KR20090038382A - 전지 팩 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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KR20090038382A
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Abstract

본 발명의 전지 팩은 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전지 소자를 포장체로 포장한 전지와, 상기 전지의 보호 회로 기판과, 상기 전지 및 전지 보호 회로 기판을 일체적으로 피복하는 외장재를 구비하고, 상기 외장재의 일부에, 이상시에 상기 전지로부터 발생하는 가스에 의해 개열하여, 상기 가스를 전지 팩의 외부로 방출하는 가스 방출구를 형성하는 개열 가능부를 설치한 것이다.
Figure P1020080101059
전지 팩, 전지, 전지 보호 회로 기판, 외장재, 개열 가능부

Description

전지 팩 및 그의 제조 방법{BATTERY PACK AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
<출원과 관련한 참고 문헌>
본 출원은 2007년 10월 15일자로 일본 특허청에 제출된 일본 특허 출원 제 2007-267694호 및 2008년 2월 8일자로 일본 특허청에 제출된 일본 특허 출원 제 2008-28993호의 우선권의 이점을 청구하며, 그의 전문이 본원에 참고로 포함된다.
본 발명은, 예를 들면 비수전해질 이차 전지를 포함하는 전지 팩 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전지 소자를 라미네이트 필름으로 포장한 전지와 그의 보호 회로 기판을 일체화한 전지 팩 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 카메라 일체형 비디오 테이프 리코더, 휴대 전화 및 휴대용 컴퓨터 등의 포터블 전자 기기가 수많이 등장하여 그의 소형, 경량화가 도모되고 있다. 이러한 전자 기기의 소형, 경량화에 따라서, 이들의 휴대용 전원으로서 이용되는 전지 팩에 대해서도 고에너지를 갖고 소형, 경량화되는 것이 요구되고 있다. 이러한 전지 팩에 이용되는 전지로서는 고용량을 갖는 리튬 이온 이차 전지가 있다.
리튬 이온 이차 전지는, 리튬 이온을 도핑·탈도핑할 수 있는 정극 및 부극을 갖는 전지 소자를 구비하고, 이 전지 소자를 금속 캔이나 금속 라미네이트 필름에 봉입하는 동시에, 전지 소자와 전기적으로 접속한 회로 기판에 의해 제어하도록 되어 있다.
종래의 리튬 이온 이차 전지에는 금속 캔이나 금속 라미네이트 필름에 봉입한 전지 소자와 회로 기판을, 상하로 2 분할된 수납 케이스 내에 수납한 전지 팩을 구성한 것이 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 1 내지 3 참조).
리튬 이온 이차 전지의 전지 팩으로서는, 금속 캔에 봉입한 전지 소자와 회로 기판을 용융 수지로 일체 성형한 것도 제안되어 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 4 및 5 참조).
또한, 금속 라미네이트 필름에 봉입한 전지 소자와, 회로 기판과, 상기 전지 소자와 회로 기판을 둘러싸도록 배치한 프레임을 박판상의 포장체로 둘러싼 것도 제안되어 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 6 참조).
그 밖에, 리튬 이온 이차 전지로서는, 전지 소자와 회로 기판을 각형의 외장 캔 내에 봉입하고, 상기 외장 캔의 알루미늄 합금제 덮개부나 알루미늄제 본체부에, 이상적으로 발생하는 가스에 의해 내압이 상승한 경우에, 가스를 외부로 방출하는 방폭용의 개열 벤트나 박육부를 설치한 구성도 제안되어 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 7 및 8 참조).
[특허 문헌 1] 일본 특허 제3556875호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 제3614767호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특허 제3643792호 공보
[특허 문헌 4] 일본 특허 공개 제2004-303625호 공보
[특허 문헌 5] 일본 특허 공개 제2004-358735호 공보
[특허 문헌 6] 일본 특허 공개 제2005-158452호 공보
[특허 문헌 7] 일본 특허 제3691268호 공보
[특허 문헌 8] 일본 특허 제3783082호 공보
그런데, 상기한 바와 같은 종래의 리튬 이온 이차 전지에 있어서, 전지 소자의 봉입에 금속 캔을 이용한 경우에는, 금속 캔으로서 딥 드로잉 가공에 의해 성형된 것을 이용하기 때문에, 딥 드로잉하는 세로 방향의 신도에 제한이 있어, 소정의 두께(200 ㎛ 정도)의 금속 캔밖에는 성형할 수 없어 설계의 자유도가 적다는 결점이 있다. 또한, 딥 드로잉 가공에 적합한 금속을 이용할 필요가 있기 때문에, 캔을 구성하는 금속에서 그 금속이 갖는 강도 이상의 강도를 갖는 금속 캔을 얻는 것은 어렵다. 또한, 전지 소자를 금속 캔에 봉입하면, 그 후에 겔 중합체를 열융착시키는 히트 프레스 공정을 행할 수 없기 때문에, 금속 캔을 이용하는 경우에는 전해질로서 액상의 것만을 사용하게 된다.
한편, 전지 소자의 봉입에 금속 라미네이트 필름을 이용한 경우에는 히트 프레스 가공을 행하는 것이 가능해져 크기나 형상이 자유로워진다는 이점을 갖지만, 강도적으로는 금속 캔에 봉입한 것에 떨어진다는 결점이 있다.
또한, 상기 문헌 1 내지 3에 기재된 리튬 이온 이차 전지와 회로 기판을 수납 케이스에 수납한 전지 팩에 있어서는, 리튬 이온 이차 전지나 회로 기판을 외부의 충격 등으로부터 보호하기 위해, 수납 케이스에 충분한 두께가 필요하게 된다. 또한, 상하로 분할한 수납 케이스를 양면 테이프나 초음파 용착으로 접합함에 있어서도, 이들에 대응할 수 있도록 수납 케이스에 충분한 두께를 확보해 둘 필요가 있기 때문에, 전지 팩 전체의 두께나 중량이 증대하게 되어 휴대용 전원으로서 바람직하지 않다는 문제가 있다.
상기 문헌 4 및 5에 기재된 전지 팩에 있어서는, 기계적 강도가 큰 금속 캔에 봉입한 전지 소자와 회로 기판을 용융 수지로 일체화하고 있기 때문에, 상기 수지로서는, 내낙하충격성을 향상시키기 위해서, 탄성이 우수한 유연한 고무상의 수지가 이용되고 있고, 기계적 강도가 작은 금속 라미네이트 필름에 봉입한 전지 소자와는 그의 치수 정밀도, 제조 조건 등도 크게 다르기 때문에, 금속 라미네이트 필름을 봉입한 전지 소자를 이용한 전지 팩에는 적용할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 금속 캔에 봉입한 전지 소자를 이용한 전지 팩에 있어서는, 전해질로서 액상의 전해액을 이용하고 있기 때문에, 일상 생활에 있어서는 간단히 개구되지 않는 방폭용의 구조를 전지 팩에 설치할 필요가 있다.
한편, 상기 문헌 6에 기재된 전지 팩에 있어서는, 금속 라미네이트 필름에 봉입한 전지 소자와, 회로 기판과, 프레임을 둘러싸는 포장체로서, 나일론 등으로 이루어지는 표면 보호층과, 스테인레스 등으로 이루어지는 금속층을 구비한 2층 구조의 포장체를 이용하고 있기 때문에, 필요한 경도와 성형성을 얻기 위해 일정한 두께가 필요하게 되고, 또한 접착제나 접착 테이프를 이용하기 때문에 두께가 증대하여, 소형 경량화를 위한 추가적인 개선이 요망되고 있다.
한편, 금속 산화물 세라믹을 전지 팩의 외장재로서 이용하는 것도 고려되고 있지만, 금속 산화물 세라믹은 금속보다 경도는 우수하지만, 취성을 갖기 때문에, 외장재로서 얇게 밀착시켜 가공할 필요가 있다.
또한, 상기 문헌 7 및 8에 기재된 각형의 외장 캔에 방폭용의 개열 벤트를 설치한 리튬 이온 이차 전지는 현재 실용화되어 있지 않고, 그 이유로서, 각형의 최장변 방향으로 큰 벤트 밸브 구조를 설치하기 위해 필요한 용량의 확보가 어렵고, 각형 구조로 하는 경우에는 원통형의 경우와 비교하여 부품의 비용이 비싸지는 동시에, 높은 정밀도로 각 부품을 위치 결정해야만 되어 생산이 곤란한 점 등을 들 수 있다.
본 발명은 상기 종래 기술이 갖는 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 치수 정밀도 및 기계적 강도가 모두 높고, 소형 경량화를 실현할 뿐만 아니라, 이상시에서의 안전성도 확보한 전지 팩 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전지 소자를 포장체로 포장한 전지와, 상기 전지의 보호 회로 기판과, 상기 전지 및 보호 회로 기판을 일체적으로 피복하는 외장재를 구비하고, 상기 외장재에 이상시에 발생한 가스를 외부에 개방하는 개열 가능부를 설치함으로써 상기 목적을 달성할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
본 발명의 전지 팩은, 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전지 소자를 포장체로 포장한 전지와, 상기 전지의 보호 회로 기판과, 상기 전지 및 보호 회로 기판을 일체적으로 피복하는 외장재를 구비하고, 상기 외장재의 일부에, 이상시에 상기 전지로부터 발생하는 가스에 의해 개열되어, 상기 가스를 전지 팩의 외부로 방출하는 가스 방출구를 형성하는 개열 가능부를 설치한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 전지 팩의 제조 방법은, 성형 형의 성형 공간 내에, 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전지 소자를 포장체로 포장한 전지와, 상기 전지의 보호 회로 기판과, 상기 전지 및 보호 회로 기판을 수용한 성형 형의 성형 공간에 충전하여 경화시킴으로써 상기 전지의 단자를 외부에 도출된 상태로 하여 전지 및 보호 회로 기판을 일체적으로 피복하는 외장재를 구비한 전지 팩의 제조 방법이며, 상기 성형 형에 형성한 돌기 또는 이탈 가능하게 설치한 돌기에 의해 상기 전지 및 보호 회로 기판의 주위 공간에 충전되어 경화하는 외장재에, 충전 흔적인 박육부로 이루어지는, 이상시에 상기 전지로부터 발생하는 가스에 의해 개열하는 개열 가능부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 전지 팩의 제조 방법은, 성형 형의 성형 공간 내에, 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전지 소자를 포장체로 포장한 전지와, 상기 전지의 보호 회로 기판과, 상기 전지 및 보호 회로 기판을 수용한 성형 형의 성형 공간에 충전하여 경화시킴으로써 상기 전지의 단자를 외부 에 도출된 상태로 하여 전지 및 보호 회로 기판을 일체적으로 피복하는 외장재를 구비한 전지 팩의 제조 방법이며, 상기 성형 형의 성형 공간 내에, 상기 전지 및 보호 회로 기판과 함께, 이상시에 상기 전지로부터 발생하는 가스에 의해 변형되는 취약 부재를 수용하고, 상기 외장재로 전지와 회로 기판과 취약 부재를 일체적으로 피복하여, 상기 취약 부재의 변형에 의해 상기 외장재를 개열시키는 개열 가능부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 요약은 각각 설명된 실시양태 또는 본 발명의 모든 실행을 기재하지는 않는다. 이하 도면 및 상세한 설명이 이들 실시양태를 더 구체적으로 예시한다.
