 이격 거리가 실링부의 길이를 기준으로 2 내지 20%가 되는 크기로 원호 구조를 이루는 형상일 수 있다. 상기 최대 이격 거리가 너무 작으면, 팽창 응력을 소망하는 정도로 절취부 방향으로 집중시키기 어려울 수 있고, 반대로 최대 이격 거리가 너무 크면, 실링부의 면적이 지나치게 넓어져서 바람직하지 않다.

상기 내측 만입부의 형성은, 예를 들어, 내측 만입부에 대응하는 형상의 히팅 지그를 사용하여 전지케이스의 실링 예정 부위를 가열 가압함으로써 만들어질 수 있지만, 그것으로 한정되는 것은 아니다.

상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트, 특히, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

상기 라미네이트 시트는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성되어 있으며, 상기 외측 피복층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 연신 나일론 필름 또는 폴리에틸렌 테레 프탈레이트(PET)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 베리어층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 상기 내부 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌(cPP)이 사용될 수 있다.

상기 전극조립체는 양극과 음극 및 그 사이에 개재되어 있는 분리막으로 이루어진 구조라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴딩형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

본 발명에 따른 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으며, 특히, 리튬 함유 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는, 이른바, 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지모듈을 제공한다.

본 발명에 따른 이차전지는, 특히, 장시간의 수명과 우수한 내구성이 요구되는 고출력 대용량의 전지, 또는 이러한 전지를 단위전지로서 다수 개 포함하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 전지모듈은, 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 동력원으로 사용될 수 있다.

이러한 중대형 전지모듈의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.

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 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 절취부 및 내측 만입부가 형성된 구조의 이차전지의 투시 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 이차전지(100)는 전극조립체(110), 이를 수용하는 전지케이스(600), 전극조립체의 전극 탭들과 전기적으로 연결된 두 개의 전극리드(500, 501)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

두 개의 전극리드(500, 501)는 전극조립체의 각 극판으로부터 연장된 전극 탭들(도시하지 않음)과 용접 등의 방법으로 전기적으로 연결되어 있고, 전지케이스(600)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(500, 501)의 상, 하면 일부에는 전지케이스(600)와의 밀봉력을 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(510)이 부착되어 있다. 양, 음극의 두 개의 전극리드(500, 501)는 본 도면에서와 같이 서로 대향하는 위치에 형성되어 있을 수도 있고, 동일한 방향에 나란히 위치할 수도 있다.

전지케이스(600)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 수용할 수 있는 수납부가 형성되어 있으며, 수납부의 외주면 실링부에서 상부 전지케이스와 하부 전지케이스가 열융착에 의해 결합됨으로써 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다.

전지케이스(600)의 외주면 실링부(410)에는 외측으로부터 내측 방향으로 만입된 구조의 절취부(200)가 형성되어 있다. 절취부(200)는 전지케이스(600)의 중심(M)을 기준으로 단축(S) 상에 위치하는 실링부(410)의 중앙에 형성되어 있다. 이는, 전지 내부에서 가스가 발생할 때, 통상적으로 전지케이스(600)는 중심(M) 부위에 가스압이 집중되므로, 그것의 단축(S) 상에 위치하는 양측 실링부(410)에서 가스의 이동 경로가 가장 단축되기 때문이다.

따라서, 전지의 내부 가스에 의한 내압에 의해 절취부(200)에서 우선적으로 실링부가 개봉(분리)되면서 밀봉이 해제되게 되어, 이를 통해 가스가 배출된다.

이러한 절취부(200)를 중심으로 그것의 양 측에는 한 쌍의 내측 만입부(300)가 형성되어 있다. 내측 만입부(300)는 실링부(410)의 양측 부위가 외측 방향으로 완만하게 돌출된 구조로서, 타원형의 곡선 형상을 이룬다.

이러한 내측 만입부(300)로 인해 절취부(200) 쪽에 팽창 응력이 집중되어 절취부(200)가 개봉되면서 가스가 배출되는 원리는 본 실시예에 따른 이차전지에서 전지 내부의 고압 가스가 배출되는 과정을 모식적으로 도시한 도 7에서 더욱 구체적으로 확인할 수 있다.

