KR20090030715A - 향상된 내수분 침투성의 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체를 삽입하고 열융착시킨 구조의 이차전지로서, 전극단자를 제외하고 상기 열융착으로 형성된 전지케이스 외주면의 실링부위를 포함한 전지셀의 외면 전체에 연속된 PTFE(polytetrafluoroethylene) 층이 코팅되어 있는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는 간단한 공정을 통해 PTFE 코팅층을 전지의 전면에 형성할 수 있어서 실링부위 뿐만 아니라 전지케이스 자체를 통한 수분의 침투를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 코팅층이 전체적으로 연속되어 있으므로 내구성 및 밀봉성이 우수하여 결과적으로 전지의 장기간 보존 특성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

향상된 내수분 침투성의 이차전지 {Secondary Battery Having Improved Prevention Property against Humidity Permeability}
본 발명은 외주면에 PTFE(polytetrafluoroethylene) 층이 코팅되어 있는 이차전지에 관한 것으로, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체를 삽입하고 열융착시킨 구조의 이차전지로서, 전극단자를 제외하고 상기 열융착으로 형성된 전지케이스 외주면의 실링부위를 포함하여 전지셀의 외면 전체에 연속된 PTFE 층이 코팅되어 있는 것으로 구성되어 있어서, 전지 내부로의 수분 침투를 방지하고 코팅면이 전체적으로 연속적으로 되어 있어서 장기간 사용시의 내구성과 밀봉성이 우수한 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 휴대폰, 노트북, 캠코더 등 모바일 기기들의 전원으로 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지의 사용은 작동전압이 높고, 단위 중량당 에너지밀도가 높다는 잇점으로 인해 급속도로 증가되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다. 리튬이온 폴리머 전지(LiPB)는 전극(양극 및 음극)과 분리막을 열융착시킨 전극조립체에 전해액을 함침시킨 구조로서, 주로 스택형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 밀봉한 형태로서 많이 사용되고 있다. 따라서, 리튬이온 폴리머 전지를 종종 파우치형 전지로 칭하기도 한다.
도 1 및 2에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 리튬이온 폴리머 전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 리튬이온 폴리머 전지(100)는, 파우치형의 전지케이스(200) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(300)가 내장되어 있고, 그것의 양극 및 음극 탭들(301, 302)이 두 개의 전극리드(400, 410)에 용접되어 전지케이스(200)의 외부로 노출되도록 실링(밀봉)되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(200)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(300)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(230)를 포함하는 케이스 본체(210)와 그러한 본체(210)에 일측이 연결되어 있는 덮개(220)로 이루어져 있다.
리튬이온 폴리머 전지(100)에 사용되는 전극조립체(300)는, 도 1에서와 같은 스택형 구조 이외에 젤리롤형 구조 또는 스택/폴딩형 구조도 가능하다. 스택형 전극조립체(300)는 다수의 양극 탭들(301)과 다수의 음극 탭들(302)이 전극리드(400, 410)에 각각 용접되어 있다.
이러한 폴리머 전지(100)는 수납부(230)에 전극조립체(300)를 안착한 후 덮개(220)를 덮고 본체(210)과의 접촉 부위를 열융착시켜 제조된다. 열융착에 의해 상단 실링부(240)와 측면 실링부(250)가 각각 형성되며, 측면 실링부(250)는 수직으로 상향 절곡하여 전극조립체(300) 쪽으로 밀착시킨다.
그러나, 이러한 실링부위는 전지의 다른 부위에 비해 취약한 부위로서, 장기간의 사용시 상기 실링부위를 통해 수분이 침투하여 결과적으로 전지의 수명이 단축되는 원인으로 작용한다.
특히, 이러한 폴리머 전지 다수 개를 적층하여 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결하는 중대형 전지모듈의 경우, 장기간의 전지 수명 및 안전성을 요구하고, 일부 전지에서 수분 침투가 발생하게 되면 이로 인해 전지모듈 전체의 성능 저하를 가져오게 되므로 많은 문제점을 일으키게 된다.
따라서, 전지 내부로의 수분 침투를 방지하기 위한 방법으로서, 전극단자가 돌출되어 있는 상단 실링부의 단면 부위에 발수성 물질을 도포하는 기술(일본 특허출원공개 제2005-196979호) 등이 제시된 바 있다. 그러나, 상단 실링부와 그것의 단면 부위에만 발수성 물질을 코팅하는 것은 전지의 구조적 특성상 용이하지 않으며, 일반적으로 내마모성 등의 내구성이 취약한 발수성 물질의 경우, 그것의 코팅층은 전지의 장기간 사용시 부분적인 탈리 현상이 발생하는 문제점을 가지고 있다.
더욱이, 이후에서 설명하는 바와 같이, 전지케이스를 이루는 알루미늄 라미네이트 시트 역시 장기간 보존시에는 수분 침투가 나타나는 것으로 확인되었으므 로, 상기 방법은 전지케이스 내부로의 수분 침투를 방지하기 위한 근본적인 해결책이 되지 못한다.
