KR101539788B1 - 전지케이스 및 파우치형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지케이스 및 파우치형 이차전지에 관한 것으로, 상부체결부가 구비된 상부케이스; 상기 상부케이스와 결합되며, 상부체결부와 결합되는 하부체결부가 구비된 하부케이스; 상기 상부케이스와 하부케이스 내에 수납되는 전극조립체; 상기 상부체결부와 하부체결부 사이에 도포되는 접착부재를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 셀이 정상작동을 수행할 경우에는 접착부재에 의해 전지케이스가 견고하게 밀봉된 상태를 유지하지만, 셀의 이상 거동시에는 전지케이스의 상부케이스와 하부케이스를 접착하고 있는 접착부재의 접착력이 약화되어 상부케이스와 하부케이스 간의 체결력이 약화된다. 이에 따라 CID 작동을 빠르게 유도함으로써 전지의 폭발에 따른 안전사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

Description

전지케이스 및 파우치형 이차전지{Battery case and Pouch type secondary battery}

본 발명은 전지셀의 이상 거동에 의한 고온 발생시 셀의 팽창에 따른 CID(전류차단장치)를 보다 빨리 작동시킬 수 있도록 한 전지케이스 및 이차전지에 관한 것이다.

일반적으로 전지는 분리막(separator)에 의해 서로 분리되는 양극(cathode or positive electrode)과 음극(anode or negative electrode) 및 상기 두 전극 사이에 이온 전달을 가능하게 하는 전해질을 포함하여 전기 에너지를 공급할 수 있는 것이다.

이러한 전지는 한번 사용 후 폐기되는 일차전지(일반 전지)와, 충전을 통해 재사용이 가능한 이차전지로 구분된다.

최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자 장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정 기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.

전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차전지 등이 있다.

특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬 이차전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판과, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판과, 상기 양극 전극판 및 음극 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체를 구비하는 구조로 이루어져 있다. 이때, 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

통상적으로 이차전지 중 파우치형 이차전지는 파우치 외장재가 통상 금속 포일층과 이를 덮는 합성 수지층의 다층막으로 구성되는데 이를 사용할 경우에는 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형 이차전지보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어, 이차전지의 경량화는 파우치형 이차전지 방향으로 발전하여 왔다.

그러나, 이러한 파우치형 이차전지는 충전을 반복하여 사용하는 중에 가스가 발생하여 상기 파우치 외장재가 팽창하는 스웰링(swelling) 현상이 발생하여 상기 전극조립체의 변형을 유발한다. 이러한 상기 전극조립체의 변형이 심한 경우에는 상기 전극조립체의 음극 전극판과 양극 전극판 사이에 쇼트(short)가 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 이차전지에는 PTC 소자(Positive Temperature coefficient), 서멀 퓨즈(Thermal fuse) 및 보호회로기판(PCM: Protective Circuit Module) 등의 안전장치 및 기타 전지 부속들이 구비된다.

안전장치들은 리드(Lead)라 불리는 도체 구조에 의해 단위 셀의 양극 단자 및 음극 단자와 연결되며, 전지의 고온 상승이나 과도한 충방전 등으로 전지의 전압이 급상승하는 경우 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지하게 한다.

그러나, 이러한 안전장치들은 회로에 문제가 발생하면 오작동의 위험이 남아 있고, 더욱이 기존의 전지케이스는 체결부의 체결력이 강하여 전극조립체를 수용하고 있는 상태에서 스웰링 현상이 발생하더라도 견고하게 고정된 상태를 유지하므로 CID(전류차단장치) 작동에 방해를 초래하게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전지셀을 감싸는 전지케이스의 체결부가 고온에서 접착력이 급격히 감소되도록 함으로써 CID 작동이 보다 신속하게 이루어질 수 있도록 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 상부체결부가 구비된 상부케이스; 상기 상부케이스와 결합되며, 상부체결부와 결합되는 하부체결부가 구비된 하부케이스; 상기 상부체결부와 하부체결부 사이에 도포되는 접착부재를 포함하는 전지케이스가 제공된다.

또한, 본 발명에서는 상부체결부가 구비된 상부케이스; 상기 상부케이스와 결합되며, 상부체결부와 결합되는 하부체결부가 구비된 하부케이스; 상기 상부케이스와 하부케이스 내에 수납되는 전극조립체; 상기 상부체결부와 하부체결부 사이에 도포되는 접착부재를 포함하는 이차전지가 제공된다.

상기 접착부재는 실리콘 변성 에폭시 수지가 적용된다.

상기 상부체결부와 하부체결부 중 어느 하나에는 접착부재 주입공이 형성됨이 바람직하다.

