KR20090076278A - 밀봉성이 우수한 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전지케이스와 전극리드의 사이에 수지 필름이 개재되어 있고, 상기 수지 필름과 접하는 전극리드 일부 또는 전부에 보강층을 구비한 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는 전극 리드와 파우치 포장재 실링을 위해 형성되는 수지 필름층의 실링시, 전극 측면에서 저하될 수 있는 밀봉성을 별도의 보강층을 구비함으로써 동일한 조건에서 밀봉 특성을 향상시킬 수 있다.
밀봉성*이차전지*수지필름*전극리드*PE
Description
본 발명은 밀봉성이 우수한 이차전지에 관한 것으로서, 상세하게는 라미네이트 방식의 리튬전지 또는 캐패시터에 있어서 전극 리드의 실링능력을 향상시켜 전지의 밀봉성이 우수한 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 상태로 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 무선 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.
다음 도 1에는 고출력 대용량 전지 시스템에 사용되는 하나의 예시적인 파우치형 폴리머 이차전지(100)의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 파우치형 폴리머 이차전지(100)는, 전극조립체(10), 상기 전극조립체(10)로부터 연장되는 전극 탭들(30, 30')과, 상기 전극 탭들(30, 3')에 용접되어 있는 전극리드(40, 40') 및 상기 전극조립체(10)를 수용하며, 고분자 수지와 알루미늄의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
또한, 상기 전지케이스(20)와 전극리드(40, 40')가 결합되는 부위에는 전해액의 누출을 방지하고 공기중의 수분이 전지 내로 침투하는 것을 방지하며 전극리 드(40, 40')의 전기적 절연성을 담보하기 위하여, 얇은 수지 필름(50)이 결합되어 있다.
도 2에는 도 1의 대용량 폴리머 전지의 전극리드 결합부의 부분 확대도가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 양극/분리막/음극의 전극조립체(도시하지 않음)와 전기적으로 연결되어 있는 양극 리드(40) 및 음극리드(40')가 알루미늄 라미네이트 시트의 전지케이스(20) 상단으로부터 노출된 상태로 밀봉되어 있다. 전지케이스(20)와 전극리드(40, 40')의 사이에는 수지 필름(50)이 개재되어 있다.
전지의 제조를 위해서는, 고온 고압에 의해 파우치 전지케이스(20)의 상단부재(21)와 하단부재(22)를 상호 융착시키는데, 이렇게 제조된 전지의 전극리드(40, 40')와 수지 필름(50) 사이로 공기중의 수분이 침투하고 전해액이 누출될 수 있다. 따라서, 수분의 침투 등에 의해 시간의 경과에 따라 전지 수명의 저하가 나타나게 된다.
즉, 다음 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 통상의 알루미늄, 구리, 니켈, 니켈이 코팅된 구리, 스테인레스 등으로 이루어지는 금속 박편인 전극 리드(40)에는, 그것의 하단부에 다수의 전극 탭들(30)이 용접 등의 방법으로 결합되어 있고, 중앙에는 PP와 같은 수지 필름층(50)이 도포되어 있다. 전지의 포장재인 파우치(20)는 상기 수지 필름층(50)의 일부가 노출된 상태로 수지 필름층에 융착되어 실링된다. 그러나 실링 시에는 외부에 열과 압력을 인가하게 되는데, 이때 내부까지 열이 잘 전달되지 않기 때문에 다음 도 4와 같이 전극 리드 측면(60)의 밀봉성이 저하되는 경향이 발생한다.
이를 방지하기 위하여, 더욱 고온 및 고압에서 융착을 행하는 경우에는 수지 필름이 용융되어 전지의 외관을 오염시키거나 얇은 수지 필름이 손상되어 수명 저하가 더욱 가속화되는 문제점이 발생한다.
또 다른 방법으로서, 수지 필름이 접착되는 전극리드의 표면을 크로메이트(chromate) 처리하는 방법도 알려져 있으나, 이러한 방법은 중금속에 의한 환경오염을 유발할 수 있으므로 바람직하지 못하다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 새로운 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
따라서, 본 발명에서는 라미네이트 방식의 리튬 전지 또는 캐패시터에 있어서 종래 전극 리드와 파우치 포장재의 실링시 발생되는 여러 가지 문제들을 해결하고자 안출된 것이다.
이에 본 발명에서는 상기 전극 리드와 파우치 포장재를 실링시키는 탭 외부의 리드 필름은 PP를 사용하고, 상기 실링된 리드 필름과 포장재에서 미실링된 전극 리드의 측면에는 낮은 융점의 PE를 사용함으로써 동일한 조건에서 밀봉특성을 향상시킬 수 있게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 밀봉 특성이 우수한 이차전지를 제공하는 데 있 다.
