KR102384888B1 - 리튬 이차 전지 및 이를 포함하는 이차 전지 서브 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 서브 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하며, 가스배리어층을 포함하는 플라스틱 케이스; 및 상기 전극 조립체가 수납된 플라스틱 케이스를 밀봉하는 파우치 필름 덮개;를 포함함으로써 두께가 현저히 증가된 전지 구현이 가능하여 용량을 구조 제한 없이 늘릴 수 있고, 내통기성을 가지므로 내구성 확보가 가능하며 절연 불량 발생이 감소하여 생산성이 향상된 리튬 이차 전지 및 이를 포함함으로써 에너지 밀도가 높고 컴팩트한 형상 구현이 가능하며 제조 비용이 감소된 리튬 이차 전지 서브 모듈에 관한 것이다.

Description

리튬 이차 전지 및 이를 포함하는 이차 전지 서브 모듈{LITHIUM SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY SUB MODULE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 리튬 이차 전지 및 이를 포함하는 이차 전지 서브 모듈에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능하고 가벼우면서도 에너지 밀도 및 출력 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 기존 내연 기관 자동차의 대기오염 및 온실가스 문제를 해결하기 위한 대체방안으로 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV), 배터리 전기자동차(BEV), 전기자동차(EV) 등이 제시되고 있는데, 리튬 이차 전지는 이러한 내연기관 대체 자동차의 동력원으로서도 주목받고 있다.
리튬 이차 전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 분류되며, 전극조립체가 수용되는 외장재의 형상에 따라 원통형, 각형 또는 파우치형으로 분류된다.
이 중, 파우치형은 금속층(포일)과 상기 금속층의 상면과 하면에 코팅되는 합성수지층의 다층막으로 구성되는 파우치 필름을 사용하여 외관을 구성하기 때문에, 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어 전지의 경량화가 가능하며, 다양한 형태로의 변화가 가능하다는 장점이 있다.
다만, 파우치 필름의 구조상 성형 깊이에 한계가 있어 두께가 6 mm 이상인 전지를 구현하기 위해서는 성형한 파우치를 겹쳐 접합해야 하는 문제가 있었다.
한국공개특허 제10-2013-0089614호는 탄소섬유, 세라믹 및 용매를 포함하는 이차전지용 외장재 조성물 및 이를 포함하여 형성된 외장재에 대하여 개시하고 있으나, 전술한 문제점에 대한 대안을 제시하지는 못하였다.
한국공개특허 제10-2013-0089614호
본 발명은 전지 두께 제한 없이 고용량의 구현이 가능하여 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 내통기성 및 장기내구성을 갖는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 에너지 밀도가 높고 컴팩트하며 서브 모듈 제조 비용이 감소된 리튬 이차 전지 서브 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 리튬 이차 전지의 일 실시예는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하며, 가스배리어층을 포함하는 플라스틱 케이스; 및 상기 전극 조립체가 수납된 플라스틱 케이스를 밀봉하는 파우치 필름 덮개;를 포함할 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지의 일 실시예에서, 상기 플라스틱 케이스는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지의 일 실시예에서, 상기 플라스틱 케이스는 사출 성형될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지의 일 실시예에서, 상기 가스배리어층은, 에틸렌비닐알콜공중합체; 폴리염화비닐리덴; 폴리비닐알콜; 나일론; 폴리아미드; 폴리아크릴로니트릴, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌비닐알콜공중합체 및 아이노머의 공중합체; 금속필름; 실리카, 알루미나, 고무, 금속, 유리 및 비정형 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나로 형성된 코팅층; 및 층상 규산염 나노입자가 폴리비닐알콜계 바인더에 분산된 코팅층을 구비한 필름;으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지의 일 실시예에서, 상기 가스배리어층은 상기 플라스틱 케이스의 내측 표면에 형성될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지의 일 실시예에서, 상기 플라스틱 케이스가 복수의 층으로 형성되고, 상기 가스배리어층은 상기 플라스틱 케이스의 내부층에 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 이차 전지 서브 모듈의 일 실시예는, 방열판; 및 상기 방열판의 양측에 각각 배치되는 본 발명에 따른 리튬 이차 전지;를 포함하며, 상기 각 리튬 이차 전지는 파우치 필름 덮개가 상기 방열판과 마주보도록 배치될 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 그 두께가 현저히 증가된 전지 구현이 가능하여 용량을 구조 제한 없이 늘릴 수 있으므로 종래의 리튬 이차 전지에 비해 에너지 밀도가 높다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 내통기성을 가지므로 전지의 내구성을 확보할 수 있다.
