KR20160070468A - 셀 파우치 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이차전지용 셀 파우치가 제공된다. 본 발명의 따른 파우치는 실란트층; 실란트층 상에 형성된 금속층; 및 금속층 상에 형성된 외층을 포함하며, 실란트층은, 실링 수지 및 내열성 슬립제를 포함하고, 내열성 슬립제는 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머, N-비닐락탐 모노머 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 갖는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머의 공중합물을 포함한다.
Description
본 발명은 슬립성이 우수한 셀 파우치(cell pouch) 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내열성 슬립제를 포함하고 있는 셀 파우치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 리튬 이온 2차 전지 등의 셀(cell)은 파우치(pouch)에 수납(포장)되고 있다. 셀 파우치(cell pouch)는 가스 배리어(barrier)성, 내전해액성 및 열접착성 등을 고려하여 다층 구조로 제조되고 있다. 도 1은 종래 기술에 따른 셀 파우치의 단면 구성도를 보인 것이다.
도 1을 참조하면, 셀 파우치는 일반적으로 실란트층(1, sealant layer)과, 가스 배리어를 위한 금속층(2, metal layer)과, 최외각층으로서 외층(3)을 포함한다.
실란트층(1)은 최내층에 위치하여 내용물, 즉 셀과 접촉된다. 금속층(2)은 기계적 강도와 함께 가스 출입을 차단하기 위한 것으로서, 이는 주로 알루미늄 박막(Al foil)이 사용된다. 또한, 외층(3)은 금속층(2)을 보호하기 위한 것으로서, 이는 내열성, 내핀홀성 및 내마모성 등을 고려하여 주로 나일론(Nylon) 수지 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)가 사용된다.
셀 파우치는, 위와 같은 적층 구조의 필름을 주머니 형태나 박스(box) 형태 등으로 가공하여 제조된다. 셀 파우치에는 양극, 음극 및 세퍼레이터(separator) 등의 셀 구성 요소가 전해액에 함침된 다음 수납된다. 그리고 셀 구성 요소의 수납 후, 셀 파우치의 입구는 실란트층(1)끼리 열접착(열봉합)되어 기밀성이 유지된다. 이때, 실란트층(1)은 셀 구성 요소와 접촉되므로 절연성, 내전해액성 및 높은 열접착 강도(실링성)을 가져야 한다.
최근 셀 파우치를 구성하고 있는 필름과 필름 간의 마찰을 억제하고 슬립성을 향상시키기 위해 실란트층(1)에 슬립제를 추가하는 공정이 개발되었다. 이 경우, 실란트층은 실링 수지 및 슬립제를 포함할 수 있으며, 실링수지로는 폴리프로필렌(PP)이 주로 사용되며, 슬립제로는 파라핀 왁스 등이 주로 사용된다. 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내전해액성 등이 뛰어나고, 열접착성이 우수하여 셀 파우치의 실란트층으로 유용하며, 파라핀 왁스는 셀파우치 제조 공정 도중 또는 직후에 표면으로 나와 셀파우치의 마찰계수를 줄 수 있어 셀 파우치의 슬립제로 사용되었다.
그러나 파라핀 왁스를 포함하는 슬립제의 경우 셀 파우치가 제조되는 고온 공정에서는 내열성이 불충분해 분해되는 경우가 발생하고 이는 오히려 셀 파우치의 슬립성을 악화시켜 셀 파우치의 성형주름 크랙 등을 야기시킨다는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 내열성 슬립제를 포함하는 실란트층을 사용하여 서로 봉합된 실란트층간의 마찰계수를 유지할 수 있는 셀 파우치 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 구현예에서, 실란트층; 상기 실란트층 상에 형성된 금속층; 및 상기 금속층 상에 형성된 외층을 포함하고, 상기 실란트층은, 실링 수지 및 내열성 슬립제를 포함하며, 상기 내열성 슬립제는 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머, N-비닐락탐 모노머 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 갖는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머의 공중합물을 포함하는 셀 파우치가 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 내열성 슬립제는 상기 내열성 슬립제 전체 중량에 대하여 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머 20 내지 40 중량부, N-비닐락탐 모노머 5 내지 50 중량부 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 갖는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머 20 내지 60 중량부의 공중합물을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 편말단 (메타)아크릴 변성된 모노(메타)아크릴레이트일 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
(상기 화학식 1에서, R1은 수소원자 또는 메틸기이고, R2는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기, R3는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이며, m은 2 내지 150의 정수이다. 상기 화학식 2에서 R4는 수소원자 또는 메틸기일 수 있으며, R5는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기일 수 있다.)
