KR20160111702A - 박판을 포함하는 파우치형 전지셀 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 파우치형 케이스에 내장되어 있고; 상기 파우치형 케이스는 전극조립체가 장착되기 위한 수납부를 포함하고 있고 외면이 금속층으로 이루어져 있으며; 상기 수납부의 외주면에는 파우치형 케이스의 금속층들 상호간의 용접으로 형성된 밀봉부가 위치하는 전지셀에 관한 것으로, 부피 대비 높은 에너지를 가지는 전지를 제공하고, 외부 부재에 대한 기계적 강도가 향상된 것을 특징으로 한다.

Description

박판을 포함하는 파우치형 전지셀 및 그의 제조 방법 {Pouch-Typed Battery Cell Comprising a Thin Plate and Method for Preparing the Same}
본 발명은 전지셀에 관한 것으로, 상세하게는 파우치형 케이스의 외면이 금속층으로 이루어져 있고, 파우치형 케이스들의 금속층들 상호간 용접으로 밀봉부가 형성되어 있는 전지셀 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 ‘유비쿼터스 사회’로 발전되고 있다.
이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 리튬 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 구성된 전극조립체를 적층하거나 권취한 상태로 금속 캔 또는 라미네이트 시트의 전지케이스에 내장한 다음 전해액을 주입하거나 함침시키는 것으로 구성되어 있다.
최근에는, 전지의 고용량화로 인해 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공이 많은 관심을 모으고 있고, 이에 따라, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지셀이, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 종래의 일반적인 파우치형 전지셀의 분해사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 전지셀(10)은, 파우치형 전지케이스 본체(20)의 내부에 전극조립체(30)가 내장되어 있고, 그것의 전극 탭들(31, 32)이 두 개의 전극리드들(40, 41)에 각각 용접되어 전지케이스 본체(20)의 외부로 노출되도록 실링되어 있는 구조로 이루어져 있다.
도 1은, 스택형 전극조립체(30)를 사용한 파우치형 전지셀을 도시하고 있으나, 권취형 또는 젤리-롤형 전극조립체를 사용하는 경우에도 상기와 같은 방법으로 제조될 수 있음은 물론이다.
파우치형 케이스(20)는 전극조립체(30)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 케이스 본체(21)에 일측이 연결되어 있는 커버(22)로 이루어져 있다.
파우치형 케이스(20)는 외부 피복층(20b), 박막형 금속층(20a), 수지층(20c)을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 이는 연포장재로서, 침상 부재 기타 외부 충격에 취약하여, 내부 단락에 의한 발화, 폭발을 일으킬 위험이 있는 바, 안전성이 문제될 수 있다.
또한, 전지케이스를 실링하기 위해서는 수지층(20c)을 열융착하여 밀폐된 구조를 형성하기 때문에 이를 위한 넓은 면적의 밀봉부(24)를 필요로 한다. 상기 밀봉부(24)를 형성하기 위해 파우치형 케이스(20)는 소정의 절곡부를 포함하고, 셀의 크기가 커질수록 밀폐력을 담보하기 위해 전지 특성에 불필요한 밀봉부(25)의 면적이 증가하게 되는 바, 셀의 부피 대비 에너지 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
따라서, 파우치형 전지케이스 기계적 강도를 높여 안전성을 확보하고, 불필요한 공간을 줄여 에너지 효율을 도모할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 파우치형 전지 케이스에 용접이 가능한 금속층을 포함하여, 기계적 강도가 향상된 전지셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 파우치형 케이스 외면이 금속층으로 이루어져 있어, 파우치형 케이스의 금속층들 상호간의 용접으로 밀봉부를 형성하여, 밀봉부의 면적을 최대한 줄인 전지셀의 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 파우치형 케이스에 내장되어 있고;
상기 파우치형 케이스는 전극조립체가 장착되기 위한 수납부를 포함하고 있고 외면이 금속층으로 이루어져 있으며;
상기 수납부의 외주면에는 파우치형 케이스의 금속층들 상호간의 용접으로 형성된 밀봉부가 위치하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은, 파우치형 전지셀로서, 외면에 용접이 가능한 금속층을 포함함으로써, 기계적 강도를 향상시키고, 금속층들 상호간의 용접으로 밀봉부를 형성하는 바, 밀봉부의 면적을 최소화하여, 안정성과 에너지 효율이 향상된 전지셀을 제공한다.
