KR102069513B1 - 파열 예정부를 포함하는 이차전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서,
외부 충격이 전지셀에 인가되어 전극조립체가 양분될 때, 양분된 전극조립체의 분리체들이 전지케이스를 파열시키면서 외부로 밀려나올 수 있도록, 제 1 분리체가 부분적으로 밀려나오는 제 1 파열 예정부와 제 2 분리체가 부분적으로 밀려나오는 제 2 파열 예정부가 전지케이스에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

파열 예정부를 포함하는 이차전지 및 이의 제조 방법 {Secondary Battery Comprising a Planned Breaking Part and Method for Preparing the Same}

본 발명은 전지셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 외부 충격이 전지셀에 인가되어 전극조립체가 양분될 때, 양분된 전극조립체의 분리체들이 외부로 밀려나올 수 있도록, 2개의 파열 예정부들이 파우치형 전지케이스에 형성되어 있는 전지셀 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

특히, 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

이러한 리튬 이차전지는, 과충전, 과방전, 외부 충격 등 다양한 상황에 의해 발화 내지 폭발이 일어나는 등 안전성에 문제가 있으므로, 이를 예방하기 위한 안전성 시험이 수행된다.

이러한 안전성 시험에는, 연속충전 시험, 과방전/과충전 테스트, 강제방전 시험, 과전류 충전 시험, 단락 시험 등의 전기적 테스트와, 충돌 시험, 충격 시험, 낙하 시험, 진동 시험, 관통 시험, 압착 시험, 고도모의 시험 등의 기계적 테스트, 고온 및 저온 저장 시험, 온도 싸이클링 시험 등의 열안정 테스트 등이 있다.

상기 테스트들 중, 충돌 시험(impact test)은 환봉에 의해 전지가 충격을 받았을 때 전지 내부의 단락으로 인한 폭발 내지 발화를 모의하는 시험으로, 디바이스 내에 다양한 부재들이 전지에 충돌하는 경우에 대한 안전성 시험이다.

이와 같이, 리튬 이차전지에는 다양한 외부 충격이 가해질 수 있고, 이때 전극조립체에 변형이 일어나면서 내부 단락이 일어나며, 연속적인 반응에 의해 리튬 이차전지의 내부 온도가 상승하면서, 폭발 내지 발화가 일어난다.

특히, 라미네이트 시트에 전극조립체가 내장되어 형상 조절이 용이한 파우치형 이차전지의 경우, 유연한 외형을 가지고 있어 다양한 디바이스에 적용될 수 있는 이점이 있으나, 외부 충격에 취약하여, 전극조립체의 변형이 더 쉽게 일어나는 단점이 있었다.

따라서, 이러한 위험을 예방할 수 있도록, 리튬 이차전지의 안전성을 확보하는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

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

구체적으로, 본 발명의 목적은, 외부 충격이 전지셀에 인가되어, 전극조립체가 양분될 때, 양분된 제 1 분리체 및 제 2 분리체의 상호 접촉으로 내부 단락을 일으키지 않도록, 전지케이스에 제 1 분리체가 밀려나오는 제 1 파열 예정부와 제 2 분리체가 밀려나오는 제 2 파열 예정부가 형성되어 있는 전지셀을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 파우치형 전지셀 제조시 성형 지그로 라미네이트 시트를 가압하는 과정에서 상기 파열 예정부를 형성하여, 별도의 추가 과정 없이 상기 파열 예정부를 형성하는 전지셀의 제조 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은 양극, 음극, 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서,

외부 충격이 전지셀에 인가되어 전극조립체가 양분될 때, 양분된 전극조립체의 분리체들이 전지케이스를 파열시키면서 외부로 밀려나올 수 있도록, 제 1 분리체가 부분적으로 밀려나오는 제 1 파열 예정부와 제 2 분리체가 부분적으로 밀려나오는 제 2 파열 예정부가 전지케이스에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 파우치형 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 전지셀은, 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀로서, 외부 충격 인가시, 내부 단락에 의한 발화 내지 폭발을 저지하여 안전성이 향상된다.

전지의 내부 단락은 다양한 상황에서 발생할 수 있으나, 하나의 구체적인 예에서, 바(bar) 형상의 부품이 인접한 상태에서 외부 충격에 의해 발생할 수 있다.

