KR101596489B1 - 이차 전지용 파우치 및 전지 성능 발현이 장기화된 파우치형 이차 전지, 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극 조립체를 수납하는 이차 전지용 파우치에 관한 것으로서, 상기 파우치는 내부에 여분의 전해액이 저장된 전해액 저장부를 구비하며, 상기 전해액 저장부는 상기 파우치의 적어도 일 영역이 상기 전극 조립체와 접하는 파우치 평면으로부터 외측을 향해 돌출되어 형성된 공간을 포함하는 이차 전지용 파우치를 제공하며, 또한 상기 파우치에 전극 조립체를 수납함으로써 얻어지는 이차전지 및 디바이스를 제공한다. 본 발명에 따르면, 전해액 부족에 의한 배터리의 성능저하를 방지하여 배터리의 장기 성능 발현을 도모할 수 있다.

Description

이차 전지용 파우치 및 전지 성능 발현이 장기화된 파우치형 이차 전지, 이를 포함하는 디바이스{Pouch for Secondary Cell, Pouch Type Secondary Cell and Device Comprising the Same Having Long-life Efficiency}

본 발명은 전극 조립체를 수납하는 이차 전지용 파우치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 전해액 부족에 의한 배터리의 성능저하를 방지하여 배터리의 장기 성능 발현을 도모할 수 있는 이차 전지용 파우치에 관한 것이다.

본 발명은 또한 상기 파우치에 전극 조립체가 수납된 파우치형 이차전지 및 디바이스에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.

일반적으로 리튬 이온 이차전지는 전지 케이스 내부에 전극 조립체와 전해질을 밀봉하는 구조로 형성된다. 이때, 상기 전극 조립체는 음극, 다공질 분리막, 양극이 수직으로 적층되는데, 고용량의 전지를 얻기 위해 상기 유닛셀의 적층수가 점차 증대되고 있다.

종래 일반적으로 적용되는 파우치의 형상을 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 파우치 내에는 전극 조립체가 수납된다. 이어서, 전해액을 주입하여 전극 조립체 내에 전해액을 함침하고, 파우치 내부에 존재하는 기체를 제거한 후에 파우치의 가장자리를 실링함으로써 파우치형 이차 전지가 얻어진다.

전지의 고용량화와 함께, 전지 수명의 장기화가 구현되어야 한다. 그러나 종래의 파우치는 전극 내에 함침된 전해액 이외에는 별도의 전해액을 보관할 수 없어, 배터리 내의 전해액이 부족하게 되는 경우에는 배터리의 성능이 조기에 저하되어 버리는 문제가 있다.

이에 일본 공개특허 제2012-069404호에는 적어도 하나의 단전지를 포함하는 발전 요소체와 상기 발전 요소체를 수납하는 외장재와 일 말단이 상기 외장재의 내부에 개구함과 동시에 도중에 코크가 설치되는 파이프와 상기 파이프의 타단이 개구하는 내부에 전해액을 저장함과 동시에, 밀폐 케이스 속에 수납되어 밀폐 케이스의 내부 기압이 낮아지도록 팽창하는 벌룬을 갖는 전기 디바이스가 개시되어 있다.

본 발명은 배터리의 장기성능 발현을 위한 고용량화에 있어서 전해액 부족으로 인한 배터리의 조기 성능 저하를 방지하고자 하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 파우치 포밍 공정시 파우치 내에 여분의 전해액을 저장할 수 있는 공간을 구비함으로써 전해액 부족으로 인한 배터리 성능 저하를 방지하여 배터리의 성능을 보다 장기간으로 연장하고자 한다.

본 발명은 전극 조립체를 수납하며 전극 조립체와 밀착되는 파우치에 관한 것으로서, 상기 파우치는 내부에 여분의 전해액이 저장된 전해액 저장부를 구비하며, 상기 전해액 저장부는 상기 파우치의 적어도 일 영역이 상기 전극 조립체와 접하는 파우치 평면으로부터 외측을 향해 돌출되어 공간을 형성하는 파우치를 제공한다.

