KR102071894B1 - 시트 개봉부를 포함하는 전지케이스 및 이를 포함하는 전지셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서, 상기 전지케이스는 외부 피복층, 금속 배리어층 및 내부 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 구성되어 있고, 상기 전극조립체가 내장되는 전극조립체 수납부의 외주변을 따라 접착 또는 열융착에 의한 전지케이스의 시트 밀봉부들이 형성하고 있으며, 상기 전극단자가 위치하는 시트 밀봉부에 인접한 부위에는, 외부 충격에 의한 전극조립체의 분쇄시, 분쇄된 전극조립체의 일부가 전지케이스를 파열시키면서 외부로 밀려나오는 시트 개봉부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀를 제공한다.

Description

시트 개봉부를 포함하는 전지케이스 및 이를 포함하는 전지셀 {Battery Case Comprising Sheet Released Part and Battery Cell Comprising the Same}

본 발명은 시트 개봉부를 포함하는 전지케이스 및 이를 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 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 파우치형 전지셀의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지셀이 외부 충격에 의해 파손된 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 전지셀(10)은, 파우치형의 전지케이스(20) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 내장되어 있고, 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)이 두 개의 전극리드(40, 41)에 각각 용접되어 전지케이스(20)의 외부로 노출되도록 실링(밀봉)되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일측이 연결되어 있는 덮개(22)로 이루어져 있다.

전지셀(10)에 사용되는 전극조립체(30)는, 도 1에서와 같은 스택형 구조 이외에 젤리롤형 구조 또는 스택/폴딩형 구조도 가능하다. 스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 전극리드(40, 41)에 각각 용접되어 있다.

이러한 전지셀은, 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.

도 2를 참조하면, 전극조립체(30)는 외부 충격 또는 진동에 의해 전극조립체(30)의 중단 부위가 파단되어, 상단 전극조립체(31) 및 하단 전극조립체(32)로 분리될 수 있다. 이와 같이 분리된 전극조립체들(31, 32)은 파단된 단부의 전극들이 상호 직접 접촉하여 단락이 유발될 수 있고, 그에 따라 전지의 발화 및 폭발로 이어지는 문제가 있을 수 있다.

특히, 라미네이트 시트에 전극조립체가 내장되어 형상 조절이 용이한 파우치형 전지셀의 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.

즉, 본 발명의 목적은 전지케이스를 전극단자가 위치하는 시트 밀봉부와 인접한 부위에 외부 충격에 의한 전극조립체의 분쇄시, 분쇄된 전극조립체의 일부가 전지케이스를 파열시키면서 외부로 밀려나오는 시트 개봉부가 형성되어 있는 구조로 구성함으로써, 외부 충격 또는 진동에 의해 전극조립체가 분쇄되더라도, 내부에서 분쇄된 전극조립체의 절단면이 서로 접촉하여 전지셀의 단락이 일어나는 것을 방지하여 전지의 발화 및 폭발을 억제하고 구조적 안전성을 높이는 효과를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서,

상기 전지케이스는 외부 피복층, 금속 배리어층 및 내부 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 구성되어 있고,

상기 전극조립체가 내장되는 전극조립체 수납부의 외주변을 따라 접착 또는 열융착에 의한 전지케이스의 시트 밀봉부들이 형성하고 있으며,

상기 전극단자가 위치하는 시트 밀봉부 또는 인접한 부위에는, 외부 충격에 의한 전극조립체의 분쇄시, 분쇄된 전극조립체의 일부가 전지케이스를 파열시키면서 외부로 밀려나오는 시트 개봉부가 형성되어 있는 구조로 구성된다.

따라서, 본 발명에 따른 전지셀은 전지케이스를 전극단자가 위치하는 시트 밀봉부와 인접한 부위에 외부 충격에 의한 전극조립체의 분쇄시, 분쇄된 전극조립체의 일부가 전지케이스를 파열시키면서 외부로 밀려나오는 시트 개봉부가 형성되어 있는 구조로 구성함으로써, 외부 충격 또는 진동에 의해 전극조립체가 분쇄되더라도, 내부에서 분쇄된 전극조립체의 절단면이 서로 접촉하여 전지셀의 단락이 일어나는 것을 방지하여 전지의 발화 및 폭발을 억제하고 구조적 안전성을 높이는 효과를 제공한다.

