KR101877568B1 - 파우치 타입 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 전극조립체의 변형을 억제하는 파우치 타입 배터리에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 제1전극, 제2전극 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 형성되는 세퍼레이터가 권취된 전극조립체와 전해액과 상기 전극 조립체 및 상기 전해액를 수용하는 파우치 및 상기 전극조립체의 권취 끝단을 고정하는 고정부재를 포함하고, 상기 고정부재는 기재층과 상기 기재층의 일측에 형성되어 상기 전극조립체의 외부 표면에 접촉되는 점착층을 포함하며, 상기 기재층은 상기 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 녹아서 상기 점착층이 분리되는 것을 특징으로 형성되는 파우치 타입 배터리를 개시한다.

Description

파우치 타입 배터리{Pouch type battery}
본 발명의 일실시예는 파우치 타입 배터리에 관한 것이다.
이차전지는 양극판과 음극판 사이의 세퍼레이터(이하, 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 전극 조립체로 칭함)가 리튬 이온 전지에서의 분리 역할 외에 이온전도의 매개체, 즉, 전해질의 역할을 하는 전지를 말한다. 이러한 세퍼레이터는 겔형 고분자 전해질로 형성되는데, 이온 전도도를 향상시키기 위해 전해액을 고분자에 함침한 상태에서 제조한다.
이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 이 중에서 파우치 전지는 양극판 및 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 형성된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장된 얇은 연성(flexible)의 파우치를 구비한다. 이때 파우치는 가장자리부의 접합에 의해 구비된 내측 공간에 전극 조립체를 수용한다. 이러한 파우치는 메탈층과 상기 메탈층의 각 면을 덮는 절연층을 포함하는 다층막으로 이루어진다. 그리고 상기 절연층은 절연층 사이에 개재된 메탈층이 파우치 내외부의 전도성 물질과 단락되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일실시예는 전극조립체의 변형을 억제하는 파우치 타입 배터리를 제공하는데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 파우치 타입 배터리는 제1전극, 제2전극 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 형성되는 세퍼레이터가 권취된 전극조립체와 전해액과 상기 전극 조립체 및 상기 전해액를 수용하는 파우치 및 상기 전극조립체의 권취 끝단을 고정하는 고정부재를 포함하고, 상기 고정부재는 기재층과 상기 기재층의 일측에 형성되어 상기 전극조립체의 외부 표면에 접촉되는 점착층을 포함하며, 상기 기재층은 상기 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 녹아서 상기 점착층이 분리되는 것을 특징으로 형성된다.
또한, 상기 점착층은 분리된 간격이 0.01mm 내지 0.3mm 인 것으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 기재층은 점착성을 나타내는 부분이 상기 파우치의 내측에 접촉하는 것으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 고정부재는 10㎛ 내지 35㎛의 두께로 형성되고, 상기 점착층이 상기 고정부재의 전체 두께에서 2 내지 16% 인 것으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 고정부재는 상기 점착층이 1㎛ 내지 4㎛로 형성되는 것으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 기재층은 OPS(oriented polystyrene) 필름인 것으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전해질은 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC) 및 디프로필 카보네이트(DPC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 고정부재는 상기 전극조립체의 최외각의 전체를 감싸는 것으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 파우치는 상기 전극 조립체를 수용하는 제1파우치와 제2파우치를 포함하며, 상기 제1파우치와 상기 제2파우치의 양쪽 측부의 점착에 의해 구비된 접합부와, 서로 대향하는 상기 접합부 사이를 연결하는 평탄부를 갖는 것으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 파우치는 박막인 메탈층과, 상기 메탈층의 일면을 덮도록 형성된 제1절연층 및 상기 메탈층의 상기 일면의 반대면인 타면을 덮도록 형성된 제2절연층을 포함하는 다층 박막으로 이루어진 것으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 파우치 타입 배터리에 따르면 전극조립체의 권취 외측에 부착되는 고정부재의 기재층이 전해액과 접촉하면 일부분이 녹아서 상기 기재층의 일면에 형성된 점착층이 분리되기 때문에 전극조립체가 변형되는 것을 억제하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 파우치 타입 배터리의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 전극조립체의 사시도이다.
도 3은 도 1의 고정부재가 전해액과 반응된 이후 파우치의 내측에 접촉하는 형태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 1의 고정부재가 전해액과 반응된 이후 분리된 점착층을 연결하는 형태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
이하에서 실시예들은 첨부한 도면을 통하여 본 발명의 파우치 타입 배터리 및 그 제조 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 파우치 타입 배터리의 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 전극조립체의 사시도이다.
