KR102261683B1 - 비대칭 노치가 형성된 전극리드를 포함하는 파우치형 이차전지 - Google Patents

비대칭 노치가 형성된 전극리드를 포함하는 파우치형 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리막이 개재된 상태로 양극과 음극이 적층된 구조의 전극조립체를 포함하는 파우치형 이차전지에 있어서, 상기 전극조립체의 전극 탭들과 전기적으로 연결되는 전극 리드의 제1면에는 전극 리드의 파단을 유도하기 위한 비대칭 형상의 노치가 형성되어 있고, 상기 전극 리드의 제1면 및 제2면에는 전극리드와 전지케이스의 접착력을 높이기 위한 리드 필름이 부착되어 있으며, 상기 리드 필름은, 상기 노치를 중심으로 전극조립체 수납부 방향에 위치하는 제 1 리드 필름 및 전지케이스 외측으로 돌출된 전극 리드 방향에 위치하는 제 2 리드 필름으로 구성되는 파우치형 이차전지에 대한 것이다.

Description

비대칭 노치가 형성된 전극리드를 포함하는 파우치형 이차전지 {Pouch-Type Secondary Battery Having Electrode Lead with Asymmetric Notch}
본 발명은 비대칭 노치가 형성된 전극리드를 포함하는 파우치형 이차전지에 대한 것으로, 보다 상세하게는, 전극 탭과 연결된 전극리드에 깊이 내지 폭의 크기가 변하는 노치가 형성되어 있어서, 소망하는 조건에서 전극리드의 파단이 용이하게 이루어져 이차전지가 단선될 수 있는 특성을 갖는 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, 휴대폰, 웨어러블 디바이스(Wearable Device), Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품은 물론, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형제품, 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치 및 백업용 전력 저장 장치에도 사용되고 있다.
이와 같은 이차전지는, 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.
또한, 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있으며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
한편, 일반적으로 원통형 전지셀 및 각형 전지셀은, 전지의 오작동 내지 과충전에 의한 전지셀 팽창시 압력이 증가하는 현상을 이용하여 전지의 직렬연결을 물리적으로 차단하는 기구적 전류 차단 장치(CID, Current Interrupt Device)를 사용하고 있는 반면, 파우치형 전지셀은 이와 같은 부재를 포함하지 않는다.
따라서, 파우치형 전지셀은, 전지셀의 비정상적인 사용에 의해 과전류가 흐르는 경우, 이를 미연에 차단하지 못하여 폭발이 일어날 수 있는 문제가 있다.
또한, 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 별도의 장치를 전지셀 내부에 추가하는 것을 고려할 수 있으나, 전지셀의 용량이 줄어드는 문제가 있으므로, 고용량 고효율의 전지셀을 제조하기 위한 추세에 부합하지 못한다.
이와 관련하여, 한국 공개특허공보 제 2016-0129763 호는, 열팽창계수가 서로 다른 금속들로 구성된 바이메탈 탭을 구비한 전지에 대한 것으로서, 상기 바이메탈 탭은 전지의 비정상적인 작동 조건 하의 고온에서 바이메탈 탭의 상부와 하부가 상이한 정도로 열팽창되어 전극 리드로부터 단락을 유발시키는 기술을 개시하고 있다.
한국 등록특허공보 제 1601123 호는, 전극 탭과 연결된 제 1 전극리드 및 상기 제 1 전극리드와 탈착 가능하게 연결되어 전지케이스의 내부로부터 외부까지 연장되어 노출되는 제 2 전극리드를 포함하는 이차전지에 대한 것으로서, 전지의 비정상 상태에 따른 전지 내압 상승시 상기 전극리드들이 서로 탈착되어 전류가 차단되는 기술을 개시하고 있다.
한국 등록특허공보 제 1614434 호는, 단락 등의 발생으로 인해 이차전지에 과전류가 흐르는 경우 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 설치된 커넥팅 부품이 신속히 파단됨으로써 과전류를 차단하므로 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있는 이차전지를 개시하고 있다.
한국 공개특허공보 제 2012-0139590 호는, 전극 리드를 통해 과전류가 흘러 융단 분리부에 포함된 무연 솔더링 브릿지의 온도가 150~300도까지 상승할 경우, 융단 분리부를 중심으로 전극 리드가 파단되어 과전류의 흐름이 비가역적으로 차단되는 이차전지를 개시하고 있다.