일반적으로 전지셀에 포함되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조를 가지고 있으며, 그 구조에 따라 젤리-롤형, 스택형, 스택/폴딩형 구조로 나눌 수 있다.
젤리-롤형(권취형) 전극조립체는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조이고, 스택형(적층형) 전극조립체는 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 구조이다. 최근에는, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되어, 고용량, 저비용의 전지셀의 제조가 가능하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 하기 구조들 중의 하나로 이루어질 수 있다:
(i) 양극 시트와 음극 시트가 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤형 구조;
(ii) 둘 이상의 양극판들과 둘 이상의 음극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 적층형 구조; 및
(iii) 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재된 상태로 적층 접합되어 있는 둘 이상의 단위셀들이 분리 필름에 의해 권취되어 있는 스택/폴딩형 구조.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 파우치형 전지셀은 다양한 구조의 전극조립체에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 파우치형 전지셀은 파우치형 케이스에 용접 가능한 금속층을 포함하여, 케이스에 형성되어 있는 금속층들 간 상호 용접을 통해 실링(밀봉)을 수행하고, 케이스의 내구성을 확보하여 안전성을 향상시킨다.
구체적으로, 상기 금속층은 박판의 형태로 이루어져 있고, 두께가 0.01 mm 내지 1.5 mm의 범위일수 있고, 상세하게는 0.02 mm 내지 1.0 mm의 범위일 수 있다.
박판(sheet)은 일반적으로 열간 압연 또는 냉간 압연한 두께 3 mm 이하의 강판을 의미하며, 박강판이라고도 한다. 일반적인 파우치형 케이스의 금속층은 박판(sheet)이 아닌 박막(thin film)의 형태로 이루어져 있으며, 용접이 불가능하다. 또한, 박판 형태의 금속층은 외부에서 날카로운 부재에 의해 손상되기 쉬워, 안전성이 문제될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 파우치형 케이스는 소정의 두께를 가지는 박판 형태의 금속층을 포함하여 안전성을 향상시키고, 용접이 가능하도록 하는 것과 동시에, 형태 변형이 자유롭고 제작이 간편한 파우치형 케이스의 장점을 가질 수 있다.
상기 범위를 벗어나 금속층의 두께가 1.5 mm를 초과하는 경우, 파우치형 케이스의 유연성을 확보하기 어려워, 파우치형 케이스의 강점인 제조 용이성 등을 확보할 수 없어 바람직하지 않고, 금속층의 두께가 0.01 mm 미만인 경우, 용접을 할 수 없고, 소망하는 기계적 강도를 달성하기 어려운 바, 바람직하지 않다.
한편, 상기 파우치형 케이스는 외면이 용접 가능한 금속층으로 이루어져 있어, 용접을 통해 밀봉부를 형성할 수 있는 것이면 상관 없으며, 알루미늄, 구리, 철 또는 이들의 합금 등으로 이루어질 수 있다. 또한 파우치형 케이스는 금속층 단독으로 구성되어 있을 수도 있고, 일면에 고분자 수지층을 포함하는 구조로 이루어져 있을 수도 있다. 상기 고분자 수지층은 스프레이 또는 딥핑 등을 이용하여 코팅층의 형태로 형성되어 있을 수도 있고, 건식 라미네이션 또는 압출 라미네이션 등을 이용하여 라미네이트 구조로 형성되어 있을 수도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기와 같이 금속층 이외의 층이 포함되어 있는 경우, 상기 파우치형 케이스에서 금속층의 내면에는 1종 이상의 수지층이 부가되어 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 수지층은 케이스의 내구성, 내습성 기타 기계적 강도를 보강시킬 수 있고, 비용 및 제작방법을 고려하여 부가할 수 있다. 또한 상기 수지층은 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 전해액에 대한 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 상세하게는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어질 수 있다.