본 발명에 따르면, 상기 구성으로 하고 있기 때문에, 치수 정밀도 및 기계적 강도가 모두 높고, 소형 경량화를 실현할 뿐만 아니라, 이상시에서의 안전성도 확보한 전지 팩을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 전지 팩에 대하여 상세히 설명한다. 한편, 본 명세서에 있어서, 농도, 함유량 및 충전량 등에 대한 "％"는 특별히 기재하지 않는 한 질량 백분율을 나타내기로 한다.
상기와 같이, 본 발명의 전지 팩은 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전지 소자를 포장체로 포장한 전지와, 상기 전지의 보호 회로 기판과 상기 전지 및 보호 기판을 외장재로 일체적으로 피복하여 이루어 지는 것으로서, 이 외장재의 일부에, 이상시에 상기 전지로부터 발생하는 가스에 의해 개열하여 상기 가스를 전지 팩의 외부로 방출하는 가스 방출구를 형성하는 개열 가능부를 설치한 것이다.
종래, 전지 팩은 중합체화한 전해액을 이용한 중합체 전지를 이용하여 상기 중합체 전지와 회로 기판을 알루미늄 라미네이트 등의 열융착 필름으로 톱부 밀봉하고, 상기 열융착부를 이상시에 개열시키도록 한 것이 있다. 그러나, 중합체 전지와 회로 기판을 열융착 필름으로 톱부 밀봉한 리튬 이온 이차 전지는 열융착 부분을 개열 기구로 하기 때문에 제조 공정에서 다양한 제약이 있는 동시에, 치수 정밀도 및 기계적 강도가 낮다는 결점이 있다.
본 발명의 전지 팩은 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전지 소자를 포장체로 포장한 전지와, 상기 전지 및 보호 회로 기판을 일체적으로 피복하는 외장재를 구비함으로써, 치수 정밀도 및 기계적 강도를 높이고, 경량 소형화를 실현하는 동시에, 상기 외장재에 개열 가능부를 설치함으로써, 이상시에 발생하는 가스를 외부로 방출 가능하게 하여 안전성도 확보할 수 있는 구성으로 하고 있다.
이하, 전지 팩을 구성하는 외장재 및 개열 가능부를 설명한 후, 전지 팩을 구성하는 다른 요소에 대하여 설명한다.
[외장재]
외장재는 형상 유지 중합체와 충전재를 포함하는 복합 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 이 형상 유지 중합체로서는, 충전재와 친화성, 상용성 내지는 반응성 을 가지면서 높은 치수 정밀도 및 기계적 강도를 발현할 수 있는 수지인 것이 바람직하다.
통상적인 수지는 수지의 융점 또는 유리 전이 온도보다 50 내지 150℃ 정도 높은 온도로 가온함으로써 유동성을 발현시키는 것이 가능해지기 때문에, 수지를 포함한 외장재를 성형 형에 충전함에 있어서는, 예를 들면 180 내지 450℃의 고온으로 가열할 필요가 있다.
그러나, 고온의 외장재가 성형 형에 유입되면, 성형 형 내에 수용된 전지 소자를 구성하는 폴리에틸렌 베이스의 세퍼레이터가 용융하여 미세 구멍이 셧 다운되어 세퍼레이터로서의 기능을 다하지 못하게 될 우려가 있다. 또한, 비수계 전해질로서 이용되는 PVdF(폴리불화비닐리덴) 등의 물리적 겔이 용융하여 전지가 변형될 우려도 있다. 또한, 보호 회로 기판에 삽입된 PCT(Positive Temperature Coefficient: 정온도 계수, 여기서 "정온도 계수"란 온도가 상승함에 따라서 전지 저항치도 상승하여 양의 계수치가 변화하는 특성을 말하며, 본 명세서에 있어서, PCT란 상기 특성을 갖는 소자를 말함)나 온도 퓨즈 등의 소자가 손상을 받아 보호 회로 기판으로서의 역할을 다 하지 못하게 될 우려가 있다.
따라서, 외장재에 이용하는 형상 유지 중합체로서는, 바람직하게는 120℃ 이하, 보다 바람직하게는 30 내지 100℃, 더욱 바람직하게는 50 내지 90℃에서 경화하는 열경화성 수지 또는 자외선으로 경화하는 자외선 경화성 수지를 이용하는 것이 바람직하다.
형상 유지 중합체로서, 구체적으로는 우레탄 수지, 아크릴 수지 및 에폭시 수지로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종, 또는 우레탄 수지, 아크릴 수지 및 에폭시 수지 중 어느 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.
이러한 경화성 수지는 열가소성 수지에 비하여 성형 형틀 내에 유입시키고 나서 경화하기까지의 시간이 길어 유동성이 우수하기 때문에, 성형 형틀 내의 좁은 주위 공간에 충전하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 상기 수지를 외장재로서 이용함으로써, 외장재의 두께를 열가소성 수지의 경우와 비교하여 얇게 하여(예를 들면, 열가소성 수지를 이용한 경우에는 수백 ㎛의 두께인 반면, 경화성 수지의 경우에는 수십 ㎛ 내지 수 ㎛의 두께) 소형 경량화할 수 있다. 또한, 상기 경화성 수지를 외장재로서 이용함으로써, 금속판보다 얇게 우수한 생산성으로 가공을 실시할 수 있다.
따라서, 상기 경화성 수지를 외장재로서 이용함으로써, 전지 팩의 부피 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고, 전지 팩의 형성이 용이하고, 치수 정밀도가 높아져서 수율을 향상시켜, 다종 다양한 용도에 따라서 크기나 형상의 설계 자유도를 넓힐 수 있다.
형상 유지 중합체에 이용하는 경화성 수지로서는, 일액성, 이액성, 삼액성의 것이 있지만, 저온의 보관고가 필요하게 되고, 보관고가 없는 경우에는 경화 시간이 길어지는 일액성의 것보다는 보관의 간편성이나 생산성 측면에서 이액성의 것을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 생산성 측면에서 혼합에 수고가 드는 삼액성의 것보다는 간편하게 혼합할 수 있는 이액성의 것을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 외장재로서는, 형상 유지 중합체와 함께 경화제, 자외선 흡수제 및 광 안정제 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.
형상 유지 중합체는 외장재의 기계적 강도를 높이기 위해, 유연성에 기여하는 비결정 부분과, 표면 경도에 기여하는 결정 부분의 균형이 양호한 것이 바람직하다.
형상 유지 중합체와 함께 경화제를 이용하는 경우에는, 긴 고분자쇄의 가교점을 적게 하여 유연성에 기여하는 비결정 부분을 형성하기 위한 가교점이 2개 이상인 경화제와, 고분자쇄의 가교점을 많게 하여 경도에 기여하는 결정 부분을 형성하기 위한 가교점이 3개 이상인 경화제를 병용하는 것이 바람직하다.
외장재는 평상시에는 우수한 내충격성 및 기계적 강도를 갖는 것으로서, 한편 이상시에는 전지로부터 발생하는 가스를 용이하게 외부로 방출할 수 있도록 파괴되기 쉬운 것인 것이 바람직하다.
이 조건을 만족시키기 위해, 외장재에 이용하는 형상 유지 중합체는, 상기 형상 유지 중합체의 유리 전이점이, 전지 팩을 평상 사용하는 온도 이상이면서 이상시에서의 온도 이하의 것인 것이 바람직하다.
유리 전이점이 전지 팩을 평상 사용하는 온도 이상이면, 형상 유지 중합체를 구성하는 고분자의 열운동이 억제되어 있어, 형상 유지 중합체는 딱딱한 채여서, 우수한 기계적 강도를 발현할 수 있다.
한편, 형상 유지 중합체의 유리 전이점이 이상시에서의 온도 이하이면, 형상 유지 중합체를 구성하는 쇄상 고분자의 열운동의 부분이 격렬해져서 유연성을 발현하여 외장재가 파괴되기 쉬워진다.
형상 유지 중합체의 유리 전이점(Tg)은 시차 주사 열량계(DSC) 측정으로 측정할 수 있다.
형상 유지 중합체의 유리 전이점(Tg)은, 바람직하게는 45 내지 130℃, 보다 바람직하게는 60 내지 120℃, 더욱 바람직하게는 80 내지 110℃의 범위에 있는 것이 바람직하다.
외장재는 형상 유지 중합체와 함께 충전재를 포함하는 복합 재료인 것이 바람직하다. 충전재로서는, 세라믹 충전재, 금속 산화물 충전재 또는 금속 질화물 충전재를 사용할 수 있다.
금속 산화물 충전재 또는 금속 질화물 충전재로서는, 규소(Si), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 마그네슘(Mg)의 산화물 또는 질화물, 또는 이들 산화물 또는 질화물의 임의의 혼합물을 들 수 있다. 이러한 금속 산화물 또는 금속 질화물 충전재는 이 외장재의 경도 및 열전도성을 향상시키는 기능을 하고, 형상 유지 중합체를 포함하는 층과 접촉한 상태에서, 금속 산화물 충전재 또는 금속 질화물 충전재를 포함하는 층을 배치할 수도 있고, 이 금속 산화물 충전재 또는 금속 질화물 충전재를 형상 유지 중합체를 포함하는 층에 혼입할 수도 있다. 이 경우, 형상 유지 중합체층의 전체에 걸쳐 금속 산화물 충전재 또는 금속 질화물 충전재가 균일하게 산재해 있는 것이 바람직하다.
충전재의 혼입 비율은 형상 유지 중합체의 종류에 따라서 적절히 변경할 수 있지만, 형상 유지 중합체의 전체 질량에 대하여, 바람직하게는 3 내지 60％이다. 상기 혼입량이 3％ 미만이면, 충분한 경도의 외장재를 얻을 수 없는 경우가 있고, 상기 혼입량이 60％를 초과하면, 제조시의 성형성이나 세라믹의 취성에 의한 문제가 발생할 수 있다.