예시적인 구현예에서, N-비닐락탐 모노머는 N-비닐-2-피롤리돈 모노머 또는 N-비닐-ε-카프로락탐 모노머일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 알킬(메타)아크릴레이트 모노머는, 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸(메타)아크릴레이트, n-프로필(메타)아크릴레이트, 아이소프로필(메타)아크릴레이트, n-뷰틸(메타)아크릴레이트, 아이소뷰틸(메타)아크릴레이트, tert-뷰틸(메타)아크릴레이트, n-옥틸(메타)아크릴레이트, 2-에틸헥실(메타)아크릴레이트, 아이소노닐(메타)아크릴레이트, 아이소데실(메타)아크릴레이트 및 도데실(메타)아크릴레이트로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트층은 상기 실란트층 전체 중량에 대하여, 실링 수지 70 내지 95 중량부 및 내열성 슬립제 5 내지 30 중량부를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트층의 두께는 30 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실링 수지는 폴리프로필렌계 수지를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트층은 180℃에서 10 내지 15 kg/15mm의 열 접착강도를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트층 및 금속층 사이에 개재되는 제1 중간층; 및 상기 금속층 및 외층 사이에 개재되는 제2 중간층을 더 포함하며; 상기 제1 중간층은 접착물질을 포함하며, 상기 제2 중간층은 접착물질 및 경화제를 포함할 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 구현예에서, 본 발명의 일 구현예에 따른 셀파우치를 포함하는 이차전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 일 구현예에서, 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상에 외층을 형성하는 단계; 및 상기 금속층의 하부에 실링수지 및 내열성 슬립제를 포함하는 실란트층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 내열성 슬립제는 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머, N-비닐락탐 모노머 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 갖는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머의 공중합물 포함하는 셀 파우치의 제조 방법이 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속층을 크롬 또는 인산을 이용하여 표면 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실란트층을 형성하는 단계는 150 내지 200℃범위의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 셀파우치는 내열성 슬립제를 포함하는 실란트층을 포함한다. 상기 내열성 슬립제는 고온에서도 분해되지 않으므로 셀파우치 제조 공정 도중 또는 직후에 표면으로 흘러나올 수 있다. 이에 따라, 상기 셀파우치를 구성하는 필름간의 마찰계수를 낮출 수 있다. 또한, 슬립제를 포함하는 실란트층은 우수한 열접착강도를 보일 수 있다. 따라서, 상기 셀 파우치의 성형주름, 크랙 등과 같은 발생을 줄여 셀 파우치의 성형성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 셀의 안정성 및 전기적 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치의 제조 방법을 나타내는 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치의 제조 방법을 나타내는 개략적인 흐름도이다.
이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.
본 명세서에서 "셀(cell)" 이라 함은 전지를 의미하는 것으로서, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등과 같은 2차 전지나 휴대용 축전지 등과 같은 각종 전지를 모두 포함하는 최광의의 의미이다.
본 명세서에서 "셀 파우치(cell pouch)"는 양극, 음극 및 세퍼레이터(separator) 등의 셀 구성 요소가 전해액에 함침되어 수납된 것으로서, 상기 셀 구성 요소를 수납하기 위하여 가스 배리어성, 내전해액성 및 열접착성 등을 고려한 적층 구조의 필름을 주머니 형태나 박스형태 등으로 가공된 것을 모두 포함하는 최광의의 의미이다.
본 명세서에서 "슬립성"은 상기 셀 파우치 내의 적층된 복수 개의 필름 간의 마찰력에 관한 특성을 의미한다. 즉, 필름간의 마찰계수가 낮은 경우 셀파우치의 슬립성은 우수하다고 할 수 있으며, 필름간의 마찰계수가 높은 경우 셀 파우치의 슬립성은 미흡하다고 할 수 있다.
본 명세서에서 “실링성”은 열접착 강도와 관련된 특성을 의미한다. 즉, 열접착 강도가 강할수록 실링성이 우수하다.
본 명세서에서 “성형성”은 셀 파우치를 소정의 형상(박스 등)으로 가공할 시의 형태 유지성을 의미한다.
셀 파우치
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치의 단면 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치는 순차적으로 적층된 실란트층(10, sealant layer); 금속층(20, metal layer); 및 외층(30)을 포함한다. 이때, 실란트층(10)과 금속층(20)의 사이 및 금속층(20)과 외층(30)의 사이에 접착성, 절연성 및/또는 성형성 등을 위한 다른 층이 더 형성될 수 있으나 이는 후술하기로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치는 실란트층(10), 금속층(20) 및 외층(30)을 포함하여, 적어도 3층 이상의 다층 구조를 갖는다. 도 2는 실란트층(10), 금속층(20) 및 외층(30)이 순차적으로 적층된 셀 파우치를 예시한 것이다.
금속층(20)은 가스 배리어(barrier)성을 가지는 금속이면 제한되지 않는다. 금속층(20)은 외부의 습기나 공기, 그리고 내부에서 발생된 가스의 출입을 차단할 수 있다. 금속층(20)은 금속 박막 및 금속 증착층 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때, 상기 금속 박막은 예를 들어 1㎛ 내지 60㎛의 두께를 가지는 금속 포일(metal foil) 등을 사용할 수 있으며, 금속 증착층은 별도의 플라스틱 필름, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 등의 필름에 진공 증착되어 형성될 수 있다. 아울러, 금속 증착층은 예를 들어 1㎛ 내지 60㎛의 두께를 가질 수 있다.
