KR20090060497A - 안전성이 개선된 파우치형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극조립체로부터 연장되는 적어도 하나의 전극 탭에 적어도 하나 이상의 안전 벤트를 구비한 파우치형 이차전지를 제공한다.

본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 전극 탭으로 사용되는 금속 플레이트에 미세한 홀을 만들어 안전 벤트를 구비하고, 여기에 각형이나 원통형에서 사용되는 안전소자를 구비함으로써 상기 전지가 abuse 상황에 노출되더라도, 내부에서 발생된 가스의 벤팅이 예측가능하여 용이하게 벤팅될 수 있도록 하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

안전벤트*안전소자*이차전지*파우치*전극탭

Description

안전성이 개선된 파우치형 이차전지{Pouch type secondary battery with enhanced stability}

본 발명은 안전성이 개선된 파우치형 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 탭에 미세한 홀의 안전 벤트를 부착시킴으로써 전지 내부의 가스 방출을 예측할 수 있어 안전하게 벤팅시킬 수 있는 파우치형 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 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성이 우수한 리튬 코발트 폴리머 전지와 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

이러한 이차전지에서 주요 연구과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 일반적으로, 리튬 이차 전지는 내부 단락, 허용된 전류나 전압을 초과한 충전상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격 등과 같은 전지의 비정상적인 작동 상 태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발을 초래할 수 있다. 그러한 하나의 경우로서, 파우치형 이차전지는 낙하 또는 외력의 작용 등과 같은 충격시 내부 단락이 발생할 가능성이 존재한다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로도 주목받고 있다.

자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 시스템이 사용된다. 그러한 중대형 전지 시스템에 단위전지로서 많이 사용되는 파우치형 리튬이온 폴리머 이차전지는 소형 디바이스에 사용되는 동일 계열의 전지에 비해 상대적으로 큰 크기를 가지고 있다.

통상의 파우치형 파우치형 폴리머 이차전지는 전극조립체, 상기 전극조립체로부터 연장되는 전극 탭들과, 상기 전극 탭들에 용접되어 있는 전극리드 및 상기 전지부를 수용하며, 고분자 수지와 알루미늄의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

또한, 상기 전지케이스와 전극리드가 결합되는 부위에는 전해액의 누출을 방지하고 공기중의 수분이 전지 내로 침투하는 것을 방지하며 전극리드의 전기적 절연성을 담보하기 위하여, 얇은 수지 필름이 결합되어 있다.

한편, 리튬이차전지는 다양한 형태로 제조가 가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬이온전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형을 들 수 있다. 최근들어, 각광받는 리튬폴리머전지는 유연성을 지닌 소재로 제조되어 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한, 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다고 할 것이다.

그런데, 리튬이차전지는 과충전등에 의하여 내압이 증가하게 되면, 파우치형의 케이스는 부풀어오르는 이른바 스웰링(swelling) 현상이 발생하게 된다. 이러한 스웰링 현상이 발생하게 되면, 전지부가 변형하게 된다. 이에 따라, 전지는 국부적으로 단락이 발생할 수가 있다.

또한, 과충전이나 고온에서 노출될 경우에는 전해액과 극판의 활물질층간의 반응 또는 전해액, 활물질층 자체의 분해반응으로 인하여 케이스 내부에 발화가능성이 높은 가스가 발생하게 되고, 이에 따라 전지의 발화 또는 폭발을 유발할 수가 있다.

따라서, 전지는 내압이 일정수준 이상이 될 경우에 이를 해소하여서 스웰링 현상을 신속하게 차단하여 파열이나 폭팔을 미연에 방지할 수 있는 안전장치를 포함하는 이차전지의 필요성이 높은 실정이다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같이 파우치형 이차전지가 과충전이나 고온에서 노출될 경우 발생되는 여러 가지 안전성을 위협하는 요소들을 해결하기 위하여 안출된 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 안전성이 개선된 파우치형 이차전지를 제공하는 데 있다.

