KR20160090108A - 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스 - Google Patents

플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스 Download PDF

Info

Publication number
KR20160090108A
KR20160090108A KR1020150009994A KR20150009994A KR20160090108A KR 20160090108 A KR20160090108 A KR 20160090108A KR 1020150009994 A KR1020150009994 A KR 1020150009994A KR 20150009994 A KR20150009994 A KR 20150009994A KR 20160090108 A KR20160090108 A KR 20160090108A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
pattern
thin film
flexible battery
reinforcing member
Prior art date
Application number
KR1020150009994A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102314732B1 (ko
Inventor
노승윤
최원길
조현우
남지현
장주희
노형탁
김종관
Original Assignee
주식회사 아모그린텍
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 아모그린텍 filed Critical 주식회사 아모그린텍
Priority to KR1020150009994A priority Critical patent/KR102314732B1/ko
Publication of KR20160090108A publication Critical patent/KR20160090108A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102314732B1 publication Critical patent/KR102314732B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/102—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/105—Pouches or flexible bags
    • H01M2/0287—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0431—Cells with wound or folded electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0583—Construction or manufacture of accumulators with folded construction elements except wound ones, i.e. folded positive or negative electrodes or separators, e.g. with "Z"-shaped electrodes or separators
    • H01M2/0267—
    • H01M2/162—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/116—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material
    • H01M50/124—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material having a layered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/131—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by physical properties, e.g. gas-permeability or size
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/172—Arrangements of electric connectors penetrating the casing
    • H01M50/174—Arrangements of electric connectors penetrating the casing adapted for the shape of the cells
    • H01M50/178—Arrangements of electric connectors penetrating the casing adapted for the shape of the cells for pouch or flexible bag cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/183—Sealing members
    • H01M50/186—Sealing members characterised by the disposition of the sealing members
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/543—Terminals
    • H01M50/552—Terminals characterised by their shape
    • H01M50/553—Terminals adapted for prismatic, pouch or rectangular cells
    • H01M50/557—Plate-shaped terminals
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

본 발명은 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강성 및 탄성복원력이 우수하여 외부 비틀림 등의 외력에 대한 신뢰성이 확보될 수 있다.

