KR20060087179A - 파우치형 리튬 이차 전지 - Google Patents

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KR20060087179A
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Abstract

본 발명은 파우치 외장재의 기재로 사용되는 금속 박막의 표면에 부식 방지막을 형성하여, 금속 박막과 전극 탭의 쇼트 시 발생할 수 있는 금속 박막의 부식을 방지할 수 있는 파우치형 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 본 발명의 파우치형 리튬 이차 전지는 제 1 전극 탭이 부착된 제 1 전극판, 제 2 전극 탭이 부착된 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와; 하면 및 상면으로 구분되고, 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 외장재를 포함하며, 상기 파우치 외장재는 기재가 되는 금속 박막과, 상기 금속 박막의 상기 하면과 상면이 접합되는 방향의 일면 상에 형성된 열융착층과, 상기 금속 박막의 상기 열융착층이 형성된 면의 반대 방향의 일면에 형성된 절연막과, 적어도 상기 금속 박막 및 상기 열융착층의 사이에 형성된 부식 방지막을 구비하여 이루어진다.
파우치형 리튬 이차 전지, 금속 박막, 부식 방지막

Description

파우치형 리튬 이차 전지{Pouch Type Li Secondary Battery}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 밀봉 후 상태를 설명하는 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 파우치 외장재를 설명하기 위한 도면으로, 도 1의 A부분의 확대도.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100; 파우치형 리튬 이차 전지 200; 전극 조립체
210; 제 1 전극판 215; 제 1 전극 탭
220; 제 2 전극판 225; 제 2 전극판
230; 세퍼레이터 240; 절연 테이프
300; 파우치 외장재 300a; 금속 박막
300b; 열융착층 300c; 절연막
300d, 300d'; 부식 방지막 310; 하면
310a; 전극 조립체 수용 공간 310b; 접합부
320; 상면 330; 접철선
본 발명은 파우치형 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파우치 외장재의 기재로 사용되는 금속 박막의 표면에 부식 방지막을 형성하여, 금속 박막과 전극 탭의 쇼트 시 발생할 수 있는 금속 박막의 부식을 방지할 수 있는 파우치형 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 파우치형 리튬 이차 전지는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 외장재를 구비하는 구조로 이루어진다.
이러한 파우치형 리튬 이차 전지는 일반적으로, 상기 양극판 및 음극판 사이의 전하(charge), 예를 들면, 리튬 이온의 이동의 매개체로 겔형의 고분자 전해질을 사용한다. 상기 겔형의 고분자 전해질은 전해액을 고분자에 함침한 상태에서 제조한다. 이러한 겔형 고분자 전해질은 향상된 이온 전도도 외에 전극판과의 우수한 접합성, 기계적 물성, 그리고 제조의 용이성 등의 장점이 있다.
한편, 상기한 바와 같은 파우치형 리튬 이차 전지는 금속 박막에 절연막이 코팅된 얇은 필름 형태의 파우치 외장재를 통하여 상기 전극 조립체를 수용하고 밀봉함으로써, 금속재 캔을 이용하는 전극 조립체를 수용하는 형태의 각형 또는 원통형 리튬 이차 전지에 비하여 전지 용량이 향상된다. 이는 상기 금속재 캔에 비하여 상기 파우치 외장재의 두께가 상당히 얇아, 전지 전체 체적이 동일한 경우 그 내부 에 수용되는 전극 조립체의 부피를 보다 크게 할 수 있으며, 이에 따라 전지 용량이 향상되기 때문이다.
또한, 상기 파우치 외장재가 연성이므로, 전지를 원하는 형태로 쉽게 제조할 수 있으며, 따라서, 각종 전기/전자기기에 따라 원하는 형태로 상기 파우치형 리튬 이차 전지를 제작하여 장착이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
그러나, 이러한 파우치 외장재는 전지 용량 증대 및 다양한 형태로의 가공성에도 불구하고, 그 표면을 덮는 절연층이 미세하게 크랙되거나, 또는 일반적으로 구리로 이루어지는 음극판에 미세하게 쇼트(short)되는 경우 상기 파우치 외장재를 이루며, 일반적으로 알루미늄으로 이루어지는 금속 박막이 쉽게 부식되는 단점이 있다.