이러한 수지층은 금속층의 실링부 형성을 하기 위한 용접에 방해가 되지 않도록 금속층에서 파우치형 케이스의 내면에 해당하는 부분에 부가되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 금속층의 내면에 부가된 수지층은 파우치형 케이스의 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 밀봉부의 밀봉을 더욱 견고하게 하여, 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 파우치형 케이스의 밀봉부에서, 상기 수지층은 금속층의 용접시 전도된 열에 의해 상호 융착될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀의 파우치형 케이스는 외면에 형성되어 있는 금속층을 상호 용접하여 밀봉부를 형성하는 것과 동시에, 상기 용접시 열에 의해 금속층 내면에 부가되어 있는 수지층의 상호 융착을 통해, 이중 밀봉을 하는 바, 밀봉성을 더욱 높일 수 있다.
상기 수지층의 두께는 5 ㎛ 내지 100 ㎛인 구조로 이루어질 수 있고, 상세하게는 10 ㎛ 내지 50 ㎛인 구조로 이루어질 수 있다. 상기 수지층의 두께가 너무 얇은 경우에는 물질에 대한 차단 기능과 내습성, 밀봉성 향상 등의 효과를 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
파우치형 케이스의 형상은, 특별히 제한되는 것은 아니나, 전극조립체의 상부 형상에 대응하는 상부 수납부가 형성되어 있는 상부 케이스와, 전극조립체의 하부 형상에 대응하는 하부 수납부가 형성되어 있는 하부 케이스를 포함하고 있고, 상기 상부 케이스의 외주 금속층과 하부 케이스의 외주 금속층이 상호 용접되어 밀봉부를 형성하고 있을 수도 있고;
전극조립체의 형상에 대응하는 수납부가 형성되어 있는 케이스와, 상기 케이스의 일측 단부로부터 절곡된 상태로 연장되어 수납부를 감싸는 커버를 포함하고 있고, 상기 케이스의 외주 금속층과 커버의 외주 금속층이 상호 용접되어 밀봉부를 형성하고 있을 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 전극조립체의 크기, 외형 등에 제한되지 않고, 다양한 형상의 파우치형 케이스를 포함하여, 용도 및 비용을 고려하여 가장 적절한 형태로 제조될 수 있다.
파우치형 케이스가 상부 수납부가 형성되어 있는 상부 케이스와 하부 수납부가 형성되어 있는 하부 케이스로 이루어져 있는 경우, 밀봉부는 파우치형 케이스의 높이를 기준으로 중앙 부위에 형성되고, 수납부가 한쪽에만 형성되어 있어, 이로부터 절곡된 상태로 연장되어 수납부를 감싸는 커버로 이루어져 있는 경우, 밀봉부는 파우치형 케이스의 높이를 기준으로 상측 모서리 부분에 형성된다.
상기 상부 케이스와 하부 케이스, 또는 케이스와 커버는 서로 연결되어 있을 수도 있고, 분리되어 있을 수도 있으나, 공정의 편의성과, 밀봉부의 면적을 줄이도록, 서로 연결되어 있는 것이 바람직하다.
상기 밀봉부를 형성하기 위한 용접은, 특별히 제한되는 것은 아니고, 아크 용접, 가스 용접, 마찰 용접, 테르밋 용접, 레이저 용접 등이 사용될 수 있으나, 상세하게는 정밀한 용접이 가능하고, 강도 조절이 용이한 레이저 용접인 것이 바람직하다.
