KR101428458B1 - 외주면에 융기부가 형성되어 있는 구조의 이차전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 실링부의 상부와 하부로 돌출된 구조의 융기부가 형성되어 있고, 상기 융기부는 수납부에 근접한 상태로 수납부의 외주면을 따라 연속적 선형으로 이루어져 있는 이차전지를 제공한다.

Description

외주면에 융기부가 형성되어 있는 구조의 이차전지 및 이의 제조방법 {Secondary Battery of Structure Having Raised Portion at Sealing Part and Manufacturing Method thereof}

본 발명은 신규한 구조의 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 외주면 실링부의 상부와 하부로 돌출된 구조의 융기부가 형성되어 있고, 상기 융기부는 수납부의 외주면을 따라 연속적 선형으로 이루어져 있는 이차전지에 관한 것이다.

이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 적층하거나 권취한 상태로 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 전지케이스에 내장한 다음 전해액을 주입하거나 함침시키는 것으로 구성되어 있다.

이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다. 특히, 파우치형 이차전지에서는 전지케이스의 밀봉력이 저하되어 전해액이 누출되는 문제점도 빈번하게 발생한다.

한편, 파우치형 이차전지는 외곽 포장재로 연재질의 다층 필름을 사용하는 제품으로 금속 케이스를 사용한 원통형 이차전지 또는 각형 이차전지가 가지지 못하는 여러 장점을 가지고 있다.

이러한 장점의 대표적인 예로는, 저렴한 제조비용, 가벼운 중량, 및 과도한 내압 축적 이전에 개봉됨으로써 안정성을 확보하고 우수한 방열성능을 가지는 점 등을 들 수 있다.

이와 관련하여, 도 1에는 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 정면 투시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 전극조립체(10), 전극조립체(10)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(30, 32), 전극 탭들(30, 32)에 용접되어 있는 전극리드(20, 22), 및 전극조립체(10)를 수용하는 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체(10)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있다. 전극 탭들(30, 32)은 전극조립체(10)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(20, 22)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(30, 32)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(10)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(20, 22)의 상하면 일부에는 전지케이스(10)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(50, 52)이 부착되어 있다.

한편, 파우치형 이차전지의 제조공정은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 파우치형 전지케이스(40)에 전극조립체(10)를 삽입한 다음 전지케이스(40) 중 전극조립체 수납부(90)의 외주면 실링부(60)를 고온의 실링 툴(70)로 압착하여 융점이 낮은 내부 실란트층(66)을 용융 및 상호 접착시켜 밀봉한다. 그런 다음, 도 4와 같이 외주면 실링부(60)의 외곽 자투리 부분(68)을 커터로 절단(80)하여 마무리한다.

이러한 제조방식은 파우치형 이차전지(100)에 강한 실링 강도와 우수한 밀봉 성능을 제공하지만, 실링 툴(70)이 평면구조의 실링면을 가지고 있어서 외주면 실링부(60)의 압착과정에서 용융된 내부 실란트층(66)의 일부가 양 끝으로 배출되는 문제점이 있다.

이러한 문제점의 대표적인 예로서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 내부 실란트층이 전극조립체(10) 방향으로 배출되어 볼록한 비드(67) 형상을 만들게 되므로, 전지케이스 내부의 전극조립체(10)와 접촉하여 전극조립체(10)의 파괴 또는 결함을 일으키고 결과적으로 전지의 내구성을 저하시키는 문제점이 있다.

즉, 전극조립체(10)의 외부 방향으로 배출되는 내부 실란트층(69)은 자투리 필름 절단 공정에 의해 제거되므로 문제가 되지 않지만, 전극조립체(10)의 내부 방향으로 배출되는 내부 실란트층(67)은 별도로 절단할 수 없으므로 이차전지의 결함을 발생시키게 된다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에, 실링부의 상부와 하부로 돌출된 구조의 융기부를 형성하고, 융기부가 수납부의 외주면을 따라 연속적 선형이 되도록 구성함으로써, 실링부의 일부가 전극조립체와 접촉하여 전극조립체를 파괴하거나 전극조립체의 결함을 발생시키는 것을 방지할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 실링부의 상부와 하부로 돌출된 구조의 융기부가 형성되어 있고, 상기 융기부는 수납부의 외주면을 따라 연속적 선형으로 이루어져 있다.

