KR20100005792A - 이차전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수분차단부에 의하여 전지 내부로의 수분의 침투를 방지할 수 있는 이차전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 전지 내부로의 수분의 확산이 현저히 줄어들기 때문에 외기의 습도가 높거나, 장기간 보관하는 경우에 있어서 수분에 의한 전지성능의 저하를 감소시킬 수 있다.
이차전지, 파우치, 밀봉, 수분침투, 장기저장
Description
본 발명은 이차전지에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 수분침투성을 개선한 이차전지에 대한 것이다.
최근에는 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등 콤팩트하고 경량화된 전기전자기기들이 활발히 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 기기들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지팩을 내장하고 있는데, 내장된 전지팩은 휴대용 전기전자기기를 일정 시간 동안 구동시키기 위하여 일정 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지는 경제적인 측면을 고려하여 충·방전이 가능하여 1회 이상 사용할 수 있는 이차전지를 채용하는 것이 일반적이다.
이차전지에는 대표적으로 니켈-카드뮴 전지와 니켈-수소 전지 및 리튬전지와 리튬이온전지 등의 리튬 이차전지 등이 있다.
특히 리튬 이차전지는 작동전압이 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지에 비 해 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높아 선호되고 있다.
그런데, 리튬 이차전지는 리튬과 수분의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용한다. 이 전해질은 리튬염을 함유하는 고체 폴리머의 형태가 될 수 있고 리튬염이 유기용매에 해리된 액상이거나 액상의 전해질이 분리막에 함침된 형태일 수 있다.
파우치는 주로 금속으로 이루어지는 캔에 비해 가볍고, 부피도 덜 차지하며 전지의 형상이나 기기 내 설치방법이 비교적 자유로우므로 이차전지로서 각광을 받고 있다. 이러한 파우치 케이스는 일반적으로 다층막으로 이루어진다.
그러나, 리튬 이차전지의 경우, 그의 전지내용물로서, 카보네이트계 용제와 리튬염으로 이루어지는 전해질이 파우치 케이스에 악영향을 미쳐서 다층 필름층간의 접착강도를 저하시키는 것이 있다.
즉, 리튬전지는 용제를 포함하기 때문에, 용제가 다층막간의 접착층을 팽윤시켜 접착강도를 저하시킨다.
또한, 전해질의 가수분해에 의해서 산과 열이 발생하고, 열접착막을 부식시켜 층간의 접착강도를 저하시키고, 또, 발생하는 열 때문에 전지가 발화하는 것도 있다. 또한, 온도상승에 의해 전지의 기전력의 저하가 일어나서, 접속되어 있는 기기가 정지, 고장나는 것도 있다.
이들 문제의 요인으로 되는 상기 전해질의 가수분해는, 전지의 밀봉계내에 외부로부터 수분이 침투하는 것에 의한다. 따라서, 전지는 외부로부터 수분을 차단하는 것이 요구된다.
특히, 전기자동차 하이브리드 자동차 등의 전원으로 이차 전지가 사용되는 경우 장기간의 수명이 필요하고, 다수의 전지 셀들이 밀집되므로 안전성의 확보가 매우 중요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수분차단부를 구비하여 전지 내부로의 수분침투가 억제되어 장기 보전시나 외기의 습도가 높을 때에도 수분에 의한 성능저하의 염려가 없는 이차전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 이차전지는 전극조립체와, 상기 전극조립체의 외면을 감싸는 파우치 케이스를 포함하고, 상기 파우치 케이스는 2 이상의 실링부를 가지고, 하나의 실링부와 인접한 다른 하나의 실링부 사이에 마련되는 수분차단방지부를 포함한다.
또한, 상기 수분차단방지부는 진공상태일 수 있다.
또한, 상기 수분차단방지부는 제습제를 포함할 수 있다.
또한, 상기 파우치 케이스는 절연막, 금속막 및 열융착물질을 포함하는 열접착막을 포함하고, 상기 열접착막은 상기 실링부에만 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 이차전지의 제조방법은 파우치 케이스의 실링부 중 전극조립체와 가까운 실링부인 1차실링부를 실링하는 1차실링 단계와, 진공분위기에서 상기 1차 실링부에서 기설정된 거리만큼 띄워 2차 실링부를 실링하는 2차 실링단계를 포함한다.
