KR20080094602A - 안전성이 향상된 전지셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 탑재하고 전극조립체 수납부의 외주면을 따라 전지케이스를 열융착하여 실링부를 형성한 구조의 전지셀로서, 상기 전극조립체에 연결되는 한 쌍의 전극리드들(a, b) 중 상대적으로 유연성이 낮은 전극리드(a)에 대응하는 부위의 실링부('전극리드 대응부') 상에, 소정의 압력이 인가될 때 물리적 변형이 유발되어 내부가스를 배출할 수 있는 취약부가 형성되어 있고, 나머지 전극리드(b)의 전극리드 대응부에는 상기 취약부가 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

본 발명에 따른 전지셀은 유연성이 낮은 전극리드에 대응하는 실링부 상에 취약부가 형성되어 있어서, 과충방전, 내부단락 등 비정상적인 상태에서 전지의 내압이 상승한 경우 가스를 취약부를 통하여 일정한 방향으로 배출하여 전지의 안전성을 향상시키고, 가스 배출을 위한 추가적인 부재를 사용하지 않으므로 전지 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

안전성이 향상된 전지셀 {Battery Cell of Improved Safety}

본 발명은 안전성이 향상된 전지셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 탑재하고 전극조립체 수납부의 외주면을 따라 전지케이스를 열융착하여 실링부를 형성한 구조의 전지셀로서, 상기 전극조립체에 연결되는 한 쌍의 전극리드들(a, b) 중 상대적으로 유연성이 낮은 전극리드(a)에 대응하는 부위의 실링부('전극리드 대응부') 상에, 소정의 압력이 인가될 때 물리적 변형이 유발되어 내부가스를 배출할 수 있는 취약부가 형성되어 있고, 나머지 전극리드(b)의 전극리드 대응부에는 상기 취약부가 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 전지셀에 관한 것이다.

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.

이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, PDA, 노트북 등의 모바일, 와이어리스 전자기기뿐만 아니라 전기자전거(E-bike), 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.

휴대폰, 카메라 등의 소형 디바이스에는 하나의 전지셀이 팩킹되어 있는 소형 전지팩이 사용됨에 반하여, 노트북, 전기자동차 등의 중대형 디바이스에는 둘 또는 그 이상의 전지셀들(이하에서는, 때때로 "멀티-셀"로 칭하기도 함)을 병렬 및/또는 직렬로 연결한 전지팩이 팩킹되어 있는 중형 또는 대형 전지팩이 사용되고 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 리튬 이차전지는 우수한 전기적 특성을 가지고 있음에 반해 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 과충전, 과방전, 고온에의 노출, 전기적 단락 등 비정상적인 작동 상태에서 전지 구성요소들인 활물질, 전해질 등의 분해반응이 유발되어 열과 가스가 발생하고, 이로 인해 초래된 고온 고압의 조건은 상기 분해반응을 더욱 촉진하여 급기야 발화 또는 폭발을 초래하기도 한다.

따라서, 리튬 이차전지에는 과충전, 과방전, 과전류시 전류를 차단하는 보호회로, 온도 상승시 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient Element), 가스 발생에 따른 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 안전벤트 등의 안전 시스템이 구비되어 있다. 예를 들어, 원통형의 소형 이차전지에서는 원통형 캔에 내장되어 있는 양극/분리막/음극의 전극조립체(발전소자) 상부에 PTC 소자 및 안전벤트가 통상 설치되어 있고, 각형 또 는 파우치형의 소형 이차전지에서는 발전소자가 밀봉된 상태로 내장되어 있는 각형 캔 또는 파우치형 케이스의 상단에 보호회로 모듈, PTC 소자 등이 일반적으로 탑재되어 있다.

리튬 이차전지의 안전성 문제는 멀티-셀 구조의 중대형 전지팩에서 더욱 심각하다. 멀티-셀 구조의 전지팩에서는 다수의 전지셀들이 사용됨으로 인해, 일부 전지셀에서의 작동 이상은 다른 전지셀들로 연쇄반응을 유발할 수 있고, 그로 인한 발화 및 폭발은 자칫 대형 사고를 초래할 수 있기 때문이다. 따라서, 중대형 전지팩에는 과방전, 과충전, 과전류 등으로부터 전지셀을 보호하기 위한 퓨즈, 바이메탈, BMS (Battery Management System) 등의 안전 시스템이 구비되어 있다.

