KR101472178B1

KR101472178B1 - 비노출 실링부를 구비한 파우치형 전지

Info

Publication number: KR101472178B1
Application number: KR1020120062694A
Authority: KR
Inventors: 김수영; 신영준; 박효석
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2014-12-12
Also published as: KR20130139026A

Abstract

본 발명은 비노출 실링부를 구비한 파우치형 이차전지에 관한 것이다. 본 발명은, 파우치 실링부 절단면이 외부 노출로부터 절연되어 있는 것임을 특징으로 하는데, 구체적으로는, 파우치 실링부 절단면은 절연성 고분자 코팅된 것이거나, 절연테이프로 테이핑된 것이거나, 파우치 실링부가, 절단면이 외부 노출되지 않고 내부로 향하도록, 휘어져 있는 것, 절곡되어져 있는 것, 또는 권취되어져 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 파우치형 전지는, 파우치 실링부 절단면이 외부 노출로부터 절연되어 있어, 외부의 전기적 충격에 강한 효과가 있다.

Description

비노출 실링부를 구비한 파우치형 전지{POUCH TYPED BATTERY HAVING A NON-EXPOSURE SEALING PORTION}

본 발명은 비노출 실링부를 구비한 파우치형 전지, 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.

소형 모바일 기기들이 디바이스 1 대당 하나 또는 서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용된다.

중대형 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지팩의 전지 셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 금속층과 수지층의 라미네이트 시트를 외장부재로 사용하는 파우치형 전지가 최근 많은 관심을 모으고 있다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 전지(10)는 두 개의 전극리드(11, 12)가 서로 대향하여 전지 본체(13)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 외장부재(14)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 상하 2 단위로 이루어진 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 수납한 상태로 접촉부위인 양측면(14b)과 상단부 및 하단부(14a, 14c)를 접착시킴으로써 전지(10)가 만들어진다. 외장부재(14)는 외부수지층/금속박층/내부수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(14b)과 상단부 및 하단부(14a, 14c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 접착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 접착할 수도 있다. 양측면(14b)은 상하 외장부재(14)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(14a)와 하단부(14c)에는 전극리드(11, 12)가 돌출되어 있으므로 전극리드(11, 12)의 두께 및 외장부재(14) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(11, 12)와의 사이에 필름상의 실링부재(16)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.

그러나, 파우치형 전지(10)는 충·방전 과정에서 전지 본체(13)가 팽창 및 수축을 거듭하므로, 상단부(14a) 및 하단부(14c), 특히 양측면(14b)의 열융착 부위가 분리되기 쉬울 뿐만 아니라, 외장부재(14) 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하다는 단점을 가지고 있다.

즉, 파우치형 전지(10)의 밀봉력은 열융착되는 외주부의 결합력에 의해 결정되는데, 장기간의 사용에 따른 열화 또는 비정상적인 작동 조건에서 전지의 내부에 고압이 발생하였을 때, 열융착된 실링면이 벌어지면서 전지 내부의 가스, 전해액 등이 외부로 누출될 수 있다. 전해액은 가연성 물질로 이루어져 있으므로, 발화의 위험성이 높다.

더욱이, 외부 수지층, 금속층, 내부 수지층으로 이루어진 라미네이트 구조의 전지케이스 시트는 열융착에 의해 밀봉하더라도, 라미네이트 시트의 실링부의 절단면(시트의 커팅면)이 외부로 노출되어 있어서, 외부로 노출된 금속층에 의해 절연저항이 약화되거나, 실링부를 통해 외부의 수분, 공기 등이 전지 내부로 침투할 가능성이 있다. 즉, 현재 사용되고 있는 파우치형 이차 전지는 파우치의 실링부 절단면이 외부로 노출되어 있으므로, 외부로부터 가해지는 물리적·전기적 충격에 대단히 취약한 구조를 가지고 있다는 문제점이 있다.

이와 같이, 라미네이트 시트에서 금속층이 노출되거나 또는 노출된 금속층이 전지의 다른 부위와 전기적 접속 상태에 놓이는 경우를 '절연저항의 파괴(또는 약화)'로 칭하기도 하며, 이러한 절연저항의 약화는 이차전지의 안전성 측면과 수명특성 측면에서 매우 바람직하지 못하다. 또한, 라미네이트 시트 실링부의 절단면을 통해 침투된 수분 등은 전해액과 반응하여 가스를 유발하고 전지의 열화를 촉진하므로, 역시 안전성 측면과 수명특성 측면에서 바람직하지 못하다.

