KR101274914B1 - 파우치형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스; 상기 각 전극과 전기적으로 연결되어 전지케이스의 외부로 돌출되는 양극리드 및 음극리드를 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 전지케이스의 외부로 돌출된 양극리드와 음극리드는 상호 대향되는 방향으로 단차지게 형성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 양극리드와 음극리드를 서로 반대 방향으로 단차지게 형성하여 상호 간에 충분한 이격 거리를 확보함으로써, 전지의 내압 상승이나 외부의 물리적인 충격 등의 비정상적인 상황 발생시 각 전극리드 간의 단락을 최소화할 수 있다.

Description

파우치형 이차전지{Pouch type secondary battery}

본 발명은 파우치형 이차전지에 관한 것으로, 특히 외부로 돌출된 양극리드와 음극리드가 외장재의 팽창시 서로 맞닿지 않도록 한 파우치형 이차전지에 관한 것이다.

일반적으로 전지는 분리막(separator)에 의해 서로 분리되는 양극(cathode or positive electrode)과 음극(anode or negative electrode) 및 상기 두 전극 사이에 이온 전달을 가능하게 하는 전해질을 포함하여 전기 에너지를 공급할 수 있는 것이다.

상기 전지는 한번 사용 후 폐기되는 일차전지(일반 전지)와, 충전을 통해 재사용이 가능한 이차전지로 구분된다.

근래에는 휴대폰, 노트북, PDA 등과 같은 휴대용 전자기기들의 보급으로 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 이차전지의 수요량이 급증하고 있으며, 이에 따라 이차전지의 성능이 점차 개선되어 대량 생산되고 있다.

대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 사용되고 있다. 또한 이차전지는 전극조립체를 수용하고 있는 케이스의 외관에 따라서 원통형과 각형 및 파우치형 전지로 구분할 수 있다.

이 중에서, 파우치형 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 외장재 내부에 충방전이 가능한 전극조립체가 내장된 상태로 밀봉되고, 전극조립체와 전기적으로 연결된 전극리드(양극리드/음극리드)가 외장재의 실링부 외측으로 일부 돌출되어 외부단자와 접속되는 구조로 되어 있다.

이러한 파우치형 이차전지에서 외장재가 부풀거나 전지 외부에서 충격이 가해지는 경우 양극리드와 음극리드가 상호 접촉하여 전기적 단락(쇼트)이 발생할 가능성이 높다. 구체적으로, 전지 내부의 비정상적인 반응으로 가스가 발생하여 내압이 상승한 경우 고분자 수지층과 얇은 알루미늄 금속층의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치 외장재는 부풀어 오르게 되고, 이 경우 양극리드 및 음극리드가 서로 마주보는 방향으로 기울어지면서 서로 접촉하게 되면 단락이 발생하는 것이다.

이와 같은 양극리드와 음극리드 간의 단락 가능성을 줄이기 위해 전극리드를 쌍방향으로 돌출시키는 방법이 있지만, 이 경우 2장의 라미네이트 시트(더블컵)를 상/하면이 접하는 4면에서 실링해야 하므로 1장의 라미네이트 시트(싱글컵)를 사용하여 절곡한 후 3면에서만 실링하는 경우보다 전지 제조상의 효율성이 떨어지게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 비정상적인 상황 발생시 양극리드와 음극리드 간의 전기적 단락 방지를 위해, 전지케이스가 팽창하더라도 전극리드가 서로 맞닿지 않도록 외부로 돌출된 양극리드와 음극리드의 위치를 상이하게 형성한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스; 상기 각 전극과 전기적으로 연결되어 전지케이스의 외부로 돌출되는 양극리드 및 음극리드를 포함하며, 상기 전지케이스의 외부로 돌출된 양극리드와 음극리드는 상호 대향되는 방향으로 단차지게 형성되는 파우치형 이차전지를 제공한다.

상기 외부로 돌출된 양극리드와 음극리드 사이에는 절연부재가 개재되며, 상기 절연부재는 외부로 돌출된 양극리드 및 음극리드의 서로 마주보는 면 중 적어도 1면에 코팅된다. 특히, 상기 절연부재는 외부로 돌출된 양극리드 및 음극리드의 외부단자 비접속 부분에 코팅된다.

