KR20090095285A - 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 외부 환경 또는 내부 이상에 따라 이차 전지의 내부 온도가 증가하는 경우, 전극 조립체를 밀폐하는 외장재의 실링부를 통해 상기 전극 조립체의 주변에서 발생되는 가스를 방출하도록 하여, 열적 안전성을 향상시킬 수 있는 파우치형 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명은 양극판, 음극판 및 상기 두 극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하며, 가장자리에 위치하는 실링부를 포함하는 외장재; 상기 외장재의 실링부에 위치하는 안전 벤트층; 및 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되며, 일부가 상기 외장재의 외측으로 돌출되는 다수의 전극탭을 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지, 파우치
Description
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 외부 환경 또는 내부 이상에 따라 이차 전지의 내부 온도가 증가하는 경우, 전극 조립체를 밀폐하는 외장재의 실링부를 통해 상기 전극 조립체의 주변에서 발생되는 가스를 방출하도록 하여, 열적 안전성을 향상시킬 수 있는 파우치형 이차 전지에 관한 것이다.
최근 들어 셀룰러폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 컴팩트하고 경량화된 휴대용 전자/전기 기기들이 활발하게 개발 및 생산되고 있으며, 상기 휴대용 전자/전기 기기들이 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 배터리 팩을 내장시키고 있다. 상기 배터리 팩은 경제적인 측면을 고려하여 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지 및 리튬(Li) 전지로 대표되며, 충방전이 가능한 이차 전지를 일반적으로 사용한다.
이 중, 상기 리튬 이차 전지는 상기 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지에 비하여 작동 전압이 3배 정도 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높아 상기 휴대용 전자/전기 기기의 배터리 팩에 널리 사용되고 있다. 상기 리튬 이차 전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고분자 전 해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 구분하거나, 제조되는 형상에 따라 각형, 원통형 및 파우치형으로 구분한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체와 상기 전극 조립체 사이에서 리튬 이온이 이동될 수 있도록 하는 전해액을 수납하는 외장재를 포함하며, 상기 전극 조립체는 양극 활물질 및 상기 양극 활물질이 도포된 양극 집전체를 포함하는 양극판, 음극 활물질 및 상기 음극 활물질이 도포된 음극 집전체를 포함하는 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함한다.
그러나, 각형 또는 원통형 이차 전지와 달리, 파우치형 이차 전지는 외부 환경 또는 내부 이상에 의해 전극 조립체의 주변에서 가스가 발생되는 상기 가스를 방출하기 위한 안전 벤트가 상기 전극 조립체를 수납하는 외장재에 형성되므로, 열적 이상에 따라 상기 전극 조립체의 주변에서 가스가 발생되는 경우에는 상기 안전 벤트가 파단될 때까지 많은 시간이 소요되어 스웰링(swelling) 현상에 의해 상기 전극 조립체의 변형 및 이차 전지의 발화 가능성이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 외부 환경 또는 내부 이상에 의한 열적 이상에 따라 외장재의 실링부가 개폐될 수 있도록 하여, 이차 전지의 열적 이상에 따른 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 양극판, 음극판 및 상기 두 극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하며, 가장자리에 위치하는 실링부를 포함하는 외장재; 상기 외장재의 실링부에 위치하는 안전 벤트층; 및 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되며, 일부가 상기 외장재의 외측으로 돌출되는 다수의 전극탭을 포함하는 이차 전지에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명에 따른 이차 전지는 외장재의 실링부에 외부 환경 또는 내 부 이상에 의해 내부 온도가 상승하는 경우, 상기 외장재의 실링부에 위치하는 안전 벤트층이 용융되어 개폐되도록 하여, 열적 이상에 따른 스웰링(swelling) 현상으로 인하여 상기 전극 조립체의 변형 및 이차 전지의 발화 가능성을 저하시킴으로써, 상기 이차 전지의 열적 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해될 것이다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성 요소들을 나타내는 것이며, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 두고 "전기적으로 연결"되는 경우도 포함한다. 덧붙여, 도면에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
(실시 예)
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타낸 분리 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 전극 조립체(100), 상기 전극 조립체(100)를 수납하고 밀폐하며, 가장자리에 위치하는 실링부(215, 225)를 포함하는 외장재(200) 및 상기 전극 조립체(100)와 전기적으로 연결되며, 일부가 상기 외장재(200)의 외측으로 돌출되는 전극탭(115, 125)을 포함한다. 여기서, 상기 전극 조립체(100)는 양극 활물질(미도시) 및 상기 양극 활물질이 도포된 양극 집전체(미도시)를 포함하는 양극판(110), 음극 활물질(미도시) 및 상기 음극 활물질이 도포된 음극 집전체(미도시)를 포함하는 음극판(120) 및 상기 양극판(110)과 음극판(120) 사이에 위치하는 세퍼레이터(130)을 포함한다.
