KR20010048325A - 전지의 외장재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전지의 외장재에 관한 것이다. 이 외장재는, 최내층은 전류를 발생하는 전지 본체에 대하여 최내층이며, 상기 전지 본체를 밀봉시 상호 접착이 이루어지고, 폴열접착이 용이하며 밀봉유지가 우수한 폴리프로필렌, 에틸렌 아크릴산 코폴리머, 그 이오노머 및 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머중에서 선택된 하나 이상으로 이루어진 열접착성 물질층과, 상기 열접착성 물질층 상부에 형성되어 있는 중간층으로서 알루미늄 또는 그 합금으로 된 알루미늄층 및 상기 알루미늄층 상부에 형성되어 있고 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 나일론으로 이루어진 최외층을 포함하여 된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 외장재 자체의 기계적 강도를 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상부 외장재 가장자리 부분과 하부 외장재 가장자리 부분의 접합시 발생되는 전지 단락을 막아 외장재 실링 공정의 수율을 향상시킬 수 있게 된다. 이와 아울러 외장재 접합시 발생되는 미세 단락에 의한 전지의 성능 저하를 막을 수 있고 열융착온도, 압력, 시간 등의 공정조건에 무관하게 실링을 안전하게 실시할 수 있다는 잇점이 있다.
Description
본 발명은 전지의 외장재에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 전류를 생성하는 전지 본체를 밀봉하여 감싸서 전지의 외형을 이루는 전지의 외장재에 관한 것이다.
리튬 2차전지는 전해질의 종류에 따라서 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고체형 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
리튬 이온 폴리머 전지에서는 캐소드, 애노드 및 세퍼레이타를 적층시킴으로써 전류를 생성하는 전지 본체를 구비한다. 그리고 전지 본체에는 외부와의 전기적 통로 역할을 하는 전극 단자가 연결되며, 전지 본체와 전극 단자의 일부는 절연성의 외장재에 의하여 밀봉된다. 이러한 리튬 이온 폴리머 전지의 외장재는 전지 본체를 둘러싸는 형태로 전지 본체에 대하여 최내층에 열접착성 물질층이 형성되어 상호 접착됨으로써 그 내부를 밀봉하게 된다.
도 1은 종래의 리튬 이온 폴리머 전지의 일예를 모식적으로 도시한 분리사시도이다.
이를 참조하면, 리튬 이온 폴리머 전지는 캐소드, 애노드 및 세퍼레이타를 구비하는 전극 조립체 (11)와, 상기 전극 조립체 (11)를 감싸서 밀봉하는 외장재 (12)를 구비하여 이루어진다. 그리고 상기 전극 조립체 (11)와 상기 전극 조립체(11)에서 형성된 전류를 외부로 유도하기 위한 전기적 통로 역할을 하는 전극 단자(또는 리드선) (14, 14')는 외장재 (12) 밖으로 소정 길이 노출되도록 설치된다.
상기 외장재 (12)는 도 2에 도시된 바와 같은 적층 구조를 가지고 있다. 도 2를 참조하면, 외장재는 전지 본체 (20)에 대하여 최내층에 열접착성 물질층인 폴리(에틸렌 아크릴산)[poly(ethylene acrylic acid: EAA] (21)층이 있고, 그 상부에 상부에, 폴리에틸렌층(polyethylene: PE) (22), EAA층 (21') 및 알루미늄층 (24)이 순차적으로 적층되어 있고, 이 결과물 상부에 최외층으로서 나일론층 (23)이 적층되어 있는 구조를 가지고 있다. 여기에서 PE층 (22)은 외장재의 강도를 강화시키고 리드선에 의한 단락을 방지하는 기능을 가지고 있으며, EAA층 (21')은 접착 기능이 있으며, 알루미늄층 (24)은 수분 침투 방지와 전해액 누출 방지 기능을 가지고 있다. 그리고 나일론층 (23)은 외부층에 크랙이 발생되는 것을 방지하면서 내층 성형가공을 원활하게 하는 기능을 가지고 있다.
상술한 바와 같은 외장재 (12)는, 전극단자 (14, 14')의 일부분만을 노출시킨 채 전극 조립체 (11)를 이 외장재 (12)내에 넣고 반을 접은 후, 열과 압력을 가하여 상부 외장재의 가장자리 부분과 하부 외장재의 가장자리 부분의 열접착성 물질끼리 접착하도록 하여 전지를 밀봉하고 있다.
