KR20160100137A - 가요성 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면은, 제1 전극판, 제2 전극판, 및 상기 제1,2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체와, 상기 전극조립체 및 전해질을 밀봉하고, 외측으로 돌출된 복수의 돌출부들을 가지는 파우치를 포함하고, 상기 전극조립체의 변형률은 상기 파우치의 변형률보다 작은, 가요성 이차전지를 개시한다.

Description

가요성 이차 전지{Flexible secondary battery}
본 발명의 실시예들은 가요성 이차 전지에 관한 것이다.
전자 분야의 기술 발달로 휴대폰, 게임기, PMP(portable multimedia player), MP3(mpeg audio layer-3) 플레이어뿐만 아니라, 스마트폰, 스마트 패드, 전자책 단말기, 가요성 태블릿 컴퓨터, 신체에 부착하는 이동용 의료 기기와 같은 각종 이동용 전자 기기에 대한 시장이 크게 성장하고 있다.
이와 같은 이동용 전자 기기 관련 시장이 성장함에 따라, 이동용 전자기기의 구동에 적합한 배터리에 대한 요구도 높아지고 있으며, 이들 이동용 전자 기기의 사용과 이동, 보관, 충격에 대한 내구성과 관련하여 기기 자체의 유연성에 대한 요구가 커져가고 있어 이를 구현하기 위해 배터리의 유연함에 대한 요구도 증대되어가고 있다.
본 발명의 실시예들은 반복적인 휨 운동 또는 굽힘 운동에서도 안정성을 유지할 수 있는 가요성을 갖는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면은, 제1 전극판, 제2 전극판, 및 상기 제1,2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체 및 상기 전극조립체 및 전해질을 밀봉하고, 외측으로 돌출된 복수의 돌출부들을 가지는 파우치를 포함하고, 상기 전극조립체의 변형률은 상기 파우치의 변형률보다 작은, 가요성 이차전지를 제공한다.
또한, 상기 돌출부들 사이에는 평평한 베이스부가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 만곡부는 상기 제1 만곡부의 중심에서 일정거리가 이격되며, 상기 제1 만곡부를 일주하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 만곡부는 볼록하게 형성되고, 상기 제2 만곡부는 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 만곡부의 곡률반경의 크기는 상기 제2 만곡부의 곡률반경의 크기보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 만곡부의 곡률반경과 상기 제2 만곡부의 곡률반경은 하기의 식을 만족할 수 있다.
Figure pat00001
t=파우치의 두께, x=제2 만곡부의 곡률반경, y=제1 만곡부 곡률반경, b=돌출부의 반지름, H=돌출부의 높이 a=y-H-t
또한, 상기 파우치는 0.05mm 내지 0.1mm의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 돌출부들 각각의 반지름은 0.05mm 내지 1.8mm로 형성될 수 있다.
또한, 상기 돌출부들 각각의 높이는 0.05mm 내지 1.0mm로 형성될 수 있다.
또한, 상기 돌출부들 각각의 수직단면적에 대한 상기 돌출부들 각각의 표면적의 비는 1:1보다 크고 1:3 보다 작게 형성될 수 있다.
또한, 상기 파우치의 단위면적당(1㎠) 상기 돌출부의 개수는 5개 내지 125개로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극판과 연결되는 제1 전극탭 및 상기 제2 전극판과 연결되는 제2 전극탭을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 제1 전극판, 제2 전극판, 및 상기 제1,2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체 및 상기 전극조립체 및 전해질을 밀봉하고, 돌출되도록 형성된 패턴유닛을 구비한 파우치를 포함하고, 상기 패턴유닛은, 돌출부와, 상기 돌출부와 인접하게 배치된 서브 돌출부와, 상기 돌출부와 상기 서브 돌출부 사이에 배치되는 베이스부를 구비하는 가요성 이차전지를 제공할 수 있다.
또한, 상기 돌출부는 외측으로 돌출되도록 형성된 제1 만곡부 및 상기 제1 만곡부의 외측에 형성되고 상기 베이스부와 연결되는 제2 만곡부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 제2 만곡부는 상기 제1 만곡부의 중심에서 일정거리가 이격되며, 상기 제1 만곡부를 일주하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 만곡부는 볼록하게 형성되고, 상기 제2 만곡부는 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 만곡부의 곡률반경의 크기는 상기 제2 만곡부의 곡률반경의 크기보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 패턴유닛은 제1 방향과, 상기 제1 방향과 수직하는 제2 방향과, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 수직하는 제3 방향을 구비하고 상기 돌출부는 상기 제3 방향으로 돌출되도록 형성되고, 상기 패턴유닛은 상기 제1 방향과 수직하고, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향과 평행하는 단면을 형성하며, 상기 단면의 제2 방향으로의 길이는 상기 패턴유닛의 상기 제2 방향으로 단위길이 보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 패턴유닛의 상기 단면의 제2 방향으로의 길이는 상기 제1 방향에 따라 가변하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 만곡부의 곡률반경과 상기 제2 만곡부의 곡률반경은 하기의 식을 만족할 수 있다.