또한, 상기 1차 실링단계와, 상기 2차 실링단계는 진공분위기 하에서 동시에 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 이차전지의 제조방법은 파우치 케이스의 실링부 중 전극조립체와 가까운 실링부인 1차실링부를 실링하는 1차실링 단계와, 상기 1차 실링부와 상기 2차 실링부 사이의 기설정된 공간에 제습제를 삽입하는 제습제 삽입단계와, 상기 1차 실링부에서 상기 제습제 삽입단계에서 삽입한 제습제가 위치한 공간만큼 간격을 띄워 2차 실링부를 실링하는 2차 실링단계를 포함한다.
또한, 제습제를 포함하는 이차전지의 제조는 파우치 케이스의 실링부 중 전극조립체와 가까운 실링부인 1차 실링부와, 상기 1차 실링부와 기 설정된 거리만큼 떨어진 2차 실링부 사이에 제습제를 삽입하는 제습제 삽입단계와, 상기 제1차 실링부와 상기 제2차 실링부를 동시에 실링하는 실링단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 전지 내부로의 수분침투가 감소하여 전지의 수분에 의한 성능저하를 방지할 수 있다.
본 발명에 의한 이차전지는 도 1에서 도시한 바와 같이, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체(100)와, 상기 전극조립체를 감싸는 파우치 케이스(200)를 포함한다.
전극조립체는(100) 양극집전체의 표면에 양극활물질이 코팅된 양극판(110)과 음극집전체의 표면에 음극활물질이 코팅된 음극판(120)과, 상기 양극판 및 음극판 사이에 위치하여 상기 양극판과 음극판을 전기적으로 절연시키는 분리막(130)을 포함한다.
상기 양극판(110)은 알루미늄호일과 같이 도전성이 우수한 금속박판을 양극집전체로 하고, 그 양면에 양극활물질을 코팅한다.
상기 양극활물질로는 주로 리튬계산화물이 사용되는데, 그 예로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-XCoXO2(0<X<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물이 사용되고 있다.
또한, 음극판(120)은 전도성 구리 또는 니켈 호일로 이루어진 금속박판을 음극집전체로 사용하고, 음극집전체의 양면에 음극활물질을 코팅한다.
상기 음극화물질은 탄소계열물질, Si, Sn, 틴옥사이드, 틴 합금 복합체(Composite tin alloys), 전이금속산화물, 리튬금속나이트라이드 또는 리튬금속산화물 등이 사용되고 있다.
또한, 분리막(130)으로는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 등이 사용된다.
상기 양극판 및 음극판의 양 말단에는 양극활물질 및 음극활물질이 코팅되어 있지 않은 집전체 영역인 양극무지부 및 음극무지부가 있게되는데, 이 양극무지부 및 음극무지부에 각각 양극탭(140)과 음극탭(150)이 접합된다.
양극탭(140)은 일반적으로 알루미늄으로 형성되고, 음극탭(150)은 일반적으 로 니켈재질로 형성된다.
전극조립체는 양극판(110), 분리막(130), 음극판(120)순으로 적층된 다층막을 와형으로 권취하여 젤리롤(Jelly Roll)형태로 권취하는데, 젤리롤을 권취할 때 양극과 음극의 단락을 막기 위하여 롤(roll)의 외부로 드러나는 전극면 또는 내부 전극면에는 분리막이 덧붙여진다.
또한, 상기 파우치 케이스(200)는 일반적으로는 파우치 케이스의 하부에는 프레스(press)가공 등을 통하여 전극조립체가 수용될 수 있는 홈(240)이 마련된다. 물론 파우치의 형태에 따라서는 홈이 형성되지 않을 수도 있다.
상기 파우치 케이스(200)는, 절연역할을 하는 절연막(210)과, 파우치 케이스를 밀봉하기 위하여 가열 압착할 때 녹아 밀봉이 될 수 있도록 하는 열접착막(230) 및 상기 절연막과 상기 열접착막 사이에 수분침투를 막기 위하여 금속으로 이루어진 금속막(220)이 마련된다.
상기 절연막은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하므로 기계적 강도가 우수한 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등으로 이루어지고 상기 금속막은 통상 알루미늄으로 형성된다. 상기 열접착막은 열접착특성을 가져 접착제로서 역할을 하는 것으로 폴리올레핀계수지층으로 이루어지는 것이 바람직하며 주로 C-PP(Casted Polypropylene)이 사용된다.
