KR101471672B1 - 이차전지용 파우치 및 파우치형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2차 전지용 파우치 및 이를 이용한 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명은 파우치 전지의 실링부 주변에 일라스토머층으로 도포시킴으로써 외부로부터 수분이 침투되는 것을 효과적으로 막을 수 있기 때문에 장기적으로 전지의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전지 팩 내에서 셀을 용이하게 고정시킬 수 있다.
파우치*실링부*일라스토머*이차전지

Description

이차전지용 파우치 및 파우치형 이차전지{Pouch for secondary battery and Secondary battery using the same}
본 발명은 파우치형 이차전지에서 수분이 침투하여 전지의 성능이 저하되는 것을 방지하기 위하여 파우치의 실링부 주변을 일라스토머층으로 도포함으로써 전지성능이 향상된 이차전지의 파우치, 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 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 진행중이다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메 탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬이차전지 등을 들 수 있다. 이 중에서, 리튬이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수 개를 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 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 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 두 전극과 세퍼레이터, 전해질을 필름으로 만든 파우치에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
통상적으로 사용되는 리튬 이온 폴리머 전지의 파우치는 다음 도 1에서와 같이, 순차적으로 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 내부층(15)인 폴리올레핀계 수지층(Polyolepin Layer), 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어 층으로서 역할을 하는 금속층(13)인 알미늄층(AL/Aluminum Layer), 기재 및 보호층으로 작용하는 외부층(11)(통상 나일론층)이 적층된 다층막구조로 구성되어 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다.
파우치는 수용부(21)가 형성된 하부(20)와 이를 덮는 상부(10)로 크게 구분되고, 상기 수용부(21)에 내장되는 전극조립체(30)는 양극(31) 및 음극(35)과 세퍼레이터(33)가 적층 권취되어 이루어진다. 각 전극에서는 탭(37, 38)이 인출되고, 탭(37, 38)에는 실링부(23)와 겹치는 부분에 테이프(39)가 부착된다.
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 있다. 따라서 누액의 문제를 큰 전해액 사용 리튬 이온 이차전지에서 보다는 주로 겔형이나 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지에 사용된다.
그런데, 파우치형 전지에서도 이차전지의 고용량과 요구에 맞추어 보다 놓은 용량의 전지를 형성하기 위해 상대적으로 작은 크기의 파우치에 보다 많은 용량을 가지도록 전극과 전해질을 포함시켜야 한다. 또한, 전지 용량이나 수용기능과 직접
관계가 없는 파우치의 주변 실링부를 점차 줄이도록 하는 요구가 발생한다.
파우치의 실링부 폭을 줄이면 내부에 보다 큰 용량의 전극 조립체를 수용할 수 있고, 용량과 직접 관계없는 실링부 자체는 줄일 수 있다. 그러므로, 동일한 파우치로 보다 높은 용량의 이차전지를 형성할 수 있다. 그러나, 실링부 폭의 감소로 절대적 실링 면적이 줄어들면서 파우치의 밀봉 신뢰성은 줄어들어 문제가 된다.
파우치 형태의 리튬이차 전지에서, 외장재의 실링은 매우 중요한 이슈이지만, 파우치의 특성상 고분자로 이루어진 실링부로 수분이 침투하는 문제가 발생된다. 외부로부터 수분 등의 이물질이 침투하게 되면 전극 조립체, 탭, 외장재의 부식을 촉진시키거나, 또는 양극/음극의 활물질에도 손상을 주는 등의 성능의 저하를 초래한다.
또한, 전지의 사용시간이 길어질수록 외부에서의 수분침투는 전지의 성능을 장기적으로 저하시키는 요인이 되고 있어, 이에 대한 대책이 시급한 실정이다.
따라서, 본 발명에서는 상기와 같이 파우치의 실링부에서 수분이 침투됨으로 인해 발생되는 종래 이차 전지의 여러 가지 문제들을 해결하여 전지의 성능을 향상시키기 위한 것이다.
이에, 본 발명은 실링부를 포함하는 파우치에서, 상기 실링부의 주변을 일라스토머층으로 도포시킴으로써 외부로부터의 수분 침투를 막아 전지 성능이 저하되는 문제를 해결하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 외부로부터의 수분 침투를 저하시킬 수 있는 이차전지의 파우치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기와 같이 외부로부터 수분침투를 막을 수 있는 파우치를 이용함으로써 전지 성능이 향상된 파우치형 이차전지를 제공하는 데도 있다.
