KR20070096280A - 안전성이 향상된 파우치형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적층형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지에 있어서, 전극조립체 중 분리막의 상단을 전극 탭이 포함된 상태로 융착시킴으로써, 전지의 낙하 또는 외부의 물리적 충격에 의한 전극조립체의 이동을 억제하고 전극 탭이 전극조립체 안으로 꺾여 들어가는 것을 방지하여, 전극 리드 또는 전극 탭과 전극조립체의 접촉에 의한 내부 단락을 방지하고, 전지 구성요소 들의 조립상태를 안정적으로 유지하도록 하여, 안전성이 향상된 이차전지를 제공한다.

Description

안전성이 향상된 파우치형 이차전지 {Pouch-type Secondary Battery of Improved Stability}

도 1은 일반적인 파우치형 폴리머 이차전지의 구성 모식도이다;

도 2는 도 1의 전지에서 전지 케이스 내면과 전극조립체의 상단면 사이의 이격 공간에서 전극 탭들과 전극 리드의 구성 상태를 보여주는 모식도이다;

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 분리막의 상단이 융착된 이차전지 전극조립체의 모식도이다;

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 음극판의 상단 일부가 포함된 상태로 분리막이 융착된 이차전지 전극조립체의 모식도이다;

도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 분리막 상단의 일부가 융착된 이차전지 전극조립체의 모식도이다;

도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따라 특정한 형상의 상단면을 가진 분리막을 융착한 이차전지 전극조립체의 모식도이다.

본 발명은 파우치형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 적층형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지에 있어서, 전극조립체 중 분리막의 상단부를 전극 탭의 연장부가 포함된 상태로 융착시킴으로써, 전지의 낙하 또는 외부의 물리적 충격에 의한 전극조립체의 이동을 억제하여 전극 리드 또는 전극 탭과 전극조립체의 접촉에 의한 내부 단락을 방지하고, 전지 구성요소들의 조립상태가 안정적으로 유지되도록 함으로써 안정성이 향상된 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성이 우수한 리튬 코발트 폴리머 전지와 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

이러한 이차전지에서 주요 연구과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 일반적으로, 리튬 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류나 전압을 초과한 충전상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격 등과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발을 초래할 수 있다. 그러한 하나의 경우로서, 파우치형 이차전지는 낙하 또는 외력의 작용 등과 같은 충격시 내부 단락이 발생할 가능성이 존재한다.

도 1에는 종래의 파우치형 폴리머 이차전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 폴리머 이차전지(100)는, 전극조립체(300), 전극조립체(300)로부터 연장되는 전극 탭들(302, 304)과, 전극 탭들(302, 304)에 용접되어 있는 전극리드(400, 410), 및 상기 전지부를 수용하는 케이스(200)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체(300)는 양극과 음극 사이에 개재되어 이들을 상호 절연시키는 분리막이 양극/분리막/음극 순서로 적층되어 있는 구조물이다. 전극 탭들(302, 304)은 전극조립체(300)의 각 극판으로부터 연장되고, 전극리드(400, 410)는 각 극판으로부터 연장된 복수개의 전극 탭들(302, 304)과 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 케이스(200)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 케이스(200)는 전극조립체(300)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(300)의 경우, 다수의 양극 탭들(310)과 다수의 음극 탭들(320)이 각각 융착되어 전극리드(400, 410)에 함께 결합될 수 있도록, 케이스(200) 내부 상단은 전극조립체(300)로부터 이격되어 있다.

도 2에는 도 1의 이차전지에서 양극 탭들이 밀집된 형태로 융착되어 양극리드에 연결되어 있는 케이스 내부 상단의 부분 확대도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 전극조립체(300)의 양극 집전체(310)로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 양극 탭들(302)은, 예를 들어, 초음파 융착법에 의해 일체로 결합된 융착부(322)의 형태로 양극 리드(400)에 연결된다. 그러한 양극 리드(400)는 양극 탭 융착부(322)가 연결되어 있는 대향 단부(402)가 노출된 상태로 전지 케이스(200)에 의해 밀봉된다. 다수의 양극 탭들(302)이 일체로 결합되어 융착부(322)를 형성함으로 인해, 전지 케이스(200)의 내부 상단은 전극조립체(300)의 상단면으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 있고, 융착부(322)의 양극 탭들(302)은 U자 형상을 이룬다.

