KR102488800B1 - 향상된 기계적 강도를 갖는 외장재를 포함하는 전지 캔 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극조립체가 전해액과 함께 수납되는 전지 캔에 있어서,
상기 전지 캔은 금속 소재로 이루어지고, 절연성 외장재가 상기 전지 캔의 외면을 감싸고 있으며, 상기 절연성 외장재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 나일론을 포함하는 소재로 이루어진 전지 캔에 대한 것이다.
상기 전지 캔은 금속 소재로 이루어지고, 절연성 외장재가 상기 전지 캔의 외면을 감싸고 있으며, 상기 절연성 외장재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 나일론을 포함하는 소재로 이루어진 전지 캔에 대한 것이다.
Description
본 발명은 향상된 기계적 강도를 갖는 외장재를 포함하는 전지 캔에 대한 것으로서, 구체적으로, 금속 소재로 이루어진 전지 캔의 외면을 절연성 외장재가 감싸고 있고, 상기 절연성 외장재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 나일론을 포함하는 소재로 이루어진 전지 캔에 대한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지는 다양한 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다.
일반적으로, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류되며, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형 및 소정 크기의 다수의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이와 같이 고에너지 밀도를 갖는 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 금속 캔에 내장되어 원통형 이차전지를 구성할 수 있으며, 전기자동차, E-bike 등과 같이 고용량의 이차전지의 적용이 필요한 분야에서 널리 사용되고 있다.
상기 원통형 이차전지는 원통형 전지케이스의 손상을 방지하고, 전지케이스와 도체가 접촉되어 쇼트되는 것을 방지하기 위하여, 절연물질로 이루어진 외장재를 전지케이스의 외면에 적용한다.
상기 외장재는 일반적으로 중공이 있는 튜브 구조로 이루어지며, 전지케이스의 절연성 확보 및 외관 보호의 목적을 고려할 때, 강성이 높은 소재가 사용되는 것이 바람직하다. 그러나, 외장재의 강성이 증가할수록 용이하게 깨지거나 쉽게 벗겨지는 문제가 발생하는 바, 이차전지의 절연성을 확보하기 어려운 문제가 있다.
이에, 특허문헌 1은 원통형 전지의 외장재로서 나일론 소재로 이루어진 절연성 외장재 또는 PET 소재로 이루어진 절연성 외장재를 개시하고 있으나, 필름 타입 또는 접착제가 도포된 테이프 타입 형태의 외장재이며, PET가 갖는 내열성 및 나일론이 갖는 높은 인장강도 등의 특성을 보완할 수 없는 문제가 있다.
특허문헌 2는 나일론, 폴리에틸렌 또는 고무 등으로 된 외장재가 금속제의 전지 캔 외면에 부가된 구조만을 개시하고 있을 뿐, 이들 소재가 갖는 특성 등을 인식하지 못하고 있다.
따라서, 원통형 이차전지의 절연성을 확보하고, 전지 캔의 외면을 보호하기 위한 외장재로서, 기계적 강성이 향상된 소재의 개발에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하기 위하여, 금속 소재로 이루어진 전지 캔의 외면을 감싸는 절연성 외장재로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 나일론을 포함하는 소재를 사용함으로써, 인장 강도 및, 연신율이 현저히 향상된 외장재를 제공할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
전극조립체가 전해액과 함께 수납되는 전지 캔에 있어서,
상기 전지 캔은 금속 소재로 이루어지고, 절연성 외장재가 상기 전지 캔의 외면을 감싸고 있으며,
상기 절연성 외장재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 나일론을 포함하는 소재로 이루어진 전지 캔에 대한 것이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전지 캔은 금속 소재로 이루어지기 때문에 절연성 확보가 중요한 문제인 바, 상기 전지 캔의 외면을 감싸는 구조로 절연성 외장재를 사용한다. 그러나, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 소재로만 이루어진 종래의 절연성 외장재는 강성이 낮기 때문에 이차전지의 외관을 보호하는 역할을 하기에 부족했다.
이에, 폴리에틸렌테레프탈레이트에 일정한 양의 나일론을 추가함으로써 인장강도 및 연신율이 현저히 향상된 절연성 외장재를 제공할 수 있게 되었다.
즉, 본 발명에 따른 절연성 외장재는 폴리에틸렌테레프탈레이트의 높은 내열 특성과 나일론의 높은 인장강도의 특성을 모두 갖는 바, 이와 같은 절연성 외장재가 이차전지의 외면을 감싸도록 부가되는 경우에는, 절연성 외장재가 찢어지거나 벗겨지는 것을 방지할 수 있고, 쉽게 외장재가 벗겨지지 않는다.
따라서, 상기와 같은 절연성 외장재를 이차전지에 부가함으로써 절연성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 절연성 외장재는 전체 중량을 기준으로 나일론을 5중량% 내지 10중량%로 포함할 수 있고, 바람직하게는 전체 중량을 기준으로 나일론을 7중량% 내지 10중량%로 포함할 수 있다. 또는, 상기 절연성 외장재는 PET 90 중량% 내지 95중량% 및 나일론 5중량% 내지 10중량%로 이루어질 수 있다.