하나의 구체적인 예에서, 파우치형 케이스의 밀봉성을 높일 수 있도록, 상기 밀봉부의 외면에는 전기절연성 수지가 추가로 도포되어 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 밀봉부가 파우치형 케이스의 형상에 따라 다양한 위치에 형성될 수 있고, 용접과 일부 열융착에 의해 형성된 밀봉부의 외면에 전기절연성 수지를 도포하는 바, 종래 열융착을 통해서만 형성된 밀봉부와 비교하여, 좁은 면적으로 형성되어도 더욱 견고한 밀봉성을 가진다.
즉, 종래 일반적인 파우치형 케이스에서는 열융착을 통해서만 밀봉부를 형성하였는바, 밀봉성을 담보하기 위해서 파우치형 케이스에 소정의 절곡 부위를 포함하여 넓은 면적에 밀봉부를 형성하였다. 반면에, 본 발명에 따른 전지셀은 전극단자 부위를 제외하고 파우치형 케이스에 절곡 부위를 포함하고 있지 않을 수 있다.
따라서, 밀봉의 효율이 높고, 제조비용 및 시간을 절감하며, 밀봉을 하기 위한 불필요한 부분을 줄이는 바, 동일 부피 대비 높은 에너지 효율을 가진다.
상기와 같이 본 발명에 따른 전지셀은 파우치형 케이스에 절곡 부위를 포함하지 않는 바, 그 형상에 제한되는 것은 아니나, 원기둥, 각기둥 기타 다면체의 구조의 외형을 가질 수 있고, 상세하게는 육면체 구조의 외형을 가질 수 있다. 따라서, 규칙적인 배열을 통해 다수의 전지셀을 효율적으로 적층할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 제조하는 방법을 제공한다.
상기 전지셀의 제조방법은,
(i) 전극조립체를 준비하는 과정;
(ii) 전극조립체에 대응하는 형상의 수납부가 형성되어 있고, 외면에 금속층을 포함하는 전지케이스를 준비하는 과정;
(iii) 상기 수납부에 전극조립체를 장착한 후, 수납부의 외주면 중 일면을 제외하고 나머지 부위에 금속층들을 상호 용접하는 과정; 및
(iv) 용접되지 않은 상기 나머지 부위를 통해 전해액을 주입한 후 용접하여 밀봉하는 과정;
을 포함할 수 있다.
한편, 상기 제조과정에서, 밀봉성을 높이고, 외부의 충격으로부터 전지셀을 보호할 수 있도록, 상기 과정(iv) 이후에, 용접에 의해 형성된 밀봉부의 외면과 그 주변 부위에 전기절연성 수지를 부가하는 과정을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 전지셀의 제조 방법은,
(i) 전극조립체를 준비하는 과정;
(ii) 전극조립체에 대응하는 형상의 수납부가 형성되어 있고, 외면에 금속층을 포함하는 전지케이스를 준비하는 과정;
(iii) 상기 수납부에 전극조립체를 장착하고 전해액을 주입하는 과정; 및
(iv) 수납부의 외주면에서 금속층들을 상호 용접하여 밀봉하는 과정;
을 포함할 수 있다.
즉, 전해액 주입과정은 금속층들의 상호 용접을 통한 밀봉 과정 이전에 수행될 수 있고, 밀봉의 중간과정에서 수행될 수도 있으며, 밀봉 과정 이후에 수행될 수도 있다.
한편, 상기 제조과정에서, 밀봉성을 높이고, 외부의 충격으로부터 전지셀을 보호할 수 있도록, 상기 과정(iv) 이후에도, 용접에 의해 형성된 밀봉부의 외면과 그 주변 부위에 전기절연성 수지를 부가하는 과정을 추가로 포함할 수 있다.
상기 전지셀은, 파우치형 전지케이스의 수납부에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다. 즉, 외면에 금속층을 포함하는 시트에 전극조립체의 장착을 위한 수납부를 형성하고, 상기 수납부에 전극조립체를 장착한 상태에서 상부 수납부가 형성되어 있는 시트 또는 커버를 구성하는 시트의 외주면을 용접하여 밀봉하는 것으로 제조된다.