따라서, 전지가 그것의 상단, 즉 양극 리드(400) 쪽으로 낙하되거나 전지의 상단에 물리적인 외력이 가해지는 경우에, 전극조립체(300)가 케이스(200)의 내면 상단으로 이동되거나 또는 상단이 짓눌려져서, 전극조립체(300)의 음극 집전판이 양극 탭(302) 또는 양극 리드(400)와 접촉되어 내부 단락을 유발할 수 있다. 이러한 내부 단락은, 특히, 융착부(322) 하부의 일부 양극 탭들이 전극조립체(300)의 안으로 꺾여 들어가면서 유발된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전극조립체에서 분리막의 상부 여분을 크게 늘리는 방법이 제시되었다. 그러나, 분리막의 기계적 강도와 탄성은 인가되는 외부 충격에 비해 상대적으로 매우 작기 때문에 소망하는 효과를 발휘하기 어렵다.

또 다른 방법으로서, 전지 케이스와 전극조립체의 상단 사이의 이격 공간에 고체상의 절연체를 삽입하는 방법이 제안되었다. 그러나, 이러한 절연체의 삽입은 전지의 제조 공정상의 어려움으로 인해 실제로 적용되지 못하고 있다.

또 다른 방법으로서, 일본 특허출원공개 제1994-36801호, 제1997-213377호, 제1998-55795호 등에는 일반적으로 두 장의 분리막 사이에 양극 및/또는 음극을 끼우고 그 주변부를 융착하여 주머니 모양의 분리막을 형성하는 기술이 개시되어 있 다. 그러나, 이러한 기술들은 분리막의 상/하부, 좌/우측부, 또는 사방을 융착시켜야 하는 복잡한 공정을 필요로 하고, 그 공정상에 있어서 여러 문제점들을 수반하는 바, 첫째, 분리막의 융착부에 미세한 주름이 발생하기 쉽기 때문에 그로 인한 전지 반응의 불균일화로 전지의 방전용량이 감소하게 되는 문제가 있고, 둘째, 국부적인 가열이 곤란하여 접착부 외의 부위까지 가열되고 수축되어 이온이 통과하는 구멍이 막힘으로써 전지 성능이 저하되고, 심한 경우에는 이온전도가 되지 않아 전지의 기능을 상실하게 되는 문제점이 있다. 또한, 일본 특허출원공개 제1992-196054호에도 전극을 내포한 분리막의 측부를 융착하는 기술이 개시되어 있으나, 실장 시 전극이 이동하여 분리막으로부터 노출됨으로써 내부 단락이 유발되는 문제점이 있다.

따라서, 보다 효율적인 방법으로 전지의 안정성을 담보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 적층형 전극조립체를 포함하고 있는 파우치형 이차전지에 있어서, 전극조립체 중 분리막의 상단부를 융착시키는 간단한 공정만으로도, 전극조립체의 이동이 억제되고 전극 탭이 전극조립체 안으로 삽입되는 것을 방지하여 전지의 낙하 또는 외부의 물리적 충격 에 의한 내부 단락을 방지할 수 있고, 전지 구성요소들의 결합 상태 등을 안정적으로 유지할 수 있게 되어, 궁극적으로 전지의 안정성을 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, ⅰ) 적층형 전극조립체, ⅱ) 양극 집전체로부터 연장되어 있는 양극 탭, ⅲ) 음극 집전체로부터 연장되어 있는 음극 탭, ⅳ) 상기 양극 탭 및 음극 탭들과 각각 전기적으로 연결되어 있는 전극 리드, 및 ⅴ) 상기 전극조립체를 수용하는 파우치형 케이스를 포함하고 있으며, 상기 적층형 전극조립체의 분리막 상단은 전극 탭의 일부가 포함된 상태로 상호 융착되어 있는 구성으로 이루어져 있다.

본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 분리막의 상단을 융착시킴으로써, 분리막의 이동이 억제될 뿐만 아니라, 특히, 전극 탭들이 융착된 상태로 전극 리드에 연결되는 탭 융착부 아래의 전극 탭들이 전극조립체 안으로 꺾여 들어가는 것을 최대한 억제하여, 전지의 낙하 또는 외부의 물리적 충격에 의한 내부 단락을 방지할 수 있고, 전지 구성요소들의 결합 상태 등을 안정적으로 유지할 수 있게 되어, 전지의 안정성이 향상되는 장점이 있다.