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

구체적으로, 본 발명은 파우치형 전지의 라미네이트 시트 실링부의 절단면에 테이프를 붙이거나, 고분자 코팅을 하거나, 1회 이상 접는 방법 등을 통해 라미네이트 시트의 금속층이 외부로 노출되는 것이 방지된 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 파우치의 외각부인 파우치 실링부 말단면이 외부 노출로부터 절연되도록 독립적인 처리를 통해 절연처리부를 구현하거나, 파우치 자체를 변형하여 절연처리를 구현하는 이차전지를 제공할 수 있도록 한다.

이를 위해, 본 발명에서는 내부에 전극조립체를 수납하는 파우치와 상기 파우치의 외부로 돌출되며 상기 전극조립체에 연결되는 양극 및 음극의 전극리드;를 포함하되, 상기 파우치의 외각부인 파우치 실링부 말단면이 외부 노출로부터 절연되는 절연처리부를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공한다.

본 발명의 파우치형 전지는, 파우치 실링부 절단면이 외부 노출로부터 절연되어 있어, 외부의 전기적 충격에 강한 효과가 있다.

도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도이다.
도 2는 파우치 실링부 절단면이 절연성 고분자 코팅된 본 발명 일례를 나타낸 도면이다.
도 3은 실링부의 절단면을 절연테이프로 테이핑한 본 발명 다른 일례를 나타낸 도면이다.
도 4는 파우치 실링부가, 절단면이 외부 노출되지 않고 내부로 향하도록 되어 있는 구조의 본 발명 또 다른 일례를 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 2는 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 구조를 도시한 요부 개념도이다.

도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체(130)를 내부에 수용하는 파우치(140)가 구비되며, 상기 파우치(140)의 외부로 돌출되는 전극리드(110, 120)가 돌출되어 있다. 상기 파우치는 상부 라미네이션 시트(141)과 하부 라미네이션 시트(142)가 열융착에 의해 융착되어 내부에 전극조립체(130)을 수용한 상태로 외각부가 실링되는 구조를 구비하게 된다. 또한, 상기 전극리드(110, 120)과 파우치의 밀착면에 절연부재(111, 121)가 마련되어, 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보 수 있도록 한다.

특히, 상술한 본 발명에 따른 구조에서는 상기 파우치의 외각부인 파우치 실링부 절단면이 외부 노출로부터 절연되는 절연처리부를 구비할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 절연처리부는 도 2의 구조에서는 상부 라미네이션 시트와 하부 라미네이션 시트가 합착되어 실링되는 파우치 실링부 말단면에 절연성 고분자 코팅부(150)를 구비하여 마련될 수 있다. 이 경우 상기 절연성 고분자는 폴리에틸렌, 및 폴리프로필렌에서 선택되는 1 이상의 물질을 적용할 수 있다. 물론 고분자 수지가 이에 한정되는 것은 아니며, 파우치 실링부의 말단면을 실링할 수 있는 레진류이면 어느 것이나 적용이 가능함은 물론이다.

나아가, 상기 절연성 고분자코팅부(150)의 형성은 (a)의 부분확대도에 도시된 것과 같이, 상기 파우치 실링부의 말단면에 대응되도록 형성할 수 있으며, 또는, (b)에 도시된 구조와 같이 절연성 고분자코팅부(150)가 상부 라미네이션 시트(141)과 하부 라미네이션 시트(142)의 일부 면(151)을 일부분 덮는 구조로 구현하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 절연성 고분자 코팅부(150)는 도 2의 구조에서 파우치의 접합면인 파우치 실링부 말단면을 따라서 전체적으로 형성될 수 있다.

또한, 도 3은 도 2의 구조와는 다른 본 발명에 따른 다른 실시예로써의 절연처리부의 구성을 도시한 것으로, 상기 파우치실링부의 말단면을 따라서 절연테이프(160)를 테이핑하는 구조를 적용할 수 있다.

또한, 도 4a는 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 예시한 것으로, 상부라미네이션 시트(141)과 하부 라미네이션 시트(142)의 합착 실링부의 말단면을 도시된 것과 같이, 상기 파우치의 중심부 방향(X)으로 절곡하여 절곡부를 형성하는 구조로 처리할 수 있다. 이 경우 절곡부란, 상기 파우치 실링부의 말단면이 외부로 노출되지 않고 상기 절곡부는, 파우치 실링부의 말단면이 외부로 노출되지 않고 내부로 향하도록 휘어져 있는 것, 절곡되어져 있는 것, 또는 권취되어져 있는 것 중 적어도 하나이거나, 이들 중 적어도 하나 이상이 조합되어 있는 것이 되도록 구현할 수 있다(도 6a 및 도 6b의 변형 구조를 전부 적용할 수 있다.). 이러한 절곡부의 형상은 절곡된 부분의 전체적인 형상이 원형, 삼각형, 사각형 등이 다양한 다각형 구조로 절곡된 형상으로 구현될 수 있다.