그러나, 전극 탭과 연결되는 전극리드 자체에 파단이 용이한 구조가 형성되어, 전지셀의 비정상적인 작동 환경에서 빠르고 정확하게 전류가 차단되는 기술에 대한 인식이 전혀 없다.
따라서, 파우치형 전지셀의 경우, 별도의 추가적인 장치를 구비하지 않더라도 전지셀의 부피 팽창 등 비정상적인 상태에서 전류를 차단할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
한국 공개특허공보 제 2016-0129763 호
한국 등록특허공보 제 1601123 호
한국 등록특허공보 제 1614434 호
한국 공개특허공보 제 2012-0139590 호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극조립체의 전극 탭들과 전기적으로 연결되는 전극 리드의 일면에 전극 리드의 파단을 유도하기 위한 비대칭 노치를 형성하여, 이차전지의 비정상적인 사용에 의한 스웰링 발생시, 상기 노치 부분에서 전극리드가 신속하게 파단될 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 노치의 깊이 내지 폭을 일정하지 않게 형성함으로써, 상대적으로 노치의 깊이가 깊고 폭이 넓은 부분에서 더욱 빠르게 전극리드의 파단을 유도할 수 있는 바, 전지셀 내부의 압력이 약한 경우에도 빠르게 전류의 차단이 가능하다.
따라서, 이차전지의 비정상적인 사용의 경우, 고온 발화 현상에 따른 폭발을 방지할 수 있으므로, 안전성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 분리막이 개재된 상태로 양극과 음극이 적층된 구조의 전극조립체를 포함하는 파우치형 이차전지에 있어서,
상기 전극조립체의 전극 탭들과 전기적으로 연결되는 전극 리드의 제1면에는 전극 리드의 파단을 유도하기 위한 비대칭 형상의 노치가 형성되어 있고
상기 전극 리드의 제1면 및 제2면에는 전극리드와 전지케이스의 접착력을 높이기 위한 리드 필름이 부착되어 있으며,
상기 리드 필름은, 상기 노치를 중심으로 전극조립체 수납부 방향에 위치하는 제 1 리드 필름 및 전지케이스 외측으로 돌출된 전극 리드 방향에 위치하는 제 2 리드 필름으로 구성될 수 있다.
이와 같이, 전극 탭들과 연결되는 전극 리드의 제1면에는 노치가 형성되어 있고, 전극 리드의 양면에는 전지케이스에 대한 접착력을 높이기 위한리드 필름이 부착되어 있기 때문에, 전지셀 내부 압력이 증가되어 전지케이스가 팽창하는 경우 전극 리드의 파단이 유도될 수 있다.
따라서, 종래에 파우치형 이차전지의 경우, 금속 캔형의 이차전지와 달리 전지의 오작동에 따른 전지케이스의 팽창 압력을 이용해 전지의 연결을 물리적으로 차단하는 CID 소자와 같은 장치가 없어서, 전지의 발열 내지 팽창시 초기 상태에 빠르게 전류를 차단하기 어려웠던 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 신속한 전류 차단을 위한 별도의 추가적인 부재를 전지셀 내부에 포함하지 않기 때문에, 전지의 용량이 저하되는 문제를 방지할 수 있으며, 종래의 전지셀 제조 과정을 그대로 이용할 수 있는 장점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 리드 필름은 전극 리드에서 노치가 형성된 제1면의 반대면인 전극 리드의 제2면에만 위치하는 바, 상기 제 1 리드 필름이 부착된 전지케이스 방향으로 파단된 전극 리드를 이동시킬 수 있다.
상기 제 2 리드 필름은 전극리드를 중심으로 전극 리드의 제1면 및 제2면에서 적어도 일부가 서로 중첩되도록 위치할 수 있는 바, 즉, 상기 제 2 리드 필름은 전극 리드에 부착된 상태에서 전지케이스의 밀봉을 위해 열융착이 이루어지면, 전극 리드의 양측면에서 전극 리드를 감싸도록 부착될 수 있다.
상기 제 2 리드 필름은, 전극 리드의 상면에 위치하는 상부 리드 필름과 전극리드의 하면에 위치하는 하부 리드 필름의 평면상 크기가 서로 상이할 수 있고, 예를 들어, 상기 제 2 리드 필름은, 전극리드를 기준으로 제 1 리드 필름이 위치하는 방향에 부착된 리드 필름의 크기가 대향하는 방향에 위치하는 리드 필름의 크기보다 작을 수 있다.
