KR102067004B1 - 열수축된 분리막을 포함하는 전지셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀에 있어서, 상기 전극조립체에서 분리막은 전극의 외주 단부로부터 외향 돌출된 분리막 잉여부를 포함하고 있고, 상기 전극조립체의 외주면들 중, 전극단자들이 위치하는 외주면을 제외한 나머지 외주면들 중의 적어도 하나의 외주면에서, 분리막 잉여부는 열수축에 의해 전극의 외주 단부에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀에 관한 것이다.

Description

열수축된 분리막을 포함하는 전지셀 {Battery Cell Including Separator Being Thermal Shrunk}

본 발명은 열수축된 분리막을 포함하는 전지셀에 관한 것이다.

IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 ‘유비쿼터스 사회’로 발전되고 있다.

이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.

상기와 같이, 리튬 이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 리튬 이차전지는, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.

상기한 리튬 이차전지는, 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 양극(11), 음극(12) 및 양극과 음극 사이에 분리막(13)을 개재하여 적층한 구조의 전극조립체(14)를 전지케이스(15)의 수납부(16)에 내장하고, 전지케이스(15)를 밀봉하는 구조로 이루어져 있다.

분리막(13)은 전극들(11, 12) 사이의 절연을 위해, 전극들(11, 12) 보다 상대적으로 큰 크기로 이루어져 있다. 이로 인해, 전극조립체(14)가 수납부(16)에 내장된 상태에서, 수납부(16)의 일측 내벽(17)과 음극(12)의 우측 단부 사이에는 이격 공간이 형성된다.

이 같은 공간은, 전해액 주입 후 전지의 충방전 과정에서 발생하는 전지케이스 내의 가스를 제거하는 공정에서 상기 공간이 오목하게 파임으로써 전지케이스의 외관이 손상되는 문제를 발생시킨다.

또한, 수납부의 내벽과 음극 사이에 이격 공간이 크면 클수록, 전지케이스에 내장할 수 있는 전극조립체의 용량이 줄어드는 문제가 있다.

따라서, 상기의 문제점을 해결할 수 있는 전지케이스 실링 장치가 매우 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은, 파우치형 전지셀의 전지케이스와 이에 내장되는 전극조립체 간의 이격 공간을 줄임으로써, 전지케이스 내의 가스를 제거하는 공정에서 전지케이스의 일측이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 내장되는 전극조립체의 용량을 증가시킬 수 있는 전지셀을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 전지셀은,

양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀에 있어서,

상기 전극조립체에서 분리막은 전극의 외주 단부로부터 외향 돌출된 분리막 잉여부를 포함하고 있을 수 있고,

상기 전극조립체의 외주면들 중, 전극단자들이 위치하는 외주면을 제외한 나머지 외주면들 중의 적어도 하나의 외주면에서, 분리막 잉여부는 열수축에 의해 전극의 외주 단부에 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극조립체의 적어도 하나의 외주면에서 분리막 잉여부가 열수축에 의해 전극의 외주 단부에 밀착되어 있음으로써, 전지케이스와 전지케이스에 내장되는 전극조립체 간의 이격 공간을 줄일 수 있고, 그에 따라 전지케이스 내의 가스를 제거하는 공정에서 전지케이스의 일측이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 내장되는 전극조립체의 용량을 증가시킬 수 있다.

상기 전지케이스는, 외층, 물질 차단성의 금속층, 및 열용융성의 수지 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있을 수 있다.

상기 외층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장 강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외층은 나일론 및/또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함하고 있을 수 있다.

상기 차단성 금속층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 알루미늄이 사용될 수 있다.

상기 수지 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리프로필렌(PP)을 포함하고 있을 수 있다.

상기 전지케이스는, 전극조립체 수납부가 형성되어 있는 라미네이트 시트의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 일측으로부터 절곡된 상태로 연장되어 전극조립체 수납부를 덮는 커버로 이루어져 있을 수 있다.

또한, 상기 전지케이스는, 전극조립체 수납부가 형성되어 있는 라미네이트 시트의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체와 분리되어 있는 상태로 전극조립체 수납부를 덮는 커버로 이루어져 있을 수 있다.

상기 전극조립체에서 음극은 양극보다 상대적으로 크고, 분리막은 음극의 외주 단부로부터 외향 연장되어 있을 수 있다.

