KR101419570B1 - 가스 배출부를 포함하는 파우치형 리튬 이차 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 파우치의 실링부에 가스 배출을 위한 가스 배출부를 구비함으로써 전지의 사용에 따라 발생하는 가스를 외부로 효과적으로 배출하여 전지의 스웰링 현상을 억제하고 이로 인해 전지의 사용 수명을 연장함은 물론 안전성을 향상된 리튬 이차 전지에 대한 것이다.

Description

가스 배출부를 포함하는 파우치형 리튬 이차 전지 및 그 제조방법{POUCH TYPE Li SECONDARY BATTERY WITH A GAS VENTING PASSAGE AND METHOD OF MAKING THE SAME}

본 발명은 파우치형 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지 내부에서 발생하는 가스를 외부로 신속하게 배출할 수 있도록 하는 가스 배출부를 포함하는 가스 배출부를 포함하는 파우치형 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

리튬 이차전지는 가벼운 리튬 원자의 특성 때문에 휴대폰, 캠코더 등 초경량의 전자제품에 많이 사용되고 있다. 또한, 수은(Hg)이나 카드뮴(Cd)과 같은 중금속을 사용하지 않으므로 환경친화적이며, 기존의 전지에 비해 출력 전압이 높고, 용량이 크다는 장점이 있다.

리튬 이차 전지는 리튬과 수분의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용한다. 이때 사용되는 상기 비수성 전해질은 리튬염을 함유하는 고체 폴리머일 수 있다. 고체 폴리머 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지는 유기 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와, 유기 전해액을 함유하고 겔(Gel)형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다. 이 가운데 완전 고체형의 경우 전해질의 이온 전도도가 낮아 통상의 리튬 이차 전지에서는 잘 사용되지 않는다. 리튬 이온 폴리머 전지의 경우에는 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 비교할 때 전해액의 누출 문제가 없거나 간이한 형태로 방지될 수 있다. 따라서, 리튬 이온 폴리머 전지 제조에서는 금속 포일과 폴리머의 다층막으로 이루어지는 파우치를 금속 캔 대신 사용할 수 있다.

도 1은 종래 파우치형 리튬 이차 전지의 예를 나타내는 그림이다. 도 1을 참조하여 보면, 파우치형 리튬 이차 전지는 소정의 전류를 생성하기 위해 양극판, 음극판 및 세퍼레이터로 구성되는 전극조립체(20)와, 이 전극 조립체를 감싸서 밀봉하는 전지 케이스(10)를 구비한다.

전극 조립체(20)는 복수 개의 양극판, 세퍼레이터 및 음극 판이 순차적으로 적층 된 구조이며, 복수 개의 양극판 일 측에는 각각 양극 탭(12) 들이 연장 형성되어 전극 조립체(20) 밖으로 돌출 연장되고, 복수 개의 음극 판 일 측에는 각각 음극 탭(14) 들이 연장 형성되어 전극 조립체(20) 밖으로 돌출 연장된다. 이러한 양극 탭(12) 들과 음극 탭(14) 들은 상호 대향 되도록 위치하고, 이 탭 들(12,14)의 끝단이 모아져 각각 양극 단자(16) 및 음극 단자(18)에 부착되어 전지 케이스(10) 밖으로 뻗어 나와 전지의 충전 혹은 방전이 가능하도록 하는 것이다.

전지케이스로서 파우치를 사용할 경우에는 금속 캔을 사용할 때보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있다. 이러한 파우치 외장재의 일층을 이루는 포일용 금속으로 통상 알루미늄이 이용된다. 파우치 외장재의 내층을 이루는 폴리머 막은 주로 폴리프로필렌 재질로 이루어지며, 이는 전해질로부터 금속 포일을 보호함과 아울러, 양극과 음극, 그리고 전극 탭 들 사이의 단락을 방지하는 역할을 한다.

그러나 이와 같은 리튬 이차 전지는 사용 중 내부의 전기 화학적 반응에 따른 전극 조립체의 팽창과 수축, 발생 가스의 압력에 의하여 스웰링되는 문제가 발생하며, 발생 된 가스에 의해 전지팩이 팽창, 폭발할 염려가 있게 된다. 특히, 파우치용 이차 전지의 경우, 그 외장재의 강도가 약하여 내부 가스의 압력을 충분히 견딜 수 없기 때문에 전지가 부풀어 오르는 것을 억제하기 어렵다. 또한 과방전이나 단락 등에 의해 과전류가 흐르면 전지 내부의 온도가 상승하여 액체 전해질이 기체로 변하게 되고 이에 따라 전지 내부의 압력이 상승하게 되어 특히 발화의 위험성이 있어 안전에 큰 문제가 발생함은 물론, 전지의 두께를 증가시켜 전지의 성능을 저하시켜 결과적으로 전지의 수명을 단축시킨다.