이때, 전극조립체는 양분되어 제 1 분리체 및 제 2 분리체로 나뉘어질 수 있고, 제 1 분리체의 양극과 제 2 분리체의 음극이 접촉하면서 내부 단락이 발생하며, 순간적으로 전류가 밀집되어 발화 내지 폭발이 일어난다.

본 발명은, 이와 같이 양분된 전극조립체의 분리체들이 서로 접촉되지 않고, 외부로 밀려나올 수 있도록 전지케이스에 제 1 분리체가 부분적으로 밀려나오는 제 1 파열 예정부와, 제 2 분리체가 부분적으로 밀려나오는 제 2 파열 예정부를 포함한다.

상기 파열 예정부들의 위치는 특별히 제한하는 것은 아니나, 상기 제 1 파열 예정부와 제 2 파열 예정부는 전지셀의 중심에 대해 서로 대향하는 위치에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

즉, 파열 예정부들은 전극조립체의 각 분리체들이 쉽게 밀려나올수 있도록, 대향하는 위치에 형성되어 있을 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체가 장착되는 전지케이스 수납부는 장방형의 면들로 둘러싸인 직육면체의 형상을 가지고 있고;

상대적으로 가장 넓은 면적을 가지고 서로 반대면에 위치하는 한 쌍의 제 1 면들;

상기 제 1 면들의 장변에 인접하고 서로 반대면에 위치하는 한 쌍의 제 2 면들; 및

상기 제 1 면들의 단변에 인접하고 서로 반대면에 위치하는 한 쌍의 제 3 면들;

로 이루어져 있을 수 있다.

이때, 양극 단자 및 음극 단자는 상기 제 1 면들의 장변 또는 단변에서 함께 위치해 있거나 서로 대향하여 위치해 있을 수 있다.

또한, 본 발명의 제 1 파열 예정부 및 제 2 파열 예정부는 서로 반대면에 위치하고 있을 수 있다.

즉, 전지케이스의 수납부가 장방형의 면들로 둘러싸인 직육면체의 형상을 가지고 있는 경우, 제 1 및 제 2 파열 예정부들은, 제 1 면들 각각에, 제 2 면들 각각에, 또는 제 3 면들 각각에 형성되어 있을 수 있다.

이와 같이 반대면에 형성되어 있는 파열 예정부들에 의해, 양분된 제 1 분리체 및 제 2 분리체들은 상호 접촉 없이 외부로 밀려나올 수 있다.

구체적으로, 제 1 파열 예정부와 제 2 파열 예정부는 상기 제 3 면들에 각각 형성되어 있을 수 있다

상기 파열 예정부들이 상대적으로 면적이 넓은 제 1 면들에 각각 형성되어 있는 경우, 외부 충격에 의해 전극조립체가 양분되어도, 분리체들이 상호 접촉 없이 밀려나오도록 유도하기 어려우므로 바람직하지 않다.

따라서, 상기 파열 예정부들은, 직육면체 형상의 수납부에서 상대적으로 작은 면적을 가진 제 2 면들 또는 제 3 면들에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 전지케이스의 수납부와 대응되어 직육면체의 형상을 가지는 전극조립체는, 일반적으로 길이가 긴 변을 중심으로 분리되기 쉬우므로, 파열 예정부들은 각각 제 1 면들의 장변에 인접하고 있는 제 2 면들 보다는 제 1 면들의 단변에 인접하고 있는 제 3 면들에 형성되어, 분리체들의 상호 접촉을 저지하는 것이 바람직하다.

한편, 파열 예정부들의 형상은 외부 충격이 인가되는 경우 분리체들이 밀려나올수 있도록, 쉽게 파열되는 것이면, 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 빗살형, 방사형, 곡선형 등의 다양한 형상을 가질 수 있다.

구체적으로, 제 1 파열 예정부와 제 2 파열 예정부 각각은 복수의 선형 그루브들로 이루어진 빗살형(comb-shaped) 구조로 형성되어 있을 수 있다.

상기 빗살형 구조는 선형 그루브들이 평면상으로 평행하게 배열된 형상으로 이루어질 수도 있고, 선형 그루브들이 평면상으로 교차 배열된 형상으로 이루어질 수도 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다.

이러한 파열 예정부들의 구체적인 형상은 이후 도면을 통해 더욱 상세히 설명하도록 한다.

상기 선형 그루브들은 전지케이스의 두께를 기준으로 5% 내지 40%의 깊이로 형성되어 있을 수 있고, 상세하게는, 10% 내지 35%, 더욱 상세하게는 15% 내지 30%의 깊이로 형성되어 있을 수 있다.