또한, 충전재의 평균 입경을 작게 하면, 경도는 상승하지만 성형시의 충전성에 영향을 주어 생산성에 문제점을 초래할 가능성이 있고, 한편 충전재의 평균 입경을 크게 하면, 목적하는 강도를 얻기 어려워져서 전지 팩으로서의 치수 정밀도를 충분히 얻을 수 없을 가능성이 있기 때문에, 충전재의 평균 입경을 0.5 내지 40 ㎛로 하는 것이 바람직하고, 2 내지 20 ㎛로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 충전재의 형상으로서는 구형이나 인편형이나 판형이나 침형 등 다양한 형상을 채용할 수 있다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구형의 것은 제조하기 쉬워 평균 입경이 균일한 것을 저렴하게 얻을 수 있기 때문에 바람직하고, 침형이고 종횡비가 높은 것은 충전재로서 강도를 높이기 쉽기 때문에 바람직하다. 또한, 인편형의 것은 충전재의 혼입 비율을 증가시켰을 때에 충전성을 높일 수 있기 때문에 바람직하다. 한편, 용도나 재질에 따라서 평균 입경이나 형상이 다른 충전재를 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.
본 발명의 전지 팩은 전지 및 보호 회로 기판을 일체적으로 피복하는 외장재로서 상술한 바와 같은 특정 형상 유지 중합체 및 충전재를 이용함으로써, 치수 정밀도, 내충격성 및 기계적 강도가 모두 높고, 소형(박형) 경량화할 수 있다.
이러한 외장재는 이하의 물성치를 갖는 것인 것이 바람직하다.
외장재의 JIS K7171에 의해 측정한 굽힘 강도는, 바람직하게는 10 내지 120 MPa, 보다 바람직하게는 20 내지 110 Mpa, 더욱 바람직하게는 70 내지 100 MPa이 다.
또한, 외장재의 JIS K7171에 의해 측정한 굽힘 탄성율은, 바람직하게는 30 내지 3000 MPa, 보다 바람직하게는 250 내지 2500 MPa, 더욱 바람직하게는 1000 내지 2500 MPa이다.
또한, 외장재의 JIS K7215에 의해 측정한 듀로미터 D 경도는, 바람직하게는 D30 내지 D99, 보다 바람직하게는 D60 내지 D99이다.
외장재는 JIS K7215에 규정된 표준 온도(23℃±2℃)에서 측정한 듀로미터 D 경도보다 이상시의 온도, 예를 들면 60℃ 이상의 온도에서 측정한 듀로미터 D 경도 쪽이 작은 것이 바람직하다. 이상시의 온도하에서 외장재의 경도가 표준시에서의 경도보다 작아지면, 이상시에 발생한 가스에 의해 외장재가 개열하기 쉬워지기 때문이다. 통상 사용 온도와 이상 환경시의 온도에서 외장의 경도가 변하지 않는 경우에는, 이상시에서의 온도에서 개열하기 쉽게 설정하면 통상 사용시에 강도를 확보하기 어려울 우려가 있다. 통상 사용 온도와 이상 환경시의 온도에서 외장의 경도가 변하지 않는 경우에는, 통상 사용시에 충분한 강도를 확보하면, 이상 환경시의 온도에서는 중합체 전지의 특색인 빠른 개열에 의한 안전성 확보를 손상시킬 우려가 있다.
외장재는 이상시의 온도, 예를 들면 60℃ 이상의 온도에서 측정한 듀로미터 D 경도가, 바람직하게는 D3 내지 D60, 보다 바람직하게는 D5 내지 D30의 것이 바람직하다. 외장재의 60℃ 이상의 온도에서 측정한 듀로미터 D 경도가 D5 내지 D30이면, 이상시에 발생한 가스에 의해 외장재가 개열하기 쉬워지고, 외부로 가스를 방 출하여 폭발의 위험을 막을 수 있기 때문에, 안전성을 확보할 수 있다.
[개열 가능부: 박육부]
다음으로, 상기 외장재에 설치하는 개열 가능부에 대하여 설명한다.
상기 외장재에 설치하는 개열 가능부의 바람직한 형태의 일례로서는, 상기 개열 가능부가, 상기 외장재를 성형 형 내에 충전하여 경화하는 단계로 형성되는 충전 흔적으로 이루어지는 박육부인 것이 바람직하다.
본 발명의 전지 팩은, 상술한 바와 같이 외장재가 특정 유리 전이점을 갖는 특정 형상 유지 중합체로 구성되어 있을 뿐만 아니라, 외장재에 박육부로 이루어지는 개열 가능부가 형성되어 있기 때문에, 외장재로 중합체 전지를 피복한 형태의 전지 팩이더라도, 이상시에 전지로부터 발생한 가스에 의해 박육부가 용이하게 파괴되고, 박육부가 개열하여 형성된 가스 방출구로부터 전지 팩의 외부로 가스를 방출하여 폭발을 방지하여 안전성을 확보할 수 있다.
외장재에 박육부를 형성한 경우, 상기 박육부가 이상시에 있어서의 개열부가 되기 때문에, 전지 및 보호 회로 기판을 외장재로 일체화한 전지 팩의 내충격성은 박육부를 형성하지 않는 경우와 비교하여 작아질 것으로 추측된다.
그러나, 본 발명자들이 확인한 바로는, 놀랍게도 전지 팩의 내충격성은 박육부를 형성하지 않는 경우보다 박육부를 형성한 경우 쪽이 높아졌다.
이는, 외장재에 형성된 박육부가 낙하시 등의 충격을 흡수하여 변형에 대한 저항력이 증가했기 때문이라 생각된다.
이와 같이, 본 발명의 전지 팩은 외장재에 개열 가능부가 되는 박육부를 형 성함으로써, 안전성의 확보를 가능하게 하는 동시에, 기계적 강도를 높이는 것도 가능해졌다.
다음으로, 개열 가능부가 되는 박육부의 바람직한 형태에 대하여 설명한다. 한편, 개열 가능부가 되는 박육부의 형태는 이하에 나타내는 예로 한정되지 않고, 또한 박육부를 설치하는 장소도 전지 팩의 사이드부, 톱부, 저부의 어느 개소이든 좋다. 한편, 전지 팩의 사이드부란 양 측부 부근을 나타내고, 톱부란 전지의 정극 단자 및 부극 단자가 배치되는 측 부근을 나타내고, 저부란 톱부의 반대측 부근을 나타낸다.
도 1 내지 5는 외장재 (1)에 형성한 박육부 (2)의 바람직한 형태의 예를 나타내는 평면도이다.
도 1(A)에 나타낸 바와 같이, 거의 직사각형 판형을 이루는 외장재 (1)에 형성하는 개열 가능부가 되는 박육부(외장재 (1)의 최대면의 일부를 오목하게 한 홈부 또는 오목부) (2)는 외장재 (1)의 최대면(단적으로는 표리면) (3)의 적어도 일면에 형성하는 것이 바람직하고, 양면에 형성할 수도 있다.
박육부 (2)가 외장재 (1)의 최대면 (3)에 형성되어 있으면, 전지 소자를 포장한 포장체의 밀봉 부분 근처에, 박육부 (2)로 이루어지는 개열 가능부가 형성되게 되어, 이상시에 발생한 가스에 의해 박육부 (2)가 개열하여 가스가 외부로 방출되기 쉬워진다.
또한, 도 1(A)에 나타낸 바와 같이, 박육부 (2)의 형상은 교차하는 2개의 선분상 오목부로 이루어지는 회전 대칭체에 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 형상으로 박육부 (2)가 형성되어 있으면, 전지로부터 발생한 가스에 의해 외장재 (1)의 최대면 (3)의 일면 전체에 일정 압력이 가해져, 박육부가 개열하여 가스 방출구 (4)가 형성되기 때문에, 안전성을 향상시킬 수 있다(도 1(B) 참조).
한편, 회전 대칭이란, 특정 형상을 특정 회전축에 대해 회전했을 때에 원래의 형상에 겹쳐지는 것을 말한다.
도 2는 도 1에 나타낸, 교차하는 2개의 선분상 오목부로 이루어지는 회전 대칭체의 형상으로 형성된 박육부 (2)의 단부에, 최대면 (3)의 중심부 방향으로 팽출하도록 만곡하는 만곡 선분상 오목부로 이루어지는 박육부 (2a)를 형성한 전지 팩을 나타내는 평면도이다.
또한, 도 3은 외장재 (1)의 최대면 (3)의 대각선 상에, 교차하는 2개의 선분상 오목부로 이루어지는 회전 대칭체의 형상으로 형성된 박육부 (2)와, 이 박육부 (2)의 단부에, 최대면 (3)의 중심부 방향으로 팽출하도록 만곡하는 만곡선분상 오목부로 이루어지는 박육부 (2a)를 형성한 전지 팩을 나타내는 평면도이다.
상기 박육부 (2, 2a)가 개열함으로써 가스 방출구가 커지기 때문에 바람직하다. 도 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 개열 가능부가 되는 박육부의 형태가 외장재의 면과 연속해 있는 형태이면, 박육부가 파괴되어 외장재에 가스 방출구가 형성된 경우이더라도, 개열된 외장재의 파괴편이 비산되지 않아 안전성을 높일 수 있다.
도 4 및 5는 외장재 (1)에 형성한 박육부 (2)의 바람직한 형태의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 4(A)는, 외장재 (1)의 최대면 (3)의, 외장재 (1)의 내부에 수용되어 있는 전지의 단자와 대면하는 부분에, 하나의 장방 형상의 폐색선형 오목부로 이루어지는 박육부 (2)를 형성한 예를 나타내며, 도 5는 외장재 (1)의 최대면 (3)의 톱부의 근방에, 4개의 다각 형상(십각 형상 또는 별형 형상)의 폐색선형 오목부로 이루어지는 박육부 (2)를 형성한 예를 나타낸다.
이상시에 발생하는 가스는 전지의 단자 부분으로부터 발생하기 쉽기 때문에, 이 전지의 단자와 대면하는 부분에 개열 가능부가 되는 박육부 (2)가 형성되어 있으면, 전지로부터 발생한 가스에 의해 박육부 (2)가 파괴되기 쉬워 가스 방출구 (4)가 형성되기 쉬워지기 때문에 바람직하다(도 4(B) 참조).
또한, 도 6은 개열 가능부가 되는 박육부 (2)를 형성한 전지 팩의 측면도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 개열 가능부가 되는 박육부 (2)의 두께(오목부의 깊이) (t)는 외장재 (1)의 전체 두께 (T)에 대하여, 바람직하게는 20 내지 85％, 보다 바람직하게는 40 내지 80％이다.
박육부의 두께 (t)가 85％를 초과하면서 100 ㎛ 이상이면, 상기 박육부 (2)가 쉽게 개열되지 않아 전지 팩의 외부로 가스를 방출할 수 없다. 한편, 박육부의 두께 (t)가 20％ 미만이면, 전지 팩의 기계적 강도가 낮아진다. 한편, 도 6 중, 부호 10은 전지, 부호 32는 보호 회로 기판, 부호 34는 완충재이다.
