KR101300111B1 - 수분 침투에 대한 장기 신뢰성이 향상된 이차 전지 - Google Patents

수분 침투에 대한 장기 신뢰성이 향상된 이차 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101300111B1
KR101300111B1 KR20120096130A KR20120096130A KR101300111B1 KR 101300111 B1 KR101300111 B1 KR 101300111B1 KR 20120096130 A KR20120096130 A KR 20120096130A KR 20120096130 A KR20120096130 A KR 20120096130A KR 101300111 B1 KR101300111 B1 KR 101300111B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
secondary battery
sealing
sealing portion
characteristic length
pouch
Prior art date
Application number
KR20120096130A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130024862A (ko
Inventor
김여진
최승돈
박성준
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to EP12827385.1A priority Critical patent/EP2752914A4/en
Priority to JP2014528282A priority patent/JP2014525658A/ja
Priority to PCT/KR2012/006979 priority patent/WO2013032266A2/ko
Priority to CN201280041423.7A priority patent/CN103765627B/zh
Publication of KR20130024862A publication Critical patent/KR20130024862A/ko
Priority to US13/962,318 priority patent/US20130323580A1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101300111B1 publication Critical patent/KR101300111B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/543—Terminals
    • H01M50/552—Terminals characterised by their shape
    • H01M50/553—Terminals adapted for prismatic, pouch or rectangular cells
    • H01M50/557—Plate-shaped terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/105—Pouches or flexible bags
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/121—Organic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/124—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/14—Primary casings; Jackets or wrappings for protecting against damage caused by external factors
    • H01M50/141—Primary casings; Jackets or wrappings for protecting against damage caused by external factors for protecting against humidity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/172—Arrangements of electric connectors penetrating the casing
    • H01M50/174—Arrangements of electric connectors penetrating the casing adapted for the shape of the cells
    • H01M50/178—Arrangements of electric connectors penetrating the casing adapted for the shape of the cells for pouch or flexible bag cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/183—Sealing members
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/543—Terminals
    • H01M50/547—Terminals characterised by the disposition of the terminals on the cells
    • H01M50/548—Terminals characterised by the disposition of the terminals on the cells on opposite sides of the cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/117—Inorganic material
    • H01M50/119—Metals
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 수분 침투에 대한 장기 신뢰성이 향상된 이차 전지를 개시한다. 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는, 전극 리드가 부착된 전극 조립체; 및 상기 전극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 수납하며 가장자리를 따라 실링부가 형성된 파우치 포장재를 포함하고, 상기 실링부의 특성 길이(Characteristic length)가 10 내지 19mm2/mm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 파우치형 이차 전지의 실링부에 대한 특성 길이를 일정 범위로 제한함으로써 실링부가 차지하는 면적으로 인한 이차 전지의 용량 감소를 최대한 억제하면서도 이차 전지의 장기 사용에 따른 수분 침투 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