본 발명에서는 전극리드와 파우치 포장재의 실링을 위하여 형성되는 수지 필름이 외부의 열과 압력이 내부까지 전달되지 않음으로 미실링된 부분을, 별도의 HDPE 보강층을 구비함으로써 동일한 조건에서 밀봉 특성을 향상시킬 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차전지는 전지케이스와 전극리드의 사이에 수지 필름이 개재되어 있고, 상기 수지 필름과 접하는 전극리드 일부 또는 전부에 보강층을 구비하는 것을 그 특징으로 한다.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 이차전지는 다음 도 5 내지 7에서 보는 바와 같이, 전지케이스(20)와 전극리드(40)의 실링을 위해 수지 필름(50)을 포함하며, 상기 수지 필름(50)으로 전지케이스(20)와 전극리드(40)를 실링시 미실링된 부분을 보강하기 위하여 상기 수지 필름(50)과 접하는 상기 전극리드(40)의 일부 또는 전부에 별도의 보강층(70)을 포함한다.
본 발명의 이차전지는 바람직하게는 고출력 대용량의 전지 시스템에 단위전지로서 사용되는 전지일 수 있다. 이러한 이차전지는 전지케이스와 전극리드 사이 에 절연성의 수지 필름이 개재되는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 수지층과 금속층을 포함하는 것으로 구성된 라미네이트 시트의 전지케이스를 사용하는 전지일 수 있다. 상기 라미네이트 시트 전지케이스의 대표적인 예로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스를 들 수 있다.
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, 일반적으 로 PP, PE 등의 고분자 수지로 이루어져 있으며, 100 ~ 300 ㎛ 두께를 가진다. 본 발명에서는 상기 수지 시트를 PP로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상기 수지 시트와 접하는 전극리드의 일부 또는 전부에 보강층을 형성함으로써, 전지케이스의 융착 상기 수지 필름과 전극리드와의 접착력을 높이는 것을 특징으로 한다.
상기 보강층은 상기 수지 시트와는 상이한 재료로 형성시킴으로써, 전극 리드와 파우치 케이스를 수지 시트로 실링시 미실링부를 완전히 차단함으로써 전극 리드부의 밀봉성을 향상시킬 수 있다. 또한, 수지필름과 전극리드의 결합 부위로 수분이 침투하거나 또는 그것을 통해 전지케이스 내의 전해액이 누출되는 경우에도 이들의 이동 경로를 현저히 연장시켜 이동을 최대한 억제시키는 역할을 한다.
상기 보강층은 내화학성이 우수하고, 상기 수지 필름으로 사용된 PP보다는 낮은 융점을 가지며, 수분침투성이 낮은 재료를 사용하는 것이 바람직한 바, 본 발명에서는 융점 120 내지 130℃인 고밀도 PE(high density polyethylene, HDPE)를 사용하는 것이 바람직한 바, 이는 동일 조건에서 밀봉 특성을 향상시키기 위한 것이다.
상기 보강층은 다양한 방법으로 구성할 수 있는 바, 수지 필름과 접하는 상기 전극리드의 양 측면에 형성되거나, 또는 수지 필름과 접하는 전극 리드의 전부에 형성된다.
본 발명에 따라 보강층이 형성되어 있는 다양한 실시예들에 따른 전극리드의 투시도가 다음 도 5 내지 7에 모식적으로 도시되어 있다.
상기 보강층이 상기 전극리드의 양측면에 형성될 경우, 다음 도 5와 같이 전극리드의 길이 방향 전체에 형성될 수도 있고, 도 6과 같이 전극 리드로부터 1mm 정도까지 형성될 수도 있다. 상기 보강층이 측면에 형성될 경우 보강층은 상기 도 6과 같이 최소로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 보강층이 수지 필름과 접하는 전극 리드 전부에 형성될 경우, 상기 전극 리드의 사방에 형성된다. 상기 보강층의 두께는 상기 전극 리드와 유사한 두께인 0.05 내지 0.2mm 로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 보강층의 형성은 상기 HDPE으로 별도의 필름을 형성시킨 다음, 상기 전극리드의 일부 또는 전부에 라미네이팅시키는 것이 바람직하다.
이하에서 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
45 mm x 30 mm 크기와 약 350 ㎛ 두께를 가진 알루미늄 호일(양극용 리드)과 구리 호일(음극용 호일)을 전극조립체의 전극 탭에 용접하여 부착하고, 그것의 상단면과 하단면에 각각 PP 성분의 수지 필름을 부착하였다. 그런 다음, HDPE를 이용하여 0.2mm 두께의 필름을 형성시킨 후, 상기 수지 필름과 접하는 전극 리드의 양 측면에 전극 리드의 길이 방향 전체에 걸쳐 보강층을 형성시켰다. 그 다음, 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
HDPE를 이용하여 0.2mm 두께의 필름을 형성시킨 후, 상기 수지 필름과 접하는 전극 리드의 양 측면에 전극 리드로부터 약 1mm까지 보강층을 형성시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬이온 폴리머 전지를 제조하였다.