Description

플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스{Flexible battery and wearable device containing the same}
본 발명은 플렉서블 배터리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강성 및 탄성복원력이 우수하여 외부 비틀림 등의 외력에 대한 신뢰성이 확보된 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.
전자제품의 디지털화와 고성능화 등으로 소비자의 요구가 바뀜에 따라 시장 요구도 박형 및 경량화와 고에너지 밀도에 의한 고용량을 지니는 전원 공급 장치의 개발로 흐름이 바뀌고 있는 상황이다.
이와 같은, 소비자의 요구를 충족시키기 위해 고에너지 밀도 및 대용량의 리튬이온 이차전지, 리튬이온 고분자전지, 슈퍼커패시터(전기이중층 커패시터(Electric double layer capacitor) 및 수도 커패시터(Pseudo capacitor)) 등과 같은 전원 공급 장치가 개발되고 있다.
최근, 휴대용 전화기, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 전자기기의 수요가 지속적으로 증가하고 있고, 특히 두루마리형 디스플레이, 플렉서블 전자종이(flexible e-paper), 플렉서블 액정표시장치(flexible liquid crystal display, flexible-LCD), 플렉서블 유기발광다이오드(flexible organic light-emitting diode, flexible-OLED) 등이 적용된 플렉서블 모바일 전자기기에 대한 관심이 최근 증가하고 있다. 이에 따라, 플렉서블 모바일 전자기기를 위한 전원 공급 장치 역시 플렉서블한 특성을 갖는 것이 요구되고 있다.
이와 같은 특성을 반영할 수 있는 전원 공급 장치 중 하나로 플랙서블 배터리가 개발되고 있다.
플랙서블 배터리는 플랙서블한 성질을 지닌 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-메탈 하이드라이드 배터리, 니켈-수소 배터리, 리튬이온 배터리 등을 들 수 있다. 특히, 리튬이온 배터리는 납 축전지와, 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-수소 배터리, 니켈-아연 배터리 등 다른 배터리와 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 높은 활용도를 갖는다.
상기 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하는데, 주로 금속캔을 용기로 하여 용접 실링시킨 형태로 사용되고 있다. 하지만, 금속캔을 용기로 사용하는 원통형 리튬이온 배터리는 형태가 고정되므로 전기 제품의 디자인을 제한하는 단점이 있고 부피를 줄이는데 어려움이 있다.
특히, 앞서 언급했듯이 모바일 전자기기는 발전되어 박막화되고 소형화될 뿐만 아니라 플렉서블하여, 기존의 금속캔을 사용한 리튬이온 배터리나, 각형 구조의 배터리는 상기와 같은 모바일 전자기기에 적용하기 용이하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 구조적인 문제를 해결하기 위해 최근, 두 전극과 세퍼레이터, 전해질을 파우치에 넣고 실링하여 사용하는 파우치형 배터리가 개발되고, 파우치형 배터리는 가요성(flexible)을 갖는 소재로 제작되어 다양한 형태로 제조가 가능하며, 높은 질량당 에너지밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
종래 기술 중 한국공개특허 제2014-0059737호에는 플렉서블 젤리롤 타입 2차 전지를 개시하고 있으며, 한국공개특허 제2012-0023491호에는 파우치형 플렉서블 필름 전지 및 그 제조방법을 개시하고 있다.
일반적으로, 파우치형 배터리에 사용되는 파우치는 내부 수지층, 금속층 및 외부 수지층이 적층된 구조를 갖는다. 이 중 금속층은 파우치 구조를 이루는 필수 구성 요소로서, 밀도가 조밀하여 습기 및 전해액이 통과할 수 없어 파우치의 외부에서 파우치 내부로 습기가 침투되는 것을 방지함과 동시에, 파우치 내부에 위치되는 전해액이 파우치 외부로 누수되는 것을 차단하는 기능을 수행한다. 하지만, 이와 같은 금속층은 탄성 복원력이 부족하여 일정 수준 이상의 유연성을 확보하기 어려워, 상기 파우치가 사용된 플렉서블 배터리에 크랙(crack)을 유발하는 문제점이 있었다.
한국공개특허 제2014-0059737호(명칭 : 플렉서블 젤리롤 타입 2차전지) 한국공개특허 제2012-0023491호(명칭 : 파우치형 플렉서블 필름전지 및 그 제조방법)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 강성 및 탄성복원력이 우수하여 외부 비틀림 등의 외력에 대한 신뢰성이 확보된 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스를 제공하고자 한다.
본 발명은 플렉서블 배터리에 관한 것으로서, 전극조립체; 및 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지고 상기 전극조립체를 전해액과 함께 봉지하는 외장재;를 포함하고, 상기 외장재의 적어도 일면에는 외부에서 외력이 가해지는 경우에도 외장재의 파손을 방지하기 위하여 탄성계수가 0.1 Gpa 이상인 보강부재가 구비된다.
상기 외장재는 전극조립체 및 전해액을 수용하는 수용부; 및 상기 수용부 전체를 봉지시키는 실링부; 를 포함하고, 상기 보강부재는 상기 실링부의 적어도 일면에 구비될 수 있다.
또한, 실링부의 동일 방향 또는 다른 방향으로 양극단자 및 음극단자 중에서 선택된 1종의 전극단자가 형성되고, 상기 전극단자가 형성되지 않은 방향의 실링부는 데드스페이스의 감소를 위해 수용부의 상면 또는 하면으로 절곡되어 적층될 수 있으며, 상기 보강부재는 상기 실링부가 상기 수용부의 상면 또는 하면으로 절곡되는 부분에 구비될 수 있다.
상기 보강부재는 접착강도가 200 gf/25mm 이상일 수 있다.
또한, 상기 보강부재는 판상의 시트 또는 필름부재일 수 있으며, 점착부재 또는 접착부재일 수 있다.
한편, 상기 보강부재는 기재층; 및 상기 기재층 일면에 구비되어 상기 외장재에 접착되는 접착층; 을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 기재층의 두께는 5 ~ 50㎛이고, 상기 접착층의 두께는 5 ~ 50㎛ 일 수 있다.
또한, 상기 접착층은 아크릴 중합체를 포함하고, 상기 기재층은 실리콘 이형체가 표면처리된 필름일 수 있다.
상기 아크릴 중합체는 하이드록시가 함유된 메타크릴레이트계 관능성 단량체를 포함할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 아크릴 중합체는 탄소수가 4 ~ 17인 알킬(메타)아크릴레이트 중에서 선택된 1종 이상의 아크릴계 단량체 100 중량부에 대하여, 메틸 메타크릴레이트 또는 비닐 아크릴레이트 중에서 선택된 단량체 10 ~15 중량부, 하이드록시가 함유된 메타크릴레이트계 관능성 단량체 1 ~ 10 중량부 및 중합 개시제 0.03 ~ 0.5 중량부를 포함하고, 중량평균 분자량이 1,200,000 ~ 1,500,000일 수 있다.
한편, 상기 전극조립체는 양극집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층이 배치되는 양극과, 음극집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층이 배치되는 음극 및 분리막을 포함하며, 상기 외장재 및 전극조립체는 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지며, 상기 외장재 및 전극조립체의 패턴은 일치하는 부분을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 패턴은 연속적 또는 비연속적으로 형성되어 있으며, 상기 패턴은 프리즘 패턴, 반원 패턴, 물결무늬 패턴, 다각형 패턴, 엠보싱 패턴 및 이들이 혼합된 패턴 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 외장재의 표면과 보강부재 사이에 단열나노웹 코팅층을 더 포함할 수 있으며, 상기 단열나노웹 코팅층은 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유를 포함할 수 있다.