따라서, 선행기술의 문제점을 해소하면서 전지 내부로의 수분 침투를 효과적으로 방지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전극단자를 제외하고 전지케이스 외주면의 실링부를 포함하여 전지셀의 외면 전체에 PTFE 코팅층을 형성함으로써, 실링부위뿐만 아니라 전지케이스 자체를 통한 수분 침투를 효과적으로 방지할 수 있고, PTFE의 취약한 내구성에도 불구하고 코팅층이 전체적으로 연속되어 있어서 코팅층의 부분적인 탈리를 방지할 수 있으며, 간단한 공정에 의해 코팅층을 형성할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체를 삽입하고 열융착시킨 구조의 이차전지로서, 전극단자를 제외하고 상기 열융착으로 형성된 전지케이스 외주면의 실링부위를 포함하여 전지셀의 외면 전체에 연속된 PTFE 층이 코팅되어 있는 것으로 구성되어 있다.
본 발명의 중요한 특징들로는, 수분 침투성을 방지하기 위해 PTFE 코팅층을 형성한다는 점, 전극단자를 제외한 전지셀의 외면 전체에 코팅층을 형성한다는 점, 및 그러한 코팅층이 연속되어 있다는 점 등을 들 수 있다.
상기 첫 번째 특징과 관련하여, PTFE 코팅층은 PTFE의 우수한 내발수성으로 인해, 일단 해당 부위에 안정적인 코팅층을 형성하였을 경우에는 수분 침투를 현저하게 방지할 수 있으며, 매우 낮은 계면 장력으로 인해 기타 물질들이 흡착되어 전지의 고장을 유발하는 것을 억제할 수 있다.
상기 두 번째 특징과 관련하여, 전지셀 외면 전체에 대한 코팅층의 형성은 작업 공정을 매우 단순화시킬 수 있고, 열융착에 의한 실링부위 뿐만 아니라 전지케이스 자체를 통한 수분의 침투 가능성을 방지할 수 있다. 우선, 코팅 작업의 단순화는 이후 설명하는 바와 같이 코팅용액 내로의 침지, 코팅용액의 분사 등 전지 전체에 대해 일괄적으로 한번에 코팅 작업을 수행함으로써 달성될 수 있다. 또한, 본 발명자들이 행한 실험에 따르면, 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체를 삽입하고 열융착시킨 이차전지에서, 전지 내부로의 수분 침투는 열융착에 의해 밀봉한 전지케이스의 실링부에서 주로 발생되지만, 장기간 보존시에는 전지케이스 자체에서도 수분 침투가 발생함이 확인되었다. 구체적으로, 최외층으로서 25 ㎛ 두께의 Polyamide(O-Ny)층, 차단층으로서 40 ㎛ 두께의 알루미늄 층, 및 실란트 층으로서 80 ㎛ 두께의 CPP층으로 이루어진 알루미늄 라미네이트 시트는, 40℃, 90% RH 조건에서의 수분침투율이 3g/m2*24hr/0.1mm 인 것으로 확인되었다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전지케이스의 실링부위 뿐만 아니라 전극단자를 제외한, 전지케이스 외면 전체에 PTFE 층을 코팅하여 전지 내부로의 수분 침투를 근본적으로 방지하여 전지의 보존 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 세 번째 특징과 관련하여, 연속적으로 형성된 코팅층은 그것을 이루는 PTFE의 낮은 내구성(내스크래치성)을 보상하여 전지의 장기간 사용 과정에서 발생하는 부분적인 탈리 현상을 억제할 수 있다. PTFE는 상기와 같은 우수한 내발수성 및 낮은 계면장력의 장점과 함께 내마모성과 기재(base material)에 대한 결합력이 낮다는 단점을 가지고 있다. 따라서, PTFE 코팅층의 단부, 즉, 비코팅 부위와의 계면 단부는 외력의 인가 및/또는 반복적인 충방전시의 부피 변화로 인해 기재로부터 쉽게 탈리되는 경향이 있다. 이러한 코팅층의 탈리는 수분의 침투 경로로 사용될 수 있으므로 PTFE 코팅층의 형성에 따른 효과를 기대하기 어렵다. 반면에, 본 발명에서는 PTFE 코팅층이 전극단자를 제외하고 전지케이스 전면에 연속적으로 형성되어 있으므로, 비코팅 부위에 대한 계면 단부의 크기를 최소화하여 상기와 같은 탈리 현상을 크게 억제할 수 있다.
본 발명에서의 전면 코팅은, 바람직하게는, 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 전지셀을 PTFE를 포함하는 용액(코팅용 용액)에 침지시킨 후 꺼내어 건조하는 이른바 침지법에 의해 수행할 수 있다.
이러한 침지법에 있어서, 전지셀을 코팅용 용액에 침지시킨 후 꺼내어 건조 하는 침지 및 건조 과정은 1 회 또는 2 회 이상 실시할 수 있다. 일반적으로, 상기 횟수가 증가할수록 전지케이스 전면에 대한 PTFE 코팅층의 형성이 보장될 수 있으나, 필요에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
상기 코팅용 용액은, 예를 들어, 아세톤 또는 헥산 용매에 PTFE가 액체상 고체입자(Suspension) 형태로 분산되어 있는 구성으로 이루어져 있다.