즉, 본 발명에 따른 이차전지는 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에 형성된 융기부가 전극조립체 수납부의 외주면을 따라 연속적 선형으로 형성되어 있어서, 이러한 융기부에서 열융착시 내측으로 흐르는 용융물을 막아냄과 동시에, 실링부의 일부가 전극조립체와 접촉하여 전극조립체를 파괴하거나 전극조립체의 결함을 발생시키는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

참고로, 융기부가 전극조립체 수납부의 외주면을 따라 연속적 선형으로 형성되어 있다는 것은, 수평단면상 융기부가 연속적인 곡선 또는 직선으로 이루어진 것을 의미한다.

상기 융기부는 열융착시 내측으로 흐르는 용융물을 용이하게 막을 수 있는 구조이면 특별한 제한은 없으며, 바람직한 실시예들을 기술하면 하기와 같다.

제 1 실시예로서, 상기 융기부는 수납부에 근접한 위치에 형성될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 수납부에 접하지 않은 상태로 형성될 수 있다.

제 2 실시예로서, 상기 융기부는 둘 또는 그 이상으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 2개 또는 3개로 이루어져 있어서 열융착시 발생하는 용융물을 효과적으로 포집할 수 있다.

제 3 실시예로서, 상기 융기부는 외주면 실링부의 중앙 부위에 위치하고 있는 구조일 수 있다.

제 4 실시예로서, 상기 융기부는 수직 단면상 반원 형상으로 이루어질 수 있다.

제 5 실시예로서, 상기 융기부는 높이(세로 길이)가 폭(가로길이)보다 크거나, 또는 폭(가로길이)이 높이(세로 길이)보다 큰 구조로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 융기부는 전극조립체 수납부의 외주면 실링부의 전체 면에 연속적 선형으로 형성될 수도 있으나, 상기 전체 면 중 1개 면에 형성되는 경우에도 용융물의 양과 융기부의 거리 등을 조절하여 용융물이 전극조립체에 접촉하지 않도록 할 수 있다. 이 경우, 전체 면에 융기부를 형성하는 것보다 생산성이 향상되고, 제조비용이 절감되는 효과가 있다.

일 예로, 사각형의 전극조립체의 경우, 전체 4면 중 1개 면에만 융기부를 형성시킬 수 있다.

구체적으로 본 발명의 일 실시예의 4개의 면을 가지는 사각형 이차전지의 제조공정을 설명하면, 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 위치시키고 상기 전극조립체를 덮을 수 있도록 전지케이스를 올린 후 3개 면을 실링한다. 이때 상기 3개 면에는 융기부가 형성되지 않도록 실링할 수 있다.

상기 3개 면의 실링 후, 실링되지 않은 1개 면을 통해 전해액을 주입한다. 이 때 실링되지 않은 1개 면은 전극조립체의 크기의 0.5 내지 1 배 정도의 여유공간을 가지므로 실링시 전극조립체의 수납부에서 소정의 여유거리를 두어 상기 1개 면을 실링하고 전지를 1회 충전한다.

이후 가스를 배출시키기 위해 상기 여유공간을 잘라내어 가스를 빼낸 후 다시 전극조립체의 수납부와 근접하게 상기 1개 면을 실링하고 최종적으로 크기에 맞게 절단한다. 전해액이 충진된 후에, 예를 들어, cPP(casting Propylene) 용융물이 전극조립체에 닿게 되면 문제가 생기게 되며, 이를 해결하기 위해 융기부를 형성시켜 실링이 가능하다. 이 경우 최종적으로 1개 면에만 융기부가 형성될 수 있다.

즉, 가스를 빼내고 재차 실링하는 공정(degas/reseal 공정)에서만 융기부가 형성되게 할 수도 있으며, 또한 최초 실링되는 3면에도, 융기부를 형성시키게 하여 1면 또는 그 이상의 면에 융기부를 형성시킬 수 있다.