상기 분리막 잉여부는 1.6 mm 내지 4 mm의 길이를 가지고 있을 수 있고, 열수축에 의해 상기 분리막 잉여부 전체 길이의 30% 내지 80%가 줄어드는 구조로 이루어져 있을 수 있다.

상기 분리막 잉여부의 길이가 1.6 mm 미만일 경우에는, 분리막에 의해 양극 및 음극의 절연을 충분히 달성할 수 없고, 분리막 잉여부의 길이가 4 mm를 초과하는 경우에는, 분리막이 차지하는 공간이 불필요하게 확대되어 전극이 내장될 수 있는 공간이 줄어들 수 있다.

상기 분리막 잉여부는 열수축에 의해 상기 분리막 잉여부 전체 길이의 30% 내지 80%가 줄어들 수 있으며, 구체적으로 바람직하게 상기 열수축된 분리막 잉여부는 0.6 mm 내지 1.3 mm의 길이를 가질 수 있다.

상기 분리막 잉여부의 길이가 0.6 mm 미만일 경우에는, 분리막에 의해 양극 및 음극의 절연을 충분히 달성할 수 없고, 분리막 잉여부의 길이가 1.3 mm를 초과하는 경우에는, 전극이 내장될 수 있는 공간이 줄어들 수 있다.

상기 열수축은 상기 분리막 잉여부의 열수축 과정에서 분리막이 손상되지 않도록 분리막의 유리전이온도와 융점 사이의 온도 범위에서 수행될 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 전극조립체의 전극단자들은 제 1 외주면에 형성되어 있을 수 있고, 상기 제 1 외주면에 대향하는 제 2 외주면에는 분리막 잉여부가 열수축에 의해 전극의 외주 단부에 밀착되어 있을 수 있다.

상기 열수축된 분리막 잉여부는 대면하는 전지케이스의 내면에 밀착되어 있을 수 있다.

구체적으로, 상기 전지케이스는 케이스 본체와 커버를 포함하고 있을 수 있고, 상기 열수축된 분리막 잉여부는 전지케이스의 커버 절곡 부위에 대응하는 케이스 본체의 일측 내측면에 밀착되어 있을 수 있다.

본 발명은 또한 상기 전지셀을 제조하는 방법으로서,

(a) 양극과 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체를 준비하는 과정;

(b) 전극조립체의 외주면들 중, 전극단자들이 위치하는 외주면을 제외한 나머지 외주면들 중의 적어도 하나의 외주면에서, 분리막 잉여부를 가열하여 열수축시키는 과정;

(c) 전극조립체를 전지케이스에 장착하고 전해액을 주입하는 과정;

(d) 충방전에 의해 전지셀을 활성화시킨 후 가스를 배출하는 과정; 및

(e) 전지케이스를 밀봉하는 과정;

을 포함하는 전지셀 제조 방법을 제공한다.

하나의 실시예에서, 상기 과정(b)는 분리막 가열 장치에 의해 분리막 잉여부를 열수축시키는 과정일 수 있다.

구체적으로, 상기 분리막 가열 장치는, 판상형으로 이루어져 있고 상기 전극조립체의 적층 방향의 수직방향에서 상기 분리막 잉여부에 접촉하는 가열부와, 상기 가열부의 상기 분리막 잉여부에 대향하는 타면에 연결되어 있는 이동부를 포함하는 구조일 수 있다.

상기 이동부는, 상기 분리막 잉여부가 상기 가열부에 의해 수축되는 길이에 비례하여, 상기 가열부를 상기 전극조립체 방향으로 이동시켜 상기 가열부와 상기 분리막 잉여부 사이의 이격 거리 또는 밀착 상태를 유지시키는 구조로 이루어져 있을 수 있다.

상기 과정(b)에서 분리막 잉여부의 길이는 상기 분리막 잉여부 전체 길이의 30% 내지 80%가 줄어들 수 있다. 상기 분리막 잉여부의 길이가 30% 미만으로 줄어드는 경우에는, 전극조립체와 전지케이스 내면 사이의 공간을 충분히 확보하지 못하여, 소망하는 정도의 전극조립체의 용량 증가를 기대할 수 없고, 분리막 잉여부의 길이가 80%를 초과하여 줄어드는 경우에는, 분리막에 의해 양극 및 음극의 절연을 충분히 달성할 수 없다.

상기 과정(b)에서 분리막 잉여부는 섭씨 100도 내지 125도로 가열되어 수축될 수 있다. 이는 상기 분리막 잉여부의 열수축 과정에서 분리막이 손상되지 않도록 분리막의 유리전이온도와 융점 사이의 온도 범위에서 열수축이 수행되는 것이다.

