KR20130014252A - 안전성이 향상된 이차전지용 파우치 및 이를 이용한 파우치형 이차전지, 중대형 전지팩 - Google Patents

안전성이 향상된 이차전지용 파우치 및 이를 이용한 파우치형 이차전지, 중대형 전지팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 파우치형 이차 전지에 대한 것으로, 과충전 등으로 인하여 파우치 내부의 압력이 상승할 경우, 파우치의 형태가 변형되도록 설계하고 이에 따라 외부 전류와의 연결이 차단되도록 구성된 파우치형 이차전지 및 이를 포함하는 전지팩에 대한 것이다. 본 발명은 이차전지의 제조시 별도의 설치 공정이나 설치공간이 필요치 아니하면서도 파우치형 이차전지의 내부 가스 발생시 원천적으로 전류의 흐름을 차단하여 전지의 수명 및 안전성을 현저히 높일 수 있으며, 낮은 제조비, 적은 중량, 전지의 용이한 형태 변형 등이 가능한 파우치형 이차 전지를 제공할 수 있다.

Description

안전성이 향상된 이차전지용 파우치 및 이를 이용한 파우치형 이차전지, 중대형 전지팩{POUCH OF IMPROVED SAFETY FOR SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY, BATTERY PACK USING THE SAME}
본 발명은 안전성이 향상된 파우치 및 이를 포함하는 이차 전지, 전지팩에 대한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급증하고 있고, 그 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압을 나타내는 리튬 이차 전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있으며 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하며, 대표적으로는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 도 1에 개시되어 있는 종래의 파우치형 이차전지는 전극조립체(10) 및 파우치형 전지케이스를 포함한다.
상기 전극조립체(10)는 전극조립체(10)로부터 연장되어 있는 전극탭(30a, 30b), 상기 전극탭(30a, 30b)에 용접되어 있는 전극리드(40a, 40b)가 연결된 것일 수 있으며, 상기 전극탭 또는 전극조립체는 동일한 방향으로 돌출되거나 서로 다른 방향으로 돌출되는 것일 수 있다.
상기 파우치형 전지케이스는 하부 전지케이스(23) 및 상부전지케이스(22)를 포함하는 것으로, 상기 파우치형 전지케이스는 상부 전지케이스(22)와 하부 전지케이스(23)가 분리되어 있는 구조 또는 4면 중 어느 한 면이 연결된 구조(미도시)인 것일 수 있다. 상기 하부 또는 상부 전지케이스 모두(도 2) 또는 어느 하나에는 전극조립체를 수납하는 공간부가 형성될 수 있으며, 또한 상부 및 하부 전지케이스를 밀봉하기 위해 실링하는 실링부를 포함한다.
상기 공간부에 전극조립체(10)를 수납한 후에는 상부 전지케이스(22) 및 하부 전지케이스(23)의 실링부를 열융착에 의하여 실링하여 밀봉함으로써 파우치형 이차전지를 제조할 수 있다.
전극조립체(10)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 젤리 롤형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극탭들(30a, 30b)은 전극조립체(10)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극리드(40a, 40b)는 각 극판으로부터 연장된 복수개의 전극탭들(30a, 30b)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(22, 23)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(40a, 40b)의 상하면 일부에는 전지케이스(22, 23)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(50)이 부착되어 있다.
상, 하부전지케이스(22, 23)는 알루미늄 라미네이트 시트를 포함하고 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있어 이러한 전지케이스로 포장된 이차전지는 소위 파우치형 이차전지라고 칭하기도 한다.
도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(10)의 경우, 다수의 양극 탭들(30a)과 다수의 음극 탭들(30b)은, 예를 들어, 용접에 의하여 일체로 결합된 용착부의 형태로 전극리드(40a, 40b)에 연결된다.
이러한 전극리드(40a, 40b)는 전극탭 용착부가 연결되어 있는 대향 단부가 노출된 상태로 전지케이스(22, 23)에 의해 밀봉된다.
이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다. 이와 같은 폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있으며, 따라서 리튬 이차전지의 기술에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 특히 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 전원으로서 중대형 전지팩에 사용되는 이차전지는 장기간의 수명이 요구되고 다수의 전지셀들이 밀집되는 특성상 안전성 확보가 매우 중요하다.
