KR102282411B1 - 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전극조립체와 전해액이 내장되는 케이스를 가지며 상기 케이스의 테두리를 따라 밀봉을 이루는 실링부가 형성된 이차전지에 있어서, 기체분자는 투과가능하나 전해액은 투과가 불가능하게 형성되며 상기 케이스에 장착된 기체분리막;을 포함하고, 상기 기체분리막은 일측면이 상기 케이스의 내측을 향하고 타측면은 상기 케이스의 외측을 향하도록 장착되어, 상기 케이스 내부와 외부의 압력차이에 의해 케이스 내부에서 생성된 기체가 상기 기체분리막을 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은 기체분리막을 통해 케이스 내부에 생성된 기체를 외부로 배출할 수 있으므로 케이스의 부풀음 및 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

이차전지 및 그 제조방법{Secondary battery and manufacturing method thereof}
본 발명은 이차전지(더 상세하게는 파우치형 이차전지) 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 케이스 내부에서 발생하는 가스(기체 CO2)를 상기 케이스 외부로 배출할 수 있는 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일차전지와는 달리 충방전이 가능한 이차전지는 디지털 기기 뿐만 아니라 전기 자동차 등과 같은 운송수단용으로도 개발이 이뤄지고 있다.
이차전지는 양극과 음극의 재질 및 외부 형상에 따라 다양하게 분류될 수 있으나, 이 중에서 리튬 화합물 재질을 사용하는 리튬 이차전지는 용량이 크고 자가 방전율이 적어 종래의 니켈-카드뮴 이차전지 등을 대신하여 널리 사용되고 있다.
그리고, 상기 리튬 이차전지는 다양한 형태로 제조 가능한데, 대표적으로 원통형(cylinder type), 각형(prismatic type), 파우치형(pouch type)으로 제조되는 것이 일반적이다.
이중, 파우치형 이차전지는 도 1 에 도시된 바와 같이 케이스(10, 파우치)와 상기 케이스(10)에 내장되어 전기 에너지를 충방전하는 전극조립체(30)를 포함한다. 상기 케이스(10)가 개방된 상태에서 내부에 전극조립체(30)가 안착된 후 전해액이 주입된 다음에, 상기 케이스(30)의 가장자리를 따라 밀봉되도록 열융착에 의해 실링되는 실링부(11)가 형성된다. 즉, 상기 케이스(10)에서 전극조립체(30)가 내장되는 중앙 부분 보다 얇게 형성되는 테두리 부분이 실링부(11)로 형성된다.
한편, 상기와 같은 구조의 파우치형 이차전지는 상대적으로 가볍고 형상을 다양하게 디자인할 수 있다는 장점이 있지만, 고온노출, 외부충격 등과 같은 요인에 의해 내부에서 가스(기체 CO2)가 발생하고 이에 따라 케이스(10)가 부풀어오르는 문제(스웰링 현상)가 발생하기도 하였다.
따라서, 본 발명은 케이스 내부에서 가스가 발생하여 케이스가 부풀어오르는 문제를 해결할 수 있는 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 것에 주목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전극조립체와 전해액이 내장되는 케이스를 가지며 상기 케이스의 테두리를 따라 밀봉을 이루는 실링부가 형성된 이차전지에 있어서, 기체분자는 투과가능하나 전해액은 투과가 불가능하게 형성되며 상기 케이스에 장착된 기체분리막;을 포함하고, 상기 기체분리막은 일측면이 상기 케이스의 내측을 향하고 타측면은 상기 케이스의 외측을 향하도록 장착되어, 상기 케이스 내부와 외부의 압력차이에 의해 케이스 내부에서 생성된 기체가 상기 기체분리막을 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 기체분리막은 다수 개의 통공들을 갖는 다공성 물질로 제조되며, 상기 통공들은 100 pm 내지 500 pm 범위의 크기를 갖는다.
상기 기체분리막은 제올라이트(zeolite)를 함유한 재질이거나, 고분자 멤브레인으로 제조될 수 있다.
아울러, 상기 케이스의 내부면에는 기체가 흡착되는 흡착재가 도포 또는 첨가 될 수 있다.
