KR101253671B1 - 리튬 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 파우치 외장재의 전면부 및 후면부는 인입부를 포함하며, 상기 전면부 및 후면부의 각각의 인입 깊이가 다른 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

리튬 이차전지 및 그 제조방법{LITHIUM SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 파우치 외장재 전면부 및 파우치 외장재 후면부는 인입부를 포함하며, 상기 전면부 및 후면부의 인입부의 인입 깊이가 다른 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지 및 그 제조방법에 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/세퍼레이터/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 세퍼레이터가 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 세퍼레이터를 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 세퍼레이터를 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.

파우치형 이차전지는, 전극조립체, 전극조립체로부터 연장되어 있는 전극탭들, 전극탭들에 용접되어 있는 전극 단자 및 전극조립체를 수용하는 파우치 외장재를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체는 세퍼레이터가 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극탭들은 전극조립체의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극 단자는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극탭들과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 파우치 외장재의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극 단자의 상하면 일부에는 파우치 외장재와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름이 부착될 수 있다.

파우치 외장재는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 적층형 전극조립체의 경우, 다수의 양극 탭들과 다수의 음극 탭들이 전극 단자에 함께 결합될 수 있도록, 파우치 외장재 내부 상단은 전극조립체로부터 소정의 길이로 이격되어 있다.

전지가 그것의 상단, 즉 양극 단자 쪽으로 낙하되거나 전지의 상단에 물리적인 외력이 가해지는 경우에, 전극조립체가 파우치 외장재의 내면 상단으로 이동되거나 또는 상단이 짓눌려서 전극조립체의 음극이 양극 탭 또는 양극 단자와 접촉되어 내부단락을 유발할 수 있으므로, 전지의 안전성에 문제가 있다.

이러한 전지의 내부단락을 방지하기 위한 기술로서, 예를 들어, 한국등록실용신안 제0207948호는 도 1에 나타낸 바와 같이 전지셀과 전극탭을 감싸서 밀봉하며 저면으로부터 상부로 올라갈수록 면적이 확장되도록 측면이 경사져 있는 케이스와, 상기 전지셀에 구비된 양극판, 음극판 및 세퍼레이터들이 상기 케이스의 경사진 측면의 내측에 근접할 수 있도록 상이한 크기로 형성되는 리튬 이온 폴리머 전지를 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 양극판, 음극판 및 세퍼레이터의 크기를 상이하게 제조하여야 하는 바, 공정이 복잡해지며, 설비비용이 증가하는 등 많은 문제점을 가지고 있어서 실용화에 한계가 있다.

또한, 종래 파우치 외장재를 인입하는 기술에서는 전극조립체를 파우치 외장재 내부에 안착시키기 위하여 전면부와 후면부를 같은 깊이로 인입하여 밀봉하거나, 전면부 혹은 후면부 어느 한쪽만 인입하여 용기형 하부와 덮개형 상부로 구성하고 이를 반으로 접어서 사용하고 있었다. 그러나, 이러한 경우 전면부와 후면부의 인입 깊이를 동일하게 형성하거나, 전면부 혹은 후면부의 어느 한쪽만 인입하여 전극조립체 수용부를 만들고, 전극조립체 안착 후 전면부와 후면부를 서로 공유하는 변을 기준으로 절곡하고 전면부와 후면부의 접하는 부분을 밀봉할 때 특히 중대형 전지의 경우 전극조립체의 부피가 증가함에 따라 절곡 과정에 작업성이 떨어질 뿐만 아니라, 전면부와 후면부가 공유하는 면에 압력이 가해지게 된다. 이에 따라 외장재로 사용하는 파우치의 전극조립체 단자 반대쪽 하단부에 전극조립체가 무리하게 밀착되어 파우치 손상을 일으키는 문제가 있었다. 또한 인입 깊이를 형성하는 공정에서 전면부와 후면부를 동시에 포밍하는 경우 인입 깊이를 3mm 이하로 제한받게 된다는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 파우치 외장재의 전면부 인입부와 파우치 외장재 후면부 인입부의 인입 깊이를 다르게 하고, 인입부를 이루는 경사부에 단차를 두어 파우치 외장재 밀봉시의 불안정성을 감소시켜 안정하고 내구성이 향상된 전지 구조로 밀봉할 수 있게 하는 리튬 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 해결하기 위하여

양극판, 음극판, 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 이루어진 전극조립체와 상기 전극조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 파우치 외장재를 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 파우치 외장재는 한변을 공유하는 전면부 및 후면부로 구성되고, 상기 전면부 및 후면부에는 바닥부, 상기 바닥부를 둘러싸는 경사부로 구성되는 인입부가 형성되어 있으며,