금속층(20)을 구성하는 금속, 구체적으로 상기 금속 박막이나 금속 증착층을 구성하는 금속은, 예를 들어 알루미늄(Al), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In) 및 텡스텐(W) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상(단일 금속 또는 단일 금속의 혼합), 또는 이들로부터 선택된 2 이상의 합금(alloy) 등을 예로 들 수 있다. 상기 금속은, 바람직하게는 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금(Al alloy)으로부터 선택되면 좋다. 아울러, 금속층(20)은 내부식성을 위해, 인산이나 크롬 등에 의해 표면 처리된 것이 사용될 수 있다.
외층(30)은 금속층(20)을 보호할 수 있다. 외층(30)은, 바람직하게는 내마모성과 함께 예를 들어 내열성, 내한성, 내핀홀성, 절연성, 내용제성 및/또는 성형성(셀 파우치를 소정의 형상(박스 등)으로 가공할 시의 형태 유지성) 등의 특성을 가지는 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 외층(30)은, 나일론 수지(Nylon resin), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지 및 폴리올레핀계 수지 등으로부터 선택된 하나 이상의 수지를 포함할 수 있다. 이때, 상기 폴리올레핀계 수지는 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)을 예로 들 수 있다. 외층(30)은, 바람직하게는 나일론 수지(Nylon resin) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예를 들어, 외층(30)은 나일론 수지층, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)층 또는 이들의 복합층으로 구성될 수 있다.
또한, 금속층(20)과 외층(30)은 표면 처리된 후에 접착되는 것이 층간 부착력 개선이나 내부식성에 유리할 수 있다. 구체적으로, 인산이나 크롬 등을 이용하여 금속층(20) 및 또는 외층(30)에 표면 처리 및/또는 미세 요철 처리 공정을 수행할 수 있다.
실란트층(10)은 셀이 수납(내장)된 후, 열에 의해 접착(열융착)되어 실링(sealing)성을 부여하는 것으로서, 본 발명의 일 구현예에 따른 실란트층(10)은 열접착을 위한 실링 수지(sealing resin)와, 필름간의 마찰계수를 낮춰주는데 기여할 수 있는 내열성 슬립제를 포함한다.
예시적인 구현예에서, 실란트층(10)은 실란트층(10) 전체 중량에 대하여, 실링 수지 20 내지 60 중량부 및 내열성 슬립제 0.1 내지 10 중량부를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 실링 수지는 열에 의해 융착(열접착)될 수 있으면 제한되지 않으며, 바람직하게는 열접착성과 함께 절연성, 내전해액성 및/또는 내한성 등을 가지는 수지일 수 있다. 실링 수지는, 바람직하게는 저온에서 열융착이 가능한 저융점 수지로부터 선택될 수 있다. 실링 수지는, 예를 들어 폴리프로필렌(PP)계나 폴리에틸렌(PE)계 등의 폴리올레핀계 및 이들의 공중합체나 유도체, 그리고 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한, 실링 수지는 공중합체(co-polymer)나 터폴리머(ter-polymer)로서, 예를 들어 에틸렌/프로필렌 공중합체나 에틸렌/프로필렌/부타디엔의 터폴리머(3원 공중합체) 등으로부터 선택될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실링 수지는 폴리프로필렌(PP)계 일 수 있다. 상기 실링 수지는, 구체적으로 호모 폴리프로필렌(homo-PP), 폴리프로필렌 공중합체(PP co-polymer) 및 폴리프로필렌 터폴리머(PP ter-polymer) 등으로부터 선택된 하나 이상의 폴리프로필렌(PP)계를 단독으로 사용하거나, 상기 폴리프로필렌(PP)계에 폴리에틸렌(PE)계나 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 등을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 폴리프로필렌(PP)계는 열접착성(실링성) 및 절연성이 양호함은 물론 인장 강도, 강성 및 표면 경도 등의 기계적 물성과, 내전해액성 등의 내화학성이 뛰어나 실란트층(10)에 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 슬립제는 내열성 슬립제를 포함한다. 구체적으로, 상기 슬립제는 실록실기 함유 아크릴레이트 모노머, N-비닐락탐 모노머 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 가지는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머의 공중합물을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 내열성 슬립제는 상기 내열성 슬립제 전체 중량에 대하여 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머 20 내지 40 중량부, N-비닐락탐 모노머 5 내지 50 중량부 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 갖는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머 20 내지 60 중량부의 공중합물을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 실록실기 함유 아크릴레이트 모노머가 20 중량부 미만이면 원하는 슬립성을 구현하기 어려우며, 약 40 중량부 이상이면, 상기 실링수지의 상용성이 저하될 수 있다. N-비닐락탐 모노머가 5 중량부 미만이면 상기 실링수지의 상용성이 저하되고, 50 중량부 이상이면 목표하는 슬립성을 기대하기 어려울 수 있다. 또한, 알킬(메타) 아크릴레이트 모노머가 20 중량부 미만이면 실링수지의 상용성이 저하되고, 60 중량부 이상이면 목표하는 슬립성을 기대하기 어려울 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 내열성 슬립제는 상기 내열성 슬립제 정체 중량에 대하여, 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머 30중량부와, N-비닐락탐 모노머 30중량부 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 가지는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머 40중량부의 공중합물을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 공중합물의 중량 평균 분자량은 약 2,000 내지 100,000 일 수 있다. 보다 바람직하게는 공중합물의 중량 평균 분자량이 5,000 내지 50,000일 수 있다. 상기 공중합물의 중량 평균 분자량이 약 5,000 이하이면 슬립성을 구현하기 어려우며, 약 50,000 이상이면 실란트층의 접착력을 저하시켜 상용성을 저하시킬 수 있다.