개열 가능부가 되는 박육부는 성형 형에 형성한 돌기 또는 접착한 돌기에 의해 성형 형 내에 충전되어 경화하는 외장재에 형성된 돌기 흔적(충전 흔적)으로 이 루어지는 것이 바람직하다. 이와 같이, 성형 형에 형성한 돌기 또는 이탈 가능하게 설치한, 예를 들면 돌기에 의해 외장재로 전지 및 회로 기판을 일체적으로 피복하는 동시에, 쉽게 개열 가능부가 되는 박육부를 외장재에 형성할 수 있다. 한편, 이와 같이 형성한 박육부는 전지 팩 장전시에 있어서 노치로서 사용하는 것도 가능하다.
또한, 개열 가능부가 되는 박육부의 제조 방법으로서는 상술한 예에 한정되지 않고, 예를 들면 외장재를 성형한 후에, 외장재의 표면에 기계적으로 홈부를 형성함으로써, 상기 홈부의 부분을 박육부로 할 수도 있다.
[개열 가능부: 취약 부재]
다음으로, 상기 외장재에 설치하는 개열 가능부의 바람직한 형태의 다른 예에 대하여 설명한다.
개열 가능부는 전지 및 보호 회로 기판과 함께 외장재에 매설하는, 상기 외장재보다 기계적 강도가 작은 취약 부재로 이루어지는 것이 바람직하다. 취약 부재는 내부에 공극부를 구비한 것이 바람직하다.
이상시에 발생한 가스가 이 취약 부재를 누르거나, 또는 취약 부재의 공극부에 유입됨으로써, 취약 부재가 외장재의 내부에서 파열되는 등의 변형을 일으키고, 이 취약 부재의 변형에 의해 발생한 에너지에 의해서 외장재가 파괴되어 가스 방출구가 형성되어, 외부로 가스를 방출하여 폭발을 방지하여, 전지 팩의 안전성을 확보할 수 있다.
개열 가능부가 되는 취약 부재의 형태는 특별히 한정되지 않지만, 일반적인 직방체, 입방체, 원주형, 원추형, 각기둥형, 각추형의 것을 사용할 수 있다.
취약 부재는 취약 부재의 일면의 1변의 길이가 외장재의 최대 면적의 최장의 1변의 길이의 3％ 이상의 길이 또는 1 mm 이상의 길이를 갖고, 상기 취약 부재의 두께가 외장재의 전체 두께의 20％ 이상의 두께 또는 100 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것인 것이 바람직하다.
취약 부재의 치수가 상기 범위 내이면, 이상시에 발생한 가스에 의해 취약 부재가 파열하는 등과 같이 변형되었을 경우에, 변형시에 생긴 에너지에 의해서 외장재를 확실히 개열시켜 가스를 방출할 수 있다.
취약 부재는 이상시라고 상정되는 온도, 예를 들면 60℃ 이상의 온도에서, 외장재보다 기계적 강도가 작은 공지된 수지를 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들면, 취약 부재는 고무나 플라스틱 등을 이용하여 형성할 수 있다.
취약 부재의 JIS K7215에 의해 측정한, 60℃에서의 듀로미터 D 경도는 D3 내지 D60이고, 취약 부재의 JIS K6253에 의해 측정한, 60℃에서의 듀로미터 A 경도는 A20 내지 A90인 것이 바람직하다.
취약 부재의 경도가 상기 범위 내이면, 이상시라고 상정되는, 예를 들면 60℃ 이상의 온도 영역에 있어서, 전지로부터 발생하는 가스 등에 의해 취약 부재가 우선적으로 파열 등의 변형을 일으키고, 이 변형시의 에너지에 의해 외장재를 개열시켜 가스를 외부로 방출할 수 있다.
또한, 취약 부재는 소화제 및/또는 흡열제를 포함하는 것일 수 있다.
이와 같이, 취약 부재가 소화제 및/또는 흡열제를 포함하는 것인 경우에는, 예를 들면 가스의 발생을 피할 수 없는 200℃ 이상의 고온하에 놓여진 이상시에, 가스에 의해서 변형된 취약 부재로부터 소화제나 흡열제를 방출시킴으로써, 가스의 승온 반응을 억제할 수 있다.
소화제나 흡열제는 취약 부재와 함께 혼합하여 취약 부재의 내부에 함유시킬 수도 있고, 취약 부재가 공극부를 구비한 것인 경우에는 이 공극부에 봉입하여 함유시킬 수도 있다.
소화제로서는, 예를 들면 할론 2402, 할론 1211, 할론 1301 등의 할로겐 화합물, 인산암모늄 등 인계 화합물, 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨 등의 탄산계 화합물, 계면활성제를 주성분으로 하는 기포성 화합물 등, 일반적으로 알려져 있는 소화제를 사용할 수 있다.
흡열제로서는, 예를 들면 알루미나, 실리카 등의 세라믹 외에도, 금속 니켈, 금속 세라믹 등의 금속을 포함하는 분체 및 이들을 수지로 굳힌 부피 열용량이 2 J/K·cm3을 초과하는 것을 사용할 수 있다.
다음으로, 개열 가능부가 되는 취약 부재를 설치하는 위치에 대하여 도면에 기초하여 설명한다.
도 7 내지 9는 외장재 (1)의 내부에 취약 부재 (5)를 설치한 바람직한 형태의 예를 나타내는 평면도이다.
도 7은 취약 부재 (5)를, 전지 (10)의 정극 단자 (15a) 및 부극 단자 (15b) 사이에 설치한 상태를 나타내고, 도 8은 취약 부재 (5, 5)를, 전지 (10)의 정극 단 자 (15a)의 상측 및 부극 단자 (15b)의 상측에 각각 1개씩 설치한 상태를 나타내고, 도 9는 전지 (10)의 정극 단자 (15a)의 상측으로부터 부극 단자 (15b)의 상측에 걸쳐 1개의 취약 부재 (5)를 설치한 상태를 나타낸다. 한편, 도 7 내지 9 중, 부호 32는 보호 회로 기판을 나타내고 있다.
이와 같이, 취약 부재 (5)가 전지 (10)의 정극 단자 (15a) 및 부극 단자 (15b)의 근방에 설치되어 있으면, 이상시에 발생하는 가스에 의해 취약 부재 (5)가 변형되기 쉽고, 상기 변형에 의해 생긴 에너지에 의해 외장재를 개열시켜서, 가스 방출구가 형성되어, 가스를 외부로 방출시키기 쉬워져 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.
도 10 및 11은 외장재 (1)에 취약 부재 (5)를 매설한 바람직한 형태의 다른 예를 나타내는 측면도이다.
도 10은 취약 부재 (5)를 전지 (10)의 단자 (15)의 외방측에 설치한 상태를 나타내고, 도 11은 보호 회로 기판 (32)로부터 전지 (10)에 걸친 외방 측부에 취약 부재 (5)를 설치한 상태를 나타낸다.
도 10 및 11에 나타내는 예에서는 취약 부재 (5)는 외장재 (1)의 톱부 근방에 설치하고 있지만, 본 예에 한정되지 않고, 취약 부재 (5)는 외장재 (1)의 사이드부에 설치할 수도 있고, 외장재 (1)의 톱부나 저부에 설치할 수도 있고, 성형 형틀 내에 있어서의 전지 및 보호 회로 기판의 주위 공간의 어느 위치에든 설치할 수 있다. 또한, 취약 부재는 1개 또는 복수개 설치할 수 있다.
개열 가능부가 되는 취약 부재는 성형 형의 성형 공간 내에, 전지 및 보호 회로 기판과 함께 취약 부재를 수용하고, 성형 형의 성형 공간에 충전한 외장재이고, 전지와 보호 회로 기판과 취약 부재를 일체적으로 피복하여 형성하는 것인 것이 바람직하다.
다음으로, 전지 팩에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 12 내지 도 18은 본 발명의 전지 팩의 일 실시 형태를 나타내고 있고, 도 16에 나타낸 바와 같이, 이 전지 팩은 전지 소자 (10)을 금속 라미네이트 필름 (17)으로 피복하여 제조되는 전지 (20)을 구비하고 있다. 이 전지 (20)에 있어서, 라미네이트 필름 (17)에 형성한 오목부 (17a)(공극부 (17a))에 전지 소자 (10)을 수용하여, 그의 주변부를 밀봉하도록 되어 있고, 이 경우, 라미네이트 필름 (17)의 공극부 (17a)는 직사각형 판형을 이루고 있는 전지 소자 (10)의 형상에 대응한 직사각형 판형의 공간으로 되어 있다.
전지 소자 (10)은, 도 17에도 나타낸 바와 같이, 벨트형의 정극 (11)과, 세퍼레이터 (13a)와, 정극 (11)과 대향하여 배치된 벨트형의 부극 (12)와, 세퍼레이터 (13b)를 순서대로 적층하고, 길이 방향으로 권회하여 이루어져 있고, 정극 (11) 및 부극 (12)의 양면에는 겔상 전해질 (14)가 도포되어 있다.
이 전지 소자 (10)으로부터는 정극 (11)과 접속하는 정극 단자 (15a) 및 부극 (12)와 접속하는 부극 단자 (15b)가 도출되어 있고(이하, 특정 단자를 지정하지 않는 경우에는 전극 단자 (15)라 칭함), 정극 단자 (15a) 및 부극 단자 (15b)에는 나중에 외장하는 라미네이트 필름 (17)과의 접착성을 향상시키기 위해, 무수 말레산 변성된 폴리프로필렌(PPa) 등의 수지편인 실란트 (16a) 및 (16b)(이하, 특정 실 란트를 지정하지 않는 경우에는 실란트 (16)이라 적절히 칭함)가 피복되어 있다.
이하, 상술한 전지(외장재에 의한 팩전)의 구성 요소에 대하여 상세히 설명한다.
[정극]
정극은 정극 활성 물질을 함유하는 정극 활성 물질층을 정극 집전체의 양면형으로 형성하여 이루어지는 것이다. 정극 집전체는, 예를 들면 알루미늄(Al)박 등의 금속박에 의해 구성되고, 한편 정극 활성 물질층은, 예를 들면 정극 활성 물질과, 도전제와, 결착제를 함유하여 구성된다. 여기서, 정극 활성 물질, 도전제, 결착제 및 용제는 균일하게 분산되어 있으면 좋고, 그의 혼합비는 문제되지 않는다.
정극 활성 물질로서는, 목적으로 하는 전지의 종류에 따라서 금속 산화물, 금속 황화물 또는 특정 고분자를 사용할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 전지를 구성하는 경우, 주로 하기 화학식 1로 표시되는 리튬과 전이 금속과의 복합 산화물을 사용할 수 있다.
LiXMO2
(식 중의 M은 1종 이상의 전이 금속을 나타내고, X는 전지의 충방전 상태에 따라 다르지만, 통상적으로는 0.05 내지 1.10임)
한편, 리튬 복합 산화물을 구성하는 전이 금속(M)으로서는 코발트(Co), 니 켈(Ni) 및 망간(Mn) 등을 사용할 수 있다.
