KR101975988B1 - 이차전지용 파우치 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지용 파우치의 실링부에 환형 올레핀 필름이 라미네이션되어 있어, 전해액 침투 방지 효과, 전극조립체 수납면적의 확보 및 벤트 현상의 개선을 가져올 수 있는 이차전지용 파우치 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 발명이다.

Description

이차전지용 파우치 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지{Pouch for secondary battery and Pouch-typed secondary battery comprising the same}

본 발명은 이차전지용 파우치 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지에 관한 것이다.

근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다. 일반적으로 이러한 이차 전지는 외장이나 적용 형태에 따라 캔형 이차 전지와 파우치형 이차 전지로 구분될 수 있다.

도 1은 일반적인 파우치형 이차 전지의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분에 대한 확대도이다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 파우치형 이차 전지는 전극 조립체(20)와 파우치(10)를 포함한다.

여기서, 파우치(10)는 상부 파우치(T)와 하부 파우치(B)로 구성될 수 있으며, 이들에 의해 형성된 내부공간에 전극 조립체(20)를 수용한다. 또한, 파우치(10)는, 외측에서 내측 순으로, 절연층(13), 금속층(12) 및 접착층(11)의 순서를 가지는 소정의 층상 구조를 갖도록 형성된다. 따라서, 파우치(10)는, 실링부에서 상부 파우치(T)의 접착층(11)과 하부 파우치(B)의 접착층(11)이 서로 접착됨으로써 밀봉될 수 있다.

다만, 당업계에서는 이러한 파우치와 관련하여, 수납부와 같은 부분이 보다 용이하게 성형되면서 실링부의 실링 강도는 보다 향상될 필요성이 여전히 존재한다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 성형성이 우수하면서도 실링부의 실링 강도가 우수한 이차전지용 파우치 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지를 제공하고자 한다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 양태에 따르면 파우치의 실링부에 환형 올레핀 필름이 라미네이션(lamination)되어 있는 이차전지용 파우치가 제공된다.

상기 파우치는 상부 파우치, 하부 파우치 또는 이들 둘다일 수 있다.

상기 환형 올레핀 필름은 10 내지 40 ㎛의 두께를 가질 수 있다.

상기 환형 올레핀 필름은 수납부 가장자리로부터 2 내지 5 ㎜ 마진을 두고 라미네이션될 수 있다.

상기 환형 올레핀 필름은 수납부 주위의 전부에 라미네이션될 수 있다.

상기 환형 올레핀 필름은 수납부 주위의 일부에 라미네이션될 수 있다.

상기 환형 올레핀 필름은 5 내지 10 ㎜의 폭을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 전술한 이차전지용 파우치; 및 상기 이차전지용 파우치의 수납부에 수납되어 있는 전극조립체를 포함하는 파우치형 이차전지가 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술한 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리 팩이 제공된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 수납부의 성형이 용이하게 이루어지면서도 실링부의 실링 강도가 우수한 이차전지용 파우치가 제공된다.

보다 구체적으로, 실링부에만 라미네이션되는 박막의 환형 올레핀 필름으로 인해 수납부의 성형 가공성이 저하되지 않으면서도, 파우치 접착층 구성성분이 실링부 외측으로 밀려나오는 현상이 발생하지 않게 되고, 따라서, 상기 구성성분이 고화 및 전해액에 의한 팽윤 과정을 거치면서 실링부에 micropath가 발생하는 현상도 발생하지 않게 된다. 그 결과, 보다 우수한 전해액 침투 방지 효과를 갖는 파우치형 이차전지가 수득된다.

또한, 실링부의 실링 강도가 향상되므로, 중대형 전지에서 파우치형 이차전지가 사용될 때의 문제점으로 지적되어온 벤트(vent) 문제점이 해결될 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차 전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시양태에 따른 파우치형 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시양태에 따른 이차전지용 파우치를 위에서 본 도면이다.
도 5a는 일반적인 파우치형 이차전지의 실링부 단면의 광학 현미경 이미지이다.
도 5b는 실링부에 환형 올레핀 필름이 라미네이션된 파우치형 이차전지의 실링부 단면의 광학현미경 이미지이다.