선형 그루브들의 깊이가 상기 범위를 벗어나 40%를 초과하는 경우, 지나치게 작은 충격에도 파열 예정부가 파열되어, 바람직하지 않으며, 5% 미만인 경우에는 소망하는 목적을 달성하기 어려우므로 바람직하지 않다.

상기 선형 그루브들은 대면하는 전극조립체의 단부에 대해 30도 내지 90도의 각도로 형성되어 있을 수 있다.

선형 그루브들의 각도가 전극조립체의 단부에 대해 30도 미만으로 형성되어 있는 경우, 그루브들의 깊이가 깊은 경우와 마찬가지로, 지나치게 작은 충격에도 파열 예정부가 파열될 수 있다. 즉, 빗살형 파열 예정부는 어느 정도의 충격이 분산될 수 있도록, 전극조립체의 단부에 대해 소정 각도 이상을 확보하는 것이 바람직하며, 더욱 구체적으로 90도의 각도로 형성되어 있을 수 있다.

또한, 상기 제 1 파열 예정부와 제 2 파열 예정부 각각은 제 3 면 전체 면적을 기준으로 50% 내지 100%의 면적으로 형성되어 있을 수 있다.

상기 파열 예정부들의 면적이 제 3 면 전체 면적을 기준으로 50% 미만인 경우, 외부 충격에 의해 전극조립체가 양분되어도, 분리체들이 외부로 밀려나올수 있는 공간을 확보하기 어렵거나, 파열 예정부 각각이 파열되기 어려울 수 있다.

한편, 상기 전지셀의 중앙 부위에서 전지케이스에는 제 3 파열 예정부가 추가로 형성되어 있을 수 있다.

제 3 파열 예정부는 전극조립체가 양분되는 부위를 예정하여, 전지셀의 중앙 부위에 형성될 수 있으며, 제 1 및 제 2 파열 예정부들을 보조한다.

본 발명은 또한, 상기 전지셀을 제조하는 방법으로서,

(i) 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 준비하는 과정;

(ii) 전극조립체에 대응하는 형상의 전극조립체 수납부와 파열 예정부들이 형성되어 있는 전지케이스를 준비하는 과정; 및

(iii) 상기 수납부에 전극조립체를 장착하고 전해액을 주입한 후, 전극조립체 수납부를 밀폐하는 과정;

을 포함하는 제조 방법을 제공한다.

구체적으로, 상기 과정(i)은 전극조립체를 준비하는 과정으로, 이러한 전극조립체는, 예를 들어, 구조에 따라 젤리-롤형, 스택형, 및 스택/폴딩형 구조로 구분될 수 있다.

젤리-롤형(권취형) 전극조립체는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조이고, 스택형(적층형) 전극조립체는 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 구조이다.

최근에는, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 또한 사용되고 있으며, 본 발명에 따른 전지셀에는 이와 같이 다양한 구조의 전극조립체가 사용될 수 있다.

다음으로, 상기 과정(ii)은 전극조립체 수납부와 파열 예정부들이 형성되어 있는 전지케이스를 준비하는 과정이다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(ii)은 다음의 단계들을 포함할 수 있다:

(a) 전극조립체 수납부에 대응하는 형상과 파열 예정부들에 대응하는 형상이 각각 각인되어 있는 성형 몰드를 준비하는 단계;

(b) 상기 성형 몰드 상에 라미네이트 시트를 위치시키는 단계; 및

(c) 성형 지그로 라미네이트 시트를 가압하여, 전극조립체 수납부 및 파열 예정부들을 형성하는 단계.

또한, 상기 과정(ii)은 다음의 단계들을 포함할 수 있다:

(a) 전극조립체 수납부에 대응하는 형상이 각인되어 있는 성형 몰드를 준비하는 단계;

(b) 상기 성형 몰드 상에 라미네이트 시트를 위치시키는 단계; 및

(c) 파열 예정부들에 대응하는 형상이 각인되어 있는 성형 지그로 라미네이트 시트를 가압하여, 전극조립체 수납부 및 파열 예정부들을 형성하는 단계.

즉, 전지케이스에 파열 예정부는, 파열 예정부들에 대응하는 형상이 각각 각인되어 있는 성형 몰드 또는 성형 지그를 이용하여 형성될 수 있다. 파열 예정부들에 대응하는 형상이 각인되어 있는 성형 몰드 및 성형 지그를 함께 사용하여 파열 예정부들을 형성할 수 있음은 물론이다.