그러나, 리튬 이차전지는 계속적인 사용, 즉, 계속적인 충방전 과정에서 발전소자, 전기적 연결부재 등이 서서히 열화되는 바, 예를 들어, 발전소자의 열화는 전극재료, 전해질 등의 분해에 의해 가스를 유발하며 그로 인해 전지셀(캔, 파우치형 케이스)은 서서히 팽창하게 된다. 또한, 일반 정상적인 상태에서는 안전 시스템인 BMS가 과방전, 과충전, 과전류 등을 탐지하고 전지팩을 제어/보호하고 있으나, 비정상적인 상황에서 BMS가 미작동시에는 위험성 및 안전에 대한 전지팩 제어가 어려워진다. 중대형 전지팩은 일반적으로 다수의 전지셀들이 일정한 케이스 내에 고정된 상태로 장착되어 있는 구조로 되어 있으므로, 각각의 팽창된 전지셀들은 한정된 케이스 내에서 더욱 가압되고, 비정상적인 작동 조건 하에서 발화 및 폭발의 위험성이 크게 높아진다.

이러한 이차전지의 안전 문제를 해결하려는 시도는 다양하게 진행되어 오고 있는 바, 특히 과충방전에 의한 팽창시 전지케이스의 소정의 부위로 내부가스가 배출될 수 있도록 하는 구조의 기술이 개발되고 있다.

그 중 한국 특허공개 제2002-49208호에는 파우치형 전지케이스의 밀봉부에 밀봉부보다 융점이 낮은 수지재로 구비된 개방편을 포함시켜, 전지 내부의 온도 또는 내압이 과도하게 상승할 경우 개방편이 용융됨으로써 밀봉이 해제되어 폭발 및 발화를 방지하는 구조의 기술이 개시되어 있다.

또한, 일본 특허공개 제2001-93489호에는 라미네이트 시트의 전지케이스 실링부의 일부에, 시트의 열융착층 수지 필름보다 저융점의 수지 필름을 내층으로 하여, 고온 및 고압 시 전지의 온도에 감응하여 저융점 수지 필름 부분이 연화, 용융 및 변형됨으로써 실링부의 일부분이 개방되어 내부의 가스를 배출하는 구조의 기술이 개시되어 있다.

그러나, 상기 기술들은 별도의 개방편 또는 수지필름과 같은 구성요소가 추가적으로 필요하므로 제조 비용이 상승하고, 추가 공정이 요구되므로 전지의 생산성이 감소하게 되는 문제점이 있다. 또한, 소정 부재의 융점에 의존하여 해당 부위가 개방되는 방식이므로, 작동 신뢰성이 높지 않다는 단점도가 가지고 있다.

또한, 한국 특허출원공개 제2006-112035호는 전극 리드에 설치되고, 케이스와 부착되어 케이스와 리드 사이를 밀봉하며, 일측에 케이스 내압에 의해 파손되어 가스를 배출하는 응력집중부가 형성된 실런트를 포함하는 이차전지를 개시하고 있다. 상기 출원에 따르면 도 5에 도시된 바와 같이 응력집중부가 전극리드의 상하면에 부착되어 실링부 사이에 삽입되는 절연성 필름(실런트) 상에 형성되어 있고, 노치형이나 미부착 영역의 형태로 이루어져 있다.

그러나, 이와 같이 절연성 필름 상에 소정의 노치 또는 미부착 영역을 형성하는 경우에는 전기적 절연성과 실링부에서의 밀봉성이 약화되는 바 내부 단락이 발생하거나 또는 외부로부터 수분 또는 공기가 유입되어 전지 성능을 저하시키는 문제가 있고, 전지의 정상 작동 상태에서 발생되는 경미한 양의 가스에 의해서도 쉽게 응력집중부가 작동되어 전지의 밀봉성이 해제되므로 문제가 있다.

따라서, 별도의 부품을 추가로 사용하지 않고, 전지셀의 정상 작동 상태에서 밀봉성을 담보하면서도 전지셀의 오작동시 발생하는 전지의 내압을 일정한 방향으로 유도하여 전지의 안전성을 높은 신뢰도로 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.

