KR20120124704A - 폭발 안정성을 가지는 셀 파우치 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 셀 파우치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열이나 압력 등에 의한 폭발 위험이 있을 경우, 실란트층에 형성된 기공을 통하여 열이나 압력 등이 외부로 빠져나가 폭발 안정성을 가지는 셀 파우치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 가스 배리어층 및 실란트층을 포함하고, 상기 실란트층은 실링 수지; 및 열에 의해 팽창되어 기공을 형성시키는 열팽창성 마이크로캡슐을 포함하는 셀 파우치 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 셀에서 발생된 열이나 압력 등이 마이크로캡슐의 열팽창에 의해 형성된 기공을 통하여 외부로 빠져나가 폭발 위험성이 방지된다.
Description
본 발명은 셀 파우치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열이나 압력 등에 의한 폭발 위험이 있을 경우, 실란트층에 형성된 기공을 통하여 열이나 압력 등이 외부로 빠져나가 폭발 안정성을 가지는 셀 파우치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 리튬 이온 2차 전지 등의 전지(cell)는 금속 캔(metal can)에 내장되고 있다. 금속 캔은 주로 알루미늄(Al)이 사용되며, 프레스 가공을 통하여 원통형이나 각형(직육면체 등)의 형상을 갖는다.
그러나 금속 캔은 외벽이 단단하여 셀 자체의 형상이 금속 캔의 형상에 의해 결정되는 제약이 있다. 이러한 제약을 극복하고자 플렉시블(flexible)한 셀 파우치(cell pouch)가 개발되어 사용되고 있다. 일반적으로, 셀 파우치는 가스 배리어성(가스 차단성) 및 내전해액성 등을 고려하여 다층 구조로 제조되고 있다. 도 1은 종래 기술에 따른 셀 파우치의 단면 구성도(적층 구조)를 보인 것이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 셀 파우치(P)는 가스 배리어층(1, gas barrier layer)과 실란트층(2, sealant layer)을 포함한다. 그리고 가스 배리어층(1) 상에 형성된 최외층으로서 표면 보호층(3)을 더 포함하기도 한다.
상기 가스 배리어층(1)은 가스 출입을 차단하기 위한 것으로서, 이는 주로 알루미늄 박막(Al foil)이 사용된다. 상기 실란트층(2)은 최내층에 위치하여 내용물, 즉 셀과 접촉된다. 그리고 상기 표면 보호층(3)은 내마모성 및 내열성 등을 고려하여 주로 나일론(Nylon) 수지가 사용된다.
셀 파우치(P)는 위와 같은 적층 구조의 필름이 주머니 형태로 가공되어 제조되며 양극, 음극 및 세퍼레이터(separator) 등의 셀 구성 요소가 전해액에 함침된 다음 내장된다. 이와 같이 셀 구성 요소가 내장된 다음, 도 1에 도시한 바와 같이 셀 파우치(P)의 입구에서 실란트층(2)끼리 열접착(열봉합)되어 실링된다. 이때, 실란트층(2)은 셀 구성 요소와 접촉되므로 절연성과 함께 내전해액성 등을 가져야 하며, 또한 외부와의 밀폐를 위해 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 실란트층(2)끼리 열접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도(실링성)를 가져야 한다. 일반적으로, 실란트층(2)은 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용된다. 특히, 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내전해액성 등이 뛰어나 셀 파우치(P)의 실란트층(2)으로 주로 사용되고 있다.
그러나 종래 기술에 따른 셀 파우치(P)는 폭발 위험성에 대한 안정성이 없는 문제점이 있다. 일반적으로, 셀에서는 전기를 생성/방출(충전/방전)하는 과정(산화환원 반응 등)에서 열과 압력을 발생하는데, 이때 셀 내부의 이상 반응에 의한 과충전이나 쇼트 등의 이유로 높은 열과 압력을 발생할 수 있다. 이러한 높은 열과 압력으로 폭발할 수 있는데, 종래의 셀 파우치(P)는 위와 같은 폭발 위험성을 방지할 수 있는 기술적 수단을 강구하지 못하여 폭발 위험성에 노출되어 있는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따른 셀 파우치(P)는 실란트층(2)의 열접착 강도(실링성)가 양호하지 못하고, 층간 부착력이 약한 문제점이 있다. 특히, 가스 배리어층(1)은 Al 등의 금속으로 구성되고 있는데, 이러한 금속의 가스 배리어층(1)과 실란트층(2) 간의 층간 부착력이 약한 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 셀에서 발생된 열이나 압력 등을 외부로 빼내어 제거시킴으로써, 열이나 압력 등에 따른 폭발 위험성을 방지한 셀 파우치 및 그 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 실란트층의 열접착 강도(실링성)가 우수하고, 층간 부착력이 향상된 셀 파우치 및 그 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
가스 배리어층 및 실란트층을 포함하고,
상기 실란트층은,
실링 수지; 및
열에 의해 팽창되어 기공을 형성시키는 열팽창성 마이크로캡슐을 포함하는 셀 파우치를 제공한다.