　　　본 발명과 같이 파우치 전지의 실링부 주변에 일라스토머층으로 도포시킴으로써 외부로부터 수분이 침투되는 것을 효과적으로 막을 수 있기 때문에 장기적으로 전지의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전지 팩 내에서 셀을 용이하게 고정시킬 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차전지용 파우치는 재질이 다른 복수 층의 필름으로 이루어지고 주변의 적어도 일부 영역에 실링부를 포함하는 이차전지용 파우치에 있어서, 상기 실링부는 일라스토머층을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 파우치형 이차전지는 두 개의 서로 다른 극성의 전극이 세퍼레이터로 분리된 상태로 적층되어 이루어지는 전극 조립체를 2 이상의 복층막으로 형성한 파우치에 내장하여 베어 셀을 형성하는 이차전지에 있어서, 상기 파우치의 실링부에는 일라스토머층을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
다음 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치(200)로서, 전극조립체가 수용되는 파우치 하부면(20)의 수용부(21)와 함께 플랜지형 실링부(23)에 일라스토머층(24)이 형성된 상태를 나타낸다. 전극조립체가 수용될 공간인 상기 수용부(21)는 파우치를 형성하는 다층막의 일부를 프레싱(PRESSING) 등의 가공을 통해 형성한다.
상기 실링부(23)에 형성된 일라스토머층(24)은 실리콘, 및 -Si-O- 그룹을 포 함하는 실록산계 고분자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 것으로 도포시키는 것이 바람직하다.
상기 일라스토머층은 상기 재료들을 용매에 용해시킨 후 그 용액을 상기 실링부에 도포시켜 필름 형태로 형성시키거나, 또는 별도의 필름을 만들어 상기 실링부에 라미네이팅시켜 형성시킬 수도 있다.
상기 일라스토머층의 두께는 0.1내지 5mm 로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 일라스토머층은 상기 실링부 전체에 걸쳐 형성되거나, 또는 일부에 형성될 수도 있으며, 선택적으로 사용 가능하다.
본 실시예 따른 이차전지용 파우치는 통상적인 열접착층인 내부층, 금속층 및 나일론 등으로 이루어진 외부층의 3개의 층으로 이루어져 있으며, 필요에 따라 더 많은 기능층들이 더 설치될 수 있다. 또한, 많은 다른 대체 재질층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예의 열접착층을 이루는 CPP층은 다른 폴리올레핀계 수지인 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 물질층으로 대체될 수 있다.
파우치막의 전체 두께는 통상 40 내지 120㎛이며, 상기 외부층과, 내부층은 10 내지 40㎛, 금속층은 20 내지 100㎛인 것이 바람직하다.
다음 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 실링부(23)에 일라스토머층(24)이 형성된 뒤 실링되어 이루어진 베어셀 파우치(300)를 나타내는 사시도이다. 도시된 바에 따르면, 파우치 상부 면의 실링부(23) 즉, 실링이 이루어지는 플랜지부에 일 라스토머층(24)이 형성되어 있다. 이 상부 면의 실링부와 접착되는 하부 면의 실링부에도 상부 면의 일라스토머층(24)에 대응하는 위치에 일라스토머층이 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 두 개의 서로 다른 극성의 전극이 세퍼레이터로 분리된 상태로 적층되어 이루어지는 전극 조립체를 2 이상의 복층막으로 형성한 파우치에 내장하여 베어 셀을 형성하는 이차전지에 있어서, 상기 파우치의 실링부에는 일라스토머층을 포함하는 이차 전지를 제공하는 데도 특징이 있다.
본 발명의 상기 전극조립체는, 서로 대향하는 양극판과 음극판, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 상기 전극조립체는 직사각형 또는 정사각형 형상으로 형성될 수 있으나, 여기서 상기 전극조립체의 형상을 한정하는 것은 아니다.