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

본 출원의 발명자들은 전지셀에 대한 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 장착되는 전극조립체와 연결되는 한 쌍의 전극리드 중 상대적으로 유연성이 낮은 전극리드에 대응하는 전지케이스 상에 취약부를 형성할 경우, 간단한 공정의 추가만으로도 과충방전에 의한 팽창시 일정한 방향으로 내부가스를 배출할 수 있으므로 제조 공정에 의해 전지의 안전성 을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 탑재하고 전극조립체 수납부의 외주면을 따라 전지케이스를 열융착하여 실링부를 형성한 구조의 전지셀로서, 상기 전극조립체에 연결되는 한 쌍의 전극리드들(a, b) 중 상대적으로 유연성이 낮은 전극리드(a)에 대응하는 부위의 실링부('전극리드 대응부') 상에, 소정의 압력이 인가될 때 물리적 변형이 유발되어 내부가스를 배출할 수 있는 취약부가 형성되어 있고, 나머지 전극리드(b)의 전극리드 대응부에는 상기 취약부가 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 전지셀은, 전지셀의 양극리드와 음극리드 중 유연성이 낮은 전극리드의 상하면에 융착되어 전지를 밀봉하는 전지케이스의 실링부 일부 부위에 소정의 크기로 취약부가 형성되어 있는 구조이므로, 과충방전, 내부단락 등의 오작동에 의해 전지 내부의 압력이 비정상적으로 상승하였을 때, 케이스의 다른 실링부위보다 상대적으로 밀봉력이 약한 상기 취약부를 통해 일정한 방향으로 내부 가스를 배출하게 된다.

일반적으로, 전극조립체와 연결되는 한 쌍의 전극리드(양극리드와 음극리드)는 이차전지의 작동 특성상 각각 다른 소재로 이루어져 있으므로, 소재가 상이함에 따라 전극리드의 유연성도 다르다. 따라서, 비정상적인 내압으로 전지케이스가 부 풀어 오르는 경우, 상대적으로 큰 유연성을 가지는 전극리드는 전지케이스의 변형되려는 형상에 따라 그것의 단면이 함께 변형되지만, 작은 유연성을 가지는 전극리드는 자체 강도가 높기 때문에 변형량이 적으므로, 높은 내압 발생시, 이러한 전극리드에 대응하는 전지케이스의 실링부위에 응력이 집중되는 경향이 있다.

따라서, 본 발명에서는 상대적으로 작은 유연성을 가지는 전극리드에 대응하는 전지케이스의 실링부위에 취약부를 형성함으로써, 전지케이스 내부의 압력이 위험 수준으로 높아졌을 때 일정한 방향으로 가스 배출을 유도하여 전지셀의 안전성을 향상시킬 수 있다. 가스 배출 방향이 소정의 위치로 특정되므로, 유독한 가스의 배출을 위한 별도의 배출구를 형성하는 것이 가능한 바, 예를 들어, 다수의 전지셀들로 구성된 중대형 전지팩을 전원으로 사용하는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차에서, 전지셀들로부터 발생한 유독 가스의 배출 방향을 차량의 탑승 공간 이외의 부위로 유도하는 것이 가능할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전지케이스는 금속 차단층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 바람직하게는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수 있다. 이러한 파우치형 케이스를 사용하는 전지셀에서, 전극조립체의 각 극판으로부터 연장되어 있는 전극 탭들과 전극리드는, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 전지케이스에 접하는 전극리드의 상면 및 하면의 일부에는 전지케이스와의 밀봉도를 높이고, 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위해 절연성 필름이 부착되어 있는 구조일 수 있다.

상기 전지케이스의 라미네이트 시트는, 바람직하게는, 금속 차단층의 일면 (외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 내부 수지층이 부가되어 있는 구조일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 금속 차단층은 가스 등에 대한 차단 특성과 박막 형태의 가공을 가능하게 하는 연성을 가진 알루미늄 또는 그것을 포함한 소재로 이루어질 수 있다. 상기 수지 외곽층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 고분자 수지로서, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 연신 나일론 필름 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 내부 수지층은 열융착성(열접착성)을 가지고 있고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)계 수지 등으로 이루어질 수 있다.

