KR102252357B1 - 벤팅 유도부를 포함하는 파우치형 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극조립체가 전해액과 함께 파우치형 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 이차전지로서,
상기 전지케이스는 외부 피복층, 금속층 및 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고,
상기 라미네이트 시트의 금속층은 고온 환경에 노출되는 경우에 용융되어 가스 배출을 유도하는 벤팅 유도부를 포함하고 있는 파우치형 이차전지에 대한 것이다.
상기 전지케이스는 외부 피복층, 금속층 및 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고,
상기 라미네이트 시트의 금속층은 고온 환경에 노출되는 경우에 용융되어 가스 배출을 유도하는 벤팅 유도부를 포함하고 있는 파우치형 이차전지에 대한 것이다.
Description
본 발명은 벤팅 유도부를 포함하는 파우치형 이차전지에 대한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 특히, 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대해 많은 연구 및 상용화가 이루어지고 있다.
대표적으로 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 안정성의 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이러한 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.
이러한 파우치형 전지는 나일론과 같은 소재로 이루어진 외부 피복층, 수분 침투를 방지하는 금속층 및 내부 접착층으로 이루어진 라미네이트 시트로 이루어지는 것이 일반적이다.
파우치형 전지는 전지의 비정상적인 사용에 의해 고온 상태에 이르는 경우, 전지셀 내부의 화학작용에 의해 가스가 발생하여 전지셀이 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생하며, 가스 발생량이 계속하여 증가하게 되면 전지셀이 폭발 내지 발화하게 되는 문제가 있다.
따라서, 종래의 라미네이트 시트를 사용한 제조 방법을 그대로 사용할 수 있으면서, 전지셀이 고온 환경에 노출되거나 발열로 인한 폭발에 이르기 전에 벤팅(Venting)이 이루어지는 안전 모드를 유도할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 파우치형 전지케이스용 라미네이트 시트의 금속층에 벤팅 유도부를 포함함으로써, 전지셀의 제조 방법 내지 활물질 및 코팅 방식을 그대로 사용할 수 있으면서 고온 환경의 노출로 인한 폭발이 일어나기 전에 벤팅을 유도할 수 있는 파우치형 이차전지를 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 전극조립체가 전해액과 함께 파우치형 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스는 외부 피복층, 금속층 및 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 상기 라미네이트 시트의 금속층은 고온 환경에 노출되는 경우에 용융되어 가스 배출을 유도하는 벤팅 유도부를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 전지케이스용 라미네이트 시트의 금속층이 전지셀의 발열로 인한 고온 환경에서 가스 배출을 유도하는 벤팅 유도부를 포함하고 있다. 따라서, 이차전지의 비정상적인 사용 또는 외부로부터 인가되는 힘에 의한 고온 상태에 이를 경우, 전지셀 내부에서 발생하는 가스에 의해 전지셀의 폭발이 일어날 수 있는데, 상대적으로 융점이 낮은 금속으로 이루어진 벤팅 유도부가 고온 환경에서 먼저 용융되어 전지셀 내부의 가스를 외부로 배출할 수 있다.
따라서, 전지셀의 폭발이 일어나는 온도에 이르기 전에, 상기 벤팅 유도부를 통해 가스 배출이 이루어질 수 있으므로, 전지셀의 폭발로 인한 2차 사고를 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본원의 라미네이트 시트와 같은 전지케이스를 사용하는 경우에는, 종래의 이차전지 제조 방법을 그대로 사용할 수 있으며, 전극 활물질의 종류를 달리 설정하는 등 작업 조건의 변경을 필요로 하지 않기 때문에 기존의 이차전지에 적용이 가능한 장점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 금속층은, 수분 차단성 및 열전도성을 제공하는 물질 차단층, 및 상기 물질 차단층의 금속보다 상대적으로 낮은 융점을 가진 가융 합금으로 이루어져 있고, 금속층에서 상기 물질 차단층의 적어도 일부를 대체한 형태로 위치하는 하나 이상의 벤팅 유도부로 구성되어 있는 구조일 수 있다.