상기 흡착재는 아민(amine), 리튬(lithim), 칼슘(calcium) 중 어느 하나 이상을 함유하는 물질로써 기체 CO2 를 화학적으로 흡착할 수 있거나, 또는 탄소질물질(carbonaceous material), 제올라이트, 나노기공성실리카(ordered mesoporous silica), 금속유기구조체(metal-organic framework) 중 어느 하나 이상을 함유하는 물질로써 기체 CO2 를 물리적으로 흡착할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에서는 상기 케이스에 관통홀이 타공되며, 상기 기체분리막은 관통홀을 덮도록 장착된다. 상기 관통홀은 전극조립체와 이격된 지점에 형성된다.
그리고, 본 발명의 다른실시예에서, 상기 케이스는 내층, 금속층, 외층이 적층된 구조를 갖되, 상기 내층이 케이스의 내부면을 형성하도록 구성되며, 상기 기체분리막은 금속층과 맞닿는 면의 반대쪽 면에서 내층에 적층되어 실링부 내에서 일측은 케이스 내부에 면(面)하고 타측은 케이스 외부로 면(面)하도록 장착된다.
이 실시예에서, 상기 내층, 금속층, 외층 각각은 70 내지 90 ㎛ 범위의 두께를 가지며, 상기 기체분리막은 40 내지 100 ㎛ 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 내층과 기체분리막은 초음파융착이 가능하되, 상기 내층과 기체분리막 각각은 폴리프로필렌을 함유하는 재질인 것이 바람직하다.
상기의 실시예 구조를 갖는 이차전지를 제조하는 방법은 두 가지가 제공된다.
첫번째 방법은, 케이스의 제조 시, 실링부가 형성될 위치에 기체분리막을 내층에 부착시키는 단계; 및 케이스를 닫은 상태에서 열융착을 통해 내부에 기체분리막이 배치되도록 실링부를 형성하는 단계;를 포함하는 방법이다.
두번째 방법은, 케이스가 열린 상태에서 실링부가 형성될 위치에서 기체분리막을 내층에 접하도록 위치시키는 단계; 및 케이스를 닫은 상태에서 열융착을 통해 내부에 기체분리막이 배치되도록 실링부를 형성하는 단계;를 포함하는 방법이다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은 기체분리막을 통해 케이스 내부에 생성된 기체를 외부로 배출할 수 있으므로 케이스의 부풀음 및 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기 기체분리막은 기체 상태의 CO2 분자는 통과가능하되 전해액 분자는 통과가 불가능한 100 내지 500 pm(피코미터) 크기의 통공을 갖는 다공성 물질로 제조되어 기체의 원활한 배출이 가능하다.
아울러, 본 발명의 케이스의 내부면에는 기체 상태의 CO2 를 화학적으로 또는 물리적으로 흡착하는 흡착재가 도포되어 기체 상태의 CO2 는 전해액 내에서 기포상태로 돌아다니지 않고, 케이스의 내부면에 포집된 상태로 있게 되므로, 상기 케이스의 내외부 압력차 발생시 보다 효율적으로 배출될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 케이스에 관통홀이 추가적으로 타공된 상태에서 상기 관통홀을 덮도록 기체분리막을 추가할 수도 있되, 케이스를 제조할 때 기체분리막을 내층에 부착시키거나 케이스가 열린 상태에 있을 때 기체분리막을 삽입하여 상기 기체분리막을 장착시킬 수 있으므로, 종래의 공정을 그대로 사용할 수 있다.
도 1 은 종래의 파우치형 이차전지의 케이스가 열린 상태 및 닫힌 상태를 각각 도시한 사시도.
도 2 는 본 발명의 제1실시예에서 케이스에 기체분리막이 장착된 위치를 나타낸 평면도와 상기 케이스 일부분의 단면모습이 나타난 도면.
도 3 은 도 2 에서 관통홀이 형성된 부분 위에 기체분리막이 안착되는 모습이 나타난 도면.
도 4 는 도 3 에서 C-C 부분의 단면모습으로써 기체분리막이 안착된 부분(A)의 단면도.
도 5 는 도 4 에서 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 6 은 본 발명의 제2실시예에서 실링부가 형성되는 부분을 점선으로 표시한 평면도.
