KR101919375B1 - 리드탭 밀봉용 조성물 및 이를 포함하는 리튬이온 전지 - Google Patents
리드탭 밀봉용 조성물 및 이를 포함하는 리튬이온 전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 리드탭 밀봉용 조성물 및 이를 포함하는 리튬이온 전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 리드탭 밀봉용 조성물은 절연성 입자를 포함하고 있어, 리드탭 금속과 외장재 금속과의 합선을 방지할 수 있고, 특히, 제조공정에서 발생할 수 있는 발리(burr)로부터 유도되는 합선을 방지할 수 있는 특징이 있다. 또한, 본 발명의 리드탭 조성물은 극성이 높은 작용기가 도입된 열 가소성 수지를 포함하고 있어, 리드탭 금속과의 용착성이 우수한 특징이 있어, 이를 포함하는 리튬이온 2차 전지로 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 리드탭 밀봉용 조성물 및 이를 포함하는 리튬이온 전지에 관한 것이다.
최근 모바일 기기를 중심으로 한 경박단소의 경향에 따라 탑재되는 배터리의 고용량화 및 경박단소화가 강하게 요구되고 있다. 리튬이온 2차 전지의 형상은 종래에 원통형 전지가 주를 이루었으나, 데드 스페이스를 적게 하고, 수명을 연장 시키기 위해 각형전지가 개발되었다. 더 나아가, 데드 스페이스를 적게 함과 동시에 경량화를 목적으로, 새로운 리튬이온 2차 전지의 형태로서 폴리올레핀이나 나일론 수지에 금속 호일이 적층된 외장재를 사용한 파우치형 리튬이온 2차 전지가 개발되었다. 이의 외관 모식도를 도 1에 나타내었다. 상기 파우치형 전지는 자동차 업계와 건축 업계에서도 주목을 받고 있고, EV 차, 정치용 축전지 및 ESS 용 전지로서 실용화가 진행되고있다.
상기 파우치형 리튬이온 2차 전지는 파우치 내부의 양극, 음극의 집전 전극과 리드탭을 각각 초음파나 레이저를 이용하여 용접하고 리드탭이 파우치 외부로 인출된 구조로 되어있다. 또한, 리드탭에는 파우치 재료와 리드탭 부분의 밀착성을 높이기 위해 리드탭용 필름(11)이 띠 모양으로 용착 되어있다.
상기 파우치형 리튬이온 2차 전지를 안전하게 사용할 수 있도록 하기 위해서, 또한, 리드탭 부분과 파우치 외장재의 밀봉 부분에 전지 내부의 이상 반응 또는 온도 상승으로 인한 전지 내부 전해액이 누출되는 것을 막기 위해서, 우수한 밀폐성이 요구된다. 이를 달성하기 위해 파우치 재료의 적층 공정 시, 충분한 열과 압력을 가할 필요가 있지만, 온도가 너무 높거나 압력이 너무 강한 경우, 파우치 외장재의 금속과 리드탭 금속이 접촉하여 합선(short) 문제가 발생한다.
이를 개선하기 위해, 다양한 방안이 제안되고 있으며, 예를 들어 리드탭 및 밀봉 필름의 접착을 향상시킬 목적으로 산 변성 폴리프로필렌을 사용하는 것과 절연성을 확보하는 목적으로 수지의 용융 유량을 정하는 것, 또한 3층 구조의 리드탭 필름 등이 제시되고 있으나(특허문헌 1), 파우치 외장재와 리드탭 금속의 합선 방지에 한계가 있고, 필름을 형성하는 수지의 계면을 따라 전해액이 침투하기 쉬운 등, 밀폐성에 있어서 문제가 지적되고 있다.
이에, 본 발명자들은 전해액 침투가 일어나지 않으며, 리드탭 및 외장재 금속 사이의 합선 문제를 해결할 수 있는 방안을 모색하던 중, 본 발명에 따른 리드탭 밀봉용 조성물이 일정 크기의 절연성 입자를 포함함으로써 리드탭 금속과 외장재 금속 사이의 합선 문제를 방지할 수 있고, 전해액 침투가 적으며, 리드탭 금속 외장재 재질과의 용착성이 뛰어남을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 리드탭 밀봉용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 리드탭 밀봉용 조성물을 포함하는 리드탭용 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 리드탭용 필름의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 리드탭용 필름을 포함하는 리튬이온 2차 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해,
본 발명은 열 가소성 수지 및 절연성 입자를 포함하는 리드탭 밀봉용 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 리드탭 밀봉용 조성물을 포함하는 리드탭용 필름을 제공한다.
나아가, 본 발명은 절연성 입자 및 열 가소성 수지를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 제조한 혼합물로부터 필름을 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 상기 리드탭용 필름의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 리드탭용 필름을 포함하는 리튬이온 2차 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 리드탭 밀봉용 조성물은 절연성 입자를 포함하고 있어, 리드탭 금속과 외장재 금속 사이의 합선을 방지할 수 있고, 특히, 제조공정에서 발생할 수 있는 발리(burr)로부터 유도되는 합선을 방지할 수 있는 특징이 있다. 또한, 본 발명의 리드탭 조성물은 극성 작용기를 도입한 열 가소성 수지를 포함하고 있어, 리드탭 금속과의 용착성이 우수한 특징이 있어, 이를 포함하는 리튬이온 2차 전지로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 파우치형 리튬이온 이차 전지의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 절연성 입자가 분산되어 있는 리드탭용 필름의 단면도를 나타낸 모식도이다.
