KR101496547B1 - 이차 전지용 파우치 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1시트와 제2시트; 상기 제1시트와 제2시트에 의해 밀폐되며, 내부에 전극탭을 포함하는 전극 조립체를 수용하는 수용부가 구비된 프레임부를 포함하는 이차 전지용 파우치 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 이차 전지용 파우치의 구조에서 대형의 전극 조립체를 수용할 수 있는 프레임부를 포함함으로써, 고용량 및 고강성의 대용량 및 대면적의 이차 전지를 구현할 수 있다.

Description

이차 전지용 파우치 및 이를 포함하는 이차 전지{Pouch for secondary battery and Secondary battery comprising the same}
본 발명은 전극 조립체를 수용하는 수용부가 구비된 프레임부를 포함하는 이차 전지용 파우치 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능하고 가벼우면서도 에너지 밀도 및 출력 밀도가 높은 리튬이차 전지가 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 기존 내연 기관 자동차의 대기오염 및 온실가스 문제를 해결하기 위한 대체방안으로 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV), 배터리 전기자동차(BEV), 전기자동차(EV) 등이 제시되고 있는데, 리튬이차 전지는 이러한 내연기관 대체 자동차의 동력원으로서도 주목받고 있다.
리튬 이차 전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지와 고분자 전해질을 사용하는 리튬폴리머전지로 분류되며, 전극조립체가 수용되는 외장재의 형상에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형으로 분류된다.
이 중, 파우치형은 금속층(포일)과 상기 금속층의 상면과 하면에 코팅되는 합성수지층의 다층막으로 구성되는 파우치 외장재를 사용하여 외관을 구성하기 때문에, 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어 전지의 경량화가 가능하며, 다양한 형태로의 변화가 가능하다는 장점이 있다.
이러한 파우치 외장재는 직방형 외장재를 한 변의 길이 방향을 기준으로 중간을 접철하여 형성된 상부 외장재와 하부 외장재로 이루어지는데, 하부 외장재에는 프레스(press) 가공 등을 통해 전극조립체를 수용하기 위한 공간 부가 형성된다. 하부 외장재의 공간부에는 주로 판형의 양극, 분리막 및 음극이 적층된 구조의 다양한 전극조립체가 수용된다. 그 다음 전해액을 주입하게 되고 상기 하부 외장재 공간부 주위의 가장자리부와 이에 대응되는 상부 외장재의 가장자리를 밀착시키고 밀착된 부분을 열융착 하면 밀봉된 형태의 파우치형 이차 전지가 형성된다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차 전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차 전지(1)는, 전극조립체(10), 전극조립체(10)로부터 연장되어 있는 전극탭들(31, 32), 전극탭들(31, 32)에 용접되어 있는 전극 리드(51, 52), 및 전극조립체(1)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(10)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(31, 32)은 전극조립체(10)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극 리드(51, 52)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(31, 32)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극 리드(51, 52)의 상하면 일부에는 전지 케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(53)이 부착되어 있다.
또한, 다수의 양극, 음극 탭들(31, 32)이 일체로 결합되어 융착부를 형성함으로 인해, 전지케이스(20)의 내부 상단은 전극조립체(10)의 상단 면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 있고, 융착부의 탭들(31, 32)은 대략 V자 형상으로 절곡되어 있다(전극 탭들과 전극 리드의 결합부위를 V-포밍(V-forming; 41, 42) 부위로 칭하기도 한다). 전지 케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(10)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 이차 전지는, 전지 케이스(20)의 수납부에 전극조립체(10)를 내장하고 전해액(도시하지 않음)을 주입한 후, 전지 케이스(20)의 상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트 시트가 접하는 외주 면을 열융착시키는 과정을 통해 제조된다.