수분 침투에 대한 장기 신뢰성이 향상된 이차 전지{Secondary battery having improved reliability for humidity penetration thereto}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수분 침투에 대한 장기 신뢰성이 향상된 이차 전지에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차 전지에 대한 중요성이 증가되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차 전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.
이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등을 들 수 있다. 이 중에서, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수 개를 직렬 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다. 리튬 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차 전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속캔을 용기로 사용하는 캔형 이차 전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차 전지가 개발되어 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차 전지의 단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 파우치 포장재(10)는 하부 시트(12)와 이를 덮는 상부 시트(11)로 구분된다.
상기 상부 시트(11)와 하부 시트(12) 사이에 내장되는 전극 조립체(20)는 양극판(21) 및 음극판(22)과 분리막(23)이 일정한 형태로 적층된 구조를 가진다.
상기 전극 조립체(20)는 분리막(23)이 개재된 상태에서 양극판(21)과 음극판(22)이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형, 젤리-롤형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진다.
상기 젤리-롤형 구조의 전극 조립체(20)를 포함하는 이차 전지로는 한국공개특허 제2009-88761호(명칭 : 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 이차 전지) 및 한국공개특허 제2007-47377호(명칭 : 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 각형 이차 전지)를 예로 들 수 있다. 또한, 스택/폴딩형 구조의 전극 조립체(20) 또는 이 전극 조립체(20)를 포함하는 이차 전지로는 한국공개특허 제2008-36250호(명칭 : 혼합형 스택 및 폴딩형 전극조립체와 이를 포함하고 있는 이차 전지) 및 한국등록특허 제0987300호(명칭 : 스택-폴딩형 전극조립체 및 그것의 제조방법)를 예로 들 수 있다.
상기 전극 조립체(20)는 각각의 양극판(21)과 음극판(22)으로부터 연장된 양극 탭(31) 및 음극 탭(32)과, 양극 탭(31) 및 음극 탭(32)과 용접을 통해 각각 접합된 양극 리드(41) 및 음극 리드(42)를 포함한다. 여기서, 상기 양극 리드(41)와 음극 리드(42)는 외부에 있는 부하와의 접속이나 다른 이차 전지와의 전기적 연결을 위해 사용되고, 파우치 포장재(10)의 외부로 끝단이 노출된다. 도면에 도시되지 않았지만, 전극 리드(41, 42)와 파우치 포장재(10)의 실링 공정 시 리드와 파우치 포장재(10)의 접착력을 향상시키기 위해 전극 리드(41, 42)와 파우치 포장재(10)의 접합 계면에 접착 테이프가 구비될 수 있다.
상기 전극 조립체(20)를 파우치 포장재(10)에 수납한 다음 상부 시트(11)와 하부 시트(12)를 열융착시키면 도 2에 도시된 바와 같이 파우치 포장재(10)의 가장자리에 실링부(50)가 형성되는데, 상기 파우치 포장재(10)를 구성하는 필름의 단면 구조는 다음과 같다.
즉, 상기 파우치 포장재(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 열융착성을 가져 실링재 역할을 하는 열접착층(13)인 폴리올레핀계 수지층(Polyolepin Layer), 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속층(14)인 알미늄층(AL/Aluminum Layer), 기재 및 보호층으로 작용하는 외부층(15)(통상 나일론층)이 순차적으로 적층된 다층막 구조로 구성되어 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다.
그런데 상기 파우치 포장재(10)의 열융착 부위는 외부의 수분 침투에 취약한 특성이 있다. 따라서, 장기적으로는 수분의 침투를 피할 수 없고, 침투된 수분은 전해액에 포함된 LiPF6의 음이온과 반응하여 HF를 생성하게 되고, 결과적으로 음극 활물질의 퇴화를 가져온다. 음극 활물질의 퇴화는 이차 전지의 내부 저항을 증가시키게 되며, 내부 저항이 지나치게 상승하면 이차 전지의 성능이 저하되어 더 이상 사용할 수 없는 상태에 이르게 된다.
파우치형 이차 전지는 형태에 융통성을 가질 수 있고 보다 작은 부피와 질량으로 같은 용량의 이차 전지를 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 캔형과 달리 파우치형은 연질의 파우치를 용기로 사용하므로 기계적 강도가 약하고 밀봉의 신뢰성이 낮아질 수 있다. 따라서 누액의 문제가 큰 전해액을 사용하는 리튬 이온 이차 전지보다는 주로 겔형이나 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지에 사용된다.
그런데, 파우치형 이차 전지에서도 이차 전지의 고용량화 요구에 맞추어 보다 높은 용량의 전지를 제조하기 위해서는 상대적으로 작은 크기의 파우치에 보다 많은 용량을 가지도록 전극 조립체와 전해질을 포함시켜야 한다. 또한, 전지 용량이나 수용기능과 직접 관계가 없는 파우치의 주변 실링부를 점차 줄이도록 하는 요구가 발생한다. 파우치 포장재의 실링폭을 줄이면 내부에 보다 큰 용량의 전극 조립체를 수용할 수 있고, 용량과 직접 관계없는 실링부 자체는 줄일 수 있기 때문이다.
그러나, 실링폭의 감소로 인해 실링 면적이 줄어들면 파우치의 밀봉 신뢰성이 떨어지게 되고, 외부로부터 수분이 침투되어 장기적인 보존 안정성이 떨어져 이로 인해 이차 전지의 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
