KR20080017264A - 향상된 안전성과 우수한 제조 공정성의 파우치형 이차전지 - Google Patents

향상된 안전성과 우수한 제조 공정성의 파우치형 이차전지 Download PDF

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KR20080017264A
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Abstract

본 발명은 다수의 전극탭들을 전극리드에 결합한 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스 수납부의 상단 내면 중, 전극조립체의 전극탭-전극리드 결합부들(양극단자부, 음극단자부) 사이에 대응하는 전지케이스 부위와, 전극조립체 양측면에 대응하는 전지케이스 부위에, 전극조립체에 밀착될 수 있는 만입형의 단차가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

향상된 안전성과 우수한 제조 공정성의 파우치형 이차전지 {Pouch-typed Secondary Battery with Improved Safety and Excellent Manufacturing Process Property}
본 발명은 향상된 안전성과 우수한 제조 공정성을 확보할 수 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 전극탭들을 전극리드에 결합한 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스 수납부의 상단 내면 중, 전극조립체의 전극탭-전극리드 결합부들(양극단자부, 음극단자부) 사이에 대응하는 전지케이스 부위와, 전극조립체 양측면에 대응하는 전지케이스 부위에, 전극조립체에 밀착될 수 있는 만입형의 단차가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 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 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조 비용, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극탭들(40, 50), 전극탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.
전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간인 수납부가 형성되어 있으며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(30)의 경우, 다수의 양극탭들(40)과 다수의 음극탭들(50)이 전극리드(60, 70)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(20) 내부 상단은 전극조립체(30)로부터 이격되어 있다. 또한, 전지케이스(20)에서 전극조립체(30)가 장착되는 수납부는 일반적으로 딥 드로잉 공정에 의해 제조되는 바, 수납부의 측면에 소정의 기울기 및 곡률이 형성되어 전극조립체(30)의 외면과의 사이에 소정의 이격 공간이 형성된다. 이러한 이격 공간은 외부적 충격 등에 의한 전극조립체(30)의 내부 유동으로 점차적으로 커지게 되고, 전극조립체(30)의 유동으로 전극탭들(40, 50) 및 리드(60, 70)가 정위치로부터 이탈되게 된다.
도 2에는 도 1의 이차전지에서 양극탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 전지케이스 내부 상단의 단면 확대도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 1의 이차전지를 조립한 상태의 정면 투시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극조립체(30)의 양극 집전체(41)로부터 연장되어 돌출되어 있는 다수의 양극탭들(40)은, 예를 들어, 용접에 의해 일체로 결합된 용착부의 형태로 양극리드(60)에 연결된다. 이러한 양극리드(60)는 양극탭 용착부가 연결되어 있는 대향 단부(61)가 노출된 상태로 전지케이스(20)에 의해 밀봉된다. 다수의 양극탭들(40)이 일체로 결합되어 용착부를 형성함으로 인해, 전지케이스(20)의 내부 상단은 전극조립체(30)의 상단면으로부터 소정의 길이로 이격되어 있고, 용착부의 양극탭들(40)은 대략 V자 형상으로 절곡되어 있다. 따라서, 전극탭들과 전극리드의 결합부위를 V-포밍(V-forming) 부위로 칭하기도 한다.
그러나, 이러한 V-포밍 부위는 전지가 그것의 상단, 즉 양극리드(60) 쪽으로 낙하되거나 전지의 상단에 물리적인 외력이 가해지는 경우에, 전극조립체(30)가 전지케이스(20)의 내면 상단으로 이동되거나 또는 상단이 짓눌려서, 전극조립체(30)의 음극이 양극탭(42) 또는 양극리드(60)와 접촉되어 내부단락을 유발할 수 있으므로, 전지의 안전성을 크게 저하시키는 원인이 된다.
이와 관련하여, 일본 특허출원공개 제2000-200584호에는 수직 단면상으로 사다리꼴인 전지케이스 수납부에서 단면 형상이 반원형인 젤리-롤형 전극조립체의 이동을 억제하기 위하여 수납부의 측면을 따라 다수의 홈부와 평탄부를 형성하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 수납부 측면에 상대적으로 작은 높이의 홈부를 다수 개 형성하여야 하므로 이들의 형성이 용이하지 않고, 수납부의 측면에서 개구부에 인접한 부위를 따라 형성되어 있는 홈부에 의해 전극조립체의 장착이 어려우며 전극조립체의 장착 과정에서 홈부가 변형될 수 있다는 단점을 가지고 있다.