상기 절연막, 상기 금속막, 상기 열접착막은 차례로 적층되고 위 아래로 배치되는 파우치 케이스는 각각의 접착막이 마주보도록 배치되어 가열압착 방식에 의해 파우치 케이스가 밀봉될 수 있도록 한다.
이차전지의 조립은 파우치 케이스가 전극조립체(100)를 감쌀 수 있도록 상기 홈에 전극조립체(100)를 위치시키고 도 1에서 도시한 바와 같이 하나의 파우치 케이스를 접어서 이차전지를 밀봉하거나, 두 장의 파우치케이스를 전극조립체의 위아래로 겹쳐서 밀봉할 수 있다.
위 아래 파우치 케이스는 융착부(250)를 융착시켜 밀봉하는데 이 융착부(250)는 둘 이상의 실링부를 포함한다. 도 2에서는 실링부(241, 242)를 2개 가지고 있는 이차전지를 도시하였는데, 상기 실링부는 열접착막(230)이 서로 융착되어 형성되는 부분이며, 상기 실링부(241)와 실링부(242)의 사이에는 수분차단부(243)가 형성된다.
상기 수분차단부(243)는 도 3에서와 같이 진공상태일 수도 있고, 도 4에서와 같이 제습제를 포함할 수도 있다. 또한 본 발명에서 사용되는 제습제로는 실리카 겔등이 사용될 수 있다.
상기 수분차단부(243)를 형성하기 위하여 종래의 융착부(250)와 동일한 폭을 가지는 융착부에 2 이상의 실링부를 형성시킬 수도 있고, 융착부의 폭을 종래의 전지에 비하여 2배 이상으로 늘려 2 이상의 실링부를 형성시킬 수도 있다. 전지 내부까지의 거리가 길수록 수분은 더 잘 차단되므로 후자의 경우가 수분차단에 있어서 유리하나, 융착부가 길어짐에 따라 전지 전체가 차지하는 면적이 커지므로 수분차단성능을 향상시키면서도 전지가 차지하는 면적은 커지지 않도록 하기 위하여 융착부를 접을 수도 있다.
도 5에서는 종래기술에 의한 이차 전지에서의 수분의 확산과정을 모식적으로 도시하였다. 파우치 케이스 내부로의 수분(10)의 이동 여부는 전극조립체가 수용된 파우치 케이스 내부와 외부간의 습도차이에 의해 수분의 확산이 이루어진다. 종래의 이차전지의 경우 도 5에서 도시한 바와 같이 단일 실링에 의해 융착부가 융착되므로 외부의 습도가 높을수록 전지에 수분이 침투하게 될 가능성이 높아지고, 전지에 수분이 침투하게 되면 전지의 성능이 저하된다.
그러나, 본원발명의 경우 도 6에서 도시한 바와 같이 외부의 습도가 높더라도, 일차적으로 수분차단부(243)로 수분이 확산되는 과정과, 수분차단부에서 다시 전지내부로 확산되는 두 번의 과정을 거쳐야 수분이 전지 내부로 침투할 수 있어 수분에 의한 전지성능 저하의 염려가 매우 적어진다.
또한, 수분차단부(243)에 제습제를 채워넣으면 제습제에 의해 수분차단부로 확산된 습기가 제거되어 더 이상 전지 내부로 수분이 확산하지 않으므로 전지의 수분에 의한 장기저장성능의 저하 염려가 현저히 작아지는 효과를 가져온다.
또한, 본 발명에서는 실링부에서만 열융착이 일어나므로 파우치 케이스의 열접착막을 도 7에서 도시한 바와 같이 실링부에만 형성시킬 수 있다.
본 발명에 의한 이차전지는 실링부 중 전극조립체와 가까운 실링부인 1차실링부를 실링하는 1차실링 단계와, 진공분위기에서 상기 1차 실링부에서 기 설정된 거리 만큼 띄워 2차 실링부를 실링하는 2차 실링단계를 포함하여 밀봉한다.
1차 실링부는 일반적인 파우치 케이스의 실링방법과 마찬가지로 하되, 융착부 전체를 융착하여 실링하지 않고 전극조립체와 가까운 부분을 먼저 누르면서 융착한다. 2차 실링부를 융착할 때에는 상기 1차 실링부로부터 일정 거리 띄워진 부 분을 진공상태에서 눌러서 융착한다.
이렇게 밀봉시, 1차 실링부와 2차 실링부 사이에는 진공상태의 수분차단부가 형성되고, 상기 수분차단부에 의해 수분의 전지 내부로의 침투가 상당히 감소된다.