그런데, 상술한 상부 외장재의 가장자리 부분과 하부 외장재의 가장자리 부분의 열융착과정에서 온도와 압력이 지나치게 높고 그 열융착에 많은 시간이 소요되는 경우에는 외장재 표면의 폴리머층인 EAA층 및 PE층이 녹아 전지의 음극 및 양극 리드선이 외장재의 알루미늄과 접촉함으로써 단락을 발생시켜 전지 조립 수율이 떨어지고 이와 아울러 미세 단락인 경우에는 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 열융착시 전지 단락을 방지할 수 있고 기계적 특성이 향상된 전지의 외장재를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 리튬 폴리머 전지의 일예를 모식적으로 도시한 분리사시도이고,
도 2는 종래기술에 따른 전지의 외장재의 단면 구조를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 전지 외장재의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11... 전극 조립체 12... 외장재
13, 13'... 극판탭 14, 14'... 전극단자(또는 리드선)
20, 30... 전지 본체 21, 21'... 폴리(에틸렌 아크릴산)층
22... 폴리에틸렌층 23... 나일론층
24... 알루미늄층 21, 21'... 폴리에틸렌테레프탈레이트층
22... 폴리머층 23... 폴리프로필렌층
31... 열접착성 물질층 32... 폴리에틸렌테레프탈레이트층
33... 알루미늄층 34... 최외층
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는, 전류를 발생하는 전지 본체를 둘러싸서 밀봉하는 전지의 외장재에 있어서,
상기 전지 본체에 대하여 최내층이며, 상기 전지 본체를 밀봉시 상호 접착이 이루어지고, 폴리프로필렌, 에틸렌 아크릴산 코폴리머, 그 이오노머 및 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머중에서 선택된 하나 이상으로 이루어진 열접착성 물질층;
상기 열접착성 물질층 상부에 형성되어 있고 알루미늄 또는 그 합금으로 된 알루미늄층; 및
상기 알루미늄층 상부에 형성되어 있고 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 나일론으로 이루어진 최외층;을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 전지의 외장재를 제공한다.
본 발명은 전지 본체에 대하여 최내층은 열접착이 용이하며 밀봉유지가 우수한 폴리프로필렌, 에틸렌 아크릴산 코폴리머, 그 이오노머 및 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머중에서 선택된 하나 이상으로 이루어진 열접착성 물질층을 형성하고, 상기 열접착성 물질층 상부에는 중간층인 알루미늄층을 형성하고, 이 알루미늄층과 최내층사이에는 기계적 강도가 우수한 폴리에틸렌테레프탈레이트층을 형성하며, 상기 알루미늄층 상부에는 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 나일론으로 이루어진 최외층을 형성한다. 그리고 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트층과 알루미늄층 사이에는 층간 밀착력을 개선하기 위한 중간층을 더 형성한다. 이 때 중간층은 폴리에틸렌, 알루미늄, 폴리우레탄 및 폴리이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 전지용 외장재의 단면은 도 3에 도시된 바와 같다.
도 3을 참조하면, 전지의 외장재는 전류를 생성하는 전지 본체를 둘러싸서 밀봉하는 것으로 전지 본체 (30)에 대하여 최내층으로 형성된 폴리프로필렌, 에틸렌 아크릴산 코폴리머, 그 이오노머 및 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머로 된 열접착성 물질층 (31)을 구비한다. 이 열접착성 물질층 (31)은 전지 본체를 둘러싸는 과정에서 상호 접촉되는 부위로서 이들이 열접착되어 전지의 내부를 밀봉한다. 그리고 이 열접착성 물질층 (31) 상부에는 폴리에틸렌테레프탈레이트층 (32)이 마련된다. 이 폴리에틸렌테레프탈레이트층 (32)를 구성하는 폴리에틸렌테레프탈레이트는 내구성과 기계적 강도 특성이 우수하므로 외장재의 전체적인 기계적 특성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트층 (32) 상부에는 알루미늄이나 그 합금으로 된 알루미늄층 (34)이 형성되어 있으며, 이 알루미늄층 (33) 상부에는 전지 본체 (30)에 대하여 최외각에 형성되어 있는 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 나일론으로 된 층 (33)이 마련된다. 이 최외층 (33)은 외부로터의 내부층들을 보호하는 역할을 하며, 전지의 외주면에 균열이 발생하는 것을 방지하여 전체적인 성형을 용이하게 한다.
한편, 상기 폴리에틸렌테레트팔레이트 (32)와 알루미늄 (33) 상부에는 이 두 층간의 결합력을 향상시켜줄 수 있는 중간층(미도시)이 형성되기도 한다. 이 중간층은 층간 결합력을 향상시켜 줄 수 있는 재료라면 모두 다 사용가능하나, 우레탄 수지 등과 같이 유기용매에 강한 접착성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상술한 적층 구조를 갖는 외장재의 각 층별 두께는 다음과 같다.