더욱이, 본 발명자들이 확인한 바에 의하면, 상기 구조는 전극탭과 전극리드의 결합을 위한 V-포밍 부위가 형성되어 있는 수납부의 상측면에서 전극탭들이 부분적으로 홈부에 접하여 오히려 전극탭들의 손상을 유발하는 것으로 확인되었다. 또한, 상기 구조를 갖는 전지케이스에 단면 형상이 사각형인 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 내장하는 경우에는 외부 충격 인가시 홈부가 재변형되어 신뢰성이 낮다는 문제가 있다.
따라서, 전지케이스 수납부의 변형 및 전극조립체의 장착이 용이하고, 전극조립체의 이동에 의한 단락 등을 예방할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전극탭-전극리드 결합부(V-포밍 부위)를 포함하는 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지에서, 상기 V-포밍 부위 및 전극조립체의 양측면에 대응하는 전지케이스 수납부를 특정한 형태로 변형하여 전극조립체와 전지케이스의 대응 부위를 상호 밀착시킬 경우, 낙 하 등의 외부충격에 의한 전극조립체의 이동을 억제하여 내부단락을 방지할 수 있고, 전지케이스 수납부의 변형 및 전극조립체의 장착을 용이하게 수행할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서 본 발명에 따른 이차전지는, 다수의 전극탭들을 전극리드에 결합한 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스 수납부의 상단 내면 중, 전극조립체의 전극탭-전극리드 결합부들(양극단자부, 음극단자부) 사이에 대응하는 전지케이스 부위와, 전극조립체 양측면에 대응하는 전지케이스 부위에, 전극조립체에 밀착될 수 있는 만입형의 단차가 각각 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.
전지의 낙하, 외부 충격의 인가 등에 의한 내부단락은 전지의 폭발 또는 발화의 주된 원인으로 작용할 수 있는 바, 이는 낙하 또는 충격 인가시 전극조립체가 이동하면서 양극과 음극이 접촉되고, 그러한 접촉 저항부에서의 통전 전류에 의한 높은 저항열 때문이다. 상기 저항열로 인하여 전지 내부온도가 임계치 이상으로 상승하게 되면, 양극 활물질의 산화물 구조가 붕괴되어 열폭주 현상이 발생하게 되며, 이로 인해 전지의 발화 또는 폭발이 발생할 수 있다.
반면에, 본 발명에 따른 이차전지에서, 전극조립체는 전지케이스의 소정 부위에 형성되어 있는 만입형 단차에 의해 전극조립체 중의 전극들이 안정적으로 정위치를 유지한 상태로 전지케이스 내에 내장되어 있으므로, 전지가 낙하되거나 외 부에 충격이 가해지더라도 전극의 이동이 억제되어 상기와 같은 내부단락을 방지할 수 있고, 궁극적으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 만입형 단차는 전극탭과 전극리드의 결합을 위해 부득이 요구되는 전극탭-전극리드 결합부 사이 및 전극조립체 양측면에 대응하는 전지케이스의 수납부 내면에 부분적으로 형성됨으로써, 전극탭-전극리드 결합부를 더욱 안정적으로 고정할 수 있고, 전극조립체의 장착을 용이하게 수행할 수 있다는 장점도 가지고 있다.
더욱이, 상기 만입형 단차부가 열융착에 의해 전지케이스와 함께 결합되는 경우에는 만입형 단차부의 형태가 더욱 안정적으로 유지될 수 있으므로 작동 신뢰성이 매우 높다.
전지케이스 수납부의 상단 내면이 전극조립체의 상단에 밀착되기 위해서는, 상기 단차는 수직 단면상으로 수납부의 측면뿐만 아니라 상부면 일부가 함께 변형된 구조를 이루어야 한다. 이러한 단차는 전지의 상부면에서 보았을 때 내측으로 만입된 형상을 이루므로, 본 발명에서는 이를 "만입형 단차"로서 칭한다.