따라서 전지의 사용에 따라 가스의 발생 또는 예기치 못한 상황의 전개로 인해 발생할 수 있는 고압가스에 의하여 전지셀의 발화 내지 폭발을 미연에 방지하여 전지의 수명 및 안전성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 종래 파우치형 이차전지는 전지 내부의 고온 고압에 따른 전지의 부풀림 현상 및 이로 인한 전지의 폭발 등을 방지하기 위하여 일정한 주기마다 고압의 내부 가스를 배출하거나 가스가 배출(venting)될 수 있는 통로를 형성한 파우치형 이차전지를 제시하는 기술에 불과하였다.
그러나 본 발명은 이차전지 내부의 가스 발생시 이차전지가 부풀어 오르거나 실링 부위가 터져 가스가 밖으로 배출될 수 있는 정도의 전지 내부의 압력 및 이에 따른 파우치형 이차전지의 형태 변형 현상을 이용하여 파우치형 이차 전지를 예정하는 형태로 변형시키고 이로 인하여 전류의 흐름이 원천적으로 차단될 수 있는 파우치형 전지케이스의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 상기 이차전지를 다수 포함하는 중대형 전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 상기 중대형 전지 모듈을 다수 포함하는 중대형 전지팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
파우치형 외장재 내부에 제 1 전극조립체; 제2 전극조립체; 및 상기 제1전극조립체와 제2 전극조립체를 전기적으로 연결하는 연결부를 포함하며,
상기 제1 전극조립체로부터 연장되어 파우치형 외장재의 일 단부로 돌출되는 전극리드부와 파우치형 외장재의 다른 일 단부로 돌출되는 전극리드 체결부를 포함하고,
상기 연결부 및 파우치형 외장재를 절곡하여 폴딩(folding)된 구조의 파우치형 이차전지로서,
상기 전극리드부와 상기 전극리드 체결부는 전기적으로 접합되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서 상기 전극리드부와 전기적으로 접합 된 상기 전극리드 체결부는 외부 전극단자와 연결될 수 있도록 전극리드부 보다 길게 돌출되는 것일 수 있다.
또한, 상기 전극리드 체결부는 상기 전극리드부보다 0.1 ~ 20mm 더 길게 돌출되는 것일 수 있다.
나아가 상기 전극리드부는 음극 또는 양극 또는 음극과 양극일 수 있으며,
상기 전극리드부가 양극인 경우에는 알루미늄, 스텐레스 스틸, 동, 니켈, 티탄, 탄탈, 니오브 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 이루어지며,
상기 전극리드부가 음극인 경우에는 구리, 니켈, 스텐레스 스틸, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 이루어지는 것일 수 있다.
바람직하게는 상기 전극리드부는 양극일 수 있다.
한편, 상기 연결부 각각 연결된 전극집전체의 재질과 동일한 것일 수 있다.
또한, 상기 전극리드 체결부는 연결된 전극리드부의 재질과 동일한 것일 수 있다.
상기 제1 전극조립체와 제2 전극조립체는 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 제1 전극조립체 및 제2 전극조립체는 각각 바이셀(Bi-cell)과 풀셀(Full-cell)이라는 서로 다른 타입의 스택형 단위셀을 교차하여 길게 재단된 분리 필름으로 와인딩(winding)하여 포함하는 스택&폴딩형 전극조립체; 상기와 같은 방식의 스택&폴딩형 전극조립체로서 바이셀과 풀셀의 구별없이 동일한 타입의 스택형 단위셀을 포함하는 스택&폴딩형 전극조립체; 상기 스택형 단위셀들을 분리 필름으로 와인딩(winding)하는 경우, 지그재그 방향으로 폴딩하는 Z형 스택&폴딩 전극조립체; 상기 스택형 단위셀들을 동일한 방향으로 연속하여 와인딩(Winding)하는 스택&폴딩 전극조립체; 또는 상기 스택형 셀을 단위셀로 하여 분리필름으로 폴딩하는 것이 아니라 양극, 음극을 교대로 분리필름 위에 놓은 상태에서 연속하여 와인딩하는 전극조립체; 또는 이를 지그재그 방향으로 와인딩하는 Z형 전극조립체; 양극판, 분리막, 음극판을 차례대로 적층한 스택형 전극조립체; 양극판, 분리막, 음극판 순으로 배치된 상태에서 일방향으로 와인딩 한 젤리-롤형 전극조립체; 로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되는 것일 수 있다.
