KR20090064041A - 신규한 실링부 구조를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서, 전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 외부로 배출할 수 있도록, 실링부의 내측으로부터 외측 방향으로 폭이 좁아지는 구조의 배기유도 실링부가 형성되어 있고, 상기 배기유도 실링부는 기타 부위의 실링부('기타 실링부')보다 약한 밀봉력으로 열융착되어 있으며, 상기 배기유도 실링부의 중간에는, 전극조립체와 평행한 형상으로, 기타 실링부의 양측을 소정의 폭으로 연결하는 브릿지 실링부가 추가로 형성되어 있고, 상기 브릿지 실링부는 배기유도 실링부의 밀봉력보다 큰 밀봉력을 가지도록 열융착되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

Description

신규한 실링부 구조를 포함하는 이차전지 {Secondary Battery Having Sealing Portion of Novel Structure}
본 발명은 신규한 실링부 구조를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지케이스 실링부의 내측으로부터 외측 방향으로 폭이 좁아지는 구조로 약한 밀봉력의 배기유도 실링부가 형성되어 있고, 상대적으로 높은 밀봉력의 브릿지 실링부가 상기 배기유도 실링부에 형성되어 있는 이차전지에 관한 것으로, 이러한 이차전지는 전지의 정상적인 작동상태에서 소망하는 밀봉력을 발휘하면서, 전지셀 내부의 고압 가스를 소망하는 부위로 효과적으로 방출함으로써, 전지에 대한 발화 내지 폭발의 위험성을 미연에 차단하여 향상된 안전성 및 작동의 신뢰성을 확보할 수 있다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 적층하거나 권취한 상태로 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 전지케이스에 내장한 다음 전해액을 주입하거나 함침시키는 것으로 구성되어 있다.
이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다. 특히, 파우치형 이차전지에서는 전지케이스의 밀봉력이 저하되어 전해액이 누출되는 문제점도 발생한다.
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 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(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. 전극 탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(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 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다.
이차전지(10)는 전지케이스(20)의 수납부에 전극조립체(30)를 장착한 상태에서 전지케이스(20) 외주면의 접촉부위를 상호 열융착시켜 제조한다.
이러한 이차전지는 내부 단락, 과충전, 고온 노출 등의 비정상적인 작동상태에 이르게 되면, 내부 전해액이 분해되면서 고압의 가스가 발생하게 된다. 발생된 고압 가스는 전지케이스의 변형을 유발하고 전지의 수명을 단축시킬 수 있으며, 심각하게는 전지의 발화 내지 폭발을 초래할 수 있다. 따라서, 전지가 발화 또는 폭발을 초래하는 고압에 이르기 전에 열융착 부위가 분리되면서 가스가 배출되는 것이 바람직하지만, 인체에 유해한 가스가 임의의 부위로 배출되는 경우 이를 제어하기가 어렵다.
따라서, 고압 가스 발생시 전지의 발화 내지 폭발을 방지하고 효율적으로 가스를 방출하기 위한 다양한 시도들이 행해진 바 있다.
일 예로, 일본 특허출원공개 제2006-185713호는 내면이 유연한(flexible) 열가소성 수지로 이루어진 전지케이스의 상/하부를 중첩시켜, 발전요소 수납부 주변 의 평탄부를 열융착하는 구조의 전지케이스에서, 열융착부의 일부에 상하 방향으로 절곡된 요철부가 형성되어 있는 이차전지를 개시하고 있다.
상기 기술에서 상하 방향으로 절곡된 요철부는 전지케이스 내부에서 발생한 고압의 가스를 해당 부위에서 선택적으로 방출시키는 작용을 하지만, 상하 방향으로 절곡된 요철부 주변의 열융착된 평탄부가 요철부로 인해 미세하게 변형되어 밀봉력이 약해질 수 있다는 문제점이 있다.