전지케이스가 일측에 전극조립체 수납부가 형성되어 있고 타측이 덮개로 사용되는 경우에는, 최종적으로 4면 중 3면이 실링한 구조가 되며, 이 경우에는, 최초 과정에서 2면을 실링하고 나머지 1면을 통해 전해액 주입 등을 수행하므로, 앞서 설명한 일련의 과정이 이러한 전지케이스에도 적용될 수 있음은 물론이다.

상기 융기부의 폭은 실링부의 폭을 기준으로 30%의 크기 이내로 형성될 수 있고, 융기부의 높이는 실링부의 높이를 기준으로 105% 내지 300%의 크기로 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 융기부의 폭은 실링부의 폭을 기준으로 5 내지 25%의 크기로 형성되고, 융기부의 높이는 실링부의 높이를 기준으로 150% 내지 250%의 크기로 형성될 수 있다.

상기 융기부의 폭이 실링부의 폭보다 너무 작거나 융기부의 높이가 실링부의 높이보다 너무 작으면, 실링부의 열융착 과정에서 융기부가 전극 조립체로 흘러 들어가는 용융물을 충분히 차단하지 못한다. 반면에, 융기부의 폭이 너무 크거나 융기부의 높이가 너무 크면, 실링부의 열융착 과정에서 실링 면적이 줄어들어 실링부의 밀봉력이 저하되므로 바람직하지 않다.

구체적인 하나의 예로서, 상기 융기부의 높이는 1 mm 이내이고, 폭은 0.5 내지 2 mm로 이루어질 수 있다.

상기 융기부는 앞서 언급한 바와 같이, 수납부의 외주면 실링부의 융기부는 수납부와 근접하게 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 궁극적으로는 잉여의 용융물의 흐름을 제어하여 전극조립체로 흘러 들어가는 용융물을 차단(blocking)하는 것이다. 즉, 수납부의 외주면을 따라 연속적 선형으로 형성되어 있는 융기부에 열융착시 잉여의 용융물을 수용함으로써, 용융물이 전극조립체와 접촉하지 못하도록 할 수 있다.

다만, 상기 융기부의 중심은 실링부의 폭을 기준으로 45% 이하의 크기로 전극조립체 수납부로부터 이격되어 있는 것이 바람직하다. 상기 조건에서 0%의 이격 위치는 실질적으로 융기부의 중심이 실링부의 중심에 위치함을 의미한다.

구체적으로, 융기부의 중심이 실링부의 폭을 기준으로 45% 초과의 크기로 전극조립체 수납부로부터 이격되어 있는 경우에는, 융기부가 전극조립체 수납부에 너무 근접함으로 인해, 잉여의 용융물의 포획 능력이 떨어질 수 있으므로 바람직하지 않다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 융기부는 전극조립체 수납부로부터 3 mm 이하로 이격되어 형성되는 것이 바람직하며, 특히 바람직한 이격 거리는 전극조립체의 수납부로부터 융기부의 중심 지점까지 3 mm 이내일 수 있다. 이 경우, 전극조립체 수납부에 대한 융기부의 최저 이격 거리는 앞서 설명한 45% 이격 조건에 의해 한정될 수 있으며, 하나의 구체적인 예에서, 전극조립체의 수납부로부터 융기부의 중심 지점까지 융기부의 중심이 0.5 mm이고 융기부의 전극조립체 수납부 방향의 단부가 전극조립체 수납부에 접하는 조건일 수 있다.

하나의 바람직한 예로서, 상기 융기부는 외주면 실링부를 열융착하는 실링 툴에 의해 외주면 실링부의 열융착시 형성되고, 상기 실링 툴은 실링부의 상면을 하향 가압하는 상부 실링툴과 실링부의 하면을 지지하는 하부 실링 툴로 이루어질 수 있다.

상기에서, 융기부에 대응하는 부위의 상부 실링 툴의 하면과 하부 실링 툴의 상면에 내측으로 만입된 그루브가 각각 형성되어 있는 구조일 수 있다.