일반적으로, 파우치형 전지셀에서, 전극조립체는 양극리드와 음극리드가 전극조립체의 일측에 함께 형성되어 있는 전극조립체와, 양극리드와 음극리드가 상호간에 서로 대향하는 방향으로 형성되어 있는 전극조립체 등으로 구분될 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 전극조립체는 바람직하게는 양극리드와 음극리드가 서로 대향하는 방향으로 형성되어 있는 전극조립체를 전지케이스에 수납한 구조일 수 있다. 이러한 대향 구조의 전지셀은 특히 다수의 전지셀들을 적층한 구조의 중대형 전지모듈용 단위전지에서 전극단자들의 전기적 연결이 용이하고 단락의 위험성을 줄일 수 있는 장점이 있다.

본 발명에서 상기 한 쌍의 전극리드는 각각 다른 소재로 이루어져 있을 수 있으며, 예를 들어, 그 중 하나의 전극리드(b)의 소재는 알루미늄이고, 나머지 전 극리드(a)의 소재는 구리 또는 니켈-구리 합금으로 이루어질 수 있다. 즉, 전극리드의 한쪽 단부는 전극조립체의 전극 탭들이 부착된 상태로 전지케이스 내부에 위치하고 반대쪽 단부는 전지케이스의 외부로 노출되어 있으며, 그러한 전극리드들 중 양극리드는 알루미늄의 금속박편으로 이루어져 있고, 음극리드는 구리 또는 니켈-구리 합금의 금속박편으로 이루어진 구조일 수 있다. 전지셀의 제조과정에서 전극 탭들은 통상적으로 스폿 용접 등에 의해 전극리드와 결합되지만, 결합 방식이 그것만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 전극조립체는 양극과 음극 및 그 사이에 개재되어 있는 분리막으로 이루어진 구조라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴딩형, 스택형 또는 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 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

본 발명에서 상기 취약부는 바람직하게는, 전극리드에 대응하는 부위의 실링부인 전극리드 대응부에 형성되어 있다. 이에 따라, 전극 리드 대응 부위에서의 밀봉성은 절연성 필름에 의해 충분히 달성될 수 있는 바, 종래와 같이 절연성 필름에 노치 등을 형성한 경우에 비해 우수한 밀봉력을 가질 수 있다.

상기 취약부의 형태는 전지셀의 밀봉성을 담보할 수 있고, 전지케이스 내부의 압력이 위험 수준으로 높아졌을 때 밀봉성이 해제될 수 있는 구조라면, 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 슬릿 구조로 형성되어 있을 수 있다. 여기서, 슬릿은 폭이 매우 얇고 길이가 긴 형태를 의미한다.

이러한 구조는, 전지셀 내부의 비정상적인 작동에 의해 전지의 내압이 위험할 정도로 상승하는 경우, 상기 슬릿이 형성된 부위의 밀봉이 해제되고, 슬릿이 벌어지면서 전지케이스 내부의 가스를 외부로 배출시켜 전지의 폭발을 방지한다.

상기 슬릿은 전극리드 대응부의 실링부를 관통하는 구조로 형성될 수도 있고, 실링부 중 수지 실란트층 및/또는 금속 차단층 만을 제거하여 형성될 수도 있다.

상기 슬릿은 전지셀의 오작동에 따라 발생하는 고압 가스를 효과적으로 전지케이스의 외부로 배출하기 구조로서, 바람직하게는, 전극조립체의 폭방향(가로방향)으로 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 슬릿은 하나 또는 둘 이상 형성될 수 있고, 그 길이의 총 합은 전극리드의 폭을 기준으로 30 내지 90%인 것이 바람직하다. 슬릿의 길이가 전극리드 폭의 30% 보다 작으면, 전지케이스 내부의 가스가 고압의 상태에서도 슬릿이 벌어지기 어려울 수 있으므로 전지케이스의 내부 가스가 배출되기 어렵다. 반대로, 슬릿의 길이가 전극리드 폭의 90% 보다 크면, 작은 내압에도 슬릿이 쉽게 벌어질 수 있으므로, 전지의 충방전에 의한 일반적인 팽창 및 수축의 반복에 의해서도, 슬릿의 단부가 성장하여 전극리드에 대응하는 부위를 벗어남으로써, 실링부위의 밀봉성을 크게 약화시킬 수 있다. 따라서, 약화된 밀봉성에 의해, 정상적인 작동조건에서도 전지 내부로 수분이 침투할 수 있으므로 바람직하지 않다.

취약부는, 앞서 정의한 바와 같이, 전극리드에 대응하는 부위의 실링부에 해당하는 전극리드 대응부 상에 형성되어 있으므로, 전극리드가 변형되지 않을 정도 의 조건에서는 실링부위의 밀봉성에 큰 영향을 미치지 않는다.