이와 같이, 상기 벤팅 유도부는 물질 차단층의 금속보다 상대적으로 낮은 융점을 가진 합금으로 이루어져 있기 때문에, 이차전지의 고온 발열 내지 발화에 의해 금속층의 용융온도에 이르게 되어, 금속층의 용융이 이루어지기 전에, 벤팅 유도부의 합금이 먼저 용융되어 가스 배출이 이루어질 수 있다. 따라서, 이차전지의 폭발 내지 발화를 방지할 수 있는 안전성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
상기 벤팅 유도부를 통해 이차전지 내부의 가스의 배출이 즉각적으로 이루어지는 구조인 것이 바람직한 바, 상기 벤팅 유도부는 물질 차단층을 두께 방향으로 관통하는 구조로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 물질 차단층과 벤팅 유도부는 상호 접합된 클래드층의 형태로 금속층을 이루고 있는 구조일 수 있으며, 벤팅 유도부로 내압이 집중되어 벤팅이 이루어지는 구조를 고려할 때, 금속층의 대부분의 부분은 물질 차단층이 형성되어 있고, 일부분에만 벤팅 유도부가 형성될 수 있다. 또한, 벤팅 유도부는 일정한 패턴으로 금속층의 전체 부분에서 균일한 비율로 형성될 수 있으며, 또는 특정한 패턴 없이 금속층의 일부분에 집중적으로 형성될 수도 있다.
상기 물질 차단층의 금속은 수분 차단성 및 열전도성의 성질을 고려할 때, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져 있고, 상기 벤팅 유도부의 가융 합금은 물질 차단층 및 실란트층의 용융 온도 보다 상대적으로 낮은 융점을 갖는 금속으로 이루어지는 것이 바람직한 바, 상기 벤팅 유도부는 융점이 200℃이하인 합금으로 이루어질 수 있다.
예를 들어 상기 가융 합금은 칼륨(K), 나트륨(Na), 아이오딘(I), 황(S), 인듐(In), 및 리튬(Li)의 원소들을 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 물질 차단층에는 평면상으로 하나 이상의 만입형 그루브가 형성되어 있고, 벤팅 유도부는 상기 만입형 그루브에 위치하여 상기 만입형 그루브를 채우고 있는 구조일 수 있다.
상기 벤팅 유도부는, 일반적으로 전지케이스의 외주변 실링부에 내압이 집중되어 벤팅이 이루어지는 점을 고려할 때, 전지케이스의 외주변인 실링부 상에 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 전지케이스의 길이 방향과 평행한 방향으로 이루어질 수 있다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 벤팅 유도부는, 전지셀 내부의 가스가 즉각적으로 외부로 배출되는 구조인 것이 바람직한 바, 가스의 배출이 이루어질 때, 전지케이스의 내측과 외측이 관통되는 방향으로 실링부 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 전지케이스에서 상대적으로 길이가 짧은, 전극 단자가 형성된 방향 또는 이와 평행한 방향보다는 전지케이스의 길이 방향과 평행한 양측부 외주변 상에서 벤팅이 더욱 쉽게 발생하는 점을 고려할 때, 상기 벤팅 유도부는, 전지케이스의 길이 방향과 평행한 양측부 외주변 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 금속층에 있어서, 상기 벤팅 유도부가 물질 차단층을 두께 방향으로 관통하는 구조로 형성될 수 있으며, 상기 물질 차단층의 두께와 벤팅 유도부의 두께는 동일하게 형성될 수 있는 바, 전지셀이 벤팅 유도부의 용융 온도와 같은 고온 상태에 이르게 되면 용융된 벤팅 유도부를 통해 빠르게 가스 배출이 이루어질 수 있다.
또는, 상기 벤팅 유도부가 물질 차단층을 두께 방향으로 관통하는 구조로 형성될 수 있으며, 상기 물질 차단층의 두께는 벤팅 유도부의 두께보다 상대적으로 크게 형성될 수 있는 바, 물질 차단층의 두께와 벤팅 유도부의 두께의 차이만큼, 물질 차단층이 벤팅 유도부의 상면 또는 하면에 형성될 수 있다.
이와 같이, 벤팅 유도부와 물질 차단층이 중첩되어 형성되는 경우에는, 벤팅 유도부가 형성된 부분에서도 수분 차단성 및 열전도성의 효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 고온 환경에서 가스 배출을 유도할 수 있는 이차전지를 제공할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 파우치형 이차전지를 단위 전지로 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
구체적으로, 상기 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 상세한 예로는 스마트 폰, 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 시계 또는 안경에서 선택되는 모바일 디바이스, 또는 전지 기반 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 등으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 전지케이스용 라미네이트 시트의 금속층에 벤팅 유도부를 포함하고, 상기 벤팅 유도부는 라미네이트 시트의 접착층의 용융온도 보다 낮은 온도에서 용융되어 가스 배출을 유도할 수 있는 바, 고온 환경에 노출되어 전지셀이 폭발되기 전에 벤팅 유도부를 통해 가스 배출이 이루어짐으로써 전지셀의 폭발 내지 발화를 방지할 수 있다.