상기 경사부의 인입 각도가 30도 내지 90도이고,

상기 파우치 외장재 전면부 인입부 및 파우치 외장재 후면부 인입부의 인입 깊이가 1 내지 11mm 이고,

상기 파우치 외장재 전면부 인입부의 인입 깊이와 상기 파우치 외장재 후면부 인입부의 인입 깊이의 차이가 1 mm 내지 8 mm 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 파우치 외장재의 전면부 인입부의 경사부 또는 파우치 외장재 후면부 인입부의 경사부에는 인입 각도가 변하는 인입 단차가 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 인입 단차가 1개 또는 2개인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 목적을 해결하기 위하여

(a) 파우치 외장재를 준비하는 단계;

(b) 상기 파우치 외장재의 인입부에 전극조립체를 수납하는 단계;

(c) 상기 파우치 외장재를 상기 전면부와 후면부가 공유하는 변을 기준으로 반으로 접어 서로 맞닿은 상기 전면부와 후면부를 융착하는 단계; 및

(d) 상기 파우치 외장재에 전해액을 주입하여 상기 전극조립체를 함침시키는 단계를 포함하는 리튬 이차전지의 제조 방법에 있어서,

상기 파우치 외장재는 한변을 공유하는 파우치 외장재 전면부 및 파우치 외장재 후면부로 구성되고,

상기 파우치 외장재 전면부 및 파우치 외장재 후면부에는 바닥부, 상기 바닥부를 둘러싸는 경사부로 구성되는 인입부가 형성되어 있으며,

상기 경사부의 인입 각도가 30도 내지 90도이고, 상기 파우치 외장재의 전면부 및 후면부의 인입 깊이가 1 내지 11mm 이고, 상기 파우치 외장재 전면부 인입부의 인입 깊이와 상기 파우치 외장재 후면부 인입부의 인입 깊이의 차이가 1 mm 내지 8 mm 인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 파우치 외장재 전면부 인입부의 경사부 또는 파우치 외장재 후면부 인입부의 경사부에는 인입 각도가 변하는 인입 단차가 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 인입 단차가 1개 또는 2개인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 이러한 리튬 이차 전지를 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩을 제공한다.

본 발명은 파우치 외장재의 전면부와 후면부를 인입 깊이의 차이가 있도록 동시에 인입하고, 인입시 인입 각도가 변하는 인입 단차를 형성하여, 상기 전면부와 후면부를 공유하는 변을 중심으로 절곡시 중대형 전지의 경우 전극조립체의 부피에 따른 작업성이 떨어지는 문제점을 해결할 수 있으며, 상기 전면부와 후면부를 밀봉시 파우치 외장재의 불안정성을 감소시켜 안정하고 내구성이 향상되어 전기 자동차용 전지 및 대용량 이차전지에 사용될 수 있는 리튬 이차전지 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 리튬 이차전지의 측면 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 측면 구조를 나타내는 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 평면 구조를 나타내는 도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 파우치 외장재를 나타내는 도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 파우치 외장재의 인입 형상을 나타내는 도이다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지(10)를 보인 분해사시도를 나타낸다.

도 2에서 보는 바와 같이 본 발명은 양극판(12), 음극판(14), 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터(13)가 적층되어 이루어진 전극조립체(11)와 상기 전극조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 파우치 외장재(100)를 포함하는 파우치형 리튬 이차전지에 관한 것이다.

상기와 같은 파우치형 리튬 이차전지는

(a) 한변을 공유하는 전면부 및 후면부로 구성되고, 상기 전면부와 후면부에는 바닥부, 상기 바닥부를 둘러싸는 경사부로 구성되는 인입부가 형성되어 있으며, 상기 경사부의 인입 각도가 30도 내지 90도이고, 상기 상기 파우치 외장재의 전면부 및 후면부의 인입 깊이가 1 내지 11mm 이고, 상기 파우치 외장재의 전면부 인입부의 인입 깊이와 상기 후면부 인입부의 인입 깊이의 차이가 1 mm 내지 8 mm 인 파우치 외장재를 준비하는 단계;

(b) 상기 파우치 외장재에 전극조립체를 수납하는 단계;

(c) 상기 파우치 외장재를 상기 전면부와 후면부가 공유하는 변을 기준으로 반으로 접어 서로 맞닿은 상기 전면부와 후면부를 융착하는 단계;및

(d) 상기 파우치 외장재에 전해액을 주입하여 상기 전극조립체를 함침시키는 단계에 따라 제조된다.

이하, 본 발명의 리튬 이차전지의 제조 방법에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.

먼저, 상기 (a) 단계에서는 전극조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 파우치 외장재(1)를 준비한다.

