KR20060034508A - 파우치형 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 파우치형 리튬 이차 전지는 제1,2전극 및 세퍼레이터를 포함하여 이루어지는 전극 집전체와, 소정의 공간을 갖는 딥 드로잉부를 마련하여 상기 전극 집전체를 수용하는 파우치를 포함하므로 전극 조립체를 수용하기 위한 개구부분만 실링하면 되는 이점이 있다.

Description

파우치형 이차 전지 {Pouch type Lithium Secondary Battery}

도 1, 2는 종래의 파우치형 리튬 이차 전지를 도시한 도면,

도 3,4은 본 발명에 따른 파우치형 리튬 이차 전지를 도시한 도면이다.

< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >

110 : 제1전극판 120 : 제2전극판

130 : 세퍼레이터 140 : 전극탭

150 : 전극 조립체 200 : 케이스

210 : 딥 드로잉부 230 : 플랜지부

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 양극과 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체가 파우치(Pouch)에 수용되는 파우치형 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

리튬 이차 전지는 리튬과 수분의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용한다. 이 전해질은 리튬염을 함유하는 고체 폴리머이거나, 리튬염이 유기 용매에서 해리된 액상일 수 있다.

리튬 이차 전지를 전해질 종류에 따라 구분해 보면, 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속 전지와 리튬 이온 전지 그리고, 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다.

완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지의 경우에는 유기 전해액의 누출 문제가 없고 유기 전해액을 함유하는 겔형 리튬 이온 폴리머 전지의 경우에도 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 비교할 때 전해액의 누출 문제는 보다 간이한 형태로 방지될 수 있다. 가령 리튬 이온 폴리머 전지는 전극 조립체의 용기로 금속 캔 대신 파우치를 사용할 수 있다.

파우치는 통상 금속 포일층과 이를 덮는 합성수지층의 다층막으로 구성되는데 이를 사용할 경우에는 금속 캔을 사용할 때보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있다. 다층막 파우치에서 포일을 이루는 금속으로 통상 알미늄이 사용된다. 파우치막 내층을 이루는 폴리머 막은 전해질로부터 금속 포일을 보호함과 아울러, 양극과 음극 그리고, 전극 탭들 사이의 단락을 방지한다.

파우치형 리튬 이차 전지를 형성하기 위해 우선 양극, 세퍼레이터, 음극을 적층하거나 적층 후 권취하여 이루어지는 전극 조립체를 가봉지 상태의 파우치 내에 위치시킨다. 그리고 파우치의 개방된 가장자리부에서 상하 파우치막을 가열 융착 시키면 밀봉된 파우치 형태의 베어셀 전지가 만들어진다.

베어셀(Bare cell) 전지에 도시되지 않은 보호회로기판(PCM : protecting corcuot moudule)이나 PTC(positive temperature coefficient) 같은 부속품 혹은 구조체가 부착되어 코어 팩(Core Pack)전지가 형성된다.

코어 팩 전지를 하드 케이스 내에 결합시키면 완성된 하드 팩 전지가 형성된다.

하드 케이스는 그 내측에 별도의 회로나 도전체부 없이 폴리프로필렌 수지 등을 이용하여 형성할 수 있으나, 전지가 사용되는 기기의 특성에 따라 하드 케이스 내부에 별도의 부속회로나 기타 도전체부를 가지는 경우가 있다. 경우에 따라서는 별도의 하드 케이스 없이 코어 팩 전지가 직접 제품에 부착되어 사용될 수도 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 리튬 이차 전지는 대략 직사각형인 파우치(20)의 일측에 일정 깊이의 드로잉부(21)를 형성하고, 드로잉부(21)에는 제1,2전극판(11,12) 및 세퍼레이터(13)가 권취되며 제1,2전극탭(14,15)이 인출된 전극 조립체(10)를 수납시킨다.

다음, 전극탭(14,15)은 절곡시켜 파우치(20)의 외측으로 인출시키고, 파우치(20)의 타측을 접어 드로잉부(21)의 개방된 측을 커버한 후, 그 가장자리(23)를 밀봉시킨다.

여기서, 파우치형 리튬 이차 전지는 파우치(20)의 외측으로 전극탭(14,15)이 인출된 주변에 전극탭(14,15)에 보호회로기판(30) 및 기타 구조체가 접속된다.

따라서, 전극 조립체(10)가 수납된 파우치(20)는 전극탭(14,15)과 연결되는 보호회로기판(30) 및 기타 구조체를 설치한 후, 도시되지 않은 케이스에 수납되어 완성된다.