상기 취약부의 형성 방법은 다양할 수 있는 바, 예를 들어, 소정의 부재를 사용하여 해당 부위를 가압하거나 펀치나 커터 등을 이용하여 절개 또는 절취하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 취약부는 열융착에 의한 실링 이전에 실링부의 리드 대응부에 형성할 수도 있고, 실링 이후에 리드 대응부에 형성할 수도 있다.

본 발명에 따른 전지셀은 우수한 수명과 안전성으로 인해, 특히 고출력 대용량의 중대형 전지모듈의 단위전지로서 바람직하게 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 전지셀을 단위전지로 포함하는 중대형 전지모듈을 제공한다. 중대형 전지모듈의 구조 및 그것의 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

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 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 선 A-A 방향의 형상이 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 파우치형 전지셀(10)은 2 개의 전극리드(11, 12)가 서로 대향하여 전극조립체(13)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 전지케이스(14)는 상부 케이스와 하부 케이스의 2 단위 부재로 이루 어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)를 부착시킴으로써 전지셀(10)이 제조된다.

전지케이스(14)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 시트로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다. 양측면(14a)은 상하 전지케이스(14)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(14b)와 하단부(14c)에는 각각 양극리드(11)와 음극리드(12)가 돌출되어 있으므로, 전극리드(11, 12)의 두께 및 전지케이스(14) 소재와의 이질성을 고려하여, 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(11, 12)와의 사이에 필름상의 실링부재(16)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.

도 3 및 3b에는 각각 도 1의 전지에서 양극리드 방향의 수직 단면도와 음극리드 방향의 수직 단면도가 도시되어 있으며, 내압의 상승에 의하여 전지셀이 부풀어 오른 형상을 보여주고 있다.

먼저 도 3을 참조하면, 양극리드(11')는 유연성이 높은 알루미늄 소재로 이루어져 있으며, 비정상적인 작동에 따른 내압의 증가에 의해 전지케이스(14')가 부풀어 오르고, 그에 따라 전지케이스(14')의 실링부위도 다른 부위의 변형 형태에 따라 무질서한 곡선의 형태로 변형된다. 이 때, 유연성이 높은 알루미늄 소재의 양극리드(11')는 실링부위의 변형된 형상에 따라 그 단면이 어느 정도는 함께 변형 된다.

반면에, 도 4에서와 같이, 양극리드(11')에 비해 상대적으로 유연성이 낮은 니켈-구리 합금 소재로 이루어진 음극리드(12')는 내압의 증가에 따라 전지케이스(14')의 실링부위가 변형되는 경우에도 전혀 변형되지 않거나 적은 변형량으로 변형된다. 따라서, 실링부위에 가해지는 변형력은 결국 음극리드(12') 주위의 전지케이스(14')에 응력으로 남게 되며, 내부 압력이 더욱 증가하는 경우, 상기와 같은 응력에 의해 실링부위 중 특히 취약한 부분(16')가 파열될 수 있다.

도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 슬릿이 형성된 파우치형 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 음극리드가 돌출되어 있는 B 부위의 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 파우치형 전지셀(100)은 양극리드(110)와 음극리드(120)가 서로 대향하여 전지케이스(140)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있으며, 상부 케이스와 하부 케이스의 2 단위 부재로 이루어지는 전지케이스(140)의 수납부(144)에 전극조립체를 장착하고, 전극조립체의 전극 탭들(도시하지 않음)과 연결되는 양극리드(110)와 음극리드(120)의 상면 및 하면에 절연성 필름(160)을 부착한 후, 전지케이스(140)를 열융착 방법에 의해 밀봉한 구조로 이루어져 있다.

즉, 전지케이스(140)의 상부 케이스와 하부 케이스는 각각 ONy(연신 나일론 필름)으로 이루어진 수지 외곽층(140a), 알루미늄으로 이루어진 금속 차단층(140b), 및 CPP(무연신 폴리프로필렌 필름)로 이루어진 내부 수지층(140c)으로 구성되어 있으며, 그 중 상부 케이스와 하부 케이스의 내부 수지층(140c)이 열융착 과정에서 부분적으로 용융되어 결합되면서 전지케이스가 밀봉된다.