Figure pat00002
t= 파우치의 두께, x= 제2 만곡부의 곡률반경, y=제1 만곡부 곡률반경,
b= 돌출부의 반지름, H= 돌출부의 높이 a= y-H-t
본 발명의 실시예들에 관한 가요성 이차 전지는 반복적인 휨 운동 또는 굽힘 운동에서도 안정성을 유지할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 내용 이외에도, 도면을 참조하여 이하에서 설명할 내용으로부터도 도출될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 이차전지를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 가요성 이차전지를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 파우치의 일부를 발췌하여 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 B 영역을 나타내는 단면도이다.
도 5는 가요성 이차전지의 곡률변화에 따른 응력변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 다수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, 설명의 편의상 가요성 이차전지(100)의 방향성을 부여하기 위해서 가요성 이차전지(100)의 길이 방향을 X방향으로 정하고, 가요성 이차전지(100)의 폭 방향을 Y방향으로 정하며, 가요성 이차전지(100)의 두께 방향을 Z방향으로 정하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 이차전지(100)를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 가요성 이차전지(100)를 나타낸 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 가요성 이차전지(100)는 파우치(110), 전극조립체(130) 및 전극탭(150)을 포함할 수 있다.
파우치(110)는 내부에 전극조립체(130)와 함께 전해질을 수용하고, 이들을 밀봉할 수 있다. 파우치(110)는 플렉서블한 성질을 가지며, 외부의 수분 또는 산소 등이 가요성 이차전지(100)의 내부로 침투하는 것을 방지할 수 있다. 파우치(110)는 전극조립체(130)의 일면을 감싸는 제1 밀봉재(111)와 전극조립체(130)의 타면을 감싸며, 제1 밀봉재(111)와 연결되는 제2 밀봉재(112)를 구비할 수 있다.
파우치(110)는 절연층, 베리어층(barrier layer) 및 절연층의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 파우치(110)는 절연층과 베리어층이 연속적으로 적층되는 형태로 형성될 수 있다. 또한 베리어층은 복수개가 형성되며, 각 베리어층의 두께는 다르게 형성될 수 있다.
상세하게, 파우치(110)의 일측에 형성된 제1 베리어층(미도시)은 상기 제1 베리어층에 마주보도록 배치된 제2 베리어층(미도시)에 비해서 두께가 얇게 형성할 수 있다. 파우치(110)를 만곡지도록 성형 시에는 곡률의 중심으로부터 멀어질수록 재료의 연신이 증가한다. 만곡된 파우치(미도시)의 곡률의 중심에서 멀리 배치된 상기 제1 베리어층은 상기 제2 베리어층 보다 연신이 쉽게 되어, 파우치의 파괴 또는 변형을 최소화하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 파우치(110)는 상기 제1 베리어층에 연신률이 높은 물질로 형성하고, 상기 제2 베리어층에는 상기 제1 베리어층보다 연신률이 낮은 물질로 형성할 수 있다. 만곡된 파우치(미도시)의 곡률의 중심에서 멀리 배치된 상기 제1 베리어층은 상기 제2 베리어층 보다 연신이 쉽게 되어, 파우치의 파괴 또는 변형을 최소화하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 베리어층은 알루미늄, 스틸, 스텐레스 스틸, 폴리머 등으로 형성될 수 있으며, 절연층은 변성 폴리프로필렌(CPP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 나일론 등으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전극조립체(130)는 제1 전극층(131), 제2 전극층(132) 및 제1 전극층(131)과 제2 전극층(132) 사이의 세퍼레이터(133)를 포함할 수 있다. 전극조립체(130)는, 다수의 제1 전극층(131), 제2 전극층(132) 및 세퍼레이터(133)가 적층된 구조를 형성할 수 있으며, 제1 전극층(131), 제2 전극층(132) 및 세퍼레이터(133)가 권취된 젤리롤(jelly-roll) 구조를 형성할 수 있다. 다만 이하에서는 설명의 편의를 위해서 전극조립체(130)는 제1 전극층(131), 제2 전극층(132) 및 세퍼레이터(133)가 적층된 구조를 형성하는 것을 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
제1 전극층(131)은 양극 필름 또는 음극 필름 중 어느 하나일 수 있다. 제1 전극층(131)이 양극 필름인 경우, 제2 전극층(132)은 음극 필름일 수 있으며, 반대로, 제1 전극층(131)이 음극 필름인 경우, 제2 전극층(132)은 양극 필름일 수 있다.