상기 양극 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4 또는 LiNi1 -x-yCoxMyO2(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속) 등의 금속 산화물로 대표되는 리튬함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물을 모두 사용할 수 있으며, 상기 음극 활물질은 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금일 수 있다.
상기 양극 집전체 및 음극 집전체는 스테인레스 강, 니켈, 구리, 알루미늄 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 양극 집전체는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성하고, 음극 집전체는 구리 또는 구리 합금으로 형성하여 효율을 극대화한다.
상기 세퍼레이터(130)는 상기 양극판(110)과 음극판(120) 사이에 위치하도록 하여 전기적 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 한다. 상기 세퍼레이터(130)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막으로 형성될 수 있다.
상기 전극탭(115, 125)은 상기 전극 조립체(100)의 양극판(110)과 전기적으로 연결되며, 일부가 상기 외장재(200)의 외측으로 돌출되는 양극탭(115) 및 상기 전극 조립체(100)의 음극판(120)과 전기적으로 연결되며, 일부가 상기 외장재(200)의 외측으로 돌출되는 음극탭(125)를 포함한다. 여기서, 상기 양극탭(115) 및 음극 탭(125)은 다수 개가 형성될 수 있으며, 상기 외장재(200)의 외측으로 돌출되는 상기 양극탭(115) 및 음극탭(125)에 의해 상기 외장재(200)에 의한 밀폐 상태가 깨어지는 것을 방지하기 위하여, 상기 양극탭(115) 및 음극탭(125)은 상기 외장재(200)의 실링부(215, 225)와 접촉하는 영역에 위치하는 절연성 탭 테이프(140)를 포함할 수 있다.
상기 외장재(200)는 가장자리에 상기 전극 조립체(100)를 수납하기 위한 수납부(230) 및 가장자리에 위치하는 제 1 실링부(215)를 포함하는 제 1 외장재(210) 및 상기 제 1 실링부(215)에 대응되는 제 2 실링부(225)를 포함하며, 상기 수납부(230)를 밀폐하기 위한 제 2 외장재(220)을 포함한다. 여기서, 상기 제 1 외장재(210)의 수납부(230)는 프레스(press) 가공 등의 방법으로 형성될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에서는 상기 수납부(230)가 외장재(200) 중 하부에 위치한 제 1 외장재(210)에 형성되는 것으로 도시하고 있으나, 상기 수납부(230)는 외장재(200)의 상부에 위치한 제 2 외장재(220)에 형성될 수 있다.
도 2a는 도 1의 A 영역을 확대한 사시도이고, 도 2b는 도 1의 A 영역의 분리 사시도이며, 도 3은 도 1의 I-I'선으로 절단한 단면도이다.
도 2a, 2b 및 도 3을 참조하면, 상기 제 1 외장재(210) 및 제 2 외장재(220)는 금속층(212, 222)를 중심으로 상기 제 2 외장재(220) 또는 제 1 외장재(210)와 접촉하는 측에 열융착층(213, 223) 및 안전 벤트층(214, 224)이 형성되며, 반대측에 절연층(211, 221)이 형성된다.
상기 금속층(212, 222)은 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸 또는 이들의 합 금 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 상기 절연층(211, 221)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 나일론 또는 이들의 적층 구조일 수 있다.
또한, 상기 열융착층(213, 223)은 변성 폴리프로필렌(Casted Polypropylene; CPP), 폴리프로필렌(Polypropylene; PP) 또는 이들의 적층 구조일 수 있으며, 열융착성을 가져 실링재 역할을 수행할 수 있는 재질이라면 어떠한 재질이라도 무관하다.