실록시기 함유 아크릴레이트 모노머는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 편말단 (메타)아크릴 변성된 모노(메타)아크릴레이트일 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R1은 수소원자 또는 메틸기를 나타내고, R2는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기일 수 있으며, R3는 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 나타내고, m은 2 내지 150의 정수 일 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, R4는 수소원자 또는 메틸기일 수 있으며, R5는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 공중합체를 구성하는 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머는, 화학식 1 또는 2로 표시되는 적어도 어느 하나의 화합물을 최대 20중량부로 포함하는 것이 바람직하나, 화학식 1 및 2로 표시되는 적어도 어느 하나와, 하기 화학식 3으로 표시되는 양쪽 말단 (메타)아크릴 변성된 다이(메타)아크릴레이트일 수도 있다.
[화학식 3]
상기 화학식 3에서, R6?및 R9은 동일하거나 혹은 상이한 수소원자 또는 메틸기를 나타내며, R7?및 R8은 동일하거나 혹은 상이한 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기를 나타내고, n은 2 내지 150의 정수이다.
상기 다이(메타)아크릴레이트는, 약1 내지 10중량부의 범위 내에서, 상기 화학식 1 또는 2로 표시되는 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머와 공중합될 수 있다. 상기 다이(메타)아크릴레이트가 약 10중량부를 초과하면, 공중합물의 겔화를 일으킬 우려가 있다.
예시적인 구현예에서, N-비닐락탐 모노머는, N-비닐치환된 5 내지 7원환 락탐 모노머 이며, 구체적으로는, N-비닐-2-피롤리돈, 모노머 또는 N-비닐-ε-카프로락탐 모노머일 수 있다. 이들은 각각 단독으로 사용될 수 있으며 혼합되어 사용될 수도 있다.
예시적인 구현예에서, 알킬(메타)아크릴레이트 모노머는, 예를 들어, 알킬아크릴레이트 또는 알킬메타크릴레이트이며, 예를 들어, 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸(메타)아크릴레이트, n-프로필(메타)아크릴레이트, 아이소프로필(메타)아크릴레이트, n-뷰틸(메타)아크릴레이트, 아이소뷰틸(메타)아크릴레이트, tert-뷰틸(메타)아크릴레이트, n-옥틸(메타)아크릴레이트, 2-에틸헥실(메타)아크릴레이트, 아이소노닐(메타)아크릴레이트, 아이소데실(메타)아크릴레이트, 도데실(메타)아크릴레이트일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 슬립제는 상기 공중합물만으로 이루어진 것 일 수 있으나, 상기 공중합물을 불활성 용매로 용해 또는 현탁시켜서 사용된 것일 수 있다.
상기 불활성 용매는, 상기 공중합물을 용해 또는 현탁시킬 수 있는 것으로, 실링 수지에 혼화시킬 수 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 자일렌, 톨루엔, 사이클로헥산과 같은 탄화수소계 용매, 사이클로헥사논, 메틸아이소뷰틸케톤과 같은 케톤계 용매, 메틸셀로솔브, 셀로솔브, 뷰틸셀로솔브, 메틸카비톨, 카비톨, 뷰틸카비톨, 다이에틸카비톨, 프로필렌글라이콜모노메틸에터와 같은 에터계 용매, 아세트산 n-뷰틸, 아세트산 아이소뷰틸, 아세트산 n-아밀, 셀로솔브 아세테이트, 프로필렌 글라이콜 모노메틸에터 아세테이트, 3-메톡시뷰틸아세테이트와 같은 에스터계 용매, n-뷰틸알코올, sec-뷰틸알코올, 아이소뷰틸알코올, 사이클로헥산올, 2-에틸헥산올, 3-메틸-3-메톡시뷰탄올과 같은 알코올계 용매를 들 수 있다. 이들 용매는, 단독으로 이용해도 되고, 둘 이상 혼합해서 이용할 수 도 있다.