제1 전극층(131)은 제1 금속 집전체와 제1 금속 집전체 표면에 제1 활물질이 도포된 제1 활물질부 및 제1 활물질이 미도포된 제1 무지부를 포함할 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 전극층(132)은 제2 금속 집전체와 제2 금속 집전체 표면에 제2 활물질이 도포되어 형성된 제2 활물질부 및 제2 활물질이 미도포된 제2 무지부를 포함할 수 있다.
제1 전극층(131)이 양극 필름인 경우, 제1 금속 집전체는 양극 집전체이며, 제1 활물질부는 양극 활물질부일 수 있다. 그리고, 제2 전극층(132)이 음극 필름인 경우, 제2 금속 집전체는 음극 집전체이며, 제2 활물질부는 음극 활물질부일 수 있다.
양극 집전체는 알루미늄, 스테인레스강, 티탄, 구리, 은 또는 이들로부터 선택된 물질의 조합으로 형성된 금속일 수 있다. 양극 활물질부는 양극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.
양극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질은 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, 니켈 코발트산 리튬, 니켈 코발트 알루미늄산 리튬, 니켈 코발트 망간산 리튬, 망간산 리튬 및 인산철 리튬과 같은 리튬 전이금속 산화물, 황화 니켈, 황화 구리, 황, 산화철 및 산화 바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴 플루오라이드/헥사플루오로프로필렌 코폴리머, 비닐리덴플루오라이드/테트라플루로에틸린 코폴리머 등의 폴리비닐리덴플루오라이드계 바인더, 나트륨-카르복시메틸셀룰로오스, 리튬-카르복시메틸셀룰로오스 등의 카르복시메틸셀룰로오스계 바인더, 폴리아크릴산, 리튬-폴리아크릴산, 아크릴, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트 등의 아크릴레이트계 바인더, 폴리아미드이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리피롤, 리튬-나피온 및 스티렌 부타디엔 고무계 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
도전재는 카본블랙, 탄소섬유 및 흑연과 같은 탄소계 도전재, 금속섬유와 같은 도전성 섬유, 불화카본 분말, 알루미늄 분말 및 니켈 분말과 같은 금속 분말, 산화아연 및 티탄산칼륨과 같은 도전성 휘스커, 산화티탄과 같은 도전성 금속 산화물 및 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
음극 집전체는 구리, 스테인레스강, 니켈, 알루미늄 및 티탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 음극 활물질부는 음극 활물질, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다.
음극 활물질은 리튬과의 합금화 또는 리튬의 가역적인 흡장 및 방출이 가능한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 음극 활물질은 금속, 탄소계 재료, 금속산화물 및 리튬금속질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
금속은 리튬, 규소, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 게르마늄, 주석, 납, 비소, 안티몬, 비스무트, 은, 금, 아연, 카드뮴, 수은, 구리, 철, 니켈, 코발트 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
탄소계 재료는 흑연, 흑연 탄소섬유, 코크스, 메소카본 마이크로비즈(Mesocarbon microbeads, MCMB), 폴리아센, 피치계 탄소섬유 및 난흑연화성 탄소(hard carbon)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
금속산화물은 리튬티탄산화물, 산화티탄, 산화몰리브덴, 산화니오븀, 산화철, 산화텅스텐, 산화주석, 비정질 주석복합산화물, 실리콘 모노옥사이드, 산화코발트 및 산화니켈로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
바인더 및 도전재는 각각 양극 활물질부에 포함된 바인더 및 도전재와 동일한 것을 사용할 수 있다.
양극 필름 또는 음극 필름은 금속 집전체 상에 활물질부를 다양한 방법에 의해 도포함으로써 형성할 수 있으며, 전극 활물질부의 도포 방법에는 제한이 없다.
세퍼레이터(133)는 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene)막과 같은 다공성 고분자막일 수 있으며, 고분자 섬유를 포함하는 직포 또는 부직포 형태일 수 있으며, 세라믹 입자를 포함할 수 있고, 고분자 고체 전해질로 이루어질 수 있다. 세퍼레이터(133)는 독립적인 필름으로 형성하거나 제1 전극층(131) 또는 제2 전극층(132) 상에 비전도성의 다공성 층을 형성하여 사용될 수 있다.