또 다른 예로서, 일본 특허출원공개 제2005-116235호는 전극조립체를 내장한 라미네이트 필름의 외주부를 열융착하여 밀봉하는 전지에서 소정의 가스 방출 기구를 형성하는 기술을 개시하고 있다. 즉, 실링층의 일부를 제거하거나, 실링층의 일부에 결합력이 낮은 고분자 수지를 결합시키는 방법으로 최내층에 위치하는 실링층을 변형하여 타 부위보다 열융착에 의한 접착 강도를 낮게 하는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 상기 기술에서 실링층의 일부를 제거하는 방식은, 상기 부위와 그것의 주변 부위가 상대적으로 취약하므로, 정상적인 전지 작동상태의 압력 하에서도 내부 가스가 이들 부위로 집중되어 쉽게 파열됨으로써, 밀봉성 확보라는 실링층 본연의 역할을 다하기 어려울 수 있다. 또한, 실링층 일부에 결합력이 낮은 고분자 수지를 결합시키는 방식은, 다른 실링층의 고분자 수지와 결합력이 낮은 고분자 수지 간의 재질의 차이로 인해 이질적인 고분자들의 계면에서 밀봉성이 크게 떨어질 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 상기 기술들은 선택적인 부위로 고압 가스를 배출하도록 유도하여 안전성을 확보할 수는 있지만, 전지의 정상적인 작동상태에서 신뢰성 있는 밀봉성을 발휘하기는 어렵다는 한계를 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지케이스 실링부의 내측으로부터 외측 방향으로 폭이 좁아지는 구조로 약한 밀봉력의 배기유도 실링부가 형성되어 있고, 상대적으로 높은 밀봉력의 브릿지 실링부가 상기 배기유도 실링부에 형성되어 있는 이차전지를 개발하기에 이르렀고, 이러한 이차전지는 전지의 정상적인 작동상태에서 소망하는 밀봉력을 발휘하면서, 전지셀 내부의 고압 가스를 소망하는 부위로 효과적으로 방출함으로써, 전지에 대한 발화 내지 폭발의 위험성을 미연에 차단하여 향상된 안전성 및 작동의 신뢰성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 이차전지의 작동 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있는 특정한 구조의 실링부를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서,
전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 외부로 배출할 수 있도록, 실링부의 내측으로부터 외측 방향으로 폭이 좁아지는 구조의 배기유도 실링부가 형성되어 있고,
상기 배기유도 실링부는 기타 부위의 실링부('기타 실링부')보다 약한 밀봉력으로 열융착되어 있으며,
상기 배기유도 실링부의 중간에는, 전극조립체와 평행한 형상으로, 기타 실링부의 양측을 소정의 폭으로 연결하는 브릿지 실링부가 추가로 형성되어 있고, 상기 브릿지 실링부는 배기유도 실링부의 밀봉력보다 큰 밀봉력을 가지도록 열융착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전지의 정상적인 작동상태에서는 실링부가 소망하는 수준의 밀봉력을 발휘하지만, 비정상적인 작동상태로 인해 전지셀 내부에서 고압 가스가 발생하는 경우, 배기유도 실링부가 다른 부위에 비해 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 배기유도 실링부로 용이하게 배출할 수 있으므로, 유해한 가스를 선택적인 위치로 배출할 수 있고 전지의 발화 및 폭발을 미연에 방지할 수 있다.
상기 배기유도 실링부는 전지셀 내부의 고압 가스에 의한 팽창 응력이 집중될 수 있도록 실링부의 내측으로부터 외측 방향으로 폭이 좁아지는 구조로 이루어 져 있다. 따라서, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 다른 부위에 비해 먼저 개방되면서 가스를 배출시킬 수 있다.