따라서 이차 전지의 장기 사용에 대한 수분 침투 신뢰성을 확보하기 위해서는 실링부로 인한 이차 전지의 용량 감소를 최소화하면서도 시장에서 요구되는 이차 전지의 사용 년한 동안 실링부를 통해 침투되는 수분 량을 일정한 범위로 제한할 수 있는 실링 조건이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 착안하여 창출된 것으로서, 이차 전지의 장기 사용에 따른 수분 침투 신뢰성을 향상시킬 수 있는 실링 조건으로 파우치 포장재가 실링된 파우치형 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는, 전극 리드가 부착된 전극 조립체; 및 상기 전극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 수납하며 가장자리를 따라 실링부가 형성된 파우치형 포장재를 포함하고, 상기 실링부의 특성 길이(Characteristic length)는 10 내지 19 mm2/mm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 특성 길이는 파우치 포장재의 상부 실링부, 하부 실링부, 우측 실링부 및 좌측 실링부의 특성 길이를 합산한 값으로 정의된다.
또한 각 실링부의 특성 길이는, 해당 실링부의 실링 단면 면적을 해당 실링부의 실링폭으로 나눈 값에 의해 정의된다. 여기서, 상기 실링 단면의 면적은 실링부를 실링 방향을 따라 절단하였을 때 기재로서 작용하는 상부 및 하부 시트의 금속층 사이에 형성된 열융착층의 단면 면적을 의미한다.
바람직하게, 이차 전지의 사용 년한은 시장의 요구를 감안하여 15년 이상으로 설정하며, 상기 특성 길이의 범위는 15년 동안 25도 및 80%의 상대 습도 조건에서 실링부를 통해 침투한 수분으로 인한 이차 전지의 내부 저항 증가가 10% 이내로 제한되도록 설정한다.
상기와 같은 조건에 의해 특성 길이가 정해지면 이차 전지가 15년 이상 가혹한 습도 조건에서 사용되더라도 수분 침투에 의해 이차 전지의 성능이 과도하게 저하되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 이차 전지의 내부 저항이 10% 이내로 제한되기 위해서는 이차 전지 내부로 침투된 수분의 농도는 이차 전지에 주입된 전해질을 기준으로 2500ppm 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
15년 동안 상온 및 80%의 상대 습도 조건에서 침투된 수분의 농도가 2500ppm 이하가 되기 위해서는, 하루 동안 실링부를 통해 침투한 수분의 량은 '2500ppm/(365 X 15 day)=0.4566ppm/day '로 제한되는 것이 바람직하다.
이하에서, 수분의 농도는 특별한 언급이 없는 한 이차 전지에 주입된 전해질의 농도를 기준으로 한다.
한편, 상기 특성 길이의 범위와 관련하여, 특성 길이가 10 미만이 되면 수분 침투량이 1300ppm 이하가 되며 이러한 정도의 수분 침투량은 이차 전지의 수명에 특별한 영향을 주지 않는다. 하지만 실링부의 폭이 필요 이상으로 커져 파우치 포장재의 전체 면적 대비 실링부가 차지하는 면적이 증가하여 이차 전지의 용량이 감소하거나 실링 단면 두께 또는 이차 전지의 크기가 필요 이상으로 작아진다. 반대로, 특성 길이가 19를 초과하면 수분 침투량이 2500ppm을 초과하여 이차 전지의 수명에 악영향을 미친다.
본 발명에 있어서, 파우치 포장재의 형상은 사각형으로만 제한하지 않는다. 따라서 상기 특성 길이의 산출 방식은 '실링 단면의 면적/실링폭'을 실링부를 따라 적분하여 계산하는 것으로 일반화할 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
또한, 특성 길이의 계산 시에는 실링 단면을 구성하는 열융착층 이외의 다른 구성요소는 배제한다. 따라서 전극 리드가 구비된 측의 실링부에 대한 특성 길이를 산출할 때에는 전극 리드에 의한 실링 단면의 두께 증가는 고려하지 않고 순수하게 열융착층만을 고려하여 특성 길이를 산출한다. 따라서 전극 리드가 있는 부위에서는 전극 리드의 단면적은 실링 단면의 면적에서 제외시킨다.
본 발명에 따르면, 파우치형 이차 전지의 실링부에 대한 특성 길이를 일정 범위로 제한함으로써 실링부가 차지하는 면적으로 인한 이차 전지의 용량 감소를 최대한 억제하면서도 이차 전지의 장기 사용에 따른 수분 침투 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1과 도 2는 각각 종래의 파우치형 이차 전지에 대한 단면도 및 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 실링부의 특성 길이를 설명하기 위한 파우치형 이차 전지의 평면도이다.
도 4는 도 3의 I-I'선에 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 3가지 온도 조건에서 파우치형 이차 전지의 사용 기간에 따른 수분 침투량 추정 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 3 및 도 4를 참조하여 파우치형 이차 전지의 실링부에 대한 특성 길이의 개념부터 설명하기로 한다. 도 3은 실링 공정을 완료한 상태의 파우치형 이차 전지의 평면도이고, 도 4는 도 3의 I-I' 선에 따른 단면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 실링 공정이 완료된 파우치형 이차 전지(100)의 둘레에는 소정의 폭으로 실링부(S)가 형성된다. 상기 실링부(S)는 파우치 포장재를 구성하는 상부 시트 및 하부 시트의 가장자리가 실링 공정을 통해 열융착되는 과정에서 각 시트가 맞닿는 부분에 형성되는 열융착층의 띠를 의미한다.
상기 실링부(S)는 실링 위치에 따라 상부 실링부(S1), 하부 실링부(S2), 우측 실링부(S3) 및 좌측 실링부(S4)로 구분될 수 있으며, 각각의 실링부(S1~S4)는 일정한 실링폭과 함께 실링 방향을 따라 일정한 실링 단면을 가진다.
일 예로, 우측 실링부(S3)는 Ws3에 해당하는 실링 폭을 가진다. 또한, 우측 실링부(S3)를 I-I' 선에 따라 절단해 보면 도 4에 도시된 바와 같이 일정한 실링 단면(BS3)을 가진다. 상기 실링 단면(BS3)은 일정한 두께(TS3)를 가지며 실링 방향을 따라 일정한 길이(LS3)를 가진다. 따라서 상기 실링 단면(BS3)은 두께와 길이의 곱에 해당하는 면적(A S3)을 가진다.
상기 실링 단면(BS3)의 면적(AS3)을 계산할 때에는 열융착층에 의해 점유되는 영역만을 고려하여 계산한다. 따라서 전극 리드(E)가 있는 상부 실링부(S1)와 하부 실링부(S2)의 실링 단면 면적을 계산할 때에는 전극 리드(E)에 의해 점유되는 영역은 제외한다. 즉, 전극 리드(E)가 포함된 상태의 실링 단면 면적을 계산한 후 전극 리드(E)의 단면적을 감산하여 실링 단면 면적을 계산한다.
상술한 우측 실링부(S3)의 실링폭, 실링 단면의 면적, 실링 단면의 두께, 실링 단면의 길이 등에 대한 설명은 우측 실링부(S3) 이외의 나머지 실링부에 대해서도 동일하게 적용 가능하다. 따라서 각 실링부에 대한 실링폭, 실링 단면의 면적, 두께, 길이 등을 명명할 때에는 각 실링부에 부여했던 식별 번호를 아래 첨자로 병기하기로 한다. 예를 들어, 상부 실링부(S1)의 실링폭, 실링 단면의 면적, 두께 및 길이는 각각 Ws1, As1, T s1 및 L s1으로 나타낸다.