세퍼레이터(133)는 제1 전극층(131)과 제2 전극층(132)을 서로 전기적으로 분리시키기 위해 형성한 것으로, 세퍼레이터(133)의 형상은 반드시 제1 전극층(131)이나 제2 전극층(132)의 형상과 동일하게 형성될 필요는 없다.
전극탭(150)은 전극조립체(130)에서 연결되어 외부와 전기적으로 연결할 수 있다. 제1 전극층(131)은 제1 전극탭(151)과 전기적으로 연결되고, 제2 전극층(132)은 제2 전극탭(152)과 전기적으로 연결된다. 제1 전극층(131)과 제2 전극층(132) 간의 단락을 방지하기 위해서 제1 전극탭(151)에는 제1 절연부(153)를 구비하고, 제2 전극탭(152)에는 제2 절연부(154)를 구비할 수 있다. 제1 절연부(153)와 제2 절연부(154)는 절연성을 지는 재료로 형성되며 특정 재료에 한정되지 않는다.
도 3은 도 2의 파우치(110)의 일부를 발췌하여 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 B 영역을 나타내는 단면도이다. 도 3 및 도 4를 참고하여, 돌출부(116)의 크기와 배치를 검토하면 다음과 같다.
파우치(110)는 전극조립체(130)의 일면을 감싸는 제1 밀봉재(111)와 전극조립체(130)의 타면을 감싸며, 제1 밀봉재(111)와 연결되는 제2 밀봉재(112)를 구비할 수 있다. 돌출부(116)는 제1 밀봉재(111) 및 제2 밀봉재(112) 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 또한 돌출부(116)는 복수개로 구비할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 제1 밀봉재(111) 및 제2 밀봉재(112) 모두에 복수 개로 형성된 돌출부(116)를 중심으로 설명하기로 한다.
돌출부(116)는 파우치(110)의 외측으로 돌출되도록 형성된 제1 만곡부(113)와 제1 만곡부(113)의 가장자리에 형성된 제2 만곡부(114)를 구비할 수 있다. 제1 만곡부(113)와 제2 만곡부(114)가 연결되는 영역에는 변곡부(115)가 형성될 수 있다. 파우치(110)는 제1 만곡부(113)와 제2 만곡부(114) 사이에 형성되는 베이스부(117)를 구비할 수 있다.
또한, 파우치(110)는 패턴유닛(U)을 형성할 수 있다. 패턴유닛(U)은 돌출부(116)와, 돌출부(116)와 인접하게 배치되는 서브 돌출부 및 돌출부(116)와 상기 서브 돌출부 사이에 배치되는 베이스부(117)를 구비할 수 있다. 상기 서브 돌출부는 돌출부(116)를 등분한 것으로 돌출부(116)의 일부이다. 패턴유닛(U)의 조합으로 서브돌출부와 다른 서브돌출부가 결합되면 돌출부(116)를 형성될 수 있다.
패턴유닛(U)은 돌출부(116)에 인접한 4개의 서브 돌출부를 구비할 수 있다. 이때, 서브 돌출부는 돌출부(116)의 4등분한 것과 실질적으로 동일하므로, 4개의 패턴유닛(U)들의 결합으로 돌출부(116)를 형성할 수 있다. 따라서 이하에서는 돌출부(116)를 중심으로 설명하기로 한다.
제1 만곡부(113)는 볼록하게 형성되고 제2 만곡부(114)는 오목하게 형성될 수 있다. 제2 만곡부(114)는 제1 만곡부(113)의 중심(O)에서 일정거리 이격되며 제1 만곡부(113)를 일주하도록 배치될 수 있다. 제1 만곡부(113)의 곡률반경(y)의 크기는 제2 만곡부(114)의 곡률반경(x)의 크기보다 크게 형성될 수 있다.
도 4를 검토하면, 제1 만곡부(113)의 곡률반경(y)의 크기와 제2 만곡부(114)의 곡률반경(x)의 크기를 산출할 수 있는 [수학식 1]을 도출할 수 있다.
Figure pat00003
도 4에서, O 는 제1 만곡부(113)의 곡률반경의 중심, O’는 제2 만곡부(114)의 곡률반경의 중심, t는 파우치(110)의 두께, x는 제2 만곡부(114)의 곡률반경, y는 제1 만곡부(113) 곡률반경이다. b는 돌출부(116)의 반지름으로 제1 만곡부(113)의 중심에서 제2 만곡부(114)의 가장자리까지의 거리이다. H는 돌출부(116)의 높이이며, 베이스부(117)의 표면에서 제1 만곡부(113)의 최고점까지의 거리이다. a는 제1 만곡부(113)의 곡률반경에서 돌출부를 높이(H)와 파우치(110)의 두께(t)를 뺀 값이다.(a=y-H-t)
도 4에서 피타고라스 정리를 이용하면 [수학식 1]의 첫번째 식을 도출할 수 있다. 이때, 길이 관계를 살펴보면 수학식 1의 두번째 식을 도출할 수 있으며, 상기 첫번째 식과 두번째 식을 연립하면 세번째 식을 구할수 있다.