이러한 리튬 복합 산화물로서, 구체적으로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 및 LiNiyCo1-yO2(0<y<1) 등이 있다. 또한, 전이 금속 원소의 일부를 다른 원소로 치환한 고용체(solid solution)도 사용 가능하고, LiNi0.5Co0.5O2나 LiNi0.8Co0.2O2 등을 그 예로서 들 수 있다. 이들 리튬 복합 산화물은 고전압을 발생할 수 있고, 에너지 밀도가 우수한 것이다. 또한, 정극 활성 물질로서 TiS2, MoS2, NbSe2 및 V2O5 등의 리튬을 갖지 않는 금속 황화물 또는 산화물을 사용할 수도 있다. 이들 정극 활성 물질은 단독으로 또는 복수종을 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 도전제로서는, 예를 들면 카본 블랙이나 흑연 등의 탄소 재료 등을 사용할 수 있다. 또한, 결착제로서는, 예를 들면 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 사용할 수 있다. 또한, 용제로서는, 예를 들면 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있다.
상술한 정극 활성 물질, 결착제 및 도전제를 균일하게 혼합하여 정극합제로 하고, 이 정극합제를 용제 중에 분산시켜서 슬러리형으로 한다. 이어서, 이 슬러리를 닥터 블레이드법 등에 의해 정극 집전체 상에 균일하게 도포한 후, 고온에서 건조시켜 용제를 증발시키고, 프레스함으로써 정극 활성 물질층을 형성한다.
정극 (11)은 정극 집전체의 일단부에 스폿 용접 또는 초음파 용접으로 접속한 정극 단자 (15a)를 가지고 있다. 이 정극 단자 (15a)는 금속박이나 메쉬형의 것이 바람직하지만, 전기 화학적 및 화학적으로 안정하고, 통전을 취할 수 있는 것 이면 금속이 아니어도 문제는 없다. 정극 단자 (15a)의 재료로서는, 예를 들면 알루미늄 등이 있다.
[부극]
부극은 부극 활성 물질을 함유하는 부극 활성 물질층을 부극 집전체의 양면 상에 형성하여 이루어지는 것이다. 부극 집전체는, 예를 들면 구리(Cu)박, 니켈박 또는 스테인레스박 등의 금속박에 의해 구성된다.
부극 활성 물질층은, 예를 들면 부극 활성 물질과, 필요에 따라서 도전제와 결착제를 함유하여 구성된다. 한편, 부극 활성 물질, 도전제, 결착제 및 용제에 대해서는 정극 활성 물질과 마찬가지로 그의 혼합비는 불문한다.
부극 활성 물질로서는, 리튬 금속, 리튬 합금 또는 리튬을 도핑·탈도핑 가능한 탄소 재료 또는 금속계 재료와 탄소계 재료와의 복합 재료를 사용할 수 있다. 구체적으로 리튬을 도핑·탈도핑 가능한 탄소 재료로서는, 흑연, 난흑연화탄소 및 이흑연화탄소 등이 있다. 보다 구체적으로는, 열분해 탄소류, 코크스류(피치 코크스, 니들 코크스, 석유 코크스), 흑연류, 유리상 탄소류, 유기 고분자 화합물 소성체(페놀 수지, 푸란 수지 등을 적당한 온도에서 소성하여 탄소화한 것), 탄소 섬유, 및 활성탄 등의 탄소 재료를 사용할 수 있다. 또한, 리튬을 도핑·탈도핑할 수 있는 재료로서는, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 고분자나 SnO2 등의 산화물을 사용할 수 있다.
또한, 리튬을 합금화 가능한 재료로서는 다양한 종류의 금속 등이 사용 가능 하지만, 주석(Sn), 코발트(Co), 인듐(In), 알루미늄, 규소(Si) 및 이들의 합금이 자주 이용된다. 금속 리튬을 사용하는 경우에는 반드시 분체를 결착제로 도포막으로 할 필요는 없고, 압연한 리튬 금속박을 집전체에 압착하더라도 상관없다.
결착제로서는, 예를 들면 폴리불화비닐리덴이나 스티렌-부타디엔 고무 등을 사용할 수 있다. 또한, 용제로서는, 예를 들면 N-메틸피롤리돈이나 메틸에틸케톤 등을 사용할 수 있다.
상술한 부극 활성 물질, 결착제, 도전제를 균일하게 혼합하여 부극합제로 하고, 용제 중에 분산시켜 슬러리형으로 한다. 이어서, 정극과 동일한 방법에 의해 부극 집전체 상에 균일하게 도포한 후, 고온에서 건조시켜 용제를 비산시키고, 프레스함으로써 부극 활성 물질층을 형성한다.
부극 (12)도 정극 (11)과 마찬가지로, 집전체의 일단부에 스폿 용접 또는 초음파 용접으로 접속한 부극 단자 (15b)를 가지고 있고, 이 부극 단자 (15b)는 전기 화학적 및 화학적으로 안정하고, 통전을 취할 수 있는 것이면 금속이 아니어도 문제는 없다. 부극 단자 (15b)의 재료로서는, 예를 들면 구리, 니켈 등이 있다.
한편, 정극 단자 (15a) 및 부극 단자 (15b)는, 상술한 바와 같이 전지 소자 (10)이 직사각형 판형을 이루는 경우에는 그의 1변(통상적으로는 단변 1개)으로부터 동일한 방향으로 도출시키는 것이 바람직하지만, 단락 등이 발생하지 않고 전지 성능에도 문제가 없으면, 어느 방향으로부터 도출시키더라도 문제는 없다. 또한, 정극 단자 (15a) 및 (15b)의 접속 개소는 전기적 접촉이 취해져 있는 것이면, 부착하는 장소나 부착하는 방법은 상기 예로 한정되지 않는다.
[전해액]
전해액으로서는, 리튬 이온 전지에 일반적으로 사용되는 전해질염과 비수용매가 사용 가능하다.
비수용매로서는, 구체적으로는 에틸렌카르보네이트, 프로필렌카르보네이트, γ-부티로락톤, 디메틸카르보네이트, 디에틸카르보네이트, 에틸메틸카르보네이트, 디프로필카르보네이트 및 에틸프로필카르보네이트, 또는 이들 탄산에스테르류의 수소를 할로겐으로 치환한 용매 등이 있다. 이들 용매는 1종을 단독으로 사용할 수 있고, 복수종을 소정의 조성으로 혼합하여 사용할 수도 있다.
또한, 전해질염의 일례인 리튬염으로서는 통상의 전지 전해액에 이용되는 재료를 사용하는 것이 가능하다. 구체적으로는, LiCl, LiBr, LiI, LiClO3, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiNO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAsF6, LiCF3SO3, LiC(SO2CF3)3, LiAlCl4 및 LiSiF6 등을 들 수 있지만, 산화 안정성 면에서는 LiPF6, LiBF4가 바람직하다. 이들 리튬염은 단독으로 사용할 수도 있고 복수종을 혼합하여 사용할 수도 있다. 리튬염을 용해시키는 농도는 상기 비수용매에 용해될 수 있는 농도이면 문제는 없지만, 리튬 이온 농도가 비수용매에 대하여 0.4 mol/kg 내지 2.0 mol/kg의 범위인 것이 바람직하다.
겔상 전해질을 이용하는 경우에는 상술한 전해액을 매트릭스 중합체로 겔화하여 이용한다. 매트릭스 중합체는 상기 비수용매에 상기 전해질염이 용해되어 이루어지는 비수전해액에 상용 가능하고 겔화할 수 있는 것이면 좋다. 이러한 매트 릭스 중합체로서는, 폴리불화비닐리덴, 폴리에틸렌옥시드, 폴리프로필렌옥시드, 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리메타크릴로니트릴을 반복 단위에 포함하는 중합체를 들 수 있다. 이러한 중합체는 1종을 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
그 중에서도 특히 바람직한 것은, 매트릭스 중합체로서 폴리불화비닐리덴 또는 폴리불화비닐리덴에 헥사플루오로프로필렌이 7.5％ 이하의 비율로 도입된 공중합체이다. 이러한 중합체는 통상, 수 평균 분자량이 5.0×105 내지 7.0×105(50만 내지 70만)의 범위이거나, 또는 중량 평균 분자량이 2.1×105 내지 3.1×105(21만 내지 31만)의 범위에 있고, 고유 점도가 1.7 내지 2.1 dl/g의 범위에 있다.
[세퍼레이터]
세퍼레이터는, 예를 들면 폴리프로필렌(PP) 혹은 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계의 재료로 이루어지는 다공질막, 또는 세라믹제 부직포 등의 무기 재료로 이루어지는 다공질막에 의해 구성되고, 이들의 2종 이상의 다공질막을 적층한 구조로 할 수 있다. 그 중에서도 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌의 다공질 필름이 가장 유효하다.
일반적으로, 세퍼레이터의 두께는 5 내지 50 ㎛를 바람직하게 사용 가능하지만, 7 내지 30 ㎛가 보다 바람직하다. 세퍼레이터는 너무 두꺼우면 활성 물질의 충전량이 저하되어 전지 용량이 저하되는 동시에, 이온 전도성이 저하되어 전류 특성이 저하된다. 반대로 너무 얇으면, 막의 기계적 강도가 저하된다.
[전지의 제조]
상술한 바와 같이 하여 제조한 겔상 전해질 용액을 정극 (11) 및 부극 (12)에 균일하게 도포하고, 정극 활성 물질층 및 부극 활성 물질층에 함침시킨 후, 상온에서 보존하거나, 또는 건조 공정을 거쳐 겔상 전해질층 (14)를 형성한다.
이어서, 겔상 전해질층 (14)를 형성한 정극 (11) 및 부극 (12)를 이용하여, 정극 (11), 세퍼레이터 (13a), 부극 (12), 세퍼레이터 (13b)의 순으로 적층한 후 권회하여 전지 소자 (10)을 형성하고, 계속해서, 이 전지 소자 (10)을 라미네이트 필름 (17)의 오목부(공극부) (17a)에 수용하여 외장하여 겔상 비수전해질 이차 전지를 얻는다.
한편, 라미네이트 필름 (17)로서는 종래 공지된 금속 라미네이트 필름, 예를 들면 알루미늄 라미네이트 필름을 사용할 수 있다. 이러한 알루미늄 라미네이트 필름으로서는, 교축 가공에 적합하고 전지 소자 (10)을 수용하는 오목부 (17a)를 형성하기에 적합한 것이 좋다.
통상, 알루미늄 라미네이트 필름은 알루미늄층의 양면에 접착층과 표면 보호층이 배치된 적층 구조를 갖는 것으로, 내측, 즉 전지 소자 (10)의 표면측으로부터 순서대로, 접착층으로서의 폴리프로필렌층(PP층), 금속층으로서의 알루미늄층 및 표면 보호층으로서의 나일론층 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트층(PET층)이 배치된다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 도 16 및 도 17에 나타낸 바와 같이 상술한 바와 같은 라미네이트 필름 (17)로 전지 소자 (10)을 외장하고, 전지 소자 (10)의 주 위를 용착·밀봉하여 전지 (20)으로 한다.