또한, 전지셀의 제조 방법, 활물질의 종류 및 활물질의 코팅 방식을 그대로 사용할 수 있기 때문에, 종래의 기술을 그대로 이용하면서도 안전성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
도 1은 하나의 실시예에 따른 라미네이트 시트의 사시도이다;
도 2는 도 1의 라미네이트 시트의 일부 확대도이다;
도 3은 다른 하나의 실시예에 다른 라미네이트 시트의 일부 확대도이다;
도 4는 하나의 실시예에 다른 이차전지의 투시 평면도이다;
도 5는 다른 하나의 실시예에 따른 이차전지의 투시 평면도이다; 및
도 6은 또 다른 하나의 실시예에 따른 이차전지의 투시 평면도이다.
도 2는 도 1의 라미네이트 시트의 일부 확대도이다;
도 3은 다른 하나의 실시예에 다른 라미네이트 시트의 일부 확대도이다;
도 4는 하나의 실시예에 다른 이차전지의 투시 평면도이다;
도 5는 다른 하나의 실시예에 따른 이차전지의 투시 평면도이다; 및
도 6은 또 다른 하나의 실시예에 따른 이차전지의 투시 평면도이다.
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 1은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지용 전지케이스로 이용되는 라미네이트 시트듸 사시도를 모시적으로 도시하고 있으며, 도 2는 도 1의 일부분의 확대도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 라미네이트 시트(100)는 외부 피복층(110), 금속층(120) 및 내부 실란트층(130)으로 구성되어 있으며, 금속층(120)은 물질 차단층(121) 및 벤팅 유도부(122) 상호 접합된 클래드층의 형태로 이루어져 있다.
벤팅 유도부(122)와 물질 차단층(121)은 서로 평행한 직선의 라인 형상이 교대로 반복되는 패턴으로 형성되어 있으나, 벤팅 유도부의 형상은 이와 같은 형상으로 한정되지 않으며, 특정한 패턴으로 형성되지 않을 수도 있다.
벤팅 유도부(122)는 물질 차단층(121)을 두께 방향으로 관통하는 구조로 형성되어 있으며, 물질 차단층(121)의 두께(h)와 벤팅 유도부(122)의 두께(h)는 동일하게 형성되어 있다.
도 3은 다른 하나의 실시예에 따른 라미네이트 시트의 일부 확대도를 모시적으로 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 라미네이트 시트(200)는 외부 피복층(210) 및 내부 실란트층(230) 사이에 금속층(220)이 있는 구조이며, 금속층(220)은 물질 차단층(221a, 221b)과 벤팅 유도부(222)로 이루어져 있다. 물질 차단층에는 평면상으로 만입형 그루브(223)가 형성되어 있고, 벤팅 유도부(222)는 만입형 그루브(223) 내부에 가융 금속이 채워진 구조로 이루어져 있다.
벤팅 유도부(222)는 물질 차단층(221a)을 두께 방향으로 관통하는 구조로 형성되어 있으며, 물질 차단층(221a)의 두께(h1)는 벤팅 유도부(222)의 두께(h2) 보다 상대적으로 크게 이루어져 있다.
물질 차단층(221a)의 두께(h1)와 벤팅 유도부(222)의 두께(h2) 차이(h1-h2) 에 대응되는 두께만큼 벤팅 유도부(222)의 하면에 물질 차단층(221b)이 추가로 형성되는 구조로 도시되어 있으나, 벤팅 유도부(222)의 하면과 물질 차단층(221a)의 하면이 동일 평면상에 놓이고 벤팅 유도부(222)의 상면에 물질 차단층(221b)이 위치하는 구조일 수도 있다.
벤팅 유도부(222)의 두께(h2)는 가스의 배출이 용이하게 이루어질 수 있으면서 전지케이스의 강성도가 낮아지지 않는 범위 내에서 적절하게 조절될 수 있다.