따라서, 하부 실링 툴이 실링부의 하면을 지지한 상태에서 상부 실링툴이 실링부의 상면을 하향 가압하는 실링부의 열융착 과정 중에, 실링부의 일부가 상부 실링 툴의 하면과 하부 실링 툴의 상면에 내측으로 만입된 그루브 내부로 이동하면서 융기부가 용이하게 형성될 수 있다.

본 명세서에서, 융기부는 외주면 실링부의 상부와 하부로 돌출된 구조를 의미하고, 그루브는 상부 실링툴과 하부 실링툴에서 내측으로 만입된 홈을 의미한다.

상기 그루브의 형상은 수직 단면상으로 사각형, 반원, 삼각형, 또는 사다리꼴로 이루어진 군에서 선택되는 형상으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 사각형 또는 반원으로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 외주면 실링부는 실링 툴에 의해 융기부가 형성된 후 그것의 단부가 커팅되는 구조로 이루어져 있어서, 실링부의 열융착시 실링부의 외곽 단부에 형성된 비드(bead)는 절단되어 용이하게 제거될 수 있다.

상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트, 특히, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

상기 라미네이트 시트는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성되어 있으며, 상기 외측 피복층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 연신 나일론 필름 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 베리어층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 상기 내부 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 누출과 수분 차단을 위해 투습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌(cPP)이 사용될 수 있다.

따라서, 상기 융기부는 실링부의 열융착시 라미네이트 시트 중 융점이 낮은 내부 실란트층의 포집에 의해 용이하게 형성될 수 있다.

또한, 상기 융기부는 수납부로부터 이격되어 형성될 수 있는 데, 이는 수납부와 접촉하는 부분에 융기부가 있는 것 보다 수납부에서 약간 이격된 상태에서 접착력이 더 좋기 때문이다.

경우에 따라서는, 상기 그루브는 외주면 실링부에 형성된 융기부가 손상되지 않을 수 있도록 융기부보다 넓은 크기의 공간을 가지고, 전지케이스의 수납부에 접하지 않으면서 전극조립체에 근접한 위치에 형성되는 것이 내부 실란트층을 효과적으로 수용할 수 있으므로 바람직하다.

상기 전극조립체는 양극과 음극 및 그 사이에 개재되어 있는 분리막으로 이루어진 구조라면 특별히 제한되지 않으며, 형태적인 측면에서 다각형, 원형, 또는 타원형일 수 있고, 구조적인 측면에서 스택형, 폴딩형, 또는 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다.

상기 스택형 구조의 전극조립체를 포함하는 이차전지의 전지케이스의 외주면 실링부는 전극조립체와 상응하는 1개 면 또는 그 이상의 면에 연속적 선형 융기부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 폴딩형 또는 스택/폴딩형 구조의 전극조립체를 포함하는 이차전지의 수납부의 외주면 실링부는 전극조립체와 상응하는 외주면 일부분 또는 전체에 연속적 선형 융기부가 형성될 수 있다.

스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

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.

본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지모듈을 제공한다.

본 발명에 따른 이차전지는, 특히, 장시간의 수명과 우수한 내구성이 요구되는 고출력 대용량의 전지, 또는 이러한 전지를 단위전지로서 다수 개 포함하는 중대형 전지모듈에 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 전지모듈은, 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 동력원으로 사용될 수 있다.

이러한 중대형 전지모듈의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.

본 발명은, 또한 신규한 이차전지 제조방법을 제공한다.

구체적으로, 상기 이차전지 제조방법은, (a) 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착하는 단계; 및 (b) 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에 외주면 실링부의 상부와 하부로 돌출된 구조의 융기부를 수납부의 외주면을 따라 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 융기부는 외주면 실링부의 열융착시 외주면 실링부를 열융착하는 실링 툴에 의해 형성되는 것으로 구성될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지 제조방법은 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에 형성된 융기부를 전극조립체 수납부의 외주면을 따라 형성하여, 융기부에서 열융착시 내측으로 흐르는 용융물을 막아냄으로써, 실링부의 일부가 전극조립체와 접촉하여 전극조립체를 파괴하거나 전극조립체의 결함을 발생시키는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

바람직하게는, 상기 실링 툴은 외주면 실링부의 상면을 하향 가압하는 상부 실링툴과 외주면 실링부의 하면을 지지하는 하부 실링 툴로 이루어질 수 있다.