나아가, 도 4a의 절곡부를 형성하는 경우에도 도 2 및 도 3에서 상술한 것과 같이, 파우치 실링부 말단면에 절연성고분자 코팅부(170)를 형성하거나 절연테이프를 처리하여 밀봉효율을 높일 수 있도록 함이 바람직하다.

이러한 변형 실시예를 구체적으로 도 4b를 참조하여 살펴보면, 도 4a에서 절곡부를 형성하는 파우치 실링부 말단면에 절연성고분자 코팅부(170)를 형성하는 구조에서 나아가, 도 4b의 (a)에 도시된 것과 같이 절곡부를 형성하는 파우치 실링부의 말단면 뿐만 아니라, 상부 라미네이션 시트(141)과 하부 라미네이션 시트(142)의 일부 면(151)을 일부분 덮는 구조로 구현 하는 것도 가능하다. 물론, 도 4b의 (b)에 도시된 것과 같이, 절곡부를 형성하는 파우치 실링부의 말단면에 절연테이프(180) 처리를 하는 구조로 구현하는 것도 가능하며, 도 4b의 (c)에 도시된 것과 같이, 절곡된 구조가 2회 이상 반복되는 구조로 구현할 수도 있으며, 여기에 말단면에 전술한 코팅부나 절연테이프 처리를 적용하는 것도 가능하다.

일반적으로 상술한 상기 라미네이트 시트는 통상 금속박층과 이를 덮는 수지층의 다층막으로 구성되는데, 열압착성을 가져 실링재로서의 역할을 하는 내부층인 폴리올레핀계 수지층(Polyolefin Layer)과, 기계적 강도를 유지하고 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속박층(주로 알루미늄층이다)과, 보호층으로 작용하는 외부층(주로 나일론층이다)이 순차적으로 적층된 다층막 구조로 구성되어 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다.

도 5는 본 발명에 따른 실시예를 적용할 수 있는 구조의 변형예를 도시한 것이다. 즉, 본 발명은 단순히 파우치의 말단부를 절연처리하는 구조에서 나아가, 도 5에 도시된 것과 같이, 파우치형 전지케이스의 구조에도 적용할 수 있으며, 특히 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체에도 적용할 수 있음은 물론이다.

도시된 도 5의 도면을 참조하면, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체(10), 전극조립체(210)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(231, 232), 전극 탭들(231, 232)에 용접되어 있는 전극 리드(251, 252), 및 전극조립체(210)를 수용하는 파우치형 전지케이스(200)를 포함하는 것으로 구성되어 있다. 상기 전극조립체(210)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 와인딩형, 스택형, 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(231, 232)은 전극조립체(210)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(251, 252)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(231, 232)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(220)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극 리드(251, 252)의 상하면 일부에는 전지 케이스(200)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(253)이 부착되어 있다.

또한, 다수의 양극, 음극 탭들(231, 232)이 일체로 결합되어 용착부를 형성함으로 인해, 전지케이스(200)의 내부 상단은 전극조립체(210)의 상단 면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 있고, 용착부의 탭들(231, 232)은 대략 V자 형상(반드시, V 자형의 형상으로 한정되는 것은 아니며, 이는 일 예시임.)으로 절곡되어 있다(전극 탭들과 전극 리드의 결합부위를 V-포밍(V-forming;241, 242) 부위로 칭하기도 한다). 전지 케이스(200)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(210)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 이차전지는, 전지 케이스(200)의 수납부에 전극조립체(210)를 내장하고 전해액(도시하지 않음)을 주입한 후, 전지 케이스(200)의 상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트가 접하는 외주 면을 열융착시키는 과정을 통해 제조된다.

이러한 구조에서도 상부 라미네이션시트(201)과 하부 라미네이션시트(202)가 융착되는 부분인 테두리 부분의 말단면에 본 발명에 따른 절연처리부를 구현할 수 있다.