상기 전해액 저장부는 상기 파우치 평면으로부터 100㎛ 내지 5mm의 범위로 돌출되어 형성된 공간부일 수 있으며, 상기 전해액 저장부는 철(凸) 형상일 수 있다.

상기 전해액 저장부가 복수개 형성될 수 있으며, 상기 전해액 저장부는 소정의 패턴을 형성할 수 있다.

한편, 본 발명은 파우치형 이차 전지에 관한 것으로서, 상기 파우치형 이차 전지는 2 이상의 유닛셀이 적층된 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수납하며 전극 조립체와 밀착되는, 파우치 및 상기 전극 조립체에 연결된 전극탭을 포함하며, 상기 파우치는 본 발명에서 제공되는 파우치이다.

바람직하게는 상기 파우치형 이차 전지는 상기 전극 조립체 내에 전해액이 함침되며, 상기 전해액 저장부에 여분의 전해액이 저장될 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 파우치형 이차전지를 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치일 수 있다.

본 발명에 따르면, 파우치 표면에 여분의 전해액을 저장할 수 있는 전해액 저장부를 구비함으로써 전지의 성능 발현 중 전해액 부족으로 인한 성능 저하를 방지할 수 있어, 전지 수명을 보다 장기화할 수 있다.

도 1은 종래의 이차 전지용 파우치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 이차 전지용 파우치로서, 표면에 전해액 저장부를 포함하는 파우치의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 전극 조립체가 수납된 본 발명에 따른 이차 전지용 파우치의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

본 발명은 전극 조립체를 수납하며 전극 조립체와 밀착되는 파우치에 관한 것으로서, 배터리의 장기성능 발현을 위한 고용량화에 있어서 전해액 부족으로 인한 배터리의 조기 성능 저하를 방지하고자, 파우치에 여분의 전해액을 저장할 수 있는 전해액 저장부를 형성함으로써 배터리의 성능을 보다 장기간으로 연장하고자 한다.

본 발명에 따른 파우치 형상을 도 2에 나타내었으며, 도 3에 전극조립체가 수납된 상기 파우치의 단면 형상을 개략적으로 나타내었다. 도 2 및 도 3에 나타낸 파우치 형상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 일 예를 나타내는 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 첨부된 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 이차 전지용 파우치(1)는 전극 조립체(4)와 밀착되어 전극 조립체(4)를 수납하며, 내부에 여분의 전해액이 저장되는 전해액 저장부(2)를 구비한다. 상기 전해액 저장부(2)는 내부에 수납되는 전극 조립체(4)와 밀착되는 파우치(1) 표면으로부터 외부를 향해 돌출됨으로써 형성되는 공간으로서, 이러한 공간에 전해액을 저장할 수 있다.

일반적으로, 파우치(1)는 내부에 수납되는 전극 조립체(4)의 형상에 맞게 제작된 금형에 의해 파우치재를 연신함으로써 원하는 형상의 파우치(1)를 얻을 수 있다. 이러한 공정을 통상 파우치 포밍(pouch forming) 공정이라 하며, 이러한 파우치 포밍 공정에 사용되는 금형의 형상을 파우치(1) 표면에 형성하고자 하는 형상으로 함으로써 전해액 저장부(2)를 갖는 파우치(1)를 얻을 수 있다.

상기 전해액 저장부(2)는 내부에 수납되는 전극 조립체(4)와 접하는 파우치(1) 표면 중 적어도 어느 하나의 영역이 외부를 향해 돌출되어 형성되는 공간으로서, 형성되는 위치는 특별히 한정하지 않는다. 파우치(1) 표면의 복수의 영역에서 돌출되어 형성될 수도 있다.

이때, 상기 전해액 저장부(2)는 여분의 전해액을 저장할 수 있는 공간을 형성하는 것이라면, 그 형상은 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 전해액 저장부(2)는 철(凸) 형상일 수 있다.