따라서 상기 파우치용 전지의 장점을 유지하면서도 전지 내부 발생 가스를 효과적으로 제거하여 전지의 안전성을 개선하고 성능을 향상시키며 전지의 수명을 연장할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.

이러한 리튬 이차 전지의 내부 가스 발생으로 인한 문제를 해결하기 위한 연구는 이제까지 다양하게 진행되어 오고 있으며, 특히 전지 팩에 안전 변을 설치하여 내부의 가스를 제거하는 기술 및 별도의 안전 밸브(safty valve) 등을 장착하는 방법에 대한 발명이 다수 존재하고 있다. 그러나 상기와 같은 발명들은 구조 자체를 본래의 전지 또는 팩과 달리하고 별도의 부품을 제작하는 공정이 필요하며, 종래의 케이싱이 아닌 별도의 케이스를 제작하여 제조하여야 하는 등의 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 파우치의 실링부 외측에 가스를 외부로 방출시킬 수 있도록 하는 가스 배출부를 포함하는 리튬 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여

이차 전지에 있어서, 전극탭과 인접되는 측 실링부의 한쪽 또는 양쪽에 가스 배출부를 포함하는 이차 전지를 제공한다.

또한, 상기 가스 배출부는 상기 실링부의 말단으로부터 폴딩되는 것을 특징으로 하며, 상기 가스 배출부는 실링부의 말단으로부터 폴딩된 길이가 단위 전지 크기를 초과하지 않도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 폴딩된 가스 배출부의 탈착 방지를 위해 그 말단에 접착 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 가스 배출부의 두께는 상단 실링부로부터 전극 조립체가 위치된 부위를 초과하지 않는 것을 특징으로 하고, 상기 가스 배출부 내의 통로는 2개의 실링부를 더한 두께보다는 큰 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은, 이차 전지의 제조방법에 있어서, 전극 조립체를 전지 케이스에 수납한 다음, 전극탭과 인접되는 측 실링부의 한쪽 또는 양쪽에 가스 배출부를 형성하는 단계를 포함하는 이차 전지의 제조방법을 제공한다.

상기 가스 배출부의 형성은 상기 전지 케이스를 가스 배출부 형상을 포함하여 절단시키는 것을 특징으로 하며, 상기 가스 배출부의 형성은 상기 전지 케이스의 전극탭과 인접되는 측 실링부의 한쪽 또는 양쪽에 가스 배출부를 추가로 형성시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 상기 파우치형 이차 전지의 장점을 유지하면서도 전지 내부의 가스 발생하는 경우 이를 효과적으로 외부로 방출할 수 있도록 함으로서 리튬 이차 전지의 스웰링 현상을 감소시켜 전지의 수명을 연장시키고 내부 가스를 제거하도록 하여 안전성이 향상된 리튬 이차 전지를 제공한다.　

도 1은 종래 파우치형 리튬 이차 전지에 대한 사시도 이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지로서 가스 배출부를 펼쳤을 때의 리튬 이차 전지에 대한 사시도 이다.
도 3 및 도 4는 가스 배출부의 길이를 각각 달리하는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지로서, 가스 배출부를 본체쪽으로 폴딩 시켰을 때의 리튬 이차 전지에 대한 사시도 이다.

본 발명은 리튬 이차 전지의 사용에 따라 전지 내부에서 발생하는 가스를 효과적으로 제거 또는 방출할 수 있는 가스 배출부를 포함하는 리튬 이차 전지에 대한 것으로, 특히, HEV, PHEV용 리튬 이차 전지의 경우 자동차 등의 수명에 따라 10년 이상의 사용이 보장되어야 하는바, 전지 수명에 있어 큰 비중을 차지하고 있는 전지 내부 발생 가스의 제거 또는 배출의 문제를 해결하기 위한 발명이다.

본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 파우치를 포함하며 상기 파우치에는 전지 내부 발생 가스를 배출하기 위한 가스 배출구가 형성되고, 상기 가스 배출구는 파우치의 재질과 동일한 재질의 부재로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 가스 배출구를 포함하는 리튬 이차 전지의 바람직한 일 실시예를 나타낸 그림이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 소정의 전류를 생성하기 위해 양극판, 음극판 및 세퍼레이터로 구성되는 전극조립체(20)와, 이 전극 조립체를 감싸서 밀봉하는 전지 케이스(10)를 구비하고, 전극 조립체(20)는 종래와 같이, 복수 개의 양극판, 세퍼레이터 및 음극 판이 순차적으로 적층 된 구조이며, 복수 개의 양극판 일 측에 형성된 각각의 양극 탭 및 음극 탭들이 연장 형성되고 전극 조립체(20) 밖으로 돌출되어 전극 조립체(20) 밖으로 돌출 연장된다.