성형 몰드 및 성형 지그를 함께 사용하여 파열 예정부들을 형성하는 경우, 파열 예정부가 형성되는 각인 위치는 상호 대응되는 위치에 형성되어 있을 수도 있고, 대응되지 않는 위치에 형성되어 있을 수도 있다.

파열 예정부에 대응하는 형상은 양각으로 각인되어 전지케이스 표면에 그루브들을 형성할 수 있도록 하며, 성형 몰드를 이용하여 파열 예정부를 형성하는 경우, 파열 예정부는 전지케이스의 외면에 그루브들이 형성되며, 성형 지그를 이용하여 파열 예정부를 형성하는 경우, 전지케이스의 내면에 그루브들이 형성된다.

앞서 설명한 것과 같이, 파우치형 전지케이스를 형성하는 라미네이트 시트는 수지층과 금속층을 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 라미네이트 시트는 열융착이 행해지는 내부 수지층, 기계적 강성을 확보하는 중간 금속층, 및 내구성과 내화학성을 발휘하는 외부 수지층을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명의 전지케이스는 이러한 라미네이트 시트를 성형 몰드 상에 위치시키고, 성형 몰드와 대응되는 형상을 가지는 성형 지그를 가압하여 오목한 형상의 전극조립체 수납부를 형성하며, 이러한 가압 과정에서 파열 예정부들도 함께 형성된다.

이와 같이 파열 예정부들과 대응되는 형상이 각인되어 있는 성형 몰드 및 성형 지그의 구체적인 예는 이후 도면을 통해 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

마지막으로, 상기 과정(iii)에서는 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착하고 전해액을 주입한 후, 전극조립체 수납부를 밀폐한다.

이러한 밀폐 과정은 전지케이스를 이루고 있는 라미네이트 시트를 접어 올리거나, 상부케이스와 하부케이스의 외주면이 맞닿을 수 있도록 위치시킨 후, 라미네이트 시트의 내부 수지층을 열융착시킴으로써 수행된다.

본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩과, 상기 전지팩이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 디바이스를 제공한다.

상기 디바이스의 구체적인 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 외부 충격에 의해 전극조립체가 양분될 때, 양분된 전극조립체들의 분리체들이 외부로 밀려나와 상호 접촉하지 않도록 제 1 파열 예정부와 제 2 파열 예정부를 포함하는 바, 내부 단락을 방지하여 발화 내지 폭발을 방지하며, 추가 공정 없이 이러한 파열 예정부들을 형성하는 바, 저비용, 단시간으로 전지셀의 충격 시험을 통과할 수 있으며, 나아가 디바이스 내에서 파우치형 전지셀의 전반적인 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지셀을 모식적으로 나타낸 분해사시도이다;
도 2는 도 1의 파우치형 전지셀에 충격 시험을 수행하는 과정으로서, 도 1과는 다른 관점에서 바라본 사시도들이다;
도 3은 내지 도 8은 도 1의 파우치형 전지셀을 제조하는 과정의 일부로서, 제 1 파열 예정부 및 제 2 파열 예정부가 형성되어 있는 파우치형 전지케이스의 제조 과정을 모식적으로 나타낸 사시도들이다; 및
도 9는 도 3 내지 도 8에 도시되어 있는 성형 몰드 및 성형 지그의 변형예들을 모식적으로 나타낸 사시도들이다.

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 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지셀을 나타낸 분해사시도가 모식적으로 도시되어 있다,

도 1을 참조하면, 전지셀(100)은 스택/폴딩형 전극조립체(300)가 파우치형 전지케이스(200)에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다. 도 1은 스택/폴딩형 전극조립체(300)만을 도시하고 있으나, 스택형, 젤리-롤형 전극조립체 또한 사용될 수 있음은 물론이다.

구체적으로, 전지셀(100)은, 파우치형 전지케이스(200)의 내부에 양극, 음극, 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(300)가 내장되어 있고, 이로부터 연장된 전극 탭들(310, 320)을 양극 단자 및 음극 단자에 용접하고, 절연테이프(410, 420)를 붙여, 양극 단자 및 음극 단자가 파우치형 전지케이스(200)의 외부로 노출되도록 실링된 구조로 이루어져 있다.