상기에서, 융기부에 대응하는 부위의 상부 실링 툴의 하면과 하부 실링 툴의 상면에 내측으로 만입된 그루브가 각각 형성되어 있는 구조일 수 있다.

상기 그루브는 열융착시 융기부를 형성시켜 내측으로 흐르는 용융물을 용이하게 막을 수 있는 구조이면 특별한 제한은 없으며, 바람직한 실시예들을 기술하면 하기와 같다.

제 1 실시예로서, 상기 그루브의 형상은 수직 단면상 사각형, 반원, 삼각형, 또는 사다리꼴로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 사각형, 또는 반원으로 이루어질 수 있다.

제 2 실시예로서, 상기 그루브는 둘 또는 그 이상으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 2개 또는 3개로 이루어져 있어서 열융착시 발생하는 용융물을 효과적으로 포집할 수 있다.

제 3 실시예로서, 상기 그루브는 외주면 실링부의 중앙 부위에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.

제 4 실시예로서, 상기 그루브는 높이(세로 길이)가 폭(가로길이)보다 크거나, 또는 폭(가로길이)이 높이(세로 길이)보다 큰 구조로 이루어질 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에, 실링부의 상부와 하부로 돌출된 구조의 융기부를 형성하고, 융기부가 수납부의 외주면을 따라 연속적 선형이 되도록 구성함으로써, 실링부의 일부가 전극조립체와 접촉하여 전극조립체를 파괴하거나 전극조립체의 결함을 발생시키는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 정면 투시도다;
도 2 내지 도 4는 도 1의 파우치형 이차전지를 제조하기 위해 전지케이스 외주면 실링부를 열융착하는 과정을 순차적으로 나타내는 모식도들이다;
도 5는 도 4의 열융착 과정을 통해 제조된 이차전지로서 도 1의 A-A'부위를 나타내는 단면 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 정면 투시도다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 열융착 과정의 모식도이다;
도 8은 도 7의 열융착 과정을 통해 제조된 이차전지로서 도 6의 B-B'부위를 나타내는 단면 모식도이다;
도 9는 도 8의 C 부위를 확대한 모식도이다;
도 10은 본 발명의 실험에 사용된 상부 실링 툴의 구조에 관한 수직 단면 모식도들이다;
도 11 내지 도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열융착 과정의 모식도들이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 정면 투시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 이차전지(100a)는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(10)를 전지케이스(40a)에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조로 이루어져 있다.

또한, 전지케이스(40a) 중 전극조립체 수납부(90)의 외주면 실링부(60a)에는, 실링부(60a)의 상부와 하부로 돌출된 구조의 융기부(92)가 형성되어 있고, 융기부(92)는 수납부(90)에 근접한 상태로 수납부(90)의 외주면 일부를 따라 선형으로 이루어져 있다.

구체적으로는, 이차전지(100a)는 전극조립체(10), 이를 수용하는 전지케이스(40a), 및 전극조립체(10)의 전극 탭들(30, 32)과 전기적으로 연결된 두 개의 전극리드(20, 22)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

두 개의 전극리드(20, 22)는 전극조립체(10)의 각 극판으로부터 연장된 전극 탭들(30, 32)과 용접 등의 방법으로 전기적으로 연결되어 있고, 전지케이스(40a)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(20, 22)의 상면과 하면 일부에는 전지케이스(40a)와의 밀봉력을 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(50, 52)이 부착되어 있다. 양극과 음극의 두 개의 전극리드(20, 22)는 본 도면에서와 같이 서로 대향하는 위치에 형성되어 있을 수도 있고, 동일한 방향에 나란히 위치할 수도 있다.

전지케이스(40a)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(10)를 수용할 수 있는 수납부(90)가 형성되어 있으며, 수납부(90)의 외주면 실링부(60a)에서 상부 전지케이스와 하부 전지케이스가 열융착에 의해 결합됨으로써 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다.