상기 파우치 외장재(1)는, 바람직하게는, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 구체적으로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 장착될 수 있는 수납부를 형성한 파우치형 케이스일 수 있다. 이러한 라미네이트 시트의 전지케이스는 수납부 상에 전극조립체를 장착한 후, 예를 들어, 열융착에 의해 밀봉된다. 상기 파우치 외장재는 그 재질이 알루미늄(Al)과 같은 금속재로 이루어진 심부와, 상기 심부의 상부면상에 형성된 열융착층과, 상기 심부의 하부면 상에 형성된 절연막으로 이루어진다. 상기 열융착층은 폴리머 수지인 변성 폴리프로필렌, 예컨대 CPP(Casted Polypropylene)를 사용하여 접착층으로 작용하며, 상기 절연막은 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 수지재가 형성되어 있을 수 있으나, 여기서 상기 파우치 외장재의 구조 및 재질을 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 파우치 외장재(100)는 도 3에서 보는 바와 같이 접히는 기준선인 접철선(300)을 통하여 전면부(400)와 후면부(500)로 구분된다. 또한, 상기 전면부 및 후면부에는 바닥부(410, 510)와 상기 바닥부를 둘러싸는 경사부(420, 520) 및 실링부(430,530)으로 구성되는 인입부(450, 550)이 형성되어 있다.

상기 파우치 외장재의 전면부와 후면부는 공유하는 한변인 접철선을 기준으로 절곡되게 되며, 상기 전면부 인입부 및 후면부 인입부에 의하여 상기 전극조립체를 수용하는 공간이 형성되게 된다.

도 4는 도 3 에 나타난 파우치 외장재를 접철선인 300 을 기준으로 평면으로 펼쳤을 때의 단면도를 나타낸다. 도 4에서 보는 바와 같이 인입 각도(Θ)는 전면부,후면부의 바닥부가 상기 바닥부를 둘러싸는 경사부와 이루는 각도를 나타내며, 본 발명에 있어서 상기 인입 각도(Θ)는 30도 내지 90인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 파우치 외장재는 전면부와 후면부가 맞닿도록 반으로 접어 밀봉할 때, 일반적으로 사용되는 인입 각도가 90도인 파우치 외장재에 비하여, 전극조립체의 탭이 인출되는 부분의 반대편인 전면부와 후면부가 공유하는 한변인 접철선(300)을 포함하는 전지 하단부에 걸리는 긴장이 완화된다. 그러나, 인입 각도가 30도보다 작으면 긴장 완화 효과가 미비하게 되므로 인입 각도는 30도 내지 90도가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 인입 각도를 90도보다 작게 함으로 인하여 상기 파우치 외장재의 전면부 및 후면부의 바닥부와 상기 바닥부를 둘러싸는 경사부가 일정 각도를 이루게 되는데 이를 테이퍼 포밍(taper formimg)이라고도 한다.

또한, 상기 도 4에서 상기 파우치 외장재의 전면부(400) 및 후면부(500)의 인입 깊이(D1, D2)는 전극조립체의 두께를 고려하여 적절히 선택할 수 있으며, 1 내지 11mm 인 것이 바람직하다.

본 방명에 있어서, 상기 파우치 외장재의 전면부 인입부의 인입 깊이와 상기 파우치 외장재의 후면부 인입부의 인입 깊이는 1 mm 내지 8 mm 의 차이가 있는 것이 바람직하다. 전면부와 후면부 인입부의 인입 깊이가 동일한 경우, 중대형 이차전지와 같은 큰 부피의 전극조립체의 경우 파우치 외장재를 절곡하는 과정의 작업성이 떨어지거나, 전극조립체 안착 후 밀봉 시 상기 전면부와 후면부가 공유하는 전극조립체 단자 반대쪽 하단부쪽의 파우치에 무리하게 압력이 가해지게 되고, 전극조립체가 하단부에 무리하게 밀착되어 파우치 손상을 일으키는 문제가 발생할 수 있으나, 본원 발명에서와 같이 전면부와 후면부의 인입부 깊이의 차이가 있을 경우 상기 전면부와 후면부가 공유하는 접철선에 가해지는 긴장감이 완화되어 작업성이 개선되고 파우치 손상을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 도 5에서 보는 바와 같이 상기 파우치 외장재 전면부 또는 후면부 경사부에 인입 각도가 변화하는 인입 단차(600)를 형성할 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 인입 단차(600)는 1개 또는 2개인 것이 바람직하다. 인입 단차를 두는 경우 그에 따라 생길수 있는 전지 하단부의 dead space 를 줄이기 위해 접철선으로부터의 첫번째 경사부의 인입각도(Θ2)는 두번째 경사부의 인입각도(Θ1)보다 큰 것이 바람직하다. 이러한 인입 단차는 파우치 외장재를 형성하는 과정에서 절곡부가 함께 형성하도록 파우치 외장재의 제조과정에서 형성할 수 있다