즉, 도 6에 도시된 것과 같이, (a) 라미네이션시트(201)과 하부 라미네이션시트(202)가 융착되는 부분인 테두리 부분의 말단면에 절연성 고분자 수지를 처리하여 기밀성을 높이는 코팅부(260)을 형성하거나, (b) 라미네이션시트(201)과 하부 라미네이션시트(202)가 융착되는 부분인 테두리 부분의 말단면에 절연성 테이프(270)을 처리하거나, (c)에 도시된 것과 같이, 상부 라미네이션시트(201)과 하부 라미네이션시트(202)가 융착되는 부분인 테두리 부분의 말단부를 절곡하여 처리하거나, 절곡한 후, 테두리 부분의 말단면에 실링처리부(280)를 구현하는 구조로 형성하는 것도 가능하다. 나아가, 라미네이션시트(201)과 하부 라미네이션시트(202)가 융착되는 부분인 테두리 부분의 말단면의 처리의 실시예는 도 2 내지 도 4b에서 상술한 다양한 변형 구조를 적용할 수 있음은 물론이다.

또한, 도 4a에서 설명한 적용 실시예를 그대로 구현하는 것도 가능하다. 이를 테면, 도 6의 (d)~(g)에 도시된 것과 같이, 다양한 방식으로 상부 라미네이션시트(201)과 하부 라미네이션시트(202)가 융착되는 부분인 테두리 부분의 말단부를 절곡할 수 있다.

즉, 본 발명에서 상기 파우치의 외각부인 파우치 실링부 말단면이 외부 노출로부터 절연되도록 독립적인 처리를 통해 절연처리부를 구현하거나, 파우치 자체를 변형하여 절연처리를 구현하는 기술요지를 포함하는 실시예는 상술한 예시에서 소개하지 않았다 하더라도, 본 발명의 요지에 포함되는 것은 당업자에게 자명하다 할 것이다.

본 발명에 따른 이차전지는 리튬이차전지임이 바람직하며, 나아가 이러한 이차전지를 다수 구비하는 상기 전기화학소자는, 다수의 이차전지를 포함하는 전지모듈 및 다수의 전지의 모듈을 포함하는 전지팩으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 구현할 수 있다.

다수의 이차전지를 포함하는 전지 모듈을 포함하는 전지 팩의 경우, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.

중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110: 전극리드
120: 전극리드
130: 전극조립체
140: 파우치
141: 상부 라미네이션 시트
142: 하부 라미네이션 시트
150: 고분자코팅부
151: 일부면
160: 절연테이프
170: 절연성 고분자 코팅부

Claims

상부 라미네이션 시트와, 상기 라미네이션 시트 하단에서 상기 상부 라미네이션 시트와 결합하는 하부 라미네이션 시트 및, 결합된 상기 상부 라미네이션 시트 및 상기 하부 라미네이션 시트 내부에 수용되는 전극조립체를 수납 포함하는 파우치; 및
상기 파우치의 외부로 돌출되며 상기 전극조립체에 연결되는 양극 및 음극의 전극리드;를 포함하고,
상기 파우치는,
측면에서 상기 상부 라미네이션 시트의 하단면과 상기 하부 라미네이션 시트의 상부면이 서로 접촉하며 실링되고, 말단면이 외부에 노출되지 않도록, 상기 상부 라미네이션 시트 및 상기 하부 라미네이션 시트가 상기 파우치의 중심부 방향으로 절곡된 절곡부를 포함하는 파우치 실링부; 및
상기 파우치의 외각부인 파우치 실링부의 말단면이 절연되도록 상기 상부 라미네이션 시트 및 상기 하부 라미네이션 시트의 말단면이 코팅 또는 테이핑 되는 외부 노출로부터 절연되는 절연처리부;를 포함하는 파우치형 이차전지.
청구항 1에 있어서,
상기 절연처리부는,
상기 파우치 실링부 말단면에 코팅되는 절연성 고분자 코팅부를 구비하여 마련되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
청구항 2에 있어서,
상기 절연성 고분자는 폴리에틸렌, 및 폴리프로필렌에서 선택되는 1 이상인 것임을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
청구항 1에 있어서,
상기 절연처리부는,
상기 파우치 실링부 말단면을 절연테이프로 테이핑하여 구현하는 파우치형 이차전지.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 절곡부는,
파우치 실링부의 말단면이 외부로 노출되지 않고 내부로 향하도록 휘어져 있는 것, 절곡 되어져 있는 것, 또는 적어도 2회 이상 절곡되어 권취 되어져 있는 것 중 적어도 하나이거나, 이들 중 적어도 하나 이상이 조합되어 있는 것임을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
청구항 1에 있어서,
상기 전극조립체는,
와인딩형, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체인 파우치형 이차전지.