또한, 이하에서는 경우에 따라, 상기 전지케이스 수납부의 상단 내면 중, 전극조립체의 전극탭-전극리드 결합부들 사이에 대응하는 전지케이스 부위에 형성된 단차를 ‘상단 단차’로, 전극조립체 양측면에 대응하는 전지케이스 부위에 형성된 단차를 ‘측면 단차’로 각각 약칭한다.
이러한 만입형 단차는 전지케이스 수납부의 해당 부위를 상당량 변형함으로써 형성되므로, 앞서 설명한 바와 같은 종래기술에서 수납부의 측면을 미세하게 변 형하는 형태보다 훨씬 용이하게 형성할 수 있다.
상기 전극조립체는 다수의 전극탭들을 상호 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원들은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.
상기 전극단자부들 사이의 전지케이스 상단에 형성되어 있는 상단 단차는, 전지케이스의 상단 내면이 전극조립체의 상단면에 밀착될 수 있고 전극단자부들 상호간의 접촉을 방지할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
따라서, 하나의 바람직한 예에서 상기 상단 단차의 폭은 상기 양극단자부와 음극단자부의 이격거리보다 작은 폭으로 이루어져 있고, 바람직하게는 상기 양극단자부와 음극단자부의 이격거리에 대하여 40 ~ 90%, 더욱 바람직하게는 60 ~ 80%의 폭으로 이루어져 있을 수 있다. 또한, 상기 상단 단차의 길이는 상기 두 전극단자부들 사이의 공간에 대응하는 전지케이스 수납부의 중앙 상단쪽으로부터 전극조립체의 상단면에 도달하는 만입길이로 돌출되어 있을 수 있다. 이 때, 전극조립체의 상단면에 도달하는 만입길이는 전극조립체의 상단면과 대략 근접한 길이를 의미하는 것으로서, 바람직하게는 상기 전지케이스의 상단면과 전극조립체의 상단면 사이의 이격 거리에 대하여 적어도 50% 이상의 길이로 만입된 길이일 수 있다.
본 발명에서, 상기 양측면 케이스에 형성되어 있는 단차(측면 단차)는, 전지 케이스의 양측 내면이 전극조립체의 양측면에 밀착되는 구조라면 그것의 위치 및 크기가 특별히 제한되는 것은 아니다. 즉, 상기 측면 단차의 길이가 길수록 전극조립체를 안정적으로 고정시킬 수 있으나, 지나치게 긴 길이를 갖는 경우 전극조립체의 장착이 용이하지 않을 수 있으므로, 바람직하게는, 전지케이스의 상단 및 하단 모서리를 제외한 위치에서 전극조립체의 길이를 기준으로 20 ~ 80%의 길이로 형성되어 있을 수 있고, 더욱 바람직하게는 40 ~ 80%, 특히 바람직하게는 60 ~ 80%의 길이로 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 측면 단차는 전극조립체의 양측면에 밀착되는 길이의 만입길이를 갖는 바, 이는 전극조립체의 양측면에 대략 근접한 길이를 의미하는 것으로서, 바람직하게는 상기 전지케이스의 측단면과 전극조립체의 측단면 사이의 이격 거리에 대하여 적어도 50% 이상의 길이로 만입된 길이일 수 있다.
경우에 따라서, 상기 측면 단차는 전극조립체의 가상 수평 중심선이 통과하는 케이스 부위에서 1 개로서 형성되어 있거나, 상기 중심선이 통과하며 대칭구조를 이루는 케이스 부위에서 2 개로서 형성되어 있을 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 측면 단차는 상기 중심선이 통과하는 전지케이스의 양측면 중 선택되는 하나의 측면에서 형성되어 있을 수 있고, 양측면 모두에서 대칭구조로 형성되어 있을 수도 있다.
본 발명에서는, 전극조립체에서 전극탭들이 돌출되어 있는 단부를 상단으로 나타내었고, 상기 상단에 인접한 두 개의 단부를 양측으로 나타내었으며, 상기 상단에 대향하는 단부를 하단으로 나타내었다.
본 발명에서, 상기 만입형 단차는 전지케이스 수납부에 대한 전극조립체의 장착이나 전지케이스의 밀봉 후 후처리 공정으로 형성할 수도 있으나, 바람직하게는 전극조립체의 장착 전에 전지케이스의 제조 과정에서 전처리 공정으로 형성할 수 있다.