전지케이스(200)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(300)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(230)를 포함하는 케이스 본체(210)와 그러한 본체(210)에 일측이 연결되어 있는 덮개(220)로 이루어져 있다. 덮개(220)는 공정에 따라 본체(210)와 분리되어 있기도 하고 연결되어 있기도 한다.

수납부(230)는 직육면체의 형상을 가지고 있고, 가장 넓은 면적을 가지고 서로 반대면에 위치하는 한 쌍의 제 1 면들(231), 제 1 면들(231)의 장변에 인접하고 서로 반대면에 위치하는 한 쌍의 제 2 면들(232), 및 제 1 면(231)들의 단변에 인접하고 서로 반대면에 위치하는 한 쌍의 제 3 면들(233)로 이루어져 있다.

수납부(230)의 제 3 면들(233)에는 제 1 파열 예정부(240)와 제 2 파열 예정부(250)가 형성되어 있으며, 각 파열 예정부들(240, 250)은 서로 대향하는 위치에 형성되어 있다. 구체적으로 제 1 파열 예정부(240)는 전극 단자들이 돌출되어 있는 면에 형성되어 있고, 제 2 파열 예정부(250)는 전극 단자들이 돌출되어 있지 않은 면에 형성되어 있다.

한편 제 3 파열 예정부는 제 1 면들(231) 및 제 2 면들(232)에서 제 3 면들(233)과 인접하지 않는 중앙 부위에 형성되어 있을 수 있다 (도시되지 않음).

파열 예정부들(240, 250)은 복수의 선형 그루브들이 평면상 평행하게 배열된 형상을 가지고 있으며, 상기 복수의 선형 그루브들은 전극조립체의 단부에 대해 90도의 각도로 형성되어 있다.

이러한 전지셀(100)은 충돌 시험 등에서 발화 내지 폭발이 일어나지 않아 안전성이 향상되는 효과가 있는 바, 이하에서는 도 2와 함께 이를 설명하도록 한다.

도 2에는 도 1의 파우치형 전지셀에 충돌 시험을 수행하는 과정을 나타낸 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 전지셀(100)을 위에서 바라보았을 경우의 사시도로서, 환봉(B)과 함께 충격을 인가하면, 전극조립체가 제 1 분리체(301)와, 제 2 분리체(302)로 양분된다.

제 1 분리체(301)는 전극 단자와 인접한 제 1 파열 예정부 방향으로 밀려나오고, 제 2 분리체(302)는 제 1 파열 예정부와 반대되는 제 2 파열 예정부 방향으로 밀려나오는 바, 각 분리체들(301, 302)은 서로 접촉하지 않는다.

따라서, 내부 단락이 발생하지 않으므로 충돌 시험을 수행하는 과정에서 발화되지 않는다.

이와 같이 안전성이 향상된 전지셀(100)은 전지케이스에 파열 예정부들을 형성함으로써 달성되는바, 이하에서는 도 3 내지 도 8과 함께 전지셀(100)의 전지케이스 제조 방법을 설명하도록 한다.

도 3은 내지 도 8에는 도 1의 파우치형 전지셀을 제조하는 과정의 일부로서, 제 1 파열 예정부 및 제 2 파열 예정부가 형성되어 있는 파우치형 전지케이스의 제조 과정을 나타낸 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다.

구체적으로, 도 3에는 전지케이스의 성형 몰드를 준비하는 과정(a), 도 4에는 상기 몰드에 라미네이트 시트를 위치시키는 과정(b), 도 5에는 성형 지그로 라미네이트 시트를 가압하는 과정(c), 도 6 내지 도 8에는 성형 지그를 제거함으로써 수납부 및 파열 예정부를 형성하는 과정(d)이 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 성형 몰드(400)는 몰드 본체(410) 상에 전지케이스의 수납부와 대응하는 형상을 가진 만입부(420)가 형성되어 있고, 만입부(420)의 양측 단부에 파열 예정부 형성용 돌기들(430, 440)이 형성된 구조로 이루어져 있다.

파열 예정부 형성용 돌기들(430, 440)은, 이후 가압 과정에서 각각 제 1 파열 예정부 및 제 2 파열 예정부를 형성하며, 빗의 형상을 가지고 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다. 파열 예정부 형성용 돌기들의 변형예는 이후 도 9와 함께 더욱 상세히 설명하도록 한다.