도 6에서는 본 발명에 따라 인입 단차를 1개 포함하는 파우치 외장재로 만들어진 이차 전지의 단면도를 개략적으로 나타낸다. 도 6에서 보는 바와 같이 본원 발명에서는 상기 전면부와 후면부가 공유하는 접철선(300)으로부터 상기 경사부 방향으로 인입 경사가 변하는 인입 단차(600)를 둠으로써 전극 단자가 인출 되는 전극조립체의 상단 부분에서 단락 등의 위험을 방지할 수 있음과 동시에, 전체적으로 파우치 외장재가 전극조립체를 둘러싸는 형상으로 되면서 전지내부의 전극조립체의 하단부에서 전극조립체가 파우치에 밀착되어 파우치 외장재에 생길 수 있는 손상을 동시에 막을 수 있다.

그 후, (b) 단계에서 상기와 같이 준비된 파우치 외장재에 전극조립체(3)를 수납한다. 상기 전극조립체(3)는 다수의 전극탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 스택형 구조의 전극조립체는 복수의 양극판(12), 음극판(14) 및 양극판과 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터(13)가 적층되고, 상기 각 양극판으로부터 각각 연장되는 복수개의 양극탭들(미도시) 및 상기 양극탭들과 대향되는 측의 상기 각 음극판으로부터 각각 연장되는 복수개의 음극탭들(미도시)이 있으며, 상기 양극탭들 및 음극탭들의 각 끝단과 전기적으로 결합된 양극 단자(20) 및 음극 단자(10)가 전지의 외부로 돌출되어 이루어진다. 상기 전극조립체를 구성하는 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으며, 특히, 리튬 함유 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는, 이른바, 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

이후, (c) 단계에서 상기 전면부와 후면부가 맞닿도록 반으로 접어 상기 파우치 외장재의 실링부(430,530)를 융착하여 리튬 이차전지를 완성한다. 이렇게 접힌 파우치 외장재는 열융착되며, 일반적으로 공지된 열융착 방법에 따르면 특별한 제한은 없다. 하나의 파우치 외장재로 전면부와 후면부를 인입 깊이를 다르게 하여 동시에 인입하고 접은후 융착하는 방식이기 때문에, 중대형 이차전지와 같은 큰 부피를 수용하는 경우에도 작업성이 개선되고, 융착 후에 내구성이 더 뛰어나다. 특히, 본 발명의 경우 인입 각도가 90도 미만이므로, 90도인 경우 생기는 전면부와 후면부가 접혀 겹치는 전지 하단부의 긴장이 감소하여 안정한 구조가 형성될 수 있다.

마지막으로 (d) 단계에서 상기 파우치 외장재에 전해액을 주입하여 상기 전극조립체를 함침시킨다. 상기 전해액은 충ㆍ방전시 전지 내부의 양극 및 음극에서 전기 화학적 반응에 의하여 생성되는 리튬 이온(Li ion)의 이동 매체 역할을 하며, 이는 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 상기 전해액 물질의 종류를 한정하는 것은 아니다.

1 파우치 외장재 2 전지 단자부
3 전극조립체 4 전지 하단부
10 음극 단자 20 양극 단자
11 음극판 21 양극판
30 세퍼레이터 100 인입 깊이
200 인입 각도 300 전지 단자부 위치
400 전면부 500 후면부
600 인입단차

Claims (7)

1. 양극판, 음극판, 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 이루어진 전극조립체와 상기 전극조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 파우치 외장재를 포함하는 리튬 이차전지에 있어서,
   상기 파우치 외장재는 접철선을 공유하는 전면부 및 후면부로 구성되고, 상기 전면부 및 후면부에는 바닥부, 상기 바닥부를 둘러싸는 경사부로 구성되는 인입부가 형성되어 있으며,
   상기 경사부의 인입 각도가 30도 내지 90도 미만이고,
   상기 파우치 외장재 전면부 인입부 및 파우치 외장재 후면부 인입부의 인입 깊이가 1 내지 11mm 이고,
   상기 파우치 외장재 전면부 인입부의 인입 깊이와 상기 파우치 외장재 후면부 인입부의 인입 깊이의 차이가 1 mm 내지 8 mm 이고,
   상기 파우치 외장재의 전면부 인입부의 경사부 또는 파우치 외장재 후면부 인입부의 경사부에는 인입 각도가 변하는 인입 단차가 1개 또는 2개 있으며, 상기 접철선으로부터 첫번째 경사부의 인입 각도는 두번째 경사부의 인입 각도보다 큰 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
   
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7. 제 1항에 의한 리튬 이차전지를 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩.

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