또한, 상술한 바와 같이, 라미네이트 필름 (17)로의 전지 소자 (10)의 수용 및 밀봉을 행한 후, 도 18(A) 및 도 18(B)에 나타낸 바와 같이, 전지 소자 (10)을 수용한 오목부 (17a)의 양측의 부분(이하, 사이드 밀봉부라 적절히 칭함) (17b)를 오목부 (17a)의 방향을 향하여 절곡한다.
상기 절곡 각도 θ는 80° 내지 100°의 각도 범위로 하는 것이 바람직하다. 80° 미만이면, 오목부 (17a)의 양측에 설치된 사이드 밀봉부 (17b)가 너무 개방되어 전지 (20)의 폭이 넓어지게 되어, 전지 (20)의 소형화 및 전지 용량의 향상이 곤란해진다. 또한, 상한치 100°는 오목부 (17a)의 형상에 따라 규정되는 값으로서, 편평형의 전지 소자 (10)을 수용하는 경우, 절곡 각도의 한계치는 100° 정도가 된다. 한편, 사이드 밀봉부 (17b)에서의 열용착의 폭은 바람직하게는 0.5 내지 2.5 mm, 보다 바람직하게는 1.5 내지 2.5 mm이다.
사이드 밀봉부 (17b)의 절곡폭 (D)는 전지 (20)의 소형화 및 전지 용량의 향상을 위해서는 오목부 (17a)의 높이 (h) 또는 전지 소자 (10)의 두께 이하의 치수로 하는 것이 바람직하다. 또한, 비수전해질 이차 전지 (20)의 소형화 및 전지 용량의 향상을 위해서는 절곡 횟수는 1회로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 전지 팩의 제조 방법의 일 실시 형태에 대하여 설명한다.
본 발명의 전지 팩의 제조 방법에서는 상술한 바와 같이 제조한 비수전해질 이차 전지 (20)을 상기 전지의 전압 및 전류를 제어 가능한 보호 회로 기판 및 스 페이서와 함께 성형용 금형의 캐비티(성형 공간)에 수용하고, 스페이서에 의해 상기 전지 및 보호 회로 기판을 캐비티 내의 소정 위치에 세팅한 후, 상기 형상 유지 중합체와 충전재를 함유하는 외장재를 상기 캐비티에 충전하여 경화시키고, 이에 따라 외장재를 장착한 전지 팩을 얻는다.
또한, 본 발명의 전지 팩의 제조 방법에서는, 성형용 금형에 형성한 돌기, 또는 접착한 돌기에 의해, 상기 전지 및 보호 회로 기판의 주위 공간에 충전되어 경화하는 외장재에, 충전 흔적인 박육부로 이루어지는, 이상시에 전지로부터 발생하는 가스에 의해 개열하는 개열 가능부를 형성한다.
또한, 본 발명의 전지 팩의 제조 방법에서는 외장재에 충전 흔적인 박육부로 이루어지는 개열 가능부를 설치하는 대신에, 전지 및 보호 회로 기판과 함께 캐비티 내의 소정 위치에 취약 부재를 세팅한 후, 상기 형상 유지 중합체와 충전재를 함유하는 외장재를 캐비티 내에 충전하여 경화시키고, 이상시에 전지로부터 발생하는 가스에 의해 변형하는 취약 부재로 이루어지는 개열 가능부를 형성한다.
한편, 사용하는 성형용 금형은 상기 실시 형태에서는 알루미늄 라미네이트 필름 (17)로 포장한 전지 (20)과, 보호 회로 기판과, 상기 스페이서와, 필요에 따라서 사용하는 완충재(후술함)와, 박육부를 형성하는 돌기 또는 취약 부재를 그의 캐비티에 배치할 수 있는 한 특별히 한정되는 것은 아니지만, 통상적으로는 그 캐비티에 용융 성형 재료를 유도하는 게이트를 2개 이상 구비하고 있다. 따라서, 얻어진 전지 팩에는 게이트에 대응한 성형 재료의 잉여분이 외장재 중 어느 한 부분에 경화되어 잔존하게 되고, 본 발명에서는 이러한 잉여의 성형 재료를 트리밍하여 삭제하지만, 약간의 수지 주입 흔적이 남는다.
상기 보호 회로 기판은 통상, 정극 단자 (15a) 및 부극 단자 (15b)의 상측에 배치한다(도 16 참조). 또한, 상술한 완충재는 전지 (20)과 같이 직사각형 판형을 이루는(형성되는 전지 외장재가 직사각형 판형을 이루는) 경우, 단자 (15a) 및 (15b)의 도출 방향의 변부 또는 이와 대향하는 변부, 또는 쌍방의 변부에 배치한다. 구체적으로는, 도 16에 있어서, 직사각형 판형을 이루는 전지 (20) 중 어느 한쪽의 단변측 또는 쌍방의 단변측에 배치한다. 그리고, 이와 같이 배치한 보호 회로 기판 및 완충재는 상기 외장재에 의해 전지 (20)과 일체를 이룬다.
한편, 상기 완충재는 전지 및 보호 회로 기판을 보호하는 동시에, 얻어지는 전지 팩의 내충격성을 향상시키는 기능을 갖는 점에서, 이 완충재에 사용하는 재료로서는 내충격성을 갖고 치수 정밀도가 양호한 폴리카보네이트나 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지(ABS), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 수지나, 알루미늄이나 스테인레스 등의 금속을 이용하거나, 수지 재료에 알루미늄 등의 금속 재료를 인서트 성형한 것을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 종래와 달리 치수 변동은 모두 형상 유지 중합체로 흡수할 수 있기 때문에, 더욱 다양한 고무상의 플라스틱을 이용하는 것도 가능하다. 구체적으로는 천연 고무, 가황한 합성 고무, 예를 들면 폴리부타디엔, 부타디엔-아크릴로니트릴계, 스티렌-부타디엔계, 클로로프렌계 등이나 에보나이트, 우레탄 고무, 실리콘 고무를 사용할 수 있다.
다음으로, 본 실시 형태의 전지 팩을 제조하는 요령을 설명하면, 도 13에 나 타낸 바와 같이, 우선 강성 및 수지 식부성(resin bite)을 높이기 위해 전지 (20)의 측면을 따르는 사이드 밀봉부 (17b)를 도면 중의 파선을 따라서 절곡하여 도 14(A)에 나타내는 상태를 이룬다.
이어서, 전지 (20)의 톱부측에 보호 회로 기판 (32) 및 완충재 (34)를 배치하는 동시에 저부측에 완충재 (33)을 배치하고, 또한 전지 (20)의 6개의 평면 중 최대면인 한 쌍의 면 (17c)에 원주 형상을 이루는 스페이서 (35)를 배치한 상태에서, 도 14(B), (C)에 가상선으로 나타낸 바와 같이, 성형용 금형 (C)의 캐비티 (Ca) 내에 설치한 후, 상기 형상 유지 중합체와 충전재를 포함하는 외장재 (18)을 성형용 금형 (C)의 캐비티 (Ca) 내에 주입한다.
한편, 도시를 생략했지만, 성형용 금형 (C)에는 외장재의 박육부를 구성하는 충전 흔적을 형성하기 위한 돌기가 설치되어 있다.
이 때, 스페이서 (35)가 성형용 금형 (C)에 접촉해 있기 때문에, 전지 (20) 및 보호 회로 기판 (32)는 캐비티 (Ca) 내에서 높은 정밀도로 소정 위치에 유지되게 되고, 이에 더하여 전지 (20)의 최대면 (17c)를 커버하면서 또한 외장재 (18)의 충전 공간을 유지하기 위해 스페이서 (35)를 배치하고 있기 때문에, 외장재 (18)이 캐비티 (Ca) 내의 구석에 까지 유입되게 된다.
그리고, 상기 형상 유지 중합체와 충전재를 포함하는 외장재 (18)을 캐비티 (Ca) 내에서 경화시키면, 도 12에 나타낸 바와 같이, 알루미늄 라미네이트 필름 (17)이 외장재 (18)로 피복된 본 실시 형태의 전지 팩 (30)을 얻게 되고, 이 때, 스페이서 (35)는 경화된 외장재 (18)과 일체화하여 전지 팩 (30)에 남게 된다. 또 한, 도 12 또는 도 14에 나타낸 바와 같이, 외장재 (18)에는 개열 가능부를 구성하는 충전 흔적인 박육부 (2)가 형성되게 된다.
한편, 도시를 생략했지만, 상기 박육부 (2)로 이루어지는 개열 가능부 대신에, 전지 (20) 및 보호 회로 기판 (32)와 함께 캐비티 (Ca) 내에 취약 부재를 수용하고, 외장재 (18)로, 전지 및 보호 회로 기판 (32)와 함께, 개열 가능부가 되는 취약 부재도 피복하여 일체화한 전지 팩을 얻을 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 상술한 바와 같은 치수 정밀도 및 기계적 강도가 모두 높고, 소형화 및 경량화가 도모된 전지 팩을 얻을 수 있다. 한편, 이 전지 팩 (30)은 통상, 대상 기기와 접속하는 접속 단자를 구비하고 있지만, 상기에서는 그의 설명을 생략하였다.
또한, 상술한 실시 형태에서는 겔상 전해질을 이용한 비수전해질 이차 전지 (20)을 이용하여 설명했지만, 본 발명은 전해액을 이용한 라미네이트 필름 외장 전지 팩에도 적용할 수 있다. 이 경우, 상술한 실시 형태에 있어서, 겔상 전해질을 정극 및 부극 표면에 도포하는 공정을 생략하고, 라미네이트 필름 용착 공정의 도중에 전해액을 주액하는 공정을 설치한다. 보다 구체적으로는, 직사각형 판형을 이루는 전지 소자 (10)의 주위의 3변을 용착하여 밀봉한 후, 나머지 1변의 개구부로부터 전해액을 주액하고, 그 후에 이 1변을 용착하여 밀봉한다. 이에 따라, 밀봉부의 전체 형상은 직사각형 프레임형이 된다.
또한, 상술한 실시 형태에서는 전지 요소 (10)이, 정극 (11)과 부극 (12)를 세퍼레이터 (13a, 13b)를 통해 권회하여 이루어지는 경우를 나타내었지만, 도 19에 나타낸 바와 같이, 정극 (11)과 부극 (12)를 세퍼레이터 (13)을 통해 교대로 적층하여 이루어지는 전지 요소 (10)을 갖는 전지 팩에도 본 발명을 적용할 수 있음은 물론이다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1 내지 16)
외장재에 매설한 취약 부재로 이루어지는 개열 가능부를 설치한 전지 팩의 예를 나타낸다.