따라서, 상기 리드 필름의 노치부에서 파단이 이루어지는 경우, 제 2 리드 필름이 부착된 전극 리드는 전지케이스의 실링부에 고정된 상태에서, 전극 리드에서 노치가 형성된 방향에 부착되어 있고 상대적으로 크기가 큰 제 2 리드 필름이 접착된 전지케이스 방향으로 이동하고, 전극 리드에서 노치가 형성되지 않은 방향에 부착되어 있는 제 1 리드 필름이 부착된 전극 리드는 제 1 리드 필름이 접착된 전지케이스 방향으로 이동한다.
즉, 제 1 리드 필름이 전극 리드의 노치가 형성되지 않은 반대면에만 부착되어 있고, 제 2 리드 필름이 전극 리드의 양측면에서 서로 크기가 상이한 상태로 부착되어 있는 것은, 전극 리드가 파단되는 경우 전극 리드의 일측부는 상부 케이스 방향으로 이동하고 전극 리드의 타측부는 하부 케이스 방향으로 이동하거나, 또는 전극 리드의 일측부는 하부 케이스 방향으로 이동하고 전극 리드의 타측부는 상부 케이스 방향으로 이동하는 것을 유도하기 위함이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 리드는, 전극 탭과 연결되어 전지 케이스 외부로 돌출된 전극 리드의 길이 방향에 수직인 방향으로 파단되도록 형성되는 것이 바람직한 바, 상기 노치는, 전극리드의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로 전극리드의 일측 끝단에서 타측 끝단까지 연속적인 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 노치가 형성된 부분에서 신속하고 정확하게 전극 리드가 파단되기 위하여, 상기 노치는 일정한 크기 및 형상으로 이루어지는 것과 비교할 때, 비대칭 형상으로 이루어지는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
구체적으로, 상기 노치의 오목한 중심부 깊이는 전극 리드의 길이 방향에 수직인 방향과 평행한 제 1 방향으로 증가하도록 형성될 수 있는 바, 상기 제 1 방향은 전극 리드의 길이를 세로축으로 할 때, 이에 대해 수직인 가로축 방향으로서, 우측에서 좌측을 향하는 방향일 수 있고, 또는 좌측에서 우측을 향하는 방향일 수 있다.
즉, 상기 노치의 오목한 중심부 깊이는 전극 리드의 우측에서 좌측을 향하는 방향, 또는 좌측에서 우측을 향하는 방향으로 연속적, 또는 비연속적으로 증가할 수 있으며, 바람직하게는 연속적으로 증가할 수 있다.
또한, 상기 노치의 폭은 노치의 오목한 중심부 깊이가 증가하는 제 1 방향으로 증가할 수 있는 바, 노치의 중심부 깊이 및 폭이 가장 큰 부분에서부터 파단이 시작될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 노치가 형성된 부분의 전극 리드 두께는 노치가 형성되지 않은 전극 리드의 두께를 기준으로 10% 내지 90% 일 수 있고, 상세하게는 30% 내지 80%일 수 있다. 상기 노치가 형성된 부분의 전극 리드 두께가 노치가 형성되지 않은 전극 리드의 두께를 기준으로 10% 보다 작은 경우에는 전지셀의 정상적인 작동 상태에서도 전극 리드가 파단될 수 있으며, 90%보다 큰 경우에는 소망하는 환경에서 전극 리드의 파단을 유도하기 위한 목적을 달성하기 어려우므로 바람직하지 않다.
한편, 상기 노치의 오목한 중심부 깊이는 연속적 또는 비연속적으로 증가하는 바, 노치 깊이의 최대값에 대한 최소값의 비율은 0.1 내지 0.9일 수 있고, 상세하게는 0.3 내지 0.7일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 리드는 노치를 중심으로 제 1 리드 필름이 부착된 내측 전극 리드, 및 제 2 리드 필름이 부착된 외측 전극 리드로 구성될 수 있고, 상기 내측 전극 리드 및 외측 전극 리드는, 상기 노치가 파단된 상태에서 각각 상부 케이스 또는 하부 케이스 중 어느 하나에 각각 부착될 수 있다.
