KR20160100604A - 알루미늄 파우치 필름 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄층; 상기 알루미늄층의 제1 표면에 형성되는 중간층; 상기 중간층 상에 형성되는 내층; 및 상기 알루미늄층의 제2 표면에 형성되는 외층을 포함하고, 상기 중간층은 주쇄에 염소(Cl) 원자를 1개 이상 포함하는 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 알루미늄 파우치 필름에 관한 것이다.
Description
본 발명은 알루미늄 파우치 필름에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄층 상에 중간층을 형성하는 알루미늄 파우치 필름에 관한 것이다.
이차전지는 보통 리튬 이차전지를 지칭하는 것으로, 고분자 전해질을 갖고, 리튬이온의 이동으로 전류를 발생하는 전지를 말하며, 이러한 이차전지를 포장하는 외장재로서 이차전지용 파우치가 사용된다. 이러한 이차전지용 파우치는 외부층, 접착층, 알루미늄층, 접착층 및 내부층의 구조로 이루어진다.
이러한 파우치형 이차 전지는 다양한 공정에서 여러 가지 이유로 손상을 입게 될 수 있는데, 예를 들어, 상기 전극 조립체를 상기 파우치 내부에 수납하는 과정에서 전극 탭이나 전극 리드 등의 돌출부위가 파우치 내부층에 크랙(crack) 등의 손상을 주게 되고, 이러한 손상에 의해 상기 알루미늄층이 노출될 수 있다.
또한, 파우치를 실링하는 경우에는 외부에서 열이 가해지게 되는데, 이러한 열에 의하여서도 미세한 핀홀이 발생하거나 파우치가 내상을 입어 내부 접착층에 크랙이 발생하여 상기 알루미늄층이 전해액 등에 노출될 수 있다. 또한, 낙하, 충격, 압력 또는 압착 등에 의해서도 얇은 박막 형태로 구성되는 접착층은 손상을 입게 될 수 있으며, 상기 접착층의 손상된 부위를 통하여 알루미늄층이 전해액 등에 노출되게 된다.
이렇게 전해액에 노출된 알루미늄층은 전지 내부로 침투 또는 확산된 전해액과 산소 또는 수분과 화학 반응을 일으키게 되어 부식될 수 있으며, 이를 통해 부식성 가스가 발생하여 전지 내부를 팽창시키는 스웰링(swelling)현상이 발생하게 되는 문제점을 안고 있다. 보다 상세하게는, LiPF6가 물 및 산소와 반응하여 부식성 가스인 플루오르화수소산(HF)이 생성될 수 있다. 이러한 플루오르화수소산은 알루미늄과 반응하여 급격한 발열반응을 일으킬 수도 있으며, 2차 반응으로 알루미늄 표면으로 흡착되어 조직 내부로 침투하게 되면 조직의 취성이 증가하여 미세 충격에도 파우치 필름의 크랙이 발생하여 전해액의 누액으로 인해 리튬과 대기가 반응하여 발화가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 방지하기 위하여, 다양한 개선 기술이 연구되고 있으며, 구체적으로 한국 공개특허 제10-2001-0006042호 에서와 같이 다층으로 구성된 적층체 시트를 개발하였다.
그러나, 최근 이차전지의 용량이 점차 대용량화 되고 있는 추세이기 때문에, 종래의 기술로는 상기와 같은 문제점을 해결하는 것에는 한계가 있어, 내열성, 내화학성, 내구성이 뛰어난 이차전지용 알루미늄 파우치 필름, 그 중에서도 전해액 중의 HF와 같은 물질의 침투를 방지할 수 있는 이차전지용 알루미늄 파우치 필름에 대한 필요성이 지속적으로 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
본 발명의 목적은 전지가 외부로부터 물리적, 화학적 충격 또는 스트레스에 노출되더라도 파우치 내부의 접착층의 크랙 발생이 억제되며, 성형성, 절연성, 내전해액성 뿐만 아니라 가스 배리어(barrier) 특성이 우수한 이차전지용 알루미늄 파우치 필름을 제공하는 데 있다.