이에 본 발명에서는 파우치형 이차전지의 전극 탭으로 사용되는 금속 플레이트에 미세한 홀로 이루어진 안전 벤트를 구비하고, 상기 안전 벤트의 바깥쪽에 원통형이나 각형에서 사용되는 안전소자를 구비함으로써 내부에서 발생된 가스의 방출을 예측할 수 있어 종래 파우치형 이차전지에서의 안전성을 향상시킬 수 있게 되었다.

본 발명의 파우치형 이차전지는 전지 내부에서 가스가 발생하였을 경우, 전극 탭으로 사용되는 금속 플레이트에 형성된 미세한 홀과, 상기 미세 홀의 외부에 형성된 안전소자를 통하여 예측 가능한 내압에서 예측가능한 방향으로 벤팅시킬 수 있어, 파우치형 전지의 안전성이 우수하다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파우치형 이차전지는 전극조립체로부터 연장되는 적어도 하나의 전극 탭에 적어도 하나 이상의 안전 벤트를 구비한 것을 그 특징으로 한다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

통상의 파우치형 이차전지는 다음 도 1에서 보는 바와 같이, 음극판, 분리막, 및 양극판(도식하지 않음)으로 이루어진 전극조립체(10)와, 상기 전극조립체(10)로부터 연장되는 음극 및 양극의 전극 탭(20, 20'), 상기 전극 탭(20, 20')에 용접되어 있는 전극리드(30, 30'), 상기 전극조립체를 수용하는 파우치형 전지케이스(도식하지 않음), 전지케이스와 전극리드(30,30')의 실링을 위해 수지 필름(40)을 포함한다.

특별히, 상기 도 1에서 전극리드부(30, 30')와 수지 필름부(40)를 제외하고, 전극조립체(10)와 전극 탭부(20, 20')만을 확대한 도면을 다음 도 2와 3에 나타내었다.

본 발명에서는 다음 도 2에서와 같이 상기 전극 탭(20, 20')의 적어도 하나에 미세한 홀(50)들을 형성시켜, 이를 안전 벤트로 이용하는 것이다.

상기 미세 홀은 약 0.05 내지 0.5mm의 평균지름을 가지는 것으로, 파우치 케이스의 내부로부터 상승된 압력을 외부로 배출할 수 있는 통로를 제공하는 것이라면 어떤 형상이든 한정되지 않으나, 대기보다 상대적으로 높은 압력상태인 케이스 의 내부로부터 고온방치시 압력을 외부로 신속하게 배출할 수 있도록 모세관 형상의 파이프가 바람직하다.

구체적으로 살피면, 상기 양극 또는 음극의 탭은 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 은, 백금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 금속으로 이루어져 있다. 상기 전극 탭은 실링된 전지의 내부와 외부의 전자 이동경로 역할을 수행한다. 상기 전극 탭의 금속 플레이트에 미세 홀의 형성은 파이버(Fiber)를 삽입하여 금속을 압연 성형한 후 상기 파이버를 열분해 또는 용해시켜 제거하는 등의 방법을 사용하는 바, 상기와 같은 지름을 가지는 미세 홀을 형성할 수 있는 방법이라면 어떤 것이든 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 미세 홀은 내압을 보다 신속하게 배출하기 위하여 상기 전극 탭을 따라 복수개 배치될 수 있으나, 상기 전극 탭의 형상을 유지할 수 있는 범위 내에서 복수 개가 설치되는 것이 바람직하다. 상기 미세 홀은 상기 음극 탭, 양극 탭, 또는 양쪽 전극의 모든 탭에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 전극 탭(20, 20')을 구성하는 금속 플레이트에 미세 홀(50)을 형성시킨 다음, 상기 미세 홀의 바깥쪽 끝 부분에 통상의 원통형이나 각형에서 사용하고 있으며, 특정 압력이 되면 벤팅되는 안전소자(60)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

통상 상기와 같은 안전소자(60)는 일반적으로 대기압인 1.2 기압 이상이 되면 자동적으로 벤팅될 수 있는 것으로서, 통상의 원통형이나 각형에서 사용되는 안전소자 외에도 내,외부 압력 차에 의하여 실링이 깨질 수 있는 구조, 예를 들면 고 분자 접착층이나 파쇄압력이 측정된 금속 호일 등과 같은 것들이 모두 사용가능하며 특별히 한정되지 않는다.