상기 파우치형 이차전지는, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
이하에서는, 상기 리튬 이차전지의 기타 성분에 대해 설명한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체에 양극활물질 입자들로 구성된 양극활물질과, 도전재 및 바인더가 혼합된 양극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 상기 양극 활물질 입자 외에, 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (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 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, 0.01≤x≤0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등으로 구성될 수 있으며, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 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 양극에 포함되는 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체에 음극활물질 입자들로 구성된 음극활물질과, 도전재 및 바인더가 혼합된 음극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 음극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (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.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 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, 폴리불화비닐리덴, 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, 클로로보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산트리아미드, 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
또한, 전극조립체에는 판상형의 전극집전체로부터 돌출된 구조의 전극 탭이 구비된다. 전극 집전체는 전극활물질이 도포된 부분과 전극활물질이 도포되지 않은 부분(이하, "무지부"라 약칭)으로 구성되고, 전극 탭은 무지부를 재단하여 형성한 것이거나 무지부에 초음파 용접 등에 의해 연결시킨 별도의 도전부재일 수 있다.
전극 탭은 전지 내부와 외부의 전자 이동경로 역할을 수행하는 것으로서, 상기 전극리드는 이 전극 탭과 스폿 용접 등에 의해 연결된다. 전극리드는 양극 탭 및 음극 탭의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드 및 음극 리드는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드는 양극 판과 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드는 음극 판과 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 최종적으로 전극리드는 단자부를 통하여 외부단자와 전기적으로 연결된다.
보통 양극 집전판으로는 알루미늄 재질을, 음극 집전판으로는 구리 재질을 사용하는데, 스웰링 현상 발생시 알루미늄 호일보다는 구리 호일이 더 쉽게 파열되는 경향이 있으므로, 양극 리드보다는 음극 리드의 파열 가능성이 더 높을 수 있다. 그러한 경우에는 음극 리드를 이러한 파단 가능한 전극리드로 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 파우치형 이차전지를 포함하는 전지팩을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 상세한 예로는, 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 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); 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등을 들 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 전극 탭들과 연결된 전극 리드의 제1면 상에 비대칭 형상의 노치가 형성되어 있는 바, 이차전지의 비정상적인 작동에 의한 전지 팽창시 상기 노치 부분에서 전극리드의 파단이 용이하게 이루어질 수 있으므로, 신속하게 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
또한, 상기 노치의 두께 및 깊이가 일정하지 않도록 형성되는 경우에는, 전지셀의 팽창이 과도하게 진행되기 전에 상대적으로 노치의 깊이가 깊거나 폭이 넓은 전극리드 부분에서 신속한 파단이 이루어질 수 있으므로, 전지셀의 폭발 내지 발화를 방지할 수 있다.
도 1은 예시적인 기존 파우치형 전지셀을 나타낸 도면이다;
도 2는 예시적인 파우치형 전지셀이 가스발생으로 부피팽창을 나타낸 도면이다;
도 3은 하나의 실시예에 따른 노치가 형성되고 리드 필름이 부착된 전극 리드의 파단 전후 상태를 나타낸 사시도이다; 및
도 4는 도 3의 전극 리드를 포함하는 파우치형 이차전지의 부분 수직 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 전극 단자가 서로 반대 방향으로 돌출된 종래의 파우치형 전지셀의 분해도를 나타내고, 도 2는 전극 단자가 같은 방향으로 평행하게 돌출된 종래의 파우치형 전지셀이 내압에 의해 팽창된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 적층된 전극조립체(120)는 상부케이스(110) 및 하부케이스(130)로 구성되는 전지케이스 내부에 수납되어 있고, 전극조립체(120)의 양측 끝단에 돌출된 형태의 전극 탭(122)이 형성되어 있으며, 돌출된 전극 탭(122)은 전극리드(124, 125)에 연결되어 있다.
전극 탭과 연결되지 않은 전극 리드(124, 125)의 타단은 전지케이스(110, 130)의 외부로 노출되어 있고, 상기 전극조립체의 주변을 감싸고 있는 전지케이스(110, 130)는 최내측에 있는 접착층에 의해 밀봉된다. 상기 전극 리드(124, 125)가 전지케이스의 접착층 사이에 개재되는 부분에는 리드 필름(123)이 부착된 상태로 밀봉된다.
도 2를 참조하면, 도 1의 전지셀과 달리 전극 단자가 일측 방향으로 돌출된 구조의 파우치형 전지셀로서, 양극 리드(124a) 및 음극 리드(125a)가 전지케이스 실링부의 일측 방향으로 돌출되어 있다.