이러한 이차 전지는 자동차용 또는 에너지 스토리지(storage) 용 중대형 사이즈의 전지에 대한 수요가 높아지고 있으며, 이러한 중대형 전지는 셀의 대형화, 고 에너지화에 따라 계속 두꺼워지는 경향으로 진행되고 있다. 또한, 전지의 병렬연결수가 적어져야 비용 절감효과(모듈, 팩조립 및 셀 단가측면)를 누릴 수 있어서, 셀의 대용량화는 가속되는 경향이다.
이러한 셀의 대용량화는 일반적인 파우치의 구조인 상부 시트 및 하부시트의 융착구조에 수용시키는 방식으로는 안정적인 신뢰성을 확보하기가 어려운 문제가 있다. 즉, 파우치의 상부 및 하부 시트는 고분자층 및 알루미늄 시트가 적층되는 구조이나, 전극조립체의 두께가 두꺼워질수록 이에 대한 형상가공시 시트 자체에 크렉이 발생하여 금속부분이 노출되며, 이로 인해 셀의 수명이 짧아지게 되는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이차 전지용 파우치에 대형의 전극 조립체를 수용할 수 있는 프레임부를 포함함으로써, 고용량 및 고강성의 대용량 이차 전지를 구현할 수 있는 이차 전지용 파우치, 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 제1시트와 제2시트; 상기 제1시트와 제2시트에 의해 밀폐되며, 내부에 전극탭을 포함하는 전극 조립체를 수용하는 수용부가 구비된 프레임부를 포함하는 이차 전지용 파우치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 이차 전지용 파우치 및 상기 파우치 내부에 전극조립체를 포함하는 이차 전지를 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 이차 전지를 포함하는 중대형 전지모듈 또는 전지팩을 제공한다.
본 발명에 따르면, 이차 전지용 파우치의 구조에서 대형의 전극 조립체를 수용할 수 있는 프레임부를 포함함으로써, 고용량 및 고강성의 대용량 및 대면적의 이차 전지를 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 이차 전지를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지용 파우치의 분리 사시도이다.
도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지용 파우치의 분리 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지용 파우치의 분리 사시도이다.
도 5a 및 5b는 상기 도 3의 결합도로서, 각각 프레임의 일 측면(도 5a) 또는 양 측면(5b)에 전극 조립체에 포함된 전극탭을 수용할 수 있는 탭 프레임을 포함하는 이차 전지용 파우치의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 파우치의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 처리층을 포함하는 이차 전지용 파우치의 측면 확대도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임의 구조를 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 파우치는 제1시트와 제2시트; 상기 제1시트 및 제2시트에 의해 밀폐되며, 내부에 전극탭을 포함하는 전극 조립체를 수용하는 수용부가 구비된 프레임부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 파우치는 대용량 및 대면적의 전극 조립체를 수용할 수 있는 프레임부를 포함함으로써, 고용량 및 고강성의 대용량 이차 전지를 구현할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지용 파우치의 분리 사시도를 도시한 것이다. 도시된 도 2 내지 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지용 파우치(100)는 제1시트(110)와 제2시트(120)를 포함하여, 상기 제1시트(110) 및 제2시트(120)에 의해 밀폐될 수 있으며, 내부에 전극탭(141)을 포함하는 전극 조립체(200)를 수용하는 수용부가 구비된 프레임부(130)을 포함할 수 있다.
상기 제1시트(110) 및 상기 제2시트(120)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 프레임부(130)를 사이에 두고 대향되어 배치되는 구조로 구현되며, 전극 조립체의 높이를 고려하여, 상기 제1시트(110)는 일정한 형상을 가지도록 가공될 수 있다.
상기 제1시트(110) 및 상기 제2시트(120)는 통상적으로 사용되는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어질 수 있고, 상기 프레임부와 서로 밀착되는 각각의 면에는 변성 폴리에틸렌, 변성 폴리프로필렌, 아크릴 수지, 변성 아크릴 수지, 에폭시계 수지 및 페놀계 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물 등의 실런트(sealant)층을 포함하여, 상기 제1시트(110) 및 상기 제2시트(120)는 상기 프레임부와 실링되어 밀폐될수 있다.