도 3은 2층의 구조로 나타낸 본 발명의 리드탭용 필름의 단면도를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 리드탭 필름이 용착된 리드탭의 단면도를 나타낸 모식도이다.
도 5는 리드탭 금속의 슬릿 공정시 발리(burr)가 발생한 경우, 파우치형 리튬이온 2차 전지의 단면도를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 절연성 입자가 분산되어 있는 리드탭용 필름의 단면도를 나타낸 모식도이다.
도 3은 2층의 구조로 나타낸 본 발명의 리드탭용 필름의 단면도를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 리드탭 필름이 용착된 리드탭의 단면도를 나타낸 모식도이다.
도 5는 리드탭 금속의 슬릿 공정시 발리(burr)가 발생한 경우, 파우치형 리튬이온 2차 전지의 단면도를 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
이하 설명은 발명의 이해를 돕기 위해서 제시하는 것이며, 본 발명이 이하 설명의 내용으로 제한되지 않는다.
본 발명은 열 가소성 수지 및 절연성 입자를 포함하는 리드탭 밀봉용 조성물을 제공한다.
여기서, 상기 리드탭 밀봉용 조성물은, 열 가소성 수지를 매트릭스로 하여 절연성 입자가 분산되어 있는 형상을 가진 것으로 이해될 수 있다. 실시의 한 양태로, 본 발명의 리드탭 밀봉용 조성물은 도 2와 같이 나태낼 수 있는데, 열 가소성 수지에 본 발명의 절연성 입자가 분포되어 있는 것으로 이해될 수 있다.
이때, 상기 절연성 나노 입자는 본 발명의 리드탭 조성물에 고르게 분포되어, 리드탭 금속과 외장재 금속 사이의 합선을 방지하는 기능을 한다.
보다 구체적으로, 금속 슬릿 공정시 발생하는 발리(burr)의 보증 값은 20 μm 이하 또는 15 μm 이하가 일반적인데, 상기 발리(burr)로부터 리드탭 금속과 외장재 금속 사이의 합선이 발생하기 때문에, 이를 방지하기 위해서는 본 발명의 상기 절연성 입자의 평균 지름이 15 μm 이상, 바람직하게 20 μm 이상이 되어야 한다. 이때, 상기 발리(burr)의 보증값에 따라 본 발명의 상기 절연성 입자의 지름은 조절될 수 있고, 바람직하게 상기 발리의 보증값 이상인 것이 바람직하다. 예를 들어 발리의 보증값이 10 μm인 경우, 본 발명의 절연성 입자의 지름은 10 μm 이상이고, 발리의 보증값이 5 μm인 경우, 본 발명의 절연성 입자의 지름은 5 μm 이상이어야 한다. 만약, 절연성 입자의 지름이 발리의 보증값보다 작은 경우, 리드탭 금속과 외장재 금속 사이의 합선 방지에 어려움이 있다.
다만, 전술한 설명은 바람직한 양태로의 설명일 뿐, 본 발명의 절연성 입자 지름에 있어서, 상기 발리(burr)로부터 합선을 방지할 수 있다면 상기 절연성 입자는 발리의 보증값보다 작을 수 있고, 제약되지 않을 수도 있다.
한편, 상기 절연성 입자의 최대 크기는 본 발명의 리드탭 조성물이 리드탭 금속과 잘 용착할 수 있고, 전지의 전해액이 침투를 유발하지 않는 정도의 크기라면 크게 제한되지 않는다.
또한, 상기 절연성 입자 평균 지름의 CV(변동 계수) 값은 0 내지 20%인 것이 바람직하고, 0 내지 10%인 것이 더욱 바람직한데, 이는 20% 이상의 CV 값을 가질 경우, 열 융착 공정시 열 프레스를 이용하여 용착 공정이 수행되기 때문에 큰 입자들은 상대적으로 큰 압력을 받게 되고, 파우치 외장재에 사용되는 열가소성 수지를 찢어 파우치 외장재의 금속과 직접 접촉하거나, 외장재 금속을 돌파하는 등의 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 이처럼, 상기 절연성 입자는 열 융착 공정 등의 제조시 발생할 수 있는 압력으로부터 자유로운 것이 바람직한데, 이를 해결하기 위한 하나의 실시 양태로, 상기 절연성 입자는 탄성 변형이 가능하거나 또는 소성 변형할 수 있는 재료를 사용할 수 있다. 바람직하게, 상기 탄성 변형은 20% 이상인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다. 더욱 바람직하게 상기 탄성 변형이 가능한 재료로 유기계 재료를 사용할 수 있고, 하나의 실시 양태로 아크릴계 고분자를 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명의 리드탭 밀봉용 조성물에 있어서, 상기 절연성 입자는 전체 리드탭 밀봉용 조성물에 대하여 0.05-20 중량%, 보다 바람직하게 0.1-10 중량%이다.