본 발명은 각 실링부 별로 실링 단면의 면적을 실링 폭으로 나누어준 값을 해당 실링부의 특성 길이(Characteristic Length: CL이라 축약함)로 정의한다.
즉, i번째 실링부 Si의 특성 길이(CLi)는 다음 수학식1로 나타낼 수 있다.
[수학식1]
특성 길이 CL i = A Si / W Si
따라서 도 1에 도시된 파우치형 이차 전지의 특성 길이는 'CL1+ CL2+ CL3+ CL4'로 정의할 수 있으며, 하기 표 1은 각 실링부 별로 실링폭(W Si )과 실링 단면의 두께(T Si ) 및 실링 방향의 거리(L Si )가 주어졌을 때 특성 거리를 실제 계산한 예를 나타낸다.
하기 표 1의 따르면, 특성 길이는 각 실링부의 특성 길이를 합산한 값인 15.66이 된다. 참고로, 특성 길이의 단위는 mm2/mm이며, 이하에서는 단위를 생략한다.
실링 방향 거리(L, mm) 실링 단면 두께(T, mm) 실링 단면 면적(S, mm2) 실링 폭(W, mm) 특성 길이
(mm2/mm)
S1 130 0.2 26 6 4.33
S2 130 0.2 26 6 4.33
S3 250 0.14 35 10 3.5
S4 250 0.14 35 10 3.5
본 발명에 따르면, 실링부(S)의 특성 길이는 파우치 포장재 내부로 침투하는 수분량에 영향을 미친다. 수분의 침투는 주로 실링 단면을 통해 이루어지므로 실링 단면이 크면 클수록 수분 침투량은 증가한다. 또한 수분의 침투가 이루어지기 위해서는 수분이 확산을 통해 실링폭에 해당하는 길이만큼 열융착층을 통과해야 하므로 실링 폭이 크면 클수록 수분 침투량은 감소한다.
위와 같은 점을 고려하여 상기 실링부(S)의 특성 길이는 적절한 범위로 조절 하는 것이 바람직하다. 특성 길이가 작다는 것은 실링 단면이 작거나 실링폭이 크다는 것을 의미한다. 따라서 특성 길이가 작을수록 수분 침투량은 감소한다. 하지만 특성 길이가 작게 되면 이차 전지의 크기가 지나치게 작거나 실링폭이 커서 이차 전지의 용량이 줄어들게 되므로 특성 길이에 대해 적절한 하한 값을 설정하는 것이 바람직하다. 본 발명은 특성 길이의 하한 값을 10으로 설정한다. 그러면 이차 전지의 크기에 대한 시장의 요구에 적절하게 대응할 수 있을 뿐만 아니라 실링폭에 의한 이차 전지의 용량 감소를 제어할 수 있다.
상기 실링부의 특성 길이가 10 미만이 되면 이차 전지가 80%의 상대 습도 및 25도의 온도 조건에서 15년 동안 사용되었을 때 실링부를 통한 수분 침투량이 1300ppm 이하가 되며 이러한 정도의 수분 침투량은 이차 전지의 수명에 특별한 영향을 주지 않는다. 하지만 실링부의 폭이 필요 이상으로 커져 파우치 포장재의 전체 면적 대비 실링부가 차지하는 면적이 증가하여 이차 전지의 용량이 감소하거나 실링부의 실링 단면 두께 또는 이차 전지의 크기가 필요 이상으로 작아진다.
한편, 특성 길이가 증가하기 위해서는 수분 침투의 경로가 되는 실링 단면의 면적이 증가하거나 실링 단면의 면적이 동일할 경우 실링폭이 감소해야 한다. 하지만 이러한 경우 수분 침투량이 증가되어 이차 전지의 성능과 안전성에 문제가 발생할 수 있다. 따라서 특성 길이에 대해서는 상한 값을 적절하게 설정하는 것이 바람직하다.
상기 특성 길이의 상한은 시장에서 요구하는 이차 전지의 사용 년한을 고려하여 설정한다. 바람직하게, 이차 전지의 사용 년한은 시장의 요구를 감안하여 15년 이상으로 설정하며, 상기 특성 길이의 상한은 15년 동안 25도 및 80%의 상대 습도 조건에서 이차 전지가 사용되었을 때 실링부를 통해 침투한 수분으로 인한 이차 전지의 내부 저항 증가가 10% 이내로 제한되도록 설정한다.
여기서, 이차 전지의 내부 저항이 10% 이내로 제한되기 위해서는 이차 전지 내부로 침투된 수분량은 이차 전지에 주입된 전해질을 기준으로 2500ppm 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
15년 동안 25도 및 80%의 상대 습도 조건에서 침투된 수분량이2500ppm 이하가 되기 위해서는, 하루 동안 실링부를 통해 침투하는 수분량이 '2500ppm/(365 X 15 day)=0.4566ppm/day '로 제한되는 것이 바람직하다.
이러한 조건을 만족하기 위해서는 파우치 포장재의 열접착층 재질을 적절하게 선택할 필요가 있다. 바람직하게, 파우치 포장재의 열접착층은 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene: CPP)과 같은 변성 폴리올레핀 수지, 폴리프로필렌과 부틸렌과 에틸렌 삼원 공중합체 등으로 이루어질 수 있다. 하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 상기와 같은 수분 침투 조건을 충족시키기 위해 특성 길이의 상한을 19로 설정한다. 그러면 이차 전지가 15년 이상 가혹한 습도 조건에서 사용되더라도 수분 침투에 의해 이차 전지의 성능이 과도하게 저하되는 것을 방지할 수 있다. 반대로, 실링부의 특성 길이가 19를 초과하면 이차 전지가 장기간 사용되었을 때 수분 침투량이 2500ppm을 초과하여 이차 전지의 성능에 악영향을 미치므로 바람직하지 않다.
상기 실링부의 특성 길이는 이차 전지의 크기에 특별히 영향을 받지 않지만, 실링부를 제외한 셀의 면적이 10000mm2 초과, 바람직하게는 20000mm2을 초과하는 대형 셀에 적용되는 파라미터로서 고려할 수 있다. 상기와 같은 대형 셀이 사용되는 용도의 일 예로는, 전기 구동 자동차에 사용되는 대형 전지, 대용량 전력 저장 장치에 사용되는 대형 전지, 무정전 전원 장치에 사용되는 대형 전지 등을 들 수 있다.
본 발명이 제안한 범위로 실링부의 특성 길이를 제어하면, 실링 조건을 쉽게 최적화시킬 수 있다. 즉, 제조하고자 하는 이차 전지의 용량과 크기가 정해지면 파우치 포장재의 실링폭과 실링 단면의 면적을 조절하여 실링부의 특성 길이를 10 ~ 19가 되도록 하면 시행 착오법(trial and error)에 의한 반복 실험을 시행하지 않더라도 이차 전지의 장기 사용에 따른 수분 침투 신뢰성을 용이하게 확보할 수 있다.
일 예로, 최초의 설계 조건으로 실링부의 특성 길이를 산출한 결과 그 값이 20이 되었다고 가정해 보자. 이러한 경우, 상기 실링부의 실링폭을 적절하게 증가시켜(예를 들어 실링폭을 10% 증가 시킴) 상기 실링부의 특성 길이가 19 이하가 되도록 하면 별도의 시행착오법에 의한 실험을 하지 않더라도 이차 전지의 장기 사용에 따른 수분 침투 신뢰성을 확보할 수 있다.