이러한 양극 탭들과 음극 탭들 역시 종래기술과 같이, 상호 대향 되도록 위치하고, 이 탭 들(12,14)의 끝단이 모아져 각각 양극 단자(16) 및 음극 단자(18)에 부착되어 전지 케이스(10) 밖으로 뻗어 나와 전지의 충전 혹은 방전이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명의 바람직한 일 실시 예에 의하면 본 발명의 전지 케이스(10)는 파우치형을 사용하였다. 전지 케이스(10)는 합성수지로 형성된 덮개가 케이스 본체를 덮고 그 주위를 따라 열 융착하여 전지를 밀봉하게 된다. 이 때, 전극 단자 들은 외부로 노출되도록 한다. 열 융착부(30)는 전지 케이스의 둘레의 전반에 걸쳐 평형하고 고르게 형성하여 전지 내부의 전해액이 누설되지 않도록 하고 외부의 환경 가운데 노출되지 않도록 한다.

이렇게 열 융착부(30)가 고르게 형성된 전지 케이스(10)의 전극 탭 주의의 일측 또는 양측 변에 본 발명에 따른 가스 배출부(40)를 형성하는 것이다.

본 발명에 따른 가스 배출부는 전지 케이스(10)의 열 융착부(30)에 연장되어 형성되는 것으로 별도의 밸브 등을 구비할 필요가 없다.

본 발명에 따른 가스 배출부는 전지 케이스(10)의 연장선상으로, 전지 케이스의 형상을 재단할 때, 가스 배출부를 포함하여 형성될 있으며, 이후, 전지 케이스 재료의 상단부 및 하단부의 열 융착에 의해 제조될 수 있다. 또는 상기 가스 배출부는 별도로 제작되어 파우치 등의 외장재와 결합 될 수도 있다.

가스 배출부는 도 2에 도시된 바와 같이, 전극 단자(16, 18)가 돌출된 변의 일측 또는 양측 변에, 전극 단자가 형성된 부분과 가까운 쪽에 형성되도록 함이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 전극단자가 형성된 변을 평행하게 연장하여 형성되도록 한다. 이는 전지 내부에서 전극 탭들이 형성되는 부분이 상대적으로 압력이 약하고 전극 조립체와 전극 단자 사이에 일정부분 공간이 형성되게 되어 내부에서 발생된 가스가 가장 많이 고일 수 있는 부분인바, 이 부분과 가스배출구가 연결되도록 가스 배출구를 형성함으로써 내부의 발생 가스가 보다 효과적으로 외부로 방출될 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 가스 배출부를 상기와 같이 전극 단자가 형성되는 변에 연장하여 위치하도록 형성함으로서, 이하 설명에서와 같이 폴딩 시 전지 내부의 전극 조립체가 위치하지 않는 빈 공간과 동일선상에 있으므로 가스 배출부를 형성하더라도 차후 전지의 두께가 두꺼워 지는 현상으로 인한 문제가 발생할 염려가 없다.

가스 배출부(40)는 전극 조립체가 위치하고 있는 전지 케이스 내부의 공간과 단절되지 않고 연결될 수 있도록 가스배출부와 전지 케이스 내부의 공간 사이가 실링되지 않고 가스의 이동통로가 될 수 있도록 주의한다.

가스 배출부의 폭(a)은 특별히 한정되지 아니하나, 전지 케이스의 실링부 두께의 두 배보다 a'만큼 더 크도록 형성되면 바람직하고, 이 때, a'의 폭은 특별히 한정되지 아니하며 가스가 충분히 배출될 수 있는 정도의 통로가 형성되면 충분하다.

상기 가스 배출부는 도 3에 도시한 바와 같이, 평소에는 폴딩부(42)의 선을 따라 본체 쪽으로 폴딩하여 사용하도록 한다. 이렇게 가스 배출부를 본체쪽으로 폴딩하더라도 상기한 바와 같이, 폴딩 시 전지 내부의 전극 조립체가 위치하지 않는 빈 공간에 폴딩된 가스 배출부가 위치하게 되므로 차후 전지의 두께가 두꺼워 지는 현상으로 인한 문제가 발생할 염려가 없다.

가스 배출부의 길이(b) 또한 특별히 한정되지 아니하나, 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 배출부를 본체쪽으로 폴딩 하였을 때, 폴딩된 가스 배출부가 단위 전지의 크기를 초과하지 않도록 바람직하다. 즉, 가스배출부의 길이(b)는 단위 전지의 전극 단자가 위치한 변의 길이를 최대한으로 함이 바람직하다. 도 4는 가스 배출부의 길이가 상기 최대의 길이보다 짧게 형성되었을 때, 가스 배출부가 본체쪽으로 폴딩되었을 때의 모습을 나타낸 그림이다.