상기 전지케이스의 제조 공정에서 전처리 공정으로 단차를 형성하는 경우, 예를 들어, 소망하는 단차의 형상에 대응하는 형상을 갖는 다이와 펀치를 이용하여 딥 드로잉 공정을 수행하여 수납부를 형성하는 과정에서 함께 형성되거나, 통상의 다이와 펀치를 이용하여 수납부를 형성한 후, 추가적으로 단차의 형상에 대응하는 다이와 펀치를 사용하여 딥-드로잉을 수행할 수도 있다.
이 때, 단차가 형성된 부위에서 실링부는 다른 부위의 실링부에 비해 상대적으로 넓은 면적을 가지므로, 실링부의 열융착시 이러한 단차 부위의 실링부를 함께 열융착하는 경우, 이후 설명하는 바와 같이, 상기 만입형 단차가 변형되지 않고 더욱 안정적으로 유지될 수 있으므로 작동 신뢰성이 매우 높다는 장점이 있다.
한편, 상기 후처리 공정은 수작업으로 행할 수도 있고 기계의 작동에 의해 자동으로 행할 수도 있다. 이러한 후처리 공정을 이용하는 경우 내부에 장착된 전극조립체의 변형 등이 유발되지 않을 정도의 압력을 가하여 단차를 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 후처리 공정에 의해 단차를 형성하는 경우, 전극조립체의 장착시에는 전지케이스에 단차가 형성되어 있지 않으므로 용이하게 전극조립체를 장착할 수 있다는 장점이 있다.
상기 전지케이스는, 바람직하게는, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 구체적으로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 장착될 수 있는 수납부를 형성한 파우치형 케이스일 수 있다. 이러한 라미네이트 시트의 전지케이스는 수납부 상에 전극조립체를 장착한 후, 예를 들어, 열융착에 의해 밀봉된다.
상기 열융착시 단차 부위에도 열융착을 행하는 것이 더욱 바람직하다. 라미네이트 시트의 전지케이스는 낮은 기계적 강성으로 인해 외력의 인가시 변형되기 쉬우므로, 단차 부위는 여러 원인에 의해 전극조립체로부터 큰 압력이 가해지는 경우에 변형될 수도 있다. 반면에, 전지케이스의 단차 부위를 열융착시키는 경우에는 그러한 변형을 근본적으로 방지할 수 있으므로, 소망하는 안전성을 더욱 담보할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으며, 특히, 리튬 함유 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는, 이른바, 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 이차전지를 조립한 상태에서의 정 면 투시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 양극 탭들(310)과 음극 탭들(320)이 각각 양극리드(410)와 음극리드(420)에 용접되어 있는 전극조립체(300)와, 이러한 전극조립체(300)를 수용할 수 있는 전지케이스(200), 전지케이스(200)의 상단면(201) 중앙에 형성되어 있는 상단 단차(220a) 및 전지케이스(200)의 양측면(202) 중앙에 형성되어 있는 측면 단차들(220b, 220c)로 구성되어 있다.
전지케이스(200)는 전극조립체(300)를 장착할 수 있는 수납부(240)가 형성되어 있는 하부부재(220)와, 그것의 하단에 일체로 형성되어 있는 덮개 형태의 상부부재(210)로 이루어져 있다. 또한, 이차전지(200)의 조립 과정에서 상부부재(210)와 하부부재(220)가 접하여 열융착에 의해 밀봉될 수 있도록 전지케이스(200)의 외주면을 따라 실링부(230)가 형성되어 있다. 그 중, 측면의 실링부(230)는 전체적인 전지의 크기를 줄이기 위하여, 열융착에 의한 밀봉 후, 하부부재(220)의 수납부(240)에 밀착되도록 수직 절곡된다.