다른 예로, 최초의 설계 조건으로 실링부의 특성 길이를 산출한 결과 그 값이 15가 되었다고 가정해 보자. 이러한 경우, 특성 길이가 10 ~ 19의 범위에 속하는 값이지만 상한 값 19와는 4 정도의 마진이 존재하므로 실링폭을 적절하게 감소시켜 실링부의 특성 길이를 19에 근접하도록 조절할 수 있다. 실링폭을 감소시켜 실링부의 특성 길이를 19에 근접시키면 주어진 이차 전지의 설계 조건에서 이차 전지의 용량을 최대한으로 늘리면서 이차 전지의 장기 사용에 따른 수분 침투 신뢰성을 확보할 수 있다. 반대로, 이차 전지의 사용 환경이 매우 가혹한 습도 조건인 경우 실링부의 특성 길이를 습도에 더욱 강인하도록 조절하는 것도 가능하다. 즉 실링부의 실링폭을 적절하게 증가시켜 특성 길이를 10에 가깝게 감소시키면 별도의 시행착오법에 의한 실험을 하지 않더라도 실링부의 특성 길이를 바람직한 범위 내에서 조절하면서 이차 전지에 대한 수분 침투 내성을 더욱 증가시킬 수 있다.
또 다른 예로 최초의 설계 조건으로 실링부의 특성 길이를 산출한 결과 그 값이 8이 되었다고 가정해 보자. 이러한 경우, 실링부의 특성 길이는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 특성 길이의 범위를 벗어난 상태이므로 상기 실링부의 실링폭을 감소시켜 실링부의 특성 길이를 10 이상으로 증가시킬 수 있다. 이렇게 되면, 별도의 시행착오법에 의한 실험을 하지 않더라도 이차 전지의 장기 사용에 따른 수분 침투 신뢰성을 확보하면서 실링부의 실링폭을 줄여서 이차 전지의 용량을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 파우치 포장재의 형상은 사각형으로만 제한하지 않는다. 따라서 상기 특성 길이의 산출 방식은 '실링 단면의 면적/실링폭'을 실링부를 따라 적분하여 계산하는 것으로 일반화할 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
본 발명에 있어서, 상기 파우치 포장재 내에는 전극 조립체(200)가 수납된다. 상기 전극 조립체(200)는 단위 셀의 조립체로 이루어진다. 단위 셀은 양극 활물질이 코팅된 양극판, 음극 활물질이 코팅된 음극판, 및 상기 양극판과 음극판을 전기적으로 분리하면서 리튬 이온의 이동을 허용하는 분리막을 포함한다. 그리고 양극 활물질과 음극 활물질은 양극판과 음극판의 어느 한쪽 표면 또는 양쪽 표면에 코팅될 수 있다. 또한, 인접하는 단위 셀 사이에는 전기적 절연을 위한 분리막이 추가로 개재되어 있을 수 있다. 단위 셀은 최 외곽 전극의 극성이 동일한 바이 셀 구조 또는 최 외곽 전극의 극성이 서로 반대인 풀 셀 구조를 모두 가질 수 있다.
상기 전극 조립체(200)는 단위 셀의 적층 방식에 따라 여러 가지 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(200)는 단순 스택 구조, 스택/폴딩형 구조, 젤리-롤구조 등을 가질 수 있다. 여기서, 단순 스택 구조는 복수의 단위 셀을 순차적으로 적층시킨 구조를 의미한다. 그리고 스택/폴딩형 구조는 복수의 단위 셀을 띠 형태의 분리막 위에 일정한 간격으로 배치시킨 후 어느 한쪽 방향으로 말아서 폴딩된 분리막 사이사이에 단위 셀을 삽입한 구조를 의미한다. 또한 젤리-롤 구조는 띠 형상으로 단위 셀을 만들고 단위 셀을 일정한 방향으로 말아 놓은 구조를 말한다.
상기 전극 조립체(200)는 각각의 극판으로부터 연장된 서로 다른 극성을 갖는 전극 탭(F)을 포함한다. 상기 전극 탭(F)은 극판과 동일한 재질로 이루어지며 동일한 극성을 갖는 전극 리드(E)와 용접을 통해 결합된다. 즉 양극에 해당하는 양극 탭은 양극 리드와 결합되고, 음극에 해당하는 음극 탭은 음극 리드와 결합된다.
상기 파우치 포장재 내부에는 이차 전지의 작동을 위해 리튬염을 포함하는 전해질이 포함된다. 이러한 전해질은 액상형, 겔형, 고체형 등 본 발명이 속한 기술분야에서 알려진 어떠한 형태라도 가능하다.
<실시예>
이하에서는 본 발명을 실험예에 의하여 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실험예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 본 발명자는 파우치형 이차 전지의 사용 년한에 따른 수분 침투량이 사용 기간에 비례하여 증가한다는 것을 실험적으로 검증해 보았다.
실험을 위해 방전 용량이 5Ah이고, 셀의 면적이 30000mm2(120mm*250mm)인 파우치형 리튬 이차 전지와 동일한 파우치 부피 및 전해액량을 갖는 모사 셀을 제작하였다.
이차 전지의 포장에 사용되는 파우치 필름은 기재층 및 열접착층이 각각 알루미늄 및 변성 폴리프로필렌인 것을 사용하였으며, 모사 셀의 실링부에 대한 특성 길이는 14로 계산되었다.
수분 침투 실험은 25도, 45도 및 60도의 3가지 온도 조건에서 상대 습도를 80%로 유지하고 있는 대기압 하의 챔버 내에 이차 전지를 방치하고 소정의 방치 기간이 경과될 때마다 각 시점 별로 전해액 내의 HF 및 수분량을 측정하는 방식으로 실시하였다. 셀 내부로 침투한 1 몰(mole)의 H2O는 2몰의 HF를 생성하므로, 전해액 내의 잔존 수분량과 HF량의 1/2이 외부에서 침투한 수분량에 해당한다.
도 5는 시간 경과에 따라 이차 전지 내부의 수분 침투량이 어떻게 변화되는지를 보여준다. 도 5에 도시된 바와 같이, 3가지 온도 조건 모두에서 수분 침투량이 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
본 실험에서는 3가지 온도 조건에서 대략 100 주까지 수분 침투량의 변화 양상을 측정하였지만 100주 이후에도 수분 침투량이 동일한 변화 양상을 보일 것으로 추정된다.
수분 침투량은 주로 파우치 포장재의 열융착층 내에서 수분이 가지는 확산계수에 따라 결정된다. 따라서 온도와 압력이 일정하게 유지되고 상기 열융착층을 통한 수분의 확산 메커니즘이 안정화되어 평형 상태에 이르면 상기 확산 계수는 비례 상수로 보아도 실험 결과의 신뢰성에 크게 문제가 없을 것으로 보인다.
다음으로, 앞서 확인한 수분 침투량의 선형적 증가 특성을 이용하여 이차 전지가 15년 동안 사용되었을 때 실링부의 특성 길이 변화에 따라 이차 전지의 수분 침투량과 이에 따른 내부 저항의 증가가 어떻게 변화되는지를 추정하여 봄으로써 본 발명이 제안한 특성 길이의 유의미성을 검증해 보기로 한다.
실시예1
방전 용량이 5A이고 셀의 면적이 30000mm2(120mm*250mm)인 파우치형 이차 전지를 제조하였다. 파우치형 이차 전지의 기본적인 구조는 도 3에 도시된 바와 같다.
이차 전지의 제조를 위해 사용된 파우치 포장재는 기재층과 열접착층이 각각 알루미늄 및 변성 폴리프로필렌인 것을 사용하였다. 실링 공정을 통해 파우치 포장재 주변에 형성된 실링부의 특성 길이를 계산한 결과 그 값은 19이었으며, 80% 의 상대 습도 및 25도의 온도 조건에서 하루 동안 이차 전지 내부로 침투된 수분량은 0.4566ppm/day로 측정되었다. 나아가 하루 동안의 수분 침투량을 근거로 15년 동안의 총 수분 침투량을 비례적으로 추정한 결과 15년 동안의 수분 침투량은 2500ppm으로 계산되었다. 이러한 수분 침투량의 계산 결과를 토대로 내부 저항 증가율 별로 수분 침투량을 정의한 룩업 테이블을 사용하여 저항 증가 정도를 예측해 보았다. 상기 룩업 테이블을 참조하여 수분 침투량이 2500ppm인 경우에 해당하는 이차 전지의 저항 증가 분을 계산한 결과 저항 증가 정도는 7.60%로 추정되었다.