이는 상기 파우치 외장재의 금속 박막은 알루미늄으로 이루어지며, 상기 음극판은 구리로 이루어지므로, 둘 사이에 쇼트(short)가 발생하는 경우, 금속 박막과 음극판 사이에는 전위차가 존재하며, 이로 인해 이들 사이에 전자가 이동하게 된다. 따라서, 상기 음극판과 금속 박막 사이에 소정의 전지 화학 반응이 발생하며, 상기 금속 박막은 양극으로 음극판은 음극으로 작용하여, 상기 양극으로 작용하는 금속 박막의 부식이 촉진된다.
따라서, 이러한 금속 박막의 부식을 방지하기 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 파우치 외장재의 기재로 사용되는 금속 박막의 표면에 부식 방지막을 형성하여, 금속 박막과 전극 탭의 쇼트 시 발생할 수 있는 금속 박막의 부식을 방지할 수 있는 파우치형 리튬 이차 전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파우치형 리튬 이차 전지는 제 1 전극 탭이 부착된 제 1 전극판, 제 2 전극 탭이 부착된 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와; 하면 및 상면으로 구분되고, 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 외장재를 포함하며, 상기 파우치 외장재는 기재가 되는 금속 박막과, 상기 금속 박막의 상기 하면과 상면이 접합되는 방향의 일면 상에 형성된 열융착층과, 상기 금속 박막의 상기 열융착층이 형성된 면의 반대 방향의 일면에 형성된 절연막과, 적어도 상기 금속 박막 및 상기 열융착층의 사이에 형성된 부식 방지막을 구비하여 이루어진다.
상기 부식 방지막은 비전도성 산화물, 비전도성 옥시하이드록사이드 및 비전도성 수산화물 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 산화물은 상기 금속 박막의 표면이 산화되어 형성된 산화물인 것이 바람직하다.
상기 부식 방지막의 두께는 10Å 내지 20㎛인 것이 바람직하다.
상기 금속 박막 및 절연막 사이에 형성된 비도전성 산화막을 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 금속 박막은 알루미늄(Al)으로 이루어지며, 상기 열융착층은 변성 폴리 프로필렌으로 이루어지며, 상기 절연막은 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제 1 전극 탭 및 제 2 전극 탭은 상기 접철선의 반대 방향으로 인출되는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도면의 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지(100)는 전극 조립체(200)와, 상기 전극 조립체(200)를 수용하는 파우치 외장재(300)를 구비하여 이루어진다.
상기 전극 조립체(200)는 양극 활물질 및 음극 활물질 중 어느 하나, 예를 들면, 양극 활물질이 코팅된 제 1 전극판(210), 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나, 예를 들면, 음극 활물질이 코팅된 제 2 전극판(220), 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 사이에 위치하여 상기 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(230)로 이루어진다. 또한, 상기 제 1 전극판(210)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 일정 길이 돌출되어 양극 탭으로 작용하는 제 1 전극 탭(215)이 접합되어 있다. 상기 제 2 전극판(220)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 일정 길이 돌출되어 음극 탭으로 작용하는 제 2 전극 탭(225)이 접합되어 있 으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 전극 탭(215) 및 제 2 전극 탭(225)과 상기 파우치 외장재(300) 사이의 단락을 방지하기 위한 절연 테이프(240)를 더 구비할 수도 있다. 또한, 상기 제 1 전극 탭(215) 및 제 2 전극 탭(225)은 상기 파우치 외장재(300)의 어느 일측면을 통하여 외부로 인출되며, 이러한, 제 1 전극 탭(215) 및 제 2 전극 탭(225)은 외부의 보호 회로 모듈(도면상에는 미도시)과 전기적으로 연결된다. 더불어 상기 전극 조립체(200)의 상??하부에는 상기 전극 조립체(200)가 상기 파우치 외장재(300)와의 접촉하는 것을 방지하기 위해 상??하부 절연 플레이트(도면상에는 미도시)가 더 부착될 수도 있다.
