KR101458261B1 - 안전성이 향상된 이차전지용 파우치 외장재 및 이를 이용한 이차전지 - Google Patents

안전성이 향상된 이차전지용 파우치 외장재 및 이를 이용한 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부수지층, 금속박층, 외부수지층으로 이루어진 전지의 파우치 외장재에 있어서, 상기 내부수지층과 금속박층이 맞닿는 전체 또는 일부 면에 솔더링 재료층이 형성되는 것을 특징으로 하는 전지의 파우치 외장재에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지에 사용되는 솔더링 재료층은 전지의 성능을 제약하지 않으면서도 전지의 이상현상 발생시 발생하는 열을 흡수하는 흡열제로 사용될 수 있어, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

안전성이 향상된 이차전지용 파우치 외장재 및 이를 이용한 이차전지{Pouch for secondary battery having improved safety and secondary battery using the same}
본 발명은 안전성이 향상된 이차전지용 파우치 외장재 및 이를 이용한 이차전지에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대해서 중요성이 증가되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지와, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 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 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬이차전지 등을 들 수 있다. 이 중에서, 리튬이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질의 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 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는데 어려움이 있다. 따라서, 두 전극과 세퍼레이터, 전해질을 필름으로 만든 파우치에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 사용되고 있다.
통상적으로 사용되는 리튬 이온 폴리머 전지의 파우치는 순차적으로 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 열접착층인 폴리올레핀계 수지층의 내부수지층, 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속박층인 알루미늄층의 금속박층, 기재 및 보호층으로 작용하는 나일론층의 외부수지층으로 적층된 다층막 구조로 구성되어 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted polypropylene)가 있다.
파우치형 이차전지는 형태에 융통성을 가질 수 있고 보다 작은 부피 및 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 캔형과 달리 파우치형은 연질의 파우치를 용기로 사용하므로 기계적 강도가 약하고 밀봉의 신뢰성이 낮아질 수 있어, 안전성 문제에 대한 개선이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 내부수지층, 금속박층, 외부수지층으로 이루어진 전지의 파우치 외장재에 있어서, 상기 내부수지층과 금속박층이 맞닿는 전체 또는 일부 면에 솔더링 재료층이 형성되는 것을 특징으로 하는 전지의 파우치 외장재를 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 내부수지층, 금속박층, 외부수지층으로 이루어진 전지의 파우치 외장재에 있어서, 상기 내부수지층과 금속박층이 맞닿는 전체 또는 일부 면에 솔더링 재료층이 형성되는 것을 특징으로 하는 전지의 파우치 외장재를 제공한다.
본 발명의 일 구현예로, 상기 전지의 파우치 외장재를 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예로, 상기 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈 또는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 내부수지층, 금속박층, 외부수지층으로 이루어진 전지의 파우치 외장재에 있어서, 상기 내부수지층과 금속박층이 맞닿는 전체 또는 일부 면에 솔더링 재료층이 형성되는 것을 특징으로 하는 전지의 파우치 외장재에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이차전지에 사용되는 솔더링 재료층은 전지의 성능을 제약하지 않으면서도 전지의 이상현상 발생시 발생하는 열을 흡수하는 흡열제로 사용될 수 있어, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 내부수지층, 금속박층, 외부수지층으로 이루어진 통상의 전지의 파우치 외장재의 구조이다.
도 2는 내부수지층, 솔더링 재료층, 금속박층, 및 외부수지층으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 파우치 외장재의 구조이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부수지층과 금속박층이 맞닿는 전체 면에 솔더링 재료층을 형성한 파우치 외장재를 포함하는 이차전지를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부수지층과 금속박층이 맞닿는 일부 면에 솔더링 재료층을 형성한 파우치 외장재를 포함하는 이차전지를 도시한 것이다.