도 4는 하나의 실시예에 따른 이차전지의 투시평면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 4를 참조하면 이차전지(300)는 전극조립체(310)가 내부에 수납되고 전극 단자들(301, 302)이 외부로 돌출된 구조의 파우치형 이차전지이며, 상부 케이스 및 하부 케이스가 열융착 밀봉되는 각각의 상부 외주변(331), 양측부 외주변들(332, 333) 및 하부 외주변(331) 상에는 벤팅 유도부(322)가 형성되어 있다. 양측부 외주변들(332, 333) 상에 형성된 벤팅 유도부들(322)은 전극 단자(301, 302)가 돌출된 전지케이스의 길이 방향과 평행한 선형으로 상부 외주변 끝단에서 하부 외주변 끝단까지 연속적인 형상으로 이루어지고, 양측부 외주변들의 폭에 비해 상대적으로 좁은 폭으로 이루어진다.
상부 외주변(331) 및 하부 외주변(334) 상에는 양측부 외주변에 형성된 벤팅 유도부들(322)과 평행하도록 일정한 간격으로 이격된 벤팅 유도부(322)가 형성되어 있으며, 전지케이스의 내측과 외측이 관통될 수 있도록 벤팅 유도부(322)가 형성되어 있기 때문에 이차전지 내부의 가스를 보다 신속하게 외부로 배출할 수 있다. 도 4는 전지케이스의 평면상, 양측부 외주변에 형성된 2개의 벤팅 유도부를 포함하여 모두 5개의 벤팅 유도부가 형성된 이차전지를 도시하고 있으나, 벤팅 유도부의 개수는 전지셀의 크기 및 전지셀의 수명 등을 고려하여 적절히 설계될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이차전지의 투시 평면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 이차전지(400)는 전극단자들(401, 402)이 돌출된 전지케이스의 길이 방향과 평행한 양측부 외주변(432, 433) 각각에 직선 형상의 벤팅 유도부(422)가 형성되어 있으며, 이차전지(500)는 전극단자들(501, 502)이 돌출된 전지케이스의 길이 방향과 평행한 양측부 외주변(532, 533) 상에 전지케이스의 내측과 외측이 관통되는 방향으로 벤팅 유도부들(522)이 형성되어 있다. 도 6은 양측부 외주변들 각각의 중심부에 5개의 벤팅 유도부들이 일정한 간격으로 이격된 구조를 도시하고 있으나, 벤팅 유도부들의 개수, 폭 및 위치는 전지셀의 크기 및 전지셀의 수명 등을 고려하여 적절히 설계될 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 (12)
- 전극조립체가 전해액과 함께 파우치형 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 이차전지로서,
상기 전지케이스는 외부 피복층, 금속층 및 실란트층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고,
상기 라미네이트 시트의 금속층은 고온 환경에 노출되는 경우에 용융되어 가스 배출을 유도하는 벤팅 유도부를 포함하고
상기 금속층은,
수분 차단성 및 열전도성을 제공하는 물질 차단층; 및
상기 물질 차단층의 금속보다 상대적으로 낮은 융점을 가진 가융 합금으로 이루어져 있고, 금속층에서 상기 물질 차단층의 적어도 일부를 대체한 형태로 위치하는 하나 이상의 벤팅 유도부;
로 구성되고,
상기 벤팅 유도부는, 가스의 배출이 이루어질 때, 전지케이스의 내측과 외측이 관통되는 방향으로 실링부 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지. - 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 벤팅 유도부는 물질 차단층을 두께 방향으로 관통하는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
- 제 3 항에 있어서, 상기 물질 차단층과 벤팅 유도부는 상호 접합된 클래드층의 형태로 금속층을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 물질 차단층의 금속은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져 있고, 상기 벤팅 유도부의 가융 합금은 융점이 200℃이하인 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
- 제 5 항에 있어서, 상기 가융 합금은 칼륨(K), 나트륨(Na), 아이오딘(I), 황(S), 인듐(In), 및 리튬(Li)의 원소들을 포함하는 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 물질 차단층에는 평면상으로 하나 이상의 만입형 그루브가 형성되어 있고, 벤팅 유도부는 상기 만입형 그루브에 위치하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
- 제 7 항에 있어서, 상기 벤팅 유도부는 전지케이스의 외주변인 실링부 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 벤팅 유도부는 전지케이스의 길이 방향과 평행한 양측부 외주변 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 물질 차단층의 두께와 벤팅 유도부의 두께는 동일한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 물질 차단층의 두께는 벤팅 유도부의 두께보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
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| KR1020170034687A KR102252357B1 (ko) | 2017-03-20 | 2017-03-20 | 벤팅 유도부를 포함하는 파우치형 이차전지 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020170034687A KR102252357B1 (ko) | 2017-03-20 | 2017-03-20 | 벤팅 유도부를 포함하는 파우치형 이차전지 |
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