다음으로, 도 3과 함께 도 4를 참조하면, 준비된 성형 몰드(400) 상에 라미네이트 시트(600)를 위치시킨다.

다음으로, 도 4와 함께 도 5를 참조하면, 라미네이트 시트(600) 상에 성형 지그(500)를 가압하여 라미네이트 시트(600) 상에 전지케이스의 수납부룰 형성한다. 이때, 파열 예정부 형성용 돌기들에 의해 파열 예정부도 함께 형성된다.

도 5에 도시되어 있는 성형 지그(500)는 수납부에 대응되는 형상을 가지고 있고, 파열 예정부 형성용 돌기들을 포함하고 있지 않지만, 파열 예정부 형성용 돌기를 포함하고 있을 수 있으며, 이후 도 9와 함께 더욱 상세히 설명하도록 한다.

이러한 성형 지그(500)는 성형 몰드(400)의 만입부(420)에 대응되는 방향에 위치시켜, 수직방향으로 압력을 인가함으로써 과정(c)가 수행된다.

다음으로, 도 5와 함께 도 6 내지 도 8를 참조하면, 가압 과정(c)에 의해 성형 몰드(400)의 만입부(420)와 라미네이트 시트(600) 상에 포개져 있는 성형 지그를 성형 몰드에서 제거하고, 라미네이트 시트(600)에서 성형 몰드를 제거한다.

따라서, 전극조립체(300)를 수납하는 수납부(230)가 형성되어 있고, 셀의 안전성을 향상시키는 파열 예정부(240, 250)들이 형성되어 있는 라미네이트 시트(600)가 형성되며, 이는 소정 단위로 절단하여 전지케이스(200)로 사용된다.

도 9는 도 3 내지 도 8에 도시되어 있는 성형 몰드 및 성형 지그의 변형예들을 모식적으로 나타낸 사시도들이다.

성형 몰드(400a)는 선형 그루브들이 전극조립체의 단부에 대해 약 60 도의 각도로 형성된 빗살 무늬의 파열 예정부 형성용 돌기들(430a, 440a)을 포함하고 있다.

성형 몰드(400b)는 선형 그루브들이 전극조립체의 단부에 대해 약 45 도의 각도로 형성되고, 서로 교차 배열되 있어 그물 무늬를 가지는 파열 예정부 돌기들(430b, 440b)을 포함하고 있다.

성형 지그(500a)는 선형 그루브들이 전극조립체의 단부에 대해 약 60 도의 각도로 형성된 빗살 무늬의 파열 예정부 형성용 돌기들(530a, 540a)을 포함하고 있다.

성형 몰드(500b)는 선형 그루브들이 전극조립체의 단부에 대해 약 45 도의 각도로 형성되고, 서로 교차 배열되 있어 그물 무늬를 가지는 파열 예정부 형성용 돌기들(530b, 540b)을 포함하고 있다.

각 성형 몰드들(400a, 400b) 및 성형 지그들(500a, 500b)의 파열 예정부가 형성용 돌기는 상호 대응되는 위치에 형성되어 있을 수도 있고, 대응되지 않는 위치에 형성되어 있으며, 파열 예정부 형성 돌기가 형성되어 있지 않은 성형 몰드 및 성형 지그와 사용될 수도 있으나, 반드시 성형 몰드와 성형 지그 중 적어도 하나는 파열 예정부 형성용 돌기를 포함하고 있어야 한다.

따라서, 전지케이스의 양면에 파열 예정부들을 형성하며, 본 발명에 따른 전지셀은 이러한 전지케이스를 사용하여 충돌 시험 기타 외부 충격에 대한 안전성을 확보할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

양극의 제조

LiCoO₂(양극 활물질) 96 중량%, Super-P(도전재) 2.0 중량%, PVdF(바인더) 2.0 중량%를 용매인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 합제 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 양극을 제조하였다.

음극의 제조

인조흑연(음극 활물질) 96.3 중량%, Super-P(도전재) 1.0 중량%, PVdF(바인더) 2.7 중량%를 용매인 NMP에 첨가하여 음극 합제 슬러리를 제조한 후, 구리 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다.

이차전지의 제조

상기 양극과 음극 사이에 폴리올레핀계 분리막이 개재되도록, 스택/폴딩형 전극조립체를 제조하였고, 상기 전극조립체를 도 2에 따른 파우치형 전지케이스에 내장한 후 1M LiPF₆ 카보네이트계 용액 전해액을 주입하여 이차전지를 완성하였다.