종래에는 전지의 파우치 외장재에 솔더링 재료층의 도입을 시도한 예는 없다. 이에, 본 발명자들은 내부수지층과 금속박층이 맞닿는 전체 또는 일부 면에 솔더링 재료층을 형성함으로써, 전지의 이상현상 발생시 발생하는 열을 흡수함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
구체적으로, 본 발명은 내부수지층, 금속박층, 외부수지층으로 이루어진 전지의 파우치 외장재에 있어서, 상기 내부수지층과 금속박층이 맞닿는 전체 또는 일부 면에 솔더링 재료층이 형성되는 것을 특징으로 하는 전지의 파우치 외장재를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
도 1은 내부수지층, 금속박층, 외부수지층으로 이루어진 통상의 전지의 파우치 외장재의 구조이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 통상의 전지의 파우치 외장재(100)는 내부수지층(110), 금속박층(130), 외부수지층(140)으로 이루어진 구조를 가진다. 또한 내부수지층(110)과 금속박층(130) 사이, 금속박층(130)과 외부수지층(140) 사이, 또는 양쪽 모두에 테이프를 형성하여 접착력을 향상시킬 수 있으며, 파우치 외장재(100)의 전체 두께는 통상 40 내지 180㎛이며, 상기 내부수지층(110)과 외부수지층(140)은 10 내지 40㎛, 금속박층(130)은 20 내지 100㎛인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 파우치 외장재를 구성하는 내부수지층(110)은 열접착층으로서, 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene: CPP)과 같은 변성 프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원공중합체 등이 사용될 수 있다. 상기 내부수지층(110)은 상기 금속박층(130)의 하면에 대략 10 내지 40 ㎛의 두께로 코팅 또는 라미네이팅되어 형성된다.
상기 파우치 외장재를 구성하는 금속박층(130)은 적정 두께를 유지하고 외부로부터 내부로 수증기, 가스가 침투하는 것을 방지하며, 전해액의 누수를 방지하는 역할을 한다. 상기 금속박층(130)으로는 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 및 이들의 합금, 알루미늄(Al) 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다만, 상기 금속박층(130)을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아지는바, 통상 알루미늄 금속 호일이 주로 이용된다.
상기 파우치 외장재를 구성하는 외부수지층(140)은 기재 및 보호층으로 작용하는 것으로, 통상 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트로 구성된다.
도 2는 내부수지층, 솔더링 재료층, 금속박층, 및 외부수지층으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 파우치 외장재의 구조이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 파우치 외장재(100)는 상기 내부수지층(110), 금속박층(130), 외부수지층(140)으로 이루어진 전지의 파우치 외장재에 있어서, 상기 내부수지층(110)과 금속박층(130)이 맞닿는 전체 또는 일부 면에 솔더링 재료층(120)이 더 형성된다.
이때, 솔더링 재료층(120)은 파우치 외장재(100)의 내부수지층(110)과 금속박층(130)이 맞닿는 전체 또는 일부 면에 코팅 또는 라미네이팅되어 형성되는 것으로, 전지의 성능을 제약하지 않으면서도 전지의 이상현상 발생시 상기 솔더링 재료층(120)이 금속박층(130) 보다 훨씬 낮은 온도에서 용융함으로써 발생하는 열을 흡수하는 흡열제로 사용될 수 있어 전지의 발화 및 폭발을 방지하는 등 전지의 안전성을 높일 수 있다. 상기 솔더링 재료층(120)의 두께는 0.1~2㎜인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 솔더링 재료층(120)의 두께가 2㎜를 초과하는 경우, 이차전지의 무게가 너무 무거워지는 문제점이 있고, 솔더링 재료층(120)의 두께가 0.1㎜ 미만인 경우, 충분한 흡열이 불가능한 문제점이 있다.
상기 솔더링 재료층(120)은 저용융점 및 고전도성을 가지는 무연 솔더링 재료로서, 250℃ 이하에서 용융되는 금속합금으로 이루어진 것이 바람직하고, 100℃ 이상 250℃ 이하에서 용융되는 금속합금으로 이루어진 것이 더욱 바람직하다. 상기 금속합금의 용융점이 100℃ 미만인 경우 전지의 충방전 또는 급속 충방전시에 전지 성능의 저하를 초래할 수 있고, 250℃를 초과하는 경우 전지의 오작동에 의한 전지의 과열시 접촉저항에 의존한 온도상승으로 인해 안전성이 문제된다. 상기 금속합금은 납과 같은 유해물질을 포함하지 않아 환경친화적 무연 솔더링 재료로 사용되며, 상대적으로 용융점이 낮은 금속에 해당하는 주석을 주성분으로 포함하고 이외에 구리, 니켈, 아연, 및 은 중에서 선택된 1 이상의 금속을 부성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는데, 상기 금속합금은 주석을 80 중량% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 상기 금속합금은 주석 80~99.9 중량%, 구리 0.01~10 중량%, 니켈 0.01~10 중량%, 아연 0.01~10 중량%, 및 은 0.01~10 중량%를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 파우치 외장재를 포함하는 이차전지를 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부수지층과 금속박층이 맞닿는 전체 면에 솔더링 재료층을 형성한 파우치 외장재를 포함하는 이차전지를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부수지층과 금속박층이 맞닿는 일부 면에 솔더링 재료층을 형성한 파우치 외장재를 포함하는 이차전지를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 파우치 외장재를 포함하는 이차전지(10)는 전극조립체(200)와 전해액을 넣고 열융착을 통하여 밀봉시킨 파우치 외장재(100)로 구성되는 것이고, 형태에 융통성을 가질 수 있으며, 보다 작은 부피 및 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있는 장점이 있다. 특히, 상기 파우치 외장재(100)의 일 구성성분인 솔더링 재료층(120)이 흡열제로 작용하기 때문에 전지의 이상현상 발생시 발생하는 열을 흡수하는 역할을 한다.