또한, 상기 프레임부(130)는 상기 제1시트(110) 및 상기 제2시트(120)와 밀착되는 면에 상기 제1시트(110) 및 상기 제2시트(120)의 실런트층과 동일 재질로 실링부(150)을 포함함으로써, 상기 제1시트(110) 및 상기 제2시트(120)와 밀착되어 실링될 수 있다.
한편, 상기 프레임부(130)는 상기 전극 조립체(200)의 수용공간을 형성하도록 측벽을 형성할 수 있으며, 상기 측벽은 바람직하게는 4개의 측벽으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프레임부(130)의 높이(H)는 전극 조립체(200)의 높이에 따라 다양하게 변형될 수 있으며, 바람직하게는 7mm 내지 50mm이며, 더욱 바람직하게는 10mm 내지 35mm가 바람직하다.
한편, 상기 프레임부(130)의 폭(W)는 7mm 내지 30mm, 바람직하게는 7mm 내지 15mm인 것이 바람직하다. 이때, 상기 프레임부의 폭(W)은 상기 프레임부의 높이(H)에 수직인 방향을 의미한다.
본 발명에 따른 프레임부를 구비한 구조에서는 종래의 파우치의 성형방식이 갖는 한계를 넘어서, 대용량 및 대면적 전지에 적용할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 이차 전지용 파우치(100)는 상기 프레임부(130)의 일 측면 또는 상기 프레임부의 대향하는 두 측면에 상기 전극 조립체(200)에 포함된 전극탭(141)이 관통할 수 있는 관통구(142)을 포함하고, 상기 전극 조립체(200)의 전극탭(141)은 상기 프레임부(130)의 관통구(142)을 관통할 수 있다. 이때, 상기 전극 조립체(200)에 포함되는 전극탭(141)은 양극탭 및 음극탭을 포함하며, 상기 양극탭 및 음극탭은 전극 조립체(200)로 부터 동일 방향 또는 양방향으로 인출될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 도 3과 같이, 상기 이차 전지용 파우치(100)는 상기 프레임부(130)의 일 측면 또는 상기 프레임부의 대향하는 두 측면에 상기 전극 조립체(200)에 포함된 전극탭(141)을 수용하는 탭 프레임(143)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 전극 조립체(200)의 전극탭(141)은 상기 프레임부(130)의 탭 프레임(143)을 관통하여 고정될 수 있다. 상기 이차 전지용 파우치는 상기 탭 프레임(143)을 더 포함함으로써, 전극 조립체에 포함된 전극탭(141)을 용이하게 고정할 수 있다.
상기 탭 프레임(143)은 통상적으로 사용되는 절연성 물질로서, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 폴리프로필렌(PP)과 같은 절연 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 이차 전지용 파우치(100)는 상기 프레임부(130)의 일 측면 또는 프레임부(130)의 대향하는 두 측면에 형성된 탭 프레임(143)은 전극 리드(145)를 포함할 수 있다. 상기 전극 리드(145)는 상기 탭 프레임(143)으로부터 연장되어 형성될 수 있으며, 기다란 금속 박판의 형태로서, 전극 조립체(200)에 포함되는 전극탭(141)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같이, 상기 프레임부(130)에 포함된 전극 리드(145)는 추후 조립공정에서 프레임부(130) 내부에 전극 조립체(200)가 장착되는 경우, 공정내 조립성을 단순화시킬 수 있다. 상기 전극 리드(145)는 통상의 용접 공정에 의해 탭 프레임(143)과 연결될 수 있다.
한편, 도 5a 및 5b는 도 3의 결합도를 도시한 것이다.
즉, 도 5a 및 5b는 각각 프레임의 일 측면 또는 양 측면에 전극 조립체에 포함된 전극탭을 수용할 수 있는 탭 프레임(1143)을 포함하는 이차 전지용 파우치(100)의 모식도이다.