본 발명의 이차전지에서 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 스택형(적층형) 구조, 젤리-롤(권취형) 구조 등 다양한 구조가 가능하다. 일반적으로 이차전지는 전극조립체의 구조, 전해질의 구성 등에 따라, 예를 들어, 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하는 바, 그 중 제조비가 낮고 전해액의 누액 가능성이 적으며 전지 조립공정이 간편한 리튬이온 폴리머 전지가 본 발명에 바람직하게 사용될 수 있다.

이러한 리튬이온 폴리머 전지는, 일반적으로 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 전해질이 함침되어 있는 양극/분리막/음극의 전극조립체를 안착한 상태에서 케이스의 접합 부위에 고온 고압을 가하여 융착시켜 제조된다.

상기 전극리드의 한쪽 단부는 전극조립체의 전극 탭들이 부착된 상태로 케이스 내부에 위치하고 반대쪽 단부는 케이스의 외부로 노출되어 있다. 전극리드 중 양극리드는 일반적으로 알루미늄으로 만들어진 금속박편으로 되어 있고, 음극리드는 일반적으로 구리로 만들어진 금속박편으로 되어 있다. 전극 탭들은 통상적으로 스폿 용접 등에 의해 전극리드에 결합되며, 상기 전극리드의 두께는 대략 200 내지 500 ㎛이다.

상기 수지 시트는 전지케이스와 전극리드의 결합 부위에 개재되며, 일반적으로 PP, PE 등의 고분자 수지로 이루어져 있으며, 100 ~ 300 ㎛ 두께를 가진다.

이하에서 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 : 음극 탭에 안전 벤트를 구비한 이차전지의 제조예

음극판/분리막/양극판으로 구성된 전극조립체의 상기 음극판에 연결된 두께 0.3mm의 구리 플레이트의 음극 탭에 0.1mm의 지름을 가지는 미세 홀을 형성시켰다. 또한, 상기 미세 홀의 끝부분에 1.2기압에서 파쇄되는 알루미늄 플레이트를 용접하여 형성시켰다.

그 다음, 알루미늄 호일(양극용 리드)과 구리 호일(음극용 호일)을 상기 각각의 전극 탭에 용접하여 부착하고, 그것의 상단면과 하단면에 각각 PP 성분의 수지 필름을 부착하였다. 상기 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 상기 전극조립체를 장착한 후 1M LiPF₆를 함유한 카보네이트계 리튬 전해액을 주입한 후, 시트를 열융착하여 리튬이온 폴리머 전지를 제조하였다.

실시예 2 : 양극 탭에 안전 벤트를 구비한 이차전지의 제조예

음극판/분리막/양극판으로 구성된 전극조립체의 상기 양극판에 연결된 두께 0.5mm의 알루미늄 플레이트의 양극 탭에 0.1mm의 지름을 가지는 미세 홀을 형성시키는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬이온 폴리머 전지를 제조하였다.

실시예 3 : 음극 탭과 양극 탭에 안전 벤트를 구비한 이차전지의 제조예

음극판/분리막/양극판으로 구성된 전극조립체에서, 상기 양극판에 연결된 두께 1.0mm의 알루미늄 플레이트의 양극 탭에 0.5mm의 지름을 가지는 미세 홀과, 상기 음극판에 연결된 두께 1mm의 구리 플레이트의 음극 탭에 0.5mm의 지름을 가지는 미세 홀을 형성시키고, 상기 각각의 미세 홀 끝부분에 1.2기압에서 파쇄되는 것이 검증된 알루미늄 플레이트 안전 소자를 용접하여 형성시키는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬이온 폴리머 전지를 제조하였다.

