KR20080005627A - 실링부의 안전성이 향상된 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 라미네이트 시트는 내측 수지층, 차단성 금속층 및 외측 수지층을 포함하는 구조로 이루어져 있고, 상기 라미네이트 시트가 상호 접하는 실링부에서, 내측 수지층들은 열융착에 의해 상호 결합되어 있고, 상기 내측 수지층들의 결합부를 감싸는 구조로 금속층들이 용접에 의해 상호 결합되어 있으며, 상기 금속층들의 결합부를 감싸는 구조로 외측 수지층들이 열융착 또는 별도의 수지에 의해 상호 결합되어 있는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는 내측 수지층 및 차단성 금속층이 외부로 노출되는 것을 방지함으로써, 수분의 침투 및 전해액의 누액 현상을 방지할 뿐만 아니라, 전지의 조립과정 또는 사용과정 중에 예기치 못한 상황에서 차단성 금속층과 전극단자 등이 접속됨으로써 발생하는 부식현상을 방지하여, 궁극적으로 전지의 수명을 연장시키고 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

실링부의 안전성이 향상된 이차전지 {Secondary Battery Having Safety-improved Sealing Portion}
도 1은 일반적인 전지케이스용 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정의 단면 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정의 단면 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정의 단면 모식도이다;
도 4는 본 발명에 따른 라미네이트 시트로 형성된 파우치형 전지의 분해 사시도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
10, 100, 101: 라미네이트 시트
11, 110, 111: 외측 수지층
12, 120, 121: 차단성 금속층
13, 130, 131: 내측 수지층
본 발명은 실링부의 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 라미네이트 시트는 내측 수지층, 차단성 금속층 및 외측 수지층을 포함하는 구조로 이루어져 있고, 상기 라미네이트 시트가 상호 접하는 실링(sealing)부에서 내측 수지층, 금속층 및 외측 수지층이 상호 결합되어 있는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 라미네이트 시트는 내수분성 및 배리어성이 우수할 뿐만 아니라, 금속층의 부식현상을 방지함으로써, 전지의 수명 및 안전성을 향상시킬 수 있는 등 다양한 잇점을 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다. 파우치형 전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트를 파우치형으로 만든 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있는 전지이다.
도 1에는 파우치형 전지에 일반적으로 사용되는 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정 및 라미네이트 시트의 결합된 단면이 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 라미네이트 시트(10)는 최외각을 이루는 외측 수지층(11), 물질의 관통을 방지하는 차단성 금속층(12), 및 밀봉을 위한 내측 수지층(13)으로 구성되어 있다.
외측 수지층(11)은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하므로 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구되며, 일반적으로 ONy(연신 나일론)이 많이 사용되고 있다. 차단성 금속층(12)은 공기, 습기 등이 전지의 내부로 유입되는 것을 방지하는 역할하며, 일반적으로 알루미늄(Al)이 많이 사용되고 있다. 내측 수지층(13)은 전극조립체를 내장한 상태에서 인가된 열과 압력에 의해 상호 열융착되어 밀봉성을 제공하는 역할을 하며, 일반적으로 CPP(무연신 폴리프로필렌)이 많이 사용되고 있다.
이러한 다층 라미네이트 구조의 전지케이스 시트(10)는 실링부에서 내측 수지층(13)이 서로 대면하는 구조를 이루며, 이러한 내측 수지층(13)은 열융착에 의해 서로 결합된다. 따라서, 라미네이트 시트가 결합된 단부에서 내측 수지층(13) 이 외부에 노출되고, 주로 고분자 수지로 되어 있는 내측 수지층(13)은 수분의 침투가 용이하고 전해액의 누액 가능성이 존재하므로, 장기간 사용시 전지의 수명 및 안정성을 저해하는 요인으로 작용한다.
따라서, 이러한 수분의 침투 및 전해액의 누액을 방지하기 위한 다양한 시도들이 행해진 바 있다. 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2004-087239호는 라미네이트 필름 사이가 접합되는 측단부를 열 가압 압축 성형하여 금속막(차단성 금속층)들을 상호 접촉시킴으로써, 내측에 위치하는 수지막(내측 수지층)이 상기 금속막에 의해 피복되어 있는 라미네이트 시트를 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 열 가압 압축 성형으로 금속막을 단순히 접촉시키는 것에 불과하므로, 금속막의 결합이 견고하지 않아 충분한 내수분성을 발휘하기 어렵고, 장기간 사용시 금속막의 결합이 약해져 재차 분리되는 문제점이 있다.