상기에서 전극 탭의 일부가 포함된 상태로 분리막의 상단부가 융착된다는 것은, 전극조립체 상단의 분리막을 상호 융착시킬 때, 그 사이에 위치하는 전극 탭도 함께 융착시키는 것을 의미한다. 따라서, 전극 탭이 분리막과 함께 융착됨으로 인 해, 분리막 융착부의 상부, 즉, 분리막 융착부와 탭 융착부 사이의 개별적 전극 탭들이 전극조립체 안으로 삽입되는 것을 방지할 수 있다.

일반적으로 적층형 전극조립체로 이루어진 전지에서, 분리막은 양극과 음극의 접촉에 의한 단락을 방지하기 위하여 이들 전극보다 크게 제작되므로, 전극조립체의 상단에는 여분의 분리막이 존재한다. 본 발명에서의 분리막 융착은, 바람직하게는, 상기 전극조립체 상단에 존재하는 여분의 분리막을 상호 융착시켜 달성될 수 있다. 전극조립체 상단에 존재하는 여분의 분리막을 모두 융착할 수도 있고, 경우에 따라서는 그 중 전극 탭 부분을 포함하는 부분만을 선택적으로 융착시킬 수도 있다.

한편, 양극은 충방전시 음극에서 간헐적으로 발생하는 리튬이온 석출현상을 고려하여 음극보다 약간 작게 제작되므로, 전극조립체에서 구성요소들의 크기는 양극 < 음극 < 분리막의 순으로 이루어진다. 이러한 크기의 차이는, 전지의 낙하 또는 외력의 작용에 의해, 전극조립체 상단에서 전극 탭이 접촉하는 구성요소들의 순서와도 일치한다. 따라서, 전극 탭은 양극 보다는 음극에 먼저 접촉할 가능성이 있다. 이러한 점을 고려할 때, 전극 탭이 음극 탭인 경우에는 전극조립체의 음극과 우선적으로 접촉하므로 단락이 일어나지 않지만, 전극 탭이 양극 탭인 경우에는 음극과의 우선적인 접촉에 의해 단락일 일어날 가능성이 높다. 따라서, 상기 분리막과 함께 융착되는 전극 탭은 적어도 양극 탭을 포함하는 것이 바람직하다.

분리막 융착부는, 앞서 설명한 바와 같이, 전극조립체 상단의 여분의 분리막이지만, 경우에 따라서는 양극 또는 음극의 상단 일부가 포함될 수도 있다.

분리막과 전극 탭과의 융착 면적을 크게 하기 위하여, 하나의 예로서, 분리막은 전극 탭 부위에서 돌출된 형태일 수도 있다.

분리막의 융착은 다양한 방법으로 실현될 수 있는 바, 가열가압에 의한 열 융착법, 접착제를 사용한 접착 융착법, 또는 접착제를 가한 상태에서 가열가압하는 접착/열 융착법 등이 사용될 수 있다.

또한, 분리막의 융착은, 분리막을 개재한 상태에서 각각의 전극을 적층한 후 일체로서 융착시키거나, 순차적으로 융착시키거나, 또는 개별단위로 융착한 후 융착된 개별단위를 적층하여 재차 융착시키는 방법 등, 본 발명의 분리막 융착부를 형성하는 방법이라면 특별히 제한되지 않는다. 전극 탭이 함께 개재된 상태에서 분리막을 융착하므로, 전극 탭이 개재된 분리막 부위가 분리막들이 직접 접촉되는 부위의 두께보다 두꺼운 점을 고려하여, 예를 들어, 융착을 위한 지그는 그러한 융착부위의 두께 편차를 고려하여 일정한 단차를 가지는 것이 바람직하다.

상기 전극조립체는, 집전체 상에 활물질이 각각 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 고체 전해질이 도포되어 있는 분리막을 개재하여, 양극/분리막/음극이 순차적으로 적층되어 있는 적층형(Stacking) 전극조립체이다. 상기 적층형 전극조립체는 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-82059호에 개시되어 있는 스택킹/폴딩(Stacking & Folding)형 구조로 이루어진 경우를 포함한다.

본 발명에 이용하는 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛ 이다. 이러한 분 리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 분리막의 상단이 융착된 이차전지의 전극조립체가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 적층형 전극조립체(300)는 양극판(310), 분리막(330), 음극판(320)을 적층하여 완성되며, 앞서 설명한 바와 같은 이유로, 음극판(320)은 양극판(310)보다 약간 크고, 분리막(330)은 음극판(320)보다 약간 큰 상태로 양극판(310) 및 음극판(320) 사이에 개재되어 있다.