한편, 상기 제1 전극조립체 및 제2 전극조립체는 동일한 형태의 전극조립체인 것일 수 있다.
상기 전극리드부와 전극리드 체결부는 용접에 의하여 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하며,
나아가, 상기 전극리드부와 전극리드 체결부 사이에는 금속재질의 용접부를 더 삽입하여 전기적으로 연결한 것일 수 있다.
이때, 상기 금속재질의 용접부는 전기적으로 연결된 전극리드부와 동일한 재질인 것일 수 있다.
상기 파우치용 외장재는 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하며,
상기 금속층은 알루미늄 박막층인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극리드부 및 전극리드 체결부와 전기적으로 연결되는 용접부에는 하나 이상의 파단홈이 형성되어 있는 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 파우치형 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지 모듈을 더 제공한다.
또한, 상기 중대형 전지 모듈이 하나 이상 포함되어 있는 중대형 전지팩을 더 제공한다.
상기 중대형 전지팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 이-바이크(E-bike), 이-스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차의 전원으로 사용되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 전지 내부에 가스 발생 또는 고온 및 고압에 의해 전지의 위험이 초래되는 경우, 파우치형 전지케이스가 부풀어 형태가 변형되는 경우 원천적으로 전류의 흐름이 차단될 수 있도록 하였다. 따라서, 별도의 설치 공정이나 공간 없이도 전지의 수명 특성이 향상되고, 안전성이 우수한 이차전지를 제공할 수 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 분해 사시도.
도 3은 상기 도 4의 B-B' 라인에 따른 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지가 비상시 형태가 변형되어 전류가 차단된 경우의 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지를 실링하기 전 상태의 분해 사시도.
도 6은 상기 도 5에 따른 이차전지를 실링한 후, 폴딩하기 전 상태의 사시도.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차 전지에 대한 일 구현예에서, 파우치형 외장재 내부에, 제 1 전극조립체와 제2 전극조립체를 포함하며, 상기 제1전극조립체 및 제2 전극조립체는 전기적으로 연결된 연결부가 형성되어 있고, 상기 연결부 및 파우치형 외장재를 절곡하여 폴딩(folding)된 구조의 파우치형 이차전지로서, 상기 전극조립체로부터 연장되어 외장재 외부로 돌출된 전극리드부는, 폴딩된 구조에 의하여 상기 전극리드부와 대응되는 파우치 외장재 부분에 형성되어 실링된 전극리드 체결부와 각각 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지에 대하여 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지에 대한 사시도 이다.
상기 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지(100)는 파우치형 외장재(110) 내부에, 제 1 전극조립체(120)와 제2 전극조립체(122)를 포함하며, 상기 제1전극조립체(120) 및 제2 전극조립체(122)는 전기적으로 연결된 연결부(134, 136)가 형성되어 있으며, 상기 제1 전극조립체(120)로부터 외부로 연장된 전극리드부(130, 132)는 파우치형 외장재(110)의 일 단부로 돌출되어 실링부에 의해 실링된다.
또한, 상기 파우치형 외장재의 다른 일 단부 실링부에는 전극리드 체결부(140, 142)가 형성된다.
상기 전극리드 체결부는 도 2와 같이, 상기 전극리드부와 전기적으로 연결되어 외부 단자와 연결되는 것으로서, 전극리드부의 개수와 동일하게 형성될 수도 있으며, 또는 하나만 형성되어 어느 하나의 전극리드에만 연결되는 것일 수도 있다. 다만, 바람직하게는 전극리드의 수와 동일하게 형성되어 비상 상황시 보다 빠르게 절연 작동이 될 수 있도록 한다.
즉, 상기 전극리드부는 양극 또는 음극 일 수 있으며, 바람직하게는 양극과 음극 모두 일 수 있다. 하나의 전극에만 형성되는 경우에는 양극리드일 수 있다. 이는 양극리드의 경우, 일반적으로 음극리드의 재질보다는 열 등에 약하기 때문이다.
상기 전극리드부가 양극인 경우, 예를 들어, 알루미늄, 스텐레스, 동, 니켈, 티탄, 탄탈, 니오브 및 이들의 합금으로로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 전극리드부가 음극인 경우, 예를 들어, 구리, 니켈, 스테인레스스틸, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
이때, 상기 전극리드부(130, 132) 및 전극리드 체결부(140)는 실링시 파우치형 외장재와의 절연을 위하여 절연필름(150)을 더 포함할 수도 있다.