도 7을 도 6과 함께 참조하면, 내측 만입부(300)의 형성으로 인해 절취부(200)가 형성된 부위의 실링부, 즉, 절취 실링부(210)는 전지셀 내부방향으로 돌출된 구조를 이룬다.

그로 인해, 전지 내부에서 고압 가스가 발생하였을 때, 전지셀 내부방향으로 돌출된 절취 실링부(210)에는 높은 팽창 응력이 인가된다. 즉, 고압 가스는, 전지셀 내부 압력을 최소화할 수 있도록, 내측 만입부(300)의 내면 형상에 대응하는 가상 경계선(La)으로 실링부 내면의 팽창을 유발한다. 이러한 과정에서, 전지셀 내부방향으로 돌출되어 있는 절취 실링부(210)에 큰 팽창 응력이 가해지고, 절취 실링부(210)는 다른 실링부보다 우선적으로 개봉(분리)되면서 실링부의 폭(Wc)이 감소하게 된다. 따라서, 계속적인 팽창과 그에 따른 절취 실링부(210)의 개봉이 정점에 이르면, 절취부(200)를 통해 가스가 외부로 배출된다.

내측 만입부(300)는 전지의 정상적인 작동상태에서 밀봉성을 담보하고 절취부(200)의 작동의 신뢰성을 유지하기 위하여, 실링부(410)의 내주면과 외주면이 동일한 형상으로 굴곡져 있어서, 전체적으로 동일한 크기의 폭(Wa)을 갖는 것이 바람직하고, 내측 만입부(300)의 실링부 폭(Wa)은 절취부가 형성되어 있지 않은 실링부(400)의 폭(W)과 동일하거나 그것보다 큰 것이 바람직하다.

이를 고려하여 절취부(200)의 폭(Wb)은 내측 만입부(300)에 대응하는 실링부의 폭(Wa)을 기준으로 20 내지 60%의 크기인 것이 바람직하다.

한편, 본 도면에서 절취부(200) 및 내측 만입부(300)의 형상은 타원형의 형상으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 전극 단자(500, 501)가 돌출되는 부위를 제외한 실링부(400) 상의 어느 위치에도 형성될 수 있음은 물론이다.

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 이들보다 다소 큰 크기로 재단된 분리막을 개재시켜 전극조립체를 조립하고, 각각 수납부가 형성된 상부 케이스와 하부 케이스로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스 내부에 전극조립체를 장착하였다.

상기 라미네이트 시트는 무연신 폴리프로필렌(cPP) 재질의 내측 수지층, 차단성 알루미늄 금속층 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 재질의 외측 수지층을 포함하는 구조로 이루어져 있다.

히팅 지그의 형상을 변경하여 전지케이스 수납부의 외주면에 대한 열융착시 도 6에서와 같이 내측 만입부의 형상이 만들어지도록 상부 케이스와 하부 케이스를 상호 결합시킨 후, 일측 실링부의 중앙 위치에 외측에서 내측으로 절취함으로써 절취부를 형성하였다. 내측 만입부에 대응하는 실링부의 폭은 절취부를 형성하지 않은 실링부의 폭과 동일하였으며, 절취부의 형상은 타원형으로 형성하였고, 절취부의 폭은 내측 만입부에 대응하는 실링부의 폭(Wa)을 기준으로 약 30% 이었다.

[비교예 1]

절취부와 내측 만입부를 형성하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[비교예 2]

내측 만입부를 형성하지 않았고, 절취부의 폭이 내측 만입부에 대응하는 실링부의 폭(Wa)을 기준으로 약 40%가 되도록 형성하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 30 개의 전지들을 대상으로 4.3 V 충전 및 3.0 V 방전 조건으로 200 사이클의 충방전을 수행하여 가스 배출 여부를 확인하였다.

또한, 상기 전지들을 약 90도의 챔버에 넣고 전지의 팽창을 유발한 후, 전지의 발화 또는 폭발 발생 여부, 내부 가스의 배출 방향, 및 가스 배출시의 전지 팽창 편차를 확인하였다. 상기 배출 방향은 내부 가스가 배출될 때 개방되었던 실링부의 위치 수로 결정하였다. 즉, 모든 전지들이 동일한 곳의 실링부가 개방되는 경우에는 1로서 설정하고, 일부 전지들의 경우 다른 위치에서 실링부 개방되는 경우에는 그러한 개방 위치 수를 가산하는 방식으로 설정하였다. 또한, 가스 배출시의 전지 팽창 편차를 가스 배출시 최대 팽창도를 나타낸 전지의 두께를 기준으로 최저 팽창도를 나타낸 전의 폭을 백분율로 환산하였다.