상기 상부체결부와 하부체결부 중 다른 하나에는 체결돌기가 돌출될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 셀이 정상작동을 수행할 경우에는 접착부재에 의해 전지케이스가 견고하게 밀봉된 상태를 유지하지만, 셀의 이상 거동시에는 전지케이스의 상부케이스와 하부케이스를 접착하고 있는 접착부재의 접착력이 약화되어 상부케이스와 하부케이스 간의 체결력이 약화된다. 이에 따라 CID 작동을 빠르게 유도함으로써 전지의 폭발에 따른 안전사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 의한 이차전지를 개략적으로 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 이차전지를 개략적으로 도시한 분해사시도.

이하에서는, 본 발명에 의한 전지케이스 및 파우치형 이차전지에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

이차전지는 전해물질에 양극과 음극을 삽입하고, 이러한 양극과 음극을 연결했을 때 전해질과 전극 사이에서 발생하는 전기화학적 반응을 이용한 전지로서, 기존의 일차전지와는 달리 전기전자제품에서 소모된 에너지를 충전기에 의해 재충전하여 반복 사용할 수 있는 충전과 방전이 가능한 전지이므로, 무선 전기전자제품과 더불어 급속한 성장을 보이고 있다.

최근 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성의 리튬-코발트 폴리머전지와 같은 리튬이차전지에 대한 수요가 높다.

이러한 이차전지에서 주요 연구과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 일반적으로 리튬 이차전지는 내부 쇼트, 허용된 전류, 전압을 초과한 충전상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발을 초래할 수 있다.

이에 따라서, 본 발명은 상술한 이차전지의 안전성을 확보할 수 있는 전지케이스를 제공한다. 도 1 및 도 2에는 각각 본 발명에 의한 전지케이스(100)에 전극조립체(200)가 수납된 상태가 도시되어 있다.

이에 따르면, 본 발명의 전지케이스(100)는 전극조립체를 수용할 수 있는 하부케이스(120)와, 이 하부케이스(120)의 상측에 결합되는 덮개 형태의 상부케이스(110)로 구분된다.

이때, 이차전지의 조립 과정에서 상부케이스(110)와 하부케이스(120)가 접하여 밀봉될 수 있도록 상부케이스(110) 및 하부케이스(120)의 양 측면에는 각각 상부체결부(111) 및 하부체결부(121)가 상호 대응되는 방향으로 절곡되어 있다.

즉, 전극조립체(200)를 감쌀 수 있도록 상부케이스(110)의 상부결합부(111)는 하향 절곡되고 하부케이스(120)의 하부결합부(121)는 상향 절곡되어 상부결합부(111)와 하부결합부(121)가 상호 결합됨으로써, 전체적으로 파우치 형상을 가지게 된다.

한편, 셀이 정상작동을 수행할 경우에 전지케이스는 단단히 체결될 필요가 있다. 그러나 셀의 이상 거동에 따른 고온 발생시에는 전지케이스의 체결력을 급격히 약화시켜 CID 작동을 신속하게 수행할 수 있어야 한다. 이를 위해서, 본 발명에서는 상부케이스(110)와 하부케이스(120)의 각 체결부(111)(121)에 고온에서 접착력이 약해지는 접착부재(130)를 도포하여 상부케이스(110)와 하부케이스(120)를 체결한다. 이러한 고온특성 접착부재로는 실리콘 변성 에폭시 수지가 적용될 수 있다.

따라서, 본 발명에 의한 이차전지는 정상 작동시에는 상부케이스(110)와 하부케이스(120)가 상호 견고하게 결합된 상태를 유지한다. 하지만, 셀의 이상 거동시에는 온도가 급격히 상승하게 되면서 가스가 방출되어 스웰링 현상을 유발한다. 이때, 온도가 상승하면서 실리콘 변성 에폭시 수지에 의해 접착된 상부케이스(110)와 하부케이스(120) 간의 체결력이 약화되고, 결국 CID 작동을 빠르게 유도함으로써 전지의 폭발에 따른 안전사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

이때, 상부케이스(110)와 하부케이스(120)의 조립을 위해 상부체결부(111)와 하부체결부(121)가 상호 밀착됐을 경우 그 사이로 접착부재(130)를 주입할 수 있도록 상부체결부(111)와 하부체결부(121) 중 어느 하나에는 접착부재 주입공(112)이 형성되는 것이 바람직하다. 물론, 전지케이스(100)의 조립시 상부체결부(110)와 하부체결부(120)는 상호 포개지기 때문에 그 중 외측으로 노출된 체결부에 접착부재 주입공이 형성되어야 한다. 본 실시예의 도면에서는 상부체결부(111)에 접착부재 주입공(112)이 형성되어 있다.