또한, 음극리드(120)에 대응하는 실링부위의 전지케이스 상에 전지케이스(140)의 폭방향으로, 전극리드 폭(C)의 대비 80%의 크기(D)로 슬릿(142)이 형성되어 있다. 따라서, 전지셀 내부의 비정상적인 작동에 의해 내압이 상승하였을 때, 다른 실링부위보다 밀봉력이 취약한 슬릿(142)이 우선적으로 벌어지면서, 전지케이스(140) 내부의 가스를 외부로 배출하게 된다. 슬릿(142)은 음극리드(120)에 대응하는 실링부위의 전지케이스 상에 형성되어 있으므로, 정상적인 작동 조건에서는 실질적으로 실링부위의 밀봉력에 영향을 미치지 않는다.

도 8에는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지셀의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 9에는 도 8에 따른 전지셀의 수직 단면의 상단 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지 케이스는 전극조립체(230)를 내장하기 위한 공간이 형성되어 있는 수납부(244)와 수납부(244)를 밀봉하기 위한 커버(243)가 일체형으로 이루어져 있고, 수납부(244)의 외주면에는 커버(243)가 위치된 상태에서 열융착 등에 의해 전지셀(200)을 밀봉하는 실링부(240)가 형성되어 있다.

전극조립체(230)는 양극리드(210)와 음극리드(220)가 전극조립체의 일측에 함께 형성되어 있는 구조로 이루어져 있고, 전극리드(210, 220)의 외면에는 실링부의 폭보다 큰 폭을 갖는 절연성 필름(260)이 부착되어 있다.

이러한 구조의 전극조립체(230)는 전극리드(210, 220)가 돌출되어 있는 부위가 전지케이스의 상단 측으로 위치하도록 수납부(244) 내에 장착된다.

이 때, 실링부(240) 중 음극리드(220)가 위치하는 부위에 대응하는 부위 즉, 전극리드 대응부(241)에는 복수 개의 취약부(242)가 형성되어 있는 바, 취약부(242)는 전극조립체(230)의 폭 방향에 평행하도록 형성되어 있고, 폭이 극히 얇고 길이가 긴 슬릿의 형태로 이루어져 있다. 슬릿(242)은 도 9에 도시된 바와 같이 실링부 전체를 관통하도록 절취된 형태일 수도 있고, 실링부(240) 중 최내면에 위치하는 내부 수지층(240c) 및/또는 배리어층(240b) 만을 부분적으로 제거하여 형성될 수도 있다. 또한, 슬릿(242)은 수납부(244)의 외주면 실링부 측 또는 커버(243)의 외주면 실링부 측 중 어느 한 쪽에만 형성되어 있어도 충분하다.

이와 같은 전지셀에서는, 전지셀 내부의 비정상적인 작동에 의해 내압이 상승하였을 때, 슬릿(242)이 형성되어 있는 음극리드 대응부(241)가 우선적으로 벌어지면서, 전지 내부의 가스를 외부로 배출하게 된다. 또한, 음극리드(220)에는 절연성 필름(260)이 부착되어 있어서 정상적인 작동 조건에서는 실질적으로 실링부위의 밀봉력에 영향을 미치지 않는다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

양극 활물질로서 LiCoO₂ 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합 제) 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하고, 음극 활물질로서 인조흑연 95 중량%, Super-P(도전제) 1 중량% 및 PVdF(결합제) 4 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하여, 각각 알루미늄 호일과 구리 호일에 각각 도포한 후, 각각 절단하여 양극 판과 음극 판들을 제조하였다. 분리막으로서 셀가드^TM(TONEN)를 개재한 상태에서, 상기에서 제조된 양극 판과 음극 판들을 순차적으로 적층하여 전극조립체를 제조하였다.

상기 전극조립체의 전극탭과 전극리드를 초음파 융착시킨 후, 도 6에서와 같이 니켈-구리 합금으로 이루어진 음극리드에 대응하는 전지케이스 부위에 음극리드 폭의 80%의 길이로 슬릿을 형성한 다음, 전극조립체를 상기 전지케이스에 수납하여 밀봉함으로써 전지를 완성하였다.

[비교예 1]

음극리드에 대응하는 실링부위의 전지케이스에 슬릿을 형성하지 않았다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.