도 7 은 도 6 에서 케이스의 단면모습이 나타난 단면도.
도 8 은 도 6 에서 실링부의 단면 모습이 확대되어 나타난 단면도.
** 단, 도 5 와 도 8 에서는 케이스를 구성하는 층들이 보다 명확하게 나타나도록 각 층들은 기체분리막 보다 상대적으로 더 두껍게 도시되었으나, 본 발명의 기체분리막의 두께는 도면에 표시된 비율로 제한되지 않는다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 전극조립체(30)와 전해액이 내장되는 케이스(10)를 가지며 상기 케이스(10)의 테두리를 따라 밀봉을 이루는 실링부(11)가 형성된 이차전지에 관한 것이다.
아래에서 설명될 본 발명의 실시예들은 공통적으로 케이스(10)에 기체분리막(20)이 장착되어 케이스(10) 내부에서 생성된 가스가 상기 케이스(10) 외부로 배출될 수 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 기체분리막(20)은 기체분자는 투과가능하나 전해액은 투과가 불가능하게 형성되며 일측면이 상기 케이스(10)의 내측을 향하고 타측면은 상기 케이스(10)의 외측을 향하도록 장착되어, 상기 케이스(10) 내부와 외부의 압력차이에 의해 케이스(10) 내부에서 생성된 기체를 외부로 배출시킨다.
본 발명에서 상기 기체분리막(20)은 다수 개의 통공들을 갖는 다공성 물질로 제조되며, 상기 통공들은 100 pm 내지 500 pm(picometer) 범위의 크기를 갖는다. 즉, 케이스(10) 내부에서 형성되는 기체 CO2 분자는 상기 통공을 통과할 수 있으나, 분자구조가 고분자 사슬구조를 갖는 전해액은 상기 통공을 통과할 수 없다.
상기 기체분리막(20)은 위와 같은 기능을 제공하는 공지의 여러 재질들이 채택될 수 있다. 가령, 상기 기체분리막(20)은 제올라이트(zeolite)를 함유한 재질이거나, 고분자 멤브레인(고분자 화합물 소재로 제조된 멤브레인)으로 제조될 수 있다.
아울러, 본 발명에서 케이스(10)는 내층(10a), 금속층(10b), 외층(10c)이 적층되고 각각의 층 사이에 접착제(10d)가 도포된 구조를 갖는다. 즉, 상기 내층(10a)이 케이스(10)의 내부면을 형성하도록 구성되며, 외층(10c)은 케이스(10)의 외부면을 형성하고, 금속층(10b)은 외층과 내층 사이에 위치한다. 상기 내층(10a)과 외층(10c)은 폴리머(polymer)로 제조되되, 내층(10a)은 폴리프로필렌(polypropylen)으로 제조되고, 외층(10c)은 PET(Polyethylene Terephthalate) 또는 나일론(Nylon)으로 제조될 수 있으며, 금속층(10b)은 알루미늄재로 제조될 수 있다. 참고적으로 상기 내층(10a), 금속층(10b), 외층(10c) 각각은 (일반적으로 사용되던 두께인) 70 내지 90 ㎛ 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 상기 기체분리막(20)은 두께가 과도하게 두꺼워지는 것을 방지하되 기체투과율을 고려하여 40 내지 100 ㎛ 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 도 2 에 도시된 바와 같이 케이스(10)의 내부면을 구성하는 내층(10a)에는 기체가 흡착되는 흡착재(40)가 도포 또는 첨가 될 수 있다.
상기 케이스(10) 내에서 생성되는 가스는 대부분이 기체 CO2 이므로, 본 발명에서 상기 흡착재(40)는 기체 CO2 를 화학적으로 흡착할 수 있는 아민(amine), 리튬(lithim), 칼슘(calcium) 중 어느 하나 이상을 함유하는 물질로 제조되거나, 또는 기체 CO2 를 물리적으로 흡착할 수는 탄소질물질(carbonaceous material), 제올라이트, 나노기공성실리카(ordered mesoporous silica), 금속유기구조체(metal-organic framework) 중 어느 하나 이상을 함유하는 물질로 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 기체분리막(20)의 장착 위치가 다른 두 개의 실시예를 제공한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세히 설명한다.