우선, 표 1에 나타내는 각 필름으로 포장한 전지를 준비하고, 이 전지를 그의 전압 및 전류를 제어 가능한 보호 회로 기판에 접속한 상태에서, 완충재, 스페이서 및 표 1에 나타내는 형상의 취약 부재와 함께, 성형 형 내의 캐비티의 소정 위치에 삽입하여 고정하였다. 그 후, 성형 형의 톱부의 3개소에 위치하는 공경 0.5 mm의 수지 주입 구멍으로부터 표 1에 나타내는 충전재를 포함하는 수지를 주입하여, 캐비티 내에 충전하고, 성형 형의 저부에 3개소에 위치하는 수지 배출 구멍으로부터 여분의 수지가 배출된 시점에, 표 1에 나타내는 각 온도의 항온조 내에서 각 시간 방치하거나, 또는 투명한 성형 형을 이용하여 표 1에 나타내는 시간, 파장이 365 nm인 자외선을 조사하여, 수지를 경화시켜 외장재를 형성하고, 배출구에 남은 여분의 수지를 절단하여 각 예의 전지 팩을 제조하였다.
표 1에, 각 예의 전지 팩의 외장재에 이용한 수지의 유리 전이점(Tg), JIS K7215에 의해 측정한 외장재의 듀로미터 D 경도, JIS K7171에 의해 측정한 외장재의 굽힘 강도 및 굽힘 탄성율 등을 나타낸다.
또한, 각 예의 전지 팩의 취약 부재의 설치 장소, 치수 및 형상도 표 1에 나타낸다.
한편, 표 1에 나타내는 최대폭이란 취약 부재의 최대의 치수를 나타내고, 설치변의 치수란 외장재의 최대면에서의 최대의 길이를 나타내고, 설치변에 대한 비율이란 설치변의 치수에 대한 최대폭의 비율(최대폭(mm)/설치변의 치수(mm)×100(％))을 나타낸다. 또한, 최대 두께란, 취약 부재의 최대의 두께를 나타내고, 설치변에 대한 두께의 비율이란 외장재의 전체 두께에 대한 취약 부재의 최대의 두께의 비율(최대 두께/외장재의 전체 두께×100(％))을 나타낸다.
(비교예 1 내지 5)
비교예 1로서, 알루미늄 라미네이트 필름을 갖는 전지를 준비하였다. 비교예 2로서, 취약 부재를 이용하지 않고, 충전재를 포함하지 않는 수지를 캐비티 내에 충전한 후, 상온에서 1일 방치하여 이 수지를 경화시킨 것 이외에는 실시예 1 내지 16과 동일하게 하여 전지 팩을 제조하였다.
비교예 3, 4로서, 취약 부재를 이용하지 않고, 충전재를 포함하지 않는 수지를 표 1에 나타내는 온도에서 용융하여 압출 성형하고, 표 1에 나타내는 시간으로 경화시킨 것 이외에는 실시예 1 내지 16과 동일하게 하여 전지 팩을 제조하였다.
비교예 5로서, 취약 부재를 사용하지 않고, 충전재를 포함하지 않는 수지를 캐비티 내에 충전하여 100℃에서 1.5 시간 방치하여 이 수지를 경화시킨 것 이외에 는 실시예 1 내지 16과 동일하게 하여 전지 팩을 제조하였다.
[성능 평가]
(1) 정격 에너지 밀도(Wh/l)
23℃의 온도하에서, 상한 4.2 V이고 15 시간의 1C의 정전류 정전압 충전과, 종지 전압 2.5 V까지의 1C의 정전류 방전을 반복 수행하여, 정격 에너지 밀도를 1 사이클째의 방전 용량으로부터 구하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
정격 에너지 밀도(Wh/l)=(평균 방전 전압(V)×정격 용량(Ah))/전지 부피(l)
한편, 1C는 전지의 이론 용량을 한시간에 방출 가능한 전류치를 나타낸다.
(2) 낙하 시험 (A)
각 예에 있어서의 전지 팩의 기계적 강도의 변동을 관찰하기 위해, 각 예마다 전지 팩을 각각 10개씩 제조하고, 모든 전지 팩을 2 m의 높이로부터 콘크리트 상에 자유 낙하시켰다. 1개의 전지 팩의 6개의 평면이 모두 바닥에 닿도록 1개의 전지 팩당 10회씩 행하여, 손상이 없는 개수를 OK로 하고, 균열되거나 부품이 어긋난 개수를 NG로 하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(3) 낙하 시험 (B)
각 예의 전지 팩을 1.2 m의 높이로부터 콘크리트 상에 50회 자유 낙하시킨 후의 치수 변화(Δt)를 측정하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(4) 과충전 시험
정격 용량 850 mAh의 방전 상태의 전지 팩을 50℃의 항온조 속에 넣고, 정극 과 부극의 단자 사이에 18 V의 전압과 1700 mA(2C)의 충전 전류를 3 시간 흘려서 과충전을 실시하고, 온도 변화를 관찰하여 과충전 특성을 평가하였다.
Figure 112008071726397-PAT00001
Figure 112008071726397-PAT00002
표 2에 나타낸 외장재의 전체 두께(도포 후 두께/㎛)에 따르면, 실시예 1 내지 16의 전지 팩은 모두 외장재의 전체 두께가 250 ㎛ 이하로서, 박형화(소형 경량화)가 가능함을 확인할 수 있었다. 한편, 비교예 2 내지 5의 전지 팩은 외장재의 전체 두께(도포 후 두께/㎛)가 250 ㎛ 이상인 것으로서, 본 발명의 예만큼 박형화(소형 경량화)할 수 없다.
표 2에 나타낸 정격 에너지 밀도(Wh/l)에 따르면, 실시예 1 내지 16의 전지 팩은 485(Wh/l) 이상의 높은 전지 용량을 가지고 있다. 한편, 비교예 1 내지 5의 전지 및 전지 팩의 전지 용량은 실시예 1 내지 16의 전지 용량보다 낮고, 특히 비교예 3 및 4의 전지 팩은 전지 용량이 전혀 나오지 않았다.
표 2에 나타낸 2 m 높이로부터의 낙하 시험에 따르면, 실시예 1 내지 16의 전지 팩은 10개 모두 균열이나 부품의 어긋남 등의 손상이 없어 기계적 강도가 높은 것임을 알 수 있었다. 한편, 비교예 1의 전지 및 비교예 2, 5의 전지 팩은 균열되거나 부품이 어긋나는 개수가 많아 기계적 강도가 낮았다.
또한, 표 2에 나타낸 1.2 m 높이로부터의 낙하 시험에 따르면, 실시예 1 내지 16의 전지 팩은 치수 변화가 1.1 이하로 작아, 기계적 강도가 높은 것임에 반하여, 비교예 1 내지 5의 전지 및 전지 팩은 치수 변화가 2.0 이상으로 높아, 기계적 강도가 낮았다.
표 2에 나타낸 과충전 시험의 결과로부터, 실시예 1 내지 16의 전지 팩은 최대 온도가 155℃ 이하로 비교적 낮아, 이상 환경시에도 가스 분출이나 발화 등의 열 폭주에 이르지 않음을 확인할 수 있었다. 또한, 개열 밸브가 빠르게 개열하여 전지의 내압 상승을 초기 중에 억제할 수 있기 때문에 최대 도달 온도가 낮아져, 최저 61℃까지 억제 가능함이 밝혀졌다.
한편, 비교예 1 내지 5의 전지 또는 전지 팩은 최대 온도가 400℃를 초과하는 것이 있어, 이상 환경시에 있어서 가스 분출이나 발화 등의 열 폭주에 이르게 됨을 확인할 수 있었다.
한편, 각형 형상의 전지 팩의 크기는 383450이나 413454와 같이 표기된다. 좌측부터 순서대로 0.1 mm 단위의 두께, 1 mm 단위의 가로 치수, 1 mm 단위의 세로 치수를 의미하는 관용 표현으로서, 383450이면 두께가 3.8 mm, 가로 치수가 34 mm, 세로 치수가 50 mm임을 나타낸다.
(실시예 17 내지 21)
외장재에 돌기 흔적인 오목형의 박육부로 이루어지는 개열 가능부를 설치한 전지 팩의 예를 나타낸다.
우선, 알루미늄 라미네이트 필름으로 포장한 전지를 준비하고, 이 전지를 그의 전압 및 전류를 제어 가능한 보호 회로 기판에 접속한 상태에서, 완충재, 스페이서와 함께 성형 형내의 캐비티의 소정 위치에 삽입하여 고정하였다. 그 후, 성형 형의 톱부의 3개소에 위치하는 공경 0.5 mm의 수지 주입 구멍으로부터 표 3에 나타내는 수지를 주입하여, 캐비티 내에 충전하고, 성형 형의 저부에 3개소에 위치하는 수지 배출 구멍으로부터 여분의 수지가 배출된 시점에, 표 3에 나타내는 각 온도의 항온조 내에서 각 시간 방치하거나, 또는 투명한 성형 형을 이용하여 표 3에 나타내는 시간, 파장이 365 nm인 자외선을 조사하여 수지를 경화시켜 외장재를 형성하였다. 이 외장재에는 성형 형틀 내의 소정 위치에 형성 또는 접착된 돌기에 의해 형성된 돌기 흔적(충전 흔적)인, 표 3에 나타낸 도 1 내지 5에 나타내는 형상의 박육부를 형성하였다. 그리고, 배출구에 남은 여분의 수지를 절단하여 각 예의 전지 팩을 제조하였다.
(실시예 22 내지 25)
외장재에 매설한 취약 부재로 이루어지는 개열 가능부를 설치한 전지 팩의 예를 나타낸다.
표 3에 나타내는 조건으로, 표 3에 나타내는 형상의 취약 부재를 설치한 것 이외에는 실시예 1 내지 16과 동일하게 하여 각 예의 전지 팩을 제조하였다.
(비교예 6 내지 10)
표 3에 나타내는 조건으로, 박육부 또는 취약 부재를 설치하지 않는 것 이외에는 실시예 17 내지 25와 동일하게 하여 각 예의 전지 팩을 제조하였다.
상술한 방법에 의해, 각 예의 전지 팩의 성능을 평가하였다. 결과를 표 4에 나타내었다.
Figure 112008071726397-PAT00003
Figure 112008071726397-PAT00004
표 4에 나타낸 외장재의 전체 두께(도포 후 두께/㎛)에 따르면, 실시예 17 내지 25의 전지 팩은 모두 외장재의 전체 두께가 250 ㎛ 이하로서, 박형화(소형 경량화)가 가능함을 확인할 수 있었다. 한편, 비교예 6 내지 10의 전지 팩은 외장재의 전체 두께(도포 후 두께/㎛)가 250 ㎛ 이상의 것으로서, 본 발명의 예만큼 박형화(소형 경량화)할 수 없었다.