상기 전극리드 체결부(140, 142)는 전극조립체와는 연결되지 않는 것으로, 단지 전극리드부(130, 132)와 외부 단자를 연결하는 역할만 한다. 이를 위하여, 상기와 같이 전극리드부와 전극리드 체결부는 각각 파우치형 외장재의 상반되는 단부에 형성되기는 하나, 폴딩시 서로 접합이 용이하도록 대응되는 위치에 형성하도록 한다.
또한, 전극리드 체결부는 외부 단자와 연결되기 위해서는 전극리드부보다는 길게 형성되어야 하며, 특별히 그 길이는 한정하지 아니하나 바람직하게는 전극리드부보다 약 0.1 내지 20mm 정도 길게 형성되도록 함이 바람직하다.
한편, 상기 연결부의 재질은 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 연결된 제1전극조립체 및 제2전극조립체의 전극집전체와 동일한 재질로 형성함으로써 전기적 저항을 최소화할 수 있다.
이때, 상기 제1 전극조립체 및 제2 전극조립체의 형태는 특별히 한정하지 아니하며, 각각 바이셀(Bi-cell)과 풀셀(Full-cell)이라는 서로 다른 타입의 스택형 단위셀을 교차하여 길게 재단된 분리 필름으로 와인딩(winding)하여 포함하는 스택&폴딩형 전극조립체; 상기와 같은 방식의 스택&폴딩형 전극조립체로서 바이셀과 풀셀의 구별없이 동일한 타입의 스택형 단위셀을 포함하는 스택&폴딩형 전극조립체; 상기 스택형 단위셀들을 분리 필름으로 와인딩(winding)하는 경우, 지그재그 방향으로 폴딩하는 Z형 스택&폴딩 전극조립체; 상기 스택형 단위셀들을 동일한 방향으로 연속하여 와인딩(Winding)하는 스택&폴딩 전극조립체; 또는 상기 스택형 셀을 단위셀로 하여 분리필름으로 폴딩하는 것이 아니라 양극, 음극을 교대로 분리필름 위에 놓은 상태에서 연속하여 와인딩하는 전극조립체; 또는 이를 지그재그 방향으로 와인딩하는 Z형 전극조립체; 양극판, 분리막, 음극판을 차례대로 적층한 스택형 전극조립체; 양극판, 분리막, 음극판 순으로 배치된 상태에서 일방향으로 와인딩 한 젤리-롤형 전극조립체; 로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 상기 제1 전극조립체 및 제2 전극조립체를 동일하게 구성하여 저항 등을 보다 낮출 수도 있다.
또한, 상기 제1 전극조립체와 제2 전극조립체는 바람직하게는 병렬연결 되도록 한다. 이와 같이 병렬 연결되어 전지의 전압 및 용량 등이 일반적으로 하나의 전극조립체를 포함하는 이차전지의 그것과 동일할 수 있으므로, 전해액 등의 부반응이 발생하는 것을 예방할 수 있기 때문이다.
즉, 상기 제1전극조립체와 상기 제2전극조립체는 폴딩될 수 있는 전지 구조를 위하여 연결부를 포함하는 것일 뿐, 하나의 전극조립체와 같이 작동하면서 파우치형 외장재의 양 끝 단이 마주하도록 폴딩될 수 있는 구조라면, 연결부로 연결되는 구성에 한정되지 않고 다양하게 설계될 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 전극리드부(130, 132)와 전극리드 체결부(140, 142)는 그 접합 되어 전기적으로 연결된다. 상기 접합의 방법으로는 특별히 한정되는 것은 아니며, 전지의 크기 및 용량, 형태 등을 고려하여 당업자가 다양한 방법으로 접합할 수 있다. 다만, 비상 상황 시 파우치의 형태 변형력을 이용하여 상기 전극리드부와 전극리드 체결부의 접합이 단절되기 위해서는 접합 강도가 너무 강한 것은 바람직하지 아니하며, 예를 들면 납땜 또는 레이저, 초음파 접합에 의해 상기 제 1 전극리드와 전극리드 체결부가 접합될 수 있다.
