KR20090077420A - 탭 보호필름을 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탭 보호필름을 포함하는 이차전지에 대한 것이다.

본 발명에 의하면 절연저항이 작아지는 현상을 방지할 수 있고, 외부의 충격에 대하여 탭과 리드의 용접부를 보호하여 내충격성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.

파우치, 이차전지, 보호필름

Description

탭 보호필름을 포함하는 이차전지{Secondary battery comprising tab protection film}

본 발명은 탭 보호필름을 포함하는 이차전지에 대한 것이다.

이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지로서 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더, 디지털 카메라 등 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.

이러한 리튬 이차 전지는 정극판, 세퍼레이터, 부극판을 적층하고 이를 권취한 젤리-롤 전극조립체와 정극판과 부극판을 세퍼레이트를 개재시켜 적층한 적층형 전극 조립체 등이 있으며, 이 중 젤리 롤 전극 조립체는 주로 리튬 이온 전지에 많이 사용되고 있다.

이 중 파우치형 전지는, 비교적 다양한 형태로 제작이 가능하고, 가벼워서 이차 전지의 형태로서 각광을 받고 있다.

그런데, 파우치형 전지의 경우 캔형 전지 등에 비해 외부 충격에 약하고, 탭과 리드를 연결하는 용접부위가 탭단 씰링시 약간의 힘이 가해지거나, 파우치 안쪽의 C-PP층의 두께가 낮으면 절연저항이 작아지는 문제가 발생한다.

따라서, 절연저항 감소를 방지하고, 내충격성이 강한 파우치형 전지가 요구되어진다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 용접부를 보호필름으로 감싼 후 열수축 시켜 텐션에 의해 용접부를 보호필름이 잡아주도록 하여 외부환경으로 인한 절연저항 감소를 방지할 수 있고, 내충격성이 향상된 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 이차전지는 양극, 음극, 세퍼레이터를 포함하는 전극집전체와, 상기 전극집전체를 감싸는 파우치 케이스와, 전극 리드와 탭 용접부를 감싸는 보호필름을 포함한다.

본 발명에서의 상기 보호필름은 열수축 PET 필름일 수 있다.

또한, 상기 보호필름은 링형태일 수 있다.

또한, 상기 보호필름은 20±5㎛의 두께를 가질 수 있다.

본 발명에 의한 이차전지의 제조는 양극, 음극, 세퍼레이터를 포함하는 전극집전체를 조립하는 단계와, 양극탭과 양극리드 및 음극탭과 음극리드를 각각 용접하는 탭용접단계와, 탭 용접부를 보호필름으로 감싸는 단계와, 파우치를 케이스를 씰링하는 단계와, 용접부에 50℃이상의 열을 가하여 상기 보호필름을 수축시키는 단계를 포함한다.

또한, 탭용접부를 보호필름을 감싸는 단계에서 상기 보호필름은 열수축 PET 필름일 수 있다.

또한, 상기 용접부에 가하는 열은 70~80℃일 수 있다.

본 발명에 의하면 탭단부에 보호필름의 사용으로 인하여 용접부와 파우치 안쪽의 C-PP층과의 닿는 면을 최소화되며, 필름수축에 의한 텐션에 의해 용접부의 약화 및 외부환경으로 인해 절연저항이 감소되는 것을 방지하는 효과가 있다.

본 발명에 의한 이차전지는 전극리드와 탭 용접부를 감싸는 보호필름을 포함한다.

본 발명에 의한 이차전지는 양극, 음극, 세퍼레이터를 포함하는 전극집전체와 파우치 케이스를 포함한다.

본 발명에 의한 파우치형 이차 전지의 제조공정은, 먼저 전극조립체(10)가 준비되고, 상기 전극조립체(10)를 둘러싸는 파우치 케이스(20)가 준비된다.

상기 전극조립체(10)는 양극활물질이 도포된 양극과, 음극활물질이 도포된 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하여 쇼트를 방지하고 이온의 이동만이 가능하게 하는 세퍼레이터로 이루어진다.

상기 양극은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염소화 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 염소화 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 유도체로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 바인더와, 결합제, 도전제 등을 양극활물질과 함께 용매에 분산시켜 슬러리를 제조한 후 양극집전체에 도포하고 건조 및 압착하여 제조한다.

음극의 경우도, 양극의 제조와 마찬가지로 바인더와, 도전제, 결합제 등을 음극활물질과 함께 용매에 분산시켜 제조된 슬러리를 음극집전체에 도포, 건조 및 압착하여 제조한다.

또한 슬러리에는 선택적으로 점도 조절제, 충진제, 가교 촉진제, 커플링제, 접착 촉진제 등의 기타 성분들이 더 포함될 수 있다.