실시예2
이차 전지의 실링 공정 진행 시 실링부의 실링폭을 조절하여 실링부의 특성 길이가 18이 되도록 조절하였다는 점을 제외하면 실시예1과 동일한 조건으로 파우치형 이차 전지를 제조하였다.
실시예2에 따른 이차 전지에 대해 80% 의 상대 습도 및 25도의 온도 조건에서 하루 동안 이차 전지 내부로 침투된 수분량은 0.4292ppm/day로 측정되었다. 이러한 하루 동안의 수분 침투량을 근거로 하여 15년 동안의 수분 침투량을 비례적으로 추정한 결과 그 값은 2350ppm으로 계산되었다. 또한 상술한 룩업 테이블을 이용하여 수분 침투량이 2350ppm인 경우에 해당하는 이차 전지의 저항 증가 정도는 7.40%로 추정되었다.
실시예3
이차 전지의 실링 공정 진행 시 실링부의 실링폭을 조절하여 실링부의 특성 길이가 15가 되도록 조절하였다는 점을 제외하면 실시예1과 동일한 조건으로 파우치형 이차 전지를 제조하였다.
실시예3에 따른 이차 전지에 대해 80% 의 상대 습도 및 25도의 온도 조건에서 하루 동안 이차 전지 내부로 침투된 수분량은 0.3561ppm/day로 측정되었다. 이러한 하루 동안의 수분 침투량을 근거로 하여 15년 동안의 수분 침투량을 비례적으로 추정한 결과 그 값은 1950ppm으로 계산되었다. 또한 상술한 룩업 테이블을 이용하여 수분 침투량이 1950ppm인 경우에 해당하는 이차 전지의 저항 증가 정도는 6.1%로 추정되었다.
실시예4
이차 전지의 실링 공정 진행 시 실링부의 실링폭을 조절하여 실링부의 특성 길이가 14가 되도록 조절하였다는 점을 제외하면 실시예1과 동일한 조건으로 파우치형 이차 전지를 제조하였다.
실시예4에 따른 이차 전지에 대해 80% 의 상대 습도 및 25도의 온도 조건에 하루 동안 이차 전지 내부로 침투된 수분량은 0.3287ppm/day 로 측정되었다. 이러한 하루 동안의 수분 침투량을 근거로 하여 15년 동안의 수분 침투량을 비례적으로 추정한 결과 그 값은 1800ppm으로 계산되었다. 또한 상술한 룩업 테이블을 사용하여 수분 침투량이 1800ppm인 경우에 해당하는 이차 전지의 저항 증가 정도는 5.3%로 추정되었다.
실시예5
이차 전지의 실링 공정 진행 시 실링부의 실링폭을 조절하여 실링부의 특성 길이가 10이 되도록 조절하였다는 점을 제외하면 실시예1과 동일한 조건으로 파우치형 이차 전지를 제조하였다.
실시예5에 따른 이차 전지에 대해 80% 의 상대 습도 및 25도의 온도 조건에 하루 동안 이차 전지 내부로 침투된 수분량은 0.2374ppm/day 로 측정되었다. 이러한 하루 동안의 수분 침투량을 근거로 하여 15년 동안의 수분 침투량을 비례적으로 추정한 결과 그 값은 1300ppm으로 계산되었다. 또한 상술한 룩업 테이블을 사용하여 수분 침투량이 1300ppm인 경우에 해당하는 이차 전지의 저항 증가 정도는 4.8%로 추정되었다.
비교예1
이차 전지의 실링 공정 진행 시 실링부의 실링폭을 조절하여 실링부의 특성 길이가 20이 되도록 조절하였다는 점을 제외하면 실시예1과 동일한 조건으로 파우치형 이차 전지를 제조하였다.
비교예1에 따른 이차 전지에 대해 80% 의 상대 습도 및 25도의 온도 조건에서 하루 동안 이차 전지 내부로 침투된 수분량은 0.4748ppm/day로 측정되었다. 이러한 하루 동안의 수분 침투량을 근거로 하여 15년 동안의 수분 침투량을 비례적으로 추정한 결과 그 값은 2600ppm으로 계산되었다. 또한 상술한 룩업 테이블을 이용하여 수분 침투량이 2600ppm인 경우에 해당하는 이차 전지의 저항 증가 정도는 10.80%로 추정되었다.
비교예2
이차 전지의 실링 공정 진행 시 실링부의 실링폭을 조절하여 실링부의 특성 길이가 23이 되도록 조절하였다는 점을 제외하면 실시예1과 동일한 조건으로 파우치형 이차 전지를 제조하였다.
비교예2에 따른 이차 전지에 대해 80% 의 상대 습도 및 25도의 온도 조건에서 하루 동안 이차 전지 내부로 침투된 수분량은 0.5479ppm/day로 측정되었다. 이러한 하루 동안의 수분 침투량을 근거로 하여 15년 동안의 수분 침투량을 비례적으로 추정한 결과 그 값은 3000ppm으로 계산되었다. 또한 상술한 룩업 테이블을 이용하여 수분 침투량이 3000ppm인 경우에 해당하는 이차 전지의 저항 증가 정도는 12.3%로 추정되었다.
비교예3
이차 전지의 실링 공정 진행 시 실링부의 실링폭을 조절하여 실링부의 특성 길이가 9가 되도록 조절하였다는 점을 제외하면 실시예1과 동일한 조건으로 파우치형 이차 전지를 제조하였다.
비교예3에 따른 이차 전지에 대해 80% 의 상대 습도 및 25도의 온도 조건에서 하루 동안 이차 전지 내부로 침투된 수분량은 0.2191ppm/day로 측정되었다. 이러한 하루 동안의 수분 침투량을 근거로 하여 15년 동안의 수분 침투량을 비례적으로 추정한 결과 그 값은 1200ppm으로 계산되었다. 또한 상술한 룩업 테이블을 이용하여 수분 침투량이 1200ppm인 경우에 해당하는 이차 전지의 저항 증가 정도는 4.5%로 추정되었다.
비교예4
이차 전지의 실링 공정 진행 시 실링부의 실링폭을 조절하여 실링부의 특성 길이가 8이 되도록 조절하였다는 점을 제외하면 실시예1과 동일한 조건으로 파우치형 이차 전지를 제조하였다.
비교예4에 따른 이차 전지에 대해 80% 의 상대 습도 및 25도의 온도 조건에서 하루 동안 이차 전지 내부로 침투된 수분량은 0.1899ppm/day로 측정되었다. 이러한 하루 동안의 수분 침투량을 근거로 하여 15년 동안의 수분 침투량을 비례적으로 추정한 결과 그 값은 1040ppm으로 계산되었다. 또한 상술한 룩업 테이블을 이용하여 수분 침투량이 1040ppm인 경우에 해당하는 이차 전지의 저항 증가 정도는 4.3%로 추정되었다.
상술한 실험 예에 의하면, 파우치형 이차 전지의 실링 공정에서 형성되는 실링부의 특성 길이가 19를 초과하게 되면 이차 전지가 15년 이상 장시간 사용되었을 때 수분 침투량이 2500ppm을 초과하여 수분 침투에 관한 장기 신뢰성을 확보할 수 없음을 알 수 있다.
따라서, 파우치형 이차 전지의 제조 시에는 실링부의 특성 길이를 10 이상 및 19 이하가 되도록 실링 단면의 면적과 실링폭을 한정하고 하루 동안의 수분 침투량이 0.4566ppm/day 이하인 열접착층을 갖는 파우치 포장재를 사용하여 실링부를 형성하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 파우치 포장재 11: 상부 시트
12: 하부 시트 20, 200: 전극 조립체
21: 양극판 22: 음극판
33: 분리막 31, 32, F: 전극 탭
41, 42, E: 전극 리드 50, S: 실링부
S1: 상부 실링부 S2: 하부 실링부
S3: 우측 실링부 S4: 좌측 실링부