일본 특허출원공개 제2004-055154호는 한 쌍의 라미네이트 필름 중 일측 필름의 주변부를 타측 필름의 주변부보다도 바깥쪽으로 연장하여 설치하고, 상기 연장부위의 선단부를 일측 필름의 주변부쪽으로 절곡하여 맞닿은 부분에 레이저 용접을 행하여, 최외층은 레이저광의 열에 의해 휘발되고, 쌍방의 금속층의 단부를 용융시켜 결합함으로써 내측 수지층의 노출로 인한 전해액의 누액 및 수분침투 방지하는 기술을 개시하고 있다. 또한, 일본 특허출원공개 제2000-223090호는 금속층과 열융착층을 적층한 후에 전지케이스의 내부로 향하는 열융착부의 일부를 제거하여 금속박이 노출시키고, 실링시 내부 열융착 필름의 열융착과 상기 노출 금속층을 용접하여 이중으로 실링처리를 하는 기술을 제시하고 있다.
그러나, 상기 기술들은 모두 실링부의 단부에서 금속층이 외부로 노출되므로 심각한 문제점을 가지고 있다. 그러한 문제점을 이하에서 설명하면 다음과 같다.
전지케이스는 전극조립체를 절연 상태로 밀봉함으로써 안전한 작동을 보장하는 역할을 하므로, 전지케이스의 라미네이트 시트 중 차단성 금속층은 전기적으로 절연상태로 유지되는 것이 필요하다. 반면에, 이차전지에서는, 전지셀의 외부 입출력 접속단자로서의 전극리드, 전지셀과 보호회로모듈(PCM) 등을 연결한 위한 전기적 접속부재 등에 니켈 플레이트가 많이 사용되고 있다.
한편, 전지의 조립 과정 또는 사용 과정에서 예기치 못하게 라미네이트 시트의 차단성 금속층이 전극리드, 접속부재로서의 니켈 플레이트와 전기적 접속 상태에 놓이는 경우가 발생한다. 이러한 전기적 접속 상태에서 이차전지의 충방전이 행해지면 차단성 금속층의 부식 현상이 진행된다. 따라서, 차단성 금속층의 손상이 유발되며, 그로 인해 전지의 수명이 급속히 짧아지고 전지의 안전성 역시 크게 위협을 받게 된다.
특히, 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 전원으로서 중대형 전지팩에 사용되는 이차전지는 장기간의 수명이 필요하고 다수의 전지셀들이 밀집되는 특성상 안전성 확보가 매우 중요하다.
따라서, 수분의 침투 및 전해액의 누액 현상을 방지하면서도 예기치 못한 상황 전개로 인해 전지케이스의 차단성 금속층이 접속부재 등과 전기적으로 연결되는 경우가 발생하는 것을 미연에 방지하여, 전지의 수명 및 안정성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 전지케이스로서의 라미네이트 시트에서 내측 수지층들의 결합부가 금속층들을 감싸는 구조로 용접에 의해 상기 금속층들을 상호 결합하고, 금속층들의 결합부를 외측 수지층이 다시 감싸는 구조로 상기 외측 수지층들을 열융착 또는 별도의 수지에 의해 상호 결합하는 경우, 라미네이트 시트의 내수분성 및 내구성을 크게 향상시키는 동시에 차단성 금속층의 부식현상을 근본적으로 방지할 수 있고, 그에 따라 전지의 수명 및 안정성의 향상을 확보할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 라미네이트 시트는 내측 수지층, 차단성 금속층 및 외측 수지층을 포함하는 구조로 이루어져 있고, 상기 라미네이트 시트가 상호 접하는 실링부에서, 내측 수지층들은 열융착에 의해 상호 결합되어 있고, 상기 내측 수지층들의 결합부를 감싸는 구조로 금속층들이 용접에 의해 상호 결합되어 있으며, 상기 금속층 들의 결합부를 감싸는 구조로 외측 수지층들이 열융착 또는 별도의 수지에 의해 상호 결합되어 있는 것으로 구성되어 있다.