이러한 전해액 저장부(2)는 파우치의 표면에 형성되는 크기에 대하여도 특별히 한정하지 않는다. 그러나, 상기 전해액 저장부(2)는 파우치(1) 평면으로부터 100㎛ 내지 5mm의 범위로 돌출되는 것이 바람직하다. 상기 전해액 저장부(2)가 100㎛ 미만으로 돌출되는 경우에는 파우치(1) 내에 포함된 가스를 제거하는 공정에서 상기 전해액 저장부(2)에 저장된 전해액이 함께 빠져나가 저장되는 전해액의 양이 줄어들게 되어 바람직하지 않다.

필요에 따라서는 전해액 저장부(2)는 가스 제거 공정 중에 전해액이 함께 빠져나가는 것을 방지하기 위해 파우치(1) 표면으로부터 전해액 저장부(2)로 연신되는 경계부에 전해액의 역류를 방지할 수 있는 역류 방지수단을 구비할 수 있다.

한편, 상기 전해액 저장부(2)가 5mm를 초과하여 돌출된 경우에는 상기 전해액 저장부(2)의 형성을 위한 파우치재의 연신으로 인해 파우치(1)의 기능에 악영향을 끼칠 우려가 있는바, 상기 범위로 돌출되도록 형성하는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 전해액 저장부(2)는 소정의 패턴을 가질 수도 있다. 이때, 패턴은 원하는 형상으로 형성될 수 있으며, 또한, 전해액 저장부(2)의 밀도는 특별히 한정하지 않는다.

본 발명의 파우치를 형성하는데 사용될 수 있는 파우치재는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 순차적으로 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 열접착층인 폴리올레핀계 수지층(Polyolefin Layer)의 내부층, 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속박층, 기재 및 보호층으로 작용하는 외부층이 적층된 다층막 구조로 구성된다.

이때, 상기 내부 수지층은 CPP, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원공중합체 등으로부터 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 상기 금속층은 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금, 알루미늄(Al), 및 구리(Cu)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으며, 알루미늄을 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 상기 외부 수지층은 나일론을 사용할 수 있다.

또한, 상기 전지 케이스는 전극 조립체의 유닛셀들의 전기 단자들을 전기적으로 연결하기 위한 전극 리드(3)가 외부로 노출된 구조로 형성되는 것이 바람직하며, 도시하지는 않았으나, 상기 전극 리드(3)의 상하면에는 전극 리드(3)를 보호하기 위한 절연 필름이 부착될 수 있다.

상기와 같은 파우치(1)를 사용하여 전극 조립체를 수납함으로써 파우치형 이차전지(10)를 제공할 수 있다. 본 발명의 파우치형 이차전지(10)는 2 이상의 유닛셀이 적층된 전극 조립체(4), 상기 전극 조립체(4)를 수납하며 전극 조립체(4)와 밀착되는 파우치(1) 및 상기 전극 조립체(4)에 연결된 전극탭(3)을 포함한다.

상기와 같은 본 발명에 의해 제공되는 파우치(1)에 상기 전극 조립체(4)를 수납한 후, 전해액을 주입하여 함침하고, 파우치 내의 기체를 제거한 후에 파우치의 가장자리를 실링함으로써 파우치형 이차 전지(10)를 얻을 수 있다.

이때, 상기 전해액은 적어도 상기 전해액 저장부(2)에 여분의 전해액을 저장할 수 있을 정도로 과량으로 주입하는 것이 바람직하다. 가스 제거 공정 중에 가스와 함께 전해액의 누출이 발생될 수 있는바, 이러한 누출되는 전해액 량을 고려하여 과량 주입함으로써 전해액 저장부(2)에 여분의 전해액을 충진할 수 있다.

상기 본 발명의 파우치(1)에 수납되는 전극 조립체(4)는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 다공성 분리막으로 구성되는 유닛셀이 복수개 적층되어 형성된 전극 조립체일 수 있다.

상기 음극은, 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면 구리, 니켈, 구리 합금 또는 이들의 조합에 의해 제조된 음극 전류 집전체의 양면에 리튬금속, 리튬합금, 카본, 석유 코크, 활성화 카본, 그래파이트 등과 같은 음극 활물질을 코팅하여 형성된 것을 사용할 수 있다. 또한, 양극은 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의해 제조된 양극 전류 집전체의 양면에 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물 등과 같은 양극 활물질을 코팅하여 형성된 것일 수 있다.