이러한 배기유도 실링부의 내측과 외측의 너비 비율은, 바람직하게는, 상대적으로 넓은 하단(내측) 너비에 대해 상대적으로 좁은 상단(외측) 너비의 비율이 10 내지 50%가 되는 범위일 수 있다. 상기 배기유도 실링부의 하단(내측) 너비가 너무 클 경우, 전지의 정상적인 작동상태에서의 밀봉력을 저하시킬 수 있고, 반대로 너무 작을 경우, 소망하는 가스의 배기유도가 용이하지 않을 수 있으므로, 상기 범위에서 적절히 결정할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 배기유도 실링부의 하단(내측) 너비는 전지 케이스의 장축 길이를 기준으로 5 내지 30%의 크기로 형성될 수 있다.
배기유도 실링부의 형상은 실링부의 내측으로부터 외측방향으로 폭이 좁아지는 구조의 형상이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 수평면상 반원, 삼각형 또는 사다리꼴 형상으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상인 것으로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 사다리꼴 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 브릿지 실링부는 배기유도 실링부의 형성으로 인해 약화될 수 있는 실링부의 밀봉력을 효과적으로 향상시켜 준다. 즉, 전지셀 내부의 고압 가스에 의해 유발된 팽창 응력은 배기유도 실링부로 집중되지만, 상대적으로 높은 밀봉력의 브릿지 실링부는 가스의 배출이 요구되는 수준의 가스압에 의해서만 분리되므로, 신뢰성 있는 작동상태를 담보하여 준다.
브릿지 실링부는, 앞서 정의한 바와 같이, 배기유도 실링부의 밀봉력보다 큰 범위에서, 기타 실링부의 밀봉력과 동일하거나 또는 그보다 작거나 클 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 브릿지 실링부는 배기유도 실링부의 밀봉력보다 30 내지 100% 높은 밀봉력을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 브릿지 실링부의 폭은 그 크기가 너무 클 경우, 전지 내부에서 발생한 고압가스의 배출을 방해할 수 있고, 반대로 크기가 너무 작을 경우에는 저압의 가스에도 실링부가 쉽게 약화될 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 기타 실링부의 폭을 기준으로 10 내지 60%의 크기로 이루어질 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 배기유도 실링부와 기타 실링부의 계면에는 상기 기타 실링부보다 높은 밀봉력으로 열융착된 계면 실링부가 추가로 형성될 수 있다.
이러한 계면 실링부는 배기유도 실링부의 형성으로 인해 주변 부위의 밀봉력이 약화될 수 있는 가능성을 방지하여 주며, 전지 내부의 고압가스 발생시, 가스의 배출과정에서 배기유도 실링부와 인접한 기타 실링부에서의 변형 및 밀봉력 해제를 방지할 수 있으므로, 가스 배출을 보다 높은 신뢰성으로 배기유도 실링부로 유도한다.
상기 구조에서, 계면 실링부의 폭은 필요에 따라 달라질 수 있으나, 예를 들어 기타 실링부의 폭을 기준으로 2 내지 20%의 크기로 형성될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 계면 실링부는 기타 실링부의 밀봉력보다 30 내지 150% 높은 밀봉력을 가지도록 형성될 수 있다. 이 때, 브릿지 실링부의 밀봉력은 계면 실링부의 밀봉력보다 작을 수도 있지만, 경우에 따라서는 그와 동일할 수도 있다.
상기 배기유도 실링부의 형성 위치는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 소망하는 가스 배출 경로에 따라 적절히 결정할 수 있다. 즉, 유해한 내부 가스가 전지셀 외부로 무작위로 배출되는 것을 방지하기 위하여 소정의 배기부재를 전지셀 자체 또는 팩 케이스 등에 장착할 수 있으며, 이러한 배기부재에 연통되도록 배기유도 실링부의 위치를 결정할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 배기유도 실링부는 전지케이스의 중심을 기준으로 단축 상에 위치하는 양측 실링 부위의 중앙에 형성할 수 있다. 여기서, 전지케이스의 중심은 전지케이스의 장축의 중심과 단축의 중심이 교차하는 지점과 그것의 인근 부위를 의미한다. 이는, 전지 내부에서의 가스 이동 경로가 가장 짧고, 전지케이스의 부피 팽창이 가장 크게 발생하는 부위이므로 신속하고 효율적인 가스 배출이 이루어질 수 있기 때문이다.
