KR101229228B1 - 수분 차단성이 향상된 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극조립체에 전기적으로 연결된 전극단자들이 전지케이스의 일측 단부 또는 양측 단부로 돌출되어 있고, 상기 전지케이스의 외주면에 위치한 열융착 부위(실링부위)의 외측 단부에는, 실링부위의 분리와 가스 및 수분의 침투를 방지할 수 있는 금속박이 전지케이스의 금속층에 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

수분 차단성이 향상된 이차전지 {Secondary Battery with Improved Moisture Barrier}
본 발명은 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극조립체에 전기적으로 연결된 전극단자들이 전지케이스의 일측 단부 또는 양측 단부로 돌출되어 있고, 상기 전지케이스의 외주면에 위치한 열융착 부위(실링부위)의 외측 단부에는, 실링부위의 분리와 가스 및 수분의 침투를 방지할 수 있는 금속박이 전지케이스의 금속층에 용접되어 있는 구조의 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
일반적으로, 파우치형 전지는 수지층과 금속층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 전극조립체와 전해질이 밀봉되어 있는 전지를 말한다. 전지케이스에 수납되는 전극조립체는 젤리-롤형(권취형), 스택형(적층형), 또는 복합형(스택/폴딩형)의 구조로 이루어져 있다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 파우치형 전지케이스(20) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 고체 전해질 코팅 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드(40, 41)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일체로서 연결되어 있는 커버(22)로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 최외각을 이루는 외측 수지층(20a), 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층(20b), 및 밀봉을 위한 내측 수지층(20c)으로 구성되어 있다.
스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 각각 융착되어 전극리드(40, 41)에 함께 결합되어 있다. 또한, 케이스 본체(21)의 상단부(24)와 커버(22)의 상단부가 열융착기(도시하지 않음)에 의해 열융착될 때 그러한 열융착기와 전극리드(40, 41) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고 전극리드(40, 41)와 전지케이스(20)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극리드(40, 41)의 상하면에 절연필름(50)이 부착된다.
도 2에는 도 1의 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정 및 라미네이트 시트의 결합된 단면이 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 라미네이트 시트(20)는 최외각을 이루는 외측 수지층(20a), 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층(20b), 및 밀봉을 위한 내측 수지층(20c)으로 구성되어 있다.
외측 수지층(20a)은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하므로 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구되며, 일반적으로 ONy(연신 나일론)이 많이 사용되고 있다. 차단성 금속층(20b)은 공기, 습기 등이 전지의 내부로 유입되는 것을 방지하는 역할을 하며, 일반적으로 알루미늄(Al)이 많이 사용되고 있다. 내측 수지층(20c)은 전극조립체를 내장한 상태에서 인가된 열과 압력에 의해 상호 열융착되어 밀봉성을 제공하는 역할을 하며, 일반적으로 CPP(casting polypropylene: 무연신 폴리프로필렌)가 많이 사용되고 있다.
이러한 다층 라미네이트 구조의 전지케이스 시트(20)는 실링부에서 내측 수지층(20c)이 서로 대면하는 구조를 이루며, 이러한 내측 수지층(20c)은 열융착에 의해 서로 결합된다. 따라서, 라미네이트 시트가 결합된 단부에서 내측 수지층(20c)이 외부에 노출되고, 주로 고분자 수지로 되어 있는 내측 수지층(20c)은 수분의 침투가 용이하고 전해액의 누액 가능성이 존재하므로, 장기간 사용시 전지의 수명 및 안정성을 저해하는 요인으로 작용한다.
따라서, 이러한 수분의 침투 및 전해액의 누액을 방지하기 위한 다양한 시도들이 행해진 바 있다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2004-087239호는 라미네이트 필름 사이가 접합되는 측단부를 열 가압 압축 성형하여 금속막(차단성 금속층)들을 상호 접촉시킴으로써, 내측에 위치하는 수지막(내측 수지층)이 상기 금속막에 의해 피복되어 있는 라미네이트 시트를 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 열 가압 압축 성형으로 금속막을 단순히 접촉시키는 것에 불과하므로, 금속막의 결합이 견고하지 않아 충분한 내수분성을 발휘하기 어렵고, 장기간 사용시 금속막의 결합이 약해져 재차 분리되는 문제점이 있다.
따라서, 수분의 침투 및 전해액의 누액 현상을 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.