이때, 상기 실란트층은 변성 폴리에틸렌, 변성 폴리프로필렌, 아크릴 수지 및 변성 아크릴 수지로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상의 수지를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은,
가스 배리어층 상에 실란트층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 실란트층을 형성하는 단계는 실란트 조성물을 가스 배리어층 상에 압출하여 형성하되,
상기 실란트 조성물은,
실링 수지; 및
열에 의해 팽창되어 기공을 형성시키는 열팽창성 마이크로캡슐을 포함하는 셀 파우치의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 셀에서 발생된 열이나 압력 등이 마이크로캡슐의 열팽창에 의해 형성된 기공을 통하여 외부로 빠져나가 제거되어 폭발 위험성이 방지되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따르면, 실란트층이 우수한 열접착 강도(실링성)를 가지며, 가스 배리어층과 실란트층의 층간 부착력이 개선되는 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 열팽창성 마이크로캡슐의 절단 사시도이다.
도 4는 본 발명에 사용되는 열팽창성 마이크로캡슐의 열팽창 메커니즘(Heat Expansion Mechanism)을 보인 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제2구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제3구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 사용된 열팽창성 마이크로캡슐의 팽창 전과 팽창 후의 전자 현미경 사진이다.
도 8은 본 발명에 실시예에 따라 제조된 셀 파우치의 각 온도에 따른 팽창배율(배)을 보인 그래프와, 각 온도에 따른 단면 사진과 표면 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제1구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 열팽창성 마이크로캡슐의 절단 사시도이다.
도 4는 본 발명에 사용되는 열팽창성 마이크로캡슐의 열팽창 메커니즘(Heat Expansion Mechanism)을 보인 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제2구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제3구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 사용된 열팽창성 마이크로캡슐의 팽창 전과 팽창 후의 전자 현미경 사진이다.
도 8은 본 발명에 실시예에 따라 제조된 셀 파우치의 각 온도에 따른 팽창배율(배)을 보인 그래프와, 각 온도에 따른 단면 사진과 표면 사진을 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 셀 파우치는 가스 배리어층(10, gas barrier layer) 및 실란트층(20, sealant layer)을 포함한다. 상기 실란트층(20)은 가스 배리어층(10)의 어느 한 면 또는 양면에 형성될 수 있다. 이때, 상기 실란트층(20)은 가스 배리어층(10)과 맞닿도록 형성되거나, 다른 층을 사이에 두고 형성될 수 있다. 예를 들어, 가스 배리어층(10)과 실란트층(20)의 사이에는 중간층(40, 도 6 참조)이 더 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 셀 파우치는 가스 배리어층(10)과 실란트층(20)을 포함하여, 적어도 2층 이상의 다층 구조를 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 셀 파우치는 가스 배리어층(10)과 실란트층(20) 이외에 기타의 다른 층을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 예시한 바와 같이, 상기 가스 배리어층(10) 상에 형성된 수지층(30)을 더 포함할 수 있다. 또한, 도 6에 예시한 바와 같이, 가스 배리어층(10)과 실란트층(20)의 사이에 형성된 중간층(40)을 더 포함할 수 있다. 도 2는 본 발명의 제1구현예에 따라서, 아래에서부터 실란트층(20), 가스 배리어층(10) 및 수지층(30)이 순차적으로 형성된 적층 구조를 보인 것이다. 도 2에 보인 적층 구조는, 예를 들어 소형 전지 등을 내장하는 용도로 사용될 수 있다.