여기서, 상기 중량%는 0.1 중량% 이하에서는 본 발명의 효과(리드탭 금속과 외장재 금속과의 합선 방지)를 나타내기 어렵고, 20 중량% 이상에서는 조성물 자체의 강도가 저하되거나 압출기에 의한 필름 형성이 어려워지고, 원료 비용의 관점에서도 바람직하지 않기 때문이다.
또한, 본 발명의 리드탭 밀봉용 조성물에 있어서, 상기 절연성 입자는 150℃ 이상, 바람직하게 160℃ 이상, 보다 바람직하게 180℃ 이상의 융점을 가지거나, 또는 융점이 없는 것을 사용할 수 있다.
여기서, 상기 절연성 입자는 융점이 낮을 경우, 제조공정에서 열 융착시 상기 절연성 입자가 용융되어 본 발명의 효과(리드탭 금속과 외장재 금속과의 합선 방지)를 나타내기 어렵기 때문이다.
다만, 상기 절연성 입자의 융점에 있어서, 리드탭 밀봉시, 나아가, 리튬이온 2차 전지 제조시 수반될 수 있는 열에 의해 용융되지 않을 수 있는 절연성 입자라면 본 발명에 포함되는 것으로 이해할 수 있다.
나아가, 본 발명의 리드탭 밀봉용 조성물에 있어서, 상기 절연성 입자는 절연성을 나타내는 재료라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게 절연성 무기계 재료 또는 절연성 유기계 재료를 사용할 수 있다.
여기서, 상기 무기계 재료로는 실리카, 지르코늄, 알루미나, 질화규소, 탄화규소 등과 같은 절연성 무기물을 사용할 수 있고, 상기 유기계 재료로는 아크릴 수지를 기반으로 한 공중합체, 스티렌 수지, 디비닐벤젠 공중합체, 벤조구아나민 수지, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지 등을 사용할 수 있고, 불포화 이중결합을 가지고 중합 또는 축합 가능한 작용기를 가지고 있는 화합물을 중합 또는 축합시킨 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 수지는 유화 중합법 등을 사용하여 고분자화 또는 입체 교차시킨 것을 사용할 수 있는데, 이것은 내화물 입자를 보다 쉽게 얻기 위함이다.
전술된 다양한 종류의 절연성 입자는 본 발명의 리드탭 조성물에 분산되어 리드탭 금속과 외장재 금속 사이의 합선을 방지하기 위함이므로, 본 발명의 효과를 나타낼 수 있는 재료의 입자라면 본 발명의 범위에 포함되고, 더욱이 해당 기술 분야의 당업자라면 변경 또는 응용 가능한 범위의 절연성 입자라면 본 발명에 포함된다.
한편, 본 발명의 리드탭 밀봉용 조성물에 있어서, 상기 열 가소성 수지는 본 발명의 상기 절연성 입자가 분포되는 매트릭스(matrix)로 이해될 수 있고, 리드탭 금속과의 용착성이 뛰어나며, 외장재 최내부 재료와 용착성이 뛰어난 것을 사용하는 것으로 이해될 수 있다.
여기서, 상기 매트릭스(matrix)로 열 가소성 수지 외에 열 경화성 수지를 사용할 수 있으나, 열 경화성 수지를 사용하는 경우, 리드탭 제조 과정에서 리드탭 금속 도체 및 밀봉용 필름의 용착 공정에서 경화가 완료될 때까지 시간이 소요되기 때문에 생산성의 관점에서 바람직하지 않다. 따라서, 열 경화성 수지보다 열 가소성 수지를 사용하는 것이 바람직한 것으로 이해될 수 있다.
또한, 파우치형 전지를 제조하는 파우치 공정에서도 일반적으로 파우치 외장재와 접하는 재료로 폴리프로필렌을 사용하고 있어, 열경화성 수지를 사용할 경우,용착 공정에서 용접 불량을 일으키기 쉽다는 문제가 있어, 전술한 관점에 있어서도 열 가소성 수지를 사용하는 것이 보다 바람직하다.
이때, 본 발명에 사용되는 열가소성 수지로는 폴리프로필렌이 적합하며, 파우치형 리튬이온 2차 전지의 파우치 외장재가 리드탭 필름과 접하는 내부 재료로 폴리프로필렌을 사용하고 있기 때문이다. 이에, 리드탭용 필름에서도 외쟁자 내부 재료와 같은 수지를 사용하여 용착성을 높일 수 있어, 더 신뢰할 수 있는 파우치 형 리튬이온 2차 전지를 제조할 수 있기 때문이다.
다만, 선택되는 외장재 재료에 따라 상기 매트릭스로 사용되는 수지는 해당 분야의 기술자가 범용할 수 있는 범위의 수지로부터 선택하여 사용할 수 있고, 이는 본 발명에 포함된다.