또한, 상기 양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있다. 음극 활물질는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있다. 또한, 일반적으로 상기 양극 전극판은 알루미늄(Al) 재질, 음극 전극판은 구리(Cu) 재질을 사용하며, 상기 세퍼레이터(230)는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 파우치 외장재(300)는 소정의 접철선(330)을 통하여 하면(310) 및 상면(320)으로 구분되며, 상기 하면(310)은 상기 전극 조립체(200)를 수용하기 위한 전극 조립체 수용 공간(310a)이 형성되어 있으며, 상기 상면(320)은 상기 전극 조립 체 수용 공간(310a)이 형성된 하면을 커버한다. 상기 하면(310)의 전극 조립체 수용 공간(310a)의 가장자리는 상기 파우치 외장재(300)에 상기 전극 조립체(200)를 수용한 후, 접합하여 밀봉되는 접합부(310b)이다. 또한, 상기 전극 조립체(200)를 수용하기 위한 공간(310a)은 프레스(press) 가공 등을 통하여 형성된다. 또한, 상기 파우치 외장재(300)는 상기 하면(310)의 전극 조립체 수용 공간(310a)에 상기 전극 조립체(200)를 수용한 후, 상면(320)을 덮고 접합하여 밀봉한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 밀봉 후 상태를 설명하는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지(100)는 전극 조립체(200)를 파우치 외장재(300)에 수용한 후, 가장자리를 밀봉하여 완성된다.
보다 상세히 설명하면, 상기 하면(310)의 전극 조립체 수용 공간(310a)에 전극 조립체(200)를 수용시킨다. 이때, 상기 전극 조립체(200)의 제 1 전극 탭(215) 및 제 2 전극 탭(225)은 상기 접철선(330)의 반대 방향을 향하도록 수용된다.
상기 전극 조립체(200)를 상기 전극 조립체 수용 공간(310a)에 수용한 후, 상기 하면(310) 및 상면(320)을 맞닿도록 하고, 상기 전극 조립체 수용 공간(310a)의 가장자리 접합부(310b)를 접합하여 밀봉하여 파우치 베어 셀을 형성한다. 이때, 상기 접합은 소정의 열 및 압력을 가하는 열융착 등의 공정을 이용하여 수행한다.
그런 다음, 상기 전극 조립체(200)의 측면에 위치하는 상기 파우치 외장재(300)의 접합부(310b)를 접철한다.
한편, 도면상에는 도시하지 않았으나, 소정의 보호 회로 모듈을 상기 제 1 전극 탭(215) 및 제 2 전극 탭(225)과 전기적으로 연결하여 파우치 코어 팩을 형성하며, 상기 파우치 코어 팩을 전지 팩 케이스에 수용하여 파우치형 리튬 이차 전지를 형성한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지의 파우치 외장재를 설명하기 위한 도면으로, 도 1의 A부분의 확대도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지(100)의 파우치 외장재(300)는 그 기재가 되는 금속 박막(300a)과, 상기 금속 박막(300a)의 어느 일면, 예를 들면, 상기 하면과 상면이 접합되는 방향의 일면 상에 형성된 열융착층(300b)과, 상기 금속 박막(300a)의 열융착층(300b)이 형성된 면의 반대 방향의 일면에 형성된 절연막(300c)과, 적어도 상기 금속 박막(300a) 및 열융착층(300b)의 사이에 형성된 부식 방지막(300d)을 구비하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 파우치 외장재(300)는 상기 금속 박막(300a) 및 절연막(300c) 사이에 형성된 부식 방지막(300d')을 더 구비한다.
상기 금속 박막(300a)은 일반적으로 약 100㎛ 두께 내외의 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy) 또는 이들의 등가물로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 열융착층(300b)은 폴리머 수지인 변성 폴리프로필렌, 예컨대 CPP(Casted Polypropylene)를 사용하여 접착층으로 작용한다.
상기 절연막(300c)은 나일론(nylon) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어져, 상기 금속 박막(300a)이 부식 등의 외부 환경에 대한 저항성을 갖도록 할 수 있다.