양극 리드(124a) 및 음극 리드(125a)가 전지케이스 실링부와 접하는 부분에는 밀봉력을 향상시키기 위한 리드 필름(123a)이 개재된 상태로 밀봉이 되어 있다.
전극조립체 수납부(100)는 전지셀의 활성화 과정 또는 비정상적인 사용에 따른 내부 가스 증가로 인해 팽창된 상태인 바, 전지셀의 팽창에 의해 전극 단자의 위치 내지 방향에 변형이 일어날 수 있고, 전지셀 팽창이 특정 범위를 벗어나게 되면 폭발이 일어날 수 있는 문제가 있다.
도 1 및 도 2는 상부케이스 및 하부 케이스로 분리되는 구조의 전지케이스를 포함하는 이차전지를 개시하고 있으나, 본 발명의 범위는 상부케이스 및 하부 케이스의 일측이 연결된 일 부재로 이루어진 전지케이스를 포함하는 이차전지를 포함한다.
도 3은 노치가 형성되고 리드 필름이 부착된 전극 리드 및 상기 전극 리드가 파단된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 전극 리드(210)의 길이 방향(A)에 수직인 방향으로 전극 리드의 일측 끝단에서 타측 끝단까지 직선형의 노치(230)가 형성되어 있으며, 노치(230)를 중심으로 전극조립체 방향의 전극 리드 하면에는 제 1 리드 필름(221)이 부착되고 전지케이스 외부로 인출되는 방향의 전극 리드 상면 및 하면에는 제 2 리드 필름(222a, 222b)이 부착되어 있다.
노치(230)가 형성된 전극 리드의 상면에 부착된 제 2 리드 필름(222a)은 전극 리드의 하면에 부착된 제 2 리드 필름(222b)보다 크기가 크며, 제 2 리드 필름(222a)과 제 2 리드 필름(222b)은 전지케이스 외부로 인출되는 방향의 끝단에서 전극 리드를 중심으로 서로 중첩되도록 부착되어 있다. 따라서, 제 2 리드 필름이 서로 중첩되는 부분은 전지케이스의 실링부 열융착시 전극 리드를 둘러싸게 된다.
노치(230)는 전극 리드의 길이 방향(A)에 수직인 방향으로서 오른쪽으로 갈수록 연속적으로 깊이가 증가하고, 전극 리드의 상면에서 노치의 폭은 오른쪽으로 갈수록 연속적으로 증가하고 있다.
전극 리드의 노치에서 파단이 일어나는 경우 전극 리드(210)는 내측 전극 리드(211) 및 외측 전극 리드(212)로 분리되고, 노치의 깊이 및 폭이 큰 전극 리드의 우측에서 파단이 먼저 일어날 것이다.
노치가 형성된 부분의 전극 리드 두께는 노치가 형성되지 않은 전극 리드의 두께를 기준으로 10% 내지 90%의 범위에서 형성될 수 있으며, 상기 노치의 깊이 및 폭이 증가하는 구조라면, 노치의 깊이 및 폭이 증가하는 방향, 및 증가가 연속적인지 또는 비연속적인지 여부는 특별히 한정되지 않는다.
도 4는 도 3의 전극 리드를 포함하는 파우치형 이차전지의 수직 단면도 일부를 모식적으로 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 전극조립체(201)의 일측으로 돌출된 전극 탭들(202)은 전극 리드(210)의 일측 끝단에서 전극 리드와 결합되어 있고, 제 1 리드 필름(221)의 일면은 전극 리드에 부착되고 타측면은 하부 케이스(242)의 내측면에 부착되어 있다.
제 2 리드 필름(222) 가운데 전극 리드(210)의 상면에 부착된 제 2 리드 필름(222a)은, 전극 리드가 부착된 면의 타면이 상부 케이스(241)에 부착되고, 전극 리드의 하면에 부착된 제 2 리드 필름(222b)은 전극 리드가 부착된 면의 타면이 하부 케이스(242)에 부착되어 있다.
제 1 리드 필름(221) 및 제 2 리드 필름(222)은 모두 파우치형 전지케이스의 외주변 실링부 상에 위치하고 있다.