분리막(330)의 상단, 즉, 음극판(320)의 상단면 위쪽의 여분의 분리막이 전체적으로 융착되어 분리막 융착부(340)를 이루며, 이러한 분리막 융착부(340)에는 양극 탭(302)과 음극 탭(304)이 포함되어 있다.

상기 융착의 조건은 그로 인한 분리막(340)의 열 수축에 의해 양극판(310) 및 음극판(320)의 단락이 유발되지 않은 범위에서 적절히 조절할 수 있으며 분리막(340)의 재질에 따라 달라질 수도 있다.

도 4에는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 음극판의 상단 일부가 포함된 상 태로 분리막이 융착된 이차전지의 전극조립체가 모식적으로 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 분리막(330)은 음극판(320)의 상단 일부와 함께 융착되어 분리막 융착부(341)를 형성하고 있다. 여기서, 분리막 융착부(341)의 크기는, 전극판(310, 320) 사이에 개재되어 있는 분리막(330) 부위가 융착으로 인해 발생하는 열의 영향을 받아 수축되거나 이온이 통과하는 구멍이 막혀 전지의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 범위에서 결정된다.

도 5에는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 분리막 상단의 일부가 융착된 이차전지의 전극조립체가 모식적으로 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 분리막 융착부(342)는 분리막(330)의 상단 중 음극판(320) 위쪽에 위치한 여분의 분리막이 융착된다는 점에서는 도 3의 융착부(340)와 동일하지만, 그러한 상단 분리막의 일부만이 융착된다는 점에서 도 3의 융착부(340)와 차이가 있다. 그러나, 이 경우에도, 분리막 융착부(342)에는 전극 탭들(302, 304)이 모두 포함되어 있다.

도 6에는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 특정한 형상의 상단면을 가진 분리막을 융착한 이차전지의 전극조립체가 모식적으로 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 분리막(330)은 그것의 상단면 중 전극 탭들(302, 304)과 접하는 부분이 상향 돌출되어 있는 것을 특징으로 한다. 따라서, 이러한 분리막 돌출부(332)는 전극 탭들(302, 304)과의 융착면적을 크게 하여 결합력을 높이고, 낙하 또는 외력의 작용에 의해 전극 탭들(302, 304)이 전극조립체 안으로 꺾여들어가 단락을 유발하는 가능성을 더욱 낮출 수 있다.

이상 설명과 같이, 본 발명의 내용을 바탕으로 다양한 응용 및 변형 예들이 가능할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 전극조립체 중 분리막의 상단을 전극 탭을 포함한 상태로 융착시킴으로써, 전지의 낙하 또는 전지의 상부에 가해지는 외부 충격 등에 의해 외력이 가해지더라도, 전극조립체의 이동을 억제하고 전극 리드 또는 전극 탭과 전극조립체의 접촉에 의한 내부 단락을 방지하여, 전지의 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (7)

1. ⅰ) 적층형 전극조립체, ⅱ) 양극 집전체로부터 연장되어 있는 양극 탭, ⅲ) 음극 집전체로부터 연장되어 있는 음극 탭, ⅳ) 상기 양극 탭 및 음극 탭들과 각각 전기적으로 연결되어 있는 전극 리드, 및 ⅴ) 상기 전극조립체를 수용하는 파우치형 케이스를 포함하고 있으며, 상기 적층형 전극조립체의 분리막 상단은 전극 탭의 일부가 포함된 상태로 상호 융착되어 있는 구조로 이루어진 파우치형 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막 융착은, 전극조립체 상단에 존재하는 여분의 분리막을 모두 융착하거나, 또는 그 중 전극 탭 부분을 포함하는 부분만을 선택적으로 융착시키는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막과 함께 융착되는 전극 탭은 양극 탭만이거나 또는 양극 탭과 음극 탭 모두인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막이 융착되는 부위에는 양극 또는 음극의 상단 일부가 포함되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 분리막과 전극 탭과의 융착 면적을 크게 하기 위하여 상기 분리막은 전극 탭 부위에서 돌출된 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파우 치형 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막의 융착은, 가열가압에 의한 열 융착법, 접착제를 사용한 접착 융착법, 또는 접착제를 가한 상태에서 가열 가압하는 접착/열 융착법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 분리막의 융착은, 분리막을 개재한 상태에서 각각의 전극을 적층한 후 일체로서 융착시키거나, 순차적으로 융착시키거나, 또는 개별단위로 융착한 후 융착된 개별단위를 적층하여 재차 융착시키는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.

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