또한, 상기 외장재의 표면과 단열나노웹 코팅층 사이에 부직포층을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 분리막은 부직포층의 일면 또는 양면에 적용된 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유를 함유한 다공성 나노섬유웹층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극 또는 음극은 상기 분리막으로 봉지되어 분리막과 일체화되며, 상기 분리막은 부직포층의 일면 또는 양면에 적용된 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 나노섬유 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 다공성 나노섬유웹층을 포함하며, 상기 다공성 나노섬유웹층은 양극의 양극활물질 또는 음극의 음극활물질과 접촉하고 있을 수 있다.
상기 외장재는 전극조립체 방향로부터 외부 방향으로 제1수지층, 탄성금속층 및 제2수지층이 적층된 구조이며,
제1수지층은 PPa(acid modified polypropylene), CPP(casting polyprolypene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene), 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에폭시 수지 및 페놀 수지 중 하나의 단일층 구조 또는 이들의 적층 구조를 포함하고,
제2수지층은 나일론, PET(polyethylene terephthalate), COP(Cyclo olefin polymer), PI(polyimide) 및 불소계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
상기 금속박막층은 알루미늄 박막, 구리 박막, 인청동(phosphorbronze, PB) 박막, 알루미늄청동(aluminium bronze) 박막, 백동 박막, 베릴륨-구리(Berylium-copper) 박막, 크롬-구리 박막, 티탄-구리 박막, 철-구리 박막, 코르손 합금 박막 및 크롬-지르코늄 구리 합금 박막 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전해액은 갤 고분자 전해액을 포함할 수 있다.
상기 배터리는 이차전지일 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 다양한 형태의 플렉서블 배터리를 포함하는 사출 성형품을 제공한다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 다양한 형태의 플렉서블 배터리를 포함하는 시계줄, 플렉서블 디스플레이 디바이스 또는 웨어러블 디바이스를 제공한다.
본 발명의 플렉서블 배터리에 의하면, 본 발명은 강성 및 탄성복원력이 우수하여 외부 비틀림 등의 외력에 대한 신뢰성이 확보될 수 있다.
도 1a 및 도 1b 각각은 종래 배터리의 외부 형태 및 단면의 개략도이다.
도 2는 표면에 보강부재가 구비된 본 발명의 플렉서블 배터리의 외장재의 바람직한 일실시예의 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 표면에 보강부재가 구비된 본 발명의 플렉서블 배터리의 외장재의 바람직한 다른 일실시예의 개략도를 나타낸 것이다.
도 4는 표면에 보강부재가 구비된 본 발명의 플렉서블 배터리의 외장재의 바람직한 또 다른 일실시예의 개략도를 나타낸 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 외장재가 데드스페이스의 감소를 위해 절곡되어 적층된 개략도를 나타낸 것이다.
도 6는 도 2와 다른 패턴을 형성시킨 플렉서블 배터리의 개략도이다.
도 7a 및 도 7b 각각은 도 2의 플렉서블 배터리의 단면부를 나타낸 개략도로서, 도 7a는 외장재(1, 2)에는 패턴이 형성되고, 전극조립체(1000)에는 패턴이 형성되지 않은 일실시예를 나타낸 것이고, 도 7b는 외장재 (1,2) 및 전극조립체(1000)에 모두 패턴이 형성된 개략도이며, 도 3a 및 도 3b 모두 외장재(1,2) 표면에 보강부재(3000)가 형성되어 있는 개략도이다.
도 8a 및 도 8b 각각은 도 1의 플렉서블 배터리의 단면부를 나타낸 또 다른 개략도로서, 도 8a는 외장재(1, 2)에는 패턴이 형성되고, 전극조립체(1000)에는 패턴이 형성되지 않은 일실시예를 나타낸 것이고, 도 8b는 외장재(1,2) 및 전극조립체(1000)에 모두 패턴이 형성된 개략도이며, 도 8a 및 도 8b 모두 외장재(1,2) 표면에 부직포층(1500), 단열나노웹 코팅층(2000) 및 보강부재(3000)가 적층되어 있는 개략도이다.
도 9a는 외장재 표면뿐만 아니라, 음극단자(5a) 및 양극단자(5b)에 단열나노웹 코팅층(2000) 적층된 개략도를 나타낸 것이며, 도 9b는 외장재 표면뿐만 아니라, 음극단자(5a) 및 양극단자(5b)에 부직포층(1500) 및 단열나노웹 코팅층(2000) 적층된 개략도를 나타낸 것이다.
도 10 내지 도 21 각각은 본 발명의 플렉서블 배터리에 형성된 패턴의 바람직한 일실시예의 개략도를 나타낸 것이다.
도 22은 본 발명의 플렉서블 배터리의 전극조립체를 구성하는 분리막의 바람직한 일실시 형태를 나타낸 개략도이다.
도 23는 본 발명의 플렉서블 배터리의 전극조립체의 바람직한 일실시 형태를 나타낸 개략도이다.
도 24은 기재층(3001) 및 접착층(3002)를 포함하는 보강부재(3000)의 일실시 형태를 나타낸 개략도이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
기존의 파우치형 배터리는 도 1a 및 도 1b와 같이 외장재의 표면이 평평한 구조를 갖고, 탄성력이 떨어져서 구부리면 외장재의 표면에 크랙이 발생하는 문제가 있었다.
이러한 기존 파우치형 배터리의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 배터리의 외장재뿐만 아니라, 외장재 내부의 전극조립체에도 밴딩시 수축 및 이완을 가능케 하는 패턴을 형성시킴으로서, 표면에 크랙이 발생하는 문제를 해결할 뿐만 아니라, 유연성을 확보하였다. 또한, 본 발명의 플렉서블 배터리는 외장재 적어도 일면에 보강부재를 구비하여 신뢰성을 더욱 증가시킬 수 있다.
본 발명의 플렉서블 배터리는 전극조립체 및 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지고 상기 전극조립체를 전해액과 함께 봉지하는 외장재를 포함하고, 상기 외장재의 적어도 일면에는 외부에서 외력이 가해지는 경우에도 외장재의 파손을 방지하기 위하여 보강부재(3000)가 구비된다.
구체적으로, 도 2에 개시된 바와 같이 보강부재(3000)는 외장재(1, 2)의 적어도 일면에 전부 구비될 수 있다.
또한, 도 3에 개시된 바와 같이 외장재(1,2)가 전극조립체 및 전해액을 수용하는 수용부(20) 및 상기 수용부(20) 전체를 봉지시키는 실링부(10)를 포함할 때, 보강부재(3000)는 상기 실링부(10)의 적어도 일면에 구비될 수 있다.
이 뿐만 아니라, 도 4에 개시된 바와 같이 실링부(10)의 동일 방향 또는 다른 방향으로 양극단자(5b) 및 음극단자(5a) 중에서 선택된 1종의 전극단자가 형성될 때, 상기 보강부재(3000)는 상기 실링부(10)가 상기 수용부(20)의 상면 또는 하면으로 절곡되는 부분이 구비될 수 있다.
구체적으로, 도 5a 및 도 5b에 개시된 바와 같이 상기 전극단자가 형성되지 않은 방향의 실링부(10)는 데드스페이스의 감소를 위해 수용부(20)의 상면 또는 하면으로 절곡되어 적층될 수 있은데, 이와 같이 절곡되는 부분에 상기 보강부재(3000)를 구비함으로서, 본 발명의 플렉서블 배터리의 신뢰성을 더욱 증가시킬 수 있다.
이와 같이 외장재(1, 2)에 구비되는 상기 보강부재(300)는 판상의 시트 또는 필름부재일 수 있으며, 점착부재 또는 접착부재일 수 있다.
나아가, 상기 보강부재(3000)는 탄성계수가 0.1 Gpa 이상일 수 있어 탄성강도가 우수하고, 접착강도가 200 gf/25mm 이상일 수 있어, 상기 외장재(1, 2)에 대한 접착력이 우수할 수 있다.
한편, 상기 보강부재(3000)는 도 2에 개시된 바와 같이 기재층(3001) 및 상기 기재층(3001) 일면에 구비되어 상기 외장재(1)에 접착되는 접착층(3002)을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 기재층(3001)의 두께는 5 ~ 50㎛일 수 있으며, 상기 접착층(3002)의 두께는 5 ~ 50㎛일 수 있다.
먼저, 기재층(3001)은 실리콘 이형체가 표면처리된 필름일 수 있으며, 구체적으로 실리콘 이형력이 경박리측을 1로 기준하였을 ?, 3 ~ 5배 박리가 무거운 실리콘 이형액이 처리된 필름일 수 있다.
