KR101444507B1 - 절연특성이 향상된 전지 파우치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 절연특성이 향상된 전지 파우치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파우치에 있어서, 열융착층, 금속층 및 코팅층이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 상기 코팅층에 5 ~ 10 ㎛ 두께의 UV 반응 캡슐층이 포함되며, 상기 UV 반응 캡슐층은 외벽과 외벽 안의 내부물질을 포함하여 이루어진 것으로, 전지 파우치의 사이드 실링 후 UV 반응에 의해 캡슐층의 외벽이 깨지고 캡슐층의 내부 물질이 흘러나와 코팅층과 금속층 사이에 피막층을 형성하여, 파우치의 실링 시 절연 특성을 향상시킨 전지 파우치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 파우치에 있어서, 열융착층, 금속층 및 코팅층이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 상기 코팅층에 5 ~ 10 ㎛ 두께의 UV 반응 캡슐층이 포함되며, 상기 UV 반응 캡슐층은 외벽과 외벽 안의 내부물질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 절연특성이 향상된 전지 파우치에 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/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등이 있다. 최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 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 전극 탭들, 전극 탭들에 용접되어 있는 전극리드, 및 전극조립체를 수용하는 전지케이스를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들은 전극조립체의 각 극판으로부터 연장 되어 있고, 전극리드는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드의 상하면 일부에는 전지케이스와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름이 부착되어 있다.
전지케이스는 전극조립체가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부를 포함하는 케이스 본체와 그러한 본체에 일체로 연결되어 있는 덮개로 이루어져 있고, 수납부에 전극조립체을 수납한 상태로 접촉부위인 양측부와 상단부를 접착시킴으로써 전지를 완성한다. 전지케이스는 수지층/금속박층/수지층의 알루미늄 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 덮개와 본체의 양측부 및 상단부 부위에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 접착시킨다. 양측부는 상하 전지케이스의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부에는 전극리드가 돌출되어 있으므로 전극리드의 두께 및 전지케이스 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드와의 사이에 절연 필름을 개재한 상태에서 열융착시킨다.
이러한 파우치형 전지는 전극조립체를 라미네이트 시트에 수납하고 전해액을 주입하여 열융착 등으로 밀봉하는 단계에서, 열융착 부위(실링부)가 전해액 주입과정에서의 오염과 라미네이트 시트의 최내측 수지층에서의 과다한 용융 현상 및/또는 가압으로 인한 내측 수지층의 외부로의 돌출로 인하여, 열융착을 행한 이후에도 완전한 실링 상태를 유지하기 어려워 수분의 침투가 용이하고 전해액의 누액 가능성이 존재하는 문제점이 있다.
또한, 파우치형 전지는 반복적인 충방전 과정에서 전지 본체가 팽창 및 수축을 반복하므로 실링부의 분리가 쉬워지는 바, 장기간의 사용시 상기와 같은 실링부에서의 문제점은 더욱 심각해지게 된다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 전지 파우치의 사이드 실링 후 UV 반응에 의해 캡슐층의 외벽이 깨지고 캡슐층의 내부 물질이 흘러나와 코팅층과 금속층 사이에 피막층을 형성하여, 파우치의 실링 시 절연 특성을 향상된 전지 파우치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 파우치에 있어서, 열융착층, 금속층 및 코팅층이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 상기 코팅층에 5 ~ 10 ㎛ 두께의 UV 반응 캡슐층이 포함되며, 상기 UV 반응 캡슐층은 외벽과 외벽 안의 내부물질을 포함하여 이루어진 절연특성이 향상된 전지 파우치를 제공한다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 전지 파우치의 사이드 실링 후 UV 반응에 의해 캡슐층의 외벽이 깨지고 캡슐층의 내부 물질이 흘러나와 코팅층과 금속층 사이에 피막층을 형성하여, 파우치의 실링 시 절연 특성을 향상된 전지 파우치를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 열융착층, 금속층 및 코팅층이 적층된 통상의 파우치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 상기 도 1의 파우치를 말아서 실링 하기 전의 파우치 표면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 파우치를 말아서 실링 하기 전의 파우치를 측면에서 바라본 것을 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 일실시예의 파우치를 말아서 실링 하기 전의 파우치 표면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5 ~ 도 7은 본 발명의 일실시예로, 파우치의 코팅층에 구현된 UV반응 캡슐층을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 상기 도 1의 파우치를 말아서 실링 하기 전의 파우치 표면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 파우치를 말아서 실링 하기 전의 파우치를 측면에서 바라본 것을 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 일실시예의 파우치를 말아서 실링 하기 전의 파우치 표면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5 ~ 도 7은 본 발명의 일실시예로, 파우치의 코팅층에 구현된 UV반응 캡슐층을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명은 파우치에 있어서, 열융착층, 금속층 및 코팅층이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 상기 코팅층에 5 ~ 10 ㎛ 두께의 UV 반응 캡슐층이 포함되며, 상기 UV 반응 캡슐층은 외벽과 외벽 안의 내부물질을 포함하여 이루어진 절연특성이 향상된 파우치에 관한 것이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
리튬 이차전지의 파우치 외장재(이하 파우치라 한다)는 순차적으로 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 내부층(열융착층), 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속층, 기재 및 보호층으로 작용하는 코팅층이 적층된 다층 구조로 구성되어 있다. 이러한 파우치는 전지 제조 시 안쪽에 전극과 분리막으로 구성된 조립체를 감싼 후 상부 시트와 하부 시트를 실링하여 제조된다.