본 발명은 알루미늄층; 상기 알루미늄층의 제1 표면에 형성되는 중간층; 상기 중간층 상에 형성되는 내층; 및 상기 알루미늄층의 제2 표면에 형성되는 외층을 포함하고, 상기 중간층은 주쇄에 염소(Cl) 원자를 1개 이상 포함하는 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 알루미늄 파우치 필름을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 이차전지용 알루미늄 파우치 필름을 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄 파우치 필름을 이차전지에 사용하는 경우, 성형성, 절연성 및 내전해액성 뿐만 아니라 가스 배리어(barrier) 특성이 월등히 개선되어, 물리적, 화학적 충격에 노출되거나 스트레스에 의하더라도 파우치 내부의 접착층의 크랙 발생을 억제할 수 있고, 알루미늄층과 HF와 같은 가스가 화학 반응을 일으키는 것을 방지할 수 있기 때문에, 이차전지의 폭발 위험을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 알루미늄 파우치 필름의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이차전지용 알루미늄 파우치 필름은 도 1에서와 같이 알루미늄층(1), 상기 알루미늄층의 제1 표면에 형성되는 중간층(2); 및 상기 중간층(2) 상에 형성되는 내층(3); 및 알루미늄층(1)의 제2 표면에 외층(4)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄층(1)과 중간층(2), 중간층(2)과 내층(3) 및 알루미늄층(1)과 외층(4) 사이에는 접착층이 형성되어, 각 층을 유지시킬 수 있다.
이하 본 발명의 이차전지용 알루미늄 파우치 필름의 각 구성에 대하여 상세하게 설명한다.
알루미늄층
본 발명의 이차전지용 알루미늄 파우치 필름에 있어서, 상기 알루미늄층은 바람직하게는 연질의 알루미늄 박을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 내필홀성 및 냉간 성형시 연성을 더 부여시키기 위해서, 철을 포함하는 알루미늄 박을 사용할 수가 있다. 상기 철을 포함하는 알루미늄 박에 있어서, 철의 함유량은 전체 알루미늄 박 100 질량%에 대하여, 바람직하게는 0.1 내지 9.0 질량%를 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2.0질량%를 포함할 수 있다. 상기 전체 알루미늄 박 100 질량%에 대한 철의 함유량이 0.1 질량% 미만으로 포함하면 알루미늄 층의 연성이 떨어지게 되고, 9.0 질량%을 초과하여 포함하게 되면 성형성이 떨어지는 문제점이 생긴다.
상기 알루미늄층의 두께는 내필홀성, 가공성, 산소 및 수분 차단 특성 등을 고려하여 10 내지 100㎛인 것이 바람직하며, 30 내지 50㎛인 것이 더욱 바람직하다. 상기 범위를 만족하지 않는 경우, 10㎛ 미만이면 쉽게 찢어지고 내전해성 및 절연성이 떨어지게 되고, 100㎛를 초과하면 성형성이 안좋아지는 문제점이 있다.
알루미늄층에 사용되는 알루미늄 박으로는, 미처리 알루미늄 박을 사용해도 되지만, 내전기분해액성 및 내전해액성 등을 부여하는 점에서 탈지 처리를 실시한 알루미늄 박을 사용하는 것이 보다 바림직하다. 탈지 처리 방법으로 웨트 타입과 드라이 타입의 처리방법을 들 수 있다.
웨트 타입의 탈지 처리의 예로는 산탈지나 알칼리탈지 등을 들 수 있다. 산탈지에 사용하는 산으로서는, 예를 들면 황산, 초산, 인산, 불산 등의 무기산을 들 수 있는데, 상기 산은 1종 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다. 또한, 알루미늄 박의 에칭효과를 향상시키기 위해서, 필요한 경우 각종 금속염을 배합할 수도 있다. 알칼리탈지에 사용되는 알칼리로서는, 예를 들면 수산화나트륨 등의 강 알칼리를 들 수 있으며, 여기에 약 알칼리계나 계면활성제를 함께 배합한 것을 사용할 수도 있다.
드라이 타입의 탈지 처리의 예로는 알루미늄을 고온에서 소둔처리하는 공정으로, 탈지 처리를 행하는 방법을 들 수 있다.