실시예1
도 2 는 본 발명의 제1실시예에서 케이스(10)에 기체분리막(20)이 장착된 위치를 나타낸 평면도와 상기 케이스(10) 일부분의 단면모습이 나타난 도면이고, 도 3 은 도 2 에서 관통홀(12)이 형성된 부분 위에 기체분리막(20)이 안착되는 모습이 나타난 도면이며, 도 4 는 도 3 에서 C-C 부분의 단면모습으로써 기체분리막(20)이 안착된 부분(A)의 단면도이고, 도 5 는 도 4 에서 A 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 실시예1에서는 전극조립체(30)와 이격된 지점(바람직하게는 실링부로 이어지는 경사진 지점)에서 상기 케이스(10)에 관통홀(12)이 타공되며, 상기 기체분리막(20)은 관통홀(12)을 외부에서 덮도록(또는 경우에 따라서는 내부에서 덮도록) 장착된다.
이 지점은 케이스(10)의 윗쪽부분과 아랫쪽 부분이 중간에서 밀봉될 때 경사가 형성되는 부분으로써 전극조립체(30)와 이격되어 (전해액으로만 채워진) 공간이 형성된 지점이다. 이 지점을 케이스(10)의 제조시 타공하여 관통홀(12)을 형성하고, 상기 관통홀(12) 위로 도 3 에 도시된 바와 같이 (관통홀 보다 더 큰 면적을 갖는) 기체분리막으로 덮은 후에 겹쳐진 부분을 열융착(heat sealing)으로 밀봉시켜 기체분리막(20)을 고정시킬 수 있다.
이와 같이 기체분리막(20)이 결합된 상태에서 전극조립체(30) 및 전해액이 내장된 후 케이스(10)의 밀봉이 이뤄지면, 상기 케이스(10) 내부에 가스가 발생했을 때, 케이스(10) 내부와 외부의 압력차에 기인하여(케이스 내부의 압력이 외부의 압력 보다 더 높으므로) 가스는 기체분리막(20)을 통해 케이스(10) 외부로 방출이 이뤄진다.
이때, 전술한 바와 같이 케이스(10)의 내부면에는 흡착제(40)가 도포되어 있기 때문에, 상기 기체 CO2 는 전해액에서 떠돌지 않고 내부면에 모아진 상태이므로 (기체 CO2 가 전해액에서 떠도는 상태 보다) 배출이 더 용이하게 이뤄진다.
실시예2
도 6 은 본 발명의 제2실시예에서 실링부(11a)가 형성되는 부분을 점선으로 표시한 평면도이고, 도 7 은 도 6 에서 케이스(10)의 단면모습이 나타난 단면도이며, 도 8 은 도 6 에서 실링부(11a)의 단면 모습이 확대되어 나타난 단면도이다.
이 실시예에서는 별도의 타공홀을 형성하지 않고 기체분리막(20)이 실링부(11a) 내에 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 전술한 바와 같이 상기 내층(10a)이 케이스(10)의 내부면을 형성하도록 구성되므로, 종래의 구조에서는 케이스(10)가 닫힐 때 상기 케이스(10) 윗쪽부분의 내층(10a)과 아랫쪽부분의 내층(10a)이 맞닿은 상태에서 열융착이 이뤄져서 밀봉이 이뤄졌으나, 본 발명의 이 실시예에서는 기체분리막(20)이 금속층(10b)과 맞닿는 면의 반대쪽 면에서 내층(10a)에 적층되므로써 기체분리막(20)이 실링부(11a)의 중간에 적층되도록 구성된다.
이때, 상기 기체분리막(20)은 도 7 에 도시된 바와 같이 실링부(11a) 내에서 일측은 케이스(10) 내부에 면하고(내부로 노출되고) 타측은 케이스(10) 외부로 면하도록(외부로 노출되도록) 장착된다.
이러한 구조는 두 가지 방법으로 제조될 수 있다(실시예 2-1, 실시예 2-2).
(실시예 2-1)
첫번째 방법은 케이스(10)의 제조 시에 실링부(11a)가 형성될 위치에 기체분리막(20)을 내층(10a)에 먼저 부착시킨 다음에 케이스(10)를 닫은 상태에서 열융착을 통해 내부에 기체분리막(20)이 배치되도록 실링부(11a)를 형성하는 방법이다.