본 발명의 일실시예인 파우치 타입 배터리(100)는, 도 1 내지 도 2를 참조하면, 전극조립체(110), 고정부재(120) 및 파우치(130)를 포함한다.
상기 전극조립체(110)는 제1전극판(111), 세퍼레이터(113) 및 제2전극판(112)이 순차적으로 적층되어 권취된다. 상기 제1전극판(111)은 양극으로 동작할 수 있으며, 제2전극판(112)는 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 그 반대로도 가능하다. 또한, 상기 전극조립체(110)는 파우치(130)의 내부에 수용된다.
상기 제1전극판(111)은 알루미늄과 같은 금속 포일(foil)로 형성된다. 또한, 상기 제1전극판(111)은 제1전극 집전판에 전이금속산화물 등의 제1전극 활물질을 도포함으로써 형성된다. 상기 제1전극판(111)에는 제1전극판(111)의 무지부에 알루미늄 재질로 된 제1전극탭(117a)이 접속된다. 상기 제1전극탭(117a)은 파우치(130)의 일측으로 돌출되도록 형성된다. 상기 제1전극탭(117a)은 제1전극탭(117a)의 일부분에 형성된 절연테이프(118)을 포함한다. 본 발명에서는 상기 제1전극판(111) 및 제1전극탭(117a)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 제2전극판(112)은 구리 또는 니켈과 같은 금속 포일로 형성된다. 상기 제2전극판(112)는 제2전극 집전판에 흑연 또는 탄소 등의 제2전극 활물질을 도포함으로써 형성된다. 상기 제2전극판(112)에는 제2전극판(112)의 무지부에 구리 재질로 된 제2전극탭(117b)이 접속된다. 상기 제2전극탭(117b)은 파우치(130)의 일측으로 돌출되도록 형성된다. 상기 제2전극탭(117b)은 제2전극탭(117b)의 일부분에 형성된 절연테이프(118)을 포함한다. 본 발명에서는 상기 제2전극판(112) 및 제2전극탭(117b)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 세퍼레이터(113)는 제1전극판(111)과 제2전극판(112) 사이에 위치되어 전기적 쇼트를 방지하고 전이 금속 이온의 이동을 가능하게 한다. 상기 세퍼레이터(113)는 폴리에틸렌이나, 폴리프로필렌이나, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 본 발명에서는 상기 세퍼레이터(113)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 전극조립체(110)는 권취 말단이 위치하는 최외측 마감부(110a)가 포함된다. 상기 고정부재(120)는 전극조립체(110)의 외측표면(110b)의 일부분과 최외측 마감부(110a)를 포함하여 부착된 것일 수 있다. 이 경우에는 상기 전극 조립체(110)를 실링하기 위한 별도의 테이프가 구비되지 않아도, 상기 고정부재(120)가 테이프의 역할을 병행한다. 그 결과 상기 고정부재(120)는 전극 조립체(110)가 풀어지는 것을 방지할 수 있다.
상기 고정부재(120)는 상기 전극 조립체(110)와 파우치(130) 사이에 위치하게 된다. 상기 고정부재(120)는 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 녹는 기재층(121)을 포함한다. 또한, 상기 기재층(121)은 배면에 형성된 점착층(122)을 포함한다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 상기 기재층(121)은 전해액과의 접촉에 의해 적어도 일부가 녹는 고분자 필름으로 이루어진다. 상기 고분자 필름은 전해액과의 접촉시 전해액 중 카보네이트계 용매가 고분자와 고분자 사이에 침투하여 필름의 적어도 일부가 녹는 필름일 수 있다. 또한, 상기 고분자 필름은 폴리스틸렌(PS), 폴리아미드, 폴리아크릴로 나이트릴, 폴리비닐알코올, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌비닐아세테이트, OPS 중에서 선택되는 필름일 수 있다. 바람직하게는 OPS(oriented polystyrene) 필름이 사용될 수 있다.
상기 기재층(121)은 10 내지 35㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 기재층(131)의 두께가 10㎛ 미만일 경우 전해액과 반응하여 쉽게 녹는 문제점이 있으며, 상기 기재층(131)의 두께가 35㎛를 초과할 경우 전해액과 반응하여 녹지 않을 수 있기 때문에 전극조립체(110)의 변형을 억제하는 효과가 떨어지는 단점이 있다. 상기 기재층(121)은 제1기재층(121a) 및 제2기재층(121b)을 포함한다. 상기 제1 기재층(121a)은 점착층(122)의 제1영역(122a)에 형성되고, 상기 제2기재층(121b)는 점착층(122)의 제2영역(122b)에 형성된다. 상기 제1, 2기재층(121a, 121b)은 전해액과 반응하여 점착성을 가지게 되면, 파우치의 내측에 접촉될 수도 있고, 제1, 2기재층(121a, 121b)들이 서로 연결되기 때문에 전극조립체(100)가 풀어지는 것을 방지할 수도 있다.