Claims (6)

  1. 전극 리드가 부착된 전극 조립체; 및
    상기 전극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 수납하며 가장자리를 따라 실링부가 형성된 파우치 포장재를 포함하고,
    상기 실링부의 특성 길이(Characteristic length)가 10 내지 19mm2/mm인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    80%의 상대 습도 및 25도 조건에서 하루 동안의 수분 침투량이 0.4566ppm/day 이하임을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    80%의 상대 습도 및 25도 조건에서 15년 동안 상기 실링부를 통한 수분 침투량이 2500ppm 이하이고 수분 침투에 의한 내부 저항의 상승률이 10% 이내임을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 특성 길이는 상기 실링부의 '실링 단면의 면적/실링폭'을 실링부를 따라 적분한 값임을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파우치 포장재는 사각형의 형상이고,
    상기 특성 길이는 상부 실링부, 하부 실링부, 우측 실링부 및 좌측 실링부의 특성 길이를 합산한 값임을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 파우치 포장재의 열접착층은 변성 폴리올레핀 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
KR20120096130A 2011-08-31 2012-08-31 수분 침투에 대한 장기 신뢰성이 향상된 이차 전지 KR101300111B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12827385.1A EP2752914A4 (en) 2011-08-31 2012-08-31 SECONDARY BATTERY WITH IMPROVED LONG-TERM RELIABILITY TO HUMIDITY PERMEABILITY
JP2014528282A JP2014525658A (ja) 2011-08-31 2012-08-31 水分浸透に対する長期信頼性が向上した二次電池
PCT/KR2012/006979 WO2013032266A2 (ko) 2011-08-31 2012-08-31 수분 침투에 대한 장기 신뢰성이 향상된 이차 전지
CN201280041423.7A CN103765627B (zh) 2011-08-31 2012-08-31 对湿气渗透具有改善的可靠性的二次电池
US13/962,318 US20130323580A1 (en) 2011-08-31 2013-08-08 Secondary battery having improved reliability for humidity penetration