비교예 1

음극 또는 양극 탭에 어떠한 미세 홀을 이용한 벤팅 장치도 구성하지 않은 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬이온 폴리머 전지를 제조하였다.

[실험예]

상기 실시예와 비교예에 따라 제조된 이차전지의 안전성을 다음과 같이 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

- Overcharge test : 55℃의 챔버(chamber)에서 SOC 0%의 전지를 1℃-rate로 SOC 200%까지 충전시켜, 다음을 측정하였다.

	최고 온도	벤트 위치 및 시점	Event	UECAR Hazard level
비교예	350℃	불규칙	폭발(Fire)	5
실시예 1	70℃	안전소자	누출(Leakage)	3
실시예 2	73℃	안전소자	누출(Leakage)	3
실시예 3	68℃	안전소자	누출(Leakage)	3

상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명과 같이 적어도 하나 이상의 전극 탭에 안전 벤트를 구비한 실시예에 따른 이차전지는 절대적으로도 안전하며, 예측 가능한 안전성 결과를 얻을 수 있다. 상기 표 1의 EUCAR Hazard levels에서 5는 파열이나 폭발은 없지만, 화염 또는 불꽃을 일으키는 것을 의미하며, 3은 어떤 벤팅이나, 화염 또는 불꽃이 없고, 단지 전해질(용매+염)의 50% 미만의 무게 손실이 날 정도의 전해액 누출이 있는 것을 의미하며, 구체적인 기준은 다음 표 2와 같다. 이러한 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 안전 벤트를 구비한 이차전지는 비교예에 비해 안전성이 크게 향상됨이 입증되었다.

Hazard level	기재(description)	분류 기준 및 효과
0	No effect	No effect. No loss of functionality.
1	Passive protection activated	No defect; no leakage; no venting, fire, or flame; no rupture; no explosion; no exothermic reaction or thermal runaway. Cell reversibly damaged. Repair of protection device needed.
2	Defect/Damage	No leakage; no venting, fire, or flame; no rupture; no explosion; no exothermic reaction or thermal runaway. Cell irreversibly damaged. Repair needed.
3	Leakage D mass < 50%	No venting, fire, or flame; no rupture; no explosion. Weight loss < 50% of electrolyte weight (electrolyte = solvent + salt)
4	Venting D mass > 50%	No fire or flame; no rupture; no explosion. Weight loss >50% of electrolyte weight (electrolyte = solvent + salt)
5	Fire or Flame	No rupture; no explosion (i.e., no flying parts).
6	Rupture	No explosion, but flying parts of the active mass.
7	Explosion	Explosion (i.e., disintegration of the cell)

도 1은 통상의 파우치형 이차전지이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 전극 탭에 안전벤트를 구비한 예이고,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 안전벤트의 말단부에 안전 소자를 구비한 예이다.

<도면 부호의 설명>

10 : 전극조립체 20, 20': 전극 탭

30, 30': 전극리드 40 : 수지 필름

50 : 미세 홀 60 : 안전 소자

Claims (8)

1. 전극조립체로부터 연장되는 적어도 하나의 전극 탭에 적어도 하나 이상의 안전 벤트를 구비한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
2. 제 1항에 있어서, 상기 안전 벤트는 상기 전극 탭에 적어도 하나 이상의 미세 홀인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
3. 제 2항에 있어서, 상기 미세 홀의 평균 지름은 0.05 내지 0.5mm인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
4. 제 1항에 있어서, 상기 안전 벤트는 일정 압력에서 벤팅되는 안전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
5. 제 4항에 있어서, 상기 압력은 대기압인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
6. 제4항에 있어서, 상기 안전소자는 원통형이나 각형에 사용되는 것 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
7. 제 1항에 있어서, 상기 전극 탭은 음극 탭 또는 양극 탭인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
8. 제 1항에 있어서, 상기 전극 탭은 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬, 은, 백금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 금속 플레이트인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.

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