(실시예 2-2)
그리고, 두번째 방법은 케이스(10)가 열린 상태에서 실링부(11a)가 형성될 위치에서 기체분리막(20)을 내층(10a)에 접하도록 위치시킨 다음에 케이스(10)를 닫은 상태에서 열융착을 통해 내부에 기체분리막(20)이 배치되도록 실링부(11a)를 형성하는 방법이다.
두 가지 방법 모두 도 7 과 같은 형태로 기체분리막(20)을 실링부(11a)에 위치시킬 수 있되, 첫번째 방법은 케이스(10)가 열린상태에서 기체분리막(20)을 배치하는 공정이 삭제되므로 보다 빠른 생산이 이뤄질 수 있을 것이고, 두번째 방법은 기체분리막(20)을 배치하는 공정만 추가하면 종래의 공정을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 상기 내층(10a)과 기체분리막(20)은 초음파융착이 가능하되, 상기 내층(10a)과 기체분리막(20) 각각은 (초음파융착이 가능한 재질인) 폴리프로필렌을 함유하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 기체분리막(20)을 통해 케이스(10) 내부에 생성된 기체를 외부로 배출할 수 있으므로 케이스(10)의 부풀음 및 파손을 방지할 수 있고, 상기 기체분리막(20)은 다공성 물질로 제조되어 기체의 원활한 배출이 가능하다.
또한, 본 발명의 케이스(10)의 내부면에는 기체 상태의 CO2 를 화학적으로 또는 물리적으로 흡착하는 흡착재(40)가 도포되어 기체 상태의 CO2 는 전해액 내에서 기포상태로 돌아다니지 않고, 케이스(10)의 내부면에 포집된 상태로 있게 되므로, 상기 케이스(10)의 내외부 압력차 발생시 보다 효율적으로 배출될 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 케이스(10)를 제조할 때 기체분리막(20)을 내층(10a)에 부착시키거나 케이스(10)가 열린 상태에 있을 때 기체분리막(20)을 삽입하여 상기 기체분리막(20)을 장착시킬 수 있으므로, 종래의 공정을 그대로 사용할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
10 : 케이스
10a : 내층
10b : 금속층
10c : 외층
11, 11a : 실링부
20 : 기체분리막
30 : 전극조립체

Claims (15)

  1. 전극조립체와 전해액이 내장되는 케이스를 가지며 상기 케이스의 테두리를 따라 밀봉을 이루는 실링부가 형성된 이차전지에 있어서,
    기체분자는 투과가능하나 전해액은 투과가 불가능하게 형성되며 상기 케이스에 장착된 기체분리막;을 포함하고,
    상기 기체분리막은 일측면이 상기 케이스의 내측을 향하고 타측면은 상기 케이스의 외측을 향하도록 장착되어, 상기 케이스 내부와 외부의 압력차이에 의해 케이스 내부에서 생성된 기체가 상기 기체분리막을 통해 외부로 배출되고,
    상기 케이스에는 관통홀이 타공되되 상기 관통홀은 전극조립체와 이격되어 실링부로 이어지는 경사진 지점에 형성되며, 상기 기체분리막은 관통홀을 덮도록 장착되고,
    상기 케이스의 내부면에서 관통홀에 인접하는 지점에는 기체가 흡착되는 흡착재가 도포 또는 첨가되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체분리막은 다수 개의 통공들을 갖는 다공성 물질로 제조되며, 상기 통공들은 100 pm 내지 500 pm 범위의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기체분리막은 제올라이트(zeolite)를 함유한 재질인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 기체분리막은 고분자 멤브레인인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착재는 아민(amine), 리튬(lithim), 칼슘(calcium) 중 어느 하나 이상을 함유하는 물질로써 기체 CO2 를 화학적으로 흡착할 수 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착재는 탄소질물질(carbonaceous material), 제올라이트, 나노기공성실리카(ordered mesoporous silica), 금속유기구조체(metal-organic framework) 중 어느 하나 이상을 함유하는 물질로써 기체 CO2 를 물리적으로 흡착할 수 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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