한편, 리드탭 밀봉용 필름은 외장재 내부 재료와의 용착성뿐만 아니라 리드탭 금속과의 용착성도 우수해야 하는데, 이를 달성하기 위해, 무수 말레산 등과 같은 극성 작용기를 도입하여 리드탭 금속과의 용착성을 향상시킬 수 있다. 이때, 상기 극성 작용기는 본 발명의 매트릭스에 도입되어 리드탭과의 용착성을 향상시킬 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게 할로젠, 말레인산, 무수말레인산, 푸마르산, 말레이미드, 무수말레이미드, 이타콘산, 무수이타콘산 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 극성기를 열 가소성 수지에, 바람직하게 폴리프로필렌에 도입하여 사용할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 리드탭 밀봉용 조성물의 매트릭스로 열 가소성 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 리드탭 금속과의 용착성을 향상시키기 위한 방법으로 극성 작용기를 도입한 열 가소성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 매트릭스를 1층이 아닌 2층 또는 다층으로 구성할 수 있는데, 실시의 한 양태로, 리드탭 금속과 접하는 면에 극성 작용기를 도입한 수지층, 상기 수지층과 접하는 중간 수지층 및 상기 중간 수지층과 접하고 전지의 외장재 내부 재료와 접하는 수지층으로 3층의 구조로 형성될 수 있고, 이때, 각 수지층에는 본 발명의 상기 절연성 입자가 모두 포함되거나 선택적으로 포함될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 상기 매트릭스로 사용할 수 있는 수지로는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리부틸렌나프탈레이트(PBN), 나일론 수지, 폴리에스테르 수지, 페녹시 수지, 폴리아미드 수지, 에폭시 수지, 아세탈 수지, 불소계 수지 및 폴리이미드(PI)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있고, 이를 조합하여 사용할 수 있으나, 바람직하게 폴리프로필렌을 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 리드탭 밀봉용 조성물을 포함하는 리드탭용 필름을 제공한다. 이때, 상기 리드탭용 필름은 전술한 바와 같이, 1층 또는 2층 이상의 다층으로 구성될 수 있고, 각각의 층은 접하는 재료와의 용착성을 향상시키기 위해, 적절한 수지를 선택하여 사용할 수 있으며, 전술된 극성 작용기 도입 방법을 사용하여 리드탭 금속과의 용착성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 리드탭 밀봉용 조성물 또는 이를 포함하는 상기 리드탭용 필름은 내화성, 내구성 또는 물성을 향상시키기 위한 방법으로 추가적인 첨가제를 포함할 수 있고, 상기 본 발명의 절연성 입자의 고른 분포를 위해 분산제 등을 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명은 절연성 입자 및 열 가소성 수지를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 제조한 혼합물로부터 필름을 제조하는 단계(단계 2);를 포함하는 상기 리드탭용 필름의 제조방법을 제공한다.
상기 본 발명의 리드탭용 필름의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 본 발명의 절연성 입자와 열 가소성 수지를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계이다. 이때, 혼합 방법으로 필름형성용 수지를 사용한 혼합 또는 건식 혼합할 수 있고, 분산이 나쁜 것은 미리 압출기에 투입하여 혼합할 수 있고, 상기 절연성 입자가 열 가소성 수지(매트릭스)에 고르게 분포될 수 있는 방법을 선택하여 수행하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 리드탭용 필름의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 제조한 혼합물로부터 필름을 제조하는 단계이다. 이때, 단층 또는 다층 구조의 필름을 제작할 수 있는데, 1축 또는 2축 압출기를 사용하여 압출 캐스트 방식과 인플레이션 방식 등 일반적인 필름 제조 방법을 사용할 수 있다. 본 발명의 리드탭용 필름을 다층 구조로 제작하는 경우, 제품의 특성상 각 층의 두께는 성능에 영향을 미치지 않는 오차 범위에 있어야 하고, 이를 위해 각 층의 두께를 정밀하게 제어할 수 있는 멀티매니폴드타입의 T 다이를 사용하여 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 제조 조건은 리드탭용 필름에 사용하는 수지의 융점, 용융 유량에 따라 설정되지만, 일반적으로 융점 60℃에서 100℃의 범위가 바람직하다. 구체적인 실시의 형태로 하기 본 발명의 실시예와 같이 수행할 수 있다(하기 실시예 참조).
한편, 본 발명에 사용하는 절연성 입자는 CV 값이 작은 것이 바람직한데, 이들을 얻기 위해서는 정밀한 분급 공정이 필요한 것이 많다. 이에, 사용될 수 있는 분급 방법은 사용하는 절연성 입자의 재질에 따라 건식에 의한 중력 분급, 관성 분급, 원심 분급, 침강 분급, 수력 분급 등 다양한 분급 방법을 사용할 수 있다. 또한, 매트릭스 수지 성분과의 밀착성을 고려하여 추가적인 절연성 입자 표면처리를 할 수 있고, 하나의 실시 양태로 상기 절연성 입자 표면을 커플링제로 처리할 수 있다.
한편, 리드탭 금속은 일반적으로 양극에는 알루미늄, 음극에는 니켈이나 구리에 니켈 도금한 것, 또는 구리와 니켈의 피복 재료가 사용되고 있고, 또한 이러한 금속은 내식성을 높이기 위해, 또는 리드탭용 필름과의 접착성을 높이기 위해 6가 크로메이트, 3가 크로메이트 또는 지르코늄계, 망간계 등의 표면 처리제나 또는 폴리비닐알코올 및 폴리아크릴산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 주성분으로 한 유기 표면처리제로 처리할 수 있다.