상기 점착층(122)은 일반적으로 사용되는 점착제라면 제한 없이 사용될 수 있다. 바람직하게 상기 점착층(122)은 아크릴계 점착제를 기재층(121)에 도포하여 형성된 것일 수 있다. 상기 아크릴계 점착제는 PMMA(poly methyl methacrylate), PEMA(poly ethyl methacrylate) 또는 PBMA(poly butyl methacrylate)에서 선택된 것이 사용될 수 있다.
상기 점착층(122)은 상기 기재층(121)에 다양한 공지의 방법에 의해 다양한 두께로 코팅될 수 있다. 상기 점착층(122)은 점착제를 나이프 코팅에 의해 고정부재의 전체 두께에서 2 내지 16% 로 코팅될 수 있다. 예를 들어서, 상기 점착층(122)은 기재층(121)의 두께가 25㎛인 경우, 1 내지 4㎛의 두께로 코팅될 수 있다.
상기 점착층(122)은 전극조립체(110)의 권취 끝단에 부착되는 제1영역(122a)과 전극조립체(110)의 권취 외측표면(110b)의 일부분에 부착되는 제2영역(122b)를 포함한다. 상기 점착층(122)은 전극조립체(110)의 권취 끝단인 최외측 마감부(110a)에서 분리될 수 있다. 즉, 제1영역(122a)와 제2영역(122b)은 소정 분단간격(A)으로 분리될 수 있다.
상기 분단간격(A)은 0.01mm 내지 0.3mm인 것이 바람직하다. 상기 분단간격(A)이 0.01mm 이하인 경우 분단현상이 없는, 즉 상기 점착층(122)이 분리되는 간격이 너무 좁아서 분리되지 않는, 것과 동일하기 때문에 전극조립체(100)의 변형을 억제하는 효과가 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 상기 분단간격(A)이 0.3mm를 초과하는 경우 전극조립체(100)가 쉽게 풀어질 수 있는 단점이 있다.
상기 파우치(130)는 전극조립체(110)와 전해액을 함께 수용한다. 상기 전해액은 카보네이트계 용매를 포함할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC) 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등을 예시할 수 있다. 상기 예시된 카보네이트계 용매 중에서도 DMC, DEC 및 DPC로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 카보네이트계 용매는 폴리스틸렌과 같이 고분자간의 거리가 있는 형태의 고분자 사이에 용이하게 침투할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
상기 파우치(130)는 다수의 층 구조를 포함한다. 상기 파우치(130)는 금속박막(120a)과 상기 금속박막(130a)의 양측에 형성된 절연층(130b, 130c)을 포함한다.
상기 금속박막(130a)은 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다. 그러나, 여기서 금속박막(130a)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 절연층(130b, 130c)은 제1 절연층(130b)과 제2 절연층(130c)을 포함한다. 상기 제1 절연층(130b)은 파우치(130)의 외측 표면이다. 상기 제1 절연층(130b)은 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 여기서 제1 절연층(130b)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 제2 절연층(130c)은 파우치(130)의 내측 표면이다. 상기 제2 절연층(130c)은 변성 폴리프로필렌(CPP) 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 여기서 제2 절연층(130c)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 파우치(130)는 상기 전극 조립체(110)가 수용되는 공간(131a)을 구비하는 제1파우치(131)과, 상기 공간(131a)이 형성된 제1파우치(131)을 커버하는 제2파우치(132)으로 이루어진다. 또한, 상기 전극 조립체(110)를 수용하기 위한 공간(131a)은 프레스(press) 가공 등을 통하여 형성될 수 있다.
표1은 전극조립체(110)의 변형억제를 실시한 것이다. 실시예1 내지 실시예4는 기재층의 재질을 OPS 필름으로 하고, 점착층의 두께를 변경하여 실시한 것이다. 비교예1은 기재층의 재질을 PP 필름으로 하고, 비교예2는 기재층의 재질을 PET 필름으로 하여 전극조립체의 변형억제를 실시한 것이다. 상기 실시는 파우치로 감싸여진 파우치 타입 배터리의 변형억제와 관련된다. 그러므로, 본 실시에서 전극조립체의 변형억제는 파우치 타입 배터리의 변형억제를 의미한다. 또한, 상기 표1에서 분단거리는 분리된 점착층 사이의 거리를 의미한다.