실시예
3
HDPE를 이용하여 0.2mm 두께의 필름을 형성시킨 후, 상기 수지 필름과 접하는 전극 리드의 사방에 보강층을 형성시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬이온 폴리머 전지를 제조하였다.
비교예
1
수지 필름과 접하는 전극 리드에 보강층을 구비하지 않는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬이온 폴리머 전지를 제조하였다.
[실험예]
상기 실시예와 비교예에 따라 제조된 이차전지에서 전극리드와 수지 필름이 접하는 부위에 형성된 보강층의 밀봉성능을 다음과 같이 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
-밀봉성 테스트 : 제조된 전지를 상대습도 90%, 60℃에서 1달간 보존 후에 분해하여 수분의 침투를 확인하기 위하여 HF의 농도를 측정하여 그 결과를 나타내었다.
| 저장 후 HF의 농도 (PPM) | |
| 실시예 1 | 60 |
| 실시예 2 | 70 |
| 실시예 3 | 70 |
| 비교예 1 | 170 |
상기 표 1의 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명과 같이 저융점의 보강층을 사용한 결과로 포장재의 밀봉성이 향상되어 전지 내부로의 수분침투가 억제되는 것을 알 수 있다.
도 1은 고출력 대용량 전지 시스템에 사용되는 하나의 예시적인 파우치형 폴리머 이차전지의 일반적인 구조를 나타낸 것이고,
도 2는 상기 도 1의 대용량 폴리머 전지의 전극리드 결합부의 부분 확대도이고,
도 3은 전극 탭에 수지 필름층이 실링된 형태를 나타낸 것이고,
도 4는 전극 탭에 수지 필름층이 실링시 미실링부가 발생된 일예를 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 수지 필름과 접하는 전극 리드의 양 측면에 전극 리드의 길이 방향 전체에 걸쳐 보강층을 구비한 예이고,
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 수지 필름과 접하는 전극 리드의 양 측면에 전극 리드의 길이 방향 일부에 걸쳐 보강층을 구비한 예이고,
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 수지 필름과 접하는 전극 리드의 사방에 걸쳐 보강층을 구비한 예이다.
<도면 부호의 설명>
100:파우치형 폴리머 이차전지 200 : 대용량 폴리머 전지
300, 400, 500, 600, 700 : 전극리드부의 확대 사진
10 : 전극조립체 20 : 전지케이스
21 : 전지케이스의 상단부재 22 : 전지케이스의 하단부재
30,30': 전극 탭 40, 40': 전극 리드
50 : 수지 필름 60 : 미실링부
70, 70a, 70b : 보강층
Claims (9)
- 전지케이스와 전극리드의 사이에 수지 필름이 개재되어 있고, 상기 수지 필름과 접하는 전극리드 일부 또는 전부에 보강층을 구비하는 이차전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 보강층은 0.05 내지 2mm의 두께로 구비됨을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 보강층이 전극 리드의 일부에 구비될 경우 상기 전극 리드의 좌,우 측면에 구비됨을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 3항에 있어서, 상기 보강층은 상기 탭 리드로부터 적어도 1mm까지 구비됨을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 보강층은 융점이 120 내지 140℃인 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 5항에 있어서, 상기 재료는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 파우치형 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 고출력 대용량 전지 시스템의 단위전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080002137A KR20090076278A (ko) | 2008-01-08 | 2008-01-08 | 밀봉성이 우수한 이차전지 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020080002137A KR20090076278A (ko) | 2008-01-08 | 2008-01-08 | 밀봉성이 우수한 이차전지 |
Publications (1)
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|---|---|
| KR20090076278A true KR20090076278A (ko) | 2009-07-13 |
Family
ID=41333410
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020080002137A KR20090076278A (ko) | 2008-01-08 | 2008-01-08 | 밀봉성이 우수한 이차전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20090076278A (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016162744A (ja) * | 2015-03-05 | 2016-09-05 | 株式会社Ｇｓユアサ | 蓄電素子及びリード端子 |
| KR20210090751A (ko) | 2020-01-09 | 2021-07-21 | 한국과학기술연구원 | 파우치형 이차전지 실링용 필름 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지 |
| WO2021166358A1 (ja) * | 2020-02-17 | 2021-08-26 | 住友電気工業株式会社 | リード部材、二次電池のパッケージ、およびリード部材の製造方法 |
| WO2022265441A1 (ko) * | 2021-06-18 | 2022-12-22 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 전극탭 조립체 및 그를 포함하는 이차전지 |
-
2008
- 2008-01-08 KR KR1020080002137A patent/KR20090076278A/ko not_active Application Discontinuation
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| WO2022265441A1 (ko) * | 2021-06-18 | 2022-12-22 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 전극탭 조립체 및 그를 포함하는 이차전지 |
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