한편, 용착 방법에 있어서, 리드탭 금속 위치에 소정의 폭으로 슬라이팅된 리드탭용 필름을 상하로 배치하여 용착 부분을 상하에서 가열 가압하는 방법을 사용하는 것이 일반적인데, 이때, 가열 방식으로는 상하에서 가열하고, 금속 자체도 가열하여 필름의 유동성을 조절한다. 이로부터 필름의 폭과 거의 같은 폭으로 용착할 수 있게 되고, 또한, 가압시에는 프레스 헤드와 리드탭 사이에 실리콘, 테프론 등의 완충재를 배치하여 금속 단부에 수지의 흐름을 양호하게 할 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 리드탭용 필름을 포함하는 리튬이온 2차 전지를 제공한다.
본 발명의 상기 리드탭용 필름을 사용하여 리드탭을 밀봉한 전지, 바람직하게 리튬이온 2차 전지는 리드탭 금속과 외장재 금속과의 합선 문제를 방지할 수 있는 이점이 있다. 이는 본 발명의 리드탭 밀봉용 조성물이 절연성 입자를 포함하고 있기 때문인데, 구체적으로, 합선이 전지의 제조공정 또는 금속의 슬릿 공정시 발생할 수 있는 발리(burr)로부터 유도되고, 상기 발리는 최대 20 μm이기 때문에, 본 발명의 절연성 입자를 20 μm 이상의 지름(또는 직경)으로 하여 리드탭 금속과 외장재 금속 사이의 합선을 방지할 수 있는 것이다. 보다 상세하게는 도 5에 나타낸 모식도와 같이 이해할 수 있다.
도 5는 리드탭 금속의 슬릿 공정시 발리(burr)가 발생한 경우, 파우치형 리튬이온 2차 전지의 단면도를 나타낸 모식도이다.
도 5를 살펴보면, 본 발명에 따른 절연성 입자가 리드탭 금속의 발리(burr)로부터 외장재 금속과의 접촉을 방지하고 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 절연성 입자를 사용하여 리드탭용 필름을 제조한 뒤, 이로부터 시험용 리드탭을 제조하였고, 하기 실험예에서 접착강도 시험, 침투 시험, 합선 시험 및 외관 시험을 수행하였고, 그 결과, 본 발명에 따른 리드탭용 필름은 리드탭 금속과의 접착 강도가 우수하고, 전해액 침투가 일어나지 않으며, 합선이 방지되어 유용한 효과가 있는 것으로 확인되었다(하기 실험예 참조).
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명하였다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
<
실시예
> 시험용 리드탭 제조
펠릿(pellet)형의 산변성 폴리프로필렌(융점 140℃ MFR6)를 다양한 방법으로 제작 분급된 절연성 입자(아크릴고분자, 유리비드 또는 실리카)를 소정의 비율로 드라이 혼합하여 2축 압출기를 사용한 캐스팅 방식으로 두께 100 μm의 필름으로 제조하였다. 이때, 압출 온도는 200℃, 다이 온도는 220℃로 하였고, 전술된 과정으로부터 제조된 필름을 50 mm × 10 mm의 규격으로 절단하고, 40 mm 폭에 슬릿 가공된 두께 0.3 mm의 알루미늄판(A1050)을 길이 30 mm로 잘른 알루미늄판의 양면에 상기 필름을 위치시키고, 140℃에서 30초 동안 가열 가압하여 시험용 리드탭을 제조하였다. 여기서, 가열 가압 장치의 실린더 헤드와 필름 사이에 두께 0.2 mm의 실리콘 시트를 완충제로 사용하였다. 또한, 상기 제조과정에서 사용된 알루미늄 판의 슬릿 가공에 의한 발리 높이는 측정 결과, 18 μm이었다.
| 입자 종류 | 입자 지름(μm) | CV 값(%) | 입자 배합량(중량%) | |
| 실시예 1 | 아크릴 고분자 | 12 | 7 | 1 |
| 실시예 2 | 아크릴 고분자 | 40 | 7 | 0.5 |
| 실시예 3 | 아크릴 고분자 | 40 | 7 | 5 |
| 실시예 4 | 아크릴 고분자 | 30 | 15 | 1 |
| 실시예 5 | 유리비드 | 41 | 5 | 3 |
| 실시예 6 | 실리카 | 25 | 10 | 3 |
| 실시예 7 | 실리카 | 25 | 20 | 3 |
<
비교예
> 시험용 리드탭 제조
비교를 위해, 비교예 1로 상기 절연성 입자를 포함하지 않는 필름을 제조하였고, 비교예 2로 절연성 입자를 대신하여 유리섬유를 포함하는 필름을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 유사한 방법으로 시험용 리드탭을 제조하였다.