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110087808 2011-08-31
KR20110087808 2011-08-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130024862A KR20130024862A (ko) 2013-03-08
KR101300111B1 true KR101300111B1 (ko) 2013-08-30

Family

ID=48176760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20120096130A KR101300111B1 (ko) 2011-08-31 2012-08-31 수분 침투에 대한 장기 신뢰성이 향상된 이차 전지

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20130323580A1 (ko)
EP (1) EP2752914A4 (ko)
JP (1) JP2014525658A (ko)
KR (1) KR101300111B1 (ko)
CN (1) CN103765627B (ko)
WO (1) WO2013032266A2 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024080837A1 (ko) * 2022-10-14 2024-04-18 주식회사 엘지에너지솔루션 이차 전지

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203165991U (zh) * 2013-03-08 2013-08-28 宁德新能源科技有限公司 锂离子电池注液孔封口装置
KR20170002013A (ko) 2015-06-29 2017-01-06 에스케이이노베이션 주식회사 이차 전지 및 이의 제조 방법
CN108550746A (zh) * 2018-05-31 2018-09-18 华南理工大学 一种空气冷却电池箱结构
EP3878023A4 (en) * 2018-11-07 2022-08-17 Rutgers, the State University of New Jersey ENCLOSURES FOR ELECTROCHEMICAL CELLS

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998042036A1 (fr) 1997-03-19 1998-09-24 Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha Pile mince non aqueuse
WO2000025373A1 (en) 1998-10-23 2000-05-04 Sony Corporation Nonaqueous electrolyte cell
JP2005340144A (ja) 2004-05-31 2005-12-08 Nissan Motor Co Ltd 二次電池及びその製造方法
JP2006236857A (ja) 2005-02-25 2006-09-07 Sony Corp 電池およびその封止方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000353498A (ja) * 1999-06-09 2000-12-19 Toshiba Battery Co Ltd 薄型電池の製造方法
JP3596866B2 (ja) * 1999-09-30 2004-12-02 キヤノン株式会社 リチウム二次電池及びその製造方法
TW497286B (en) * 1999-09-30 2002-08-01 Canon Kk Rechargeable lithium battery and process for the production thereof
US20020127362A1 (en) * 2001-03-01 2002-09-12 The University Of Chicago Flexible laminates and housings for batteries
JP2004281278A (ja) * 2003-03-17 2004-10-07 Sony Corp 電池
KR101095344B1 (ko) 2005-11-02 2011-12-16 주식회사 엘지화학 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 각형 이차전지
KR101123059B1 (ko) 2006-10-23 2012-03-15 주식회사 엘지화학 혼합형 스택 및 폴딩형 전극조립체와 이를 포함하고 있는이차전지
KR100987300B1 (ko) 2007-07-04 2010-10-12 주식회사 엘지화학 스택-폴딩형 전극조립체 및 그것의 제조방법
KR101163387B1 (ko) 2008-02-16 2012-07-12 주식회사 엘지화학 젤리-롤형 전극조립체를 포함하는 이차전지
US9083062B2 (en) * 2010-08-02 2015-07-14 Envia Systems, Inc. Battery packs for vehicles and high capacity pouch secondary batteries for incorporation into compact battery packs

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998042036A1 (fr) 1997-03-19 1998-09-24 Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha Pile mince non aqueuse
WO2000025373A1 (en) 1998-10-23 2000-05-04 Sony Corporation Nonaqueous electrolyte cell
JP2005340144A (ja) 2004-05-31 2005-12-08 Nissan Motor Co Ltd 二次電池及びその製造方法
JP2006236857A (ja) 2005-02-25 2006-09-07 Sony Corp 電池およびその封止方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024080837A1 (ko) * 2022-10-14 2024-04-18 주식회사 엘지에너지솔루션 이차 전지

Also Published As

Publication number Publication date
CN103765627B (zh) 2016-05-25
WO2013032266A2 (ko) 2013-03-07
WO2013032266A3 (ko) 2013-05-02
EP2752914A4 (en) 2015-07-01
JP2014525658A (ja) 2014-09-29
CN103765627A (zh) 2014-04-30
EP2752914A2 (en) 2014-07-09
US20130323580A1 (en) 2013-12-05
KR20130024862A (ko) 2013-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210351463A1 (en) Pouch Type Case And Battery Pack Including The Same
US10535847B2 (en) Secondary battery having pouch type exterior member with folded sealing part
US11437683B2 (en) Battery cell of venting structure using taping
KR101089168B1 (ko) 파우치형 리튬 2차전지
KR101216422B1 (ko) 실링부의 절연성이 향상된 이차전지
KR101264430B1 (ko) 이차전지의 파우치
KR20130135129A (ko) 전극탭 접합성이 우수한 전극 조립체, 이를 포함하는 전지셀, 디바이스 및 이의 제조방법
KR101590259B1 (ko) 전극 조립체, 이를 포함하는 전지 및 디바이스
KR20140041057A (ko) 파우치형 이차전지
KR101300111B1 (ko) 수분 침투에 대한 장기 신뢰성이 향상된 이차 전지
KR20160077871A (ko) 에너지가 증대된 파우치형 이차전지
KR101491721B1 (ko) 파우치형 이차 전지 및 그 제조 방법
KR101459179B1 (ko) 파우치형 이차 전지
JP3632062B2 (ja) 薄型ポリマー電池
KR101308242B1 (ko) 파우치형 이차전지
KR20220002540A (ko) 셀 배터리
KR20210107416A (ko) 퇴화방지구조를 갖는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩
KR101792578B1 (ko) 변형된 형태의 리드 필름을 포함하는 전지셀
KR20120133827A (ko) 절연특성이 향상된 전지 파우치
KR20130087469A (ko) 부식방지용 보호층이 선택적으로 형성된 전극리드, 및 이를 포함하는 이차전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160817

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170718

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180619

Year of fee payment: 6