상기 절연부재의 재질은 에폭시 수지, 아라미드 페이퍼, 폴리에스테르 필름 중 어느 하나이고, 상기 절연부재의 두께는 10㎛ ~ 1000㎛ 인 것을 특징으로 한다.

상기 양극리드 및 음극리드는 외장재로부터 동일 방향으로 돌출된 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 전지케이스의 외부로 돌출된 양극리드와 음극리드를 서로 반대 방향으로 단차지게 형성하여 상호 간에 충분한 이격 거리를 확보함으로써, 전지의 내압 상승이나 외부의 물리적인 충격 등의 비정상적인 상황 발생시 각 전극리드 간의 단락을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 파우치형 이차전지를 개략적으로 보인 사시도.

이하에서는, 본 발명에 의한 파우치형 이차전지에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

이차전지는 전해물질에 양극과 음극을 삽입하고, 이러한 양극과 음극을 연결했을 때 전해질과 전극 사이에서 발생하는 전기화학적 반응을 이용한 전지로서, 기존의 일차전지와는 달리 전기전자제품에서 소모된 에너지를 충전기에 의해 재충전하여 반복 사용할 수 있는 충전과 방전이 가능한 전지이므로, 무선 전기전자제품과 더불어 급속한 성장을 보이고 있다.

이러한 이차전지는 양극이나 음극 또는 전해질을 어떤 물질로 사용하느냐에 따라 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬이온전지, 리튬폴리머전지 등으로 나뉘며, 형태적으로는 원통형, 각형 및 파우치형 등으로 구분된다.

최근 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성의 리튬-코발트 폴리머전지와 같은 리튬이차전지에 대한 수요가 높다.

이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 일반적으로 리튬 이차전지는 내부 쇼트, 허용된 전류, 전압을 초과한 충전상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발을 초래할 수 있다.

도 1에는 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 전극조립체를 파우치형 전지케이스에 수납한 본 발명의 파우치형 이차전지가 도시되어 있다. 이와 같이 본 발명의 파우치형 이차전지는 전극조립체(도시 생략)와, 이 전극조립체를 감싸는 전지케이스(10)를 포함한다.

양극은 양극집전체 상에 양극활물질이 일부 도포된 것으로, 양극집전체는 통상 3 내지 500 ㎛의 두께로 형성된다. 이러한 양극집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

또한, 음극은 음극집전체 상에 음극활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 음극집전체는 통상 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극집전체는, 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 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 음극집전체 역시 그 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 접착력을 높일 수도 있다.

전지케이스(10)는 수지층 및 금속층의 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 장착할 수 있는 수납부가 형성되어 있는 하부케이스와, 이 하부케이스의 상측에 일체로 형성되어 있는 덮개 형태의 상부케이스로 구분된다. 또한, 이차전지의 조립 과정에서 상부케이스와 하부케이스가 접하여 열융착에 의해 밀봉될 수 있도록 전지케이스의 외주면을 따라 실링부가 형성되어 있다.

즉, 전극조립체를 수용할 수 있는 수납부가 형성되어 있는 하부케이스의 수납부 외주면과 상부케이스의 외주면이 열융착에 의해 결합됨으로써 소정의 폭을 갖는 외주면 실링부가 형성되면서 밀봉되고, 전체적으로 파우치 형상을 가지게 된다. 이와 같은 전지케이스는 단면상 대략 장방형으로 형성되어 있다.

한편, 전지케이스(10)의 외부로는 전극조립체와 전기적으로 연결되는 양극리드(11) 및 음극리드(12)가 소정량 돌출된다.

즉, 두 개의 전극리드는 전극조립체의 각 극판으로부터 연장된 전극 탭들과 용접 등의 방법으로 전기적으로 연결되어 있고, 그 일부가 전지케이스의 외부로 노출된 것이다.

양극리드(11)와 음극리드(12)는 장방형의 전지케이스(10)에서 서로 반대 방향으로 위치할 수도 있고, 본 발명과 같이 동일한 방향에 나란히 위치할 수도 있다.

한편, 전지의 충방전시 내압 상승으로 말미암아 전극조립체 및 전지케이스(10)가 부풀어 오르는 경우 전지케이스의 외부로 돌출된 양극리드(11)와 음극리드(12)가 서로 마주보는 방향으로 기울어져 상호 간에 접촉이 발생할 수 있는 바, 본 발명은 이를 방지할 수 있도록 한 것이다. 따라서, 양극리드와 음극리드가 전지케이스에서 서로 반대 방향으로 위치된 이차전지에도 본 발명이 적용될 수는 있으나, 대부분은 양극리드와 음극리드가 동일 방향으로 나란히 위치되어 서로 간에 간섭하기 쉬운 이차전지에 적용된다.