본 발명의 리튬 이차 전지는 파우치의 성형 공정 없이 제조되므로 절연 불량 발생이 감소하여 생산성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이차 전지 서브 모듈은 에너지 밀도가 높고 컴팩트한 형상 구현이 가능하며, 제조 비용이 감소하여 경제적이다.
도 1은 종래의 파우치형 이차 전지 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지 서브 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하며, 가스배리어층을 포함하는 플라스틱 케이스; 및 상기 전극 조립체가 수납된 플라스틱 케이스를 밀봉하는 파우치 필름 덮개;를 포함함으로써 두께가 현저히 증가된 전지 구현이 가능하여 용량을 구조 제한 없이 늘릴 수 있고, 내통기성을 가지므로 내구성 확보가 가능하며 절연 불량 발생이 감소하여 생산성이 향상된 리튬 이차 전지 및 이를 포함함으로써 에너지 밀도가 높고 컴팩트한 형상 구현이 가능하며 제조 비용이 감소된 리튬 이차 전지 서브 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지는 도 2에, 리튬 이차 전지 서브 모듈은 도 3에 도시하였다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
리튬 이차 전지 (40)
파우치 필름 덮개(10)
본 발명의 리튬 이차 전지(40)는 후술하는 플라스틱 케이스(20)에 전극조립체(30)를 포함시킨 후 상기 전극 조립체(30)가 수납된 플라스틱 케이스(20)를 밀봉하는 파우치 필름 덮개(10)를 포함한다.
상기 파우치 필름 덮개(10)를 형성하는 재질은 당 분야에 일반적으로 사용되는 파우치 필름이 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 범위 내라면 그 종류에 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
구체적인 예를 들면 순차적으로 열접착성을 가져 실링제 역할을 하는 폴리에틸렌, 무연신 폴리프로필렌 또는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 또는 이들의 공중합체에 의한 접착층으로 구성된 내부 수지층; 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층의 역할을 하는 금속박층; 상기 전지 셀을 외부의 충격으로부터 보호하기 위하여 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 나일론 또는 액정고분자수지 등의 기능성 고분자 필름인 외부 수지층;을 포함하는 다층막 구조로 구성된 것일 수 있다.
전술한 내부 수지층, 금속박층, 외부 수지층은 각각 2개층 이상의 복수층으로 형성될 수 있으며, 전술한 층 외에도 당분야에 공지된 구성이 제한 없이 본 발명의 파우치 필름 덮개(10)에 적용될 수 있다.
상기 파우치 필름 덮개(10)와 플라스틱 케이스(20)와의 밀봉은 재질의 특성을 고려하여 열 융착방식에 의할 수 있으나, 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 범위 내라면 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 양자의 밀봉성을 높이기 위해서 플라스틱 케이스(20)와 접촉하는 내부 수지층은 플라스틱 케이스(20)와 동일한 소재로 형성될 수 있다.
플라스틱 케이스(20)
플라스틱 케이스(20)는 본 발명의 리튬 이차 전지(40) 내부 공간에 전극조립체(30)를 수용하고 가스배리어층을 포함한다.
종래의 파우치형 이차 전지(3)는 도 1과 같이 파우치 필름 덮개(1)로 형성된 공간에 전극 조립체(2)를 삽입하고 전해액을 주입하여 밀봉하는 방법으로 제조되었는바, 파우치 필름의 성형 깊이상의 한계로 인해 전지 두께가 6 mm 이상인 경우에는 파우치에 크랙이 발생하는 문제가 있었다. 따라서 이를 해결하기 위해 성형된 파우치를 서로 마주보게 접합하는 방식으로 전지를 제조하고 있으나, 여전히 파우치 성형의 깊이에 제한이 존재하므로 단위 셀에서의 전지 용량을 높이는데 구조적인 한계가 있다.
