KR102626846B1 - 가스 배출 부재 및 이를 구비한 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 투과성을 갖는 시트로서 상기 시트의 주변부에 홀을 구비하는 가스 배출 부재 및 이를 구비하는 이차전지를 개시한다. 본 발명의 일 실시양태에 따른 가스 배출 부재는 이차 전지의 케이스와의 접착 특성이 향상될 수 있다.

Description

가스 배출 부재 및 이를 구비한 이차전지{GAS DISCHARGING MEMBER AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 가스 배출 부재 및 이를 구비한 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 가지고 있다.
이러한 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 여기서, 전지케이스에 내장되는 전극 조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재한 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이 중에서도, 특히 스택형 또는 스택/폴딩형 전극 조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조 비용, 작은 중량, 용이한 변형 형태 등을 이유로 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
한편, 최근 전지 셀의 에너지 밀도가 증가함에 따라, 전지 셀 내부에서 발생하는 가스량 또한 증가되는 문제가 있다. 전지 셀 내부에서 발생된 가스가 용이하게 배출되지 않는 경우, 전지 셀은 가스 발생으로 인해 벤팅 현상이 발생될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전지 케이스의 일부에 케이스를 두께 방향으로 관통하는 개구부를 형성하고, 개구부의 내측에 상기 개구부 전체를 커버하는 가스 투과성 시트로 된 가스 배출 부재를 접착시킴으로써, 전지 셀 내부에서 발생된 가스가 가스 투과성 가스 배출 부재를 투과하여 개구부를 통해 배출하도록 한 이차 전지가 제안되었다. 가스 투과성 가스 배출 부재를 투과하여 전지 셀 내부에서 발생된 가스가 원활히 방출되면 벤팅이 발생되지 않고 셀의 작동이 지속될 수 있다.
가스 배출 부재가 전지 케이스와 견고히 결착되어 있지 않으면 가스 배출능이 저하되고 전지 셀 외부의 수분이 전지 셀 내부로 침투하게 되므로, 전지 케이스에 대한 가스 배출 부재의 결착력을 개선할 필요가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전지 케이스에 대한 결착력이 향상된 가스 배출 부재 및 이를 구비하는 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예들의 가스 배출 부재가 제공된다.
제1 구현예는,
가스 투과성을 갖는 시트로서, 상기 시트의 주변부에 홀을 구비하는 가스 배출 부재에 관한 것이다.
제2 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 주변부는 상기 시트의 끝단으로부터 시트 전체 길이의 2/5까지의 길이에 상응하는 영역일 수 있다.
제3 구현예는, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,
상기 주변부의 폭은 상기 시트의 끝단으로부터 2 mm 이상일 수 있다.
제4 구현예는, 제3 구현예에 있어서,
상기 주변부의 폭은 상기 시트의 끝단으로부터 15 mm 이하일 수 있다.
제5 구현예는, 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 시트는 직사각형이고, 상기 홀은 상기 주변부의 양쪽 가로 영역 또는 양쪽 세로 영역에 위치할 수 있다.
제6 구현예는, 제1 구현예 내지 제5 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 시트는 직사각형이고, 상기 홀은 상기 주변부의 양쪽 가로 영역 및 양쪽 세로 영역 모두에 위치할 수 있다.
제7 구현예는, 제6 구현예에 있어서,
상기 홀은 상기 양쪽 가로 영역 각각에 2개 이상, 상기 양쪽 세로 영역 각각에 2개 이상 위치할 수 있다.
제8 구현예는, 제7 구현예에 있어서,
상기 홀은 원형 또는 타원형의 단면을 가질 수 있다.
제9 구현예는, 제8 구현예에 있어서,
상기 홀의 직경이 10 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다.
제10 구현예는, 제1 구현예 내지 제6 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 홀은 직사각형이고, 상기 양쪽 가로 영역 각각에 1개 이상, 상기 양쪽 세로 영역 각각에 1개 이상 위치할 수 있다.
제11 구현예는, 제1 구현예 내지 제10 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 홀이 가스 배출 부재의 두께 방향으로 가스 배출 부재를 관통할 수 있다.
