KR101811473B1 - 방수층이 코팅된 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 파우치 외장재 내부에 전극 리드가 접합된 전극 조립체를 삽입하고 파우치 외장재의 주변부를 열융착시켜 제조한 파우치형 이차전지의 제조 방법에 있어서, 상기 열융착 후, 파우치형 이차전지의 전체 외주면에 UV 경화성 폴리머를 분사하여 도포하는 단계; 및 상기 UV 경화성 폴리머를 경화시켜 방수 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조 방법 및 이러한 방법에 의해 제조된 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 방수층이 코팅된 이차전지 및 그 코팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파우치형 이차전지의 외주면 전체에 방수 코팅층을 형성하여 내부로의 수분 침투를 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있는 방수층이 코팅된 파우치형 이차전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전자 장비의 소형화 및 경량화가 실현되면서 휴대용 소형 전자기기가 상용화됨에 따라, 이들의 전력원으로 리튬 이차전지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 리튬 이차전지는 유기 전해액을 사용하여 기존의 알칼리 수용액을 사용하는 전지보다 2배 이상의 높은 방전 전압과 높은 에너지 밀도를 나타내는 전지이다.
리튬 이차전지는 다양한 형태로 제조가 가능한데, 대표적인 형상으로는 외장이나 적용 형태에 따라 캔형 이차전지와 파우치형 이차전지로 구분될 수 있다.
상기 파우치형 이차전지는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체로부터 연장되어 있는 복수의 전극탭들 및 전극탭들에 용접되어 결합된 전극 리드와, 이러한 구조로 이루어진 전극 조립체를 수용할 수 있는 공간이 형성되어 있는 파우치 외장재로 구성된다.
상기 파우치 외장재는 파우치 형상의 상부 시트와 하부 시트로 이루어져 있고, 각각의 상부 및 하부 시트(10)는 각각 무연신 폴리프로필렌층 (1)과 PPa (Polypropylene additive)층(3)이 적층되어 있는 실링재 역할의 열융착층과, 기계적 강도를 유지하면서 수분과 산소 배리어층 역할을 하는 알루미늄 금속층(5) 및 나일론층(7)과 폴리에틸렌 테레프탈레이트층(9)이 적층되어 있는 기재 보호층을 포함하는 다층 구조로 이루어져 있다 (도 1 참조).
종래 파우치형 이차전지는 이러한 다층의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치 외장재 내부에 전극 조립체를 수납하고 상부 및 하부 시트의 열융착층을 서로 대면시킨 후, 측면 실링부와 상단 실링부를 열융착시켜 밀봉하여 제조한다.
한편, 상기 파우치 외장재의 측면 및 전극 리드가 위치하는 상단 실링부는 전지의 다른 부위에 비해 물리적, 기계적 강도가 취약하기 때문에, 장시간 사용시 상단 실링부에서 틈이 발생하거나, 전극 리드 부분의 밀봉도 향상을 위해 부착된 절연필름이 녹으면서 전지 내부로 수분이 침투하는 문제가 발생한다. 이러한 밀봉 신뢰성의 저하는 전지 수명 단축의 원인이 되고 있다.
더욱이, 포장재 성형 시 내부 스트레스에 의해 열융착층이 손상되면서 알루미늄 금속층(5)이 노출되는 경우, 전해액 내에 용해되어 있던 리튬 이온과 반응하면서 알루미늄 금속층 표면에 리튬-알루미늄 합금이 형성되고, 이렇게 형성된 리튬-알루미늄 합금은 침투한 수분과 반응하여 HF 가스 및 미세 공극을 형성하기 때문에 파우치 외장재의 밀봉 신뢰성을 더욱 약화시켜 전해액 누액을 발생시킨다.
따라서, 이러한 문제점을 방지할 수 있는 새로운 구조의 파우치형 이차전지의 개발 필요한 실정이다.
본 발명에서는 파우치형 이차전지의 외주면 전체에 절연성 물질을 분사하여 수분 침투를 방지할 수 있는 방수 코팅층을 형성하는 방법을 포함하는 파우치형 이차전지 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 방법에 따라 파우치 외장재 전면에 방수 코팅층이 형성되어 수분 침투 방지 효과가 향상된 방수층이 코팅된 파우치형 이차전지를 제공한다.
구체적으로, 본 발명에서는
파우치 외장재 내부에 전극 리드가 접합된 전극 조립체를 삽입하고 파우치 외장재의 주변부를 열융착시켜 제조하는 파우치형 이차전지의 제조 방법에 있어서,
상기 열융착 후, 파우치형 이차전지의 전체 외주면에 UV 경화성 폴리머를 분사하여 도포하는 단계; 및
상기 UV 경화성 폴리머를 경화시켜 방수 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는
파우치 외장재 내부에 전극 리드가 접합된 전극 조립체를 삽입하고 파우치 외장재의 주변부를 열융착시켜 제조한 이차전지에 있어서, 상기 파우치 외장재의 외주면 전면에 절연성 방수 코팅층이 형성된 파우치형 이차전지를 제공한다.