상기 나일론의 함량이 전체 중량을 기준으로 5중량% 보다 적게 포함되는 경우에는 기계적 강도 향상의 효과를 얻기 어렵고, 10중량% 보다 많이 포함되는 경우에는 상대적으로 유리전이온도가 낮은 나일론의 함량이 많아지기 때문에 이차전지의 발열시 형태가 유지되지 않거나, 튜브 형태로 가공이 어렵기 때문에 바람직하지 않다.
상기 절연성 외장재는 튜브 형태로 이루어지고, 상기 전지 캔의 길이보다 긴 길이로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 전지 캔의 측면을 포함한 외면을 상기 튜브 형태의 절연성 외장재가 둘러싸고 있는 구조로 이루어질 수 있고, 상기 절연성 외장재가 전지 캔의 외면에 접하면서 수축될 수 있는 바, 전지의 외면을 완전히 감싸도록 적용되기 위하여, 상기 전지 캔의 길이 보다 긴 길이의 절연성 외장재가 전지 캔의 외면에 적용된 상태에서 수축되어 전지의 외면을 감싸는 구조일 수 있다.
또한, 상기 전지 캔은 외부 디바이스와의 전기적 연결을 위한 전극 단자부가 형성되어 있는데, 상기 절연성 외장재는 상기 전극 단자부를 제외한 나머지 부분에는 모두 적용되는 것이 바람직한 바, 예를 들어, 상기 절연성 외장재는 상기 전지 캔의 측면과 상면 일부 및 하면 일부를 감싸는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 절연성 외장재는 폴리에틸렌테레프탈레이트와 함께 나일론을 포함하는 소재로 이루어지기 때문에 나일론을 포함하지 않는 경우와 비교할 때 더 높은 인장 강도를 갖고, 연신율이 향상된다. 구체적으로, 상기 절연성 외장재의 인장 강도는 600kgf/cm2 내지 800kgf/cm2일 수 있고, 더욱 상세하게는 600kgf/cm2 내지 700kgf/cm2일 수 있으며, 상기 절연성 외장재의 연신율은 700% 내지 800%일 수 있고, 더욱 상세하게는 730% 내지 780%일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 절연성 외장재는 전지 캔의 절연성을 확보할 수 있도록 부가되는 구조라면 그 형태가 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 필름타입, 접착제가 도포된 테이프 타입 또는 열수축성 튜브 형태로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 필름 형태의 외장재가 전지 캔의 외면에 부가되는 구조일 수 있고, 이 때 외장재의 전지 캔과 대향하는 면에는 접착층이 형성될 수 있으며, 또는 접착제가 도포된 테이프 타입으로서 전지 캔의 외면을 1회 또는 복수회 감싸는 구조로 이루어질 수 있다. 또는, 중공이 형성된 긴 관 형태로 이루어지고 열수축성을 갖는 튜브 형태일 수 있는 바, 상기 튜브 형태의 절연성 외장재의 중공 내에 전지 캔을 위치시킨 상태에서 상기 절연성 외장재를 가열하면 상기 절연성 외장재가 수축되어 전지 캔의 외면에 부착되는 구조일 수 있다.
상기 전지 캔의 형상은 수납되는 전극조립체의 형상에 따라 적절히 선택적으로 적용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 전지 캔은 각형 또는 원통형의 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 전지 캔은 금속 소재로 이루어지는 바, 전기 절연성 및 강성도 등을 고려하여 필요한 성질을 갖는 소재로 적용될 수 있고, 예를 들어, 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 재질로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지 캔은 2개 이상의 전지 캔이 직렬 또는 병렬로 연결된 상태에서 상기 1개의 절연성 외장재를 이용하여 고정 및 절연이 이루어질 수 있는 바, 상기 절연성 외장재는 중공이 형성된 튜브 형태로 이루어지고, 상기 중공 내부에는 2개 이상의 전지 캔이 위치하도록 배치될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지 캔을 단위셀로 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 전지 캔은 절연성 외장재가 상기 전지 캔의 외면을 감싸는 구조로 이루어지는 바, 상기 절연성 외장재는 폴리에틸렌테레프탈레이트의 높은 내열 특성과 나일론의 높은 인장강도의 특성을 모두 갖는다. 따라서, 상기 절연성 외장재는 인장강도 및 연신율이 향상되는 바, 안전성 평가시 상기 절연성 외장재가 벗겨지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기와 같이 벗겨짐 현상이 일어나지 않는 절연성 외장재를 이차전지에 부가함으로써 현저히 높은 절연성이 확보된 이차전지를 얻을 수 있다.
도 1은 실험예 1에서 실시예 1의 응력 변형 곡선(S-S Curve)를 나타낸다.
도 2는 실험예 1에서 비교예 1의 응력 변형 곡선(S-S Curve)를 나타낸다.
도 3은 실험예 2에 따른 실시예 2의 필링 시험 결과를 보여주는 사진이다.
도 4는 실험예 2에 따른 비교예 2의 필링 시험 결과를 보여주는 사진이다.