예시적인 구현예에서, 실란트층(10)은 변성 폴리에틸렌(변성 PE), 변성 폴리프로필렌(변성 PP), 아크릴 수지(아크릴레이트 등) 및 변성 아크릴 수지(변성 아크릴레이트 등) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상의 접착성 수지를 더 포함할 수 있다. 상기 접착성 수지는 실란트층(10)에 포함되어, 열접착 강도(실링성) 및 금속층(20)과의 층간 부착력 등을 개선시킬 수 있어 본 발명에 유용하다. 예를 들어, 상기 아크릴 수지(또는 변성 아크릴 수지)의 경우에는 열접착 강도와 층간 부착력 개선에 유리하며, 상기 변성 PE나 변성 PP의 경우에는 층간 부착력과 함께 내화학성을 증가시킬 수 있다.
아울러, 상기 나열한 접착성 수지는 실링 수지(특히, 폴리프로필렌계 등의 폴리올레핀계)와도 호환성이 좋다. 이때, 상기 나열한 접착성 수지에서 변성 수지는 호모 수지(homo-PE, homo-PP 또는 아크릴 수지 등)에 불포화 카르복실산(및/또는 이의 유도체)이나 비닐 단량체 등이 중합(예를 들어 그라프트 중합)되어 변성된 것으로서, 이는 통상 화합물에서의 변성에 준한다.
예시적인 구현예에서, 실란트층(10)은 180℃에서 10 내지 15 kg/15mm의 열 접착강도를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 각 층의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 실란트층(10)의 경우에는 예를 들어 10㎛ 내지 80㎛의 두께를 가질 수 있다. 실란트층(10)은, 바람직하게는 양호한 열접착 강도(실링성)를 위해 20㎛ 이상, 구체적으로는 20㎛ 내지 70㎛, 보다 바람직하게는 30㎛ 내지 60㎛의 두께를 가지는 것이 좋다. 금속층(20)의 경우에는 예를 들어 20㎛ 내지 60㎛의 두께를 가질 수 있으며, 바람직하게는 30㎛ 내지 50㎛를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 외층(30)은 예를 들어 10㎛ 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있으며, 바람직하게는 20㎛ 내지 30㎛를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 중간층(50)은 예를 들어 1㎛ 내지 10㎛, 바람직하게는 3㎛ 내지 6㎛의 두께를 가질 수 있다.
또한, 예시적인 구현예에서, 상기 셀 파우치는 실란트층(10)과 금속층(20) 사이에 개재되는 제1 중간층(15)과 금속층(20) 및 외층(30)사이에 개재되는 제2 중간층(25)을 더 포함할 수 있다(도 3 참조).
제1 중간층(15)은 실란트층(10)과 금속층(20)간의 접착력을 향상시키기 위한 접착 물질을 포함할 수 있다.
제2 중간층(25)은 금속층(20) 및 외층(30)간의 접착력을 향상시키기 위한 접착 물질을 포함할 수 있으며, 경화제를 추가적으로 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 접착 물질로서는 예를 들어, 우레탄계 수지를 사용할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 경화제로서는 예를 들어, 톨루엔 디이소시아네이트(Toluene diisocyanate, TDI), 크실릴렌 디이소시아네이트(Xylylene diisocyanate, XDI), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(Hexamethylene diisocyanate), 이소포론 디이소시아네이트(Isophorone Diisocyanate, IPDI)?등과 같은 이소시아네이트계 경화제를 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치의 실란트층(10)은 내열성 슬립제를 포함한다. 상기 내열성 슬립제는 고온에서도 분해되지 않으므로 셀파우치 제조 공정 도중 또는 직후에 실란트층(10)의 표면으로부터 흘러나와 상기 셀파우치를 구성하는 필름간의 마찰계수를 낮출 수 있다. 이에 따라, 상기 셀 파우치의 성형주름, 크랙 등과 같은 발생을 줄여 셀 파우치의 성형성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 셀의 안정성 및 전기적 성능을 향상시킬 수 있다.
셀 파우치의 제조방법
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치의 제조 방법을 나타내는 개략적인 흐름도이다. 상기 셀 파우치의 제조 방법에 의해 제조된 셀 파우치는 전술한 셀 파우치와 동일하거니 유사한 구성을 포함하고 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 4를 살펴보면, 본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치의 제조 방법은 금속층을 형성하는 단계; 외층을 형성하는 단계; 및 실런트 층을 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.
먼저, 금속층을 형성한다(S100).
구체적으로, 알루미늄 등의 금속을 증착 하여 금속층을 약 100 내지 200 ℃범위의 온도에서 형성한다.
금속층은 금속 박막 및 금속 증착층 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함하도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 금속 박막은 예를 들어 1㎛(마이크로미터) 내지 300㎛의 두께를 가지는 금속 포일(metal foil) 등을 사용하여 형성될 수 있으며, 금속 증착층은 별도의 플라스틱 필름, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 등의 필름에 진공 증착되어 형성될 수 있다. 아울러, 금속 증착층은 예를 들어 1㎛내지 60㎛의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 금속층은 단독 형성되거나, 별도의 플라스틱 필름, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 등의 필름에 진공 증착되어 형성될 수 있다.