상기 탭 프레임(143)을 포함하는 이차 전지용 파우치(100)는 제1시트(110) 및 제2시트(120)에 의해 밀폐될 수 있으며, 도 5a와 같이 상기 프레임부(130)는 상기 프레임부(130)의 일 측면에 전극 조립체에 포함된 전극탭을 수용하는 탭 프레임(143)을 포함할 수 있고, 이때, 상기 전극탭은 양극탭 및 음극탭을 포함하며, 상기 양극탭 및 음극탭은 전극 조립체로부터 동일 방향으로 인출될 수 있다.
또한, 도 5b와 같이 상기 프레임부(130)는 상기 프레임부(130)의 대향하는 두 측면에 각각 상기 전극 조립체에 포함된 전극탭을 수용하는 탭 프레임(143)을 포함할 수 있고, 이때 전극 조립체에 포함되는 양극탭 및 음극탭은 전극 조립체로부터 양 방향으로 인출될 수 있다.
상기 도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 탭 프레임(143)을 포함하는 일례로서 전극탭을 수용할 수 있는 방향에 따른 모식도만을 나타낸 것이나, 본 발명의 다양한 실시예에 따라 동일하게 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탭 프레임(143)을 포함하는 프레임부(130) 내부에 전극탭(141)을 포함하는 전극 조립체(200)가 구비된 이차 전지용 파우치를 위에서 본 단면도이다.
도 6에 나타낸 프레임부(130)의 측면 확대도와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프레임부(130)는 제1 고분자 수지층(170a), 제2 고분자 수지층(170c), 및 상기 제1 고분자 수지층(170a)과 제2 고분자 수지층(170c) 사이에 개재되는 제1 배리어층(170b)을 포함할 수 있다.
상기 제1 배리어층(170b)은 외부로부터 내부로 수증기 또는 가스가 침투하는 것을 방지하며, 전해액의 누수를 방지하는 역할을 할 수 있다.
상기 제1 배리어층은 상기 효과를 발휘 수 있는 재질이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 알루미늄(Al); SUS(Steel Use Statinless); 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금; 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금; 구리(Cu) 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부로부터의 수분 침투를 더욱 방지하기 위해 상기 제2 고분자 수지층(170c) 상에 적어도 하나의 제 2 배리어층(171b)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 배리어층의 두께는 1mm 내지 5mm인 것이 바람직하다.
한편, 상기 제 1 고분자 수지층 및 제2 고분자 수지층은 서로 독립적으로 나일론, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 무연신 폴리프로필렌(CPP) 및 불소계수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 제1시트 및 제2시트와의 접착력을 향상시키기 위해, 상기 제1 고분자 수지층(170a), 제2 고분자 수지층(170c) 또는 제1 고분자 수지층(170a)과 제2 고분자 수지층(170c) 상에 적어도 하나의 표면 처리층(170d, 171d)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 7과 같이 제1 고분자 수지층(170a), 제2 고분자 수지층(170c), 및 상기 제1 고분자 수지층(170a)과 제2 고분자 수지층(170c) 사이에 개재되는 제1 배리어층(170b)을 포함하며, 상기 제1 고분자 수지층(170a) 및 제2 고분자 수지층(170c) 상에 각각 제1 표면 처리층(170d) 및 제2 표면 처리층(171d)을 포함할 수 있다.
상기 표면 처리층(170d, 171d)는 실란계 화합물 또는 실록산계 화합물일 수 있으며, 바람직하게는 소수성을 가지는 실란계 화합물 및/또는 실록산계 화합물일 수 있다.