도 2는 실험예 1에서 비교예 1의 응력 변형 곡선(S-S Curve)를 나타낸다.
도 3은 실험예 2에 따른 실시예 2의 필링 시험 결과를 보여주는 사진이다.
도 4는 실험예 2에 따른 비교예 2의 필링 시험 결과를 보여주는 사진이다.
이하, 실시예를 통해 본원 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본원 발명을 예시하기 위한 것이며, 본원 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
전지 캔의 피복용 절연성 외장재로서, 원통형 튜브 형태로 이루어지고, 상기 절연성 외장재의 전체 중량을 기준으로 나일론이 10중량% 포함된 PET 소재로 이루어진 절연성 외장재 3개를 준비하였다.
<비교예 1>
전지 캔의 피복용 절연성 외장재로서, 원통형 튜브 형태로 이루어지고, PET 소재로 이루어진 절연성 외장재 3개를 준비하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 및 비교예 1의 절연성 외장재들의 인장 강도 및 연신율을 측정하기 위하여 만능재료실험기(Universal Test Machine)를 이용하였다.
상기 절연성 외장재 시험편들을 테스트기에 위치시킨 후 일정한 속도로 연신하면서 응력 변형곡선(S-S Curve)를 측정하였고, 실시예 1의 결과를 도 1에 도시하고, 비교예 1의 결과를 도 2에 도시하였으며, 그 구체적인 값은 표 1과 같다.
| 실시예 1 | 비교예 1 | |
| 인장강도 (Kgf/cm2) | 636 (평균) | 569 (평균) |
| 연신율 (%) | 750 (평균) | 683 (평균) |
상기 표 1과 도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예 1의 절연성 외장재의 인장강도 및 연신율은 비교예 1의 절연성 외장재의 값보다 현저히 향상된 값을 나타내고 있다. 따라서, 나일론 10중량%가 포함된 PET 소재의 절연성 외장재는 기계적인 강성이 향상되었음을 알 수 있다.
<실시예 2>
상기 실시예 1의 절연성 외장재가 원통형 전지의 외면을 감싸도록 부가하여 외장재가 부가된 원통형 전지 3개를 제조하였다.
<비교예 2>
상기 비교예 1의 절연성 외장재가 원통형 전지의 외면을 감싸도록 부가하여 외장재가 부가된 원통형 전지 3개를 제조하였다.
<실험예 2>
상기 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 원통형 전지에 대해, 절연성 외장재가 벗겨지는 정도를 알아보기 위하여, 상기 원통형 전지들을 회전시험 용기에 위치시키고 66rpm으로 110분간 회전실험을 하였다.
도 3은 상기 실시예 2의 원통형 전지들의 회전시험 전과 후의 상태를 나타내는 사진이고, 도 4는 상기 비교예 2의 원통형 전지들의 회전시험 전과 후의 상태를 나타내는 사진이다.
상기 도 3 및 도 4를 참조하면, 실시예 2의 전지의 경우에는 3개 모두 절연성 외장재가 벗겨지지 않고 처음과 동일한 상태를 유지하고 있으나, 비교예 2의 전지의 경우에는 2개의 전지는 절연성 외장재가 벗겨진 상태를 보이고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 절연성 외장재를 사용한 전지는 더 높은 절연성을 확보할 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 (11)
- 전극조립체가 전해액과 함께 수납되는 전지 캔에 있어서,
상기 전지 캔은 금속 소재로 이루어지고, 절연성 외장재가 상기 전지 캔의 외면을 감싸고 있으며,
상기 절연성 외장재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 나일론을 포함하는 소재로 이루어지고,
상기 절연성 외장재는 PET 90 중량% 내지 95중량% 및 나일론 5중량% 내지 10중량%로 이루어지며,
상기 절연성 외장재의 인장 강도는 600 kgf/㎠ 내지 800 kgf/㎠이고,
상기 절연성 외장재의 연신율은 700 % 내지 800 %인 전지 캔. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 절연성 외장재는 튜브 형태로 이루어지고, 상기 전지 캔의 길이보다 긴 길이로 이루어진 전지 캔.
- 제1항에 있어서, 상기 절연성 외장재는 상기 전지 캔의 측면과 상면 일부 및 하면 일부를 감싸는 구조로 이루어진 전지 캔.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 절연성 외장재는 필름타입, 접착제가 도포된 테이프 타입 또는 열수축성 튜브 형태로 이루어진 전지 캔.
- 제1항에 있어서, 상기 전지 캔은 각형 또는 원통형의 형상으로 이루어진 전지 캔.
- 제1항에 있어서, 상기 전지 캔은 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 재질로 이루어진 전지 캔.
- 제1항에 있어서, 상기 절연성 외장재는 중공이 형성된 튜브 형태로 이루어지고, 상기 중공 내부에는 2개 이상의 전지 캔이 위치하는 전지 캔.
- 제1항, 제3항, 제4항 및 제7항 내지 제10항 중 어느 하나에 따른 전지 캔을 포함하는 전지팩.
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