중간층
본 발명의 이차전지용 알루미늄 파우치 필름에 있어서, 상기 중간층으로서는 주쇄에 염소(Cl) 원자를 1개 이상 포함하는 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 공중합체를 포함하는 수지를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC, polyvinylidene chloride)을 포함하는 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 공중합체를 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 폴리올레핀으로는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 폴리에틸렌(polyethylene, PE)으로는 LLDPE(Linear Low-density polyethylene), LDPE(Low-density polyethylene), MDPE(Medium-density polyethylene), HDPE(High-density polyethylene), UHDPE(Ultra High-density polyethylene) 및 mPE(metallocene Polyethylene)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 단독 또는 복합하여 사용할 수 있으며, 상기 폴리프로필렌(polypropylene, PP)으로는 Homo polypropylene, Block polypropylene 및 Random polypropylene로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 단독 또는 복합하여 사용할 수 있다.
상기 중간층은 본 발명의 이차전지용 알루미늄 파우치 필름의 가스 배리어성을 향상시키기 위하여 사용하는 것이다. 알루미늄 파우치 필름이 이차전지에 적용되었을 때, 알루미늄 파우치 필름 내의 전해액 중 LiPF6가 물 및 산소와 반응하여 부식성 가스인 플루오르화수소산(HF)이 생성될 수 있다. 이러한 플루오르화수소산은 알루미늄과 반응하여 급격한 발열반응을 일으킬 수도 있으며, 2차 반응으로 알루미늄 표면으로 흡착되어 조직 내부로 침투하게 되면 조직의 취성이 증가하여 미세 충격에도 파우치 필름의 크랙이 발생하여 전해액의 누액으로 인해 리튬과 대기가 반응하여 발화가 발생할 수 있는데, 본 발명과 같이 주쇄에 염소(Cl) 원자를 1개 이상 포함하는 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 공중합체를 포함하는 중간층을 별도로 구성하는 경우, 플루오르화수소산(HF) 가스가 중간층에 의하여 차단되기 때문에, 플루오르화수소산(HF) 가스가 알루미늄층과 반응하지 않게 된다.
상기 중간층의 두께는 성형성, 절연성, 내전해액성 및 가스 배리어성을 고려하여 2 내지 20㎛인 것이 바람직하고, 5 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 상기 범위를 만족하지 않는 경우 성형성, 절연성, 내전해액성 및 가스 배리어성이 충분하지 않게 되어 문제가 발생할 수 있다.
내층
본 발명의 이차전지용 알루미늄 파우치 필름에 있어서, 상기 내층으로서는 폴리에틸렌(poly ethylene, PE) 또는 폴리프로필렌(poly propylene, PP) 등의 폴리올레핀 또는 이들의 공중합체를 사용할 수 있다. 상기 고분자층에 PE 또는 PP 등의 폴리올레핀 또는 이들의 공중합체를 사용하는 경우, 양호한 히트시일성, 방습성, 내열성 등의 이차전지용 포장재료로서 요구되는 물성을 갖을 뿐만 아니라 라미네이션 등의 가공성이 좋기 때문에 바람직하다.
상기 내층의 고분자층의 두께는 성형성, 절연성 및 내전해액성 등을 고려하여 20 내지 60㎛인 것이 바람직하고, 30 내지 50㎛인 것이 보다 바람직하다. 상기 범위를 만족하지 않는 경우 성형성, 절연성 및 내전해액성이 떨어지게 되는 문제점이 발생할 수 있다.
외층
본 발명의 이차전지용 알루미늄 파우치 필름에 있어서, 상기 외층은 하드웨어와 직접 맞닿는 부위에 해당하기 때문에, 절연성을 갖는 수지인 것이 바람직하다. 따라서, 외층으로 사용되는 수지로서는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프타레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트, 공중합 폴리에스테르, 폴리카보네이트 등의 폴리에스테르 수지를 사용하거나 또는 나일론필름을 사용하는 것이 바람직하며, 특히 나일론 필름을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 나일론 필름의 경우 파열강도, 내핀홀성, 가스차단성 등이 뛰어날 뿐만 아니라 내열성, 내한성 및 기계적 강도가 우수하여 포장용 필름으로 주로 사용되고 있다. 상기 나일론 필름의 구체적인 예로서는 폴리아미드수지, 즉 나일론6, 나일론66, 나일론6과 나일론 66과의 공중합체, 나일론 610, 폴리메타키실린렌 아미파미드(MXD6)등을 들 수가 있다.