상기 표면 처리층(170d, 171d)은 상기 제1 고분자 수지층(170a) 및/또는 제2 고분자 수지층 상에 코팅함으로써 달성될 수 있다. 상기 코팅 방법은 특별히 제한되지 않으며, 공지 방법 중에서 선택하거나 새로운 적절한 방법으로 행할 수 있다. 예를 들어, 화학 증착법(CVD, Chemical vapor deposition) 또는 물리 증착법(PVD, Physical vapor deposition)에 의해 도전재의 표면에 소수성 물질을 코팅할 수 있으며, 이러한 화학 증착법으로는 유동상 화학증착법, 회전 입체상 화학 증착법, 진동 화학 증착법 등이 사용될 수 있고, 물리 증착법으로는 스퍼터링, 진공연차법, 플라즈마 코팅법 등이 사용될 수 있다. 상기 소수성 물질로는 방향족 화합물이나 클로린을 함유한 용매 등의 물질이 사용될 수도 있지만, 이보다 더욱 향상된 접착력과 소수성 효과를 동시에 나타내는 실란계 화합물 및/또는 실록산계 화합물인 것이 바람직하다.
이러한 실란계 화합물의 예로는, 비닐트리클로로실란, 비닐트리스(2-메톡시에톡시)실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란 등의 비닐 실란 화합물; 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란 등의 (메타)아크릴계 실란 화합물; 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란, 3-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란, 3-글리시딜옥시프로필메틸디에톡시실란 등의 에폭시계 실란 화합물; N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필메틸디에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란 등의 아미노계 실란 화합물; 3-클로로프로필트리메톡시실란, 3-클로로프로필트리에톡시실란 등의 알콕시계 실란 화합물; 및 3-머캅토프로필트리메톡시실란, 3-머캅토프로필트리에톡시실란 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 실록산계 화합물의 예로는, 폴리메틸실록산, 폴리디메틸실록산, 폴리메틸비닐실록산, 폴리메틸페닐실록산, 옥시에틸렌 변성실록산, 폴리메틸하이드로겐실록산, 옥타메틸사이클로테트라실록산 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
상기 바람직한 표면 처리층은 헥사메틸디실라잔(HMDS; hexamethyldisilazane), 트리메틸 클로로실란(TMSCL; trimethyl chlorosilane), 실리콘 오일(silicone oil), 아미노 실란(amino silane), 알킬 실란(alkyl silane), 폴리디메틸 실록산(PDMS; polydimethyl siloxane), 및 디메틸 디클로실란(DDS; dimethyl dichlorosilane)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
이러한 표면 처리층은 화학 반응성이 매우 낮은 치환기로 이루어져 있어서, 극성용매를 포함하는 전기화학적 반응계에서 부반응을 유발하지 않으므로 전지의 성능 저하 및 용량 감소를 방지할 수 있고, 우수한 발수성을 발휘하므로 전지의 고온 저장 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
또는, 상기 표면 처리층은 SiO2, Al2O3, MgO, BaTiO3, ZrO2 및 ZnO로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 소수성 무기물을 더 포함할 수 있으며, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 프레임부(130)는 제1 프레임 시트(310)와 제2 프레임 시트(320)를 포함하고, 상기 제1 프레임 시트(310) 및 제2 프레임 시트(320)의 일 측면 또는 상기 제1 프레임 시트(310) 및 제2 프레임 시트(320)의 대향하는 두 측면에 상기 전극 조립체에 포함된 전극탭이 관통할 수 있는 홈(330)을 포함할 수 있으며, 상기 제1 프레임 시트(310)와 상기 제2 프레임 시트(320)는 상기 전극 조립체를 수용한 후, 서로 합지되어 프레임부(130)를 형성할 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 우선 제1 프레임 시트(310) 및 제 2 프레임 시트(320)를 제조할 수 있으며, 이때, 각각의 제 1프레임 시트(310) 및 제 2 프레임 시트(320)는 전극 조립체의 전극탭이 관통되는 홈(330)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 홈(330)을 통해 관통된 전극 조립체의 전극탭을 별도의 탭 프레임(146)을 끼워 상기 전극탭을 용이하게 고정시킬 수 있다.
즉, 상기 제 1 프레임 시트(310)를 임시로 고정한 상태에서 전극 조립체를 삽입하고, 이 후 상기 제2 프레임시트(320)를 상기 제1 프레임 시트(310)와 합지하여 덮은 후 열과 압력 등으로 통상의 방법으로 실링할 수 있다.