본 발명의 전지케이스용 라미네이트 시트는 단부가 결합된 금속층에 의해 내수분성 및 내구성을 크게 향상시키는 동시에, 역시 단부가 결합된 외측 수지층에 의해 차단성 금속층이 외부로 노출되는 것을 방지함으로써, 앞서 설명한 바와 같은 전지의 수명 및 안전성에 크게 영향을 미칠 수 있는 전기적 접속에 의한 부식 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.
상기 외측 수지층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 차단성 금속층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄이 사용될 수 있다.
상기 내측 수지층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 차단성 금속층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 바람직 하게는 상기 금속층과 내측 수지층 사이에 접착층을 추가로 포함하여 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 접착층의 소재로는, 예를 들어, 우레탄(urethane)계 물질, 아크릴(acryl)계 물질, 열가소성 일래스토머(elastomer)를 함유하는 조성물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
하나의 바람직한 예에서, 본 발명에 따른 라미네이트 시트는, 상기 외측 수지층의 두께가 5 내지 40 ㎛이고, 상기 금속층의 두께가 20 내지 150 ㎛이며, 상기 내측 수지층의 두께가 10 내지 100 ㎛일 수 있다. 상기 두께들이 너무 얇은 경우에는 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래의 라미네이트 시트에서 상호 접하는 실링부는 단지 내측 수지층의 결합에 의해 형성되는 바, 이러한 내측 수지층은 고분자 수지로 이루어져 있어서 금속층에 비하여 수분의 침투에 대해 매우 취약하므로, 실링부에서 외부로 노출되는 내측 수지층을 통해 수분이 침투하거나 전해액의 누액에 의해 장기적으로 전지의 성능을 저하시키는 원인이 된다.
반면에, 본 발명에서는 실링부에서 내측 수지층의 결합부가 금속층의 결합부에 의해 감싸여 있고, 이러한 금속층은 다시 외측 수지층의 결합부에 의해 감싸여 있는 구조로 이루어져 있다.
하나의 바람직한 예에서, 본 발명의 라미네이트 시트는 상기 금속층의 단부가 내측 수지층의 두께 이상의 길이로 연장되어 있고, 상기 금속층들의 결합에 의해 금속간의 치밀한 조직이 상기 내측 수지층의 외곽에 존재하도록 하여 내구성이 우수하고, 전해액의 누액 및 수분의 침투를 방지하는 등 배리어성을 크게 향상시킴으로써 전지의 성능저하를 미연에 방지할 수 있다.
여기서, 내측 수지층을 충분히 감싸는 구조를 형성할 수 있도록, 상기 금속층의 단부는 내측 수지층 두께의 120 ~ 200%의 길이로 연장되어 있는 것이 바람직하다. 내측 수지층의 길이가 두께의 120% 미만인 경우에는 실링부 전체에 걸쳐 결합된 금속층을 형성하기 어려울 수 있으며, 반면에 200%를 초과하는 경우에는 연장된 길이의 금속층을 처리하기 위한 추가적인 공정이 필요할 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 금속층들의 결합은 초음파 용접에 의할 수도 있고, 예를 들어, 탄산가스 레이저 광선을 조사하는 등의 레이저 용접으로 달성될 수도 있다. 초음파 용접에 의할 경우, 정밀한 용접을 위해 용접 지그에 의해 라미네이트 시트 주위를 눌러 두는 것이 필요할 있다. 반면에, 탄산가스 레이저 광선 등을 조사하여 레이저 용접을 행하는 경우에는 용접 폭의 조절이 용이하므로 별도의 장치를 필요로 하지 않고, 에너지 용량이 크며, 금속박 표면에서 열 에너지로서 흡수되기 때문에 용접 스피드를 빠르게 설정할 수 있으므로 생산성을 향상시킬 수 있어서 더욱 바람직하다.
그러나, 상기 금속층들의 결합부가 외부에 노출되는 경우, 전지의 조립 과정 또는 사용 과정에서 예기치 못한 상황, 예를 들어, 침상 도체에 의한 관통, 외측 수지층의 부분적인 탈리로 인한 상호 접촉 등에 의해 니켈 플레이트와 전기적으로 접속되는 경우 전지의 충방시 기전력 차이로 인한 부식 문제가 발생할 염려가 있다.