하부부재(220)에는, 전극조립체(300)의 양극 탭(310)과 음극 탭(320)의 이격거리 보다 작은 폭과, 상단면(201)으로부터 전극탭들(310, 320)이 돌출되어 있는 전극조립체(300)의 상단면(301)에 이르는 높이의 상단 단차(220a)가 형성되어 있다. 또한, 하부부재(220)에는 전극조립체(300) 길이의 대략 70%의 폭과, 양측면(201)으로부터 전극조립체(300)의 측면(302)에 이르는 높이의 측면 단차들(220b, 220c)이 형성되어 있다. 따라서, 전극조립체(300)를 전지케이스(200)의 하부부재(220)에 장착하면, 전극조립체(300)의 상단면(301) 중 전극탭들(310, 320) 사이 의 상단면은 그에 대응하는 하부부재(220)의 내면 상단면에 형성된 상단 단차(220a)에 밀착되고, 전극조립체(300)의 양측면(301)은 그것에 대응하는 하부부재(220)의 내면 양측면에 형성되어 있는 측면 단차(220b, 220c)에 밀착되어 안정적인 고정이 이루어질 수 있다. 이러한 밀착 구조로 인해, 이차전지(100)가 전극리드(410, 420)의 방향 또는 양측면(302) 방향으로 낙하되거나 당해 방향으로 외력이 가해지는 경우에도, 전극조립체(300)의 이동을 억제하여 내부단락의 발생을 방지할 수 있다.
더욱이, 하부부재(220)의 상단면(201)과 양측면(202), 및 하단면(203)의 교차부위로서 모서리(204)에는 상단 단차(220a)와 측면 단차(220b, 220c)에 의해 전극조립체(300)와 밀착되지 않으므로, 전극조립체(300)의 장착을 용이하게 한다.
도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 투시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 6에서 전지케이스의 외면 형상을 제외하고는 도 5와 동일하다.
도 6을 참조하면, 전지케이스(200')의 상부 및 측부의 내측에는 각각 상단 단차(220'a)와 두 개의 측면 단차(220'b, 220'c)가 형성되어 있고, 전지케이스(200')의 외주면 역시 상단 단차(220'a)와 측면 단차(220'b, 220'c)의 형상에 대응하여 내측으로 만입되어 있다. 이러한 형상의 만입형 단차는 예를 들어, 통상의 전지케이스의 수납부에 전극조립체(300')를 장착하고, 외주면 실링부를 열융착하여 밀봉한 후, 단차의 형성하고자 하는 부위를 가압하는 후처리 방법에 의해 형성될 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
양극 활물질로서 리튬 코발트 산화물 95 중량%, 도전제 2.5 중량% 및 바인더 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하고, 음극 활물질로서 인조흑연 95 중량%, 도전재 1.5 중량% 및 바인더 3.5 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 호일과 구리 호일 상에 각각 코팅, 건조 및 압착하여 양극 및 음극을 제조하였다.
분리막을 개재시킨 상태에서 상기 양극과 음극을 적층하여 양극 바이셀 및 음극 바이셀을 각각 조립한 후, 상기 바이셀들을 긴 분리필름으로 순차적으로 권취하여 스택-폴딩형 전극조립체를 제조하였다. 그런 다음, 도 4에서와 같이, 전극 단자부들 사이인 상단 중앙부에 양극과 음극 리드 사이의 간격에 대하여 70%인 길이를 갖는 상단 단차가 형성되어 있고, 전지케이스의 양 측면 중앙부에 전극조립체의 전체 길이에 대하여 70%의 길이를 갖는 만입형 단차가 형성되어 있는 파우치형 전지케이스에 전극조립체를 내장한 후 전해액을 주입하여 전지를 완성하였다.
[비교예 1]
도 1에서와 같이, 전극조립체를 단차가 형성되어 있지 않은 파우치형 전지케이스에 내장하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완 성하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 전지들을 대상으로 낙하 실험을 수행하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 본 실험에서는 각각 32 개의 전지들에 대해 반복적으로 수행하였고, 낙하 실험은 1.5 m의 높이에서 전극탭-전극리드 결합부가 형성되어 있는 전지의 상단이 바닥에 부딪히는 방향으로 자유 낙하시켜 수행하였다.
<표 1>
Figure 112007059715738-PAT00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들은 낙하 실험에서 모든 전지들에서 단락이 유발되지 않았다. 즉, 전지케이스에 형성되어 있는 만입형 단차가 전극조립체를 안정적으로 고정함으로써, 낙하시의 충격에도 불구하고 전극조립체의 이동이 억제되어 단락을 방지할 수 있었다. 반면에, 비교예 1의 전지는 다수의 전지에서 단락 및 발화가 확인되었다.