상기 제1 프레임 시트(310) 및 제 2 프레임 시트(320)는 상기 프레임부(130)와 마찬가지로, 각각 제1 고분자 수지층(170a), 제2 고분자 수지층(170c), 및 상기 제1 고분자 수지층(170a)과 제2 고분자 수지층(170c) 사이에 개재되는 제1 배리어층(170b)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 이차 전지용 파우치 및 상기 파우치 내부에 전극조립체를 포함하는 이차 전지를 제공할 수 있다.
상기 이차 전지는 리튬 이차 전지인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에서 적용되는 전극조립체는 긴 시트 형의 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) 전극조립체로 구분된다. 바람직하게는 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 상기 스택형 구조는 당업계에 널리 공지되어 있으므로, 본 명세서에서 그에 대한 설명은 생략한다. 상기 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.
이하에서는 상술한 본 발명에 따른 파우치에 삽입되는 전극조립체를 구성하는 구성요소의 구체적인 재료 및 구성상의 특징을 설명하기로 한다.
양극구조
본 발명에서 상기 단위 전극은 양극 또는 음극으로 구별되고, 상기 풀셀과 바이셀은 상기 양극 및 음극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진재를 더 첨가하기도 한다.
[양극집전체]
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
[양극활물질]
상기 양극 활물질은 리튬 이차 전지인 경우 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4,V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x= 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물;Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
음극 구조
음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
[음극 집전체]
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
[음극활물질]
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐;0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
[분리막]
상기 풀셀들은 긴 길이의 분리막 시트 상에 위치시킨 후 중첩부에는 분리막 시트가 개재되는 구조로 권취하는 바, 각 풀셀들은 분리막 필름이 개재된 상태에서 양극과 음극이 서로 대면하도록 적층하여야 한다. 상기 분리막 시트는 권취 후 전극조립체를 한차례 감싸는 연장된 길이를 가질 수 있고, 분리막 시트의 최 외각 말단은 열융착되거나 테이프가 붙여져 고정될 수 있다. 예를 들어, 열용접기 또는 열판 등을 마무리되는 분리막 시트에 접촉시켜 분리막 시트 자체가 열에 의해 용융되어 접착 고정되도록 하는 것이다. 이에 따라, 압력이 계속 유지되게 하는바 전극과 분리막 시트 사이의 안정적인 계면 접촉을 가능케 한다.
상기 분리막 시트 또는 셀의 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막은 절연성을 나타내고 이온의 이동이 가능한 다공성 구조라면, 그것의 소재가 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 분리막과 분리막 시트는 동일한 소재일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
상기 분리막 또는 분리막 시트는, 예를 들어, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있고, 분리막 또는 분리막 시트의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막 또는 분리막 시트로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다. 바람직하게는, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름이나 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 또는 폴리비닐리덴 플로라이드 헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체 등의 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름일 수 있다.
상기 분리막은 풀셀 또는 바이셀을 구성하기 위해서 열융착에 의한 접착 기능을 가지고 있는 것이 바람직하고, 상기 분리막 시트는 반드시 그러한 기능을 가질 필요는 없으나 권취 공정을 용이하게 수행하기 위해서는 접착 기능을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 풀셀 또는 바이셀을 구성하기 위해 하나의 분리막에 전극을 배치하고 이를 한 방향으로 권취하거나, 지그재그 방향으로 권취한 형태 등의 구조를 들어 예시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다수의 전극 사이에 별도의 분리막을 개재하여 적층한 형태로 라미네이션 하는 구조도 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 이차 전지는, 이를 단위 전지로 하는 중대형 전지모듈 또는 전지팩에 적용될 수 있다. 상기 중대형 전지모듈 또는 전지팩은 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.
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.