또한, 이렇게 순차적으로 1차 실링부와 2차 실링부를 실링할 수도 있으나, 1차 실링부와 2차 실링부에 대응되는 범위를 실링할 수 있도록 실링시 사용되는 열압착기계를 고안하여 동시에 실링할 수도 있다.
동시에 실링하는 경우, 이차 전지의 제조시간을 단축시킬 수는 있으나, 별도의 기계가 필요한 단점이 있다. 그런데, 도 7에서와 같이 이차전지의 1차 실링부 및 2차 실링부에만 열접착막을 형성시키면 진공분위기 하에서 종래의 기계를 사용하여 압착하여 1차 실링부 및 2차실링부를 동시에 압착가능하다.
본 발명에 의한 이차전지의 수분차단부에는 제습제를 삽입하여 수분차단효과를 증대시킬 수 있는데, 이러한 제습제를 포함하는 이차전지를 제조하는 방법은 다음과 같다.
파우치 케이스의 실링부 중 전극조립체와 가까운 실링부인 1차실링부를 실링하는 1차실링 단계와, 상기 1차 실링부와 일정 간격을 띄워 2차 실링부를 실링하기 전, 상기 1차 실링부와 상기 2차 실링부 사이에 제습제를 삽입하는 제습제 삽입단계와, 상기 1차 실링부에서 상기 제습제 삽입단계에서 삽입한 제습제가 위치한 공간만큼 간격을 띄워 2차 실링부를 실링하는 2차 실링단계를 포함한다.
제습제를 사용하는 경우에도 , 상기 1차 실링부와 상기 2차 실링부 사이에 제습제를 위치시킨 후 가열압착하여 동시에 1차 실링부 및 2차 실링부를 실링할 수 있다. 이처럼 동시에 가열압착하여 실링시 공정이 간편하고, 실링에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 이차전지를 모식적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 2이상의 실링부를 가지는 이차전지를 도시한 것이다.
도 3, 도 4 및 도 7은 본 발명에 의한 이차전지의 융착부의 단면을 도시한 것이다.
도 5는 종래 이차전지에서의 수분침투과정을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 이차전지의 수분침투과정을 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
전극조립체 - 100, 파우치 케이스 - 200
양극판 - 110, 음극판 - 120, 분리막 - 130
절연막 - 210, 금속막 - 220, 열접착막 - 230
융착부 - 250
실링부 - 241, 242
수분차단부 - 243
Claims (8)
- 전극조립체와, 상기 전극조립체의 외면을 감싸는 파우치 케이스를 포함하고,상기 파우치 케이스는 2 이상의 실링부를 가지고, 하나의 실링부와 인접한 다른 하나의 실링부 사이에 마련되는 수분차단방지부를 포함하는 이차전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 수분차단방지부는 진공상태인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 수분차단방지부는 제습제를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 파우치 케이스는 절연막, 금속막 및 열융착물질을 포함하는 열접착막을 포함하고, 상기 열접착막은 상기 실링부에만 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 파우치 케이스의 실링부 중 전극조립체와 가까운 실링부인 1차실링부를 실링하는 1차실링 단계;와진공분위기에서 상기 1차 실링부에서 기설정된 거리만큼 띄워 2차 실링부를 실링하는 2차 실링단계;를 포함하는 이차전지의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,상기 1차 실링단계와, 상기 2차 실링단계는 진공분위기 하에서 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 파우치 케이스의 실링부 중 전극조립체와 가까운 실링부인 1차실링부를 실링하는 1차실링 단계;와상기 1차 실링부와 상기 2차 실링부 사이의 기설정된 공간에 제습제를 삽입하는 제습제 삽입단계;와상기 1차 실링부에서 상기 제습제 삽입단계에서 삽입한 제습제가 위치한 공간만큼 간격을 띄워 2차 실링부를 실링하는 2차 실링단계;를 포함하는 이차전지의 제조방법.
- 파우치 케이스의 실링부 중 전극조립체와 가까운 실링부인 1차 실링부와, 상기 1차 실링부와 기 설정된 거리만큼 떨어진 2차 실링부 사이에 제습제를 삽입하는 제습제 삽입단계;와상기 제1차 실링부와 상기 제2차 실링부를 동시에 실링하는 실링단계;를 포함하는 이차전지의 제조방법.
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