상기 부식 방지층(300d, 300d')은 상기 금속 박막(300a)의 부식을 방지하기 위한 것으로, 특히, 상기 파우치 외장재(300)의 열융착층(300b) 또는 절연막(300c)이 손상되어 상기 전극 조립체(200)의 전극 탭(215, 225) 중 음극 탭으로 작용하는 제 2 전극 탭(225)이 상기 금속 박막(300a)과 쇼트(short)되는 것을 방지하여, 상기 제 2 전극 탭(225) 및 금속 박막(300a)의 쇼트(short)로 인한 상기 금속 박막(300a)의 부식을 방지할 수 있다.
상기 부식 방지막(300d, 300d')은 비전도성 산화물, 비전도성 옥시하이드록사이드 및 비전도성 수산화물 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 상기 부식 방지막(300d, 300d')이 비전도성 산화물인 경우, 상기 비전도성 산화물로는 상기 금속 박막(300a)의 표면이 산화되어 형성된 산화물, 예를 들면, 알루미늄 산화물(Al2O3)이 사용될 수 있다.
또한, 상기 부식 방지층(300d, 300d')의 두께는 10Å 내지 20㎛ 인 것이 바람직하다. 이는 상기 부식 방지층(300d, 300d')의 두께가 10Å 이하인 경우에는, 상기 부식 방지층(300d, 300d')이 원자 단위의 두께로 형성되는 것이므로, 상기 금속 박막(300a) 및 제 2 전극 탭(225) 사이의 쇼트(short)를 효과적으로 방지할 수 없기 때문이다. 또한, 상기 부식 방지층(300d, 300d')의 두께가 20㎛ 이상인 경우에는, 상기 부식 방지층(300d, 300d')으로 인하여 상기 파우치 외장재(300)의 두께가 전체적으로 증가하기 때문이다.
또한, 상기 부식 방지층(300d, 300d')이 알루미늄 산화물(Al2O3)인 경우, 상 기 부식 방지층(300d, 300d')은 상기 금속 박막(300a)의 표면을 산화시켜 형성되는데, 이때, 상기 금속 박막(300a)은 표면 산화로 인하여 상기 금속 박막(300a)의 두께가 감소하여 상기 파우치 외장재(300)의 금속 박막(300)으로 작용하기 어려워지기 때문이다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지(100)는 상기 파우치 외장재(300) 금속 박막(300a)의 표면에 상기 부식 방지막(300d, 300d')을 구비함으로써, 상기 금속 박막(300a)의 부식을 방지할 수 있다. 특히, 상기 부식 방지막(300d, 300d')으로 비전도성 물질을 사용함으로써, 상기 전극 조립체(200)의 음극 탭으로 작용하는 제 2 전극 탭(225) 및 금속 박막(300a) 사이의 쇼트(short)를 방지하며, 제 2 전극 탭(225) 및 금속 박막(300a) 사이의 쇼트(short)에 따른 상기 금속 박막(300a)의 부식을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 파우치 외장재의 기재로 사용되는 금속 박막의 표면에 부식 방지막을 형성하여, 금속 박막과 전극 탭의 쇼트 시 발생할 수 있는 금속 박막의 부식을 방지할 수 있는 파우치형 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 제 1 전극 탭이 부착된 제 1 전극판, 제 2 전극 탭이 부착된 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와;
    하면 및 상면으로 구분되고, 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 외장재를 포함하며,
    상기 파우치 외장재는 기재가 되는 금속 박막과, 상기 금속 박막의 상기 하면과 상면이 접합되는 방향의 일면 상에 형성된 열융착층과, 상기 금속 박막의 상기 열융착층이 형성된 면의 반대 방향의 일면에 형성된 절연막과, 적어도 상기 금속 박막 및 상기 열융착층의 사이에 형성된 부식 방지막을 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 부식 방지막은 비전도성 산화물, 비전도성 옥시하이드록사이드 및 비전도성 수산화물 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 비전도성 산화물은 상기 금속 박막의 표면이 산화되어 형성된 산화물인 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 부식 방지막의 두께는 10Å 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 박막 및 절연막 사이에 형성된 비도전성 산화막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 박막은 알루미늄(Al)으로 이루어지며,
    상기 열융착층은 변성 폴리프로필렌으로 이루어지며,
    상기 절연막은 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차 전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극 탭 및 제 2 전극 탭은 상기 접철선의 반대 방향으로 인출되는 것을 특징으로 하는 파우치형 리튬 이차 전지.
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