상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트, 특히, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
상기 라미네이트 시트는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성되어 있으며, 상기 외측 피복층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 연신 나일론 필름 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 베리어층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전 지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 상기 내부 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌(cPP)이 사용될 수 있다.
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 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.
본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는, 특히, 장시간의 수명과 우수한 내구성이 요구되는 고출력 대용량의 전지, 또는 이러한 전지를 단위전지로서 다수 개 포함하는 중대형 전지모듈 및 중대형 전지팩에 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 전지모듈은, 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 동력원으로 사용될 수 있다.
이러한 중대형 전지모듈 및 중대형 전지팩의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 제조하는 방법으로서, 상기 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착하고; 상기 배기유도 실링부, 브릿지 실링부 및/또는 계면 실링부에 대응하는 형상과, 상기 실링부들의 밀봉력에 반비례하는 깊이로 이루어진 음각(陰刻)이 각인되어 있는 히팅 지그(heating jig) 상에서, 전지케이스의 외주면 실링부를 열융착하는 것으로 구성되어 있는 이차전지 제조방법을 제공한다.
실링부의 형성을 위한 열융착은 가열 및 가압을 실링 예정부(예를 들어, 전지케이스의 외주면)에 동시에 가하면서 진행된다. 밀봉력은 열융착을 위한 가압력과 일반적으로 비례 관계를 가지므로, 히팅 지그의 음각 깊이가 작을수록 실링부에서 그에 대응하는 부위의 밀봉력은 높아질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 상기 제조방법은 음각의 깊이 만으로 소망하는 배기유도 실링부, 브릿지 실링부, 계면 실링부 등을 동시에 형성할 수 있으므로, 종래의 제조 공정에서 히팅 지그 만을 변경한 상태에서 그대로 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 배기유도 실링부가 형성된 이차전지의 투시 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 B부위를 확대한 수평 단면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 이차전지(100)는 전극조립체(320), 이를 수용하는 전지케이스(300), 및 전극조립체(320)의 전극 탭들과 전기적으로 연결된 두 개의 전극리드(420, 421)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
두 개의 전극리드(420, 421)는 전극조립체(320)의 각 극판으로부터 연장된 전극 탭들(도시하지 않음)과 용접 등의 방법으로 전기적으로 연결되어 있고, 전지케이스(300)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(420, 421)의 상면과 하면 일부에는 전지케이스(300)와의 밀봉력을 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(430)이 부착되어 있다. 양극, 음극의 두 개의 전극리드(420, 421)는 본 도면에서와 같이 서로 대향하는 위치에 형성되어 있을 수도 있고, 동일한 방향에 나란히 위치할 수도 있다.
전지케이스(300)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(320)를 수용할 수 있는 수납부가 형성되어 있으며, 수납부의 외주면 실링부에서 상부 전지케이스와 하부 전지케이스가 열융착에 의해 결합됨으로써 전체적으로 파우치 형상을 이룬다.
실링부(310)에는 실링부(310)의 내측으로부터 외측 방향으로 폭이 좁아지는 구조인 사다리꼴 형상의 배기유도 실링부(200)가 형성되어 있다. 통상적으로 전지 내부에서 가스가 발생할 때, 전지케이스(300)는 중심(M) 부위에서 가장 크게 팽창하므로, 그것의 단축(S) 상에 위치하는 양측 실링부(310)에서 팽창에 따른 변형력이 가장 크게 된다. 따라서, 배기유도 실링부(200)는 전지케이스(300)의 중심(M) 을 기준으로 단축(S) 상에 위치하는 양측 실링부(310)의 중앙 부위에 위치하고 있다. 결과적으로, 전지의 내부 가스에 의한 내압에 의해 배기유도 실링부(200)에서 우선적으로 실링부가 분리되면서 밀봉이 해제되게 되어, 이를 통해 내부 가스가 전지셀 외부로 배출된다.