이에 본 발명은, 가스배리어층을 포함하는 플라스틱 케이스(20)로 전극 조립체(30)를 구비할 수 있는 공간을 만들어 이에 전극 조립체(30)를 수납한 후 이를 파우치 필름 덮개(10)로 덮어 열융착 방식으로 밀봉함으로써, 플라스틱 소재의 특성상 성형되는 형태에 실질적인 제한이 없으므로 그 두께 제한이 없는 전지를 구현할 수 있다. 이에 의해 종래 이차 전지에서 구현할 수 없는 고용량의 이차 전지 구현이 가능함에 따라 리튬 이차 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있다.
한편, 플라스틱 소재의 경우 통기성을 갖는 경우가 대부분이므로 이를 전지의 외장재로 사용할 경우 전지의 장기내구성이 문제된다. 이에 본 발명의 리튬 이차 전지(40)는 상기 플라스틱 케이스(20)가 가스배리어층을 포함하도록 함으로써 내통기성을 확보함에 따라 전지 내외부로의 가스 유출입을 방지하여 장기내구성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 파우치의 성형 공정 없이 제조되므로 절연 불량 발생기 감소하는바 제조시 생산성이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 플라스틱 케이스(20)를 구성하는 재질의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 구체적인 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나가 포함되는 것이 성형가공성, 밀봉성 및 절연성 보장의 관점에서 보다 바람직하다.
본 발명에 따른 플라스틱 케이스(20)는 그 형상을 조절하여 두께가 큰 전지를 구현할 수 있는바, 상기 플라스틱 케이스(20)의 가공 방법은 특별히 한정되지는 않으나, 전지 케이스의 형태상 사출 성형 가공 방식이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 가스배리어층은 특별히 제한되지 않고, 구체적인 예를 들면 에틸렌비닐알콜공중합체; 폴리염화비닐리덴; 폴리비닐알콜; 나일론; 폴리아미드; 폴리아크릴로니트릴, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌비닐알콜공중합체 및 아이노머의 공중합체; 금속필름; 실리카, 알루미나, 고무, 금속, 유리 및 비정형 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나로 형성된 코팅층; 및 층상 규산염 나노입자가 폴리비닐알콜계 바인더에 분산된 코팅층을 구비한 필름;으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것이 가공성, 내통기성 확보 측면에서 보다 바람직하다.
본 발명의 일 구현예로 상기 가스배리어층은 상기 플라스틱 케이스(20)의 내측 표면에 형성되어 플라스틱 케이스(20) 내부에 수용되는 전극 조립체(30)와 접하도록 위치할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현예로써 상기 플라스틱 케이스(20)가 가스배리어층의 상하부에 각각 하나 이상의 플라스틱 층을 포함하는 다층 구조인 경우, 상기 플라스틱 케이스(20)의 내부층으로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로 플라스틱 케이스(20)의 소재가 폴리프로필렌인 경우의 예를 들면, 폴리프로필렌/가스배리어층/폴리프로필렌인 구조일 수 있다.
전극 조립체(30)
본 발명의 리튬 이차 전지(40)에 포함되는 전극 조립체(30)는 당 분야에 공지된 것으로 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 범위 내라면 특별히 제한되지 않고, 구체적인 예를 들면 하기의 전극 조립체(30)와 같을 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 전극 조립체(30)는 양극판, 세퍼레이터, 음극판 순으로 배치되어서 일방향으로 와인딩되거나, 다수장의 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 적층된 형상일 수 있다. 전극 조립체(30)의 각 극판은 양극탭 및 음극탭과 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 극판은 양극탭 및 음극탭의 일단부가 리이드를 통하여 외부로 돌출될 수 있다. 돌출된 리이드의 일단부는 도시되지 않은 외부 단자와 접속될 수 있다. 상기 리이드의 외면에는 외곽부와 접촉하는 부분에서 상기 케이스 본체 및 덮개와 리이드와의 전기적 단락을 방지하기 위하여 각각의 전극테이프가 감겨져 있는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차 전지(40)는, 이를 단위 전지로 하는 중대형 전지모듈 또는 전지팩에 적용될 수 있다. 상기 중대형 전지모듈 또는 전지팩은 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.