일반적으로, 라미네이트 시트로 구성된 전지케이스는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성된 라미네이트 시트로부터 형성될 수 있다. 상기 외측 피복층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다.

그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 연신 나일론 필름 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 베리어층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있다.

상기 내부 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌이 사용될 수 있다.

상기 전지셀은 예를 들어, 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스의 수납부에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다. 즉, 파우치형 전지셀은 라미네이트 시트에 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 상기 시트와 분리되어 있는 별도의 시트 또는 그로부터 연장되어 있는 시트를 열융착하여 밀봉하는 것으로 제조된다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 1개의 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 라미네이트 시트의 일측에 전극조립체 수납부가 형성되어 있고 타측을 절곡하여 전극조립체 수납부를 덮은 후 라미네이트 시트의 접촉 부위를 열융착한 구조로 이루어질 수 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 전지케이스는 한 쌍의 라미네이트 시트들로 이루어져 있으며, 일측 라미네이트 시트 또는 양측 라미네이트 시트들에 전극조립체 수납부가 형성되어 있고, 라미네이트 시트들을 맞대어 전극조립체 수납부를 덮은 후 라미네이트 시트의 접촉 부위를 열융착한 구조로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 전극조립체는 다수의 유닛셀들이 적층된 구조 또는 권취된 구조 등의 다양한 구조에 전극조립체가 적용될 수 있으며, 하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 스택형, 스택/폴딩형 또는 라미네이션/스택형 구조로 이루어져 있고, 전극조립체의 극판들로부터 연장된 탭들이 하나의 전극리드에 결합되어, 상기 전극리드에 의해 전극단자를 형성하고 있는 구조일 수 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 폴딩형 구조로 이루어져 있고, 전극조립체의 극판에 부착된 전극리드에 의해 전극단자를 형성하고 있는 구조일 수 있다.

따라서, 이러한 구조의 전극조립체는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조로서, 각 전극들이 권취 또는 적층되는 구조로 다층을 이루고 있으며, 충돌 시험에서 환봉에 의해 전지셀이 충격을 받았을 때, 전지케이스 내부에서 전극조립체가 완전히 절단되어 양단되는 경우뿐만 아니라, 다층을 이루는 전극들 중에서 적어도 일부 층이 양단되는 전극에 의해서도 양극과 음극의 절단면이 접촉되어 내부 단락 발생할 수 있다.

즉, 이러한 구조에서 상기와 같은 외부 충격을 받았을 경우, 전지셀의 중심에 대해서 서로 대향하는 위치로 밀어내는 힘을 받게 되며, 구체적인 구조에서 전극단자들이 동일한 일 측면에 형성되어 있고, 시트 개봉부가 전극단자가 위치하는 시트 밀봉부에서 전극조립체 방향으로 인접한 단부 상에 시트 밀봉부와 평행하게 형성되어 전극조립체가 밀어내는 힘에 의해 전지케이스가 파열되는 구조일 수 있다.

이러한 구조에서 시트 개봉부는 평면상으로 연속 또는 비연속적인 선상의 개봉선 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 시트 개봉부는 라미네이트 시트들이 맞대어 접촉되는 부위인 시트 밀봉부의 단부에 형성되므로, 상기 맞대어 접촉되는 양면에 대해서 시트 개봉부가 형성되는 구조로서, 전극조립체가 밀어내는 힘에 의해 전지케이스 상단이 완전히 개봉되어 파열되는 구조로 구성되는 것이 가능하다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 시트 개봉부가 전극단자가 위치하는 시트 밀봉부에 인접한 전극조립체 수납부의 측벽 상에 형성되는 구조로 구성될 수 있으며, 이러한 구조에서는 전극조립체가 밀어내는 힘에 의해 전지케이스의 수납부 일부가 개봉되어 파열되는 구조로 구성되는 것이 가능하다.

또한, 이러한 구조에서 시트 개봉부는 평면상으로 연속 또는 비연속적인 선상의 개봉선 구조로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 상기 시트 개봉부는, 전지셀의 폭(가로길이)에 대해 50% 내지 100%의 길이로, 시트 밀봉부에 평행하게 형성되는 구조일 수 있다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 라미네이트 시트를 구성하는 외부 피복층, 금속 베리어층, 및 내부 실란트층 중에서, 외부 피복층과 내부 실란트층의 경우 각각 외부 환경 또는 내부 전해액으로부터의 보호의 목적을 가지므로, 시트 개봉부를 형성할 시 전지셀의 안전상으로 문제가 발생할 가능성이 있다.