배기유도 실링부(200)의 하단(내측) 너비(T)는 전지케이스(300)의 장축 길이(L)를 기준으로 약 10%의 크기로 형성되어 있고, 상대적으로 넓은 하단(내측)너비(T)에 대해 상대적으로 좁은 상단(외측) 너비(t)의 비율은 대략 40%로 이루어져 있다.
또한, 배기유도 실링부(200)의 중간에는, 전극조립체(도시하지 않음)와 평행한 형상으로, 실링부(310)의 양측을 폭(E)으로 연결하는 브릿지 실링부(210)가 추가로 형성되어 있다.
브릿지 실링부(210)의 밀봉력은 배기유도 실링부(200) 보다 큰 밀봉력 범위에서, 실링부(310)의 밀봉력과 동일할 수도 있고, 그보다 작거나 클 수 있다.
브릿지 실링부(210)는 배기유도 실링부(200)의 형성으로 인해 약화될 수 있는 실링부(310)의 밀봉력을 효과적으로 향상시켜, 가스의 배출이 요구되는 수준의 가스압에 의해서만 분리되므로, 신뢰성 있는 작동상태를 담보하여 준다.
브릿지 실링부(210)의 폭(E)은 실링부(310)의 폭(W)을 기준으로 대략 25%의 크기로 이루어져 있다.
한편, 본 도면에서는 전극리드(420, 421)는 전지케이스(300)의 중심(M)을 기준으로 장축(L) 상에 위치하는 양측 실링부(310)로부터 외부로 돌출되어 있다. 즉, 전극리드(420, 421)가 형성되는 부위는 높은 밀봉성과 절연성이 유지될 필요가 있으므로, 배기유도 실링부(210)의 형성 위치는 전극리드(420, 421)가 형성된 부위와 다른 것이 바람직하다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배기유도 실링부의 수평 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 배기유도 실링부(200)와 실링부(310)의 계면에 실링부(310)보다 높은 밀봉력으로 계면 실링부(220)가 형성되어 있다. 경우에 따라서는, 도 4에서와 같이, 계면 실링부(220)의 밀봉력이 브릿지 실링부(210)의 밀봉력과 동일할 수도 있다.
계면 실링부(220)는 배기유도 실링부(200)의 형성으로 인해 주변 부위의 밀봉력이 약화될 수 있는 가능성을 방지하여 주며, 전지 내부의 고압가스 발생시, 가스의 배출과정에서 배기유도 실링부(200)와 인접한 실링부(310)에서의 변형 및 밀봉력 해제를 방지할 수 있으므로, 가스 배출을 보다 높은 신뢰성으로 배기유도 실링부(200)로 유도한다.
계면 실링부(220)의 폭(D)은 실링부의 폭(W)을 기준으로 대략 15%의 크기로 형성되어 있다.
도 5에는 도 4의 배기유도 실링부를 형성하기 위하여, C-C 부위에 대응하는 히팅 지그와 전지케이스의 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 전지케이스의 상부 시트(301)와 하부 시트(302)는 한 쌍의 히팅 지그(500, 501)에 의해 가열 가압되면서 열융착된다.
상부 히팅 지그(500)의 표면에는 실링부(310), 배기유도 실링부(210) 및 계면 실링부(220)에 대응하는 형상으로 각인되어 있는 음각 구조(510)가 형성되어 있다. 이러한 음각 구조(510)는 하부 히팅 지그(501)의 표면에 형성될 수도 있고, 상부 히팅 지그(500)와 하부 히팅 지그(501)에 각각 형성될 수도 있다.