파우치(110)는 0.05mm 내지 0.1mm의 두께를 가지도록 형성할 수 있다. 파우치(110)가 0.05mm보다 작을 경우에는 파우치(110)가 변형 및 파손되어 내부의 전해액이 누설될 수 있다. 파우치(110)가 0.1mm이상일 경우에는 파우치(110)의 유연성이 떨어져 파우치(110)에 돌출부(116)를 형성에 어려움이 있을 수 있다.
돌출부(116)의 반지름(b)은 0.05mm 내지 1.8mm로 형성될 수 있다. 돌출부(116)의 반지름(b)이 0.05mm보다 작으면 돌출부(116)의 높이(H)를 충분하지 않아 돌출부(116)의 형성으로 인한 파우치(110)의 변형량을 충분하게 형성할 수 없다. 돌출부(116)의 반지름(b)이 1.8mm보다 크면 단위면적당(1㎠) 돌출부의 개수가 작아서 돌출부(116)의 형성으로 인한 파우치(110)의 변형량을 충분하게 형성할 수 없다. 돌출부(116)의 형성으로 인한 파우치(110)의 변형량이 충분하지 않으면, 후술하는 파우치(110)의 벤딩(bending)시에 파우치(110)에 발생하는 응력을 효과적으로 분산할 수 없어 응력집중을 효과적으로 방지할 수 없다.
돌출부(116)의 높이(H)는 0.05mm 내지 1.0mm로 형성될 수 있다. 돌출부(116)의 높이(H)가 0.05mm보다 작게 형성되면, 돌출부(116)의 형성으로 인한 파우치(110)의 변형량이 충분하지 않아 후술하는 파우치(110)의 벤딩(bending)시에 발생하는 응력을 효과적으로 분산할 수 없다. 또한, 돌출부(116)의 높이(H)가 1.0mm보다 높게 형성되면, 파우치(110)의 변형량이 과도하여 파우치(110)의 강도가 약해질 수 있다. 또한, 돌출부(116)의 높이 증가에 따른 파우치(110)의 부피가 증가하여 파우치(110)를 전자기기의 내부공간에 용이하게 설치할 수 없어 공간활용성이 감소될 수 있다.
파우치(110)의 두께(t)와 돌출부(116)의 높이(H) 및 돌출부(116)의 반지름(b)의 범위에 따른 제1 만곡부(113)의 곡률반경(y)의 범위는 0.1mm 내지 24.05mm의 범위를 가질 수 있다. 또한 제2 만곡부(114)의 곡률반경(x)의 범위는 0.0mm 내지 23.95mm의 범위를 가질 수 있다. 제2 만곡부(114)가 형성되지 않으면(x=0), 파우치(110)에 제2 만곡부(114)를 형성하는 단계를 수행하지 않아 파우치(110)의 성형 시간을 단축할 수 있다.
파우치(110)의 두께(t)와 돌출부(116)의 높이(H) 및 돌출부(116)의 반지름(b)의 범위에 따라 돌출부(116)를 형성하면, 돌출부(116) 수직단면적에 대한 돌출부(116) 표면적의 비는 1:1보다 크고 1:3 보다 작게 형성될 수 있다. 돌출부(116)의 수직단면적은 돌출부(116)의 반지름(b)의 제곱과 π의 곱으로 표현할 수 있다.(수직단면적= πb²) 돌출부(116)의 표면적은 외부와 접촉하는 제1 만곡부(113)의 표면적과 제2 만곡부(114)의 표면적의 합으로 표현될 수 있다.
파우치(110)의 두께(t)와 돌출부(116)의 높이(H) 및 돌출부(116)의 반지름(b)의 범위에 따라 돌출부(116)를 형성하면, 상기 파우치의 단위면적당(1㎠) 상기 돌출부의 개수는 5개 내지 125개로 형성될 수 있다.
다시 도3을 검토하면, 돌출부(116)의 형성에 따른 패턴유닛(U)의 변형량을 알 수 있다. 도 3의 파우치(110)의 일부는 패턴유닛(U)과 동일하다. 이하에서는 X축 방향을 제1 방향이라 하고, Y축 방향을 제2 방향이라 하며, Z축 방향을 제3 방향이라 한다.