따라서, 이러한 문제점을 극복하기 위하여 본 발명의 라미네이트 시트는, 상기에 정의되어 있는 바와 같이, 상기 금속층들의 결합부를 감싸는 구조로 외측 수지층들의 단부가 상호 결합되어 있다. 이하, 외측 수지층들을 결합시키기 위한 구체적인 예를 살펴본다.
첫 번째 예로서, 라미네이트 시트가 결합된 단부에 열 가압 압축을 행한 다음, 압축된 외측 수지 층을 열용융 시킴으로써 서로 결합시킬 수 있다. 열 가압 압축은, 예를 들어, 라미네이트 필름 사이가 접합하는 측단부를 선단이 기울어진 형상의 히트 프레스형에 따라 성형함으로써 가능하다.
두 번째 예로서, 상기 외측 수지층의 단부를 차단성 금속층의 두께 이상의 길이로 연장하여 형성하고, 상기 연장부위를 내측 수지층의 결합에서와 같이 열융착 등의 방법으로 결합시킬 수 있다.
세 번째 예로서, 별도의 수지에 의해 결합시킬 수도 있는 바, 이러한 수지는 소정의 접착성을 가지고 있고, 내구성이 우수한 수지라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 에폭시(epoxy)계 수지, 우레탄(urethane)계 수지, 아크릴(acryl)계 수지, 열가소성 일래스토머 등일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 수지는 라미네이트 시트의 결합된 단부를 전체적으로 감싸는 형태로 결합될 수도 있고, 상기 차단성 금속층과 외측 수지층의 사이에 삽입되어 열융착 등의 방법으로 결합될 수도 있다.
경우에 따라서는, 상기 내측 수지층, 금속층 및 외측 수지층의 단부는, 대면하는 시트의 방향으로, 만입된 연속적인 경사면을 형성하도록 테이퍼되어 있고, 열 융착에 의한 내측 수지층의 결합, 용접에 의한 금속층의 결합, 및 열융착에 의한 외측 수지층의 결합시, 상기 단부 경사면을 내측 수지층 방향으로 절곡시키는 구조일 수 있다.
상기와 같은 테이퍼된 단부 경사면은 내측 수지층 결합부위를 감싸는 형태로 금속층의 결합을 형성하고, 금속층 결합부위를 감싸는 형태로 외측 수지층의 결합을 형성하는 측면에서 바람직하다.
상기 라미네이트 시트는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 각각의 층들을 구성하는 필름, 금속박 등을 순차적으로 적층한 후 상호 접착하여 제조할 수 있으며, 그러한 접착 방법으로는 건식 라미네이션(Dry Lamination), 또는 압출 라미네이션(Extrusion Lamination) 방법들이 이용될 수 있다. 상기 건식 라미네이션 방법은 접착제를 일측 소재와 타측 소재 사이에 개재시켜 건조한 후 가열롤(Heating Roll)을 이용하여 그 두 소재를 상온보다 높은 온도와 압력에 의해 상호 접착시키는 방법이다. 또한, 상기 압출 라미네이션 방법은 접착제를 일측 소재와 타측 소재 사이에 개재시킨 후 프레싱롤(Pressing Roll)을 이용하여 그 두 소재를 상온에서 일정 압력에 의해 상호 접착시키는 방법이다.
본 발명은 또한, 상기와 같은 라미네이트 시트를 사용하여 제조되는 이차전지 제조용 케이스를 제공한다. 본 발명에 따른 전지케이스는 다양한 형태가 가능할 수 있으며, 바람직하게는 전극조립체를 파우치 형태로 내장하는 형태일 수 있다. 즉, 상기 라미네이트 시트의 일측에 드로잉 가공으로 전극조립체가 안착될 수 있는 수납부를 형성하고 타측을 덮개의 형태로 절곡하여 파우치형 전지케이스를 형 성할 수 있다. 이는 당업계에 널리 공지되어 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 이차전지는 전지케이스의 우수한 수명과 안전성으로 인해 고출력 대용량의 전지 또는 전지팩용 단위전지로서 바람직하게 사용될 수 있고, 특히, 고온에서도 고출력을 필요로 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 차량용 전원으로서 바람직하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정의 단면 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 그러한 라미네이트 시트를 사용하여 제조된 하나의 예시적인 파우치 케이스가 모식적으로 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 이하에서는 라미네이트 시트와 전지케이스를 동일 부호인 100으로 나타낸다.