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 아니되며, 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 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는, 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(200) 및 파우치(100)를 포함한다. 상기 전극 조립체(200)는, 양극판과 음극판이 서로 대향하도록 배치된 형태로 구성되며, 이러한 양극판과 음극판 사이에는 세퍼레이터가 개재될 수 있다. 이러한 전극 조립체(200)는, 다수의 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 상태로 형성되거나, 하나의 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 권취된 상태로 형성될 수 있다.

전극 조립체(200)의 전극판들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있으나, 이러한 제조방법에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 각각의 전극판들에는 활물질이 존재하지 않는 무지부가 있을 수 있고, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 탭이 형성될 수 있다. 이러한 전극 탭, 즉 양극 탭(210)과 음극 탭(220)은 각각 양극판과 음극판에 하나 또는 그 이상이 형성될 수 있다. 이러한 양극 탭(210) 또는 음극 탭(220)은 양극판 또는 음극판에 부착되는 형태로 돌출되게 형성될 수 있으며, 각각 양극 집전체 또는 음극 집전체와 동일 재질로 구성될 수 있다.

상기 파우치(100)는 오목한 형태의 내부 공간, 즉, 수납부(R)를 구비하며, 이러한 내부 공간에 전극 조립체(200) 및 전해액을 수납할 수 있다. 또한, 파우치(100)는, 전극 조립체(200)의 삽입을 용이하게 하기 위해, 상부 파우치(T)와 하부 파우치(B)로 구성될 수 있다. 이때, 파우치(100)는, 상부 파우치(T)와 하부 파우치(B)에 전극 조립체(200)를 수납하기 위한 오목한 형태의 공간이 모두 형성되도록 할 수 있으나, 상부 파우치(T)나 하부 파우치(B) 중 어느 하나에만 오목한 형태의 공간이 형성되도록 할 수도 있다.

이러한 상부 파우치(T)와 하부 파우치(B)는 수납부(R) 주위에 실링부(S)를 구비하고, 이러한 실링부(S)가 서로 접착됨으로써 수납부(R)가 밀봉되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상부 파우치(T)의 실링부, 하부 파우치(B)의 실링부 또는 이들 둘다에 환형 올레핀 필름이 라미네이트된다.

환형 올레핀 필름은 모듈러스(modulus)가 커서 연신율이 낮은 특성을 갖는다. 따라서, 환형 올레핀 필름이 파우치 수납부로 형성될 외장재 시트 부분에 포함되면, 수납부 성형 가공시에 가공성이 저하되는 문제점이 발생한다.

한편, 환형 올레핀 필름은 전해액에 의한 젖음성(wettability)을 갖지 않고, 따라서, 팽윤성이 낮은 특성을 갖는다. 또한, 폴리프로필렌과 같은 수지에 비해 낮은 융점을 가져서 파우치 실링시에 보다 낮은 온도에서 라미네이션에 의해 폴리프로필렌 수지와 접합될 수 있는 특성을 갖는다. 이러한 환형 올레핀 필름이 실링부(S)에 라미네이션되면, 실링부의 실링 강도가 향상되어 전해액 침투가 잘 억제될 수 있다.

또한, 환형 올레핀 필름이 파우치 실링부에 라미네이션되면, 환형 올레핀 필름이 보다 저온에서 먼저 실링되기 때문에, 폴리프로필렌과 같은 접착층 구성성분이 실링 과정에서 용융되어 실링부 외측으로 밀려나오는 것을 막아줄 수 있다. 이를 위해, 환형 올레핀 필름은 10 내지 40 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 환형 올레핀 필름은 수납부 가장자리와 환형 올레핀 필름 사이에 2 내지 5 ㎜의 마진(margin)이 있도록 라미네이션되는 것이 바람직하다. 이러한 마진이 설계되지 않은 경우, 폴리프로필렌이 실링부 내측, 즉, 수납부쪽을 향해 말린(rolled-up) 상태로 존재하게 되어, 전극조립체를 위한 면적이 줄어들게 된다(도 5a 참조). 그러나, 상기 마진이 설계된 경우에는 폴리프로필렌은 환형 올레핀 필름이 라미네이션된 위치까지, 즉, 마진 영역에 분포될 수 있게 되어, 수납부쪽을 향해 말리는 현상이 발생하지 않게 되어 균일한 계면이 형성될 수 있다(도 5b 참조). 또한, 전극조립체를 위한 면적 감소 현상도 발생하지 않게 된다.