상기 가스 배리어층(10)은 가스 배리어(barrier)성을 가지는 것이면 제한되지 않는다. 구체적으로, 가스 배리어층(10)은 외부의 습기나 공기, 그리고 내부에서 발생된 가스의 출입을 차단할 수 있으면 좋다. 가스 배리어층(10)은 기체 불과성의 플라스틱 필름, 금속 박막 및 증착층 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때, 상기 금속 박막은 예를 들어 1㎛(마이크로미터) 내지 300㎛의 두께를 가지는 금속 포일(metal foil) 등을 사용할 수 있으며, 이는 실란트층(20)과 접착제를 통해 합지될 수 있다. 또한, 상기 증착층은 금속 및 금속산화물로부터 선택된 하나 이상이 증착되어 형성된 것으로서, 이는 실란트층(20) 상에 진공 증착되어 형성되거나, 별도의 플라스틱 필름, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 등의 필름에 진공 증착되어 형성될 수 있다. 아울러, 증착층은 예를 들어 1㎚(나노미터) 내지 300㎛의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에서 상기 가스 배리어층(10)으로 적용되는 금속, 구체적으로 상기 금속 박막이나 증착층을 구성하는 금속은 예를 들어 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 은(Ag), 텡스텐(W) 및 철(Fe) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상(단일 금속 또는 단일 금속의 혼합), 또는 이들로부터 선택된 2 이상의 합금(alloy) 등을 예로 들 수 있으나, 이들에 의해 제한되는 것은 아니다. 금속은, 바람직하게는 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금(Al alloy)으로부터 선택되면 좋다. 또한, 상기 증착층으로 사용될 수 있는 금속산화물의 경우에는 예를 들어 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2), 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3) 및 산화아연(ZnO) 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 실란트층(20)은, 셀이 내장(포장)된 후, 열에 의해 접착(열융착)되어 실링(sealing)성을 부여하는 것으로서, 이는 본 발명에 따라서 실링 수지(sealing resin)와 열팽창성 마이크로캡슐(25, microcapsule)을 포함한다. 이때, 상기 실링 수지는 열 접착성(실링성)을 부여하며, 상기 열팽창성 마이크로캡슐(25)은 셀에서 발생한 열이나 압력 등에 의한 폭발 위험성을 방지한다.
상기 실링 수지는 열에 의해 용융, 봉합되어 열 접착성(실링성)을 부여할 수 있고, 절연성을 가지는 수지이면 특별히 제한되지 않는다. 실링 수지는, 바람직하게는 저온에서 열 봉합이 가능한 저융점 수지로부터 선택될 수 있다. 상기 실링 수지는, 예를 들어 300℃ 이하, 바람직하게는 270℃ 이하의 온도, 구체적인 예를 들어 120 ~ 270℃에서 용융되어 열 봉합될 수 있는 수지를 사용할 수 있다. 실링 수지는, 보다 구체적인 예를 들어 폴리프로필렌(PP)계나 폴리에틸렌(PE)계 등의 폴리올레핀계 및 이들의 유도체, 그리고 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한, 실링 수지는 다른 예를 들어 터폴리머(ter-polymer)로서, 에틸렌/프로필렌/부타디엔의 3원 공중합체 등과 같이 융점이 낮고 실링성이 우수한 수지를 사용할 수 있다.
상기 실링 수지는, 바람직하게는 폴리프로필렌(PP)계를 포함하는 것이 좋으며, 구체적인 예를 들어 호모 폴리프로필렌(homo PP), 폴리프로필렌 공중합체(PP co-polymer) 및 폴리프로필렌 터폴리머(PP ter-polymer) 등으로부터 선택된 하나 이상의 폴리프로필렌(PP)계를 사용하는 것이 좋다. 상기 폴리프로필렌(PP)계는 실링성 및 절연성이 양호함은 물론 인장 강도, 강성 및 표면 경도 등의 기계적 물성과, 내전해액성 등의 내화학성이 뛰어나 본 발명에 유용하게 사용될 수 있다.
상기 열팽창성 마이크로캡슐(25)은 폭발 위험성을 방지하기 위한 것으로서, 이는 열에 의해 팽창되어 기공(pore)을 형성시킨다. 구체적으로, 상기 열팽창성 마이크로캡슐(25)은 셀에서 필요 이상의 높은 열이나 압력이 발생할 경우, 열에 의해 부피가 팽창되어 미세 기공을 형성시킨다. 이때, 상기 미세 기공은 실란트층(20)에, 보다 구체적으로 실란트층(20)끼리 열 접착된 실링 부위, 즉 실란트층(20) 간의 접착 계면에 형성되며, 이러한 미세 기공에 의해 폭발의 원인이 되는 열이나 압력, 그리고 가스 등이 흡수되거나, 특히 실란트층(20) 간의 접착 계면에 형성된 미세 기공을 통하여 열이나 압력, 그리고 가스 등이 외부로 빠져나가 폭발의 위험성이 방지된다.
도 3은 본 발명에 사용되는 열팽창성 마이크로캡슐(25)의 일례를 보인 절단 사시도이고, 도 4는 본 발명에 사용되는 열팽창성 마이크로캡슐(25)의 열팽창 메커니즘(Heat Expansion Mechanism)을 보인 모식도이다.