100: 이차 전지용 파우치
110: 제1시트
120: 제2시트
130: 프레임부
142: 관통구 141: 전극 탭
143, 146: 탭 프레임 145: 리드
150: 실링부
170a: 제1 고분자 수지층 170c: 제2 고분자 수지층
170b: 제1 배리어층 170d, 171d: 표면 처리층
200: 전극조립체
310 : 제1 프레임 시트 320: 제2 프레임 시트
330: 홈

Claims (22)

  1. 제1시트와 제2시트;
    상기 제1시트와 제2시트에 의해 밀폐되며, 내부에 전극탭을 포함하는 전극 조립체를 수용하는 수용부가 구비된 프레임부를 포함하며,
    상기 프레임부는 상기 프레임부의 일 측면 또는 두 측면에 상기 전극 조립체에 포함된 전극탭을 수용하는 탭 프레임을 포함하고,
    상기 전극 조립체의 전극탭은 상기 프레임부의 탭 프레임을 관통하여 고정되며,
    상기 프레임부는 상기 탭 프레임으로부터 연장되어 형성된 전극 리드를 더 포함하고,
    상기 전극 리드는 상기 탭 프레임을 관통하여 고정된 전극탭과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극탭은 양극탭 및 음극탭을 포함하며, 상기 양극탭 및 음극탭은 전극 조립체로부터 동일 방향으로 인출된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극탭은 양극탭 및 음극탭을 포함하며, 상기 양극탭 및 음극탭은 전극 조립체로부터 양 방향으로 인출된 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임부는 제1 프레임 시트와 제2 프레임 시트를 포함하고, 상기 제1 프레임 시트 및 제2 프레임 시트의 일 측면 또는 상기 제1 프레임 시트와 제2 프레임 시트의 대향하는 두 측면에 상기 전극 조립체에 포함된 전극탭이 관통할 수 있는 홈을 포함하며,
    상기 프레임부는 상기 전극탭을 포함하는 전극 조립체를 수용함으로써 상기 제1 프레임 시트와 제2 프레임 시트가 합지되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 이차 전지용 파우치는 탭 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임부는 제1 고분자 수지층, 제2 고분자 수지층, 및 상기 제1 고분자 수지층과 제2 고분자 수지층 사이에 개재되는 제1 배리어층을 포함하고,
    상기 제1 배리어층은 알루미늄(Al); SUS(Steel Use Statinless); 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금; 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금; 구리(Cu) 중 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 고분자 수지층 및 제2 고분자 수지층은 서로 독립적으로 나일론, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 무연신 폴리프로필렌(CPP) 및 불소계수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 고분자 수지층 상에 제 2 배리어층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 배리어층은 알루미늄(Al); SUS(Steel Use Statinless); 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금; 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금; 구리(Cu) 중 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임부의 높이는 7mm 내지 50mm인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  16. 제 13 항에 있어서 ,
    상기 제 1 및 제 2 배리어층의 두께는 1mm 내지 5mm인 이차 전지용 파우치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 고분자 수지층 및 제2 고분자 수지층 상에 표면 처리층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 표면 처리층은 실란계 화합물 또는 실록산계 화합물인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 표면 처리층은 헥사메틸디실라잔(HMDS; hexamethyldisilazane), 트리메틸 클로로실란(TMSCL; trimethyl chlorosilane), 실리콘 오일(silicone oil), 아미노 실란(amino silane), 알킬 실란(alkyl silane), 폴리디메틸 실록산(PDMS; polydimethyl siloxane), 및 디메틸 디클로실란(DDS; dimethyl dichlorosilane)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 이차 전지용 파우치.
  20. 제1 항에 따른 이차 전지용 파우치 및 상기 파우치 내부에 전극조립체를 포함하는 이차 전지.
  21. 제 20 항의 이차 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 중대형 전지팩은 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 전지팩.
KR20130071675A 2012-06-22 2013-06-21 이차 전지용 파우치 및 이를 포함하는 이차 전지 KR101496547B1 (ko)

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