전지셀 내부에서 발생하는 가스에 의해 파우치형 전지케이스가 외측으로 팽창되는 경우, 상부 케이스(241)에 부착된 제 2 리드 필름(222a)에 의해 외측 전극 리드(212)는 상향으로 절곡되고, 하부 케이스(242)에 부착된 제 1 리드 필름(221)에 의해 내측 전극 리드(211)는 하부 케이스의 팽창 방향으로 이동하게 된다. 이 때, 상부 케이스의 팽창 방향과 하부 케이스의 팽창 방향 각각으로 이동하는 전극 리드는 일정한 한계에 도달하면 노치 부분에서 파단이 일어나게 되는 바, 도 3에 도시된 바와 같이 노치의 폭과 깊이가 큰 부분에서 먼저 파단이 일어나게 된다.
따라서, 본 발명과 같이, 비대칭적인 형상의 노치가 형성된 전극 리드 및 상기 전극 리드에 부착된 제 1 및 제 2 리드 필름을 포함하는 파우치형 이차전지의 경우, 소망하는 정도의 내압이 발생하여 파우치형 전지케이스가 팽창하는 경우, 신속하고 정확하게 전극 리드가 파단되면서 전류의 흐름을 차단할 수 있는 바, 전지케이스의 팽창에 따른 폭발 내지 고온 현상에 따른 발화를 방지할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 전지셀
110: 상부케이스
120, 201: 전극조립체
122, 202: 전극 탭
123: 리드 필름
124: 양극리드
125: 음극리드
130: 하부케이스
210: 전극 리드
211: 내측 전극 리드
212: 외측 전극 리드
221: 제 1 리드 필름 222, 222a, 222b: 제 2 리드 필름
230: 노치
241: 상부 케이스
242: 하부 케이스

Claims (13)

  1. 분리막이 개재된 상태로 양극과 음극이 적층된 구조의 전극조립체를 포함하는 파우치형 이차전지에 있어서,
    상기 전극조립체의 전극 탭들과 전기적으로 연결되는 전극 리드의 제1면에는 전극 리드의 파단을 유도하기 위한 비대칭 형상의 노치가 형성되어 있고,
    상기 전극 리드의 제1면 및 제2면에는 전극리드와 전지케이스의 접착력을 높이기 위한 리드 필름이 부착되어 있으며,
    상기 리드 필름은, 상기 노치를 중심으로 전극조립체 수납부 방향에 위치하는 제 1 리드 필름 및 전지케이스 외측으로 돌출된 전극 리드 방향에 위치하는 제 2 리드 필름으로 구성되고,
    상기 제 1 리드 필름은 전극리드의 제2면에만 위치하며,
    상기 제 2 리드 필름은, 전극리드의 제2면에 부착된 리드 필름의 크기는 전극리드의 제1면에 부착된 리드 필름의 크기보다 작고,
    상기 노치는, 전극리드의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로 전극리드의 일측 끝단에서 타측 끝단까지 직선 형상으로 이루어지며,
    상기 노치는 전극 리드의 길이 방향에 수직인 방향인 제 1 방향으로 갈수록 연속적으로 깊이가 증가하고, 전극 리드의 상면에서 노치의 폭은 상기 제 1 방향으로 갈수록 연속적으로 증가하며,
    상기 노치가 형성된 부분의 전극 리드 두께는 노치가 형성되지 않은 전극 리드의 두께 보다 작은 파우치형 이차전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 리드 필름은 전극리드를 중심으로 전극 리드의 제1면 및 제2면에서 적어도 일부가 서로 중첩되도록 위치하는 파우치형 이차전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 노치가 형성된 부분의 전극 리드 두께는 노치가 형성되지 않은 전극 리드의 두께를 기준으로 10% 내지 90%인 파우치형 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 노치의 오목한 중심부 깊이는, 최대값에 대한 최소값의 비율이 0.1 내지 0.9인 파우치형 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 리드는 노치를 중심으로 제 1 리드 필름이 부착된 내측 전극 리드, 및 제 2 리드 필름이 부착된 외측 전극 리드로 구성되고,
    상기 제 1 리드 필름 및 제 2 리드 필름은 파우치형 전지케이스의 외주변 실링부 상에 위치하는 파우치형 이차전지.
  12. 삭제
  13. 제 1 항, 제 3 항 및 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 파우치형 이차전지를 포함하는 디바이스.
KR1020170085693A 2017-07-06 2017-07-06 비대칭 노치가 형성된 전극리드를 포함하는 파우치형 이차전지 KR102261683B1 (ko)

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