상기 열팽창성 마이크로캡슐(25)은 셀에서 발생된 열에 의해 부피가 팽창되어 기공을 형성시킬 수 있으면 특별히 제한되지 않는다. 상기 열팽창성 마이크로캡슐(25)은, 그 단면이 원형 또는 타원형 등의 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 3 및 도 4에서는, 그의 단면이 원형인 열팽창성 마이크로캡슐(25)을 예시한 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 열팽창성 마이크로캡슐(25)은 내부에 열팽창성 물질이 포집된 캡슐 형태로서, 이는 구체적으로 외부 막으로서의 셀(25a, shell)과, 상기 쉘(25a) 내부에 형성된 코어(25b, core)를 포함하며, 상기 코어(25b)에는 열팽창성 물질이 포집(충전)되어 있다. 이때, 상기 열팽창성 물질은 열에 의해 팽창되어 쉘(25a)에 압력을 가하는 것이면 좋으며, 바람직하게는 탄화수소 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 탄화수소는 액상 및/또는 기상을 포함하며, 바람직하게는 액화 탄화수소로부터 선택될 수 있다. 아울러, 상기 쉘(25a)은 열가소성 고분자로서, 예를 들어 아크릴 수지, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등으로부터 선택된 하나 이상으로 구성될 수 있다. 상기 쉘(25a)은 실링 수지와 융점이 다른 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 실링 수지보다 융점이 큰 것으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 쉘(25a)은 0.01 ~ 50㎛의 두께(T25a)를 가지는 것이 좋다. 이때, 쉘(25a)의 두께(T25a)가 0.01㎛ 미만이면, 실링 시 쉘(25a)이 파단될 우려가 있으며, 50㎛를 초과하면 열 팽창성이 약하여 기공 생성율이 미미할 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 쉘(25a)은 0.2 ~ 10㎛의 두께(T25a)를 가지는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1 ~ 5㎛의 두께(T25a)를 가지는 것이 좋다.
아울러, 상기 열팽창성 마이크로캡슐(25)은 예를 들어 0.1 ~ 200㎛의 크기(외경)를 가질 수 있다. 이때, 열팽창성 마이크로캡슐(25)의 크기(T25)가 0.1㎛ 미만으로 너무 작으면, 즉 외경이 너무 작으면, 열팽창에 의해 형성되는 기공의 크기가 작아 열이나 압력의 흡수, 제거 효율이 다소 미미할 수 있으며, 200㎛를 초과하여 크기(T25)가 너무 크면 실란트층(20)의 실링성(열접착 강도)을 떨어뜨릴 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 열팽창성 마이크로캡슐(25)의 크기(T25)는, 즉 외경은 0.5 ~ 100㎛가 바람직하며, 보다 바람직하게는 2 ~ 50㎛가 좋다. 또한, 도 4에 예시한 바와 같이, 상기 열팽창성 마이크로캡슐(25)은 열에 의해 최대로 팽창된 후, 더 많은 열을 받으면 쉘(25a)의 파단 등의 이유로 부피가 축소(Shrinking)되는 것을 사용할 수 있다. 상기 열팽창성 마이크로캡슐(25)은 상업용으로 판매되고 있는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어 일본 마스모토 유시-세이야쿠(matsumoto yushi-seiyaku)社의 F-시리즈 제품(F-36, F-48, F-50 및 F-85 등)이나, 한국 동진세미켐社의 M-시리즈 제품(MS131, MS161 등) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서, 상기 실란트층(20)은 상기한 바와 같은 실링 수지와 열팽창성 마이크로캡슐(25)을 포함하되, 실링 수지 100중량부에 대하여 열팽창성 마이크로캡슐(25) 1 ~ 40중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 열팽창성 마이크로캡슐(25)의 함량이 1중량부 미만이면 기공 생성율이 작아 열이나 압력의 흡수, 제거 효율이 미미할 수 있다. 그리고 열팽창성 마이크로캡슐(25)의 함량이 40중량부를 초과하여 너무 많으면, 상대적으로 실링 수지의 함량이 작아져 열접착 강도(실링성)이 낮아지고, 점도의 증가로 실란트층(20)의 가공성(코팅성, 압출 성형성 등)이 떨어질 수 있다. 실란트층(20)은, 바람직하게는 실링 수지 100중량부에 대하여 열팽창성 마이크로캡슐(25) 5 ~ 20중량부를 포함하는 것이 좋다.