본 발명의 파우치의 열융착층은 열접착성을 가져 실링재 역할을 하고, 두께가 10 ~ 200 ㎛ 인바, 이 범위 내에서는 파우치 실링이 우수하다.
상기 열융착층의 재질은 당 분야에서 사용하는 것으로 특별히 한정하지 않는다. 구체적인 일례로 폴리에틸렌, 무연신 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 나일론, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 및 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 등 중에서 선택한 1 종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 금속층은 파우치의 적정 두께를 유지하고, 외부로부터 수증기, 가스 등이 침투하는 것을 방지하는 역할을 하며, 그 두께가 10 ~ 100 ㎛인바, 이 범위 내에서는 전극 조립체 강도가 우수하며, 전극 조립체의 제작이 용이하다.
상기 금속층의 재질은 당 분야에서 사용하는 것으로 특별히 한정하지 않는다. 구체적인 일례로 알루미늄, 스테인리스 및 철 등 중에서 선택한 1 종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 파우치의 기재 및 보호층의 작용을 하고, 코팅층은 10 ~ 50 ㎛이며, 이 범위 내에서는 파우치의 강도가 우수하며, 파우치 외장재의 유연성이 우수하다.
상기 코팅층의 재질은 당 분야에서 사용하는 것으로 특별히 한정하지 않는다. 구체적인 일례로 나일론, 폴리에틸렌프탈레이트 및 폴리에틸렌 등 중에서 선택한 1 종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명은 상기 코팅층에 UV 반응 캡슐층을 포함하되, 상기 UV 반응 캡슐층은 외벽과 외벽 안의 내부물질을 포함하여 이루어진 것이다.
상기 UV 반응 캡슐층은 상기 코팅층에 포함하여 이루어지는바, 구체적인 일례로 아래 도 5 ~ 도 7과 같이 구현할 수 있으나 아래 도 5 ~ 7에 한정하지 않고 코팅층에 UV 반응 캡슐층을 구현 할 수 있다.
캡슐층의 두께는 5 ~ 10 ㎛ 인바, 이 범위 내에서는 코팅층에 포함된 UV 반응 캡슐층이 깨져 캡슐 안의 내부물질이 흘러나와 코팅층과 금속층 사이에 피막층을 형성하기 원활하다.
상기 UV 반응 캡슐층의 외벽의 재질은 (PSS/PDDA)5, PSS, DDAB, SiO2-TiO2 등 중에서 선택한 1 종 이상을 사용할 수 있다.
상기 UV 반응 캡슐의 내부 물질은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌프탈레이트 및 나일론 등 중에서 선택한 1 종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 코팅층에 포함된 UV 반응 캡슐층은 전지 파우치의 실링 이후 UV, 열 등의 외부 반응 또는 작용에 의하여 그 외벽이 깨어질 수 있다. 이때 외벽이 깨지면서 외벽 안에 있는 내부물질이 흘러나올 수 있으며, 흘러나온 내부물질에 의해 코팅층에 피막을 더 형성할 수 있다.
상기 형성된 피막층의 두께는 1 ~ 50 ㎛ 일 수 있으며, 이 범위 내에서는 파우치의 절연성이 우수하다.
본 발명의 절연특성이 향상된 전지 파우치의 제조 방법은 당 분야에서 사용하는 방법으로 그 방법을 특별히 한정하지 않는다.
본 발명은 절연특성이 향상된 전지 파우치를 포함하는 전극 조립체를 제공한다.