| 입자 종류 | 입자 지름(μm) | CV 값(%) | 입자 배합량(중량%) | |
| 비교예 1 | 없음 | - | - | - |
| 비교예 2 | 유리섬유 | 24 | - | 1 |
<
실험예
1> 접착 강도 측정
<
실험예
1-1> 제조된 상태에서의 접착 강도 측정
본 발명에 따른 리드탭용 필름의 접착 강도를 측정하기 위해, 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 2의 접착강도를 측정하기 위해, 인장 시험기를 사용하여 20 mm/min의 속도로 180° 방향으로 당겨 떼어내는 순간의 강도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
| 접착강도(N/cm) | |
| 실시예 1 | 18 |
| 실시예 2 | 18 |
| 실시예 3 | 16 |
| 실시예 4 | 18 |
| 실시예 5 | 18 |
| 실시예 6 | 16 |
| 실시예 7 | 16 |
| 비교예 1 | 18 |
| 비교예 2 | 17 |
표 3을 살펴보면, 본 발명에 따른 실시예는 16 내지 18 N/cm의 접착강도를 나타내는 것을 확인할 수 있어 접착강도가 우수한 점을 알 수 있고, 특히 실리카와 같은 무기계 절연성 입자를 포함한 리드탭보다 아크릴 고분자와 같은 유기계 절연성입자를 포함한 리드탭이 접착강도가 우수하고, 이는 절연성 입자가 포함되지 않은 리드탭 또는 유리섬유를 포함한 리드탭의 접착강도보다 우수하거나 유사하였다.
따라서, 본 발명에 따라 제조된 리드탭 밀봉용 조성물은 절연성 입자를 포함하여도 우수한 접착강도를 유지할 수 있고, 특히 아크릴 고분자와 같은 유기계 절연성 입자의 경우, 보다 우수한 접착강도를 나타낼 수 있어, 이를 포함하는 리드탭용 필름으로 사용되어 리드탭에 적용시, 리드탭 금속과 우수한 접착성을 나타내어 밀폐성이 뛰어날 뿐만 아니라, 절연성 입자를 포함함으로써 합선 등의 불량문제를 해결할 수 있는 유용한 효과가 있음을 알 수 있다.
<
실험예
1-2> 전해액 노출 상태에서의 접착 강도 측정
본 발명에 따른 리드탭용 필름의 전해액 노출시 접착 강도를 측정하기 위해, 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 파우치형 전지에 내장되었을 때와 유사하게 리드탭 및 리드탭용 필름의 용착 부분이 전지 내부의 전해액과 접촉할 경우, 에틸렌카보네이트(EC), 디에틸렌카보네이트(DEC) 및 불화리튬을 부피비 1 : 1 : 1로 혼합하여 준비하고 상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 2에서 제조한 리드탭을 침지시켜 밀폐 용기에 넣고, 85℃의 오븐에 24시간 동안 방치한 후, 접착 강도가 실용에 견디는 강도를 유지하는지 확인하였다. 측정 방법은 상기 실험예 1-1과 동일하게 인장 시험기를 사용하여 20 mm/min의 속도로 180° 방향으로 당겨 떼어내는 순간의 강도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
| 접착강도(N/cm) | |
| 실시예 1 | 14 |
| 실시예 2 | 15 |
| 실시예 3 | 14 |
| 실시예 4 | 14 |
| 실시예 5 | 14 |
| 실시예 6 | 13 |
| 실시예 7 | 12 |
| 비교예 1 | 14 |
| 비교예 2 | 10 |
표 4를 살펴보면, 본 발명에 따른 실시예는 12 내지 15 N/cm의 접착강도를 나타내는 것을 확인할 수 있어, 전해액 노출시에도 접착강도가 양호하게 유지됨을 알 수 있고, 특히 실리카와 같은 무기계 절연성 입자를 포함한 리드탭보다 아크릴 고분자와 같은 유기계 절연성입자를 포함한 리드탭이 전해액 노출시에도 보다 우수한 접착강도를 나타내고, 절연성 입자를 대신하여 유리섬유를 포함하는 비교예 2와 비교시, 전해액 노출로부터 보다 우수한 접착강도를 나타내는 것을 알 수 있다. 이는 절연성 입자를 포함하는 경우, 전해액이 노출되더라도 절연성 입자를 포함하지 않는 비교예 1과 유사하거나 우수한 접착강도가 나타나지만, 비교예 2와 같이 섬유 형태의 재료를 포함하는 경우, 전해액 침투에 의해 접착강도가 쉽게 저하되는 것으로 판단된다.
따라서, 본 발명에 따라 제조된 리드탭 밀봉용 조성물은 전해액에 노출되더라도 우수한 접착강도를 유지할 수 있고, 특히 절연성 입자를 포함하지 않는 경우, 섬유형 절연 재료를 포함한 경우와 비교하여 보다 우수한 접착강도를 나타내는 것으로 나타나, 본 발명의 리드탭 밀봉용 조성물을 포함하는 리드탭용 필름으로 사용되어 리드탭에 적용시, 밀폐성이 뛰어나고, 절연성이 우수한 효과가 있음을 알 수 있다.