한편, 상기 실란트층(20)은 실링 수지 및 열팽창성 마이크로캡슐(25) 이외에 다른 기능성 성분을 더 포함할 수 있다. 실란트층(20)은, 예를 들어 열접착 강도(실링성)를 증가시킬 수 있는 성분; 내화학성(내전해액성 등)을 증가시킬 수 있는 성분; 및 가스 배리어층(10)과의 층간 부착력을 증가시킬 수 있는 성분 등에서 선택된 하나 이상을 더 포함하면 좋다.
상기 실란트층(20)은, 바람직하게는 변성 폴리에틸렌(변성 PE), 변성 폴리프로필렌(변성 PP), 아크릴 수지(아크릴레이트 등), 변성 아크릴 수지(변성 아크릴레이트 등), 에폭시계 수지 및 페놀계 수지 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상의 접착성 수지를 더 포함하는 것이 좋다. 상기 나열한 접착성 수지는 실란트층(20)에 포함되어 열접착 강도(실링성), 내화학성(내전해액성 등), 및/또는 가스 배리어층(10)과의 층간 부착력을 증가시킨다. 예를 들어, 상기 아크릴 수지(또는 변성 아크릴 수지)의 경우에는 열접착 강도와 층간 부착력을 증가시키며, 상기 변성 PE나 변성 PP의 경우에는 층간 부착력과 내화학성을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 나열한 접착성 수지는 실링 수지(특히, 폴리프로필렌계 등의 폴리올레핀계)와 호환성이 좋다. 이때, 상기 나열한 접착성 수지에서 변성 수지는 베이스 수지(PE, PP 또는 아크릴 수지)에 불포화 카르복실산(및/또는 이의 유도체)이나 비닐 단량체 등이 중합(예를 들어 그라프트 중합)되어 변성된 것으로서, 바람직하게는 실링 수지보다 융점이 낮은 것으로부터 선택될 수 있다. 아울러, 실란트층(20)은 실링 수지 100중량부에 대하여 상기 나열한 접착성 수지를 예를 들어 0.1 ~ 40중량부로 포함할 수 있다.
또한, 상기 나열한 접착성 수지는 본 발명에 따른 셀 파우치에 별도의 층으로 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 나열한 접착성 수지는 가스 배리어층(10)과 실란트층(20)의 사이에 별도의 층으로 형성되어, 가스 배리어층(10)과 실란트층(20)의 층간 부착력 개선을 도모하거나, 실란트층(20)의 표면(도 2에서 하부면)에 형성되어 열접착 강도(실링성)와 내화학성의 개선을 도모할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 상기 가스 배리어층(10) 상에는 수지층(30)을이 더 형성될 수 있는데, 이때 상기 수지층(30)은 가스 배리어층(10)을 보호할 수 있으면 좋으며, 예를 들어 내열성, 내한성, 내핀홀성, 절연성 및/또는 내용제성 등의 특성을 가지는 수지를 포함하면 좋다. 상기 수지층(30)은, 구체적으로 나일론 수지(Nylon resin), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리올레핀(PE, PE 등) 등으로부터 선택된 하나 이상의 수지를 포함하는 것이 좋다. 수지층(30)은 상기 나열한 바와 같은 수지를 포함하는 조성물이 상기 가스 배리어층(10) 상에 코팅(또는 압출)되어 형성되거나, 상기 나열한 바와 같은 수지를 포함하는 필름이 가스 배리어층(10) 상에 1층 또는 2층 이상 합지(접착)되어 형성될 수 있다.
상기 수지층(30)은, 바람직하게는 나일론 수지(Nylon resin) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로부터 선택된 하나 이상을 포함하면 좋다. 예를 들어, 상기 수지층(30)은 나일론 수지층, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)층 또는 이들의 복합층으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 수지층(30)은 가스 배리어층(10) 상에 코팅 또는 공압출을 통하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 수지층(30)과 가스 배리어층(10)의 사이에는 이들의 층간 부착력을 위한 별도의 접착제층이 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도를 보인 것이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 셀 파우치는 실란트층(20), 상기 실란트층(20) 상에 형성된 가스 배리어층(10), 및 상기 가스 배리어층(10) 상에 형성된 수지층(30)을 포함하되, 상기 수지층(30)은 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 수지층(30)은 도 5에 도시한 바와 같이 가스 배리어층(10) 상에 형성된 제1수지층(31), 및 상기 제1수지층(31) 상에 형성된 최외층으로서의 제2수지층(32)을 포함할 수 있다. 이때, 바람직한 구현예에 따라서, 상기 제1수지층(31)은 나일론 수지를 포함하고, 상기 제2수지층(32)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리올레핀(PE, PE 등)으로부터 선택된 하나 이상의 수지를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1수지층(31)은 나일론 수지층으로 구성되고, 상기 제2수지층(32)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)층으로 구성될 수 있다. 도 5에 보인 적층 구조는, 예를 들어 중형 전지나 대형 전지 등을 내장하는 용도로 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도를 보인 것이다. 도 6에 보인 바와 같이, 본 발명에 따른 셀 파우치는 상기 가스 배리어층(10)과 실란트층(20)의 사이에 형성된 중간층(40)을 더 포함할 수 있다. 구체적인 예를 들어, 도 6에 보인 바와 같이 실란트층(20), 상기 실란트층(20) 상에 형성된 중간층(40), 상기 중간층(40) 상에 형성된 가스 배리어층(10), 및 상기 가스 배리어층(10) 상에 형성된 수지층(30)을 포함하는 적층 구조를 가질 수 있다. 또한, 다른 구현예에 따라서, 상기 중간층(40)은 가스 배리어층(10)과 수지층(30)의 사이에 형성될 수 있다.