또한, 실링은 실링부 전체에 형성될 수 있으나, 본 발명이 이루고자 하는 효과를 달성하기 위해서는 환형 올레핀 필름에 해당하는 부분에만 실링이 형성될 수 있고, 더욱 바람직하게는 환형 올레핀 필름의 일부에만, 즉, 환형 올레핀 필름의 측면 단부 각각으로부터 약 1 ㎜ 안쪽으로 들어간 부분에만 실링이 형성될 수 있다.

상기 환형 올레핀 필름은 5 내지 10 ㎜의 폭을 가질 수 있다.

또한, 환형 올레핀 필름은 수납부 주위의 전부에 라미네이션되거나 혹은 일정 부분에서의 벤트(vent)를 의도하는 경우에는 벤트가 발생할 부분을 제외한 일부에 라미네이션될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 환형 올레핀 필름은 여러가지 환형 모노머(5-, 7-, 8-원 고리의 환형 알켄)의 개환 복분해 중합반응(ring-opening metathesis polymerization)으로 수소첨가(hydrogenation)하여 만들어진 싱글 타입의 monomer로 제조된 필름일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 환형 모노머로는 ARTON (Japan Synthetic Rubber), Zeonex (Zeon Chemical), Zeonor (Zeon Chemical)와 같은 환형 모노머를 들 수 있다. 상기 중합반응법으로 제작된 환형 올레핀 필름은 수분 barrier 특성 측면에서 더욱 우수하다.

본 발명의 일 양태에 따른 파우치(100)는, 내부에 수납된 전극 조립체(200)와 전해액을 밀봉하고, 외부로부터 이들을 보호하기 위해, 금속층, 외부 절연층 및 내부 접착층을 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 금속층은, 파우치의 기계적 강도를 확보하고, 이차 전지 외부의 가스와 수분 등이 이차전지 내부로 유입되는 것을 방지한다. 여기서, 금속층은 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 알루미늄의 경우, 소정 수준 이상의 기계적 강도를 확보할 수 있으면서도 무게가 가볍고 전극 조립체와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하는데 유리하다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 금속층 재질로 한정되는 것은 아니며, 알루미늄 이외에도 다양한 재질이 본 발명의 금속층으로 이용될 수 있다.

상기 외부 절연층은, 전기적 절연성을 갖는 재질로 구성되어, 금속층의 외측에 형성된다. 여기서, 외측이란, 금속층을 기준으로, 전극 조립체가 위치하는 방향이 아닌 그 반대 방향, 다시 말해 이차 전지의 바깥쪽 방향에 위치하는 부분을 의미한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 상부 파우치(T)를 기준으로 할 때, 금속층의 외측이란 금속층의 상부 측을 의미한다. 반대로, 도 2에 도시된 하부 파우치(B)를 기준으로 할 때에는, 금속층의 외측은 금속층의 하부 측을 의미한다고 할 수 있다. 상기 외부 절연층은, 금속층보다 이차 전지의 외측에 구비되어, 외부로부터 전지를 보호하는 한편, 전극 조립체와 금속층이 외부와 전기적으로 절연될 수 있도록 한다.

이를 위해, 상기 외부 절연층은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 외부 절연층(130)은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및/또는 연신 나일론(Oriented Nylon)을 포함하는 재질로 구성될 수 있다. 또한, 상기 외부 절연층(130)은, 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 갖거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수 있다.