이와 같이 양극리드(11)와 음극리드(12) 간의 접촉 가능성을 최소화시키기 위해서는 양자 간의 이격 거리를 증가시켜야 한다. 이에 따라, 본 발명에서는 전지케이스(10)의 외부로 돌출된 양극리드(11)와 음극리드(12)를 상호 대향되는 방향으로 단차지게 형성한다.

이와 같이 양극리드와 음극리드 간에 충분한 이격 거리를 확보함으로써, 전지의 내압 상승으로 인한 전지케이스의 팽창 또는 외부의 물리적 충격 등 비정상적인 상황의 발생시에 양자가 전기적으로 접촉하는 것을 방지할 수 있다.

이때, 서로 반대 방향으로 단차지게 형성된 양극리드(11)와 음극리드(12) 간의 이격 거리는 3㎜~10㎜인 것이 바람직하다. 즉, 이격 거리가 3㎜ 미만일 경우에는 양극리드와 음극리드 간의 충분한 이격 거리 확보가 불확실하고, 10㎜ 초과일 경우에는 전지의 부피가 불필요하게 증가할 수 있다.

이와 더불어, 본 발명에서는 단차 형성된 각 리드에 절연부재(13)가 더 포함될 수 있다. 즉, 양극리드와 음극리드 간의 보다 확실한 단락 방지를 위해 각 리드의 단차 형성된 부분의 표면 전체에 절연부재를 부착 또는 코팅할 수 있으나, 각 전극리드는 외부단자와 전기적으로 연결이 이루어져야 하므로 절연부재는 외부단자와의 비접속 부분에 형성되는 것이 바람직하다. 더욱이, 양극리드와 음극리드 상호 간의 마주보는 내측면 모두에 절연부재를 형성할 수 있으나, 재료비 절감 등의 이점을 위해서 양극리드와 음극리드 상호 간의 마주보는 내측면 중 어느 한 면에만 절연부재를 부착 또는 코팅하는 것도 무방하다.

여기서, 절연부재의 재질은 절연성 합성수지 또는 합성섬유로서, 구체적으로 에폭시 수지, 아라미드 페이퍼(Aramid paper), 폴리에스테르 필름(Polyester film) 중 선택된 어느 하나가 적용될 수 있다.

또한, 절연부재(13)는 10㎛~1000㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 10㎛ 미만인 경우 절연효과가 미비하고, 1000㎛ 초과일 경우에는 전지의 부피를 증대시키는 결과를 초래하기 때문이다.

이와 같이 단차 형성된 양극리드와 음극리드에 절연부재를 더 부가함으로써 상호 간의 단락 가능성을 보다 확실히 감소시킬 수 있으므로 전지의 전체적인 안정성을 증가시킬 수 있게 된다.

10 ; 전지케이스
11 ; 양극리드
12 ; 음극리드
13 ; 절연부재

Claims (8)

1. 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스; 상기 각 전극과 전기적으로 연결되어 전지케이스의 외부로 돌출되는 양극리드 및 음극리드를 포함하며,
   상기 전지케이스의 외부로 돌출된 양극리드와 음극리드는 상호 대향되는 방향으로 단차지게 형성되고,
   상기 외부로 돌출된 양극리드와 음극리드 사이에는 절연부재가 개재되며,
   상기 절연부재는 상기 음극리드와 양극리드의 단차가 형성된 부분의 표면에 형성되며, 양극리드와 음극리드 상호 간의 마주보는 내 측면 중 어느 한면에만 개재되고,
   상기 절연부재의 재질은 에폭시 수지, 아라미드 페이퍼, 폴리에스테르 필름 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 외부로 돌출된 양극리드와 음극리드의 이격 거리는 3㎜~10㎜인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 절연부재는 외부로 돌출된 양극리드 및 음극리드의 외부단자 비접속 부분에 코팅되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
   
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 절연부재의 두께는 10㎛ ~ 1000㎛ 인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 양극리드 및 음극리드는 전지케이스로부터 동일 방향으로 돌출된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.

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