상기 외층을 적층하는 경우, 적층된 외층의 두께는 10 내지 30㎛ 이상인 것이 바람직하며, 12 내지 25㎛인 것이 특히 바람직하다. 상기 범위를 만족하지 않는 경우, 10㎛ 미만이면 물리적 특성이 떨어져 쉽게 찢어지게 되고, 30㎛를 초과하면 성형성이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
상기 외층을 적층하는 경우, 특별한 제한은 없으나 바람직하게는 드라이 라미네이션법, 압출라미네이션법을 사용하여 라미네이트 하여 외층을 적층할 수 있다.
접착층
본 발명의 이차전지용 알루미늄 파우치 필름에 있어서, 각 구성 층들을 유지시키기 위하여 접착층을 형성할 수 있으며, 구체적으로 상기 알루미늄층(1)과 중간층(2), 중간층(2)과 내층(3) 및 알루미늄층(1)과 외층(4) 사이에는 접착층이 형성될 수 있다.
상기 접착층으로는 당해 업계에서 일반적으로 사용하는 접착제를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄층(1)과 중간층(2) 사이, 또는 중간층(2)과 내층(3) 사이에는 폴리우레탄, 산변성 폴리올레핀 수지 또는 에폭시 등을 사용할 수 있으며, 구체적은 예로는 말레익 안하이드라이드 폴리프로필렌(MAHPP) 등을 사용할 수 있다.
또한, 알루미늄층(1)과 외층(4) 사이에는 폴리올 성분을 주성분으로 하여, 이소시아네이트화합물 또는 그 유도체를 경화제 성분으로 더 포함 하는 폴리우레탄계 접착제를 사용할 수 있다.
상기 접착층은 각 구성들과의 접착성 및 성형 후 두께 등을 고려하여 형성할 수 있으며, 접착층의 두께는 2 내지 30 ㎛인 것이 바람직하고, 3 내지 15 ㎛인 것이 보다 바람직하다. 상기 두꼐가 2㎛ 미만인 경우에는 점착성이 떨어지며, 30㎛를 초과하는 경우에는 크랙이 발생하는 등의 문제점이 발생할 수 있다.
상기 각각의 구성들에 접착층을 형성하여 적층하는 경우, 특별한 제한은 없으나 바람직하게는 드라이 라미네이션법, 압출라미네이션법을 사용하여 라미네이트하여 적층할 수 있다.
본 발명의 이차전지용 알루미늄 파우치 필름의 제조방법은, a) 알루미늄 층을 준비하는 단계; b) 상기 알루미늄층의 제1 표면에 주쇄에 염소(Cl) 원자를 1개 이상 포함하는 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 공중합체를 포함하는 중간층을 형성시키는 단계; c) 상기 중간층 상에 내층을 형성하는 단계; 및 d) 상기 알루미늄층의 제2 표면에 외층을 형성시키는 단계를 포함한다.
또한 본 발명은 상기 이차전지용 알루미늄 파우치 필름을 포함하는 이차전지를 제공할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명하지만, 하기에 개시되는 본 발명의 실시 형태는 어디까지 예시로써, 본 발명의 범위는 이들의 실시 형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 표시되었고, 더욱이 특허 청구범위 기록과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 함유하고 있다. 또한, 이하의 실시예, 비교예에서 함유량을 나타내는 "%" 및 "부"는 특별히 언급하지 않는 한 질량 기준이다.
실시예
1 및
비교예
1: 알루미늄 파우치 필름의 제작
[실시예 1]
알루미늄박(두께 40㎛, A8021 또는 A8079 재질) 위에, 인 라인으로 중간층과 알루미늄과 접착을 위한 접착수지층을 포함하는 다층의 폴리올레핀 필름을 가열 롤을 이용하여 열 라미네이트(heat lamination)하였다. 열 라미네이트된 다층의 적층 필름은 잔류 열에 의한 수치 및 물성 변화를 방지하기 위하여 냉각 롤을 통과하며 냉각온도를 10 ℃/초 이상의 속도를 유지하며 급속 강하시켜 변형을 방지하였다.
여기서 사용한 다층의 적층 필름의 구성은 알루미늄과 접착을 위하여 산 변성 폴리올레핀으로 구성된 접착층과, 폴리비닐리덴 클로라이드와 폴리프로필렌(한서마이크론)의 공중합체로 구성된 중간층, 그리고 폴리프로필렌(한서마이크론)의 중합체로 구성된 실란트층을 내층으로 하여 필름을 형성하였다. 이때 다층 필름의 전체 두께는 40㎛로 하였으며, 접착층, 가스 차단층 그리고 내층의 두께 비율은 3:1:4로 하였다.