패턴유닛(U)의 상기 제1 방향과 수직하며, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향과 평행하는 단면(e)을 가진다. 상기 단면(e)의 상기 제2 방향으로의 길이는 패턴유닛(U)의 단위길이(d)보다 길게 형성될 수 있다. 또한 상기 단면(e)의 제2 방향으로의 길이는 상기 제1 방향에 따라 변화할 수 있다.
아래의 [표 1]은 패턴유닛(U)을 상기 제1 방향에 따라 10등분하여 상기 단면(e)의 제2 방향으로의 길이 변화와 그에 따른 변형율을 산출한 것이다. 측정대상인 패턴유닛(U)의 단위길이(d)는 3.0mm이고, 파우치(110)의 두께(t)는 0.07mm이며, 돌출부(116)의 높이(H)는 0.3mm이다.
변위( mm ) 가로방향 길이( mm ) 비율(%) 변형율 (%)
0.0 3.1439 104.80 4.80
0.3 3.0965 103.22 3.22
0.6 3.0037 100.12 0.12
0.9 3.0050 100.17 0.17
1.2 3.0965 103.22 3.22
1.5 3.1439 104.80 4.80
1.8 3.0965 103.22 3.22
2.1 3.0050 100.17 0.17
2.4 3.0037 100.12 0.12
2.7 3.0965 103.22 3.22
3.0 3.1439 104.80 4.80
평균 3.0759 102.53 2.53
[표 1]을 검토하면, 돌출부(116)가 형성된 패턴유닛(U)의 단위길이(d)는 3.0mm이나, 상기 단면(e)의 상기 제2 방향으로의 길이는 평균 3.0759mm로 측정되며, 이는 평균적으로 단위길이(d)에 비해서 2.53% 증가한 것으로 판단된다.
아래의 [표 2]은 패턴유닛(U)을 상기 제1 방향으로 10등분하여 돌출부(116)의 높이(H) 변화에 따른 상기 단면(e)의 상기 제2 방향으로의 길이 변화를 산출하였다. 또한, 상기 단면(e)의 상기 제2 방향으로의 길이 변화에 따른 변형율을 산출한 것이다. 측정대상인 패턴유닛(U)의 단위길이는 3.0mm이고, 파우치(110)의 두께(t)는 0.07mm이며, 돌출부(116)의 높이(H)는 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm로 다양화하여 상기 단면(e)의 제2 방향으로의 길이의 변형율을 산출하였다.
변위(mm) 변형율(%)
0.3mm 0.4mm 0.5mm
0.0 4.7967 8.4867 12.9533
0.3 3.2167 6.4533 10.3000
0.6 0.1233 0.5367 0.8667
0.9 0.1667 0.5367 0.8700
1.2 3.2167 6.4533 10.3000
1.5 4.7967 8.4867 12.9533
1.8 3.2167 5.4533 10.3000
2.1 0.1667 0.5367 0.8700
2.4 0.1233 0.5367 0.8667
2.7 3.2167 6.4533 10.3000
3.0 4.7967 8.4867 12.9533
평균 2.53 4.77 7.59
[표 2]를 검토하면, 돌출부(116)의 높이가 증가하면, 패턴유닛(U)의 변형이 증가되는 것을 알 수 있다. 돌출부(116)의 높이가 증가하면 상기 단면(e)의 상기 제2 방향으로의 길이의 변형율이 증가되는 것으로 보여진다.
전자 분야의 기술 발달로 전자기기에 관련 시장이 성장함에 따라 전자기기의 구동에 필요한 배터리에 대한 요구도 증가하고 있다. 특히 공간활용성이 뛰어난 가요성 이차전지의 경우에는 용도가 다변화 하고 수요가 증가하고 있다.
가요성 이차전지를 제작 시에는 굽힘(bending)에 대한 신뢰성 평가가 필요하고, 상기 평가시에 반복적인 외력으로 파우치에 손상이나 파괴가 발생할 수 있다. 또한, 가요성 이차전지를 공간에 맞도록 설치하기 위해서 외력을 가할 시에 파우치에 손상이나 파괴가 발생할 수 있다.
도 5는 가요성 이차전지의 곡률변화에 따른 응력변화를 나타내는 그래프이다.
도 5의 실험대상의 전극조립체의 길이는 110mm이다. 전극조립체의 두께를 각각 0.5mm, 0.8mm, 1.10mm, 1.35mm로 정하고, 전극조립체를 25R, 40R, 100R 및 200R로 구부릴 때 곡률반경에 따른 전극조립체의 변형율(strain)을 나타낸다. 전극조립체에 곡률반경을 형성하면 볼록한 부분은 팽창하고, 오목한 부분은 수축한다. 전극조립체의 변형율은 전극조립체의 길이의 팽창 또는 수축된 정도를 나타낸다.