또한 본 발명에 포함되는 전극조립체는 특별히 그 형태를 한정하지 아니하고 다양한 형태가 모두 포함될 수 있음을 물론이며, 예를 들어, 바이셀(Bi-cell)과 풀셀(Full-cell)이라는 서로 다른 타입의 스택형 단위셀을 교차하여 길게 재단된 분리 필름으로 와인딩(winding)하여 포함하는 스택&폴딩형 전극조립체, 상기와 같은 방식의 스택&폴딩형 전극조립체 로서 바이셀과 풀셀의 구별없이 동일한 타입의 스택형 단위셀을 포함하는 스택&폴딩형 전극조립체, 상기 스택형 단위셀들을 분리 필름으로 와인딩(winding)하는 경우, 지그재그 방향으로 폴딩하는 Z형 스택&폴딩 전극조립체, 상기 스택형 단위셀들을 동일한 방향으로 연속하여 와인딩(Winding)하는 스택&폴딩 전극조립체, 또는 상기 스택형 셀을 단위셀로 하여 분리필름으로 폴딩하는 것이 아니라 양극, 음극을 교대로 분리필름 위에 놓은 상태에서 연속하여 와인딩하는 전극조립체 또는 이를 지그재그 방향으로 와인딩하는 Z형 전극조립체, 및 일반적인 스택형 전극조립체, 양극판, 분리막, 음극판 순으로 배치된 상태에서 일방향으로 와인딩된 젤리-롤형의 전극조립체 등이 모두 포함될 수 있다.
또한 본 발명의 본 발명의 파우치형 이차전지는 아래 도 1 과 같은 형태 뿐만 아니라 셀의 장변, 단변의 어느 방향으로도 양극리드와 음극리드를 구현할 수 있으며, 특히 양극리드와 음극리드를 셀의 장변에 구현 시 장변에 좌우대칭형으로 구현은 물론이고 장변에 좌우대칭형으로 구현할 수 있다. 즉 장변의 한쪽 부분에 양극리드와 음극리드를 구현할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 전극 조립체를 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.
상기 리튬이차전지는 중대형 디바이스의 전원이 전지 모듈의 단위전지로 사용되는 것이다.
상기 중대형 디바이스는 특별히 한정하지 않는다. 구체적인 일례로 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기트럭; 전기상용차 또는 전력 저장용 시스템일 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 내용이나 도면에 기재된 내용에 그 기술적 사상이 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 특허청구범위 내에 있게 된다.
10: 열융착층 20: 금속층
30: 코팅층 40: UV 반응 캡슐층
50: 피막층
30: 코팅층 40: UV 반응 캡슐층
50: 피막층
Claims (13)
- 파우치에 있어서,
열융착층, 금속층 및 코팅층이 순차적으로 적층되어 이루어지고,
상기 코팅층에 5 ~ 10 ㎛ 두께의 UV 반응 캡슐층이 포함되며,
상기 UV 반응 캡슐층은 외벽과 외벽 안의 내부물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 절연특성이 향상된 전지 파우치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열융착층의 두께는 10 ~ 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 절연특성이 향상된 전지 파우치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열융착층은 폴리에틸렌, 무연신 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 나일론, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 및 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 중에서 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 절연특성이 향상된 파우치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속층의 두께는 10 ~ 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 절연특성이 향상된 전지 파우치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속층은 알루미늄, 스테인리스 및 철 중에서 선택한 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 절연특성이 향상된 전지 파우치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 코팅층의 두께는 10 ~ 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 절연특성이 향상된 전지 파우치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 코팅층은 나일론, 폴리에틸렌프탈레이트 및 폴리에틸렌 중에서 선택한 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 절연특성이 향상된 전지 파우치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 UV 반응 캡슐층의 외벽의 재질은 (PSS/PDDA)5, PSS, DDAB, SiO2-TiO2 중에서 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 절연특성이 향상된 전지 파우치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 내부물질은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌프탈레이트 및 나일론 중에서 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 절연특성이 향상된 전지 파우치.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 항에 따른 전지 파우치를 포함하는 전극조립체.
- 제 10 항의 전극조립체를 포함하는 리튬이차전지.
- 제 11 항에 있어서,
상기 리튬이차전지는 중대형 디바이스의 전원이 전지 모듈의 단위전지로 사용되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
- 제 12 항에 있어서,
상기 중대형 디바이스는 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기트럭; 전기상용차 또는 전력 저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
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