상기 PTFE 코팅층의 두께는 바람직하게는 5 ㎛ 내지 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 특히 바람직하게는 20 ㎛ 내지 30 ㎛이다. 코팅층의 두께가 너무 얇으면 전지셀과의 결합력과 코팅층의 내구성이 떨어져 장기간의 사용시 부분적인 탈리 현상이 발생할 수 있으며, 반대로 너무 두꺼우면 전지셀의 부피가 증가하고 코팅층을 형성하는 공정 시간이 길어지므로 바람직하지 않다.
상기 전지케이스는 바람직하게는 전지의 박막화와 변형 등이 용이한 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수 있다.
상기 침지법에 의한 PTFE 코팅층의 형성 방법을 고려할 때, 이차전지에서 양극 단자와 음극 단자는 전지케이스의 일측에 함께 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이차전지는 상기와 같은 구조를 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 앞서 설명한 바와 같은 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 수분이 전지셀 내부로 침투하는 것을 방지하고 내구성 및 밀봉성이 우수하므로, 장기간에 걸쳐 높은 밀봉성과 안전성을 필요로 하는 고출력 대용량의 전지모듈의 단위 셀로 바람직하게 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 이차전지를 단위 셀로 사용하여 다수의 전지들을 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결한 구조로 이루어진 고출력 대용량의 중대형 전지모듈을 제공한다.
이러한 전지모듈을 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 고출력 대용량의 중대형 전지팩으로도 제조될 수 있다.
상기 중대형 전지모듈 또는 전지팩은, 앞서 설명한 바와 같은 이차전지의 우수한 내수분 침투성, 견고성 등을 고려할 때, 가혹한 외부 환경에 노출되기 쉽고 장기간에 걸쳐 신뢰성 있는 작동이 요구되며 안전성이 보장되어야 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있다. 특히 바람직하게는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용될 수 있다. 그러나, 중대형 전지모듈 또는 전지팩의 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
기타 전극조립체를 사용하여 이차전지를 제조하는 방법, 중대형 전지모듈의 구조 및 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 이에 대한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 PTFE 용액에 침지하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 우선, 전지셀(101)은 도 1 및 2에서와 같은 내부 구조로 이루어져 있고 상단에 전극리드들(400, 410)이 돌출되어 있다. 이러한 전극리드들(400, 410) 만을 집게(500)로 잡아 PTFE 용액(610)이 담겨 있는 욕조(600)에 전극리드들(400, 410)의 하단 일부까지 잠기도록 침지하여 전지셀(101)의 전면에 대한 코팅을 행하게 된다.
이러한 침지 작업에 의해 전면에 PTFE 용액(610)이 도포된 전지셀(101)을 욕조(600)로부터 꺼내어 20 ~ 30℃의 온도에서 건조시켜 연속적인 코팅층을 형성할 수 있다. 이러한 침지 및 건조 과정은 1 회 이상 반복적으로 수행되어 다층의 구조로서 PTFE 코팅층을 형성할 수도 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 간단한 공정을 통해 PTFE 코팅층을 전지의 전면에 형성할 수 있어서 실링부위 뿐만 아니라 전지케이스 자체를 통한 수분의 침투를 방지할 뿐만 아니라, 코팅층이 전체적으로 연속되어 있어서 내구성 및 밀봉성이 우수하여 결과적으로 전지의 장기간 보존 특성을 향상시키는 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 1 및 2는 파우치형 전지케이스를 사용한 종래의 리튬이온 폴리머 전지에서 전지케이스와 전극조립체의 조립과정을 나타낸 사시도와 조립된 상태에서의 평면 투시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 코팅층 형성과정에 대한 모식도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100, 101: 리튬이온 폴리머 전지 200: 파우치형 전지케이스
300: 전극조립체 400, 410: 전극단자
500: 집게 610: PTFE 용액

Claims (9)

  1. 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내부에 전극조립체를 삽입하고 열융착시킨 구조의 이차전지로서, 전극단자를 제외하고 상기 열융착으로 형성된 전지케이스 외주면의 실링부위를 포함하여 전지셀의 외면 전체에 연속된 PTFE 층이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 PTFE 코팅층은 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 전지셀을 PTFE를 포함하는 용액(코팅용 용액)에 침지시킨 후 꺼내어 건조함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 코팅용 용액은 아세톤 또는 헥산 용매에 PTFE가 액체상 고체입자(Suspension) 형태로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 PTFE 코팅층은 5 ㎛ ~ 100 ㎛의 두께로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 침지 및 건조 과정은 1 회 또는 2 회 이상 실시하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 양극 단자와 음극 단자는 전지케이스의 일측에 함께 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 단위 셀로 사용하는 고출력 대용량의 중대형 전지모듈.
  9. 제 8 항에 따른 전지모듈을 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조되는 전지팩으로서, 상기 전지팩은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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