이때, 상기 파우치 외장재의 상부시트 및 하부시트는 각각 열융착층 및 보호층이 적층된 다층 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명은 이차전지용 파우치의 외주면에 절연성 방수 코팅층을 형성함으로써, 파우치 외장재 자체를 통한 수분 침투는 물론이고, 열융착에 의한 실링 부위를 통한 수분의 침투를 효과적으로 방지할 수 있다. 이를 통해 이차전지의 밀봉성 및 내구성을 향상시킬 수 있어 전지의 안전성과 장기간 보존 특성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명의 파우치형 이차전지는 방수 코팅층이 형성됨에 따라 파우치 외장재의 내구성을 향상시켜 알루미늄 금속층을 제외시킬 수 있으므로, 파우치 외장재 두께 감소에 따른 파우치형 이차전지의 제조 비용 감소 효과 등을 얻을 수 있다.
도 1은 종래 내부층/금속층/외부층의 다층 구조로 이루어진 파우치 외장재의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법 중에 분사 공정 단계를 구체적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 파우치 외장재의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법 중에 분사 공정 단계를 구체적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 파우치 외장재의 단면도이다.
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.
먼저, 본 발명의 일 실시예에서는 파우치 외장재의 외측 전면에 절연성 물질을 분사하여 방수 코팅층을 형성하는 파우치형 이차전지의 제조방법을 제공한다.
즉, 도 2를 참조하면, 먼저 파우치 외장재 내부에 전극 리드(21,22)가 접합된 전극 조립체를 삽입한 다음, 파우치 외장재(23)의 주변부를 열융착시켜 파우치형 이차전지를 제조한다.
그 다음으로, 파우치형 이차전지의 파우치 외장재 전면에 UV 경화성 폴리머(25)를 분사(27)하여 도포한다.
이때, 상기 경화성 폴리머는 파우치 외장재 전면에 분사하는 것이 바람직하나, 파우치 외장재의 실링부에만 선택적 분사할 수도 있다.
상기 UV 경화성 폴리머는 UV 노출되면 경화되어 절연성을 갖는 물질로서, 구체적으로 UV 경화성 우레탄계 또는 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 UV 경화성 우레탄계 수지의 대표적인 예로는 우레탄 아크릴레이트를 포함할 수 있으며, 상기 UV 경화성 에폭시계 수지의 대표적인 예로는 에폭시 아크릴레이트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 방법에 있어서, 분사 단계는 상온 조건하에서 방수 코팅층의 전체 두께가 10 내지 40um 이 형성될 때까지, 공정 속도 3s이내에 스프레이 코팅 방법을 이용하여 실시할 수 있다.
그러면, 파우치 외장재 전면에 형성되는 방수 코팅층의 두께는 균일하게 조절할 수 있다. 이때, 상기 UV 경화성 폴리머 용액은 8cps 점도를 갖는 것이 바람직하다. 만약 액체 점도가 8cps 미만으로 점도가 낮으면 그 만큼 파우치 외장재의 표면에 붙는 코팅 용액의 양이 증가하여 불균일한 두께의 방수 코팅층이 형성되는 단점이 있다.
그 다음으로, 상기 UV 경화성 폴리머에 UV 를 조사하여 UV 경화성 폴리머를 경화시킴으로써, 파우치 외장재 전면에 방수 코팅층(27)을 형성한다.
상기 UV 조사 공정은 상온 조건하에서 200 내지 400nm 파장에서 10s이하의 시간에서 경화 실시할 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 상기 방수 코팅층은 상기 파우치 외장재의 전면, 즉 외주면 및 보호층 외부에 모두 형성될 수 있다. 또는 상기 파우치 외장재의 실링부에만 선택적으로 형성할 수도 있다.
상기 방수 코팅층 형성이 완료되면, 최종적으로 방수 코팅층의 두께를 확인하여 방수 코팅층 형성의 불량 여부를 판별할 수 있다.
최종적으로 얻어진 방수 코팅층의 두께는 10 내지 40um 이내이며, 방수 코팅층의 경도는 30kgf 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 방수 코팅층은 파우치 외장재 중에서 밀봉성이 취약한 상단 실링부 구간은 나머지 부분보다 상대적으로 두껍게 형성할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는 파우치 외장재 전면에 방수 코팅층을 포함하는 이차전지용 파우치를 제공한다.
즉, 본 발명의 또 다른 일 실시예에서는
상부시트와 하부시트로 이루어진 파우치 외장재 내부에 전극 단자가 접합된 전극조립체를 삽입하고, 파우치 외장재의 주변부를 열융착시켜 제조한 파우치형 이차전지에 있어서,
상기 파우치 외장재의 전극조립체의 전극 단자가 돌출되는 외주면 전면과, 측면 전면에 절연성 방수 코팅층이 형성된 파우치형 이차전지를 제공한다.