나아가 상기 접합은 용접부(160)를 더 포함할 수 있으며, 이때, 상기 금속재질의 용접부는 전기적으로 연결된 전극리드와 동일한 재질인 것일 수도 있으며, 또는 용융점이 낮은 금속을 이용하여 전극리드가 고온으로 되는 경우, 일부 용융되어, 전극리드부와 전극리드 체결부 간의 접합이 보다 용이하게 단절될 수 있도록 할 수 있다.
나아가 상기 전극리드부와 전극리드 체결부 사이에 형성되는 용접부에 하나 이상의 파단홈을 형성함으로써 비상시 접합이 보다 용이하게 단절될 수 있도록 할 수도 있다.
이와 같은 구조를 갖는 파우치형 이차전지는 전지의 이상 거동에 의한 비상상황시 내부 가스의 발생으로 파우치형 외장재가 부풀어 오르면 상기 전극리드부와 전극리드 체결부의 접합이 끊기게 되는 구조로서 전류의 흐름을 원천적으로 차단할 수 있다. 이에 의해 폭발 등의 위험 상황을 미연에 방지할 수 있다.
상기와 같이 절연이 된 연결부는 이 후, 파우치 내부의 가스를 빼내고 다시 연결함으로써 재사용이 가능할 수 있음은 물론이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지로서, 평상시 본 발명에 따른 이차전지의 단면(도 3)과 이상 거동 시 파우치형 외장재의 변형에 의하여 전극리드부와 전극리드 체결부의 연결이 끊어진 경우의 단면(도 4)에 대한 것이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 이상 거동에 의하여 전지 내부에 가스 등이 발생하고 파우치 외장재의 형태가 변형되는 경우, 전극리드부(130)와 전극리드 체결부(140)의 접합이 떨어지게 되어 전기적으로 절연되도록 하는 구조를 확인 할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 양극 또는 음극의 전기적 연결에 있어서 비상시 중간에 차단될 수 있도록 2중적 구조로 이루어진 것이라고 할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 제조과정에 대한 것이다.
먼저, 긴 파우치형 외장재 안에 연결부를 포함하는 제1전극조립체와 제2전극조립체를 수납하고, 전극리드부와 전극리드 체결부를 각각 상반되는 방향의 파우치형 외장재의 양끝 단에 형성한다.
이 후 파우치형 외장재를 실링하여 전지를 밀봉한 후에, 상기 연결부가 위치하는 부분을 절곡하여 상기 이차전지를 폴딩한다.
이 후, 상기 전극리드부와 전극리드 체결부를 각각 대응하여 접합함으로써 전기적으로 연결시킨다.
한편, 상기 파우치용 외장재는 공지의 외장재를 이용할 수 있으며, 예를 들면 상기 외장재는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트 형태의 파우치형 외장재가 바람직하다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 외장재가 바람직하다. 상기 라미네이트 시트는 고분자 필름의 외부 피복층, 금속박의 베리어층, 및 폴리올레핀 계열의 내부 실란트층으로 구성되어 있으며 상기 외부 피복층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 외측 수지층의 고분자 수지로는 연신 나일론 필름 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 베리어층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 유출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 상기 내부 실란트층은 열융착성(열접착성)을 가지고 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌(cPP) 이 사용될 수 있다.
나아가 상기 외부 피복층과 내부 실란트층은 2 중층 이상으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 외부 피복층은 PET/ONy 층, 내부 실란트층은 PPa(산 변성(Acid modified) PP/cPP 와 같은 이중 구조로 구성될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 본 발명에 따른 다른 일 구현예에 따르면, 상기 파우치형 이차전지의 폴딩시 절곡되는 제1전극조립체와 제2전극조립체의 연결부 부위를 파우치형 외장재는 금속층이 포함되지 아니하고 수지층으로만 형성되는 구성일 수도 있다. 이와 같은 구조의 파우치형 외장재를 이용함으로써 파우치형 이차전지의 절곡에 따라 금속층이 수지층을 뚫고 외부로 노출되는 문제 또는 이에 따라 금속층과 전극이 닿게 되어 쇼트가 발생할 수 있는 문제 등을 미연에 방지할 수도 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으며, 특히, 리튬 함유 전해액이 겔의 형태로 전극조립체에 함침되어 있는 이른바, 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 이차 전지가 단일로 사용되는 경우보다, 본 발명에 따른 이차전지를 단위전지로 하여 이들 단위전지들을 다수 적층하고 포장한 중대형 모듈, 또는 이와 같은 중대형 모듈을 포함하는 중대형 전지팩에 이용되는 경우에 효과적이다.