상기 중간층(40)은 예를 들어 절연성, 내열성, 내한성 및/또는 내화학성(내전해액성 등) 등의 특성을 가지는 수지를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 중간층(40)은 가스 배리어층(10)과 실란트층(20)의 층간 부착력을 도모할 수 있는 수지를 포함할 수 있다. 상기 중간층(40)은, 구체적인 예를 들어 나일론 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리올레핀 수지, 변성 폴리올레핀 수지, 아크릴 수지, 변성 아크릴 수지 및 에폭시계 수지 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 폴리올레핀 수지는 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP) 등을 예로 들 수 있으며, 상기 변성 폴리올레핀 수지는 변성 폴리에틸렌(변성 PE) 및 변성 폴리프로필렌(변성 PP) 등으로서 전술한 바와 같다. 이때, 상기 나열된 수지 중에서 나일론 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리올레핀(PE, PP 등) 등은 절연성, 내열성, 내한성 및/또는 내화학성 등에 유리하며, 상기 변성 폴리올레핀(변성 PE나 변성 PP 등), 아크릴 수지, 변성 아크릴 수지 및 에폭시계 수지 등은 내화학성, 특히 가스 배리어층(10)과 실란트층(20)의 층간 부착력을 향상시켜 유용하게 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 셀 파우치는, 상기한 바와 같은 다층 구조를 가지되, 각 층들은 특별히 한정하는 것은 아니지만 공압출(co-extrusion)을 통하여 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기 실란트층(20)은 가스 배리어층(10) 상에 공압출되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 실란트층(20)은 가스 배리어층(10)과의 층간 부착력이 우수하도록, 실링 수지 및 열팽창성 마이크로캡슐(25) 이외에 상기 나열한 바와 같은 접착성 수지(변성 PE, 변성 PP, 아크릴 수지, 변성 아크릴 수지, 에폭시계 수지 및 페놀계 수지 등)를 더 포함하는 실란트 조성물이 공압출되어 형성되는 것이 좋다. 아울러, 상기 수지층(30) 및 중간층(40)의 경우에도 가스 배리어층(10) 상에 공압출되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 실란트층(20), 수지층(30) 및 중간층(40) 중에서 선택된 하나 이상은, 이들을 구성하는 베이스 수지 이외에 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 방담제, 슬립제 및 안티블로킹제 등으로부터 선택된 하나 이상을 예로 들 수 있다. 첨가제는 특별히 제한되지 않으며, 상기한 것들 이외에 당업계에서 통상적으로 사용되고 있는 것이나 기타 기능성 성분으로부터 선택될 수 있다. 이러한 첨가제는 각 층(20)(30)(40)을 구성하는 베이스 수지 100중량부에 대하여 예를 들어 0.01 ~ 20중량부, 보다 구체적으로는 0.05 ~ 10중량부로 포함될 수 있다.
상기 방담제는 각 층(20)(30)(40)의 표면에 공기 중의 수분이 응축되어 흐르는 것을 방지하는 것으로서, 이는 예를 들어 계면활성제 등으로부터 선택될 수 있다. 방담제는, 구체적인 예를 들어 소르비탄모노올레에이트, 소르비탄모노라우레이트, 소르비탄모노베헤네이트, 소르비탄모노스테아레이트 등의 소르비탄 지방산 에스테르; 글리세린모노올레에이트, 글리세린모노스테아레이트 등의 글리세린 지방산 에스테르; 라우릴디에탄올아민 등의 지방족 아민; 올레인산아미드 등의 지방산 아미드 등을 들 수 있다. 이러한, 방담제는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 각 층(20)(30)(40)을 구성하는 베이스 수지 100중량부에 대하여 0.01 ~ 10 중량부, 보다 구체적으로는 0.1 ~ 5중량부로 포함될 수 있다.