따라서, 상기 시트 개봉부는 라미네이트 시트의 금속 배리어층에 형성되는 것이 바람직하며, 일반적으로 금속 배리어층은 라미네이트 시트의 기계적 강도를 보강하는 것을 목적으로 한 금속 소재를 사용하는 바, 금속 배리어층에 비연속적인 복수의 파단선들이 형성된 구조로 구성되어 전지케이스의 내부에서 전극조립체가 밀어내는 힘에 의해 용이하게 파열될 수 있는 구조로 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전극조립체는 인가된 외부 충격에 대응하여 적어도 일부 층이 양단되는 구조로 구성되는 바, 이때, 상기 전극조립체의 양단 시 전지케이스는 인가된 외부 충격에 대응하여 양측으로 파열되며, 상기 전극조립체의 양단된 적어도 일부 층이 시트 개봉부를 파열시키면서 전지케이스의 외부로 돌출되는 구조일 수 있다.

상기에서 설명한 전극조립체의 양단은 외부 충격에 대응하여 전극조립체가 완전히 절단되어 양단되는 경우뿐만 아니라, 다층을 이루는 전극들 중에서 적어도 일부 층이 양단되는 구조 또한 포함되며, 양단된 적어도 일부 층은 시트 개봉부를 따라 파열되는 전지케이스의 외부로 전극 탭과 전극리드가 결합된 구조의 전극단자와 함께 돌출되는 구조일 수 있다.

참고로, 상기 전지셀은 리튬이온 전지셀 또는 리튬이온 폴리머 전지셀일 수 있으며, 상기 전지셀은 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성될 수 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄ (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, and Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.

본 발명은 또한 상기 전지셀을 단위전지로 포함하는 전지팩을 제공한다.

또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.

이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 전지케이스를 전극단자가 위치하는 시트 밀봉부와 인접한 부위에 외부 충격에 의한 전극조립체의 분쇄시, 분쇄된 전극조립체의 일부가 전지케이스를 파열시키면서 외부로 밀려나오는 시트 개봉부가 형성되어 있는 구조로 구성함으로써, 외부 충격 또는 진동에 의해 전극조립체가 분쇄되더라도, 내부에서 분쇄된 전극조립체의 절단면이 서로 접촉하여 전지셀의 단락이 일어나는 것을 방지하여 전지의 발화 및 폭발을 억제하고 구조적 안전성을 높이는 효과를 제공할 수 있다.

도 1은 종래 파우치형 전지셀의 예시적인 구조에 대한 모식도이다;
도 2는 도 1의 전지셀이 외부 충격에 의해 파손된 구조에 대한 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 4는 도 3의 전지셀에서 전지케이스에 형성된 시트 개봉부의 구조를 나타내는 단면도이다;
도 5 및 6은 도 1의 전지셀에 충돌 시험을 수행하는 과정을 나타내는 사시도들이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀에 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 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 구조에 대한 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 스택-폴딩형 전극조립체(130)가 파우치형 전지케이스(120)에 내장되어 있는 구조로 구성된다.

전극조립체는(130)는 전극조립체(130)로부터 동일한 일 측 방향으로 연장되어 있는 전극 탭들(131, 132)을 포함하며, 전극 탭들(131, 132)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있는 전극리드들(141, 142)를 포함하여 전극단자를 이루고 있고, 전극리드들(141, 142)이 전지케이스(120)의 외부로 일부가 노출되는 구조로 돌출되어 있다.

또한, 전극리드들(141, 142)의 상하면 일부에는 전지케이스(120)와 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위한 절연필름들(151, 152) 부착되어 있는 구조로 구성된다.

전지케이스(120)는 1개의 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 라미네이트 시트의 일측에 전극조립체 수납부(160)가 형성되어 있고 타측을 절곡하여 전극조립체 수납부를 덮은 후 라미네이트 시트의 접촉 부위를 열융착한 구조로서, 전지케이스(120)에서 전극단자가 위치하게 되는 부위에 시트 밀봉부(171, 172)가 형성되어 있다.