특히, 도 3에 도시한 바와 같이 솔더링 재료층(120)은 파우치 외장재(100) 의 일 구성성분으로 내부수지층(110)과 금속박층(130)이 맞닿는 전체 면에 형성될 수도 있고, 도 4에 도시한 바와 같이 솔더링 재료층(120)은 파우치 외장재(100) 전면부의 일 구성성분으로 내부수지층(110)과 금속박층(130)이 맞닿는 전체 면에 형성됨과 동시에 파우치 외장재(100) 후면부의 일 구성성분으로 내부수지층(110)과 금속박층(130)이 맞닿는 하부에만 일부 형성될 수도 있다.
또한, 상기 파우치 외장재(100)는 전극조립체(200)를 수납하기 위한 것으로, 파우치 외장재 전면부와 파우치 외장재 후면부로 이루어진 것을 특징으로 하며, 형태는 특별히 한정되지 않는다. 도 3 및 도 4에서는 파우치 외장재 후면부에만 전극조립체(200)를 수납하기 위한 홈이 형성된 형태를 도시하였으나, 파우치 외장재 전면부와 파우치 외장재 후면부 모두 전극조립체(200)를 수납하기 위한 홈이 형성된 형태를 가질 수도 있다.
상기와 같은 파우치 외장재(100)를 포함하는 이차전지(10)는 리튬 이차전지인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 전극조립체(200)는 양극활물질을 포함하는 양극(210)과, 음극활물질을 포함하는 음극(220), 및 분리막(230)으로 구성된 것이다.
구체적으로 양극(210)은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다. 또한, 음극(220)은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다. 상기 양극과 음극 사이에서 상기 전극들을 절연시키는 분리막(230)으로는 통상 알려진 폴리올레핀계 분리막이나, 상기 올레핀계 기재에 유·무기 복합층이 형성된 복합 분리막 등을 모두 사용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
또한, 상기 전극조립체(200)는 양극(210)에 연결된 양극탭과 음극(220)에 연결된 음극탭이 더 형성될 수 있는데, 도 3 및 도 4에서는 양극탭과 음극탭이 동일한 방향으로 형성된 전극조립체(200)를 도시하였으나, 양극탭과 음극탭이 서로 반대 방향으로 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해질로서, 이는 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
또한, 본 발명은 상기 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈 또는 전지팩을 제공한다.
상기 중대형 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지에 사용되는 솔더링 재료층은 전지의 성능을 제약하지 않으면서도 전지의 이상현상 발생시 발생하는 열을 흡수하는 흡열제로 사용될 수 있어, 전지의 발화 및 폭발을 방지하는 등 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 이차전지
100: 파우치 외장재
110: 내부수지층
120: 솔더링 재료층
130: 금속박층
140: 외부수지층
200: 전극조립체
210: 양극
220: 음극
230: 분리막

Claims (9)

  1. 내부수지층, 금속박층, 외부수지층으로 이루어진 전지의 파우치 외장재에 있어서,
    상기 내부수지층과 금속박층이 맞닿는 전체 또는 일부 면에 솔더링 재료층이 형성되고,
    상기 솔더링 재료층은 250℃ 이하에서 용융되는 금속합금으로 이루어지며, 상기 금속합금은 주석을 80 중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 파우치 외장재.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속합금은 구리, 니켈, 및 은 중에서 선택된 1 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 파우치 외장재.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속합금은 주석 80~99.9 중량%, 구리 0.01~10 중량%, 니켈 0.01~10 중량%, 및 은 0.01~10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지의 파우치 외장재.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 솔더링 재료층의 두께는 0.1~2㎜인 것을 특징으로 하는 전지의 파우치 외장재.
  7. 제 1항에 따른 파우치 외장재를 포함하는 이차전지.
  8. 제 7항에 따른 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 중대형 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
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