상기 실시예 및 비교예의 파우치 타입 배터리는 표1의 조건을 제외하고는 동일한 조건하에 전극조립체의 변형이 억제되는지를 측정한 것이다.

 기재층 점착층 전체
두께(㎛)		 분단간격
(mm)		 변형억제
재질 두께(㎛) 두께(㎛)
실시예1 OPS 25 4 29 0.02 ○
실시예2 OPS 25 3 28 0.05 ○
실시예3 OPS 25 2 27 0.1 ○
실시예4 OPS 25 1 26 0.2 ○
비교예1 OPS 40 13 53 0 ×
비교예2 OPS 40 2 42 0 ×
비교예3 PP 25 2 22 0 ×
비교예4 PET 25 2 22 0 ×
상기 실시예1 내지 실시예 4의 실시결과 점착층은 두께가 두꺼워짐에 따라 분단거리가 좁아지는 것을 확인하였다. 이는 고정부재의 점착력이 증가하기 때문이다. 상기 실시예1 내지 실시예 4에서는 실시예3이 변형억제 효과가 우수한 것을 확인하였다.
또한, 비교예1 내지 비교예2는 기재층의 재질이 OPS필름이지만, 두께가 40㎛이면, 전극조립체(110)의 최외측 마감부(110a)에서 점착층이 분리되지 않는 것을 확인할 수 있다. 즉, 기재층의 OPS필름이 30㎛의 두께 이상으로 형성되면, 전극조립체(110)의 변형이 억제되지 않는다.
또한, 비교예3 내지 비교예4는 기재층의 재질이 PP 필름 및 PET재질인 것이다. 상기 PP 필름 및 PET재질은 전해액과 접촉하여도 수축 또는 용융되는 반응이 없는 것을 확인 하였다. 그 결과 비교예3 내지 비교예4는 전극조립체의 변형을 억제할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정?변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100: 파우치 타입 배터리
110: 전극조립체 111: 양극판
112: 음극판 113: 세퍼레이터
117a: 제1전극탭 117b: 제2전극탭
120: 고정부재
130: 파우치

Claims (11)

  1. 제1전극, 제2전극 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 형성되는 세퍼레이터가 권취된 전극조립체;
    전해액;
    상기 전극 조립체 및 상기 전해액를 수용하는 파우치; 및
    상기 전극조립체의 권취 말단인 최외측 마감부를, 상기 전극 조립체의 외측 표면에 고정하는 고정부재를 포함하고,
    상기 고정부재는 기재층과 상기 기재층의 일측에 형성되어 상기 전극조립체의 외부 표면에 접착되는 점착층을 포함하며,
    상기 기재층은 상기 전해액과 접촉하면 적어도 일부가 녹아서 상기 점착층이 상기 전극조립체의 최외측 마감부에 접착된 제1영역과, 상기 전극 조립체의 외측표면에 접착된 제2영역으로 분리되며,
    상기 점착층의 상기 제1영역과 상기 제2영역의 분리된 간격이 0.01mm 내지 0.3mm 이며,
    상기 기재층은 10㎛ 내지 35㎛의 두께로 형성되고, 상기 점착층은 상기 고정부재의 전체 두께에서 2 내지 16% 인 것을 특징으로 하는 파우치 타입 배터리.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기재층은 점착성을 나타내는 부분이 상기 파우치의 내측에 접촉하는 것을 특징으로 하는 파우치 타입 배터리.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 점착층이 1㎛ 내지 4㎛로 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치 타입 배터리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기재층은 OPS(oriented polystyrene) 필름인 것을 특징으로 하는 파우치 타입 배터리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해액은 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC) 및 디프로필 카보네이트(DPC)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치 타입 배터리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 전극조립체의 최외각의 전체를 감싸는 것을 특징으로 하는 파우치 타입 배터리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 파우치는 상기 전극 조립체를 수용하는 제1파우치와 제2파우치를 포함하며,
    상기 제1파우치와 상기 제2파우치의 양쪽 측부의 점착에 의해 구비된 접합부와, 서로 대향하는 상기 접합부 사이를 연결하는 평탄부를 갖는 것을 특징으로 하는 파우치 타입 배터리.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 파우치는
    박막인 메탈층;
    상기 메탈층의 일면을 덮도록 형성된 제1절연층; 및
    상기 메탈층의 상기 일면의 반대면인 타면을 덮도록 형성된 제2절연층을 포함하는 다층 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치 타입 배터리.
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