본 발명의 목적은 라미네이트 시트의 내수분성 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있는 특정한 구조의 실링부를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전극조립체에 전기적으로 연결된 전극단자들이 전지케이스의 일측 단부 또는 양측 단부로 돌출되어 있고, 상기 전지케이스의 외주면에 위치한 열융착 부위(실링부위)의 외측 단부에는, 실링부위의 분리와 가스 및 수분의 침투를 방지할 수 있는 금속박이 전지케이스의 금속층에 용접되어 있는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 라미네이트 시트의 실링부위에 결합된 금속박에 의해 수지층이 외부로 노출되는 것을 방지함으로써, 금속박의 특성에 기인한 내수분성 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
종래의 라미네이트 시트에서 상호 접하는 실링부위는 단지 내측 수지층의 결합에 의해 형성되는 바, 이러한 내측 수지층은 고분자 수지로 이루어져 있어서 금속층에 비하여 수분의 침투에 대해 매우 취약하므로, 실링부위에서 외부로 노출되는 내측 수지층을 통해 수분이 침투하거나 전해액의 누액에 의해 장기적으로 전지의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 또한, 장기간의 전지 사용시 상호 융착되어 있는 내부 수지층들이 분리되면서 역시 상기와 같은 문제점들을 초래한다.
반면에, 본 발명에서는 상기 금속박이 상기 전극단자가 돌출된 부위를 제외한 실링부위의 외측 단부에 용접되어 있으므로, 수분침투를 효과적으로 차단할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 금속박의 두께는 5 ㎛ 내지 200 ㎛의 크기일 수 있다. 상기 두께가 너무 얇은 경우에는 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다. 금속박의 더욱 바람직한 두께는 20 ㎛ 내지 100 ㎛의 크기일 수 있다
또 다른 바람직한 예에서, 내측 수지층을 외부 환경으로부터 충분히 차단하는 구조를 형성할 수 있도록, 상기 금속박의 폭은 열융착된 전지케이스 전체 두께를 기준으로 50 내지 300%의 크기일 수 있다. 상기 폭이 너무 좁은 경우에는 실링부위에 대해 수분차단이 어려울 수 있으므로 바람직하지 않고, 반면에 상기 폭이 너무 넓은 경우에는 연장된 길이의 금속박을 처리하기 위한 추가적인 공정이 필요할 수 있다.
상기 구조에서, 상기 금속박의 폭이 열융착된 전지케이스 전체 두께를 초과하는 크기일 경우에는, 보다 효과적으로 내측 수지층을 보호하기 위하여, 바람직하게는 초과되는 단부가 전지케이스의 외면을 감싸도록 절곡되어 있을 수 있다. 즉, 상기 금속박의 절곡에 의해 밀착력을 높일 뿐만 아니라, 전해액의 누액 및 수분의 침투를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 금속박은 전지케이스의 금속층에 용접될 수 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 초음파 융착에 의해 전지케이스의 금속층에 용접될 수 있다.
한편, 상기 금속박은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있는 다양한 금속 소재들이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 호일이 사용될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 금속박의 외층에 절연성 고분자 필름이 추가로 도포되어 있는 구조일 수 있으며, 이러한 구조에서, 상기 절연성 고분자 필름의 단부는 전지케이스의 외측 수지층에까지 연장된 상태로 도포되어 있을 수 있다.
즉, 상기 금속박과 금속층의 결합부가 외부 환경에 노출되는 것을 차단하여, 전지의 조립 과정 또는 사용 과정에서 예기치 못한 상황, 예를 들어, 외부 도체의 접촉, 외측 수지층의 부분적인 탈리로 인한 상호 접촉 등에 의해 이들 금속박 또는 금속층이 전극 단자와 전기적으로 접속되는 경우 전지의 충방전시 기전력 차이로 인한 부식 문제를 미연에 방지할 수 있다.
상기 절연성 고분자 필름은 전기절연성 소재로서, 금속박에 대한 절연성을 지니고 있는 물질로 이루어진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며 않으며, 그 중에서도 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 연신 또는 무연신 나일론, PTFE(polytetrafluoroethylene), PET(polyethylene terephthalate) 및 EVOH(ethylene vinyl alcohol) 등에서 선택되는 물질을 차단층으로서 포함하고 있는 것이 바람직하다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 차단성 금속층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 바람직하게는 상기 절연성 고분자 필름은 열융착 또는 접착제에 의해 금속박에 부착되어 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다.