다음으로, 접착층(3002)은 아크릴 중합체를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 산-프리(acid free) 아크릴 중합체를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 아크릴 중합체는 탄소수가 4 ~ 17 인 알킬(메타)아크릴레이트 중에서 선택된 1 종 이상의 아크릴계 단량체, 상기 아크릴계 단량체와 공중합 가능하고, 메틸 메타크릴레이트 또는 비닐 아크릴레이트 중에서 선택된 단량체, 하이드록시가 함유된 메타크릴레이트계 관능성 단랑체 및 가교제로 구성된다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 아크릴계 단량체는 내구성 관점에서 유리전이온도가 낮은 끈적끈적한 성질이 있는 아크릴에스테르로, 바람직하게는 2-에틸헥실아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트 및 이소-옥실아크릴레이트 등 중에서 선택된 1 종 이상을 사용한다.
또한, 본 발명의 상기 아크릴계 단량체와 공중합 가능한 단량체는 메틸 메타크릴레이트 및 비닐 아크릴레이트 등 중에서 선택된 1 종 이상을 사용하며, 상기 아크릴계 단량체 100 중량부에 대하여 10 ~ 15 중량부를 사용하는데, 이 범위 내에서는 공중합이 우수하다.
또한, 상기 하이드록시가 함유된 메타크릴레이트계 관능성 단랑체는 2-하이드록시에틸메타크릴레이트를 사용하는 것이 좋으며, 상기 아크릴계 단량체 100 중량부에 대하여 3 ~ 10 중량부를 사용하는데, 이 범위 내에서는 접착층(3002)의 경화도가 우수하다.
본 발명의 가교제는 멜라민 화합물, 에폭시 화합물 및 이소시아네이트 화합물 등 중에서 선택된 1 종 이상을 사용하며, 상기 아크릴계 단량체 100 중량부에 대하여 0.03 ~ 0.5 중량부를 사용하며, 보다 바람직하게는 0.15 ~ 0.35 중량부를 사용한다. 이 범위 내에서는 기재밀착성, 응집성이 우수하고 황변현상이 일어나지 않으며, 다양한 물성구현이 가능하다.
본 발명의 아크릴 중합체를 제조하는 방법은 용액중합, 유화중합, 현탁중합, 분산중합 등의 방법에 의하며, 보다 바람직하게는 단량체와 용제가 1액형 라디칼 반응을 하는 용액중합법에 의한다.
한편, 본 발명의 플렉서블 배터리는 도 1 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 전극조립체(1000) 및 외장재를 포함한다.
상기 외장재(1, 2)는 적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지고 상기 전극 조립체(1000)를 전해액과 함께 봉지한다.
구체적으로, 도 1및 도 6에 나타낸 바와 같이 외장재는 수용부(20) 및 실링부(10)를 포함하며, 수용부(20) 및 실링부(10)를 형성케 하는 외장재의 외부로 음극단자(5a) 및/또는 양극단자(5b)의 전극단자가 형성된 형태일 수 있다.
또한, 외장재의 적어도 일면에는 외부에서 외력이 가해지는 경우에도 외장재에 파손을 방지하기 위해서 보강부재(3000)가 구비된다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 7a 및 도 7b에 나타낸 바와 같이, 외장재(1,2)의 외부 표면에 부강부재(2000)을 도입하여 신뢰성을 더욱 증가시킬 수 있다.
또한, 외장재의 표면과 보강부재(3000) 사이에 단열나노웹 코팅층(2000)이 형성된 형태일 수 있으며, 상기 수용부(20) 내부에는 전극조립체(1000) 및 전해액을 포함하게 된다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 7a 및 도 7b에 나타낸 바와 같이, 외장재(1,2) 의 표면과 보강부재(3000) 사이에 단열나노웹 코팅층(2000)을 도입하여 배터리 자체에서 발생하는 열이 전기, 전자기기로 열이 전달되는 것을 최소화할 수 있으며, 또한, 외부에서 배터리로 전달되는 열을 차단함으로써, 전기, 전자기기의 부품 즉, 배터리가 삽입되는 부품과 함께 사출 성형시켜서 부품과 일체화시켜서 제조할 수 있는 것이다.
또한, 도 8a 및 도 8b에 나타낸 바와 같이, 외장재(1, 2)의 외부 표면과 단열나노웹 코팅층(2000) 사이에 부직포층(1500)을 도입할 수도 있다.
또한, 9a 및 도 9b에 나타낸 바와 같이, 외장재의 표면과 보강부재(3000) 사이 뿐만 아니라, 전극단자인 음극단자(5a) 및 양극단자(5b)의 표면에도 단열나노웹 코팅층(2000) 및/또는 부직포층(1500)을 형성시켜서, 외부 열이 전극단자를 통해서 플렉서블 배터리로 전달되거나, 또는 배터리 자체 열이 전자, 전기 기기로 전달되는 것을 최소화 또는 차단할 수도 있다.
본 발명의 플렉서블 배터리에 있어서, 상기 외장재 및 전극조립체는 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지며, 외장재 및 전극조립체의 패턴은 일치하는 부분을 가질 수 있다.
그리고, 수용부 내부에 있는 상기 전극조립체는 양극집전체(501)의 일면 또는 양면에 형성된 양극 활물질층(502)을 구비하는 양극; 음극집전체(401)의 일면 또는 양면에 형성된 음극 활물질층(402)을 구비하는 음극; 및 분리막(600);을 포함하며, 상기 양극, 음극 및 분리막(600)은 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지며, 외장재(1,2)의 패턴과 일치하는 부분을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 플렉서블 배터리에 형성된 패턴은 도 10 ~ 도 13 및 도 19 ~ 도 21처럼 연속적인 패턴일 수도 있으며, 또는 도 14 ~ 도 18처럼 패턴이 비연속적으로 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 플렉서블 배터리에 형성된 패턴은 프리즘 패턴, 반원 패턴, 물결무늬 패턴, 다각형 패턴 및 이들이 혼합된 패턴 중에서 선택된 1종 이상의 패턴으로 형성될 수 있으며, 상기 패턴은 도 19 내지 도 21에 나타낸 바와 같이, 이웃 패턴간에 서로 같거나 다른 패턴 크기를 또는 패턴 형태를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 패턴은 도 6와 같이 상하 및/또는 좌우 방향으로의 유연성을 확보하기 위해 엠보싱 패턴을 가질 수 있고, 상기 엠보싱 패턴은 사면체형, 오면체형, 육면체형 및 이들의 혼합 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 플렉서블 배터리는 어느 일방향으로의 유연성 증대를 위해서, 상기 패턴은 하기 방정식 1 및/또는 방정식 2를 만족하도록 형성되어 있을 수도 있다.
[방정식 1]
제1외장재(1) 패턴의 높이 ≥ 전극조립체(1000) 패턴의 높이 ≥ 제2외장재(2) 패턴의 높이
[방정식 2]
제1외장재(1) 패턴의 피치 ≥ 전극조립체(1000) 패턴의 피치 ≥ 제2외장재(2) 패턴의 피치
또한, 본 발명의 플렉서블 배터리에서 패턴은 플렉서블 배터리의 중심으로부터 외부방향으로 갈수록 패턴의 높이가 작아지는 형태를 갖도록 형성시킬 수도 있다.
이와 같이 배터리의 외장재뿐만 아니라, 전극집합체(분리막 포함)에 패턴을 형성시킴으로써, 전극집합체의 전극간의 접착강도를 개선시킬 수 있으면서도, 패턴에 의해 전해액의 유동을 방지할 수도 있다.
본 발명의 플렉서블 배터리의 수용부 내부에 수용된 전극조립체는 앞서 설명한 바와 같이 양극, 음극 및 분리막을 포함하는데, 상기 분리막(600, 도 22 참조)은 부직포층(31)의 일면 또는 양면에 다공성 나노섬유웹층(32)을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 다공성 나노섬유웹층은 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 나노섬유 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 나노섬유를, 바람직하게는 다공성 나노섬유웹층 형성시 방사성 및 균일한 기공형성을 확보를 위해 폴리아크릴니트릴 나노섬유만으로 구성될 수 있다. 그리고, 다공성 나노섬유웹층의 상기 폴리아크릴로니트릴 나노섬유는 평균직경 0.1㎛ ~ 2㎛인 것을, 바람직하게는 0.1㎛ ~ 1.0㎛일 수 있으며, 이때, 나노섬유의 평균직경이 0.1㎛ 미만이면 분리막이 충분한 내열성을 확보하지 못하는 문제가 있을 수 있고, 2㎛를 초과하면 분리막의 기계적 강도는 우수하나, 분리막의 탄성력이 오히려 감소하여 플렉서블 배터리에 사용하기에 부적합해질 수 있다.