상기 슬립제는 압출 시 슬립성(또는 이형성)을 부여할 수 있는 것으로서, 이는 예를 들어 실리콘, 실록산, 실란, 왁스계 및 올레인산 아미드 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 슬립제는 상기 나열한 것들 이외에 각 층(20)(30)(40)의 표면에 윤활성을 부여하고 마찰계수를 줄일 수 있으면 어떠한 것이든 사용 가능하고, 특별히 한정하는 것은 아니지만 각 층(20)(30)(40)을 구성하는 베이스 수지 100중량부에 대하여 0.05 ~ 15 중량부, 보다 구체적으로는 0.1 ~ 10 중량부로 포함될 수 있다.
상기 안티블로킹제는 압출 후 권취 시, 셀 파우치 필름 간의 부착을 방지할 수 있는 것으로서, 이는 예를 들어 실리카, 규조토, 카올린 및 탈크 등과 같은 무기물 입자 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 안티블로킹제는 실란트층(20)이나 수지층(30)에는 가능한 한 포함되는 것이 좋으며, 특별히 한정하는 것은 아니지만 각 층(20)(30)(40)을 구성하는 베이스 수지 100중량부에 대하여 0.05 ~ 15 중량부, 보다 구체적으로는 0.1 ~ 10 중량부로 포함될 수 있다.
또한, 상기 각 층(10)(20)(30)(40)의 두께에 있어서, 상기 가스 배리어층(10)의 경우에는 예를 들어 0.1㎛ 내지 300㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 실란트층(20)의 경우에는 예를 들어 0.1㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있다. 실란트층(20)은, 바람직하게는 양호한 열접착 강도(실링성)를 위해 3.0㎛ 이상, 구체적으로는 3.0㎛ 내지 500㎛, 보다 바람직하게는 3.0㎛ 내지 300㎛의 두께를 가지는 것이 좋다. 아울러, 상기 수지층(30)과 중간층(40)은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 0.1㎛ 내지 300㎛, 바람직하게는 0.5㎛ 내지 200㎛의 두께를 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 셀 파우치의 제조방법은, 가스 배리어층(10) 상에 실란트층(20)을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 실란트층(20)을 형성하는 단계는 실란트 조성물을 가스 배리어층(10) 상에 압출, 형성하는 방법으로 진행된다. 이때, 상기 실란트 조성물은 전술한 바와 같은 실링 수지 및 열팽창성 마이크로캡슐(25)을 포함한다. 바람직하게는, 상기 실란트 조성물은 실링 수지 100중량부에 대하여 열팽창성 마이크로캡슐(25) 1 ~ 40중량부를 포함하는 것이 좋다.
아울러, 상기 실란트 조성물은 상기한 바와 같은 접착성 수지, 즉 변성 폴리에틸렌(변성 PE), 변성 폴리프로필렌(변성 PP), 아크릴 수지(아크릴레이트 등), 변성 아크릴 수지(변성 아크릴레이트 등), 에폭시계 수지 및 페놀계 수지 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상의 접착성 수지를 더 포함하는 것이 좋다. 이때, 실란트 조성물은 실링 수지 100중량부에 대하여 상기 나열한 접착성 수지를 예를 들어 0.1 ~ 40중량부로 포함할 수 있다.
또한, 상기 실란트 조성물은 가스 배리어층(10) 상에 공압출되되, 예를 들어 350℃이하의 온도에서 공압출될 수 있다. 구체적인 예로는, 150 ~ 350℃, 보다 구체적으로는 200 ~ 300℃의 온도에서 공압출될 수 있다.
첨부된 도 7은 본 발명의 실시예에서 사용된 마이크로캡슐(25)의 팽창 전과 팽창 후의 전자 현미경 사진이다. 그리고 첨부된 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 셀 파우치의 온도에 따른 팽창배율(배)을 보인 것이다. 즉, 도 8은 각 온도에 따른 마이크로캡슐의 팽창배율(배)을 그래프로 나타낸 것이다. 또한, 도 8에는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 셀 파우치의 확대 사진으로서, 각 온도에 따른 단면 사진과 표면 사진을 함께 나타내었다. 도 8의 그래프에 보인 바와 같이, 온도가 증가함에 팽창배율이 증가하다가 최대로 팽창된 후, 쉘(shell)의 파단으로 오그라짐(shrinking)을 알 수 있다. 특히, 도 8의 단면 사진에서 알 수 있듯이, 마이크로캡슐의 팽창에 의해 마이크로캡슐의 주위에 미세 기공이 형성됨을 알 수 있다.