상기 과정(i)은 전극조립체를 준비하는 과정으로, 상기 전극조립체는 양극, 음극, 및 분리막을 포함한다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ㎛ 내지 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 과정(ii)은 용접이 가능하도록 소정 두께의 금속층을 포함하는 시트를 재료로 전지케이스를 준비하는 과정으로, 전극조립체의 상부 수납부를 포함하는 상부 케이스 및 하부 수납부를 포함하는 하부 케이스로 이루어져 있거나, 전극조립체의 전체 수납부를 포함하는 케이스 및 상기 전체 수납부를 감싸는 커버를 포함하는 구조일 수 있다. 또한, 상기 상부 및 하부 케이스, 케이스 및 커버는 상호 분리된 별도의 시트를 사용할 수도 있고 상부 및 하부 시트의 일측이 연결되어 있는 하나의 시트를 사용하는 것이 가능하다.
상기 전지케이스는 전극조립체 대응하는 형상의 수납부가 형성될 수 있도록 외면에 소정 두께의 금속층이 형성되어 있는 시트를 다이와 펀치를 사용하여 드로잉 공정으로 부분 압축함으로써 수납부를 형성할 수 있다.
구체적으로, 수납부 대응하는 형상이 각인되어 있는 성형 몰드를 준비하는 단계; 상기 성형 몰드의 상면에 소정 두께의 금속층이 형성되어 있는 시트를 배치하는 단계; 및 성형 지그로 상기 소정 두께의 금속층이 형성되어 있는 시트를 가압하여, 수납부가 형성되어 있는 시트를 제조하는 단계;를 통하여 수납부들을 형성할 수 있다.
상기 과정들(iii, iv)은 상기 수납부들에 전극조립체들을 각각 장착하고 전해액을 주입 및 밀봉하는 과정으로, 상기 전해액은 LiPF6 등의 리튬염을 포함하는 비수성 전해액을 넣어서 제조하게 된다. 따라서 상기 전해액은 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기와 같은 전해액을 주입하는 과정은 밀봉과정 중에 수행할 수도 있고, 밀봉과정 이전에 수행할 수도 있다.
밀봉과정 이전에 전해액을 주입하는 경우, 전해액을 주입한 후, 수납부의 외주면을 따라 금속층들을 상호 용접하여 밀봉할 수 있고, 밀봉과정 중에 전해액을 주입하는 경우, 수납부의 외주면 중 일면을 제외하고 금속층들을 상호 용접한 후, 전해액을 주입하고, 용접되지 않은 부분을 2차 용접하여 밀봉한다.
상기와 같이 밀봉과정 이전에 전해액을 주입하는 방법은 2차 용접을 필요로하지 않은바, 공정이 단순한 이점이 있고, 밀봉과정 중에 전해액을 주입하는 방법은 전해액이 유출될 수 있는 부분이 적어 전해액 손실이 적고 탈기공정에 유리한 이점이 있어 바람직하다.
한편, 상기 밀봉과정에서, 시트의 내면에 고분자 수지층이 형성되어 있는 경우, 용접에 사용되는 열에 의해, 고분자 수지층이 열융착되어 보다 견고한 밀봉성을 제공할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지셀을 포함하는 전지팩과, 이러한 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스의 대표적인 예로는 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 외면이 금속층으로 이루어져 있어, 금속층들 상호간의 용접으로 밀봉부를 형성할 수 있는 파우치형 케이스를 포함하여, 불필요한 밀봉부를 줄이고, 파우치형 케이스의 장점을 보유하면서도 기계적 강도를 개선시켜 안전성 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 종래 대표적인 파우치형 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 분해사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀로서, 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀을 모식적으로 나타낸 분해사시도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀로서, 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀을 모식적으로 나타낸 분해사시도이다;
도 4a는 도 2에 나타낸 전지셀을 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 4b는 도 3에 나타낸 전지셀을 모식적으로 나타낸 사시도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀로서, 스택/폴딩형 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀을 모식적으로 나타낸 분해사시도이다;
도 6a는 도 5에 나타낸 전지셀을 모식적으로 나타낸 사시도이다; 및
도 6b는 스택/폴딩형 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀로서, 도 5에 나타낸 전지셀과 또 다른 실시예를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀로서, 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀의 분해사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지셀(100)은, 파우치형 케이스(200)의 내부에 전극조립체(300)가 내장되는 구조로 이루어진다. 파우치형 케이스(200)는 케이스 본체(210)와 일체로 연결되어 있는 커버(220)로 구성되며, 케이스 본체(210)는 전극조립체를 수납할수 있는 수납부(230)가 형성되어 있다.