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.
또한, 본 발명에 따른 전지는 모바일 디바이스의 소형 전지팩뿐 만 아니라, 고출력 대용량의 중대형 전지팩에 단위전지로서 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있으며, 구체적으로 모바일 전자기기일 수 있다.
또한, 본 발명의 전지팩은 장착 효율성, 구조적 안전성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치로 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지의 전지케이스의 외주면에 위치한 열융착 부위(실링부위)의 외측 단부에는, 금속박이 전지케이스의 금속층에 용접되어 있어서, 실링부위의 분리와 가스 및 수분의 침투를 방지하여, 궁극적으로 전지의 수명을 연장시키고 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 라미네이트 시트로 형성된 파우치형 전지의 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정의 단면 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 전지케이스에 대한 평면도이다;
도 4는 도 3의 전지케이스에 대한 측면 부분 확대도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지케이스의 측면 부분 확대도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 전지케이스에 대한 평면 투시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 측면 부분 확대도가 모식적으로 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 이하에서는 라미네이트 시트와 전지케이스를 동일 부호인 120으로 나타낸다.
이들 도면을 참조하면, 이차전지(100)는 내측 수지층(120a), 외측 수지층(120c) 및 금속층(120b)을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스(120) 내부에 전극조립체(130)가 내장되어 있고, 전극조립체(130)에 전기적으로 연결된 전극단자들(140, 150)이 전지케이스(120)의 일측 단부로 돌출되어 있다,
전극단자들(140, 150)이 돌출된 부위를 제외한 전지케이스(120)의 외주면에 위치한 실링부위(160)의 외측 단부에는, 금속박(200)이 전지케이스(120)의 금속층(120b)에 초음파 융착에 의해 용접된다.
금속박의 폭은 열융착된 전지케이스 전체 두께(L)를 기준으로 대략 100%의 크기로 형성되어 있으며, 이러한 금속박은 알루미늄 호일일 수 있다. 따라서, 전해액의 누액 및 수분의 침투를 방지하는 등 전지의 성능저하를 미연에 방지할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지케이스의 측면 부분 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 상기 도 3 및 도 4와 함께 참조하면, 금속박(210)의 폭이 전지케이스 전체 두께(L)를 기준으로 약 200%의 크기일 때, 초과되는 단부가 전지케이스(120)의 외면을 감싸도록 절곡되어 있어서, 밀착력과 내수분 침투성이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 금속박(210)의 외층에는 절연성 고분자 필름(220)이 추가로 도포되어 있고, 절연성 고분자 필름(220)의 단부는 전지케이스(120)의 외측 수지층(120c)에까지 연장된 상태로 도포되어 있을 수 있다.
이러한 절연성 필름(220)은 열융착에 의해 금속박(210)에 결합된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서,
    상기 전극조립체에 전기적으로 연결된 전극단자들이 전지케이스의 일측 단부 또는 양측 단부로 돌출되어 있고,
    상기 전지케이스의 외주면에 위치한 열융착 부위(실링부위)의 외측 단부에는, 실링부위의 분리와 가스 및 수분의 침투를 방지할 수 있는 금속박이 전지케이스의 금속층에 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속박은 상기 전극단자가 돌출된 부위를 제외한 실링부위의 외측 단부에 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속박의 두께는 5 ㎛ 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속박의 폭은 열융착된 전지케이스 전체 두께를 기준으로 50 내지 300%의 크기인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 금속박의 폭이 열융착된 전지케이스 전체 두께를 초과하는 크기일 때, 초과되는 단부가 전지케이스의 외면을 감싸도록 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 금속박은 초음파 융착에 의해 전지케이스의 금속층에 용접되는 것을 특징을 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 금속박은 알루미늄 호일인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 금속박의 외층에는 절연성 고분자 필름이 추가로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 절연성 고분자 필름의 단부는 전지케이스의 외측 수지층에까지 연장된 상태로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 절연성 고분자 필름은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 연신 또는 무연신 나일론, PTFE(polytetrafluoroethylene), PET(polyethylene terephthalate) 및 EVOH(ethylene vinyl alcohol)에서 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 절연성 고분자 필름은 열융착 또는 접착제에 의해 금속박에 부착되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 1 항에 따른 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 디바이스는 모바일 전자기기인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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