중대형 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 방식 또는 직렬/병렬 방식으로 연결하여 고용량을 제공하도록 구성되어 있으며, 그에 대해서는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에는 관련 설명을 생략한다.
리튬 이차 전지 서브 모듈(60)
본 발명은, 방열판(50); 및 상기 방열판(50)의 양측에 각각 배치되는 본 발명의 리튬 이차 전지(40)를 포함하며, 상기 리튬 이차 전지(40)는 파우치 필름 덮개(10)가 상기 방열판(50)과 마주보도록 배치되는 리튬 이차 전지 서브 모듈(60)을 제공한다.
본 발명의 리튬 이차 전지 서브 모듈(60)은 전지 내부에서 발생한 열을 외부로 방출하기 위해 단위 리튬 이차 전지(40) 사이에 방열판 (cooling panel)(50)을 포함하여 발생된 열을 흡수하도록 한다. 상기 방열판(50)은 알루미늄, 구리 등의 재질로 구성될 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 방열판(50)의 양측에는 전술한 본 발명의 리튬 이차 전지(40)가 배치되는데, 상기 리튬 이차 전지(40)는 파우치 필름 덮개(10)가 상기 방열판(50)과 마주보도록 배치된다.
파우치형 단위 리튬 이차 전지를 사용하는 종래의 전지 서브 모듈은 모듈의 외측에 파우치형 전지를 보호하기 위한 셀 커버가 별도로 필요하다. 하지만, 본 발명에 따른 리튬 이차 전지 서브 모듈은 플라스틱 케이스(20)가 모듈의 외측에 배치되므로 별도의 셀 커버는 필요하지 않다.
따라서, 본 발명의 리튬 이차 전지 서브 모듈(60)은 종래의 리튬 이차 전지를 포함하는 서브 모듈에 비해 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라, 플라스틱 케이스(20) 자체의 강성에 의해 별도의 셀 커버나 판넬부를 불포함함에 따라 컴팩트한 형상 구현이 가능하고 이에 따라 제조 비용이 감소되어 경제적이다.
1, 10: 파우치 필름 덮개
20: 플라스틱 케이스
2, 30: 전극 조립체
3, 40: 리튬 이차 전지
50: 방열판
60: 리튬 이차 전지 서브 모듈

Claims (18)

  1. 복수의 리튬 이차 전지들 및 상기 리튬 이차 전지들 사이에 배치된 방열판을 포함하고,
    상기 리튬 이차 전지들 각각은,
    전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수납하는 공간을 포함하며, 사출 성형물인, 플라스틱 케이스;
    상기 플라스틱 케이스의 내측 표면에 형성된 가스 배리어층; 및
    상기 전극 조립체가 수납된 플라스틱 케이스를 밀봉하는, 필름 형태의 덮개;를 포함하며,
    상기 리튬 이차 전지의 두께는 6 mm 이상이고,
    상기 리튬 이차 전지들은 상기 필름 형태의 덮개들이 상기 방열판을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치되는, 리튬 이차 전지 서브 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 플라스틱 케이스는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리에틸렌나프탈레이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하여 형성된, 리튬 이차 전지 서브 모듈.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 가스배리어층은, 에틸렌비닐알콜공중합체; 폴리염화비닐리덴; 폴리비닐알콜; 나일론; 폴리아미드; 폴리아크릴로니트릴, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌비닐알콜공중합체 및 아이노머의 공중합체; 금속필름; 실리카, 알루미나, 고무, 금속, 유리 및 비정형 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나로 형성된 코팅층; 및 층상 규산염 나노입자가 폴리비닐알콜계 바인더에 분산된 코팅층을 구비한 필름;으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 리튬 이차 전지 서브 모듈.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 필름 형태의 덮개는 내부 수지층, 금속박층 및 외부 수지층을 포함하는 적층필름인, 리튬 이차 전지 서브 모듈.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 가스 배리어층 내측 표면에 플라스틱층을 더 포함하고,
    상기 필름 형태의 덮개의 내부 수지층은 상기 플라스틱층과 동일한 소재인, 리튬 이차 전지 서브 모듈.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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