전극조립체(300)는 스택형 전극조립체로서, 이로부터 연장된 전극 탭들(310, 320)을 포함하고 있고, 전극 탭들(310, 320)은 두 개의 전극 리드들(400, 410)에 각각 용접되어 절연 테이프가 부착된다.
전지셀(100)은 전극 리드들(400, 410)가 파우치형 케이스(200)의 외부로 노출되도록 전극조립체(300)을 수납부(230)에 장착하고, 커버(220)와 케이스 본체(210)의 외주면을 용접하여 실링부(240)을 형성하여 제조된다.
구체적으로, 파우치형 케이스(200)는 외면에 소정 두께의 금속층(200A), 수지층(200C)을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있다. 소정 두께의 금속층(200A)은 0.01 mm 내지 1.5 mm 범위의 두께를 가지는 박판의 형태로, 용접이 가능하다. 따라서, 커버(220)에 포함되어 있는 금속층과, 본체(210)에 포함되어 있는 금속층을 상호 용접하여 밀봉부(240)를 형성한다.
이때, 금속층(200A)의 상호 용접시 전도된 열에 의해, 수지층(200C)의 전부 또는 일부가 상호 융착되어, 밀봉부(240)는 용접에 의한 밀봉구조, 열융착에 의한 밀봉구조를 포함할 수 있다.
도 1에 도시되어 있는 종래 일반적인 파우치형 전지셀(10)과 도 2에 도시되어 있는 전지셀(100)을 비교하면, 도 1의 전지셀(10)을 구성하는 전지케이스 본체(20)는 밀봉부(24) 형성을 위한 절곡 부위(빗금친 부분)를 포함하나, 도 2의 전지셀(100)을 구성하는 파우치형 케이스(200)는 절곡 부위를 포함하지 않는다. 따라서, 도 1에 도시되어 있는 밀봉부(24)는 도 2에 도시되어 있는 밀봉부(240)와 비교하여 현저히 넓은 면적을 차지하며, 이는 전지의 충방전에 불필요한 부분으로, 부피 대비 에너지 효율을 감소시킨다.
또한 도 1의 전지케이스 본체(20)에 포함되어 있는 박막형 금속층(20a)와 비교하여, 도 2의 파우치형 케이스(200)에 포함되어 있는 금속층(200A)은 박판형 금속층으로, 두께가 두꺼운 바, 외부 침상 부재 기타 외부 충격에 강하고, 상호 용접이 가능하여 열융착과 함께 이중 밀봉 구조를 형성할 수 있다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀로서, 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀 나타낸 분해사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 4a에는 도 2에 나타낸 전지셀을 나타낸 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4b에는 도 3에 나타낸 전지셀을 나타낸 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전지셀(101)은 파우치형 케이스(201)의 내부에 스택형 전극조립체(301)가 내장되는 구조로 이루어진다. 파우치형 케이스(201)는, 전극조립체(301)의 상부 형상에 대응하는 상부 수납부가 형성되어 있는 상부 케이스(221)와, 전극조립체의 하부 형상에 대응하는 하부 수납부가 형성되어 있는 하부 케이스(211)로 이루어져 있다.