이 후, 4㎛ 두께의 폴리우레탄 접착제 수지(하이켐사)을 도포한 후, 25㎛ 두께의 나일론 6(효성사)을 드라이 라미네이팅 처리를 하여 알루미늄층 상에 나일론을 적층시켰다.
또한, 알루미늄 박과 접착층의 접착 강도를 높이고, 잔류용제를 제거하기 위해서, 다층의 적층 필름을 80 ℃의 환류 오븐에서 96시간 보관한후, 잔류하는 열이력을 제거하기 위하여 상온에서 48시간 보관하여 이차전지용 알루미늄 파우치 필름을 얻었다.
[비교예 1]
중간층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 파우치 필름을 제조하였다.
내전해액성
평가
실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차전지용 알루미늄 파우치 필름을 각각 2cm×4cm로절단한 시편을 시험용기에 LiPF6 전해액(리켐사 제품)과 함께 넣고 밀봉한 후 85℃로 가열하여 필름을 24시간 경과후까지 매 4시간 마다 필름을 채취하여 필름간 박리를 육안으로 관찰하여 내전해액성을 평가하였다.
| 4시간 | 8시간 | 12시간 | 16시간 | 20시간 | 24시간 | |
| 비교예 1 | O | O | O | △ | △ | △ |
| 실시예 1 | O | O | O | O | O | O |
O: 박리 미발생
△: 부분 박리 발생
X: 박리 발생
절연성 평가
실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차전지용 알루미늄 파우치 필름을 각각 3cm×5cm×0.62cm(가로×세로×두께) 로 성형하여 양극, 분리막 및 음극의 전극 조립체와 LiPF6 전해액(리켐사 제품)을 충진한 후 밀봉하여 85℃에서 24시간 보관한 후, 전극과 상부면의 알루미늄층을 인위적으로 노출시켜 전기적으로 절연(1 MΩ 이상)이 되는지 측정하였다.
| 절연성 평가 | |
| 비교예 1 | > 1 MΩ |
| 실시예 1 | > 1 MΩ |
배리어
특성 평가
실시예 1 및 비교예 1에 따른 이차전지용 알루미늄 파우치 필름 중 중간층 및 내층(실시예 1) 과 내층(비교예 1)을 ASTM D-3985에 따라 필름의 산소투과도를 MOCON사의 OX-TRAN 2/21을 이용하여 측정하였다.
| 산소 투과도 | |
| 비교예 1 | 1,500 cc/m2 day atm |
| 실시예 1 | 0.07cc/m2 day atm |
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 파우치 필름인 실시예 1의 필름이 비교예 1의 필름에 비하여 내전해액성 및 절연성이 우수할 뿐만 아니라, 배리어 특성도 우수하다는 것을 알 수 있었다.
Claims (9)
- 알루미늄층;
상기 알루미늄층의 제1 표면에 형성되는 중간층;
상기 중간층 상에 형성되는 내층; 및
상기 알루미늄층의 제2 표면에 형성되는 외층을 포함하고,
상기 중간층은 주쇄에 염소(Cl) 원자를 1개 이상 포함하는 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 알루미늄 파우치 필름. - 청구항 1에 있어서,
상기 중간층은 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC, polyvinylidene chloride)을 포함하는 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 알루미늄 파우치 필름. - 청구항 1에 있어서,
상기 외층은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프타레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트, 공중합 폴리에스테르, 폴리카보네이트 및 나일론 필름으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 알루미늄 파우치 필름. - 청구항 1에 있어서,
상기 내층은 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 공중합체로부터 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 알루미늄 파우치 필름. - 청구항 1에 있어서,
상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌(poly ethylene, PE) 또는 폴리프로필렌(poly propylene, PP)인 것을 특징으로 하는 이차전지용 알루미늄 파우치 필름. - 청구항 4에 있어서,
상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌(poly ethylene, PE) 또는 폴리프로필렌(poly propylene, PP)인 것을 특징으로 하는 이차전지용 알루미늄 파우치 필름. - 청구항 1에 있어서,
상기 중간층의 두께는 2 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 알루미늄 파우치 필름. - 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항의 이차전지용 알루미늄 파우치 필름을 포함하는 포장재.
- 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항의 이차전지용 알루미늄 파우치 필름을 포함하는 이차전지.
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