우선 도 2를 참조하면, 라미네이트 시트(100)는 최외층으로서의 외측 수지층(110) 및 열융착성의 내측 수지층(130)의 사이에 차단성 금속층 (120)이 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다. 즉, 외측으로부터 외측 수지층(110), 금속층(120) 및 내측 수지층(130)이 순서대로 적층되어 있다.
도 3에서와 같은 파우치 케이스(200)에서 전극조립체(도시하지 않음)가 장착될 수 있는 수납부(210)와 덮개(220)의 내측을 형성하는 내측 수지층(130)은 CPP(무연신 폴리프로필렌)로 이루어져 있어서, 리튬 함유 전해액에 대해 내성을 가지며, 열융착에 의해 기본적인 밀봉성을 제공한다.
차단성 금속층(120)은 공기를 포함한 가스, 습기 등을 차단하는 기능을 하고, 내부 실란트(130)층을 감싸는 구조로 결합되기 위하여 소정의 길이로 연장되어 있다. 차단성 금속층(120)의 실링에 의해 내측 수지층(130)이 외부로 노출되지 않으므로 내수분성 및 내구성이 우수하다.
전지케이스의 외면을 형성하는 외측 수지층(110)은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론(Ony)으로 이루어져 있어서, 외부 환경에 대해 안정적으로 전극조립체(도시하지 않음)를 보호할 수 있는 인장강도와 내후성을 제공한다. 외측 수지층(110)은 차단성 금속층(120)층을 감싸는 구조로 결합되기 위하여 소정의 길이로 연장되어 있다. 따라서, 연장된 길이의 외측 수지층(110)은 열융착이나 열용융 성형 등의 방법을 이용하여 결합된다. 이때, 외측 수지층(110)의 길이는 반드시 연장되어 있을 필요는 없으며, 이들의 결합은 별도의 수지를 이용하여 달성될 수도 있음은 물론이다. 다만, 외측 수지층(110)의 결합에 의해 차단성 금속층(120)이 외부로 노출되지 않으므로, 부식현상 등을 방지할 수 있다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라미네이트 시트의 실링부를 형성하는 과정이 단면 모식도로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 라미네이트 시트(101)를 구성하는 외측 수지층(111), 차단성 금속층(121) 및 내측 수지층(131)의 단부는, 대면하는 시트(101a)의 방향으로, 만입된 연속적인 경사면(102)을 형성하도록 테이퍼되어 있다.
따라서, 두 시트들(101, 101a)의 단부들을 내측 수지층(131, 131a) 방향으로 서로 절곡시키면, 두 시트들(101, 101a)의 내측 수지층들(131, 131a), 금속층들(121, 121a), 외측 수지층들(111, 111a)은 서로 접할 수 있게 되므로, 열융착에 의한 내측 수지층의 결합, 용접에 의한 금속층의 결합, 및 열융착에 의한 외측 수지층의 결합이 용이해진다.
도 2 및 도 3에서와 같은 라미네이트 시트(100, 101)는 도 4에서와 같은 이차전지에서 전지케이스를 형성한다.
도 4를 참조하면, 파우치형 이차전지(200)는, 파우치형 전지케이스(100) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 고체 전해질 코팅 분리막으로 이루어진 전극조립체(210)가 그것의 양극 및 음극 탭들(220, 230)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드(222, 232)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(100)는 전극조립체(210)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(142)를 포함하는 케이스 본체(140)와 그러한 본체(140)에 일체로서 연결되어 있는 덮개(150)로 이루어져 있다.
스택형 전극조립체(210)는 다수의 양극 탭들(220)과 다수의 음극 탭들(230)이 각각 융착되어 전극리드(222, 232)에 함께 결합되어 있다. 또한, 케이스 본체(140)의 잉여부(144)와 커버(150)가 열융착기에 의해 열융착될 때 그러한 열융착기와 전극리드(222, 232) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고 전극리드(222, 232)와 전지케이스(100)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극리드(222, 232)의 상하면 에 절연필름(240)이 부착된다.
케이스 본체(140)와 커버(150)는 앞서 설명한 바와 같은 외측 수지층(110), 차단성 금속층(120) 및 내측 수지층(130)으로 구성되어 있고, 내측 수지층(130)은 케이스 본체(140)의 외면과 커버(150)의 외면에 가해지는 열융착기(도시하지 않음)로부터의 열과 압력에 의해 밀착 고정될 수 있게 된다.