도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 열융착 과정의 모식도가 도시되어 있고, 도 8에는 도 7의 열융착 과정을 통해 제조된 이차전지로서 도 6의 B-B'부위를 나타내는 단면 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 도 6과 함께 참조하면, 융기부(92)는 실링부(60a)를 열융착하는 실링 툴(70a)에 의해 실링부(60a)의 열융착시 형성된다.

실링 툴(70a)은 실링부(60a)의 상면을 하향 가압하는 상부 실링툴(72a)과 실링부(60a)의 하면을 지지하는 하부 실링 툴(74a)로 이루어져 있고, 융기부(92)에 대응하는 부위의 상부 실링 툴(72a)의 하면과 하부 실링 툴(74a)의 상면에 내측으로 만입된 그루브들(722a, 742a)이 각각 형성되어 있다.

그루브들(722a, 742a)의 형상은 수직 단면상 사각형으로 이루어져 있고, 융기부(92)는 상부 실링 툴(72a)과 하부 실링 툴(74a)의 그루브들(722a, 742a)에 의해 실링부(60a)의 상부와 하부로 돌출된 상태로 대략 반원 형상을 가지면서 형성된다.

다음으로, 실링부(60a)의 외곽 단부(68)가 커팅됨으로써 도 8의 이차전지(100a)가 완성된다.

전지케이스(40a)는 수지층과 금속층을 포함하는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 라미네이트 시트는 고분자 필름의 외부 피복층(62), 금속박의 베리어층(64), 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층(66)으로 구성되어 있어서, 융기부(92)는 실링부(60a)의 열 융착 과정에서 융점이 낮은 내부 실란트층(66)이 상부 실링 툴(72a)과 하부 실링 툴(74a)의 그루브들(722a, 742a)에 포집됨으로써 형성된다.

도 9에는 도 8의 C 부위를 확대한 모식도가 도시되어 있다.

도 9를 참조하면, 융기부(92)의 폭(w)은 실링부(60a)의 폭(W)을 기준으로 대략 20%의 크기로 형성되어 있고, 융기부(92)의 높이(h)는 실링부(60a)의 높이(H)를 기준으로 대략 120%의 크기로 형성되어 있다. 또한, 융기부(92)의 중심과 전극조립체의 수납부 사이의 길이(d)는 3 mm 이하로 형성되어 있다. 여기서 길이(d)는 도 9에서 보는 바와 같이, 수납부로부터 융기부의 중심까지의 거리를 의미한다.

도 10에는 본 발명의 실험에 사용된 실링 툴의 구조에 관한 수직 단면 모식도들이 도시되어 있다.

도 10을 도 9와 함께 참조하면, 구조 1은 그루브가 형성되어 있지 않은 실링 툴을 나타내고, 구조 2 내지 구조 5는 그루브(전지케이스의 융기부에 해당)의 중심으로부터 일측 단부(전극조립체 수납부에 해당) 사이의 길이(도 9의 d)를 각각 다르게 형성한 구조의 실링 툴들을 나타내고 있다.

참고로, 도 10에는 편의상 상부 실링 툴만 도시되어 있으나, 실질적으로 본 발명의 실험에서 실링 툴은 상부 실링 툴과 상하 대칭되는 구조로 이루어진 하부 실링툴을 포함하고 있는 것으로 해석된다.

또한, 도 10의 실링 툴들을 사용하여 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부를 열융착한 실험 결과가 하기 표 1에 기재되어 있다.

표 1은 그루브를 형성하지 않은 구조의 실링 툴(구조 1)을 사용시 전지 내부로 배출되는 내부 실란트층의 양을 기준으로 그루브를 형성한 구조의 실링 툴들(구조 2 ~ 구조 5)을 사용시 전지 내부로 배출되는 내부 실란트층의 감소량을 백분율로 나타내고 있다.

실험은 외부 피복층(PET), 베리어층(알루미늄), 및 내부 실란트층(PP)으로 구성된 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부를 실링 툴(NAK80)로 섭씨 170도 내지 200도에서 1초 이내로 열융착하였다. 또한, 각각의 실링 툴에서, 실링 툴의 폭(e)은 10 mm이고 그루브의 폭(f)은 1.2 mm로 형성하였다.