이때, 상기 전극조립체는 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층되어 있는 양극과 음극, 상기 각각의 양극 및 음극으로부터 연장되어 있는 양극탭과 음극탭, 및 초음파 용접, 저항 용접, 레이저 용접 등에 통하여 상기 양극탭과 음극탭에 용접되어 있는 음극 단자와 양극 단자를 포함하는 발전소자이다. 상기 전극 조립체는 스택형, 젤리-롤형 또는 스택/폴딩형 구조 등을 가진다.
또한, 상기 본 발명의 파우치 외장재의 상부시트 및 하부시트는 알루미늄 금속층을 제외하고, 각각 열융착층 및 보호층만 적층된 다층 구조로 이루어져 있다 (도 3 참조).
이때, 상기 열융착층은 무연신 폴리프로필렌(101), PPa층 (Polypropylene additive)(103), 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체, 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 보호층은 나일론층(107), 폴리에틸렌 테레프탈레이트층(109), 폴리에틸렌, 폴리페닐렌에테르, 폴리이미드, 폴리프로필렌, 캐스티드 폴리프로필렌, 폴리에테르테레프탈라이트 및 폴리페닐렌설파이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함할 수 있다.
상기 절연성 방수 코팅층(111)은 UV 조사에 의해 경화되는 UV 경화성 폴리머인 UV 경화성 우레탄계 또는 에폭시계 수지로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 파우치 외장재 전면에 분사 방법을 통해 절연성 방수 코팅층을 형성함으로써, 방수 코팅층에 의해 파우치형 이차전지 제조 시에 스크래치 등의 외관 불량 감소 효과뿐만 아니라, 밀봉성이 취약한 파우치 외장재의 실링부의 밀봉성을 보강할 수 있다. 이에 따라, 파우치 외장재를 통한 수분의 침투 정도를 더욱 저감시켜 안전성과 장기간 보존 특성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명에서는 파우치 외장재 전면에 절연성 방수 코팅층을 형성함으로써 파우치형 이차전지의 밀봉성 및 내구성을 보다 향상시킬 수 있다. 그 결과, 파우치 외장재의 상부 시트 및 하부 시트 형성 시 알루미늄 금속층을 제외하여 파우치 외장재 두께를 얇게 형성할 수 있으므로, 파우치형 이차전지의 제조 비용 감소 효과를 얻을 수 있다.
10: 이차전지용 파우치의 상부시트 또는 하부시트
1, 101: 무연신 폴리프로필렌층
3, 103: PPa층
5: 알루미늄 금속층
7, 107: 나일론층
9, 109: 폴리에틸렌 테레프탈레이트층
111: 절연성 방수 코팅층
21,22: 전극 리드
23: 파우치 외장재
25: UV 경화성 폴리머
27: 분사 공정
1, 101: 무연신 폴리프로필렌층
3, 103: PPa층
5: 알루미늄 금속층
7, 107: 나일론층
9, 109: 폴리에틸렌 테레프탈레이트층
111: 절연성 방수 코팅층
21,22: 전극 리드
23: 파우치 외장재
25: UV 경화성 폴리머
27: 분사 공정
Claims (13)
- 상부시트와 하부시트로 이루어진 파우치 외장재 내부에 전극 단자가 접합된 전극조립체를 삽입하고, 파우치 외장재의 주변부를 열융착시켜 제조한 파우치형 이차전지에 있어서,
상기 상부시트 및 하부시트는 각각 열융착층 및 보호층이 적층된 다층 구조로 이루어지되, 금속층은 포함되지 않으며,
상기 파우치 외장재의 전극조립체의 전극 단자가 돌출되는 외주면 전면과, 측면 전면에 절연성 방수 코팅층이 형성되고,
상기 방수 코팅층의 두께는 10 내지 40㎛이며, 경도는 30 kgf 이상인 파우치형 이차전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 방수 코팅층은 UV 경화성 폴리머로서, UV 조사에 의해 경화되어 절연성을 갖는 UV 경화성 우레탄계 수지 또는 UV 경화성 에폭시계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지. - 청구항 2에 있어서,
상기 UV 경화성 우레탄계 수지는 우레탄 아크릴레이트를 포함할 수 있으며,
상기 UV 경화성 에폭시계 수지는 에폭시 아크릴레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 방수 코팅층은 UV 경화성 폴리머에 UV를 조사하여 경화시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 방수 코팅층은 상기 이차전지용 파우치 외장재의 외주면 및 보호층 외부에 모두 형성되거나, 또는 상기 이차전지용 파우치 외장재의 실링부에 선택적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 열융착층은 무연신 폴리프로필렌, 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체, 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 보호층은 폴리에틸렌, 폴리페닐렌에테르, 폴리이미드, 폴리프로필렌, 캐스티드 폴리프로필렌, 폴리에테르테레프탈라이트 및 폴리페닐렌설파이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
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