또한, 상기 분리막은, 예를 들면, 미세 다공 구조를 가지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 조합에 의해 제조되는 다층 필름이나, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름을 사용할 수 있다.

상기 유닛셀은 전극의 배열이 양극/음극/양극(A-타입) 또는 음극/양극/음극(C-타입)과 같이 유닛셀의 양면에 위치하는 전극의 종류가 동일한 바이셀 또는 음극/양극과 같이 양면에 위치하는 전극의 종류가 다른 풀셀을 사용할 수 있으며, 이들 바이셀과 풀셀을 조합하여 전극 조립체를 구성할 수 있다.

한편, 상기 전극 조립체(4)는 스택 타입(stack type), 젤리롤 타입, 스택 앤드 폴딩 타입(stack and folding type) 또는 Z-폴딩 타입(Z-folding type)일 수 있으며, 특별히 한정하지 않는다.

한편, 본 발명의 파우치형 이차 전지(10)는 이에 한정하는 것은 아니나, 예를 들어, 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지일 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 방법에 의해 얻어진 파우치형 이차 전지(10)는 단독으로 사용될 수도 있고, 2 이상의 파우치형 이차 전지(10)를 포함하는 전지팩의 형태로 사용될 수도 있다.

이러한 본 발명의 파우치형 이차 전지(10) 및/또는 전지팩은 다양한 디바이스, 예를 들면, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 등에 유용하게 사용될 수 있다.

1. 파우치
2. 전해액 저장부
3. 전극리드
4. 전극 조립체
10. 파우치형 이차 전지

Claims (9)

1. 전극 조립체를 수납하며 상기 전극 조립체와 밀착되는 이차 전지용 파우치로서,
   상기 파우치는 내부에 여분의 전해액이 저장되는 전해액 저장부를 구비하며,
   상기 전해액 저장부는 상기 파우치의 적어도 일 영역이 상기 전극 조립체와 접하는 파우치 평면으로부터 외측을 향해 돌출되어 형성된 공간을 포함하고,
   상기 파우치 표면으로부터 상기 전해액 저장부로 연신되는 경계부에 전해액의 역류를 방지할 수 있는 역류 방지수단을 포함하는 것인 이차 전지용 파우치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 전해액 저장부는 철(凸) 형상인 이차 전지용 파우치.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 전해액 저장부를 복수개 갖는 이차 전지용 파우치.
   
4. 제 2항에 있어서, 상기 전해액 저장부는 소정의 패턴을 형성하는 것인 이차 전지용 파우치.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 전해액 저장부는 상기 파우치 평면으로부터 100㎛ 내지 5mm의 범위로 돌출되어 형성된 공간부인 이차 전지용 파우치.
   
6. 2 이상의 유닛셀이 적층된 전극 조립체,
   상기 전극 조립체를 수납하며 전극 조립체와 밀착되는 파우치 및
   상기 전극 조립체에 연결된 전극 리드를 포함하는 파우치형 이차전지로서,
   상기 파우치는 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 기재된 파우치인 파우치형 이차전지.
   
7. 제 6항에 있어서, 상기 전극 조립체 내에 전해액이 함침되며, 여분의 전해액이 상기 전해액 저장부에 저장된 파우치형 이차전지.
   
8. 제 6항의 파우치형 이차전지를 제조하는 방법으로서,
   파우치에 전극 조립체를 수납하는 단계;
   전해액을 주입하여 함침하는 단계;
   상기 파우치 내의 기체를 제거한 후에 상기 파우치의 가장자리를 실링하는 단계를 포함하고,
   상기 전해액은 전해액 저장부에 여분의 전해액을 저장할 수 있을 정도로 과량으로 주입하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조방법.
   
9. 제 8항에 있어서, 상기 파우치 내의 기체를 제거할 때에 상기 전해액이 함께 빠져나가는 것을 역류 방지수단에 의해 방지하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지 제조방법.

Images