상기 중대형 전지 팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차의 전원으로 사용될 수 있다.
이러한 중대형 전지 모듈 또는 중대형 전지팩의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
110: 파우치형 외장재,
120: 제1전극조립체,
122: 제2전극조립체,
134, 136: 연결부,
130, 132: 전극리드부,
140, 142: 전극리드 체결부,
150: 절연필름,
160: 용접부.

Claims (20)

  1. 파우치형 외장재 내부에 제 1 전극조립체; 제2 전극조립체; 및 상기 제1전극조립체와 제2 전극조립체를 전기적으로 연결하는 연결부를 포함하며,
    상기 제1 전극조립체로부터 연장되어 파우치형 외장재의 일 단부로 돌출되는 전극리드부와 파우치형 외장재의 다른 일 단부로 돌출되는 전극리드 체결부를 포함하고,
    상기 연결부 및 파우치형 외장재를 절곡하여 폴딩(folding)된 구조의 파우치형 이차전지로서,
    상기 전극리드부와 상기 전극리드 체결부는 전기적으로 접합되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극리드부와 전기적으로 접합된 상기 전극리드 체결부는 외부 전극단자와 연결될 수 있도록 전극리드부 보다 길게 돌출되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극리드 체결부는 상기 전극리드부보다 0.1 ~ 20mm 더 길게 돌출되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극리드부는 음극 또는 양극 또는 음극과 양극인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전극리드부가 양극인 경우에는 알루미늄, 스텐레스 스틸, 동, 니켈, 티탄, 탄탈, 니오브 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 이루어지며,
    상기 전극리드부가 음극인 경우에는 구리, 니켈, 스텐레스 스틸, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극리드부는 양극인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결부 각각 연결된 전극집전체의 재질과 동일한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극리드 체결부는 연결된 전극리드부의 재질과 동일한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극조립체와 제2 전극조립체는 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극조립체 및 제2 전극조립체는 각각 바이셀(Bi-cell)과 풀셀(Full-cell)이라는 서로 다른 타입의 스택형 단위셀을 교차하여 길게 재단된 분리 필름으로 와인딩(winding)하여 포함하는 스택&폴딩형 전극조립체; 상기와 같은 방식의 스택&폴딩형 전극조립체로서 바이셀과 풀셀의 구별없이 동일한 타입의 스택형 단위셀을 포함하는 스택&폴딩형 전극조립체; 상기 스택형 단위셀들을 분리 필름으로 와인딩(winding)하는 경우, 지그재그 방향으로 폴딩하는 Z형 스택&폴딩 전극조립체; 상기 스택형 단위셀들을 동일한 방향으로 연속하여 와인딩(Winding)하는 스택&폴딩 전극조립체; 또는 상기 스택형 셀을 단위셀로 하여 분리필름으로 폴딩하는 것이 아니라 양극, 음극을 교대로 분리필름 위에 놓은 상태에서 연속하여 와인딩하는 전극조립체; 또는 이를 지그재그 방향으로 와인딩하는 Z형 전극조립체; 양극판, 분리막, 음극판을 차례대로 적층한 스택형 전극조립체; 양극판, 분리막, 음극판 순으로 배치된 상태에서 일방향으로 와인딩 한 젤리-롤형 전극조립체; 로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 전극조립체 및 제2 전극조립체는 동일한 형태의 전극조립체인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극리드부와 전극리드 체결부는 용접에 의하여 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극리드부와 전극리드 체결부 사이에는 금속재질의 용접부를 더 삽입하여 전기적으로 연결한 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속재질의 용접부는 전기적으로 연결된 전극리드부와 동일한 재질인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 파우치용 외장재는 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 파우치용 이차전지.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 금속층은 알루미늄 박막층인 것을 특징으로 하는 파우치용 이차전지.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 전극리드부 및 전극리드 체결부와 전기적으로 연결되는 용접부에는 하나 이상의 파단홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 하나에 따른 파우치형 이차전지를 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지 모듈.
  19. 제18항에 따른 중대형 전지 모듈이 하나 이상 포함되어 있는 중대형 전지팩.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 중대형 전지팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 이-바이크(E-bike), 이-스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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