본 발명에 따른 리튬 이차 전지는 가스 배출부를 본체 쪽으로 폴딩하여 사용하며, 이 후, 전지의 사용으로 인해 전지 내부에 가스가 발생하는 경우, 주기적으로 상기 폴딩 된 가스 배출부를 펼쳐 맨 끝쪽의 실링 된 부분을 일부 절단하고 진공 등의 방법으로 전지 내부에서 발생 된 가스를 외부로 배출시키도록 한다. 이렇게 전지 내부의 가스를 충분히 배출시킨 후에는 상기 가스 배출부의 절단된 부위를 다시 실링하여 가스 배출부를 다시 폴딩시킨 후 계속하여 전지를 사용할 수 있다.

상기 가스 배출부를 계속해서 폴딩 및 펼침으로 해서 폴딩 부위가 떨어질 염려가 있는 경우에는 폴딩 부위의 절단 또는 가스 배출부의 탈락을 방지하기 위해 추가 테이프 등을 부착하는 것도 가능하다.

이 때 가스 배출부를 통하여 가스를 배출한 후 다시 가스 배출부의 절단 부위를 실링하는 방법은 파우치 등의 외장재를 실링하는 방법과 동일한, 열 압착과 같은 방법을 사용하여 실링할 수 있다.　　　

상기와 같은 가스 배출의 주기는 특별히 정해지지는 아니하나 전지 내부에 가스가 가득 고이는 기간이나 전지의 상태 등을 고려하여 임의로 정할 수 있음은 물론이며, 이러한 가스 배출 주기와 전지의 예상 수명 등을 고려하여 가스 배출부의 길이를 적절히 고려하여 제작할 수 있다. 다만, 그 최대 길이는 상기한 바와 같이, 폴딩시 단위 전지의 크기를 초과하지 않도록 함이 바람직하다.　　　

본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 제조방법은 특별히 한정되지 아니하며, 공지된 리튬 이차 전지의 제조방법을 이용할 수 있다.

즉, 전지 케이스의 하단부에 전극 조립체를 수납한 다음, 상단부를 덮고 예정된 길이와 폭을 갖는 가스 배출부의 형상을 포함하여 전지 케이스의 실링부를 열 압착의 방식으로 균일하게 실링하도록 하며, 이렇게 실링된 가스 케이스의 외주면은 가스 배출부 형상을 포함하여 절단시킴으로서 가스 배출부를 포함하는 리튬 이차 전지를 제조한다.

다른 방법으로는 가스 배출부를 포함하지 않는 리튬 이차 전지를 기존의 공지된 리튬 이차 전지 제조의 방법으로 제조한 다음, 별도의 과정으로 형성된 가스 배출부를 연결하는 제조방법으로 본 발명에 따른 리튬 이차 전지를 제조하는 것도 가능하다.

다만, 이 때의 리튬 이차 전지의 제조시에는 가스 배출부의 아랫쪽 부분이 될 수 있는 부분(42)이 실링되지 않도록 개방하여 두고 이 후 부착되는 가스 배출부의 통로와 연결될 수 있도록 한다. 가스 배출부와 리튬 이차 전지 본체의 연결 방법은 특별히 한정되지 아니하며 접착제 또는 접착을 위한 마진 부분을 마련하여 열 압착 방식으로 연결되도록 할 수 있다.

20 전극 조립체 10 전지케이스 12 양극탭 14 음극탭
16 양극단자 18 음극단자 30 열융착부 40 가스배출부
42 폴딩부 a 가스배출부의 폭 b 가스배출부의 길이

Claims (9)

1. 이차 전지에 있어서,
   전극탭과 인접되는 측 실링부의 한쪽 또는 양쪽에 가스 배출부를 포함하고,
   상기 가스 배출부의 두께는 상단 실링부로부터 전극 조립체가 위치된 부위를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스 배출부는 상기 실링부의 말단으로부터 폴딩되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 가스 배출부는 실링부의 말단으로부터 폴딩된 길이가 단위 전지 크기를 초과하지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 폴딩된 가스 배출부의 탈착 방지를 위해 그 말단에 접착 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 가스 배출부 내의 통로는 2개의 실링부를 더한 두께보다는 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
   
7. 이차 전지의 제조방법에 있어서,
   전극 조립체를 전지 케이스에 수납한 다음, 전극탭과 인접되는 측 실링부의 한쪽 또는 양쪽에 가스 배출부를 형성하는 단계를 포함하고,
   상기 가스 배출부의 형성은 상기 전지 케이스의 전극탭과 인접되는 측 실링부의 한쪽 또는 양쪽에 가스 배출부를 추가로 형성시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조방법.
   
8. 삭제
9. 삭제

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