그리고, 본 발명에서 상기 전극조립체(1000)는 도 7과 같이 양극과 음극 사이에 분리막이 형성된 형태일 수도 있으며, 또한, 도 23 에 개략도로 나타낸 바와 같이, 양극(200), 음극(100) 및 상기 양극(200)과 음극(100)을 분리시키는 분리막(600a, 600b)을 포함하고, 상기 양극(200)은 양극집전체(501) 및 양극활물질(502a, 502b)을 포함하고, 상기 음극(100)은 음극집전체(401) 및 음극활물질(402a, 402b)을 포함하며, 상기 양극 또는 음극은 상기 분리막으로 봉지(또는 실링 또는 코팅)되어 분리막과 일체화되어 있을 수 있다. 음극집전체 및 양극집전체가 연장되어 음극단자(5a) 및 양극단자(5b)를 형성할 수 있다.
이와 같이 음극 또는 양극과 분리막이 일체화된 전극조립체를 제조하는 방법에 대하여 바람직한 일례를 들면, 양극 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 양극활물질층을 구비한 양극 및 음극 집전체의 일면 또는 양면에 형성된 음극활물질층을 구비한 음극을 각각 준비하는 단계; 상기 양극 또는 음극 중 어느 하나를 봉지하도록 다공성 나노섬유웹층과 부직포층을 포함하는 분리막을 형성시켜서, 양극 또는 음극과 분리막을 일체화시키는 단계; 및 분리막과 일체화된 양극 또는 음극과 분리막이 형성되지 않은 양극 또는 음극을 대향시켜 압착 조립하는 단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.
또한, 다공성 나노섬유웹층을 부직포의 일면 또는 양면에 형성시켜서 분리막을 제조한 후, 음극 또는 양극의 일표면 또는 양표면에 다공성 나노섬유웹층이 접촉하도록 음극 또는 양극 표면을 상기 분리막으로 봉지시켜서 본 발명의 전극조립체를 제조할 수도 있다.
그리고, 상기 분리막의 부직포층(31a, 31b)을 구성하는 상기 부직포는 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐알코올(PVA, polyvinyl alcohol), 폴리설폰(polysulfone), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리아마이드(polyamide), 폴리에틸렌옥사이드(PEO, polyethylene oxide), 폴리에틸렌(PE, polyethylene), 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate), 폴리우레탄(PU, polyurethane), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, poly methyl methacrylate) 및 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 부직포층은 무기첨가제를 더 포함할 수 있으며, 상기 무기첨가제는 SiO, SnO, SnO2, PbO2, ZnO, P2O5, CuO, MoO, V2O5, B2O3, Si3N4, CeO2, Mn3O4, Sn2P2O7, Sn2B2O5, Sn2BPO6, TiO2, BaTiO3, Li2O, LiF, LiOH, Li3N, BaO, Na2O, Li2CO3, CaCO3, LiAlO2, SiO2, Al2O3 및 PTFE 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 할 수 있다. 그리고, 상기 무기첨가제인 무기물 입자는 평균입경 10 ~ 50 nm인 것을, 바람직하게는 10 ~ 30 nm인 것을, 더욱 바람직하게는 10 ~ 20 nm인 것을 사용하는 것이 좋다.
상기 전극조립체에 있어서, 상기 분리막의 평균두께는 10 ~ 100㎛, 바람직하게는 10 ~ 50㎛일 수 있으며, 분리막의 평균두께가 10㎛ 미만이면 분리막이 너무 얇아서 배터리의 반복적인 구부러짐 및/또는 펴짐에 의한 분리막의 장기내구성을 확보할 수 없을 수 있고, 100㎛를 초과하면 플렉서블 배터리의 박육화에 불리하므로 상기 범위 내의 평균두께를 갖도록 제조하는 것이 좋다.
그리고, 상기 부직포층은 평균두께 10 ~ 30㎛로, 바람직하게는 15 ~ 30㎛로 형성시키고, 상기 나노섬유웹층은 평균두께 1 ~ 5㎛를 갖는 것이 좋다.
본 발명의 전극조립체(1000)는 양극활물질 및 양극집전체를 포함하는 양극과 음극활물질 및 음극집전체를 포함하는 음극을 포함하는데, 상기 양극집전체 및/또는 음극집전체는 박형의 금속 호일로 이루어질 수 있고, 일방향으로 길게 이어진 띠 형상으로 형성되며 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 니켈, 티타늄, 크롬, 망간, 철, 코발트, 아연, 몰리브덴, 텅스텐, 은, 금 및 이들의 조합에 의하여 제조되는 금속 호일로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 양극집전체 및/또는 음극집전체는 특별하게 한정하지는 않으나, 0.5 ~ 2㎛ 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 양극 구성 중 양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 양극 활물질을 포함하며, 이러한 양극 활물질의 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi1 -x-yCoxMyO2(0 ≤ x ≤1, 0 ≤y ≤ 1, 0 ≤ x+y ≤ 1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속)와 같은 리튬-전이금속 산화물을 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 상기 양극 활물질 이외에도 다른 종류의 양극 활물질을 사용하는 것도 물론 가능하다.
그리고, 상기 음극 활물질은 리튬 이온을 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 음극 활물질을 포함하며, 이러한 음극 활물질로는 결정질 또는 비정질의 탄소, 탄소 섬유, 또는 탄소 복합체의 탄소계 음극 활물질, 주석 산화물, 이들을 리튬화한 것, 리튬, 리튬합금 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기 음극 활물질로 종류가 한정되는 것은 아니다.
여기서, 탄소는 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 탄소나노섬유, 흑연, 활성탄, 그래핀 및 그래파이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명에서는 양극 활물질 및 음극 활물질은 양극집전체 또는 음극집전체로부터 박리를 방지하고, 양극 활물질층 및 음극 활물질충의 크랙을 방지하기 위하여 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 성분을 함유할 수 있다. PTFE 성분은 양극 활물질층 및 음극 활물질층 각각의 총 중량에서 0.5 ~ 20 중량%를 함유할 수 있고, 바람직하게는 최대 5 중량% 이하로 함유할 수 있다.
본 발명의 플렉서블 배터리는 앞서 설명한 바와 같이, 수용부 내에 전해액을 포함하며, 상기 전해액은 비수성 유기용매를 포함하며, 상기 비수성 유기용매로는 카보네이트, 에스테르, 에테르 또는 케톤을 사용할 수 있다. 상기 카보네이트로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르로는 부티로락톤(BL), 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤(valerolactone), 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), n-메틸 아세테이트, n-에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트 등이 사용될 수 있으며, 상기 에테르로는 디부틸 에테르 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤으로는 폴리메틸비닐케톤이 있으나, 본 발명은 비수성 유기용매의 종류에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전해액은 리튬염을 포함할 수 있으며, 상기 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 전지의 작동을 가능하게 하며, 그 예로는 LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x +1SO2)(CyF2x +1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임) 및 LiSO3CF3로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 전해액은 갤 고분자 전해액을 포함할 수 있다.
본 발명의 플렉서블 배터리 구성 중 하나인 상기 외장재는 제1수지층(109), 금속박막층(209) 및 제2수지층(309)이 적층된 구조를 포함할 수 있다.