본 발명은 또한 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩을 제공한다.

본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.

상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것일 수 있다.

상기한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극조립체의 적어도 하나의 외주면에서 분리막 잉여부가 열수축에 의해 전극의 외주 단부에 밀착되어 있음으로써, 전지케이스와 전지케이스에 내장되는 전극조립체 간의 이격 공간을 줄일 수 있고, 그에 따라 전지케이스 내의 가스를 제거하는 공정에서 전지케이스의 일측이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 내장되는 전극조립체의 용량을 증가시킬 수 있다.

도 1은 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 수직 단면도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도이다;
도 3은 도 2의 전지셀의 제조 과정에 대한 모식도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 수직 단면도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 전지셀(100)은 양극(111), 음극(112) 및 양극과 음극 사이에 분리막(113)이 개재되는 구조의 전극조립체(110)가 전지케이스(120)에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.

음극(112)은 양극(111)보다 상대적으로 크고, 분리막(113)은 제 2 외주면(117)에 음극(112)의 외주단부로부터 외향 연장되어 분리막 잉여부(118)를 형성한다.

분리막 잉여부(118)는 전극(111, 112)의 우측 외주 단부에 인접하여 밀착되어 있다.

전극조립체(110)의 전극단자들(114, 115)은 제 1 외주면(116)에 형성되어 있다.

전지케이스(120)는 수납부(122)가 형성되어 있는 라미네이트 시트의 케이스 본체(121)와, 케이스 본체(121)의 일측으로부터 절곡된 상태로 연장되어 전극조립체 수납부(122)를 덮는 커버(123)로 이루어져 있다.

분리막 잉여부(118)는 열수축되어 1mm 의 길이(L)로 이루어져 있다. 이는 종래의 분리막 잉여부가 통상적으로 2mm 의 길이로 이루어져 있는 것에서, 열수축에 의해 50%의 길이로 줄어든 것이다.

전극조립체(110)가 전지케이스(120)의 수납부(122)에 내장된 상태에서, 분리막 잉여부(118)는 전지케이스(120)의 수납부(122)의 내측면에 밀착되어 있다.

따라서, 전극조립체의 분리막 잉여부가 열수축에 의해 전극의 외주 단부에 밀착되어 있고, 전지케이스에 내장된 상태에서 수납부의 내측면에 밀착되어 있음으로써, 전지케이스와 전극조립체 간의 이격 공간을 줄일 수 있고, 그에 따라 전지케이스 내의 가스를 제거하는 공정에서 전지케이스의 일측이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 내장되는 전극조립체의 용량을 증가시킬 수 있다.

도 3에는 도 2의 전지셀의 제조 과정에 대한 모식도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 과정 (a)에서는 양극(111)과 음극(112) 및 분리막(113)을 포함하는 전극조립체(110)를 준비한다.

과정 (b)에서는 전극조립체(110)의 외주면 중 전극단자들(114, 115)이 위치하는 제 1 외주면(116)을 제외하고 제 1 외주면(116)에 대향하는 제 2 외주면(117)에서 분리막 잉여부(118)를 가열하여 열수축시킨다.

분리막 잉여부(118)는 분리막 가열 장치(200)에 의해 열수축 된다.

분리막 가열 장치(200)는 판상형으로 이루어져 있고 상기 전극조립체(110)의 적층 방향의 수직방향에서 상기 분리막 잉여부(118)에 접촉하는 가열부(210)와, 상기 가열부(210)의 상기 분리막 잉여부(118)에 대향하는 타면에 연결되어 있는 이동부(220)로 이루어져 있다.

이동부(220)는 상기 분리막 잉여부(118)가 상기 가열부(210)에 의해 수축되는 길이에 비례하여, 상기 가열부(210)를 상기 전극조립체(110) 방향으로 이동시켜 상기 가열부(210)와 상기 분리막 잉여부(118)를 밀착 상태로 유지시킨다.

과정 (b)에서 분리막 잉여부(118)는 섭씨 125도로 가열되어 길이가 50%의 크기로 수축된다.