음각 구조(510)의 각인된 깊이는 실링부의 밀봉력에 반비례 관계를 갖는다. 즉, 계면 실링부(220)에 대응하는 부위의 깊이를 기준으로, 배기유도 실링부(200)에 대응하는 깊이(ta)가 가장 깊고, 실링부(310)에 대응하는 깊이(tb)는 깊이(ta)보다 깊지 않다. 따라서, 열융착 과정에서 배기유도 실링부(200)에는 가장 작은 압력이 가해지므로 그 만큼 밀봉력이 떨어지고, 계면 실링부(220)에는 가장 큰 압력이 가해지므로 밀봉력이 상대적으로 높다.
따라서, 음각 구조(510)를 가진 상부 히팅 지그(500)를 사용하여 도 4의 구조를 용이하게 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
양극은 일반적으로 알려진 조성으로 리튬 코발트 산화물, PVdF 및 도전재의 슬러리를 알루미늄 집전체 위에 코팅하여 제조하였고, 음극은 일반적으로 알려진 조성으로 흑연, PVdF 및 도전재의 슬러리를 구리 집전체 위에 코팅하여 제조하였다.
상기 양극과 음극 사이에 이들보다 다소 큰 크기로 재단된 분리막을 개재시켜 전극조립체를 조립하고, 각각 수납부가 형성된 상부 케이스와 하부 케이스로 구성된 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스 내부에 전극조립체를 장착하였다.
상기 라미네이트 시트는 무연신 폴리프로필렌(cPP) 재질의 내측 수지층, 차단성 알루미늄 금속층 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 재질의 외측 수지층을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
상부 케이스와 하부 케이스에서 수납부의 외주면에 형성된 실링부를 도 5의 히팅 지그 상에 장착한 후 열융착하여 상호 결합시켰다. 실링부에 형성된 배기유도 실링부는 상대적으로 넓은 하단(내측) 너비에 대해 상대적으로 좁은 상단(외측) 너비의 비율이 40%의 크기이고, 브릿지 실링부의 폭은 기타 실링부의 폭을 기준으로 25%의 크기이며, 계면 실링부의 폭은 기타 실링부의 폭을 기준으로 15%의 크기로 형성되었다. 기타 실링부의 밀봉력을 기준으로 배기유도 실링부의 밀봉력은 약 60% 수준으로, 브릿지 실링부와 계면 실링부의 밀봉력은 120% 수준으로 열융착을 행하였다.
[비교예 1]
배기유도 실링부 자체를 형성하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.
[비교예 2]
브릿지 실링부와 계면 실링부를 형성하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 이차전지를 완성하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 30 개의 전지들을 대상으로 4.3 V 충전 및 3.0 V 방전 조건으로 200 사이클의 충방전을 수행하여 가스 배출 여부를 확인하였다.
또한, 상기 전지들을 약 90도의 챔버에 넣고 전지의 팽창을 유발한 후, 전지의 발화 또는 폭발 발생 여부, 내부 가스의 배출 방향, 및 가스 배출시의 전지 팽창 편차를 확인하였다. 상기 배출 방향은 내부 가스가 배출될 때 개방되었던 실링부의 위치 수로 결정하였다. 즉, 모든 전지들이 동일한 곳의 실링부가 개방되는 경우에는 1로서 설정하고, 일부 전지들의 경우 다른 위치에서 실링부 개방되는 경우에는 그러한 개방 위치 수를 가산하는 방식으로 설정하였다. 또한, 가스 배출시의 전지 팽창 편차를 가스 배출시 최대 팽창도를 나타낸 전지의 두께를 기준으로 최저 팽창도를 나타낸 전지의 폭을 백분율로 환산하였다.
<표 1>
Figure 112007090273068-PAT00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1의 전지들은 정상적인 작동상태에서 가스가 배출되는 전지가 없었으며, 고온 조건에서 전지가 팽창하더라도 내부 가스의 효과적인 배출에 의해 전지의 발화 또는 폭발이 발생하지 않았다. 또한, 내부 가스도 일 방향 또는 양 방향으로만 배출되었다.