[실험예 2]
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 전지케이스에 장착되어 있는 전극조립체를 대상으로 강제 이동 실험을 실시하여 실험전 및 실험후의 사진으로 도 7 및 8에 나타내었다. 상기 사진에서는 강제 이동을 위한 충격의 인가 전후에서 각각 전극조립체와 전지케이스의 대략적인 이격거리를 표기하였다.
도 7 및 8을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 전지에서는, 비교예 1에 따른 전지에 비하여, 좌우 및 상하 이동이 크게 감소하였음을 확인하였다. 구체적으로, 비교예 1의 전지에서 충격의 인가시 측면의 이격거리가 1.0 mm에서 1.8 mm로 증가하였고, 하면의 이격거리가 0.5 mm에서 3.0 mm로 증가하였다.
반면에, 실시예 1의 전지에서는 측면의 이격거리가 0.8 mm에서 1.2 mm로 증가하였고, 하면의 이격거리가 0.3 mm에서 1.0 mm로 증가하여 전체적으로 전극조립체의 이동 공간이 크게 감소하였고, 특히, 상부 단차의 형성으로 하면의 이격 거리는 1/3로 현저히 감소하였음을 알 수 있다. 따라서, V-포밍 부위에서 전극단자들의 이동 및 접촉이 방지될 수 있음을 쉽게 예상할 수 있다. 한편, 전극조립체의 모서리 부분이 전지케이스에 완전히 밀착되지 않으므로, 전극조립체의 장착을 용이하게 수행할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 낙하 등의 외부충격에 의한 내부단락을 방지하여 안전성을 더욱 향상시킬 수 있고, 전지케이스 수납부의 변형 및 전극조립체의 장착이 용이하여 제조 공정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 이차전지에서 양극탭들이 밀집된 형태로 결합되어 양극리드에 연결되어 있는 전지케이스 내부 상단의 단면 확대도이다;
도 3은 도 1의 이차전지를 조립한 상태의 정면 투시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 5는 조립된 상태에서 도 4의 이차전지의 정면 투시도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 정면 투시도이다;
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 만입형의 단차가 형성되어 있는 전지케이스 내부에 전극조립체가 장착되어 있는 상태를 보여주는 사진, 및 외부충격이 인가된 후 전지케이스 내부에서 전극조립체의 거동을 나타내기 위해 단차부위를 확대한 사진이다;
도 8은 본 발명의 비교예 1에서 전지케이스 내부에 전극조립체가 장착되어 있는 상태를 보여주는 사진 및 외부충격이 인가된 후 전지케이스 내부에서 전극조립체의 거동을 나타내기 위해 일부를 확대한 사진이다.

Claims (13)

  1. 다수의 전극탭들을 전극리드에 결합한 구조의 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 전지케이스 수납부의 상단 내면 중, 전극조립체의 전극탭-전극리드 결합부들(양극단자부, 음극단자부) 사이에 대응하는 전지케이스 부위와, 전극조립체 양측면에 대응하는 전지케이스 부위에, 전극조립체에 밀착될 수 있는 만입형의 단차가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 구조 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극단자부들 사이의 케이스에 형성되어 있는 단차(상단 단차)는 전극조립체의 상단면에 도달하는 길이로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 양측면 케이스에 형성되어 있는 단차(측면 단차)는, 전극조립체의 길이를 기준으로 20 ~ 80%의 길이로, 전지케이스의 상단 및 하단 모서리를 제외한 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 측면 단차는, 전극조립체의 길이를 기준으로 60 ~ 80%의 길이로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 측면 단차는 전극조립체의 가상 수평 중심선이 통과하는 케이스 부위에 1 개가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 측면 단차는 전극조립체의 가상 수평 중심선이 통과하는 케이스 부위에 대칭으로 2 개가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 단차는 딥-드로잉 공정에 의해 전지케이스의 수납부를 형성하는 과정에서 함께 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 단차는 케이스 수납부에 대한 전극조립체의 장착이나 케이스의 밀봉 후 후처리 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 수납부에 대한 전극조립체의 장착 후 열융착에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전지케이스의 열융착시 단차 부위에도 열융착을 행 하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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