이와 더불어, 상부체결부와 하부체결부 중 내측에 위치한 체결부에는 상기 접착부재 주입공에 삽입 결합되는 체결돌기가 돌출될 수 있다. 본 실시예의 도면에서는 하부체결부(121)에 체결돌기(122)가 형성되어 있다. 따라서, 상부체결부와 하부체결부는 접착부재뿐만 아니라 체결돌기와 주입공 간의 결합에 의해 보다 견고한 결합 상태를 유지할 수 있다.

또한, 본 발명은 상술한 바와 같은 전지케이스를 포함하는 이차전지를 제공한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 파우치형 이차전지는 양극, 음극 및 분리막을 구비한 전극조립체(200)와, 이 전극조립체를 감싸는 전지케이스(100)를 포함한다.

양극은 양극집전체 상에 양극활물질이 일부 도포된 것으로, 양극집전체는 통상 3 내지 500 ㎛의 두께로 형성된다. 이러한 양극집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

음극은 음극집전체 상에 음극활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 음극집전체는 통상 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 음극집전체 역시 그 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 접착력을 높일 수도 있다.

전지케이스(100)는 전극조립체를 수용할 수 있는 하부케이스(120)와, 이 하부케이스의 상측에 결합되는 덮개 형태의 상부케이스(110)로 구분되고, 상부케이스(110) 및 하부케이스(120)의 측면에는 각각 상부체결부(111) 및 하부체결부(121)가 절곡되어 있으며, 그 구성은 상술한 바와 대동소이하므로 이하에서는 자세한 설명은 생략한다.

한편, 전지케이스(100)의 외부로는 전극조립체(200)와 전기적으로 연결되는 전극리드(양극리드 및 음극리드)(210)가 소정량 돌출된다.

즉, 두 개의 전극리드는 전극조립체의 각 극판으로부터 연장된 전극 탭들과 용접 등의 방법으로 전기적으로 연결되어 있고, 그 일부가 전지케이스의 외부로 노출된 것이다.

양극리드와 음극리드는 전지케이스에서 동일한 방향으로 나란히 위치할 수도 있고, 도면에 도시된 바와 같이 서로 반대 방향으로 위치할 수도 있다.

이와 같이 구성된 이차전지에 따르면, 셀이 정상작동을 수행할 경우에는 접착부재에 의해 전지케이스가 견고하게 밀봉된 상태를 유지하지만, 셀의 이상 거동시에는 전지케이스의 상부케이스와 하부케이스를 접착하고 있는 접착부재의 접착력이 약화되어 상부케이스와 하부케이스 간의 체결력이 약화된다. 이에 따라 CID 작동을 빠르게 유도함으로써 전지의 폭발에 따른 안전사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

100 ; 전지케이스
110 ; 상부케이스
111 ; 상부체결부
112 ; 접착부재 주입공
120 ; 하부케이스
121 ; 하부체결부
122 ; 하부체결부
200 ; 전극조립체
210 ; 전극리드

Claims (8)

1. 상부체결부가 구비된 상부케이스;
   상기 상부케이스와 결합되며, 상기 상부체결부와 결합되는 하부체결부가 구비된 하부케이스;
   상기 상부체결부와 하부체결부 사이에 도포되는 접착부재;
   상기 상부체결부와 하부체결부는 상호 포개지게 결합하며, 상기 상부체결부와 하부체결부 중에 외측으로 노출된 하나에 천공되어 상기 접착부재를 주입할 수 있게 하는 접착부재 주입공; 및
   상기 상부체결부와 하부체결부 중에 내측에 위치한 다른 하나에 상기 접착부재 주입공과 대응하게 돌출되어 상기 접착부재 주입공에 삽입 결합되는 체결돌기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 접착부재는 실리콘 변성 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 상부체결부가 구비된 상부케이스;
   상기 상부케이스와 결합되며, 상부체결부와 결합되는 하부체결부가 구비된 하부케이스;
   상기 상부케이스와 하부케이스 내에 수납되는 전극조립체;
   상기 상부체결부와 하부체결부 사이에 도포되는 접착부재;
   상기 상부체결부와 하부체결부는 상호 포개지게 결합하며, 상기 상부체결부와 하부체결부 중에 외측으로 노출된 하나에 천공되어 상기 접착부재를 주입할 수 있게 하는 접착부재 주입공; 및
   상기 상부체결부와 하부체결부 중에 내측에 위치한 다른 하나에 상기 접착부재 주입공과 대응하게 돌출되어 상기 접착부재 주입공에 삽입 결합되는 체결돌기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 접착부재는 실리콘 변성 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
   
7. 삭제
8. 삭제

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