그러나, 비교예 1의 전지들은 다수의 전지에서 발화 또는 폭발이 확인되었고, 내부 가스의 배출시 개방되는 부위도 각각 달라짐을 확인하였다.
비교예 2의 전지들은 고온 조건에서 내부 가스의 효과적인 배출에 의해 전지의 발화 또는 폭발이 발생하지 않았지만, 정상적인 작동상태에서도 다수의 전지들에서 가스 배출이 확인되었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 정상적인 작동상태에서는 우수한 밀봉력을 발휘하며, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 배기유도 실링부에서 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 소망하는 부위로 선택적으로 배출할 수 있으므로, 전지에 대한 발화 내지 폭발의 위험성을 미연에 차단하여 전 지의 안전성을 현저하게 향상시키고, 유해 가스의 무분별한 배출로 인한 문제점을 해소할 수 있다. 더욱이, 이러한 배기유도 실링부는 전지의 제조 공정에서 소정의 히팅 지그를 사용하여 용이하게 형성할 수 있으므로, 전지의 제조비용 상승을 유발하지 않는다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 배기유도 실링부가 형성된 이차전지의 투시 단면도이다;
도 3은 도 2의 B부위를 확대한 수평 단면 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배기유도 실링부의 수평 단면 모식도들이다;
도 5는 도 4의 배기유도 실링부를 형성하기 위하여, C-C 부위에 대응하는 히팅 지그와 전지케이스의 수직 단면 모식도이다.

Claims (15)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 장착한 후 열융착에 의해 밀봉한 구조의 판상형 이차전지로서,
    전지케이스 중 전극조립체 수납부의 외주면 실링부에는, 전지셀 내부의 고압 가스 발생시 밀봉력이 우선적으로 해제되면서 고압 가스를 외부로 배출할 수 있도록, 실링부의 내측으로부터 외측 방향으로 폭이 좁아지는 구조의 배기유도 실링부가 형성되어 있고, 상기 배기유도 실링부는 기타 부위의 실링부('기타 실링부')보다 약한 밀봉력으로 열융착되어 있으며,
    상기 배기유도 실링부의 중간에는, 전극조립체와 평행한 형상으로, 기타 실링부의 양측을 소정의 폭으로 연결하는 브릿지 실링부가 추가로 형성되어 있고, 상기 브릿지 실링부는 배기유도 실링부의 밀봉력보다 큰 밀봉력을 가지도록 열융착되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 배기유도 실링부에서, 상대적으로 넓은 하단(내측) 너비에 대해 상대적으로 좁은 상단(외측) 너비의 비율은 10 내지 50%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 배기유도 실링부의 하단(내측) 너비는 전지 케이스의 장축 길이를 기준으로 5 내지 30%의 크기인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 배기유도 실링부는 수평면상 반원, 삼각형 또는 사다리꼴 형상으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 배기유도 실링부는 사다리꼴 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 브릿지 실링부의 폭은 기타 실링부의 폭을 기준으로 10 내지 60%의 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 배기유도 실링부와 기타 실링부의 계면에는 상기 기타 실링부보다 높은 밀봉력으로 열융착된 계면 실링부가 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 계면 실링부의 폭은 기타 실링부의 폭을 기준으로 2 내지 20%의 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 배기유도 실링부는 전지케이스의 중심을 기준으로 단축 상에 위치하는 일측 또는 양측 실링부의 중앙에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 시트는 알루미늄 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 폴딩형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지 모듈.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 제조하는 방법으로서, 상기 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 장착하고; 상기 배기유도 실링부, 브릿지 실링부 및/또는 계면 실링부에 대응하는 형상과, 상기 실링부들의 밀봉력에 반비례하는 깊이로 이루어진 음각(陰刻)이 각인되어 있는 히팅 지그(heating jig) 상에서, 전지케이스의 외주면 실링부를 열융착하는 것을 특징으로 하는 이차전지 제조방법.
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