Figure pat00004
S: 전극조립체의 변형율 t:전극조립체의 두께 R:전극조립체의 곡률반경
전극조립체의 두께의 중심에서의 길이방향의 크기가 110mm이면 전극조립체의 볼록한 표면은 상기 변형율을 따라 길이가 늘어나고, 전극조립체의 오목한 표면은 상기 변형율을 따라 길이가 줄어든다.
파우치(110)는 가요성 이차전지(100)의 외측에 형성되는 것이므로, 도 5에서와 같은 곡률반경으로 전극조립체(130)가 만곡되면 파우치(110)도 전극조립체(130)와 거의 동일한 힘을 받는다. [표 1]과 [표 2]의 데이터와 도 5의 데이터를 비교하여 검토하면 다음과 같다. 파우치(110)에 돌출부(116)를 형성하면, 파우치(110)의 적어도 일부가 변형되어 파우치(110)는 제1 변형율이 형성된다. 전극조립체(130)를 가력하여 만곡지도록 형성하면, 전극조립체(130)의 팽창 또는 수축으로 전극조립체(130)은 제2 변형율이 형성된다. 제2 변형율이 제1 변형율보다 작도록 전극조립체(130)을 만곡지게 형성하면, 가요성 이차전지(100)에 외력을 가하더라도 파우치(110)가 변형 또는 파괴가 발생하지 않는다. 가요성 이차전지(100)에 가해지는 외력에 따른 변형 또는 파괴를 최소화하여 가요성 이차전지(100)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 1.1mm의 두께를 가지고 패턴이 없는 이차전지를 25R로 구부리면 이차전지는 2.2% 변형될 수 있다. 이후, 이차전지가 복원력 또는 탄성력에 의해서 복원되더라도 강성은 약해지고, 크랙이나 찢어짐이 발생할 수 있다.
[표 1]에서와 같이 돌출부(116)의 높이가 0.3mm이고 두께가 0.07mm인 파우치(110)를 형성하고 1.1mm의 두께를 가진 가요성 이차전지(100)를 파우치(110)로 감싸면, 가요성 이차전지는 25R 이상의 곡률반경으로 구부려도 파우치(110)에 변형이 발생하지 않을 수 있다.
[표 2]에서와 같이 돌출부(116)의 높이가 0.4mm이고 두께가 0.07mm인 파우치(110)를 형성하고 1.35mm의 두께를 가진 가요성 이차전지(100)를 파우치(110)로 감싸면, 가요성 이차전지는 25R 이상의 곡률반경으로 구부려도 파우치(110)에 변형이 발생하지 않을 수 있다.
이는 파우치(110)에 소정의 변형을 미리 형성하여, 미리 형성된 변형율의 범위 내에서는 파우치(110)의 변형을 예방할 수 있다. 즉, 파우치(110)의 돌출부(116)에 의해 미리 형성된 변형이 전극조립체(130)와 파우치(110)를 조립한 후, 가요성 이차전지(100)를 가력하여 형성된 전극조립체(130)의 변형보다 크다. 따라서, 가요성 이차전지(100)에 외력을 가하더라도 파우치(110)의 변형 및 파손을 예방할 수 있다.
가요성 이차전지(100)에 외력을 가할 시에, 돌출부(116)로 외력이 분산되어 파우치(110)의 내구성을 향상시킬 수 있다. 가요성 이차전지(100)에 외력을 가하면, 돌출부(116) 및 돌출부 사이의 간격이 신장 또는 신축되어 파우치(110)을 플렉서블하게 형성할 수 있다. 따라서, 가요성 이차전지(100)에 외력을 가하더라도 파우치(110)의 변형 및 파손을 예방할 수 있다.
가요성 이차전지(100)는 밀봉재로 사용되는 파우치(110)에 돌출부(116)를 형성하여 외력에 의해 형성될 수 있는 응력을 분산시킬 수 있다. 그에 따라 내구성이 향상된 가요성 이차전지(100)를 제작할 수 있다.