이후, 약 100℃내지 150 ℃에서 열처리를 수행하여 금속층을 표면 처리할 수 있다. 상기 공정을 수행하지 않는 경우 금속층의 내식성 및 결합성이 저하될 수 있다. 이때, 크롬, 인산 등을 사용할 수도 있다.
이어서, 금속층 상에 외층을 형성한다(S200).
구체적으로, 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등과 같은 고분자 물질을 이용하여, 금속층 상에 예를 들어, 라미네이션 공정을 수행하여 외층과 금속층을 합지할 수 있다. 상기 라미네이션 공정의 예로는 드라이 라미네이션 공정을 들 수 있다.
상기 외층은 전술한 나일론 수지등과 같은 수지를 포함하는 조성물이 금속층(상에 코팅 또는 공압출되어 형성되거나, 나일론 수지등과 같은 수지를 이용하여 제조된 필름(film)이 합지되어 형성될 수도 있다. 상기 필름은 OPP(Oriented PP) 등의 연신 필름을 포함할 수 있다.
도시하지 않았으나, 금속층과 외층 사이에 제2 중간층을 추가적으로 더 형성할 수 있다.
상기 제2 중간층은 접착물질 및 경화제를 이용하여 통상의 코팅 공정을 통하여 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 접착물질은 우레탄계 수지를 포함할 수 있고, 상기 경화제는 이소시아네이트계 경화제를 포함할 수 있다.
이어서, 금속층의 하부에 실란트층을 형성한다(S300).
구체적으로, 상기 실란트층은 실링 수지 및 내열성 슬립제를 포함하는 물질을 이용하여 드라이 라미네이션 공정, 샌드위치 라미네이션 공정 및/또는 압출 코팅 공정 등을 수행하여 형성할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 실링수지는 예를 들어, 폴리 프로필렌계 수지일 수 있으며, 상기 슬립제는 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머, N-비닐락탐 모노머 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 갖는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머의 공중합물일 수 있다. 예시적인 구현예에서, 상기 제2 중간층이 포함하는 물질에 따라 외층을 형성하기 위한 라미네이션 공정의 온도가 변화될 수 있다. 특히, 접착물질 및 경화제의 성분에 따라, 라미네이션 공정의 온도가 변화할 수 있다.
라미네이션 공정의 온도는 약 50 내지 250 ℃일 수 있으며, 바람직하게는 약 150 내지 200℃ 범위의 온도 일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 금속층 및 외층 사이에 제1 중간층이 더 형성될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치의 제조방법에 따라 제조된 실링층은 내열성 슬립제를 포함할 수 있다. 따라서, 실런트층이 내열성이 충분하여 약 150 내지 300℃ 범위의 고온의 온도에서도 실런트층이 열분해되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 실런트층을 포함하는 셀 파우치의 슬립성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 슬립성이 향상된 경우 셀 파우치 완제품에 성형주름 등이 생기지 않을 수 있으므로 셀 파우치 완제품의 열접착 강도 및 성형성도 향상될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예 1
실록시기 함유 아크릴레이트 모노머 20 내지 40 중량부, N-비닐락탐 모노머 5 내지 50 중량부 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 갖는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머 20 내지 60 중량부의 공중합물을 포함하는 슬립제 및 폴리프로필렌계 수지를 포함하는 실링 수지를 사용하여 실란트층을 압출코팅(Extrusion Coating) 공정을 수행하여 200 내지 300 ℃의 온도에서 형성하였다.
비교예 1
실시예 1에서, 슬립제를 파라핀 왁스계 슬립제로만 달리하여 실란트층을 제조하였다.
실험예 1
실시예1 및 비교예 1에 따라 제조된 실란트층들을 150℃ 및 200℃에 각각 24시간, 48시간 보관한 후 마찰계수를 측정하여 온도와 시간에 따른 슬립성의 변화를 검토하여 표 1에 기재하였다.
| 150℃, 24h | 150℃, 48h | 200℃, 24h | 200℃, 48h | ||
| 실시예 1 | 정마찰 | 0.21 | 0.23 | 0.31 | 0.41 |
| 동마찰 | 0.03 | 0.05 | 0.15 | 0.20 | |
| 비교예 1 | 정마찰 | 0.70 | 0.80 | 0.76 | 0.85 |
| 동마찰 | 0.35 | 0.45 | 0.35 | 0.50 |
표 1을 살펴보면, 실시예 1에 따라 제조된 실란트층은 고온(200℃)에서 보관하는 경우 마찰계수의 변화가 적은 것을 확인할 수 있었다. 이는 상기 내열성 슬립제가 분해되지 않아 실란트 층의 슬립성이 유지되기 때문인 것으로 판단된다.