<
실험예
3> 침투 시험
본 발명에 따른 리드탭용 필름의 전해액 침투 정도를 측정하기 위해, 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 붉은색 염료(NAMBANG CAN Co., LTD MEGA CHECK 침투액 # 8002)의 침투액을 준비하고, 이것을 상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 2의 리드탭의 용착 부분에 노출시킨 뒤, 24시간 동안 방치하였다. 이후, 침투액을 씻어주고, 붉은색 염료가 필름 내부로 침투하였는지 육안으로 확인하였고, 그 결과를 표 5에 나타내었다.
| 침투시험 | |
| 실시예 1 | 침투되지 않음 |
| 실시예 2 | 침투되지 않음 |
| 실시예 3 | 침투되지 않음 |
| 실시예 4 | 침투되지 않음 |
| 실시예 5 | 침투되지 않음 |
| 실시예 6 | 침투되지 않음 |
| 실시예 7 | 침투되지 않음 |
| 비교예 1 | 침투되지 않음 |
| 비교예 2 | 침투됨 |
표 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 7 및 비교예 1의 경우, 상기 붉은색 염료가 필름으로 침투하지 않았고, 섬유형 절연성 재료(유리섬유)를 사용한 경우 붉은색 염료가 침투되었음을 확인할 수 있다. 이는 상기 실험예 2의 결과와 같이 생각해보면, 비교예 2(유리섬유를 포함하는 리드탭용 필름)가 전해액과 같은 액체에 노출시, 필름내로 침투가 일어나며, 이에 취약하다는 것을 알 수 있고, 이로부터 비교예 2를 전지에 적용할 경우, 전해액 침투가 일어날 수 있고, 이로부터 고장 또는 불량이 발생하여 제품의 수명이 단축되거나 전지의 기능이 상실될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 리드탭용 필름은 절연성 입자를 포함하더라도, 전해액 침투와 같은 문제가 없고, 이를 전지에 적용하더라도 리드탭 금속 및 외장재와 충분한 접촉강도가 유지될 수 있어, 종래의 섬유형 절연성 재료를 사용한 리드탭용 필름보다 유용하게 사용될 수 있다.
<
실험예
4> 합선 시험
본 발명에 따른 리드탭용 필름이 효과적으로 리드탭 금속과 외장재 금속 사이의 합선을 방지할 수 있는지 확인하기 위해, 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 파우치 외장재를 최외측부로 나일론, 중심부로 알루미늄 호일, 최내측부로 폴리프로필렌을 배치한 것을 준비하고, 이를 100mm × 20mm의 스트립으로 절단하여, 상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 2의 리드탭용 필름의 양면을 덮도록 상기 외장재의 최내측 폴리프로필렌을 배치하고, 170℃-20초-0.2MPa의 조건으로 가열 가압하였다. 이어서, 파우치 외장재 알루미늄 호일 부분이 노출되도록 라우터를 이용하여 나일론층을 제거하고, 디지털 멀티미터를 이용하여 파우치 외장재 알루미늄과 리드탭 금속 사이에서 절연이 잘 유지되고 있는지 확인하였고, 그 결과를 표 6에 나타내었다.
이때, 합선 시험은 총 5회 수행하였고, n = 5, 결과는 "불량 수 / 5"로 표 6에 기재하였다.
| 합선시험 | |
| 실시예 1 | 2/5 |
| 실시예 2 | 0/5 |
| 실시예 3 | 0/5 |
| 실시예 4 | 0/5 |
| 실시예 5 | 0/5 |
| 실시예 6 | 0/5 |
| 실시예 7 | 0/5 |
| 비교예 1 | 4/5 |
| 비교예 2 | 0/5 |
표 6에 나타난 바와 같이, 실시예 2 내지 7 및 비교예 2의 경우, 합선이 발생되지 않았고, 비교예 1의 경우 총 5회 시험 중, 4회의 합선이 발생 되었고, 실시예 1의 경우, 총 5회의 시험중 2회의 합선이 발생 되었음을 확인할 수 있다. 이는 리드탭 금속 슬릿 공정시 발생하는 발리(burr)의 보증값이 20 μm이기 때문인데, 본 발명의 절연성 입자 지름이 20 μm 이상인 경우, 합선을 완전히 방지할 수 있으나, 입자 지름이 실시예 1(입자 지름: 12 μm)과 같이 20 μm에 미치지 못할 경우, 합선 방지에 어려움이 있음을 나타내고, 특히, 비교예 1과 같이 리드탭용 필름에 필름 형성용 수지 외에 절연성 재료를 포함하지 않을 경우, 합선 방지가 거의 불가능함을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 따른 리드탭용 필름은 바람직하게 20 μm 이상의 입자 지름을 가지는 절연성 입자를 포함하여, 리드탭 금속과 외장재 금속과의 합선을 방지할 수 있어, 이를 포함하는 파우치형 리튬이온 2차 전지로 제조시 유용한 효과가 있다.
<
실험예
5> 외관 시험
본 발명에 따른 리드탭용 필름의 융착 공정시, 가열 가압으로 인한 절연성 입자에 압흔이 남았는지 확인하였고, 그 결과를 표 7에 나타내었다.