이때, 파우치(20)는 밀봉시 융착된 플랜지 형태의 가장자리(23)가 정면을 향 해 즉, 드로잉부(21)가 형성되는 방향으로 접힌 상태를 나타내고 있다. 가장자리(23)를 접는 것은 융착에 의해 파우치(20)를 밀봉하여 형성된 리튬 이차 전지에서 가장자리(23)에 해당하는 만큼 전지의 폭을 줄여 무용한 공간을 없애기 위한 것이다.

그런데, 파우치(20)의 양 옆 두 변에 있는 가장자리(23)가 접힌 상태에서도 가장자리(23)의 단부에는 여전히 파우치막 중간층을 이루는 금속 포일이 드러나 있다. 따라서, 파우치형 리튬 이차 전지를 형성하면 보호회로기판(30)의 도전부는 파우치(20)의 접힌 가장자리(23)와 공간적으로 가깝게 위치하게 되고 전기적으로 접속될 가능성이 크다. 보호회로기판(30)의 도전부가 어떤 형태로든 전지의 전극과 연결된 상태에 있다면, 전극의 금속과 파우치막의 알미늄 포일이 전기적으로 단락될 가능성이 커진다.

또한, 금속 포일이 노출된 상태의 파우치형 리튬 전지는 하드케이스나 전지 사용 제품의 전지박스에 직접 장입될 경우, 파우치막의 금속포일이 든 하드 케이스나 전지 박스 내의 회로부 기타 도전체를 통해 전지의 음극과 단락될 수 있다. 혹은, 파우치막의 금속 포일, 보호회로기판의 도전체, 하드 케이스나 전지 박스의 도전체, 전지 음극의 경로로 전기 접속이 이루어질 수 있다.

그리고, 파우치형 리튬 이차 전지는 직, 간접적으로 파우치막의 금속 포일을 이루는 알미늄과 전극의 금속 집전체 등이 접속되면 전기 화학 작용에 의해 파우치막의 알미늄 포일이 부식을 일으킬 수 있다. 특히 파우치에서 전극탭(14,15) 주변에 누출된 전해액 성분이나 습기가 존재하는 환경에서는 금속 포일 부식이 가속화 될 수 있다.

수분과 산소의 베리어(Barrier)로 작용하는 금속 포일이 계속 부식되면 파우치막의 폴리머층만으로는 수분과 산소의 유입을 충분한 정도로 막을 수 없다. 파우치의 차단 능력이 떨어지면 전지는 이상을 일으킬 수 있다. 즉, 겔형 전해질 세퍼레이터(13)의 유기 전해액이 증발되거나 외부 수분이나 산소가 유입되면 파우치(20)에 스웰링(Swelling) 등 이상 현상이 발생하여 전지의 폐기, 성능 열화와 수명 단축을 초래한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소시키기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 파우치의 금속 포일이 노출되지 않는 전지의 외장체를 갖는 파우치형 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1,2전극 및 세퍼레이터를 포함하여 이루어지는 전극 집전체와, 소정의 공간을 갖는 딥 드로잉부를 마련하여 상기 전극 집전체를 수용하는 파우치를 포함하는 파우치형 리튬 이차 전지를 제공한다.

상기 파우치는 개구가 상측에 위치되는 것일 수 있다.

상기 딥 드로잉부는 상기 전극 집전체의 형태에 대응되게 형성된 것일 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 파우치형 리튬 이차 전지를 상 세히 설명한다.

도 3,4는 본 발명에 따른 파우치형 리튬 이차 전지를 도시한 도면이다. 이 도면을 참조하면, 파우치형 리튬 이차 전지는 제1,2전극판(110,120) 및 세퍼레이터(130)를 포함하여 이루어지는 전극 집전체(150)와, 소정의 공간을 갖는 딥 드로잉부(210)를 마련하여 전극 집전체(150)를 수용하는 파우치(200)를 포함하여 이루어진다.

전극 조립체(150)는 제1,2전극 활물질층이 코팅된 제1,2전극판(110,120)과, 제1,2전극판(110,120)사이에 게재되어 제1,2전극판(110,120)의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(130)가 권취되어 이루어진다. 제1,2전극판(110,120)에는 제1,2전극탭(141,143)이 각각 인출된다.

이때, 제1전극판(141)은 양극이고, 제2전극판(143)은 음극이 될 수 있다.