상기 양극판은 양극집전체와 상기 양극집전체 상에 형성된 양극활물질층을 포함하여 이루어진다. 상기 양극집전체의 단부에는 상기 양극활물질층이 형성되지 않은 부분인 양극무지부가 형성된다. 상기 양극무지부에는 양극집전체에 모인 전자
들이 외부회로로 흘러갈 수 있도록 외부회로와 전기적으로 연결되는 양극탭이 형성된다. 상기 양극집전체는 전기전도도가 우수한 알루미늄(Al) 등으로 형성되고, 상기 양극탭 역시 알루미늄(Al) 등으로 형성된다. 상기 양극탭은 상기 양극무지부에 통상적으로 초음파용접으로 용접된다. 상기 양극활물질층은 리튬 이온이 흡장 또는 탈리할 수 있도록 코발트산리튬(LiCoO2)과 같은 리튬 금속 산화물에 도전재 와 바인더를 혼합하여 형성한다. 또한, 상기 양극탭이 양극무지부에 용접된 후에는 양극탭의 이탈을 막기 위해 테이프가 부착된다.
상기 음극판은, 화학반응에 의해 발생한 전자를 모으는 음극집전체와, 상기 음극집전체의 상부에 형성된 음극활물질층을 포함하여 형성된다. 상기 음극집전체의 단부에는 상기 음극활물질층이 형성되지 않은 음극무지부가 형성된다. 상기 음극무지부에는 상기 음극집전체에 모인 전자들을 외부 회로로 흘러갈 수 있도록 외부 회로와 전기적으로 연결되는 음극탭이 부착되어 있다. 상기 음극탭이 음극무지부에서 이탈하지 않도록 음극탭 위에는 테이프가 부착된다. 상기 음극집전체는 통상 전기전도도가 우수한 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)로 형성되며, 상기 음극탭은 통상 니켈(Ni)로 형성된다. 상기 음극활물질층은 리튬 이온이 흡장, 탈리할 수 있도록 탄소 재료에 도전재와 바인더를 혼합하여 형성된다.
상기 세퍼레이터는 양극판과 음극판 사이에 개재되어 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 발생할 수 있는 쇼트를 방지한다. 세퍼레이터는 통상적으로 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 열가소성 수지로 형성되며, 그 표면은 다공막 구조로 되어 있다. 이러한 다공막 구조는, 전지 내부의 온도 상승으로 상기 열가소성 수지의 융점 근처가 되면 세퍼레이터가 용융하여 동공이 막힘으로써 절연필름이 된다. 이러한 현상을 세퍼레이터의 봉공 또는 셧다운(shut down) 현상이라고 한다.
이렇게 절연필름으로 바뀜으로써 양극판과 음극판간의 리튬 이온의 이동이 차단되고, 더 이상의 전류가 흐르지 못하게 됨으로써 전지내부의 온도 상승이 중단된다.
도 1은 파우치형 폴리머 이차전지의 일반적인 구조를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치를 형성하는 단계에서 실링부에 일라스토머층이 형성된 상태를 나타내는 사시도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 주변 실링부에 일라스토머층이 형성된 베어셀을 나타내는 사시도이다.
<도면 부호의 설명>
100 : 통상의 파우치 전지
100, 200 : 실링부에 보강층이 형성된 파우치
10 : 파우치의 상부 11 : 외부층
13 : 금속층 15 : 내부층
20 : 파우치의 하부 21 : 전극조립체의 수용부
23 : 실링부 24 : 일라스토머층
30 : 전극조립체 31 : 양극
33 : 세퍼레이터 35 : 음극
37, 38 : 전극 탭 39 : 테이프

Claims (7)

  1. 재질이 다른 복수층의 필름으로 이루어지고 주변의 적어도 일부 영역에 실링부를 포함하는 이차전지용 파우치에 있어서,
    상기 실링부는 일라스토머층을 포함하며,
    상기 일라스토머층의 두께는 0.1 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파우치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 일라스토머층은 실리콘, -Si-O- 그룹을 포함하는 실록산계 고분자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 것임을 특징으로 하는 이차 전지의 파우치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 일라스토머층은 상기 일라스토머를 형성하는 재료를 용해시킨 용액을 도포하여 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파우치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 일라스토머층은 상기 일라스토머를 형성하는 재료로부터 얻어진 필름을 라미네이팅시켜 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 파우치.
  5. 삭제
  6. 두 개의 서로 다른 극성의 전극이 세퍼레이터로 분리된 상태로 적층되어 이루어지는 전극 조립체를 2 이상의 복층막으로 형성한 파우치에 내장하여 베어 셀을 형성하는 이차전지에 있어서,
    상기 파우치의 실링부에는 일라스토머층을 포함하며,
    상기 일라스토머층의 두께는 0.1 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 복층막은 내부층인 CPP(Casted Polypropylene), 금속층인 알미늄층, 외부층인 나일론층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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