이때 양극활물질로는 LiCoC₂, LiMn₂O₄, LiNiO₂, LiNi_{1 -x}Co_xO₂(0<x<1), LiMnO₂ 등의 복합금속산화물이 사용될 수 있고, 양극집전체로는 알루미늄, 니켈, 또는 이들의 조합에 의해서 제조되는 호일(foil)을 이용할 수 있다.

음극활물질로는 Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이금속화합물, 리튬금속나이트라이드, 리튬금속 산화물, 탄소계열물질 등이 사용될 수 있으나, 본 발명에서 사용되는 음극활물질이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 음극에 사용되는 음극집전체로는 구리, 금, 니켈 혹은 구리 합금 혹은 이들의 조합에 의해서 제조되는 호일을 이용할 수 있다.

상기 도전제로는 전지의 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유와, 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말, 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키, 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물과 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용될 수 있는 세퍼레이터는 미세 다공 구조를 가지는 폴리에틸렌 (polyethylene), 폴리프로필렌 (polypropylene), 또는 이들 필름의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름 등이나, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 (polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 폴리아크릴로나이트릴 (polyacrylonitrile) 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 헥사플루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene) 공중합체와 같은 고체 고분자 전해질용 또는 겔형 고분자 전해질용 고분자 필름 등이 있다.

상기 전극조립체(10)가 준비되면, 상기 전극조립체를 수용하기 위한 파우치 케이스(20)를 준비한다.

상기 파우치 케이스는 금속박막과 금속박막의 일면에 형성되는 절연 기능을 수행하는 수지층과 금속박막의 다른 일면에 형성되는 C-PP(casted poly propylene)층으로 구성된다.

상기 C-PP층은 약 20~80㎛ 정도의 두께로 형성되는데, 파우치 케이스의 밀봉시 위 아래 파우치 케이스의 C-PP층이 서로 맞닿아 열에 의해 접착된다.

본 발명에 의한 전극집전체(10)는 적층형 또는 권취형으로 제조 가능한데, 이하에서는 권취형으로 제조하는 경우를 설명하면 다음과 같다.

먼저 전극집전체(10)의 표면에 전극활물질층이 형성된 양극판과 음극판을 형성시키고, 양극판과 음극판 사이에 두 장의 절연용 세퍼레이터를 삽입시킨 후, 이 를 권심에 의해 젤리-롤 형태로 권취하는데, 권취 전에 양극판과 음극판에 각각 전극 단자로 사용될 양극 탭 및 음극 탭을 용접한다.

상기 양극 탭 및 음극 탭은 각각 양극 무지부와 음극 무지부에 용접되고, 또한 정극 탭 및 부극 탭은 각각 부극리드 및 정극리드에 접합되어 전지 케이스의 외부로 노출될 수 있다. 이 때 상기 부극 리드 및 정극 리드는 각각 부극 단자부 및 정극 단자부를 형성할 수 있다.

이러한 정극 및 부극 탭은 각 전극 집전체의 무지부에 초음파 용접에 의해 용접되는데, 초음파 용접은 용접 온도가 낮고, 열영향부(heat affected zone : HAZ)도 양호하여 이종의 금속박판간의 용접이나, 세선 용접에 많이 사용된다.

파우치는 씰링시, 일반적으로 상하부를 별도의 압착 지그로 압착하면서 일정한 온도이상으로 가열하는 열융착방식에 의해 씰링되는데, 열융착시 금속으로 형성된 탭과 리드의 연결부위에서는 열을 신속하게 방출하므로 열융착에 필요한 온도를 정확히 제어하는 것이 어려워지게 된다.

또한, 용접부의 돌기에 의해 불균일한 압력을 받게 되므로 파우치 막이 다른 부위보다 높은 압력을 받을 수 있고, 파우치 안쪽의 C-PP층의 두께가 낮으면 절연저항이 작아지는 문제가 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 이차전지는 도 1에서 도시한 바와 같이, 전극 조립체(10)와 연결되는 음극탭 및 양극탭(11)이 각각 양극리드 및 음극리드(12)와 연결되는 용접부를 감싸는 보호필름(13)을 포함한다.

탭과 리드의 용접부와 파우치 안쪽의 C-PP층과의 닿는 면을 최소화하기 위하 여 본 발명에 의한 보호필름을 탭과 리드의 용접부위에 적용할 수 있으며, 이 경우 용접부가 외부충격으로 인하여 약해지는 것 또한 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 보호필름은 링 형태로 제작될 수 있는데, 상기 보호필름의 지름의 길이는 탭과 리드의 용접부의 두께전극 리드 부분의 두께가 대략 200~500㎛이므로 이를 감쌀 수 있도록 리드의 두께±50~200㎛정도의 지름을 가질 수 있다. 다만, 보호필름의 지름의 크기가 이에 한정되는 것은 아니며 보호필름의 열수축력에 따라 달라질 수 있다.