과정 (c)에서 전극조립체(110)를 전지케이스(120)에 내장하고 전해액을 주입하며, 과정 (d)에서는 충방전에 의해 전지셀을 활성화 시킨 후 가스를 배출하며, 과정 (e)에서는 전지케이스(120)를 밀봉하여 전지셀(100)을 제조한다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

1. 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀에 있어서,
   상기 전극조립체에서 상기 분리막은 전극의 외주 단부로부터 외향 돌출된 분리막 잉여부를 포함하고 있고,
   상기 전극조립체의 외주면들 중, 전극단자들이 위치하는 외주면을 제외한 나머지 외주면들 중의 적어도 하나의 외주면에서, 상기 분리막 잉여부는 열수축에 의해 대면하는 전지케이스의 내면에 밀착되어 있고, 상기 분리막 잉여부는 열수축에 의해 전극의 외주 단부에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀에 있어서,
   판상형으로 이루어져 있고 상기 전극조립체의 적층 방향의 수직방향에서 상기 분리막 잉여부에 접촉하는 가열부를 상기 전극조립체 방향으로 이동함으로써 상기 분리막 잉여부를 열수축하는 점에 특징이 있는 전지셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는, 외층, 물질 차단성의 금속층, 및 열용융성의 수지 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지케이스는, 전극조립체 수납부가 형성되어 있는 라미네이트 시트의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 일측으로부터 절곡된 상태로 연장되어 상기 전극조립체 수납부를 덮는 커버로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체에서 상기 음극은 상기 양극보다 상대적으로 크고, 상기 분리막은 상기 음극의 외주 단부로부터 외향 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막 잉여부는 1.6 mm 내지 4 mm의 길이를 가지고 있고, 열수축에 의해 상기 분리막 잉여부 전체 길이의 30% 내지 80%가 줄어드는 것을 특징으로 하는 전지셀.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 열수축된 분리막 잉여부는 0.6 mm 내지 1.3 mm의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 전지셀.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 열수축은 상기 분리막의 유리전이온도와 융점 사이의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 전극단자들은 제 1 외주면에 형성되어 있고, 상기 제 1 외주면에 대향하는 제 2 외주면의 상기 분리막 잉여부가 열수축에 의해 전극의 외주 단부에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 케이스 본체와 커버를 포함하고 있고, 상기 열수축된 분리막 잉여부는 상기 전지케이스의 커버 절곡 부위에 대응하는 케이스 본체의 일측 내측면에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
11. 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (a) 양극과 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체를 준비하는 과정;
    (b) 상기 전극조립체의 외주면들 중, 전극단자들이 위치하는 외주면을 제외한 나머지 외주면들 중의 적어도 하나의 외주면에서, 상기 전극 조립체에서 전극의 외주 단부로부터 외향 돌출된 분리막 부분인 분리막 잉여부를 가열하여 열수축시키는 과정;
    (c) 상기 전극조립체를 전지케이스에 장착하고 전해액을 주입하는 과정;
    (d) 충방전에 의해 전지셀을 활성화시킨 후 가스를 배출하는 과정; 및
    (e) 상기 전지케이스를 밀봉하는 과정;
    을 포함하며,
    상기 과정(b)에서 분리막 가열 장치에 의해 상기 분리막 잉여부를 열수축시키며,
    상기 분리막 가열 장치는, 판상형으로 이루어져 있고 상기 전극조립체의 적층 방향의 수직방향에서 상기 분리막 잉여부에 접촉하는 가열부와, 상기 가열부의 상기 분리막 잉여부에 대향하는 타면에 연결되어 있는 이동부를 포함하며,
    상기 가열부를 상기 전극조립체 방향으로 이동함으로써 상기 분리막 잉여부를 열수축하는 점을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
12. 삭제
13. 삭제
14. 제 11 항에 있어서, 상기 이동부는, 상기 분리막 잉여부가 상기 가열부에 의해 수축되는 길이에 비례하여, 상기 가열부를 상기 전극조립체 방향으로 이동시켜 상기 가열부와 상기 분리막 잉여부 사이의 이격 거리 또는 밀착 상태를 유지시키는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
15. 제 11 항에 있어서, 상기 과정(b)에서 상기 분리막 잉여부 전체 길이의 30% 내지 80%가 줄어드는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
16. 제 11 항에 있어서, 상기 과정(b)에서 상기 분리막 잉여부는 섭씨 100도 내지 125도로 가열되어 수축되는 것을 특징으로 하는 전지셀 제조방법.
17. 제 1 항 내지 제 8 항, 제 10 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
18. 제 17 항에 따른 전지팩을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.

Images