[비교예 2]

한국 특허출원공개 제2006-112035호에서와 같이, 양극 리드와 음극 리드에 부착되는 절연성 필름의 중앙 부위에 노치를 형성하였고, 음극리드에 대응하는 실 링부위의 전지케이스에 슬릿을 형성하지 않았다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 각각 제조된 30 개의 전지들에 대해 내압상승 실험을 수행하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 내압상승 실험에서는 각각 30 개의 전지들에 대해 공기를 이용하여 전지들의 포장재가 벤트되는 시점까지 내압을 30초 단위로 0.1 kgf/mm² 씩 증가시킨 후, 벤팅부가 발생하는 부위를 비교하였다.

<표 1>

상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들은 전지 내압 상승 실험시 30 개 전지 모두가 음극리드 실링부위에서 일정하게 벤팅되었다. 또한, 벤팅 발생 시점의 내압 조건이 대략 동일하였다.

반면에, 비교예 1의 전지들은 다수의 전지들이 측면 실링부위에서 벤팅이 일어났고, 벤팅 부위가 일정하지 않았으며, 벤팅 발생 시점의 내압이 동일하지 않았다. 한편, 비교예 2의 전지의 경우, 낮은 내압에서 벤팅된 전지들이 다수 확인되 었는 바, 이는 절연성 필름에 노치를 형성함에 따라 밀봉력이 극히 낮기 때문으로 추측된다. 또한, 비교예 2의 전지에서는 양극 리드의 변형과 함께 밀봉성이 해제되어 양극 리드 실링부가 벤팅된 전지가 상대적으로 많았으며, 벤팅이 양극 리드 실링부, 음극 리드 실링부, 및 측면 실링부 모두에서 일어나고 있어서, 가스의 방향이 일정하지 않았다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면 및 실험예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 과충방전, 내부단락 등 비정상적인 상태에서 전지의 내압이 상승한 경우 가스를 취약부를 통하여 일정한 방향으로 배출하여 전지의 안전성을 향상시키고, 추가적인 부재를 사용하지 않으므로 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지셀의 사시도이다;

도 2는 도 1의 선 A-A 방향의 형상에 대한 모식도이다;

도 3 및 4는 도 1의 전지가 내압의 상승에 의하여 부풀어오른 형상을 나타내는 양극리드 및 음극리드 부위의 수직 단면 모식도이다;

도 5는 한국 특허출원공개 제2006-112035호에 따른 전지셀의 수직 단면의 상단 확대도이다;

도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 슬릿이 형성된 파우치형 전지셀의 사시도이다;

도 7은 도 6에서 음극리드가 돌출되어 있는 B 부위를 나타내는 부분확대도이다;

도 8은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 슬릿이 형성된 파우치형 전지셀의 분해 사시도이다;

도 9는 도 8에 따른 전지셀의 수직 단면의 상단 확대도이다.

Claims (12)

1. 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체를 탑재하고 전극조립체 수납부의 외주면을 따라 전지케이스를 열융착하여 실링부를 형성한 구조의 전지셀로서, 상기 전극조립체에 연결되는 한 쌍의 전극리드들(a, b) 중 상대적으로 유연성이 낮은 전극리드(a)에 대응하는 부위의 실링부('전극리드 대응부') 상에, 소정의 압력이 인가될 때 물리적 변형이 유발되어 내부가스를 배출할 수 있는 취약부가 형성되어 있고, 나머지 전극리드(b)의 전극리드 대응부에는 상기 취약부가 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 전지셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 파우치형 케이스이고, 상기 전지케이스에 접하는 전극리드의 상면 및 하면에는 절연성 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속 차단층의 일면(외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 내부 수지층이 부가되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 양극리드와 음극리드가 서로 대향하는 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극리드들 중, 하나의 전극리드(b)의 소재는 알루미늄이고, 나머지 전극리드(a) 소재는 구리 또는 니켈-구리 합금인 것을 특징으로 하는 전지셀.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 전극리드(b)는 양극리드이고, 전극리드(a)는 음극리드인 것을 특징으로 하는 전지셀.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형 구조, 스택형 구조 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 취약부는 슬릿 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 취약부는 전극리드 대응부를 관통하는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 슬릿은 전극조립체의 폭방향(가로방향)으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 슬릿의 길이의 총 합은 전극리드의 폭을 기준으로 50 내지 90%의 크기로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
12. 제 1 항에 따른 전지셀을 단위전지로서 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지모듈.

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