본 발명에서 링형태의 보호필름은 탭과 리드의 용접부의 형태와 일치하도록 타원형태의 단면을 가지는 형태, 원형의 단면을 가지는 형태 등 다양한 형태로 적용 가능하다. 타원모양의 단면을 가지는 경우가 원형의 단면을 가지는 것보다는 씰링하는 동안 용접부위에서의 벗어날 위험이 적겠지만, 보호필름은 파우치의 씰링 후 열에의해 수축하므로 특별히 그 형태가 한정되는 것은 아니다.

상기 보호필름의 두께는 20±5㎛인 것이 바람직한데, 그 이상은 두께에서 열 수축시 텐션이 크게 작용하여 융착부위의 강도를 약화시킬 수 있으며 그 이하에서는 물성이 작아진다.

상기 보호필름은 열수축이 가능한 필름으로 이루어질 수 있는데, 열수축이 가능하면서도 전지내부에 사용되므로 내화학성이 있어야 한다. 또한, 연신율이 높은 재질을 사용하는 경우 본 발명과 같은 효과를 얻을 수 없으므로 열수축효과 및 내화학성을 보유한 열수축 PET(열수축 polyethylen terephthalate)필름을 사용하는 것이 바람직하다.

탭과 리드의 용접부에는 본 발명에 의한 보호 필름을 감싼 후 파우치 케이스(20)를 씰링하고, 그 후 용접부에 50℃이상의 열을 외부에서 가한다.

파우치 케이스를 씰링하는 동안에는 본 발명에 의한 보호필름에 의해 용접부가 보호되므로 용접부에 힘이 가해져서 절연저항이 작아지는 문제 등이 발생하지 않고, 씰링후에는 가해진 열에 의해 보호 필름이 수축하면서 용접부를 조이면서 단단히 잡아주게 되므로 외부의 충격에 대하여 용접부를 더 잘 보호할 수 있다.

본래 PET는 열에 강하고, 단단한 성질을 가지나 열수축 PET를 사용하는 경우 수축이 가능하므로 탭과 리드 부분의 용접부의 고정의 역할을 할 수 있다.

상기 열수축 PET는 상온이나, 상온보다 조금 더 높은 온도에서는 열수축이 일어나지 않으나, 높은 온도에서는 열수축이 일어나는 성질을 이용한 것인데, 일정수준 이상의 분자사슬 길이를 가지는 폴리머들은 연신에 의하여 잔류응력이 생기고, 잔류응력을 가지고 있는 상태에서 일정 이상의 열량을 공급하면 잔류응력을 해소하기 위하여 수축이 일어난다.

용접부에 가해지는 열은 상기 보호필름이 용접부에 텐션을 가할 수 있을 정도로 수축하는데 필요한 정도이면 되므로 50℃ 이상이면 충분하다.

다만, 높은 온도의 열을 이차 전지에 가할 경우 전지의 성능이 저하될 염려가 있고, 빠른 열수축이 일어나도록 하기 위하여 상기 용접부에 가하는 열은 70~80℃인 것이 바람직하다.

수축된 보호필름은 탭과 리드의 연결부위의 고정을 강화시키기 때문에, 외부의 충격에 의해 용접부가 약해지는 것을 막을 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 보호필름을 포함하는 이차전지의 일실시 예를 모식적으로 도시한 것이다.

Claims (7)

1. 양극, 음극, 세퍼레이터를 포함하는 전극집전체;와

   상기 전극집전체를 감싸는 파우치 케이스;와

   전극 리드와, 탭 용접부를 감싸는 보호필름;을

   포함하는 이차 전지.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 보호필름은 열수축 PET 필름인 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 보호필름은 링형태인 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 보호필름은 20±5㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 양극, 음극, 세퍼레이터를 포함하는 전극집전체를 조립하는 단계;와

   양극탭과 양극리드 및 음극탭과 음극리드를 각각 용접하는 탭용접단계;와

   탭 용접부를 보호필름으로 감싸는 단계;와

   파우치 케이스를 씰링하는 단계;와

   상기 탭 용접부에 50℃이상의 열을 가하여 상기 보호필름을 수축시키는 단계;

   를 포함하는 이차 전지의 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   탭용접부를 보호필름으로 감싸는 단계에서의 상기 보호필름은 열수축 PET 필름인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
7. 청구항 5에 있어서,

   상기 용접부에 가하는 열은 70~80℃인 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.

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