반면, 비교예 1에 따라 제조된 실란트층은 고온(200℃)에서 마찰계수의 변화가 큰 것을 관측할 수 있었다. 이는 고온에서 파라핀 왁스계 슬립제와 같은 일반 슬립제가 분해되어 이를 포함하는 실란트층의 슬립성이 유지되지 않기 때문인 것으로 판단된다.
실시예 2
금속층으로서 두께 80μm의 알루미늄(Al) 박막을 준비하고, 에폭시 수지(접착제)에 엘라스토머인 열가소성 폴리우레탄(TPU) 5 중량%을 첨가하여 상기 알루미늄(Al) 박막의 일면에 코팅하여 5μm의 접착층을 형성하였다. 이후, 상기 알루미늄박막의 한 면에 실시예 1 에 따라 제조된 실란트층을 180 ℃에서 45μm의 두께를 갖도록 코팅하였다. 이후, 상기 알루미늄 박막의 다른 일면에 상기 접착층과 동일한 조성을 갖는 접착층을 5μm의 두께를 갖도록 형성한 후, 상기 접착층 상에 나일론 수지를 사용하여 외층을 25μm의 두께를 갖도록 코팅하였다. 즉, 실란트층/접착층/금속층/접착층/외층 적층구조를 갖는 셀 파우치를 제조하였다.
비교예 2
실시예 2에서, 슬립제를 파라핀 왁스계 슬립제로만 달리하여 실란트층을 제조하였다.
실험예 2: 셀 파우치의 마찰계수 측정
실시예 2 및 비교예 2에 따른 상기 셀파우치 제품들의 마찰 계수, 열접착강도 및 성형성을 측정하여 표 2에 기재하였다.
| 마찰계수 (실런트층//실런트층) |
열접착강도 (kg/15mm) 180℃, 30kg, 3sec 양면 Seal Bar |
성형 깊이 | ||
| 실시에 2 | 정마찰 | 0.21 | 13.45 | 7.2mm |
| 동마찰 | 0.08 | |||
| 비교예 2 | 정마찰 | 0.70 | 7.80 | 5.0mm |
| 동마찰 | 0.43 | |||
표 2를 살펴보면, 실시예 2에 따라 제조된 셀파우치의 경우 마찰계수의 값이 작아 슬립성이 우수한 것을 확인할 수 있었으며, 열 접착 강도는 일반 슬립제를 사용한 셀 파우치에 비해 약 2배 정도 우수한 것을 관측할 수 있었다. 또한, 실시예에 따른 슬립제를 포함하는 셀파우치의 경우 성형 깊이가 7.2mm 값을 나타내어 비교예 2에 따라 제조된 셀파우치에 비해 우수한 성형성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 3
실록시기 함유 아크릴레이트 모노머 20 내지 40 중량부, N-비닐락탐 모노머 5 내지 50 중량부 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 갖는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머 20 내지 60 중량부의 공중합물을 포함하는 슬립제 및 폴리프로필렌계 수지를 포함하는 실링 수지를 사용하여 실란트층을 형성하였다. 이때, 작업온도를 80℃정도로 낮춰 슬립제를 넣은 실란트층에 직접적으로 고온의 열이 전달되지 않도록 하였다. 이후, 금속층으로서 두께 40μm의 알루미늄(Al) 박막을 준비하고, 에폭시 수지(접착제)에 엘라스토머인 열가소성 폴리우레탄(TPU) 5 중량%을 첨가하여 상기 알루미늄(Al) 박막의 일면에 코팅하여 5μm의 접착층을 형성하였다. 이어서 상기 알루미늄박막의 한 면에 상기 실란트층을 280 ℃에서 45μm의 두께를 갖도록 코팅하였다. 이후, 상기 알루미늄 박막의 다른 일면에 상기 접착층과 동일한 조성을 갖는 접착층을 5μm의 두께를 갖도록 형성한 후, 상기 접착층 상에 나일론 수지를 사용하여 외층을 25μm의 두께를 갖도록 코팅하였다. 즉, 실란트층/접착층/금속층/접착층/외층 적층구조를 갖는 셀 파우치를 제조하였다.
비교예 3
실시예 3에서, 슬립제를 파라핀 왁스계 슬립제로만 달리하여 실란트층을 제조한 후, 실시예 3의 조건과 동일하게 상기 실란트층을 포함하는 셀파우치를 제조하였다.
실험예 3: 셀 파우치의 성형성 측정
실시예 3 및 비교예 3 에 따라 제조된 셀파우치를 150℃ 및 200℃에 각각 24시간, 48시간 보관 하였다.