즉, 도 2의 전지셀(100)과는 달리 도 3의 전지셀(101)은 파우치형 케이스의 커버 대신 상부 수납부가 형성되어 있는 상부 케이스를 포함하여, 밀봉부의 위치가 파우치형 케이스의 측면에 형성되는 구조로 이루어져 있다.
구체적으로 도 4a 및 4b를 참조하면, 도 4a에 도시되어 있는 전지셀(100)은 파우치형 케이스가 커버와 케이스 본체로 이루어져 있어, 전극 리드들(400, 410)이 노출된 상태로 밀봉부(240)가 파우치형 케이스의 상측 모서리부분에 형성되어 있다.
이와 달리, 도 4b에 도시되어 있는 전지셀(101)은 파우치형 케이스가 상부 케이스와 하부 케이스로 이루어져 있어, 전극 리드들이 노출된 상태로 밀봉부(241)가 파우치형 케이스 측면의 중앙 부위에 형성되어 있다.
한편, 전지셀들(100, 101)은 모두 외면에 형성되어 있는 금속층을 용접하여 밀봉부들(240, 241)를 형성하는 바, 밀봉성을 담보하기 위한 절곡 부위를 포함하지 않는다. 따라서, 전지셀들(100, 101)은 대략적으로 육면체 구조를 가진다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀로서, 스택/폴딩형 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀을 나타낸 분해사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 6a에는 도 5에 나타낸 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6b에는 스택/폴딩형 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀의 또 다른 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 즉, 본 발명에 따른 전지셀은 전극조립체의 구조에 제한되지 않고 각 디바이스의 특성에 맞는 전극조립체를 사용할 수 있다.
도 5를 참조하면, 전지셀(103)은, 파우치형 케이스(203)의 내부에 전극조립체(303)가 내장되는 구조로 이루어진다. 파우치형 케이스(203)는, 스택/폴딩형 전극조립체(303)의 상부 형상에 대응하는 상부 수납부가 형성되어 있는 상부 케이스(223)와, 전극조립체의 하부 형상에 대응하는 하부 수납부가 형성되어 있는 하부 케이스(213)로 이루어져 있다.
전극조립체(303)는 스택/폴딩형 전극조립체로서, 이로부터 연장된 전극 탭들이 두 개의 전극 리드들(403, 413)에 각각 용접되어 절연 테이프가 부착된다.
도 2 또는 도 3에 도시에 도시되어 있는 전지셀들과 유사하게, 도 5의 전지셀(103)은 전극 리드들(403, 413)가 파우치형 케이스(203)의 외부로 노출되도록 전극조립체(303)을 하부 수납부(233)에 장착하고, 상부 케이스(223)와 하부 케이스(213)의 외주면을 용접하여 제조된다. 이때, 파우치형 케이스(203)에 포함되어 있는 수지층이 상호 융착하여 이중 밀봉 구조를 형성할 수 있음은 물론이다.
도 5와 함께 도 6a를 참조하면, 전지셀(103)의 밀봉부는 전극 리드들(410, 413)이 외부로 노출된 상태로 파우치형 케이스의 측면의 중앙 부위에 형성되어 있다.
이와 달리, 도 6b에 도시되어 있는 전지셀(102)은 파우치형 케이스가 커버와 케이스 본체로 이루어져 있어, 전극 리드들이 노출된 상태로 밀봉부가 파우치형 케이스 상측 모서리 부분에 형성되어 있다.