<비교예 1>

파열 예정부들이 형성되지 않은 파우치형 전지케이스를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 이차전지를 제조하였다.

<실험예 1>

충돌 시험(impact test)

상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 20 개의 이차전지들을 4.35V의 완전 충전된 상태로 준비하였다.

평평한 바닥에 전지를 올려놓고 전지 위에 8 mm 직경의 bar를 중앙부에 직각으로 올려놓고, 전지로부터 60 cm의 높이에서 9 kg의 중량물을 낙하하여 발화여부를 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다 (JIS C 8711 참조).

	발화 샘플 개수	미발화샘플 최고온도(℃)
실시예 1	없음	85.5
비교예 1	12	105.5

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지들은 단락이 유발되지 않아 발화가 일어나지 않은 반면, 비교예 1의 이차전지들은 다수의 전지에서 단락 및 발화가 확인되었다.

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 분리막으로 구성된 전극조립체가 파우치형 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀의 제조방법에 있어서,
   (i) 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 준비하는 과정;
   (ii) 전극조립체에 대응하는 형상의 전극조립체 수납부와 파열 예정부들이 형성되어 있는 전지케이스를 준비하는 과정; 및
   (iii) 상기 수납부에 전극조립체를 장착하고 전해액을 주입한 후, 전극조립체 수납부를 밀폐하는 과정;
   을 포함하고,
   상기 과정(ii)는
   (a) 전극조립체 수납부에 대응하는 형상과 파열 예정부들에 대응하는 형상이 각각 각인되어 있는 성형 몰드를 준비하는 단계;
   (b) 상기 성형 몰드 상에 라미네이트 시트를 위치시키는 단계; 및
   (c) 파열 예정부들에 대응하는 형상이 각인되어 있는 성형 지그로 라미네이트 시트를 가압하여, 전극조립체 수납부 및 파열 예정부들을 형성하는 단계 또는 성형 지그로 라미네이트 시트를 가압하여, 전극조립체 수납부 및 파열 예정부들을 형성하는 단계를 포함하며,
   상기 전지셀은
   외부 충격이 전지셀에 인가되어 전극조립체가 양분될 때, 양분된 전극조립체의 분리체들이 전지케이스를 파열시키면서 외부로 밀려나올 수 있도록, 제 1 분리체가 부분적으로 밀려나오는 제 1 파열 예정부와 제 2 분리체가 부분적으로 밀려나오는 제 2 파열 예정부가 전지케이스에 각각 형성되어 있으며,
   상기 전극조립체가 장착되는 전지케이스 수납부는 장방형의 면들로 둘러싸인 직육면체의 형상을 가지고 있고;
   상대적으로 가장 넓은 면적을 가지고 서로 반대면에 위치하는 한 쌍의 제 1 면들;
   상기 제 1 면들의 장변에 인접하고 서로 반대면에 위치하는 한 쌍의 제 2 면들; 및
   상기 제 1 면들의 단변에 인접하고 서로 반대면에 위치하는 한 쌍의 제 3 면들;
   로 이루어져 있으며,
   제 1 파열 예정부와 제 2 파열 예정부는 상기 제 3 면들에 각각 형성되어 있고,
   제 1 파열 예정부와 제 2 파열 예정부 각각은 복수의 선형 그루브들로 이루어진 빗살형(comb-shaped) 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 파열 예정부와 제 2 파열 예정부는 전지셀의 중심에 대해 서로 대향하는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 양극 단자 및 음극 단자는 상기 제 1 면들의 장변 또는 단변에서 함께 위치해 있거나 서로 대향하여 위치해 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서, 상기 빗살형 구조는 선형 그루브들이 평면상으로 평행하게 배열된 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 빗살형 구조는 선형 그루브들이 평면상으로 교차 배열된 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 선형 그루브들은 전지케이스의 두께를 기준으로 5% 내지 40%의 깊이로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 선형 그루브들은 대면하는 전극조립체의 단부에 대해 30도 내지 90도의 각도로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 파열 예정부와 제 2 파열 예정부 각각은 제 3 면 전체 면적을 기준으로 50% 내지 100%의 면적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀의 중앙 부위에서 전지케이스에는 제 3 파열 예정부가 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀의 제조방법.
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 및 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 전지셀의 제조방법에 의해 제조된 전지셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
18. 제 17 항에 따른 전지팩이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.

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