가요성 이차전지(100)는 제2 만곡부(114)를 구비하여 돌출부(116)의 경사를 완만하게 형성하여 파우치(110)의 크랙 또는 찢어짐을 방지할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100: 가요성 이차전지
110: 파우치
113: 제1 만곡부
114: 제2 만곡부
115: 변곡부
116: 돌출부
117: 베이스부
130: 전극조립체
131: 제1 전극층
132: 제2 전극층
133: 세퍼레이터
150: 전극탭

Claims (20)

  1. 제1 전극판, 제2 전극판, 및 상기 제1,2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체; 및
    상기 전극조립체 및 전해질을 밀봉하고, 외측으로 돌출된 복수의 돌출부들을 가지는 파우치를 포함하고,
    상기 전극조립체의 변형률은 상기 파우치의 변형률 보다 작은, 가요성 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부들 각각은,
    외측으로 돌출되도록 형성된 제1 만곡부 및 상기 제1 만곡부의 가장자리에 형성된 제2 만곡부를 구비하는, 가요성 이차전지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 만곡부는 상기 제1 만곡부의 중심에서 일정거리가 이격되며, 상기 제1 만곡부를 일주하도록 배치되는, 가요성 이차전지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 만곡부는 볼록하게 형성되고, 상기 제2 만곡부는 오목하게 형성되는, 가요성 이차전지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 만곡부의 곡률반경의 크기는 상기 제2 만곡부의 곡률반경의 크기보다 큰, 가요성 이차전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 만곡부의 곡률반경과 상기 제2 만곡부의 곡률반경은 하기의 식을 만족하는, 가요성 이차전지.
    Figure pat00005

    t=파우치의 두께, x=제2 만곡부의 곡률반경, y=제1 만곡부 곡률반경, b=돌출부의 반지름, H=돌출부의 높이 a=y-H-t
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 파우치는 0.05mm 내지 0.1mm의 두께를 가지는, 가요성 이차전지.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 돌출부들 각각의 반지름은 0.05mm 내지 1.8mm로 형성되는, 가요성 이차전지.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 돌출부들 각각의 높이는 0.05mm 내지 1.0mm로 형성되는, 가요성 이차전지.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 돌출부들 각각의 수직단면적에 대한 상기 돌출부들 각각의 표면적의 비는 1:1보다 크고 1:3 보다 작게 형성되는, 가요성 이차전지.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 파우치의 단위면적당(1㎠) 상기 돌출부의 개수는 5개 내지 125개로 형성되는, 가요성 이차전지.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극판과 연결되는 제1 전극탭; 및
    상기 제2 전극판과 연결되는 제2 전극탭;을 더 포함하는, 가요성 이차전지.
  13. 제1 전극판, 제2 전극판, 및 상기 제1,2 전극판 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체; 및
    상기 전극조립체 및 전해질을 밀봉하고, 돌출되도록 형성된 패턴유닛을 구비한 파우치;를 포함하고,
    상기 패턴유닛은,
    돌출부와, 상기 돌출부와 인접하게 배치된 서브 돌출부와, 상기 돌출부와 상기 서브 돌출부 사이에 배치되는 베이스부를 구비하는, 가요성 이차전지.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 돌출부는,
    외측으로 돌출되도록 형성된 제1 만곡부;
    상기 제1 만곡부의 외측에 형성되고 상기 베이스부와 연결되는 제2 만곡부를 구비하는, 가요성 이차전지.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 만곡부는 상기 제1 만곡부의 중심에서 일정거리가 이격되며, 상기 제1 만곡부를 일주하도록 배치되는, 가요성 이차전지.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 만곡부는 볼록하게 형성되고, 상기 제2 만곡부는 오목하게 형성되는, 가요성 이차전지.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 만곡부의 곡률반경의 크기는 상기 제2 만곡부의 곡률반경의 크기보다 큰, 가요성 이차전지.
  18. 제13 항에 있어서,
    상기 패턴유닛은 제1 방향과, 상기 제1 방향과 수직하는 제2 방향과, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 수직하는 제3 방향을 구비하고 상기 돌출부는 상기 제3 방향으로 돌출되도록 형성되고,
    상기 패턴유닛은 상기 제1 방향과 수직하고, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향과 평행하는 단면을 형성하며,
    상기 단면의 제2 방향으로의 길이는 상기 패턴유닛의 상기 제2 방향으로 단위길이 보다 크게 형성되는, 가요성 이차전지.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 패턴유닛의 상기 단면의 제2 방향으로의 길이는 상기 제1 방향에 따라 가변하는, 가요성 이차전지.
  20. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 만곡부의 곡률반경과 상기 제2 만곡부의 곡률반경은 하기의 식을 만족하는, 가요성 이차전지.
    Figure pat00006

    t= 파우치의 두께, x= 제2 만곡부의 곡률반경, y=제1 만곡부 곡률반경, b= 돌출부의 반지름, H= 돌출부의 높이 a= y-H-t
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