여기서, 양극 활물질로는 칼코게나이드(Chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCo02, LiMn204, LiNi02, LiNi1-xCox02(0<x<1), LiMn02 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있다. 음극 활물질로는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(Composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있다. 또한, 일반적으로 양극 전극판은 알루미늄(Al)재질, 음극 전극판은 구리(Cu)재질을 사용하며, 세퍼레이터(130)는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만, 본 발명에서 상기의 재질을 한정하는 것은 아니다.

파우치(200)는 그 재질이 알루미늄(Al)과 같은 금속재로 이루어진 심부와, 심부의 상부면 상에 형성된 열융착층과, 심부의 하부면 상에 형성된 절연막으로 이루어진다.

열융착층은 폴리머 수지인 변성 폴리프로필렌 예컨대, CPP(Casted Polypropylene)를 사용하여 접착층으로 작용하며, 절연막은 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 수지재가 적용될 수 있으나 여기서 파우치(200)의 재질을 한정하는 것은 아니다.

파우치(200)는 전극 조립체(150)를 수용시키기 위해 소정의 공간을 갖는 딥 드로잉부(210)를 마련한다. 딥 드로잉부(210)는 캔형 이차 전지와 유사한 방법으로 형성된다. 이때, 딥 드로잉부(210)는 전극 조립체(150)의 길이보다 깊게 드로잉되어야 한다. 따라서, 딥 드로잉부(210)는 그 개구가 상측에 배치되므로 전극 조립체(150)의 상측으로 인출된 제1,2전극탭(141,143)이 상측에 위치되도록 전극 조립체(150)를 세로로 삽입시킨다.

여기서, 딥 드로잉부(210)는 전극 집전체(150)의 권취된 형태에 대응되게 형성된 것이 바람직하다. 즉, 전극 집전체(150)는 제1,2전극판(110,120) 및 세퍼레이터(130)가 타원형으로 권취되면 딥 드로잉부(210)도 타원형으로 형성되고, 전극 전체(150)가 원형으로 권취되면 딥 드로잉부(210)도 원형으로 형성된다.

한편, 파우치(200)는 상단에 전극 조립체(150)가 수용된 상단에 밀봉을 위해 밀봉선(220)을 기준으로 소정의 간격을 갖는 플랜지부(230)가 마련된다.

따라서, 파우치(200)의 밀봉은 파우치(200)의 상단을 밀봉선(220)을 기준으로 가열 가압하면, 파우치(200) 열융착층의 폴리머막이 융착되면서 파우치(200)의 밀봉이 이루어져 베어셀 전지가 형성된다. 즉, 파우치(200)는 전극 조립체(150)를 수용시키는 상단 개구부분만 밀봉하면 된다.

이때, 밀봉된 파우치(200)는 밀봉된 측에 플랜지부(230)가 위치되며 플랜지부(230)에는 파우치(200)의 외부로 제1,2전극탭(141,143)이 인출된다.

플랜지부(230)의 단부에는 절연재 테이프(미도시)를 붙여 단부의 금속 포일이 드러나지 않도록 한다. 그리고, 제1,2전극탭(141,143)에는 보호회로기판 등의 구조체를 부착하여 파우치형 리튬 이차 전지를 형성한다.

이상 설명한 바에 따르면 본 발명의 파우치형 리튬 이차 전지는 파우치를 딥 드로잉하여 전극 조립체를 수용함에 따라, 전극 조립체를 수용하기 위한 개구부분만 실링하면 되는 이점이 있다.

또한, 파우치는 실링부분이 줄어듦에 따라 수분에 노출되는 부분이 줄어들므로 제품의 불량률이 감소되고, 작업단계가 줄어들므로 작업능률이 상승되는 효과가 있다.

그리고, 파우치는 실링부분이 줄어듦에 따라 종래에 열융착에 의한 실링으로 전극 조립체가 손상되는 것을 방지하기 위해 전극조립체와 파우치 사이에 존재하던 갭을 줄일 수 있으므로, 줄어든 공간만큼 전극 집전체의 크기를 크게 할 수 있으므로 전지의 성능이 향상되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 제1,2전극 및 세퍼레이터를 포함하여 이루어지는 전극 집전체;

   소정의 공간을 갖는 딥 드로잉부를 마련하여 상기 전극 집전체를 수용하는 파우치;를 포함하는 파우치형 리튬 이차 전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 파우치는 개구가 상측에 위치되는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 딥 드로잉부는 상기 전극 집전체의 형태에 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.

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