상기 제1수지층은 PPa(acid modified polypropylene), CPP(casting polyprolypene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene), 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에폭시 수지 및 페놀 수지 중 하나의 단일층 구조 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있고, 바람직하게는 PPa(acid modified polypropylene), CPP (casting polyprolypene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene) 중 하나의 단일층 구조 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1수지층은 평균두께 20 ㎛ ~ 80㎛로, 바람직하게는 20 ㎛ ~ 60㎛로 형성시키는 것이 좋은데, 이때, 평균두께 20 ㎛ 미만이면 제1외장재 및 제2외장재간 접합력 및 기밀성 확보에 불리할 수 있으며, 80 ㎛를 초과하는 것은 비경제적이며, 박편화에 불리하므로 상기 범위 내의 두께로 형성시키는 것이 좋다.
상기 금속박막층은 밀도가 조밀하여 습기 및 전해액이 통과할 수 없는 층으로 본 발명의 플렉서블 배터리용 파우치 내부로 습기가 침투되는 것을 방지함과 동시에, 파우치 내부에 위치되는 전해액이 파우치 외부로 누수되는 것을 차단하는 기능을 수행한다.
상기 금속박막층의 평균두께는 5㎛ 이상일 수 있으며, 바람직하게는 5㎛ ~ 100㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30 ~ 50㎛일 수 있다. 만일, 탄성금속층의 두께가 5㎛ 미만이면 탄성금속층의 수행할 수 없게 될 수 있다. 달리 말하면, 앞서 언급했듯이 탄성금속층은 밀도가 조밀하여 습기 및 전해액을 통과할 수 없는데, 탄성금속층의 두께가 5㎛ 미만이면, 파우치 내부로 습기가 침투될 수 있을 뿐만 아니라, 파우치 내부에 위치되는 전해액이 파우치 외부로 누수될 수 있다.
그리고, 상기 금속박막층은 알루미늄 박막, 구리 박막, 인청동(phosphorbronze, PB) 박막, 알루미늄청동(aluminium bronze) 박막, 백동 박막, 베릴륨-구리(Berylium-copper) 박막, 크롬-구리 박막, 티탄-구리 박막, 철-구리 박막, 코르손 합금 박막 및 크롬-지르코늄 구리 합금 박막 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 인청동 박막은 청동에 인을 첨가한 합금이고, 베릴륨동은 베릴륨을 0.2 ~ 2.5% 함유시킨 동합금으로 동합금 중에서 최고의 강도를 가지며, 내식성, 내마모성, 피로한도, 스프링 특성 및 전기전도성이 모두 우수할 수 있다.
상기 인청동 박막은 선팽창 계수가 1.0 ~ 1.7×10-7/℃일 수 있으며, 바람직하게는 1.2 ~ 1.5×10-7/℃일 수 있다. 만일, 선팽창 계수가 1.0 ×10-7/℃미만이면, 유연성을 충분히 확보할 수 없어, 외력에 의해 크랙(crack)이 발생할 수 있으며, 선팽창 계수가 1.7 ×10-7/℃을 초과하면 강성을 확보할 수 없어, 본 발명의 플렉서블 배터리용 파우치의 변형이 심해진다.
상기 인청동 박막은 주석(Sn) 3.5 ~ 10 중량%, 바람직하게는 4 ~ 8 중량%, 인(P) 0.03 ~ 0.35 중량%, 구리 89.3 ~ 96.2 중량%을 포함할 수 있다. 이때, 인청동 박막은 인청동 박막에 포함된 주석의 함량에 따라 특성이 변화할 수 있는데, 주석의 함량이 3.5 중량% 미만으로 포함되면, 인청동 박막의 강성이 저하되어, 본 발명의 플렉서블 배터리용 파우치의 변형이 심해지고, 주석의 함량이 10 중량%를 초과하면, 유연성을 충분히 확보할 수 없어, 외력에 의해 크랙(crack)이 발생할 수 있다.
다음으로, 상기 제2 수지층은 적층 구조의 파우치를 구현하기 위한 가요성이 있는 기재로써, 본 발명의 플렉서블 배터리용 파우치의 최외각층을 이루는 부분으로서, 파우치의 강도를 보강하고, 외부에서 인가되는 물리적인 접촉에 의하여 외장재에 스크래치가 발생하는 것을 방지하는 등 파우치를 외력으로부터 보호하기 위한 것이다. 상기 제2수지층은 나일론, PET(polyethylene terephthalate), COP(Cyclo olefin polymer), PI(polyimide) 및 불소계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 나일론 또는 불소계 화합물을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 불소계 화합물은 PTFE(polytetra fluoroethylene), PFA(perfluorinated acid), FEP(fluorinated ethelene propylene copolymer), ETFE(polyethylene tetrafluoro ethylene), PVDF(polyvinylidene fluoride), ECTFE(Ethylene Chlorotrifluoroethylene) 및 PCTFE(polychlorotrifluoro ethylene) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 제2수지층은 평균두께 10 ㎛ ~ 50 ㎛으로, 바람직하게는 평균두께 15 ㎛ ~ 40 ㎛로, 더욱 바람직하게는 15 ㎛ ~ 35 ㎛로 형성시키는 것이 좋다. 이때, 제2수지층은 평균두께 10 ㎛ 미만이면 충분한 파우치의 기계적 물성을 확보하지 못할 수 있으며, 50㎛를 초과하는 것은 비경제적이다.
한편, 본 발명의 플렉서블 배터리는 상기 탄성금속층 및 제2수지층 사이에 접착제층을 더 포함할 수 있다.
상기 접착제층은 파우치 안에 수용되어 플렉서블 배터리에 이상 과열 등의 문제점이 발생할 때, 안전성 및 내부 단락 등에 대한 신뢰성을 부여할 수 있다. 또한 접착제층은 탄성금속층 제2수지층 사이의 접착이 용이하도록 하는 역할을 할 수 있다.
상기 접착제층은 제2수지층과 유사한 물질로 만들어 질 수 있고, 실리콘, 폴리프탈레이트, 산 변성 폴리프로필렌(PPa, acid modified polypropylene) 및 산 변성 폴리에틸렌(Pea, acid modified polyethylene) 중에서 선택된 1종 이상의 접착제를 포함할 수 있다. 그리고, 이때 상기 접착제층은 평균두께 5 ㎛ ~ 30 ㎛인 것을, 바람직하게는 10 ㎛ ~ 20 ㎛일 수 있으며, 상기 접착제층의 평균두께가 5 ㎛를 초과하면 안정적인 접착력 확보가 어려울 수 있고, 30 ㎛를 초과하면 박리화에 불리할 수 있다.
또한, 상기 금속박막층 및 제2수지층 사이에 드라이 라미네이트층(dry lamination layer)을 포함할 수도 있으며, 이때, 상기 드라이 라미네이트층은 평균두께 1 ㎛ ~ 7 ㎛인 것을, 바람직하게는 2 ㎛ ~ 5 ㎛로, 더욱 바람직하게는 2.5 ㎛ ~ 3.5 ㎛로 형성시키는 것이 좋다. 이때, 드라이 라미네이트층의 평균두께가 1 ㎛ 미만이면 접착력이 너무 약해서 금속박막층과 제2수지층간 박리가 발생할 수 있고, 7 ㎛를 초과하면 불필요하게 드라이 라미네이트층이 두꺼워지고, 패턴형성이 불리한 영향을 미칠 수 있으므로 상기 두께로 형성시키는 것이 바람직하다.
이러한, 본 발명의 플렉서블 배터리를 이용하여 사출 성형품을 제조할 수 있으며, 일례로 상기 플렉서블 배터리와 함께 사출시켜서 사출 성형품을 제조하여 사출성형품 내 플렉서블 배터리가 일체화되게 할 수도 있다. 이러한, 사출 성형품의 일례로서 시계줄, 바람직하게는 스마트 와치(smart watch)용 시계줄을 제조할 수도 있다.
한편, 본 발명의 플렉서블 배터리는 플렉서블을 요하는 전기적 및/또는 전자적 기기의 배터리에 사용하기에 적합한 바, 스마트 워치의 시계줄, 플렉서블 디스플레이 디바이스 등과 같은 휴대용 전기적, 전자적 디바이스, 몸에 착용 가능한 팔찌 등으로 대표되는 웨어러블 디바이스 등에 폭 넓은 응용이 가능할 것이다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 제1외장재 2 : 제2외장재
5a : 음극단자 5b: 양극단자
10 : 실링부 20 : 수용부
31, 31a, 31b : 부직포층
32, 33a, 33b : 다공성 나노섬유웹층
60 : 플랙서블 배터리
100 : 음극 200 : 양극
109 : 제1수지층 209 : 금속 박막층
309 : 제2수지층
401 : 음극집전체 402 : 음극활물질
501 : 양극집전체 502 : 양극활물질
600, 600a, 600b : 분리막 1000 : 전극조립체
3000 : 보강부재