도 6a 및 도 6b에 도시되어 있는 전지셀들(103, 102)은, 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있는 전지셀들(100, 101)과는 달리, 스택/폴딩형 전극조립체를 포함하는 바, 그 형상에 대응하여 보다 각진 직육면체의 형상을 갖는다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은 외면에 형성되어 있는 소정 두께의 금속층을 포함하여, 제조가 용이하면서도 기계적 강도가 향상된 파우치형 전지셀을 제공한다. 또한, 소정 두께의 금속층을 용접하여 밀봉부를 형성하는 바, 이중 밀봉 구조를 형성할 수 있고, 밀봉성을 담보하기 위한 절곡 부위를 포함하지 않는 바, 전지셀은 대략적으로 육면체 구조를 가지고, 따라서 용량의 손실 없이 다수의 전지셀을 적층하기 용이하여, 고용량, 고에너지의 전지를 제조하는 경우에도 보다 컴팩트한 구조를 확보하는 이점이 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 파우치형 케이스에 내장되어 있고;
    상기 파우치형 케이스는 전극조립체가 장착되기 위한 수납부를 포함하고 있고 외면이 금속층으로 이루어져 있으며;
    상기 수납부의 외주면에는 파우치형 케이스의 금속층들 상호간의 용접으로 형성된 밀봉부가 위치하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 하기 구조들 중의 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀:
    (i) 양극 시트와 음극 시트가 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤형 구조;
    (ii) 둘 이상의 양극판들과 둘 이상의 음극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 적층형 구조; 및
    (iii) 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재된 상태로 적층 접합되어 있는 둘 이상의 단위셀들이 분리 필름에 의해 권취되어 있는 스택/폴딩형 구조.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층은 박판의 형태로 이루어져 있고, 두께가 0.01 mm 내지 1.5 mm의 범위인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 두께는 0.02 mm 내지 1.0 mm의 범위인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 파우치형 케이스에서 금속층의 내면에는 1종 이상의 수지층이 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 파우치형 케이스의 밀봉부에서, 상기 수지층은 금속층의 용접시 전도된 열에 의해 상호 융착되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 파우치형 케이스는, 전극조립체의 상부 형상에 대응하는 상부 수납부가 형성되어 있는 상부 케이스와, 전극조립체의 하부 형상에 대응하는 하부 수납부가 형성되어 있는 하부 케이스를 포함하고 있고,
    상기 상부 케이스의 외주 금속층과 하부 케이스의 외주 금속층이 상호 용접되어 밀봉부를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 파우치형 케이스는, 전극조립체의 형상에 대응하는 수납부가 형성되어 있는 케이스와, 상기 케이스의 일측 단부로부터 절곡된 상태로 연장되어 수납부를 감싸는 커버를 포함하고 있고,
    상기 케이스의 외주 금속층과 커버의 외주 금속층이 상호 용접되어 밀봉부를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 용접은 레이저 용접인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부의 외면에는 전기절연성 수지가 추가로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 전극단자 부위를 제외하고 파우치형 케이스에 절곡 부위를 포함하고 있지 않은 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 육면체 구조의 외형을 가지는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (i) 전극조립체를 준비하는 과정;
    (ii) 전극조립체에 대응하는 형상의 수납부가 형성되어 있고, 외면에 금속층을 포함하는 전지케이스를 준비하는 과정;
    (iii) 상기 수납부에 전극조립체를 장착한 후, 수납부의 외주면 중 일면을 제외하고 나머지 부위에 금속층들을 상호 용접하는 과정; 및
    (iv) 용접되지 않은 상기 나머지 부위를 통해 전해액을 주입한 후 용접하여 밀봉하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 과정(iv) 이후에, 용접에 의해 형성된 밀봉부의 외면과 그 주변 부위에 전기절연성 수지를 부가하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 제조하는 방법으로서,
    (i) 전극조립체를 준비하는 과정;
    (ii) 전극조립체에 대응하는 형상의 수납부가 형성되어 있고, 외면에 금속층을 포함하는 전지케이스를 준비하는 과정;
    (iii) 상기 수납부에 전극조립체를 장착하고 전해액을 주입하는 과정; 및
    (iv) 수납부의 외주면에서 금속층들을 상호 용접하여 밀봉하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 과정(iv) 이후에, 용접에 의해 형성된 밀봉부의 외면과 그 주변 부위에 전기절연성 수지를 부가하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장용 시스템에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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