시트 밀봉부(171, 172)에서 전극조립체(130) 방향으로 인접한 단부 상에는 시트 밀봉부(171, 172)와 평행하게 형성되어 전지케이스(120) 내부에서 전극조립체(130)가 밀어내는 힘에 의해 전지케이스가 파열될 수 있도록 시트 개봉부(181, 182)가 형성되어 있으며, 이러한 시트 개봉부(181, 182)는 평면상으로 비연속적인 선상의 개봉선 구조로 이루어져 있다.

도 4에는 도 1의 전지셀에서 전지케이스에 형성된 시트 개봉부의 구조를 나타내는 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 4를 도 3과 함께 참조하면, 전지케이스(120)를 구성하는 라미네이트 시트는 최외층으로서의 외부 피복층(210), 금속 베리어층(220) 및 내부 실란트층(230)이 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다.

외부 피복층(210)은 전지케이스(120)의 외면을 형성하므로, 외부 환경에 대해 안정적으로 전극조립체(300)를 보호할 수 있는 인장강도와 내후성이 요구되며, 이러한 요건을 만족시키기 위해 연신 나일론 소재로 이루어져 있고, 금속 베리어층(220)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져 있다.

내부 실란트층(230)은 전지케이스(120)에서 전극조립체도(300)가 장착될 수 있는 수납부와 덮개의 내측을 형성하고 있으므로 리튬 함유 전해액에 대한내성 확보가 요구되며, 실링 예정부들이 접한 상태에서 열융착에 의해 상호 결합될 수 있도록, 내부 실란트층(230)의 소재는 내전해액성과 열융착성을 겸비한 무연신 폴리프로필렌 필름로 이루어져 있다.

도 3에 개시되어 있는 시트 개봉부(181, 182)의 구조는 금속 배리어층(220)에 형성되어 있으며, 전지케이스(120)의 내부에서 전극조립체(130)가 밀어내는 힘에 의해 용이하게 파열될 수 있는 구조로서, 비연속적인 복수의 파단선들(221, 222)이 형성되어 있는 구조로 구성된다.

파단선들(221, 222)은 도 4에 개시되어 있는 단면도를 기준으로, 금속 배리어층(220)을 관통하는 구조로 구성되며, 외부 피복층(210) 및 내부 실란트층(230)을 제외한 금속 배리어층(220)에만 형성되는 구조로서, 전지케이스(120)의 외면 및 내면에 대한 안정성에 문제가 되지 않는 구조로 구성된다.

도 5 및 6에는 1의 전지셀에 충돌 시험을 수행하는 과정을 나타내는 사시도들이 도시되어 있다.

도 5 및 6을 도 1과 함게 참조하면, 전지셀(100)은 전극단자를 구성하는 전극리드들(141, 142)들이 동일한 일 측면으로 돌출되는 구조로 구성되며, 전지케이스(120)에서 전극리드들(141, 142)들이 위치하는 부위에 시트 밀봉부(170)가 형성되어 있는 구조로 구성된다.

시트 밀봉부(170)로부터 전극조립체(130) 방향으로 인접한 단부 상에는 시트 밀봉부(170)와 평행하게 형성되어 전극조립체(130)가 밀어내는 힘에 의해 전지케이스가 파열될 수 있도록 시트 개봉부(180)가 형성되어 있다.

이때, 도 6에 개시되어 있는 바와 같이, 전지셀(100)의 대략적인 중심부에 환봉(B)과 함께 충격을 인가하는 과정을 거치면, 내부에 위치한 전극조립체(130)가 충격에 의해 적어도 일부 층이 양단되게 되며, 양측으로 파열된 전극조립체(130) 중에서 전극단자가 돌출되는 상단 방향으로 파열된 일부 전극조립체(131)가 시트 개봉부(180)를 파열 시키면서 전지케이스(120) 외부로 돌출된다.

따라서, 충격에 의해 파열된 전극조립체(130)는 전지케이스(120) 내부에서 양극과 음극 단부들이 접촉하지 않고, 양단된 일부 층이 전지케이스(120)외부로 돌출되므로, 내부 단락이 발생하지 않아 충돌 시험을 수행하는 과정에서 발화가 발생할 가능성이 매우 적어지게 된다.