상기 안전 벤트층(214, 224)은 상기 전극 조립체(100)가 수납된 수납부(230)의 온도가 일정 온도 이상이 되는 경우, 용융되어 개폐되기 위한 것으로, 외부 환경 또는 내부 이상에 의해 상기 수납부(230)의 내부가 130℃이상이면 스웰링 현상에 따른 이차 전지의 발화 및 폭발이 발생하게 되므로, 상기 안전 벤트층(214, 224)은 130℃에서 용융될 수 있는 물질로 형성하는 것이 바람직하며, 이차 전지의 일반적인 충방전에 의해 상기 수납부(230)의 내부 온도가 110℃를 유지하는 점을 고려하면, 상기 안전 벤트층(214, 224)가 110℃이하에서 용융되는 경우 상기 이차 전지가 충분히 사용될 수 있음에도 불구하고 상기 안전 벤트에 의해 폐기되게 되므로, 상기 안전 벤트층(214, 224)은 110℃ 내지 130℃에서 용융되는 폴리 에틸렌과 같은 열가소성 수지인 것이 더 바람직하다.
여기서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 안전 벤트층(214, 224)이 상기 제 1 외장재(210)의 제 1 실링부(215) 및 제 2 외장재(220)의 제 2 실링부(225)에 모두 형성되는 것을 설명하고 있으나, 상기 안전 벤트층(214, 224)는 상기 제 1 외장재(210)의 제 1 실링부(215) 또는 제 2 외장재(220)의 제 2 실링부(225)에 형성될 수 있다.
결과적으로 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지는 전극 조립체를 수납하는 외장재의 실링부에 안전 벤트층을 형성하여, 상기 전극 조립체를 수납하는 수납부의 온도가 일정 온도 이상인 경우 상기 안전 벤트층이 용융되도록 함으로써, 외부 환경 또는 내부 이상에 의해 상기 전극 조립체를 수납하는 수납부의 온도가 과도하게 상승하여 스웰링 현상이 발생하는 것을 방지한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지를 나타낸 분리 사시도이다.
도 2a는 도 1의 A 영역을 확대한 사시도이다.
도 2b는 도 1의 A 영역의 분리 사시도이다.
도 3은 도 1의 I-I'선으로 절단한 단면도이다.
<도면 주요 부호에 대한 부호의 설명 >
100 : 전극 조립체 200 : 외장재
210 : 제 1 외장재 220 : 제 2 외장재
214, 224 : 안전 벤트층
Claims (11)
- 양극판, 음극판 및 상기 두 극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체;상기 전극 조립체를 수납하며, 가장자리에 위치하는 실링부를 포함하는 외장재;상기 외장재의 실링부에 위치하는 안전 벤트층; 및상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되며, 일부가 상기 외장재의 외측으로 돌출되는 다수의 전극탭을 포함하는 이차 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 외장재는상기 전극 조립체를 수납하기 위한 수납부를 포함하며, 가장 자리에 제 1 실링부가 위치하는 제 1 외장재; 및상기 제 1 실링부에 대응되는 제 2 실링부를 포함하며, 상기 수납부를 밀폐하는 제 2 외장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
- 제 2 항에 있어서,상기 안전 벤트층은 상기 제 1 실링부와 제 2 실링부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 외장재는금속재로 이루어진 금속층;상기 금속층의 일측 표면에 위치하는 열융착층; 및상기 금속층의 타측 표면에 위치하는 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
- 제 4 항에 있어서,상기 금속층은 스테인레스 스틸, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
- 제 4 항에 있어서,상기 열융착층은 폴리프로필렌 또는 변성 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 전극탭은 상기 전극 조립체의 양극판과 전기적으로 연결되는 하나 또는 다수의 양극탭 및 상기 전극 조립체의 음극판과 전기적으로 연결되는 하나 또는 다수의 음극탭을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 외장재의 실링부와 상기 전극탭 사이에 위치하는 절연 테이프를 더 포함하는 이차 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 안전 벤트층은 상기 실링부의 일부 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 안전 벤트층은 110℃ 내지 130℃에서 용융되는 열가소성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
- 제 10 항에 있어서,상기 열가소성 수지는 폴리 에틸렌인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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