[표 1]

일반적으로 내부 실란트층의 감소량이 50% 이상이어야 내부 실란트층이 전극조립체와 접촉하는 것을 방지하는 데 효과적이다.

따라서, 상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실링 툴에서 그루브의 중심으로부터 일측 단부 사이의 길이가 3 mm 이내인 구조 2 및 구조 3의 경우 내부 실란트층의 감소량이 56% 이상이므로, 길이가 3 mm를 초과하는 구조 4 및 구조 5의 내부 실란트층 감소량과 비교하여 전지의 안전성을 향상시키는 데 보다 효과적임을 알 수 있다.

도 11 내지 도 16에는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열융착 과정의 모식도들이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 도 11에서 융기부들(93a, 93b)은 2개로 구성되어 있고, 상부 실링툴(81a)과 하부 실링툴(81b)의 사각형 그루브들은 각각 2개씩 형성되어 있다.

도 12에서 융기부(94)는 외주면 실링부의 중앙 부위에 위치하고 있고, 상부 실링툴(82a)과 하부 실링툴(82b)의 사각형 그루브들은 융기부(94)와 대응하는 부위에 각각 형성되어 있다.

도 13에서 융기부들(95a, 95b, 95c)은 3개로 구성되어 있고, 상부 실링툴(83a)과 하부 실링툴(83b)의 사각형 그루브들은 각각 3개씩 형성되어 있다.

도 14에서 융기부(96)는 높이가 폭보다 큰 구조로 구성되어 있고, 상부 실링툴(84a)과 하부 실링툴(84b)의 사각형 그루브들은 작은 크기로 각각 1개씩 형성되어 있다.

도 15에서 융기부(97)는 폭이 높이보다 큰 구조로 구성되어 있고, 상부 실링툴(85a)과 하부 실링툴(85b)의 사각형 그루브들은 넓고 얇은 크기로 각각 1개씩 형성되어 있다.

도 16에서 융기부(98)는 수납부에 근접한 위치에 형성되어 있고, 상부 실링툴(86a)과 하부 실링툴(86b)의 그루브는 각각 반원 형상으로 이루어져 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 외주면 실링부의 상부와 하부로 돌출된 구조의 융기부가 형성되어 있고, 상기 융기부는 전극리드의 돌출 부위를 제외한 수납부의 외주면을 따라 연속적 선형으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 융기부는 둘 또는 그 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 융기부는 외주면 실링부를 열융착하는 실링 툴에 의해 외주면 실링부의 열융착시 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 실링 툴은 외주면 실링부의 상면을 하향 가압하는 상부 실링툴과 외주면 실링부의 하면을 지지하는 하부 실링 툴로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 융기부에 대응하는 부위의 상부 실링 툴의 하면과 하부 실링 툴의 상면에 내측으로 만입된 그루브가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 외주면 실링부는 실링 툴에 의해 융기부가 형성된 후 그것의 단부가 커팅되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 융기부는 내부 실란트층의 포집에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지 모듈.
9. 제 1 항에 따른 이차전지의 제조방법으로서,
   (a) 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착하는 단계; 및
   (b) 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에 외주면 실링부의 상부와 하부로 돌출된 구조의 융기부를 수납부의 외주면을 따라 형성하는 단계;
   를 포함하고, 상기 융기부는 외주면 실링부의 열융착시 외주면 실링부를 열융착하는 실링 툴에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 실링 툴은 외주면 실링부의 상면을 하향 가압하는 상부 실링툴과 외주면 실링부의 하면을 지지하는 하부 실링 툴로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 융기부에 대응하는 부위의 상부 실링 툴의 하면과 하부 실링 툴의 상면에 내측으로 만입된 그루브가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 그루브의 형상은 수직 단면상 사각형, 반원, 삼각형, 또는 사다리꼴로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 그루브는 둘 또는 그 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 그루브는 높이(세로 길이)가 폭(가로길이)보다 큰 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
15. 제 11 항에 있어서, 상기 그루브는 폭(가로길이)이 높이(세로 길이)보다 큰 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.

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