표 4에 나타낸 정격 에너지 밀도(Wh/l)에 따르면, 실시예 17 내지 25의 전지 팩은 485(Wh/l) 이상의 높은 전지 용량을 가지고 있다. 한편, 비교예 6 내지 10의 전지 및 전지 팩의 전지 용량은 실시예 17 내지 25의 전지 용량보다 낮았고, 특히 비교예 8 및 9의 전지 팩은 전지 용량이 전혀 생기지 않았다.
표 4에 나타낸 2 m 높이로부터의 낙하 시험에 따르면, 실시예 17 내지 25의 전지 팩은 10개 모두 균열이나 부품의 어긋남 등의 손상이 없어, 기계적 강도가 높은 것임을 알 수 있었다. 한편, 비교예 6 및 비교예 10의 전지 팩은 10개 모두 균열이나 부품 어긋남 등이 발생하여, 기계적 강도가 낮았다.
또한, 표 4에 나타내는 1.2 m 높이로부터의 낙하 시험에 따르면, 실시예 17 내지 25의 전지 팩은 치수 변화가 1.5 이하로서, 기계적 강도가 높은 것임에 반하여, 비교예 6 내지 10의 전지 팩은 치수 변화가 2.1 이상으로 높아, 기계적 강도가 낮았다.
표 4에 나타낸 과충전 시험 결과로부터, 실시예 17 내지 25의 전지 팩은 최대 온도가 151℃ 이하로 비교적 낮아, 이상 환경시에도 가스 분출이나 발화 등의 열 폭주에 이르지 않음을 확인할 수 있었다. 또한, 개열 밸브가 빠르게 개열하여 전지의 내압 상승을 초기에 억제할 수 있기 때문에 최대 도달 온도가 낮아져, 최저 61℃까지 억제 가능함이 밝혀졌다.
한편, 비교예 6 내지 10의 전지 또는 전지 팩은 최대 온도가 400℃를 초과하는 것이 있어, 이상 환경시에 있어서 가스 분출이나 발화 등의 열 폭주에 이르게 됨을 확인할 수 있었다.
한편, 각형 형상의 전지 팩의 크기는 383450이나 413454와 같이 표기된다. 좌측부터 순서대로 0.1 mm 단위의 두께, 1 mm 단위의 가로 치수, 1 mm 단위의 세로 치수를 의미하는 관용 표현으로서, 383450이면 두께가 3.8 mm, 가로 치수가 34 mm, 세로 치수가 50 mm임을 나타낸다.
각종 부분의 특정 형태 및 구조, 각 실시양태에 나타낸 수치 및 상기 실시예는 본 발명의 실시양태를 수행하기 위한 예로서 주어진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 상기에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 박육부를 설치한 전지 팩의 일 실시 형태를 나타내는 평면 설명도 (A), 박육부가 개열하여 가스 방출구를 형성한 상태를 나타내는 평면 설명도 (B)이다.
도 2는 본 발명의 박육부를 설치한 전지 팩의 다른 실시 형태를 나타내는 평면 설명도이다.
도 3은 본 발명의 박육부를 설치한 전지 팩의 다른 실시 형태를 나타내는 평면 설명도이다.
도 4는 본 발명의 박육부를 설치한 전지 팩의 다른 실시 형태를 나타내는 평면 설명도 (A), 박육부가 개열하여 가스의 방출구를 형성한 상태를 나타내는 평면 설명도 (B)이다.
도 5는 본 발명의 박육부를 설치한 전지 팩의 다른 실시 형태를 나타내는 평면 설명도이다.
도 6은 본 발명의 박육부를 설치한 전지 팩의 일 실시 형태를 나타내는 측면 설명도이다.
도 7은 본 발명의 취약 부재를 설치한 전지 팩의 일 실시 형태를 나타내는 평면 설명도이다.
도 8은 본 발명의 취약 부재를 설치한 전지 팩의 다른 실시 형태를 나타내는 평면 설명도이다.
도 9는 본 발명의 취약 부재를 설치한 전지 팩의 다른 실시 형태를 나타내는 평면 설명도이다.
도 10은 본 발명의 취약 부재를 설치한 전지 팩의 다른 실시 형태를 나타내는 측면 설명도이다.
도 11은 본 발명의 취약 부재를 설치한 전지 팩의 다른 실시 형태를 나타내 는 측면 설명도이다.
도 12는 본 발명의 전지 팩의 일 실시 형태를 나타내는 평면 설명도 (A), 종단면 설명도 (B) 및 횡단면 설명도 (C)이다.
도 13은 도 12에 있어서의 전지 팩의 전지의 사이드 밀봉부를 절곡하기 전의 상태를 나타내는 전지의 평면 설명도이다.
도 14는 도 13에 있어서의 전지를 외장재로 피복하여 전지 팩을 제조하는 요령을 나타내는 전지의 평면 설명도 (A), 종단면 설명도 (B) 및 횡단면 설명도 (C)이다.
도 15는 도 12에 있어서의 전지 팩의 외장재에 일체화되는 스페이서의 사시 설명도이다.
도 16은 도 12에 있어서의 전지 팩의 외장재로 피복하기 전의 전지를 나타내는 분해 사시 설명도이다.
도 17은 라미네이트 필름에 외장·수용되는 전지 소자를 나타내는 사시 설명도이다.
도 18은 도 16에 나타내는 전지의 사이드 밀봉부를 절곡하는 요령을 나타내는 단부면 설명도 (A), (B)이다.
도 19는 본 발명의 전지 팩에 이용되는 전지 소자의 다른 구성예를 도시한 적층형 전지 소자의 사시 설명도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 외장재 2: 직선상의 박육부
2a: 곡선상의 박육부 3: 외장재의 최대면
4: 가스 방출구 5: 취약 부재
10: 전지 소자 11: 정극
12: 부극 13a, 13b: 세퍼레이터
14: 겔상 전해질 15a: 정극 단자
15b: 부극 단자 17: 라미네이트 필름
18: 전지 외장재 20: 전지
30: 전지 팩 32: 보호 회로 기판
35: 스페이서 C: 성형용 금형
T: 외장재의 전체 두께 t: 박육부의 두께

Claims (16)

  1. 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전지 소자를 포장체로 포장한 전지와, 상기 전지의 보호 회로 기판과, 상기 전지 및 보호 회로 기판을 일체적으로 피복하는 외장재를 구비하고,
    상기 외장재의 일부에, 이상시에 상기 전지로부터 발생하는 가스에 의해 개열하여, 상기 가스를 전지 팩의 외부로 방출하는 가스 방출구를 형성하는 개열 가능부를 설치한 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 개열 가능부가, 상기 전지 및 보호 회로 기판을 수용한 성형 형 내의 주위 공간에, 상기 외장재를 충전하여 경화하는 단계로 형성되는 충전 흔적으로 이루어지는 박육부인 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  3. 제1항에 있어서, 상기 개열 가능부가, 상기 전지 및 보호 회로 기판과 함께 상기 외장재에 매설한, 상기 외장재보다 기계적 강도가 작은 취약 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  4. 제1항에 있어서, 상기 외장재가, 형상 유지 중합체와 충전재를 포함하는 복합 재료인 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  5. 제4항에 있어서, 상기 형상 유지 중합체가, 우레탄 수지, 아크릴 수지 및 에폭시 수지로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 수지인 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  6. 제1항에 있어서, 상기 외장재는, 60℃ 이상의 온도에서의 상기 외장재의 듀로미터 D 경도가, JIS K7215에 규정된 표준 온도에서의 상기 외장재의 듀로미터 D 경도보다 작아지는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  7. 제2항에 있어서, 상기 박육부가, 상기 외장재의 최대면의 적어도 일면에 설치되고, 교차하는 2개의 선분상 오목부로 이루어지는 회전 대칭체를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  8. 제2항에 있어서, 상기 박육부의 두께가, 상기 외장재의 전체 두께의 20 내지 85％인 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  9. 제3항에 있어서, 상기 취약 부재가, 내부에 공극부를 구비한 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  10. 제3항에 있어서, 상기 취약 부재가, 상기 취약 부재의 일면의 1변의 길이가 상기 외장재의 최대 면적의 최장의 1변의 길이의 3％ 이상 또는 1 mm 이상의 길이 를 갖는 것임을 특징으로 하는 전지 팩.
  11. 제3항에 있어서, 상기 취약 부재의 두께가, 상기 외장재의 두께의 20％ 이상 또는 100 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것임을 특징으로 하는 전지 팩.
  12. 제3항에 있어서, 상기 취약 부재를, 상기 전지의 단자의 근방에 설치한 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  13. 제3항에 있어서, 상기 취약 부재는, 60℃에서의 경도가 상기 외장재의 60℃에서의 경도 이하의 것이고, 상기 취약 부재의 JIS K7215에 의해 측정한 60℃에서의 듀로미터 D 경도가 D3 내지 D60, 또는 JIS K 6253에 의해 측정한 60℃에서의 듀로미터 A 경도가 A20 내지 A90인 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  14. 제3항에 있어서, 상기 취약 부재가, 소화제 및 흡열제 중 어느 하나 또는 둘 다를 함유하는 것임을 특징으로 하는 전지 팩.
  15. 성형 형의 성형 공간 내에, 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전지 소자를 포장체로 포장한 전지와, 상기 전지의 보호 회로 기판과, 상기 전지 및 보호 회로 기판을 수용한 성형 형의 성형 공간에 충전하여 경화시킴으로써 상기 전지의 단자를 외부에 도출된 상태로 하여 전지 및 보호 회로 기판을 일체적으로 피복하는 외장재를 구비한 전지 팩의 제조 방법이며,
    상기 성형 형에 형성한 돌기 또는 이탈 가능하게 설치한 돌기에 의해, 성형 형 내의 상기 전지 및 보호 회로 기판의 주위 공간에 충전되어 경화하는 외장재에, 충전 흔적인 박육부로 이루어지는, 이상시에 상기 전지로부터 발생하는 가스에 의해 개열하는 개열 가능부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지 팩의 제조 방법.
  16. 성형 형의 성형 공간 내에, 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회 또는 적층하여 이루어지는 전지 소자를 포장체로 포장한 전지와, 상기 전지의 보호 회로 기판과, 상기 전지 및 보호 회로 기판을 수용한 성형 형의 성형 공간에 충전하여 경화시킴으로써 상기 전지의 단자를 외부에 도출된 상태로 하여 전지 및 보호 회로 기판을 일체적으로 피복하는 외장재를 구비한 전지 팩의 제조 방법이며,
    상기 성형 형의 성형 공간 내에, 상기 전지 및 보호 회로 기판과 함께, 이상시에 상기 전지로부터 발생하는 가스에 의해 변형되는 취약 부재를 수용하고, 상기 외장재로 전지와 회로 기판과 취약 부재를 일체적으로 피복하여, 상기 취약 부재의 변형에 의해 상기 외장재를 개열시키는 개열 가능부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지 팩의 제조 방법.
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