상기 내부 접착층은, 접착성을 갖는 재질로 구성되어, 금속층의 내측에 형성된다. 여기서, 내측이란, 앞서 설명된 외측과는 반대의 의미를 갖는 것으로서, 금속층을 기준으로, 전극 조립체가 위치하는 방향, 다시 말해 이차 전지의 안쪽에 위치하는 부분을 의미한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같은 상부 파우치(T)를 기준으로 할 때에는, 금속층의 내측이란 금속층의 하부 측을 의미한다. 한편, 이와 같은 외측과 내측의 의미는, 이하에서도 마찬가지로 적용될 수 있다.

상기 내부 접착층은, 금속층과 전극 조립체, 또는 금속층과 전해액 또는 금속층과 전극 조립체가 전기적으로 절연될 수 있도록 전기적 절연성을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 뿐만 아니라, 내부 접착층은, 실링부에서 밀봉성을 제공하기 위해, 열 및/또는 압력을 인가받아 상호 열융착됨으로써 접착될 수 있다. 즉, 상부 파우치(T)와 하부 파우치(B)는, 실링부에서 서로 접착되어 파우치가 밀봉될 수 있기 때문에, 상부 파우치(T)의 최내측에 위치한 내부 접착층과 하부 파우치(B)의 최내측에 위치한 내부 접착층이, 서로 접착되게 된다.

이처럼, 내부 접착층은, 접착성과 전기적 절연성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 이를 위해, 내부 접착층은, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.

특히, 내부 접착층은, 무연신 폴리프로필렌(CPP; Casted Polypropylene)을 포함하는 재질로 구성될 수 있다. 또한, 내부 접착층은, 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 갖거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수 있다.

예를 들어, 내부 접착층은, 무연신 폴리프로필렌 재질로 이루어진 최내층 및 PPA(Polypropylene-co-acrylic acid)와 같은 산변성 폴리프로필렌 재질로 이루어진 접착층을 포함함으로써, 최내층을 통해 상부 파우치(T)와 하부 파우치(B)가 융착되도록 하는 한편, 접착층을 통해 최내층과 금속층의 접착성이 보완되도록 할 수 있다.

본 발명의 파우치에 수납되는 전극 조립체는 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 조립체는 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 전지는 이에 한정하는 것은 아니나, 예를 들어, 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지일 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 방법에 의해 얻어진 파우치형 이차 전지는 단독으로 사용될 수도 있고, 2 이상의 파우치형 이차 전지를 포함하는 전지팩의 형태로 사용될 수도 있다.

이러한 본 발명의 파우치형 이차 전지 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.

Claims (9)

1. 이차전지용 파우치에 있어서,
   상기 파우치는 금속층, 외부 절연층 및 내부 접착층을 포함하고,
   상기 내부 접착층은 무연신 폴리프로필렌으로 형성된 것이며,
   상기 파우치는 상부 파우치와 하부 파우치를 포함하고, 상기 상부 파우치와 하부 파우치 각각은 전극조립체를 수용하는 수납부 주위에 실링부를 구비하고,
   상기 상부 파우치의 실링부에만, 하부 파우치의 실링부에만 또는 이들 둘다에만 환형 올레핀 필름이 더 라미네이션(lamination)되어 있으며,
   상기 환형 올레핀 필름은 폴리프로필렌 수지보다 낮은 융점을 갖는 이차전지용 파우치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 환형 올레핀 필름은 5-, 7- 또는 8-원 고리의 환형 알켄의 개환 복분해 중합반응에 의해 만들어진 필름인 이차전지용 파우치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 환형 올레핀 필름은 10 내지 40 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 환형 올레핀 필름은 수납부 가장자리로부터 2 내지 5 ㎜ 마진을 두고 라미네이션되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 환형 올레핀 필름이 수납부 주위의 전부에 라미네이션되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 환형 올레핀 필름이 수납부 주위의 일부에 라미네이션되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 환형 올레핀 필름이 5 내지 10 ㎜의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 파우치.
   
8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 기재된 이차전지용 파우치; 및 상기 이차전지용 파우치의 수납부에 수납되어 있는 전극조립체를 포함하는 파우치형 이차전지.
   
9. 제8항에 기재된 파우치형 이차전지를 포함하는 배터리 팩.
   

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