이상에 설명한 본 발명에 따른 셀 파우치는 전지(cell), 예들 들어 충전/방전이 가능한 2차 전지로서 리튬 이온 전지, 니켈-수소 전지 및 전기이중층 캐패시터(EDLC) 등의 2차 전지를 내장하는 데에 사용된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 셀 파우치는, 내부에서 발생된 열이나 압력 등을 흡수, 제거하여 폭발 위험성을 방지한다. 구체적으로, 셀에서 필요 이상의 높은 열이나 압력이 발생할 경우, 실란트층(20)에 포함된 열팽창성 마이크로캡슐(25)이 열에 의해 팽창하여 미세 기공을 형성시킨다. 구체적으로, 실란트층(20)끼리 열 접착된 실링 부위, 즉 실란트층(20) 간의 접착 계면에 미세 기공을 형성시킨다. 이때, 미세 기공은 도 8에 보인 바와 같이 열팽창된 마이크로캡슐(25)의 주위, 즉 마이크로캡슐(25) 간의 사이에 분포된다. 그리고 폭발의 원인이 되는 열이나 압력, 그리고 가스 등이 상기 미세 기공의 내부로 흡수되고, 특히 상기 미세 기공을 통하여 외부로 빠져나가 제거된다. 이에 따라, 열이나 압력 등에 의한 폭발의 위험성을 방지한다.
또한, 실란트층(20)에 상기한 바와 같은 접착성 수지, 즉 변성 PE, 변성 PP, 아크릴 수지 및 변성 아크릴 수지 등이 더 포함된 경우, 열접착 강도(실링성)은 물론, 가스 배리어층(10)과의 층간 부착력 등이 향상된다.
10 : 가스 배리어층 20 : 실란트층
30 : 수지층 31 : 제1수지층
32 : 제2수지층 40 : 중간층
30 : 수지층 31 : 제1수지층
32 : 제2수지층 40 : 중간층
Claims (15)
- 가스 배리어층 및 실란트층을 포함하고,
상기 실란트층은,
실링 수지; 및
열에 의해 팽창되어 기공을 형성시키는 열팽창성 마이크로캡슐을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 제1항에 있어서,
상기 열팽창성 마이크로캡슐은 0.1 ~ 200㎛의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 제1항에 있어서,
상기 실란트층은 실링 수지 100 중량부에 대하여 열팽창성 마이크로캡슐 1 ~ 40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 제1항에 있어서,
상기 실링 수지는 폴리프로필렌계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 실란트층은 변성 폴리에틸렌, 변성 폴리프로필렌, 아크릴 수지 및 변성 아크릴 수지, 에폭시계 수지 및 페놀계 수지로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상의 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 제1항에 있어서,
상기 셀 파우치는 실란트층, 상기 실란트층 상에 형성된 가스 배리어층, 및 상기 가스 배리어층 상에 형성된 수지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 제6항에 있어서,
상기 수지층은 나일론 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리올레핀으로부터 선택된 하나 이상의 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 제6항에 있어서,
상기 수지층은 가스 배리어층 상에 형성된 제1수지층, 및 상기 제1수지층 상에 형성된 제2수지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 제8항에 있어서,
상기 제1수지층은 나일론 수지를 포함하고, 상기 제2수지층은 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리올레핀으로부터 선택된 하나 이상의 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 제1항에 있어서,
상기 셀 파우치는 가스 배리어층과 실란트층의 사이에 형성된 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 제6항에 있어서,
상기 셀 파우치는 가스 배리어층과 수지층의 사이에 형성된 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 중간층은 폴리올레핀 수지, 변성 폴리올레핀 수지, 아크릴 수지, 변성 아크릴 수지 및 에폭시계 수지로부터 선택된 하나 이상의 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
- 가스 배리어층 상에 실란트층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 실란트층을 형성하는 단계는 실란트 조성물을 가스 배리어층 상에 압출하여 형성하되,
상기 실란트 조성물은,
실링 수지; 및
열에 의해 팽창되어 기공을 형성시키는 열팽창성 마이크로캡슐을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치의 제조방법.
- 제13항에 있어서,
상기 실란트 조성물은 변성 폴리에틸렌, 변성 폴리프로필렌, 아크릴 수지, 변성 아크릴 수지, 에폭시계 수지 및 페놀계 수지로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상의 수지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치의 제조방법.
- 제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 실란트 조성물은 실링 수지 100 중량부에 대하여 열팽창성 마이크로캡슐 1 ~ 40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치의 제조방법.
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