전해액이 함침된 전극조립체(210)를 수납부(142)에 안착한 상태에서 케이스 본체(140)의 잉여부(144)와 커버(150)의 접촉부위를 열융착 시키면 실링부가 형성된다. 상기 실링부에서 노출되어 있는 내측 수지층(130)의 결합부를 도포하기 위해, 앞서의 설명과 같이, 소정의 길이로 돌출된 금속층(120)을 레이저 용접에 의해 결합시키고, 그런 다음, 최외층인 외측 수지층(110)을 결합시킨다. 따라서, 금속층(120)과 전극리드(222, 232)를 구성하는 니켈 플레이트 등이 접속되는 경우에도, 금속층(120)의 알루미늄과 전극리드(222, 232)의 니켈 플레이트와의 기전력 차로 인한 부식을 방지할 수 있다.
측면의 실링부는 불필요하게 양측 방향으로 연장되어 있으므로 전지팩의 제조를 위해 수직으로 절곡한다.
이러한 파우치 전지(100)는 상기 실링부에서 내측 수지층(130)이 차단성 금속층(120)으로 감싸여 있고 차단성 금속층(120)은 외측 수지층(110)으로 감싸여 있는 구조를 이루므로, 수분의 침투 및 전해액의 누액을 방지하고, 금속층의 부식 현상을 미연에 방지함으로써, 전지의 수명 및 안정성을 크게 향상시킨다.
이상, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 라미네이트 시트는 실링부에서 내측 수지층, 금속층, 외측 수지층이 특정한 구조에 의해 상호 결합되어 있어서, 시트의 내수분성 및 내구성을 향상시키고, 전지의 조립과정 또는 사용과정 중에 예기치 못한 상황에서 차단성 금속층과 전극단자 등이 접속됨으로써 발생하는 부식현상을 방지하여, 궁극적으로 전지의 수명을 연장시키고 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Claims (13)

  1. 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 라미네이트 시트는 내측 수지층, 차단성 금속층 및 외측 수지층을 포함하는 구조로 이루어져 있고, 상기 라미네이트 시트가 상호 접하는 실링부에서, 내측 수지층들은 열융착에 의해 상호 결합되어 있고, 상기 내측 수지층들의 결합부를 감싸는 구조로 금속층들이 용접에 의해 상호 결합되어 있으며, 상기 금속층들의 결합부를 감싸는 구조로 외측 수지층들이 열융착 또는 별도의 수지에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 외측 수지층은 우수한 기계적 강도와 내후성의 고분자 수지를 포함하고 있고, 상기 내측 수지층은 내전해액성과 열융착성의 고분자 수지를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 외측 수지층의 고분자 수지는 연신 나일론을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 내측 수지층의 고분자 수지는 무연신 폴리프로필렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층과 내측 수지층 사이에는 접착층이 추가로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 외측 수지층의 두께는 5 내지 40 ㎛이고, 상기 금속층의 두께는 20 내지 150 ㎛이며, 상기 내측 수지층의 두께는 10 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층의 단부는 내측 수지층의 두께 이상의 길이로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 금속층의 단부는 내측 수지층 두께의 120 ~ 200%의 길이로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층들의 결합은 레이저 용접으로 달성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 외측 수지층들의 결합은,
    라미네이트 시트가 결합된 단부에 열 가압 압축을 행한 다음, 압축된 외측 수지층을 열용융시킴으로써 서로 결합시키는 방식;
    상기 외측 수지층의 단부를 차단성 금속층의 두께 이상의 길이로 연장하여 형성하고, 상기 연장부위를 열융착하여 서로 결합시키는 방식; 또는
    별도의 수지에 의해 결합시키는 방식;
    에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 내측 수지층, 금속층 및 외측 수지층의 단부는, 대면하는 시트의 방향으로, 만입된 연속적인 경사면을 형성하도록 테이퍼되어 있고, 열융착에 의한 내측 수지층의 결합, 용접에 의한 금속층의 결합, 및 열융착에 의한 외측 수지층의 결합시, 상기 단부 경사면을 내측 수지층 방향으로 절곡시키는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 고출력 대용량의 전지 또는 전지팩용 단위전지로서 사용되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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