열접착성 물질층 (31)의 두께는 20 내지 60㎛, 폴리에틸렌테레프탈레이트층 (32) 의 두께는 5 내지 50㎛, 중간층의 두께는 2 내지 10㎛, 알루미늄층 (33)의 두께는 10 내지 60㎛이고, 최외층 (34)의 두께는 5 내지 30㎛이다. 여기에서 열접착성 물질층 (31)의 두께가 20㎛ 미만인 경우에는 접착강도가 약하고, 60㎛를 초과하는 경우에는 전지 자체의 중량을 증가시켜 바람직하지 못하다. 그리고 외장재의 기계적 특성 향상을 위한 폴리에틸렌테레프탈레이트층 (32)의 두께가 5㎛ 미만인 경우에는 단락 방지가 힘들고, 50㎛를 초과하는 경우에는 전지 자체의 중량을 증가시켜 바람직하지 못하다.
상기 알루미늄층 (33)의 두께가 10㎛ 미만인 경우에는 핀 홀을 통한 수분 침투의 방지가 완전하지 못하고, 60㎛를 초과하는 경우에는 전지 중량이 증가하여 바람직하지 못하다.
이와 같은 전지의 외장재는 그 적용범위가 매우 광범위하며, 특히 리튬 이온 폴리머 전지에서 매우 유용하다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예
전지 본체에 대하여 최내층인 두께 30㎛인 폴리프로필렌층 상부에, 두께 20㎛인 폴리에틸렌테레프탈레이트층, 두께 50㎛인 알루미늄층 및 두께 20㎛인 나일론층을 순차적으로 적층하여 리튬 이온 전지의 외장재를 제조하였다.
비교예
전지 본체에 대하여 최내층인 두께 30㎛인 EAA층 상부에, 두께 20㎛인 PE층, 두께 30㎛인 EAA층, 두께 50㎛인 알루미늄층 및 두께 20㎛인 나일론층을 순차적으로 적층하여 리튬 이온 폴리머 전지의 외장재를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 외장재의 기계적 강도를 측정하여 비교하였다. 그 결과, 실시예의 외장재가 비교예의 경우에 비하여 기계적 강도가 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 외장재를 하기 표 1의 조건에 따라 열융착하는 경우, 전지 조립 수율을 측정하여 하기 표 1과 같이 나타내었다.
| 구분 | 열융착조건 | 전지 조립 수율() | ||
| 온도(℃) | 압력(bar) | 시간(sec) | ||
| 실시예 | 190 | 3 | 2 | 98 |
| 200 | 3 | 3 | 98 | |
| 210 | 3 | 4 | 97 | |
| 비교예 | 160 | 3 | 2 | 87 |
| 170 | 3 | 3 | 70 | |
| 180 | 3 | 4 | 63 |
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교예의 경우는 열융착 온도가 높아질수록 그리고 열융착 소요 시간이 길어질수록 전지 조립 수율이 매우 떨어졌다. 이는 전지 본체에 대하여 최외층인 EAA층이 녹아서 전지 단자와의 단락이 빈번하게 발생되었기 때문이다.
반면, 실시예는 열융착온도, 압력 및 시간에 관계없이 비교예의 경우와는 달리 전지 조립 수율이 97이상으로 매우 우수하였다.
본 발명에 따르면, 외장재 자체의 기계적 강도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라 상부 외장재 가장자리 부분과 하부 외장재 가장자리 부분의 접합시 발생되는 전지 단락을 막아 외장재 실링 공정의 수율을 향상시킬 수 있게 된다. 이와 아울러 외장재 접합시 발생되는 미세 단락에 의한 전지의 성능 저하를 막을 수 있고 열융착온도, 압력, 시간 등의 공정조건에 무관하게 실링을 안전하게 실시할 수 있다는 잇점이 있다.
Claims (3)
- 전류를 발생하는 전지 본체를 둘러싸서 밀봉하는 전지의 외장재에 있어서,상기 전지 본체에 대하여 최내층이며, 상기 전지 본체를 밀봉시 상호 접착이 이루어지고, 폴리프로필렌, 에틸렌 아크릴산 코폴리머, 그 이오노머 및 에틸렌-비닐아세테이트 코폴리머중에서 선택된 하나 이상으로 이루어진 열접착성 물질층;상기 열접착성 물질층 상부에 형성되어 있고 알루미늄 또는 그 합금으로 된 알루미늄층; 및상기 알루미늄층 상부에 형성되어 있고 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 나일론으로 이루어진 최외층;을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 전지의 외장재.
- 제1항에 있어서, 상기 열접착성 물질층과 알루미늄층 사이에 폴리에틸렌테레프탈레이트층이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지의 외장재.
- 제2항에 있어서, 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트층과 알루미늄층 사이에 층간 밀착력을 개선하기 위한 중간층이 더 형성되어 있고,이 중간층이 폴리에틸렌, 알루미늄, 폴리우레탄 및 폴리이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 접착성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지의 외장재.
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