도 7에는 본 발명에 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 모식도가 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 전지셀(300)은 전지케이스(320) 내부에 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 스택-폴딩형 전극조립체(도시하지 않음)가 전극조립체 수납부(360)가 형성된 파우치형 전지케이스(320)에 내장되어 있는 구조로 구성된다.

전극리드들(341, 342)은 동일한 일 측면에 전지케이스(320)의 외부로 일부가 노출되는 구조로 돌출되어 있는 구조로 구성되며, 전지케이스(320)에서 전극리드들(341, 342)들이 위치하는 부위에 시트 밀봉부(370)가 형성되어 있는 구조로 구성된다.

전지케이스(320)에서 전극리드들(341, 342)로 구성된 전극단자가 위치하는 시트 밀봉부(370)에 인접한 전극조립체 수납부(360)의 측벽 상에는 시트 밀봉부(370)와 평행하게 형성되어 전지케이스(320) 내부에서 전극조립체가 밀어내는 힘에 의해 전지케이스가 파열될 수 있도록 시트 개봉부(380)가 형성되어 있으며, 이러한 시트 개봉부(380)는 평면상으로 비연속적인 선상의 개봉선 구조로 이루어져 있고, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 라미네이트 시트의 단면을 기준으로 금속 배리어층에 비연속적인 복수의 파단선들 형성된 구조로 구성된다.

이러한 구조에서 전지셀(300)은 도 5 및 6의 충돌 시험 과정에서 개시되어 있는 바와 같이, 전지케이스(320) 내부에 위치한 전극조립체가 충격에 의해 적어도 일부 층이 양단되게 되며, 양측으로 파열된 전극조립체 중에서 전극단자가 돌출되는 상단 방향으로 파열된 일부 전극조립체가 시트 개봉부(380)를 파열 시키면서 전지케이스(320) 외부로 돌출되는 구조로 구성되어 내부 단락이 발생하는 문제점을 해소할 수 있다.

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

Claims (18)

1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀로서,
   상기 전지케이스는 외부 피복층, 금속 배리어층 및 내부 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 구성되어 있고,
   상기 전극조립체가 내장되는 전극조립체 수납부의 외주변을 따라 접착 또는 열융착에 의한 전지케이스의 시트 밀봉부들이 형성하고 있으며,
   전극단자가 위치하는 시트 밀봉부에 인접한 부위에는, 전지셀의 폭(가로길이)에 대해 50% 내지 100%의 길이로, 시트 밀봉부에 평행하게 형성되어, 외부 충격에 의한 전극조립체의 분쇄시, 분쇄된 전극조립체의 일부가 전지케이스를 파열시키면서 외부로 밀려나오도록 하는 시트 개봉부가 전극단자가 위치하는 시트 밀봉부에 인접한 전극조립체 수납부의 측벽 상에 형성되어 있고,
   상기 시트 개봉부는 라미네이트 시트의 금속 배리어층에 비연속적인 복수의 파단선들로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 1개의 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 라미네이트 시트의 일측에 전극조립체 수납부가 형성되어 있고 타측을 절곡하여 전극조립체 수납부를 덮은 후 라미네이트 시트의 접촉 부위를 열융착한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 한 쌍의 라미네이트 시트들로 이루어져 있으며, 일측 라미네이트 시트 또는 양측 라미네이트 시트들에 전극조립체 수납부가 형성되어 있고, 라미네이트 시트들을 맞대어 전극조립체 수납부를 덮은 후 라미네이트 시트의 접촉 부위를 열융착한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형, 스택/폴딩형 또는 라미네이션/스택형 구조로 이루어져 있고, 전극조립체의 극판들로부터 연장된 탭들이 하나의 전극리드에 결합되어, 상기 전극리드에 의해 전극단자를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형 구조로 이루어져 있고, 전극조립체의 극판에 부착된 전극리드에 의해 전극단자를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 전극단자들이 동일한 일 측면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 인가된 외부 충격에 대응하여 적어도 일부 층이 양단되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 전극조립체의 양단 시 전지케이스는 인가된 외부 충격에 대응하여 양측으로 파열되며, 상기 전극조립체의 양단된 적어도 일부 층이 시트 개봉부를 파열시키면서 전지케이스의 외부로 돌출되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 양단된 적어도 일부 층은 전극단자와 함께 전지케이스의 외부로 돌출되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
16. 제 1 항 내지 제 6 항, 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 단위전지로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
17. 제 16 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.

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