<표 1>

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1의 전지들은 정상적인 작동상태에서 가스가 배출되는 전지가 없었으며, 고온 조건에서 전지가 팽창하더라도 내부 가스의 효과적인 배출에 의해 전지의 발화 또는 폭발이 발생하지 않았다. 또한, 내부 가스도 일 방향 또는 양 방향으로만 배출되었다.

그러나, 비교예 1의 전지는 다수의 전지에서 발화 또는 폭발이 확인되었고, 내부 가스의 배출시 개방되는 부위도 각각 달랐다.

한편, 비교예 2의 전지들은 2 개의 전지에서 발화 또는 폭발이 확인되었고, 배출이 일어나는 시점, 즉, 실링부가 개방되는 시점에서의 전지의 팽창도에 큰 편차를 나타내었다. 즉, 낮은 팽창 상태에서도 절취부에 가압된 내부 가스로 인해 실링부가 개방되는 현상이 확인되었다. 이러한 팽창 편차는 비교예 1 보다 높은 경향이 있었다. 또한, 정상적인 작동상태에서도 다수의 전지들에서 가스 배출이 확인되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 내측 만입부가 형성되어 있어서 가압력이 절취부에 집중될 수 있으며, 절취부로 인해 밀봉력이 우선적으로 해제될 수 있는 바, 고압 가스를 소망하는 부위로 선택적으로 배출하여 전지의 안전성을 담보할 수 있을 뿐만 아니라, 정상적인 작동 조건에서 발생된 소량의 가스 등에 의해 실링부의 밀봉성이 서서히 해제되는 현상을 방지함으로써, 안전 장치 작동의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

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

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

도 2는 종래의 방법에 따른 하나의 예에서, 미융착부인 가스 방출 기구가 형성된 전지케이스의 투시 단면도이다;

도 3 내지 5는 종래의 기술에 따른 또 다른 하나의 예에서, 실층을 변형한 가스 방출 기구가 형성된 전지케이스 실링부의 측단면도들이다;

도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 절취부 및 내측 만입부가 형성된 이차전지의 투시 단면도이다;

도 7은 도 6에 따른 이차전전지의 절취부 및 내측 만입부의 작동 과정을 모식적으로 도시한 도면이다.

Claims (14)

1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서,

   전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 외부로 배출할 수 있도록, 외측으로부터 만입된 구조를 가진 적어도 한 개의 절취부가 형성되어 있고,

   상기 절취부가 형성되어 있는 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스로 인한 가압력이 상기 절취부에 집중될 수 있도록, 절취부를 중심으로 실링부의 양측 부위가 외측 방향으로 완만하게 돌출되어 있는 내측 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부의 폭(Wb)은 내측 만입부에 대응하는 실링부의 폭(Wa)을 기준으로 20 내지 60%의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부는 전지케이스의 중심을 기준으로 단축 상에 위치하는 일측 또는 양측 실링부의 중앙에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부의 형상은 반원, 삼각형, 직사각형 또는 사다 리꼴로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 내측 만입부는 실링부의 내주면과 외주면이 동일한 형상으로 굴곡져 있어서, 내측 만입부 전체에서 실링부의 폭(Wa)이 동일한 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 내측 만입부의 실링부 폭(Wa)은 절취부가 형성되어 있지 않은 실링부의 폭(W)과 동일하거나, 그것보다 큰 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 내측 만입부의 폭(Wa)은 절취부가 형성되어 있지 않은 실링부의 폭(W)보다 5 내지 20% 큰 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 내측 만입부는, 절취부가 형성되어 있는 실링부의 내주면 상단과 하단을 연결하는 가상선으로부터, 실링부 내주면의 최대 이격 거리가 실링부의 길이를 기준으로 2 내지 20%가 되는 크기로 원호 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 절취부는 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착하고 수납부의 외주면 실링부를 열융착한 후, 실링부의 외측으로부터 만입된 구조 를 갖는 형태로 실링부를 절취하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지 모듈.

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