이후, 상기 셀파우치들을 꺼내고 성형하며 깊이 차이를 비교하여 이를 표 3에 기재하였다.
| 150도 | 200도 | |||
| 24h | 48h | 24h | 48h | |
| 실시예 3 | 7.0mm | 6.8mm | 6.8mm | 6.5mm |
| 비교예 3 | 5.5mm | 5.3mm | 5.3mm | 5.3mm |
표 3을 검토하면, 실시예 3에 따라 제조된 셀 파우치의 성형 깊이는 150℃및 200℃ 모두에서 깊은 것을 확인할 수 있었다.
이에 반해, 일반 슬립제를 사용한 비교예 3에 따라 제조된 셀 파우치의 성형 깊이는 실시예 3에 따라 제조된 셀 파우치에 비해 약 1.5mm정도 얕은 것으로 측정되었다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 구현예에 따른 셀 파우치의 제조방법은 내열성 슬립제를 실링층에 포함하도록 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 약 150 내지 200℃ 범위의 고온의 온도에서도 실런트층이 내열성 슬립제를 포함하므로 열분해되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 실런트층을 포함하는 셀 파우치의 슬립성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 열접착 강도 및 성형성도 향상될 수 있다.
10 : 실란트층 15: 제1 중간층
20 : 금속층 25: 제2 중간층
30 : 외층
20 : 금속층 25: 제2 중간층
30 : 외층
Claims (14)
- 실란트층;
상기 실란트층 상에 형성된 금속층; 및
상기 금속층 상에 형성된 외층을 포함하고,
상기 실란트층은, 실링 수지 및 내열성 슬립제를 포함하며;
상기 내열성 슬립제는 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머, N-비닐락탐 모노머 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 갖는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머의 공중합물을 포함하는 셀 파우치. - 제1항에 있어서,
상기 내열성 슬립제는, 상기 내열성 슬립제 전체 중량에 대하여 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머 20 내지 40 중량부, N-비닐락탐 모노머 5 내지 50 중량부 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 갖는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머 20 내지 60 중량부의 공중합물을 포함하는 것인 셀 파우치. - 제2항에 있어서,
상기 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 편말단 (메타)아크릴 변성된 모노(메타)아크릴레이트인 셀 파우치.
[화학식 1]
[화학식 2]
(상기 화학식 1에서, R1은 수소원자 또는 메틸기이고, R2는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기, R3는 탄소수 1 내지 12의 알킬기이며, m은 2 내지 150의 정수이다. 상기 화학식 2에서 R4는 수소원자 또는 메틸기일 수 있으며, R5는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기일 수 있다.) - 제2항에 있어서, N-비닐락탐 모노머는 N-비닐-2-피롤리돈 모노머 또는 N-비닐-ε-카프로락탐 모노머인 셀 파우치.
- 제3항에 있어서, 알킬(메타)아크릴레이트 모노머는, 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸(메타)아크릴레이트, n-프로필(메타)아크릴레이트, 아이소프로필(메타)아크릴레이트, n-뷰틸(메타)아크릴레이트, 아이소뷰틸(메타)아크릴레이트, tert-뷰틸(메타)아크릴레이트, n-옥틸(메타)아크릴레이트, 2-에틸헥실(메타)아크릴레이트, 아이소노닐(메타)아크릴레이트, 아이소데실(메타)아크릴레이트, 도데실(메타)아크릴레이트으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 셀 파우치.
- 제1항에 있어서,
상기 실란트층은 상기 실란트층 전체 중량에 대하여, 실링 수지 20 내지 60 중량부 및 내열성 슬립제 0.1 내지 10 중량부를 포함하는 셀 파우치. - 제2항에 있어서,
상기 실란트층의 두께는 30㎛ 내지 50 ㎛인 것인 셀 파우치. - 제1항에 있어서,
상기 실링 수지는 폴리프로필렌계 수지를 포함하는 셀 파우치. - 제1항에 있어서,
상기 실란트층은 180℃에서 10 내지 15 kg/15mm의 열 접착강도를 가지는 셀 파우치. - 제1항에 있어서,
상기 실란트층 및 금속층 사이에 개재되는 제1 중간층; 및
상기 금속층 및 외층 사이에 개재되는 제2 중간층을 더 포함하며;
상기 제1 중간층은 접착물질을 포함하며, 상기 제2 중간층은 접착물질 및 경화제를 포함하는 셀 파우치. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 셀 파우치를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층 상에 외층을 형성하는 단계; 및
상기 금속층의 하부에 실링 수지 및 내열성 슬립제를 포함하는 실란트층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 내열성 슬립제는 실록시기 함유 아크릴레이트 모노머, N-비닐락탐 모노머 및 탄소수 1 내지 12의 알킬기를 갖는 알킬(메타)아크릴레이트 모노머의 공중합물 포함하는 셀 파우치의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 금속층을 크롬 또는 인산을 이용하여 표면처리하는 단계를 더 포함하는 셀 파우치의 제조 방법. - 제11항에 있어서, 상기 실란트층을 형성하는 단계는 150 내지 200℃범위의 온도에서 수행되는 셀 파우치의 제조 방법.
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|---|---|---|---|
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Cited By (10)
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