이때, 압흔이 있는 경우, 파우치 외장재를 파괴할 수 있기 때문에 바람직하지 않은 것으로 생각할 수 있다.
| 외관시험 | |
| 실시예 1 | 압흔 없음 |
| 실시예 2 | 압흔 없음 |
| 실시예 3 | 압흔 없음 |
| 실시예 4 | 압흔 없음 |
| 실시예 5 | 압흔 없음 |
| 실시예 6 | 압흔 없음 |
| 실시예 7 | 약간의 압흔 |
| 비교예 1 | 압흔 없음 |
| 비교예 2 | 압흔 없음 |
표 7에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 2는 압흔이 나타나지 않았으나, 실시예 7의 경우 약간의 압흔이 남아있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 실시예 7의 경우, CV 값이 20%에 해당하여 평균 지름보다 큰 절연성 입자가 상대적으로 더 강한 압력을 받음으로써 나타난 압흔인 것으로 생각할 수 있다.
따라서, CV 값이 20%를 초과할 경우 가압에 의하여 절연성 입자가 외장재에 손상을 입힐 수 있고, 심한 경우, 외장재를 돌파하여 문제가 될 수 있음을 확인할 수 있었다.
10: 파우치형 리튬이온 전지의 외관
11: 리드탭용 필름
12: 리드탭 금속
21: 접착성을 부여한 열 가소성 수지
22: 절연성 입자
23: 열 가소성 수지
24: 접착성을 부여한 열 가소성 수지
30: 본 발명의 리드탭용 필름 용착부의 단면 모식도
40: 본 발명의 리드탭을 이용하여 제작된 파우치형 전지의 리드탭 필름 부분 단면 모식도
41: 파우치형 리튬이온 2차 전지 외장재
42: 외장재의 최외측 수지
43: 외장재의 중간 금속층
44: 외장재의 최내측 수지
Z: 리드탭 금속의 발리 모식도
11: 리드탭용 필름
12: 리드탭 금속
21: 접착성을 부여한 열 가소성 수지
22: 절연성 입자
23: 열 가소성 수지
24: 접착성을 부여한 열 가소성 수지
30: 본 발명의 리드탭용 필름 용착부의 단면 모식도
40: 본 발명의 리드탭을 이용하여 제작된 파우치형 전지의 리드탭 필름 부분 단면 모식도
41: 파우치형 리튬이온 2차 전지 외장재
42: 외장재의 최외측 수지
43: 외장재의 중간 금속층
44: 외장재의 최내측 수지
Z: 리드탭 금속의 발리 모식도
Claims (13)
- 열 가소성 수지; 및
20 μm 이상의 평균 지름을 갖는 절연성 입자;를 포함하는 리드탭 밀봉용 조성물이되,
상기 절연성 입자의 평균 지름의 CV(변동 계수) 값은 20% 미만이고,
상기 절연성 입자는 아크릴계 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 리드탭 밀봉용 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 리드탭 밀봉용 조성물은, 열 가소성 수지를 매트릭스로 하여 절연성 입자가 분산되어 있는 형상을 특징으로 하는 리드탭 밀봉용 조성물.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 절연성 입자는 전체 리드탭 밀봉용 조성물에 대하여 0.1-10 중량%인 것을 특징으로 하는 리드탭 밀봉용 조성물.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 절연성 입자는 융점이 180℃ 이상이거나, 융점이 없는 것을 특징으로 하는 리드탭 밀봉용 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 절연성 입자는 20% 이상의 압축 변형이 가능한 것을 특징으로 하는 리드탭 밀봉용 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 열 가소성 수지는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리부틸렌나프탈레이트(PBN), 나일론 수지, 폴리에스테르 수지, 페녹시 수지, 폴리아미드 수지, 에폭시 수지, 아세탈 수지, 불소계 수지 및 폴리이미드(PI)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리드탭 밀봉용 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 열 가소성 수지는 할로젠, 말레인산, 무수말레인산, 푸마르산, 말레이미드, 무수말레이미드, 이타콘산, 무수이타콘산 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 극성 작용기가 도입된 것을 특징으로 하는 리드탭 밀봉용 조성물.
- 제1항의 리드탭 밀봉용 조성물을 포함하는 리드탭용 필름.
- 삭제
- 제10항의 리드탭용 필름을 포함하는 리튬이온 2차 전지.
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170039177A KR101919375B1 (ko) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 리드탭 밀봉용 조성물 및 이를 포함하는 리튬이온 전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170039177A KR101919375B1 (ko) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 리드탭 밀봉용 조성물 및 이를 포함하는 리튬이온 전지 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180109434A KR20180109434A (ko) | 2018-10-08 |
| KR101919375B1 true KR101919375B1 (ko) | 2018-11-19 |
Family
ID=63864450
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170039177A KR101919375B1 (ko) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 리드탭 밀봉용 조성물 및 이를 포함하는 리튬이온 전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101919375B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4730038B2 (ja) | 2005-09-28 | 2011-07-20 | 大日本印刷株式会社 | リチウムイオン電池タブ及びその製造方法並びにそれを用いたリチウムイオン電池 |
| KR101240568B1 (ko) | 2011-09-09 | 2013-03-11 | 신흥에스이씨주식회사 | 고내열 절연필름 및 그 제조방법 |
| KR101268490B1 (ko) | 2011-05-02 | 2013-06-04 | 주식회사 엘엔피 | 밀봉 부재 및 그 제조 방법 |
-
2017
- 2017-03-28 KR KR1020170039177A patent/KR101919375B1/ko active IP Right Grant
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| KR20180109434A (ko) | 2018-10-08 |
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