Claims (25)

  1. 전극조립체; 및
    적어도 일면에 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지고 상기 전극조립체를 전해액과 함께 봉지하는 외장재; 를 포함하고,
    상기 외장재의 적어도 일면에는 외부에서 외력이 가해지는 경우에도 외장재의 파손을 방지하기 위하여 탄성계수가 0.1 Gpa 이상인 보강부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외장재는 전극조립체 및 전해액을 수용하는 수용부; 및 상기 수용부 전체를 봉지시키는 실링부; 를 포함하고,
    상기 보강부재는 상기 실링부의 적어도 일면에 구비되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  3. 제2항에 있어서,
    실링부의 동일 방향 또는 다른 방향으로 양극단자 및 음극단자 중에서 선택된 1종의 전극단자가 형성되고,
    상기 전극단자가 형성되지 않은 방향의 실링부는 데드스페이스의 감소를 위해 수용부의 상면 또는 하면으로 절곡되어 적층될 수 있으며,
    상기 보강부재는 상기 실링부가 상기 수용부의 상면 또는 하면으로 절곡되는 부분에 구비되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보강부재는 접착강도가 200 gf/25mm 이상인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보강부재는 판상의 시트 또는 필름부재인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보강부재는 점착부재 또는 접착부재인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보강부재는
    기재층; 및 상기 기재층 일면에 구비되어 상기 외장재에 접착되는 접착층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기재층의 두께는 5 ~ 50㎛이고, 상기 접착층의 두께는 5 ~ 50㎛인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 접착층은 아크릴 중합체를 포함하고,
    상기 기재층은 실리콘 이형체가 표면처리된 필름인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 아크릴 중합체는 하이드록시가 함유된 메타크릴레이트계 관능성 단량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 아크릴 중합체는
    탄소수가 4 ~ 17인 알킬(메타)아크릴레이트 중에서 선택된 1종 이상의 아크릴계 단량체 100 중량부에 대하여,
    메틸 메타크릴레이트 또는 비닐 아크릴레이트 중에서 선택된 단량체 10 ~15 중량부,
    하이드록시가 함유된 메타크릴레이트계 관능성 단량체 1 ~ 10 중량부 및
    중합 개시제 0.03 ~ 0.5 중량부를 포함하고, 중량평균 분자량이 1,200,000 ~ 1,500,000인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 양극집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층이 배치되는 양극과, 음극집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층이 배치되는 음극 및 분리막을 포함하며,
    상기 외장재 및 전극조립체는 밴딩시 수축 및 이완을 위한 패턴을 가지며,
    상기 외장재 및 전극조립체의 패턴은 일치하는 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 패턴은 연속적 또는 비연속적으로 형성되어 있으며,
    상기 패턴은 프리즘 패턴, 반원 패턴, 물결무늬 패턴, 다각형 패턴, 엠보싱 패턴 및 이들이 혼합된 패턴 중에서 선택된1종 이상의 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 외장재의 표면과 보강부재 사이에 단열나노웹 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단열나노웹 코팅층은 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 외장재의 표면과 단열나노웹 코팅층 사이에 부직포층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 분리막은
    부직포층의 일면 또는 양면에 적용된 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유를 함유한 다공성 나노섬유웹층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 양극 또는 음극은 상기 분리막으로 봉지되어 분리막과 일체화되며,
    상기 분리막은 부직포층의 일면 또는 양면에 적용된 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 나노섬유 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 나노섬유 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 다공성 나노섬유웹층을 포함하며,
    상기 다공성 나노섬유웹층은 양극의 양극활물질 또는 음극의 음극활물질과 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 외장재는 전극조립체 방향로부터 외부 방향으로 제1수지층, 탄성금속층 및 제2수지층이 적층된 구조이며,
    제1수지층은 PPa(acid modified polypropylene), CPP(casting polyprolypene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), HDPE(High Density Polyethylene), 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 에폭시 수지 및 페놀 수지 중 하나의 단일층 구조 또는 이들의 적층 구조를 포함하고,
    제2수지층은 나일론, PET(polyethylene terephthalate), COP(Cyclo olefin polymer), PI(polyimide) 및 불소계 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
    상기 금속박막층은 알루미늄 박막, 구리 박막, 인청동(phosphorbronze, PB) 박막, 알루미늄청동(aluminium bronze) 박막, 백동 박막, 베릴륨-구리(Berylium-copper) 박막, 크롬-구리 박막, 티탄-구리 박막, 철-구리 박막, 코르손 합금 박막 및 크롬-지르코늄 구리 합금 박막 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 전해액은 갤 고분자 전해액을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  21. 제1항 내지 제20항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리는 이차전지인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배터리.
  22. 제1항 내지 제20항 중에서 선택된 어느 한 항의 플렉서블 배터리를 포함하며,
    상기 플렉서블 배터리와 함께 사출되어 제조되는 것을 특징으로 하는 사출 성형품.
  23. 제1항 내지 제20항 중에서 선택된 어느 한 항의 플렉서블 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 시계줄.
  24. 제1항 내지 제20항 중에서 선택된 어느 한 항의 플렉서블 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 디스플레이 디바이스.
  25. 제1항 내지 제20항 중에서 선택된 어느 한 항의 플렉서블 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스.
KR1020150009994A 2015-01-21 2015-01-21 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스 KR102314732B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150009994A KR102314732B1 (ko) 2015-01-21 2015-01-21 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150009994A KR102314732B1 (ko) 2015-01-21 2015-01-21 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160090108A true KR20160090108A (ko) 2016-07-29
KR102314732B1 KR102314732B1 (ko) 2021-10-19