제12 구현예는, 제1 구현예 내지 제11 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 가스 배출 부재의 전체 면적 대비 상기 홀의 전체 면적이 5% 내지 50%일 수 있다.
제13 구현예는, 제1 구현예 내지 제12 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 가스 배출 부재의 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 40 내지 150 barrer일 수 있다.
제14 구현예는, 제1 구현예 내지 제13 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 가스 배출 부재의 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 10 mg 내지 100 mg일 수 있다.
제15 구현예는, 제1 구현예 내지 제14 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 가스 투과성을 갖는 시트는 불소계 수지를 포함하여 이루어질 수 있다.
제16 구현예는, 제1 구현예 내지 제15 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 가스 배출 부재의 두께가 50 내지 500 ㎛일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예들의 이차전지가 제공된다.
제17 구현예는,
전극 조립체; 및 내부에 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스;를 포함하고,
상기 케이스는 가스 차단층 및 실란트 수지를 포함하는 내측 수지층을 구비하고,
상기 케이스의 일부에 상기 케이스를 두께 방향으로 관통하는 개구부가 형성되고,
상기 개구부의 내측에 상기 개구부 전체를 커버하도록 접착된 제1 구현예 내지 제16 구현예 중 어느 한 구현예의 가스 배출 부재를 구비하고,
상기 가스 배출 부재에 구비된 홀은 상기 케이스의 내측 수지층과 중첩하는 부분에 위치하고,
상기 가스 배출 부재에 구비된 홀 내에는 상기 내측 수지층의 실란트 수지가 인입된 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.
제18 구현예는, 제17 구현예에 있어서,
상기 케이스가, 외측 수지층, 금속층으로 된 가스 차단층 및 상기 가스 차단층에 적층되며 실란트 수지를 포함하는 내측 수지층이 순차적으로 적층된 라미네이트 시트를 포함할 수 있다.
제19 구현예는, 제17 구현예 또는 제18 구현예에 있어서,
상기 가스 배출 부재는 불소계 수지를 포함하는 가스 투과성 시트로 이루어지고, 상기 불소계 수지의 유리전이온도가 상기 실란트 수지의 유리전이온도보다 클 수 있다.
제20 구현예는, 제17 구현예 내지 제18 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 실란트 수지가 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF), 또는 이들 중 2 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에 따른 가스 배출 부재는 가스 투과성을 갖는 시트로서, 상기 시트의 주변부에 홀을 구비한다.
주변부에 구비된 홀이 전지 케이스의 내측 수지층과 중첩하는 부분에 위치하도록 한 가스 배출 부재는 케이스와 열 접착시 케이스의 내측 수지층에 포함된 실란트 수지가 유동하여 홀 내부로 인입되므로, 케이스와의 결착력이 개선된다. 이에 따라, 전지 셀 내부에서 발생된 가스가 가스 배출 부재를 투과하여 배출되는 효과가 향상되고, 전지 셀 내부로의 수분 침투 현상을 저감시킬 수 있다.
전지 셀 내부에서 발생된 가스가 가스 투과성 가스 배출 부재를 투과하여 원활히 방출되고 전지 셀 내부로의 수분 침투 현상이 저감되면 벤팅이 발생되지 않고 셀의 작동도 원활히 지속될 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시양태에 따른 가스 배출 부재를 나타낸 사시도이다.
도 2은 본 발명의 다른 실시양태에 따른 가스 배출 부재를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시양태에 따른 가스 배출 부재를 나타낸 사시도이다.
도 4는, 도 1의 A-A`축을 따라 자른 단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시양태에 따른 이차전지의 상면도이다.
도 6은 도 4에서 B-B` 축을 따라 자른 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 또는 “구비”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함 또는 구비할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스 배출 부재는 홀을 구비한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따른 가스 배출 부재는 가스 투과성을 갖는 시트로서, 상기 시트의 주변부에 홀을 구비한다.
본 명세서에 있어서, "가스 투과성을 갖는 시트"는 통상적으로 통용되는 필름 또는 시트와 같이 면적 대비 두께가 얇은 형상을 갖으며 그 재질 자체가 가스를 투과시키는 성질을 갖는 부재를 의미한다.
전술한 바와 같이, 가스 배출 부재가 전지 케이스와 견고히 결착되어 있지 않으면 가스 배출능이 저하되고 전지 셀 외부의 수분이 전지 셀 내부로 침투하게 되므로, 전지 케이스에 대한 가스 배출 부재의 결착력을 개선할 필요가 있다. 특히 가스 배출 부재의 재료로서 대표되는 불소계 수지는 가스 투과성(가스 배출 성능)이 우수하면서도 외부로부터의 수분 침투를 방지하는데 유용한 재료이나, 전지 케이스에 대한 결착력이 크지 않다.
이에, 본 발명자들은 전지 케이스에 대한 결착력이 향상될 수 있는 가스 배출 부재를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시양태에 따른 가스 배출 부재를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 가스 배출 부재(1)에 홀(100)이 형성된다. 가스 배출 부재(1)가 전지의 케이스와 열 접착시, 홀(100) 내부에 케이스의 내측 수지층에 포함된 실란트 수지가 유동하여 일부가 홀 내부로 인입됨으로써, 가스 배출 부재(1)와 케이스의 결착력이 향상될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 가스 배출 부재(1)은 가스 투과성을 갖는 시트상 부재이다. 가스 배출 부재(1)의 형상은 도시된 바와 같이 직사각형일 수 있으나, 원형, 타원형 등 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
홀(100)은 가스 배출 부재(1)의 주변부(1b)에 구비된다. 시트의 "주변부"란 가스 배출 부재(1)를 전지 케이스의 개구부의 내측에 개구부 전체를 커버하도록 열 접착시, 케이스의 내측 수지층과 중첩하는 부분을 의미한다. 즉, 홀(100)은 케이스의 개구부와 중첩되도록 위치하지 않으며 케이스의 내측 수지층과 중첩되는 부분인 가스 배출 부재(1)의 “주변부”에 위치한다. 반대로, 가스 배출 부재(1)의 중앙부(1a)는 “주변부”를 제외한 부분으로서, 케이스의 개구부와 중첩되는 부분으로 정의된다.
주변부(1b)는 가스 배출 부재(1)를 구성하는 시트의 끝단으로부터 시트 전체 길이의 2/5까지의 길이에 상응하는 영역일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가스 배출 부재(1)를 구성하는 시트가 직사각형인 경우, 주변부(1b)는 시트의 끝단으로부터 가로 전체 길이(Y) 대비 2/5까지의 길이에 상응하는 영역(0.4Y)과 시트의 끝단으로부터 세로 전체 길이(W) 대비 2/5까지의 길이에 상응하는 영역(0.4W)일 수 있다. 이러한 부분 내에 홀(100)을 형성할 때, 홀(100)이 케이스의 개구부와 중첩되지 않으면서도 케이스의 내측 수지층과는 중첩되도록 가스 배출 부재(1)를 용이하게 위치시킬 수 있다. 가스 배출 부재(1)가 직사각형이 아닌 형상을 경우, 예를 들어 원형인 경우, 주변부(1b)는 가스 배출 부재(1)를 구성하는 시트의 끝단으로부터 시트 지름의 2/5까지의 길이에 상응하는 영역일 수 있다.
주변부의 폭, 예를 예를 들어 도 1의 0.4Y 및 0.4W 각각은 시트의 끝단으로부터 2 mm 이상인 것이 전지 케이스에 대한 가스 배출 부재(1)의 접착 안정성을 위해 바람직하다. 보다 구체적으로는 주변부의 폭(0.4Y, 0.4W)은 시트의 끝단으로부터 2 내지 15 mm일 수 있다.
가스 배출 부재(1)는 양 단부에 홀(100)이 형성될 수 있다. 즉, 가스 배출 부재(1)를 구성하는 시트가 직사각형인 경우 홀(100)은 주변부의 양쪽 가로 영역에 위치하거나(도 2 참조), 또는 양쪽 세로 영역에 위치할 수 있다. 이와 같이 홀(100)이 형성되는 경우, 가스 배출 부재(1)가 전지 케이스에 부착되기 용이하면서도 전지 내부의 가스가 외부로 배출되기 용이할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 도 1에 도시된 바와 같이 가스 배출 부재(1)를 구성하는 시트가 직사각형인 경우 홀(100)은 주변부(1b)의 양쪽 가로 영역 및 양쪽 세로 영역 모두에 위치할 수 있다.
본 명세서에서 "홀"은 가스 배출 부재(1)를 그 두께 방향으로 관통하거나 관통하지 않더라도 본 발명의 목적을 달성하도록 두께 방향으로 파인(예를 들어 두께의 1/4 이상) 공간을 의미한다. 홀(100)의 형상은 원형, 타원형, 삼각형, 물결 모양, 직사각형 등의 단면을 가질 수 있으며 그 형상이 제한되지 않으나, 공정성 등을 고려할 때 원형 또는 타원형의 단면을 가질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가스 배출 부재(1)를 구성하는 시트가 직사각형인 경우 홀(100)은 양쪽 가로 영역 각각에 2개 이상, 양쪽 세로 영역 각각에 2개 이상 위치할 수 있고, 이 때 홀(100)의 단면은 원형 또는 타원형일 수 있고, 홀(100)의 직경이 10 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 홀(100)의 직경이 전술한 범위를 만족함에 따라, 가스 배출 부재(1)와 전지 케이스 사이의 접착 특성이 향상되기 보다 용이할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 배출 부재(1)를 구성하는 시트가 직사각형인 경우 홀(100)은 직사각형이고, 양쪽 가로 영역 각각에 1개 이상, 양쪽 세로 영역 각각에 1개 이상 위치할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
홀(100)은 예를 들어 물리적 또는 화학적 방식으로 형성될 수 있다. 예컨대, 드릴 혹은 레이저를 이용하여 가스 배출 부재(1)에 홀(100)을 형성할 수 있다. 또는, 불소계 수지를 습식 식각(wet etching)하거나 패턴 프린팅하여 가스 배출 부재(1)에 홀(100)을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 가스 배출 부재(1)의 전체 면적 대비 홀(100)의 전체 면적이 5% 내지 50%일 수 있다. 홀(100)의 전체 면적이 전술한 범위를 만족함에 따라, 가스 배출 부재(1)와 케이스 사이의 접착 특성이 향상되기 보다 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 가스 배출 부재(1)를 구성하는 시트는 불소계 수지를 포함하여 이루어질 수 있다. 불소계 수지로는 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene), 플루오르화비닐(vinyl fluoride), 비닐리덴 플루오라이드(vinylidene fluoride), 또는 이들 중 2 이상의 단량체로부터 유래된 반복단위를 포함할 수 있다. 특히, 불소계 수지가 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene)으로부터 유래된 반복단위를 포함하는 경우, 가스 배출 부재(1)의 재료로 사용되기 보다 적절할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 가스 배출 부재(1)의 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 40 내지 150 barrer일 수 있다. 예컨대, 이산화탄소에 대한 투과도가 전술한 범위를 만족할 수 있다. 또한, 가스 배출 부재(1)의 두께 200 ㎛ 기준으로 가스 투과도가 60℃에서 전술한 범위를 만족할 수 있다. 상기 가스 배출 부재(1)의 가스 투과도가 전술한 범위를 만족하는 경우, 전지 내부에서 발생하는 가스가 배출되기 더욱 효과적일 수 있다. 본 명세서에서, 가스 투과도는 ASTM F2476-20으로 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 가스 배출 부재(1)의 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 10 mg 내지 100 mg일 수 있다. 상기 가스 배출 부재(1)의 수분 침투량이 전술한 범위를 만족하는 경우, 상기 가스 배출 부재(1)로부터 유입되는 수분의 침투를 방지하기 더욱 효과적일 수 있다. 가스 배출 부재(1)의 수분 침투량은 ASTM F 1249 방식을 채택하여 측정할 수 있다. 이 때, MCOON사에서 공식인증된 장비를 사용하여 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 가스 배출 부재(1)의 두께가 50 내지 500 ㎛일 수 있다. 상기 가스 배출 부재(1)의 두께가 전술한 범위를 만족하는 경우, 가스가 외부로 배출되기 더욱 용이할 수 있고, 전지 케이스와의 열 접착이 더욱 용이할 수 있다.
도 4는 도 1의 A-A`축을 따라 자른 단면을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 홀(100)이 가스 배출 부재(1)의 두께 방향으로 가스 배출 부재(1)를 관통하게 형성될 수 있다. 상기 홀(100)이 가스 배출 부재(1)의 두께 방향으로 가스 배출 부재(1)를 관통하게 형성되는 경우, 가스 배출 부재(1)와 전지 케이스 사이의 접착 특성이 보다 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시양태에 따른 이차전지의 상면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시양태에 따른 이차전지(10)는 전극 조립체(20)와 내부에 전극 조립체(20)을 수납하는 케이스(30)를 포함한다.
이차전지(10)는 전극 조립체(2)와 연결된 전극 리드(40) 및 리드 필름(50)을 포함할 수 있다.
전극 조립체(20)는 양극판, 음극판 및 분리막을 포함한다. 전극 조립체(20)는 분리막을 사이에 두고 양극판과 음극판이 순차적으로 적층될 수 있다.
양극판은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극 집전체와 이의 적어도 일면에 코팅된 양극 활물질층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 양극판은 일측 단부에 금속 재질, 이를테면 알루미늄(Al) 재질로 이루어진 양극탭을 포함할 수 있다. 상기 양극탭은 양극판의 일측 단부로부터 돌출될 수 있다. 상기 양극탭은 양극판의 일측 단부에 용접되거나 도전성 접착제를 이용하여 접합될 수 있다.
음극판은 도전성 금속 박판, 예를 들면 구리(Cu) 호일로 이루어진 음극 집전체와, 이의 적어도 일면에 코팅된 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 음극판은 일측 단부에 금속 재질, 이를테면 니켈(Ni) 재질로 형성된 음극탭을 포함할 수 있다. 상기 음극탭은 음극판의 일측 단부로부터 돌출될 수 있다. 상기 음극탭은 음극판의 일측 단부에 용접되거나 도전성 접착제를 이용하여 접합될 수 있다.
분리막은 양극판과 음극판 사이에 위치하여, 양극판과 음극판을 서로 전기적으로 절연시킨다. 상기 분리막은 양극판과 음극판 사이에서 리튬 이온이 서로 통과할 수 있도록 다공성 막일 수 있다. 상기 분리막은, 예를 들어 폴리에틸렌(PE), 또는 폴리프로필렌(PP), 또는 이들의 복합필름을 사용한 다공성 막을 포함할 수 있다.
분리막의 표면에는 무기물 코팅층이 구비될 수 있다. 무기물 코팅층은 무기물 입자들이 바인더에 의해 서로 결합되어 입자들 사이에 기공 구조(interstitial volume)를 형성한 구조를 가질 수 있다.
전극 조립체(20)는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀 셀(Full dell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체 등일 수 있다.
케이스(30)는 내부에 전극 조립체를 수납하는 수납부(31)와 외주변이 밀봉되는 구조를 형성하는 실링부(32)를 포함한다. 실링부(32)는 열 또는 레이저 등에 의해 열 접착되어 밀봉될 수 있다.
케이스(30)는 가스 차단층 및 실란트 수지를 포함하는 내측 수지층을 구비한다.
보다 구체적으로는 가스 차단층은 금속층일 수 있다. 케이스(30)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트일 수 있다. 더욱 구체적으로, 케이스(30)는 라미네이트 시트로 이루어져 있되, 최외각을 이루는 외측 수지층, 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층, 및 밀봉을 위한 내측 수지층을 포함할 수 있다.
외측 수지층은, 폴리(에틸렌테레프탈레이트)(Poly(ethylene terephthalate); PET), 폴리부틸렌테레프타레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트, 공중합 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 나일론 등을 사용한 폴리에스터계 필름을 포함할 수 있고, 단일층 또는 다층으로 구성될 수 있다.
차단성 금속층은, 알루미늄, 구리 등을 포함할 수 있다.
내측 수지층은 실란트 수지를 포함하거나 실란트 수지로 된 층일 수 있고, 단일층 또는 다층으로 구성될 수 있다.
실란트 수지는 폴리프로필렌(PP), 산 변성 폴리프로필렌(Acid modified polypropylene; PPa), 랜덤 폴리프로필렌(random polypropylene), 에틸렌 프로필렌 공중합체, 또는 이들 중 2 이상을 포함할 수 있다. 에틸렌 프로필렌 공중합체는 에틸렌 프로필렌 고무(ethylene-propylene rubber), 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
케이스(30)는 파우치 형태일 수 있다.
파우치 형태의 케이스(30)는 상부 파우치와 하부 파우치를 포함할 수 있다. 케이스(30)가 상부 파우치와 하부 파우치를 포함하는 경우, 실란트 수지가 서로 대향하도록 상부 파우치와 하부 파우치를 배치한 후, 대향하는 실란트 수지가 열과 압력에 의해 상호 융착됨으로써 전지를 밀봉하는 구조를 가질 수 있다.
실링부(32)의 융착은 열융착, 초음파에 의한 융착 등일 수 있으나, 실링부(32)를 융착시킬 수 있다면 특별히 제한되지는 않는다.
실링부(32)는 일부 실시양태에서 케이스(30)의 테두리에서 4면 실링 또는 3면 실링될 수 있다. 3면 실링 구조에서, 상부 파우치와 하부 파우치가 하나의 파우치 시트에 형성된 후 상부 파우치 및 하부 파우치의 경계면을 절곡시켜 상부 파우치 및 하부 파우치에 형성된 수납부(31)들이 포개지도록 한 상태에서 절곡부를 제외한 나머지 3면의 테두리가 실링된다.
전극 리드(40)는 전극 조립체(20)에 포함된 전극 탭(미도시됨)과 전기적으로 연결되고, 실링부(32)를 경유하여 케이스(30)의 외측 방향으로 돌출되어 있을 수 있다. 또한, 리드 필름(50)은 전극 리드(40)의 상부 및 하부 중 적어도 하나에서, 실링부(32)에 대응되는 부분에 위치할 수 있다. 이에 따라, 리드 필름(50)은 융착 시 전극 리드(40)에서 쇼트가 발생하는 것을 방지하면서도, 실링부(32)와 전극 리드(40)의 밀봉성을 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 케이스(30)의 일부에 개구부(60)가 형성된다. 개구부(60)는 케이스(30)를 두께 방향으로 관통한다. 개구부(60)의 내측에 본 발명의 일 실시양태에 따른 가스 배출 부재(1)가 접착된다.
가스 배출 부재(1)가 개구부(60)의 내측에 위치함에 따라, 전지 내부에서 발생한 가스가 상기 가스 배출 부재(1)를 투과하여 개구부(60)를 통해 전지 외부로 배출될 수 있다.
개구부(60)는 케이스(30)의 상부 또는 하부 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 즉, 개구부(60)는 하나만 형성될 수도 있으나, 복수로 형성될 수도 있다.
도 5를 참조하면, 실링부(32)를 제외한 케이스(30)의 일부에 개구부(60)가 형성될 수 있다. 개구부(60)는 펀칭 등의 통상적인 방법에 따라 형성될 수 있다.
케이스(30)를 포밍(forming)한 후, 전극 조립체(20) 삽입 전 단계에서 케이스(30)에 개구부(60)를 형성할 수 있다. 개구부(60)를 형성한 후에, 본 발명의 일 실시양태에 따른 가스 배출 부재(1)를 개구부(60)의 내측에 부착시켜 가스 배출 부재(1)를 구비한 이차전지(10)를 제조할 수 있다. 가스 배출 부재(1)는 개구부(60) 전체를 커버하도록 접착된다.
가스 배출 부재(1)는 개구부(60)의 내측에 열융착되어 부착될 수 있다. 예컨대, 프레스 등을 이용하여 가스 배출 부재(1)를 개구부(60)의 내측에 부착시킬 수 있다.
이 과정에서, 개구부(60)의 주변에서 가스 배출 부재(1)와 중첩하는 케이스(30)의 일부가 가스 배출 부재(1)의 홀에 삽입될 수 있다. 예컨대, 개구부(60)의 주변에서 가스 배출 부재(1)와 중첩하는 내측 수지층의 실란트 수지가 유동하여 가스 배출 부재(1)의 홀에 인입될 수 있다. 이에 따라, 가스 배출 부재(1)와 케이스(30)의 접착 특성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 가스 배출 부재(1) 는 불소계 수지를 포함하는 가스 투과성 시트로 이루어지고, 불소계 수지의 유리 전이 온도가 내측 수지층을 구성하는 실란트 수지의 유리 전이 온도보다 높을 수 있다. 불소계 수지의 유리 전이 온도가 실란트 수지의 유리 전이 온도보다 더 높은 경우, 케이스(30)와 가스 배출 부재(1)가 열융착할 때에 실란트 수지가 가스 배출 부재(1)에 형성된 홀(100)에 침투되기 보다 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 불소계 수지의 유리 전이 온도가 30℃ 내지 170℃일 수 있다. 불소계 수지의 유리 전이 온도가 전술한 범위를 만족하는 경우, 케이스(30)와 가스 배출 부재(1)를 열융착할 때에 실란트 수지가 가스 배출 부재(1)에 형성된 홀(100)에 침투되기 보다 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 실란트 수지의 유리 전이 온도가 -150℃ 내지 0℃일 수 있다. 실란트 수지의 유리 전이 온도가 전술한 범위를 만족하는 경우, 케이스(30)와 가스 배출 부재(1)를 열융착할 때에 실란트 수지가 가스 배출 부재(1)에 형성된 홀(100)에 침투되기 보다 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 실란트 수지가 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있다. 예컨대, 폴리올레핀계 수지는 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF), 또는 이들 중 2 이상을 포함할 수 있다.
도 6은 도 5에서 B-B` 축을 따라 자른 단면도이다.
도 6을 참조하면, 가스 배출 부재(1)의 홀(100)에 실란트 수지(2)가 인입되어 있다. 이에 따라, 가스 배출 부재(1)가 개구부(60)의 내측에 고정되기 용이할 수 있다.
도 6을 참조하면, 케이스의 일부에 케이스를 두께 방향으로 관통하는 개구부(60)이 형성되어 있다. 가스 배출 부재(1)의 크기는 개구부(60)의 크기보다 더 크므로 개구부(6) 전체를 커버한다. 예컨대, 가스 배출 부재(1) 및 개구부(60)가 사각형의 형상을 가지는 경우, 가스 배출 부재(1)의 가로 또는 세로 길이가 개구부(60)의 가로 또는 세로 길이보다 클 수 있다. 가스 배출 부재(1) 및 개구부(60)가 원형의 형상을 가지는 경우, 가스 배출 부재(1)의 직경이 개구부(60)의 직경보다 더 클 수 있다. 가스 배출 부재(1)는 사각형의 형상을 가지고, 개구부(60)가 원형의 형상을 가지는 경우, 가스 배출 부재(1)의 가로 또는 세로 길이가 개구부(60)의 직경보다 더 클 수 있다.
가스 배출 부재(1)의 크기가 개구부(60)의 크기보다 더 크므로, 가스 배출 부재(1)가 케이스의 수납부(31)에 위치한 내측 수지층과 접착할 수 있는 면적이 충분히 확보될 수 있어, 가스 배출 부재(1)가 케이스에 결착되기 보다 용이할 수 있다.
도 6을 참조하면, 가스 배출 부재(1)가 케이스의 수납부(31)에 위치한 내측 수지층과 중첩하는 부분에서, 가스 배출 부재(1)의 홀(100)이 위치한다. 케이스의 수납부(31)에 위치한 내측 수지층과 중첩하는 부분에 가스 배출 부재(1)의 홀(100)이 위치함에 따라, 가스 배출 부재(1)와 중첩하는 내측 수지층의 일부가 가스 배출 부재(1)의 홀(100)에 삽입될 수 있다. 즉, 개구부(60)의 주변에서 가스 배출 부재(1)와 중첩하는 내측 수지층의 실란트 수지(2)가 가열, 레이저, 초음파 등의 처리에 의해 유동하여 가스 배출 부재(1)의 홀에 인입된다. 이에 따라, 가스 배출 부재(1)와 케이스의 결착력이 향상되며, 접착 내구성도 개선될 수 있다.
가스 배출 부재(1)와 케이스의 접착 특성이 향상되면 전지 셀이 장시간 작동한 후에도 가스 배출 부재(1)와 케이스 사이에 틈이 발생할 가능성이 저감된다. 이에 따라, 전지 셀 내부에서 발생된 가스가 가스 배출 부재를 투과하여 배출되는 효과가 향상되고, 전지 셀 내부로의 수분 침투 현상을 저감시킬 수 있다.
전지 셀 내부에서 발생된 가스가 가스 투과성 가스 배출 부재를 투과하여 원활히 방출되고 전지 셀 내부로의 수분 침투 현상이 저감되면 벤팅이 발생되지 않고 셀의 작동도 원활히 지속될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
1: 가스 배출 부재
1a: 중앙부
1b: 주변부
2: 인입된 실란트 수지
10: 이차전지
20: 전극 조립체
30: 케이스
31: 수납부
32: 실링부
40: 전극 리드
50: 리드 필름
60: 개구부
100: 홀

Claims (20)

  1. 전극 조립체; 및 내부에 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스;를 포함하고,
    상기 케이스는 가스 차단층 및 실란트 수지를 포함하는 내측 수지층을 구비하고,
    상기 케이스가, 외측 수지층, 금속층으로 된 가스 차단층 및 상기 가스 차단층에 적층되며 실란트 수지를 포함하는 내측 수지층이 순차적으로 적층된 라미네이트 시트를 포함하고,
    상기 케이스의 일부에 상기 케이스를 두께 방향으로 관통하는 개구부가 형성되고,
    상기 개구부의 내측에 상기 개구부 전체를 커버하도록 접착된 가스 배출 부재를 구비하고,
    상기 가스 배출 부재는 가스 투과성을 갖는 시트로서, 상기 시트의 주변부에 홀을 구비하고,
    상기 가스 배출 부재에 구비된 홀은 상기 케이스의 내측 수지층과 중첩하는 부분에 위치하고,
    상기 가스 배출 부재에 구비된 홀 내에는 상기 내측 수지층의 실란트 수지가 인입된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주변부는 상기 시트의 끝단으로부터 시트 전체 길이의 2/5까지의 길이에 상응하는 영역인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주변부의 폭은 상기 시트의 끝단으로부터 2 mm 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 주변부의 폭은 상기 시트의 끝단으로부터 15 mm 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시트는 직사각형이고, 상기 홀은 상기 주변부의 양쪽 가로 영역 또는 양쪽 세로 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시트는 직사각형이고, 상기 홀은 상기 주변부의 양쪽 가로 영역 및 양쪽 세로 영역 모두에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 홀은 상기 양쪽 가로 영역 각각에 2개 이상, 상기 양쪽 세로 영역 각각에 2개 이상 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 홀은 원형 또는 타원형의 단면을 갖는 것을 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 홀의 직경이 10 ㎛ 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 홀은 직사각형이고, 상기 양쪽 가로 영역 각각에 1개 이상, 상기 양쪽 세로 영역 각각에 1개 이상 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 홀이 가스 배출 부재의 두께 방향으로 가스 배출 부재를 관통하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출 부재의 전체 면적 대비 상기 홀의 전체 면적이 5% 내지 50%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출 부재의 가스 투과도(permeability)가 60℃에서 40 내지 150 barrer인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출 부재의 수분 침투량이 25℃, 50 %RH에서 10년간 10 mg 내지 100 mg인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 가스 투과성을 갖는 시트는 불소계 수지를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출 부재의 두께가 50 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출 부재는 불소계 수지를 포함하는 가스 투과성 시트로 이루어지고, 상기 불소계 수지의 유리전이온도가 상기 실란트 수지의 유리전이온도보다 큰 것을 특징으로 하는 이차전지.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 실란트 수지가 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리비닐디플로라이드(Polyvinyldifluoride, PVDF), 또는 이들 중 2 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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