Family

ID=56617620

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150009994A KR102314732B1 (ko) 2015-01-21 2015-01-21 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102314732B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180027262A (ko) * 2016-09-06 2018-03-14 삼성에스디아이 주식회사 적층형 전극 조립체 및 이를 포함하는 플렉서블 이차 전지
WO2019009512A1 (ko) * 2017-07-04 2019-01-10 삼성에스디아이 주식회사 플렉서블 이차 전지용 외장재 및 이를 포함하는 플렉서블 이차 전지
WO2020256412A1 (ko) * 2019-06-17 2020-12-24 주식회사 리베스트 전기화학 셀 및 이에 구비되는 외장재
CN113707974A (zh) * 2021-08-31 2021-11-26 京东方科技集团股份有限公司 智能穿戴设备
US11315742B2 (en) 2018-07-02 2022-04-26 Korea Institute Of Energy Research Freely detachable sticker-type electronic device, method of manufacturing the same, and method of forming electrode for the same

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006172773A (ja) * 2004-12-13 2006-06-29 Ngk Spark Plug Co Ltd 薄型電池
KR20120023491A (ko) 2010-09-02 2012-03-13 한국전자통신연구원 파우치형 플렉서블 필름 전지 및 그 제조 방법
KR20140014839A (ko) * 2012-07-26 2014-02-06 에스케이이노베이션 주식회사 이차전지
KR20140035689A (ko) * 2012-09-14 2014-03-24 삼성전자주식회사 가요성 이차 전지
KR20140059737A (ko) 2012-11-08 2014-05-16 주식회사 엘지화학 플렉서블 젤리롤 타입 2차 전지

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006172773A (ja) * 2004-12-13 2006-06-29 Ngk Spark Plug Co Ltd 薄型電池
KR20120023491A (ko) 2010-09-02 2012-03-13 한국전자통신연구원 파우치형 플렉서블 필름 전지 및 그 제조 방법
KR20140014839A (ko) * 2012-07-26 2014-02-06 에스케이이노베이션 주식회사 이차전지
KR20140035689A (ko) * 2012-09-14 2014-03-24 삼성전자주식회사 가요성 이차 전지
KR20140059737A (ko) 2012-11-08 2014-05-16 주식회사 엘지화학 플렉서블 젤리롤 타입 2차 전지

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180027262A (ko) * 2016-09-06 2018-03-14 삼성에스디아이 주식회사 적층형 전극 조립체 및 이를 포함하는 플렉서블 이차 전지
CN109690857A (zh) * 2016-09-06 2019-04-26 三星Sdi株式会社 堆叠式电极组件和包括其的柔性可再充电电池
EP3512020A4 (en) * 2016-09-06 2020-05-06 Samsung SDI Co., Ltd. STACKED ELECTRODE ARRANGEMENT AND FLEXIBLE SECONDARY BATTERY THEREFOR
US11437651B2 (en) 2016-09-06 2022-09-06 Samsung Sdi Co., Ltd. Stacked electrode assembly and flexible rechargeable battery comprising the same
WO2019009512A1 (ko) * 2017-07-04 2019-01-10 삼성에스디아이 주식회사 플렉서블 이차 전지용 외장재 및 이를 포함하는 플렉서블 이차 전지
KR20200015904A (ko) * 2017-07-04 2020-02-13 삼성에스디아이 주식회사 플렉서블 이차 전지용 외장재 및 이를 포함하는 플렉서블 이차 전지
US11465384B2 (en) 2017-07-04 2022-10-11 Samsung Sdi Co., Ltd. Outer case for flexible rechargeable battery and flexible rechargeable battery including same
US11315742B2 (en) 2018-07-02 2022-04-26 Korea Institute Of Energy Research Freely detachable sticker-type electronic device, method of manufacturing the same, and method of forming electrode for the same
WO2020256412A1 (ko) * 2019-06-17 2020-12-24 주식회사 리베스트 전기화학 셀 및 이에 구비되는 외장재
CN113574733A (zh) * 2019-06-17 2021-10-29 理百思特有限公司 电化学电池单元及其中所包括的外部材料
CN113707974A (zh) * 2021-08-31 2021-11-26 京东方科技集团股份有限公司 智能穿戴设备

Also Published As

Publication number Publication date
KR102314732B1 (ko) 2021-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20200168943A1 (en) Flexible battery, manufacturing method therefor, and auxiliary battery comprising flexible battery
US10164288B2 (en) Flexible battery, manufacturing method therefor, and auxiliary battery comprising flexible battery
KR102122296B1 (ko) 배터리 및 이를 포함하는 모바일 전자기기
KR102290165B1 (ko) 플렉서블 배터리용 전극조립체 및 이를 포함하는 플렉서블 배터리
KR102314732B1 (ko) 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스
JP7049708B2 (ja) フレキシブルバッテリー、この製造方法およびこれを含む補助バッテリー
US20210036376A1 (en) Flexible battery, method for manufacturing thereof and supplementary battery comprising the same
US20210043977A1 (en) Electrolyte solution for secondary battery, and battery and flexible battery comprising same
KR102406836B1 (ko) 플렉서블 배터리, 이를 포함하는 보조배터리 및 시계줄
JP2021512464A5 (ko)
KR102290164B1 (ko) 플렉서블 배터리용 전극조립체 및 이를 포함하는 플렉서블 배터리
KR101736814B1 (ko) 플렉서블 배터리 및 그 제조방법과 플렉서블 배터리를 포함하는 보조배터리
KR102455786B1 (ko) 인서트 사출성형물 및 이를 포함하는 시계줄
KR20160048689A (ko) 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄
KR20160048696A (ko) 플렉서블 배터리가 내장된 시계줄
KR102397710B1 (ko) 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 보조배터리
KR102417446B1 (ko) 플렉서블 배터리, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 보조배터리
KR102455787B1 (ko) 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 보조배터리

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant