KR20160131415A - 전류 제한 기능의 전극리드를 포함하는 파우치형 이차전지 - Google Patents

Abstract

내압 증가에 따른 전류 차단 기능을 구현하여 안전성을 확보할 수 있는 파우치형 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 전극탭이 구비된 전극조립체, 상기 전극탭과 연결되는 전극리드, 상기 전극리드의 일부가 노출되도록 상기 전극조립체를 수용하여 밀봉하는 파우치 외장재, 및 상기 전극리드의 상면과 상기 파우치 외장재의 내측면 사이에 개재되는 제1 실런트 및 상기 전극리드의 하면과 상기 파우치 외장재의 내측면 사이에 개재되는 제2 실런트를 포함하는 파우치형 이차전지이며, 상기 전극리드는, 상기 전극탭과 접합되는 접합부, 상기 파우치 외장재의 외부로 노출되는 단자부, 및 상기 접합부와 단자부 사이의 퓨즈부를 포함하고, 상기 퓨즈부는 상기 전극리드의 폭 방향과 평행한 수평슬릿을 중앙에 포함하는 분리홈, 및 상기 분리홈과 연결되며 상기 단자부를 상기 접합부로부터 분리시키기 위한 파단부를 포함하고, 상기 파단부 전단이 일부 커팅되어 있으며, 상기 이차전지 내압 상승시 상기 파우치 외장재의 변형력이 상기 전극리드 상면 및 하면에 반대 방향으로 작용하여 상기 파단부가 파단되도록 상기 제1 실런트와 제2 실런트는 모양이 서로 다른 것을 특징으로 한다.

Description

전류 제한 기능의 전극리드를 포함하는 파우치형 이차전지{Pouch type secondary battery comprising a current interrupt electrode lead}

본 발명은 파우치형 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극탭에 접합되는 전극리드의 구조가 개선되어 과충전 안전성이 향상된 파우치형 이차전지에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

이차전지는 적용 형태나 구조 등에 따라 금속성의 하드 케이스 등에 의하여 내부 요소가 구성되는 캔형 전지 등을 비롯하여 다양하게 분류될 수 있는데, 최근 모바일 기기가 소형화됨에 따라, 두께가 얇은 각형, 파우치형에 대한 수요가 증가되고 있다. 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조 비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 이차전지에 대해 관심이 높은 실정이다. 또한, 고출력 대용량을 필요로 하는 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차의 전원으로서 파우치형 이차전지에 대한 개발 및 상용화가 이루어지고 있는 상황이다.

파우치형 이차전지는 전극조립체, 상기 전극조립체로부터 연장되는 전극탭, 상기 전극탭에 용접되어 있는 전극리드 및 상기 전극조립체를 수용하는 것으로서 고분자 수지와 알루미늄의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치 외장재를 포함하는 것으로 구성되어 있다. 이러한 파우치형 이차전지는 허용된 전류나 전압을 초과한 과충전, 내부 단락 등에 의하여 전지 내부의 온도가 올라가게 되면 전해액 기화 등의 원인으로 내압이 증가하게 되며, 그 결과 파우치 외장재가 부풀어오르는 이른바 스웰링(swelling) 현상이 발생하게 된다. 스웰링 현상이 발생할 경우, 전지가 변형됨에 따라 국부적으로 단락이 발생할 수 있고, 극한 상황이 되면 전지가 발화 또는 폭발할 수도 있다.

즉, 파우치형 이차전지에서 주요 연구과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이며, 이 중 내압 증가에 의한 스웰링 현상을 해소하기 위하여 파우치 외장재 내부에 발생한 가스의 배출(vent)에 관한 기술들이 제안되어 있다. 하나의 예로, 한국 특허출원공개 제2009-0060497호에서는 전극탭으로 사용되는 금속 플레이트에 미세한 홀을 만들어 안전벤트를 구비함으로써, 전지가 abuse 상황에 노출되더라도 내부에서 발생된 가스의 벤팅이 예측 가능하도록 용이하게 벤팅될 수 있는 파우치형 이차전지에 대한 기술을 개시하고 있다.

그러나, 상기와 같은 가스의 벤팅은 전지의 내압 감소에는 효과적이지만, 과충전 등 내압 증가의 근본적 문제에 대한 해결책으로는 한계가 있다. 즉, 가스를 벤팅하더라도 전극조립체와 전극탭은 계속 연결된 상태에 있어 외부로부터의 과충전은 중단되지 않고 계속되는 상태가 된다.

원통형 및 각형 이차전지의 경우 경질의 포장재를 사용하는 바, CID(Current Interrupt Device) 개념의 과충전 안전성 장치를 적용할 수 있다. 이는 과충전 과정에서 발생된 가스에 의해 전지 내압이 상승할 때에CID 작동과 동시에 전극조립체와 전극탭 사이가 분리되어 원천적으로 전류의 흐름을 제한하는 원리이다. 그러나 파우치형 이차전지의 경우, 변형이 용이한 포장재를 사용하기 때문에 위의 CID 개념을 적용하기 어렵다. 이에, 파우치형 이차전지에 있어서, 과충전 등에 의해 스웰링 현상이 발생할 경우, 전류의 흐름을 제한하여 과충전에 따른 위험성을 근본적으로 해소할 수 있고 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 기술에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 내압 증가에 따른 전류 차단 기능을 구현하여 안전성을 확보할 수 있는 파우치형 이차전지를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 출원의 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전극리드와 실런트의 형태를 변형하여 파우치형 이차전지를 개발하기에 이르렀고, 이 경우 파우치형 이차전지의 스웰링 현상 발생시 내압 증가에 따른 파우치 외장재 변형력에 의해 전극리드가 파단되면서 전기적 흐름 경로가 차단되어 과충전 안전성이 크게 향상됨을 확인하였다.

본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 전극탭이 구비된 전극조립체, 상기 전극탭과 연결되는 전극리드, 상기 전극리드의 일부가 노출되도록 상기 전극조립체를 수용하여 밀봉하는 파우치 외장재, 및 상기 전극리드의 상면과 상기 파우치 외장재의 내측면 사이에 개재되는 제1 실런트 및 상기 전극리드의 하면과 상기 파우치 외장재의 내측면 사이에 개재되는 제2 실런트를 포함하는 파우치형 이차전지이며, 상기 전극리드는, 상기 전극탭과 접합되는 접합부, 상기 파우치 외장재의 외부로 노출되는 단자부, 및 상기 접합부와 단자부 사이의 퓨즈부를 포함하고, 상기 퓨즈부는 상기 전극리드의 폭 방향과 평행한 수평슬릿을 중앙에 포함하는 분리홈, 및 상기 분리홈과 연결되며 상기 단자부를 상기 접합부로부터 분리시키기 위한 파단부를 포함하고, 상기 파단부 전단이 일부 커팅되어 있으며, 상기 이차전지 내압 상승시 상기 파우치 외장재의 변형력이 상기 전극리드 상면 및 하면에 반대 방향으로 작용하여 상기 파단부가 파단되도록 상기 제1 실런트와 제2 실런트는 모양이 서로 다른 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 분리홈에 연결부가 더 포함될 수 있다. 상기 연결부는 상기 수평슬릿 중앙에 형성될 수 있다. 이 때, 상기 연결부에는 노치(notch)가 형성되어 있을 수 있고, 상기 노치는 상기 전극리드의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나에 형성되어 있을 수 있다. 그리고, 상기 노치는 쐐기 형상, 라운드진 형상 및 사각 형상 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다. 상기 노치 대신에, 상기 연결부에는 관통구가 하나 이상 천공되어 있을 수도 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 파단부가 파단되면서 상기 전극리드의 단자부가 상기 전극리드의 나머지 부분과 서로 반대 방향으로 이격되어 완전분리된다.

본 발명에 있어서, 상기 파우치 외장재는 테두리에 실링 영역을 구비하고, 상기 수평슬릿은 상기 실링 영역으로부터 상기 접합부 쪽으로 이격되어 있으며, 상기 파단부는 상기 실링 영역 내에 형성된다. 상기 제1 실런트는 상기 수평슬릿 위쪽 전극리드 부분에 형성되고, 상기 제2 실런트는 상기 수평슬릿 양측 전극리드 부분에 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 실런트는 상기 파우치 외장재와 접착되도록 상기 전극리드 상면을 가로지르는 띠 형상으로 형성이 되고 상기 수평슬릿 위쪽 전극리드 상면을 덮을 수 있도록 상기 수평슬릿을 향하여 돌출되는 부분을 가지며, 상기 제2 실런트는 상기 파우치 외장재와 접착되도록 상기 전극리드 하면을 가로지르는 띠 형상으로 형성이 되고 상기 수직슬릿 외측으로 상기 전극리드 하면에 형성이 되도록 양쪽 돌출된 부분을 포함할 수 있다.

하나의 실시예에 있어서, 상기 접합부는 상기 단자부보다 폭이 넓을 수 있다. 이 때, 상기 수평슬릿은 상기 단자부의 폭과 같은 길이일 수 있다. 그러한 경우, 상기 분리홈은 상기 수평슬릿 양단에 상기 전극리드의 폭 방향과 수직이면서 상기 단자부를 향하는 수직슬릿을 더 포함하고, 상기 파단부는 상기 수직슬릿의 연장선상에 상기 단자부를 향하여 위치하는 것일 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 상기 수평슬릿은 상기 단자부의 폭보다 짧은 길이이고 상기 분리홈은 상기 수평슬릿 양단에 상기 단자부를 향하는 사선슬릿을 더 포함하고, 상기 파단부는 상기 사선슬릿의 연장선상에 상기 단자부를 향하여 위치하는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 파단부에는 노치가 형성되어 있을 수 있다. 상기 노치는 상기 전극리드의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나에 형성되어 있을 수 있다. 상기 노치는 쐐기 형상, 라운드진 형상 및 사각 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 것일 수 있다. 상기 파단부에는 관통구, 즉 구멍이 하나 이상 천공되어 있을 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전극리드는 양극 리드 및 음극 리드 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

본 발명에서는 원통형이나 각형 전지의 CID와 같이 파우치형 이차전지에서도 과충전 상황에서 전류를 차단할 수 있는 전극리드 구조를 제안한다. 본 발명에 따르면, 파우치형 이차전지에 내압 증가에 따른 전류 차단 기능을 추가하여 셀의 안전성을 확보할 수 있다. 따라서, 자동차 및 소형 전자 제품에 사용되는 파우치형 이차전지가 과충전 및 비정상적인 사용으로 안전성에 문제가 발생하였을 때 이를 효과적으로 차단하여 문제를 해결할 수 있게 된다.

특히, 본 발명에서는 파단부 전단이 일부 커팅되어 있으므로 파단 거리가 단축되어, 파단 후 전류 경로를 제한하는 데 있어 좀 더 빠른 전류 차단이 가능하다. 분리홈에 연결부를 포함시키면 전류 경로를 추가로 확보할 수 있다.

본 발명에 따르면, 보호회로가 정상 작동하지 않아 파우치형 이차전지에 과전류가 흐르는 등의 이상 현상이 발생하더라도 전극리드가 신속히 파단됨으로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.

본 발명은 특히 파우치형 이차전지에 있어서, 전극리드와 실런트의 형태를 종래와 다르게 변형함으로써, 과충전 또는 스웰링 현상이 발생할 경우 보다 작은 힘에 의해서도 전극리드가 파단되고 분리된 부분들끼리는 이격되어 완전히 분리되도록 하여 더 이상의 전류 흐름을 막고 과충전 위험성을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 종래의 복잡한 안전벤트 형성방법 등과는 달리, 전극리드와 실런트 형태를 바꿈으로써 상기와 같은 이차전지를 제조할 수 있는 바, 제조 과정이 매우 용이하고 단순하다는 이점이 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극리드의 상면도이고, 도 2는 저면도이며, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ' 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명 실시예에 따른 전극리드의 파단부에 형성될 수 있는 노치의 다양한 형상을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 본 발명 실시예에 따른 이차전지의 상면도이고 도 7은 이차전지의 저면도이다.
도 8은 도 6의 VⅢ-VⅢ' 단면에 해당하며 정상 상태를 도시한다.
도 9는 도 8의 이차전지 내압이 상승하여 스웰링된 경우의 상태를 도시한다.
도 10은 전극리드의 파단 전, 후의 모습을 나타낸다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 다양한 전극리드의 상면도들이다.
도 14는 전류 경로가 추가로 확보된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극리드의 상면도이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이고 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 가리킨다.

각각의 이차전지 형태에 따라 과충전시 나타나는 물리적 특성이 달라서 이를 안전성 개선에 반영하는 기술 또한 차이를 보인다. 본 발명에서는 파우치형 이차전지의 전극리드를 개선하여 내압 상승시 전극리드가 파단되도록 하며, 실런트 형태를 변형하여 파단된 부분들끼리 서로 이격되도록 함으로써 완전 분리를 용이하게 유도할 수 있다.

본 발명에서는 원통형이나 각형 전지의 CID와 같이 파우치형 이차전지에서도 과충전 상황에서 전류를 차단할 수 있는 전극리드 구조를 제안한다. 본 발명은 파우치형 이차전지에도 내압 증가에 따른 전류 차단 기능을 추가하여 셀의 안전성을 확보할 수 있다.

이차전지를 사용함에 있어 비정상적인 사용 환경에 노출되면, 아래와 같은 화학적/물리적 현상이 발생된다. 안전성을 확보하기 위해 적용되고 있는 안전성 장치는 이와 같은 물리/화학적 trigger에 의해 작동된다.

- 양, 음극과 전해액 간의 반응에 의한 온도 상승 및 가스 발생

- 허용치 이상의 전압 상승

- 내, 외부 압력 차이에 의한 셀의 변형

기존 CID의 작동 기작과 유사하게 본 발명에서 제안하고자 하는 것은 이차전지 내부 압력 상승에 의한 변형력을 통해 전류를 제한하는 것이다.

파우치형 이차전지의 과충전에 의해 파우치 외장재가 부풀어오르는 경우, 전극조립체로부터 돌출된 전극탭과 여기에 연결된 전극리드 사이를 분리시키거나, 전극리드 자체를 파단시켜 외부로부터 전류를 받아들이는 경로를 차단한다면 과충전의 위험성을 크게 줄일 수 있을 것이다. 특히 본 발명은 전기적 연결 부위의 일부가 파열되는 국부적 파열이 아니라 완전한 분리에 따른 전기적 흐름 차단을 도모하여 과충전이 계속되는 것을 완전히 차단할 수 없어 위험성이 따르는 문제를 원천적으로 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극리드의 상면도이고, 도 2는 저면도이며, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ' 단면도이다. 이차전지로 조립될 때에 전극리드와 함께 사용되는 실런트도 함께 도시하였다.

도 1 내지 도 3과 같이 본 발명에 따른 전극리드는 기존의 직사각형 구조의 전극리드와는 다른 형태, 예를 들어 반전된 T자형과 같은 형태를 가지며, 전극리드의 형태뿐 아니라 실런트의 형태를 변경하여, 내압 증가에 따른 파우치 외장재의 변형시 전극리드가 쉽게 파단될 수 있도록 설계한 것이다.

본 발명의 전극리드(40)는, 전류 경로 역할의 금속 재질로 이루어진다. 재질은 전도성을 갖는 모든 금속이 사용가능하다. 전극리드(40)는, 전극탭(미도시)과 접합되는 접합부(10), 파우치 외장재(미도시)의 외부로 노출되는 단자부(20), 및 접합부(10)와 단자부(20) 사이의 퓨즈부(30)를 포함한다.

퓨즈부(30)는 전극리드(40)의 폭 방향과 평행한 수평슬릿(32)을 중앙에 포함하는 분리홈(36)을 포함한다. 그리고, 분리홈(36)과 연결되며 단자부(20)를 접합부(10)로부터 분리시키기 위한 파단부(38)가 형성되어 있다. 파단부(38) 전단은 일부 커팅되어 있다.

슬릿은 기본적으로 가늘고 긴 형태를 가지며, 본 발명에서 수평이라 함은 전극리드(40)의 폭 방향(도면에서 가로 방향)과 평행한 것을 가리킨다. 분리홈(36)은 파단부(38) 파단시 접합부(10)와 단자부(20)가 완전히 분리될 수 있도록, 단자부(20)와 접합부(10)의 전기적 연결은 유지되도록 하면서 물리적으로는 일부 분리시켜 두는 역할을 하는 것이다.

본 실시예에서 접합부(10)는 단자부(20)보다 폭이 넓다. 이 때, 수평슬릿(32)은 단자부(20)의 폭과 같은 길이일 수 있다. 그러한 경우, 분리홈(36)은 수평슬릿(32) 양단에 전극리드(40)의 폭 방향과 수직이면서 단자부(20)를 향하는 수직슬릿(34)을 더 포함한다. 그리고, 파단부(38)는 수직슬릿(34)의 연장선상에 단자부(20)를 향하여 위치한다. 수직슬릿(34)은 수평슬릿(32)과 함께 단자부(20) 하단의 상화좌우 유동성을 부여하는 역할을 하며 파단부(38)의 길이를 단축시킴으로써 파단이 용이하도록 하는 역할을 한다. 특히 수직슬릿(34)의 단부는 파우치 외장재의 변형 등 외력 인가시 외력이 집중되면서 수직슬릿(34)의 단부에 연결되는 파단부(38)를 통해 파단이 일어날 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다. 이러한 구성에 의해 파단이 이루어지는 경우, 단자부(20)는 사각형 형태로 전극리드(40)의 나머지 부분과 분리되어 떨어지게 된다.

여기서, 수직슬릿(34)과 파단부(38)의 길이는 다양하게 변경될 수 있다. 수직슬릿(34)이 상대적으로 길고 파단부(38)가 상대적으로 짧은 경우에는 작은 힘으로도 파단이 쉽게 일어날 수 있지만, 전류 흐름 경로는 작아지고 파단부(38)에 전류 집중이 되는 경우 원치 않는 상황에서 파단부(38) 파단이 일어날 우려가 있다. 반대로 수직슬릿(34)이 상대적으로 짧고 파단부(38)가 상대적으로 긴 경우에는 전류 흐름 경로는 확보할 수 있지만 파단부(38)를 파단시키는 데에 큰 힘이 필요하게 된다. 따라서, 여러가지 상황을 고려하여 수직슬릿(34)과 파단부(38)의 길이를 결정하도록 한다.

또한 이들의 길이는 수평슬릿(32)의 위치와도 관련이 되는데 수평슬릿(32)이 접합부(10) 쪽에 가깝게 전극리드(40)의 하단 가까이에 형성되는 경우에는 이들의 길이도 길어져야 하고 충분한 접합부(10) 면적을 확보할 수 없는 어려움이 있으므로 이를 고려해야 한다. 수평슬릿(32)과 수직슬릿(34)의 길이가 너무 짧으면, 슬릿의 형성에 따른 효과를 기대하기 어렵고, 반대로 길이가 과도하게 길면 오히려 분리홈(36) 안의 슬릿(32, 34)에서의 응력 집중을 유발하여 그 부위에서 전극리드(40)가 끊어지는 문제점이 있으므로 바람직하지 못하다.

본 발명에 따른 전극리드(40)는 접합부(10)와 단자부(20) 사이에 분리홈(36)이 형성되어 있으면서 분리홈(36)에서 연장되는 파단부(38)를 통해 추후에 접합부(10)와 단자부(20) 사이가 물리적 및 전기적으로 분리되도록 한 것이 특징이다. 파단 후 전류 경로를 제한하는 데 있어 좀 더 빠른 동작을 위해 본 실시예와 같이 파단부(38) 전단을 일부 커팅해 두어 파단 거리를 단축시킨다. 분리홈(36)은 빈 공간을 형성하는 것이면서 도시한 바와 같이 수평슬릿(32)과 수직슬릿(34)을 포함하거나 수평슬릿(32) 단독, 또는 수평슬릿(32)과 다른 빈 공간의 조합일 수 있다. 분리홈(36)은 퓨즈부(30)에 의해 전기적 차단이 확실히 이루어질 수 있도록, 접합부(10)와 단자부(20)를 분리시키기에 적절한 형태를 가질 수 있으며 본 실시예로 제시하는 바와 같이 수평슬릿(32), 수직슬릿(34)을 모두 포함하는 것이 가장 바람직하다. 분리홈(36)을 형성하는 방법으로는, 예를 들면, 표면에 커터를 가지는 롤(roll)을 사용하거나, 커터가 구비된 틀을 이용하는 방법 등이 있으나, 그러한 방법으로 한정되는 것은 아니다. 금형제작의 방법으로 전극리드(40)를 형성할 때에 처음부터 포함되도록 형성할 수도 있다.

원하는 부위를 쉽게 파단하기 위해, 도 3의 단면에서 상세히 볼 수 있는 바와 같이, 파단부(38)에는 노치(V)가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 노치(V)는 응력이 집중되어 전파되면서 파단되는 위치를 조정하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 노치(V)를 형성하는 경우에 더욱 단자부(20)를 원하는 모양으로 제어하면서 분리시킬 수 있게 된다.

노치(V)는 도 3에 도시한 바와 같이 전극리드(40)의 상면 및 하면 모두에 형성될 수도 있고, 상면 및 하면 중 어느 하나에 형성될 수도 있다. 도 3에 도시한 노치(V)는 쐐기 형상이지만 도 4 및 도 5에 각각 도시한 바와 같이, 라운드진 형상의 노치(V') 또는 사각 형상의 노치(V")가 형성될 수도 있다. 도 4 및 도 5에서 노치(V', V")는 전극리드(40)의 상면에 형성된 예를 도시하였으나 노치(V', V")는 상면 및 하면 모두에 형성될 수도 있고, 하면에만 형성될 수도 있다. 이러한 노치들(V, V', V")은 금형제작의 방법으로 형성할 수 있다.

실런트(50, 55)는 파우치 외장재와 접착되는 부재이며 테이프 형태를 가지므로 실링 테이프라고 부를 수도 있다. 실런트(50, 55)가 위치한 맞은 편 파우치 외장재는 열융착을 통해 실런트(50, 55)와 접착되게 된다. 전극리드(40)의 상면과 파우치 외장재의 내측면 사이에 개재되는 제1 실런트(50)와, 전극리드(40)의 하면과 파우치 외장재의 내측면 사이에 개재되는 제2 실런트(55)는 모양이 서로 다른 것이 특징이다.

제1 실런트(50)는 파우치 외장재와 접착되도록 전극리드(40) 상면을 가로지르는 띠 형상으로 형성이 되고, 특히 수평슬릿(32) 위쪽 전극리드(40) 상면을 덮을 수 있도록 수평슬릿(32)을 향하여 돌출되는 부분을 가진다. 수평슬릿(32) 아랫쪽 전극리드(40)에는 형성이 되지 않는다. 만약 수직슬릿(34)이 실링부까지 올라오는 경우에는 수직슬릿(34)을 덮지 않도록 만입부가 형성된다.

제2 실런트(55)도 파우치 외장재와 접착되도록 전극리드(40) 하면을 가로지르는 띠 형상으로 형성이 되고, 특히 수평슬릿(32) 양측 전극리드(40) 하면 부분에도 형성된다. 즉, 수직슬릿(34) 외측으로 전극리드(40) 하면에 형성이 되도록 양쪽 돌출된 부분을 포함한다.

이로써, 수평슬릿(32)을 기준으로 윗쪽 전극리드(40) 상면 부분은 제1 실런트(50)가 접착이 되고 수평슬릿(32) 아랫쪽 전극리드(40) 하면 부분은 제2 실런트(55)만이 접착이 된다.

보통 실런트는 테이프 형상으로 입수할 수 있고, 이러한 테이프 실런트를 가로로 전극리드(40) 상면에 붙이고 수평슬릿(32) 위쪽 전극리드(40) 상면에 붙인 후, 가로로 전극리드(40) 하면에 붙이고 수직슬릿(34) 외측으로 전극리드(40) 하면에 세로로 붙인 후, 펀칭을 통해 분리홈(36)을 형성하면 도시한 바와 같은 제1 및 제2 실런트(50, 55) 형상을 얻을 수 있다. 분리홈(36)을 먼저 형성한 후에 테이프 실런트를 붙여도 된다.

실런트(50, 55)는 절연성 및 열 융착성을 갖는 필름으로 이루어진다. 실런트(50, 55)는 예를 들어 폴리이미드(PI: polyimide), 폴리프로필렌(PP: polyprophylene), 폴리에틸렌(PE: polyethylene) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: polyethylene terephthalate) 등으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질 층(단일 막 또는 다중 막)으로 이루어질 수 있다. 실런트(50, 55)는 전극리드(40)와 파우치 외장재의 금속층, 예컨대 알루미늄 시트 사이에서 단락이 발생하는 것을 방지할 뿐만 아니라 파우치 외장재의 밀봉력을 향상시켜 전해액 등이 누출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 특히 본 발명에서의 실런트(50, 55)는 도 1 및 도 2에서와 같이 전극리드(40) 상, 하의 다른 위치에 형성되도록 모양이 다르기 때문에 전극리드(40)의 파단과 분리가 쉽게 이루어진다.

이러한 전극리드를 포함하는 이차전지에서의 조립 형태는 도 6 및 도 7과 같다. 도 6은 이차전지의 상면도이고 도 7은 이차전지의 저면도이다.

본 발명에 따른 파우치형 이차전지(100)는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(65)와 이 전극조립체(65)를 수납하는 라미네이트 시트의 파우치 외장재(70)로 구성된다. 여기서 양극 또는 음극은 알루미늄, 구리 등의 얇은 판상형 금속 집전판에 리튬 이온의 흡장/방출이 가능한 전극활물질을 도포, 건조함으로써 제조된다. 전극조립체(65)는 스택형, 폴딩형, 스택-폴딩형, 젤리롤(jelly-roll)형 등일 수 있다.

전극조립체(65)에는 전극탭(60)이 구비된다. 전극조립체(65)의 집전판은 전극활물질이 도포된 부분과 전극활물질이 도포되지 않은 말단 부분(이하, "무지부"라 약칭)으로 구성되고, 전극탭(60)은 무지부를 재단하여 형성한 것이거나 무지부에 초음파 용접 등에 의해 연결시킨 별도의 도전부재일 수 있다. 전극탭(60)은 도시한 바와 같이 서로 마주보도록 전극조립체(65)의 쌍방향으로 돌출될 수도 있고, 나란히 형성되도록 단방향으로 돌출될 수도 있다.

전극탭(60)은 전지 내부와 외부의 전자 이동경로 역할을 수행하는 것으로서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 전극리드(40)는 이 전극탭(60)과 스폿 용접 등에 의해 연결된다. 전극리드(40)는 양극 탭 및 음극 탭의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드 및 음극 리드는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드는 양극 판과 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드는 음극 판과 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 최종적으로 전극리드(40)는 단자부(20)를 통하여 외부단자와 전기적으로 연결된다.

파우치 외장재(70)는 전극리드(40)의 일부, 즉 단자부(20)가 노출되도록 전극조립체(65)를 수용하여 밀봉한다. 전극리드(40)와 파우치 외장재(70) 사이에는 앞서 설명한 제1 및 제2 실런트(50, 55)가 개재된다.

파우치 외장재(70)는 테두리에 실링 영역(75)을 구비하고, 전극리드(40)의 수평슬릿(32)은 실링 영역(75)으로부터 접합부(10) 쪽으로 이격되어 있다. 즉, 전극리드(40)가 반전된 T자 형상일 때에, T자의 다리 부분이 파우치 외장재(70) 외측으로 돌출되고 T자의 머리 부분 일부가 실링 영역(75) 내에 형성된다. 파단부(38)는 실링 영역(75) 내에 형성된다. 파단부(38)의 전단은 실링 영역(75) 내에 커팅되어 있으며, 도시한 바와 같이 파단부(38)의 후단은 실링 영역(75)보다 전극조립체(65) 쪽으로 나오게, 즉 셀 안쪽으로 형성되어 있을 수도 있다.

제1 실런트(50)는 실링 영역(75)과 수평슬릿(32) 위쪽 전극리드(40) 부분에 형성되고, 제2 실런트(55)는 실링 영역(75)과 수평슬릿(32) 양측 전극리드(40) 부분에 형성된다.

이와 같이 제1 실런트(50)와 제2 실런트(55)는 모양이 서로 다르므로, 이차전지(100) 내압 상승시 파우치 외장재(70)의 변형력이 전극리드(40) 상면 및 하면에 반대 방향으로 작용하여 파단부(38)가 파단될 수 있다. 특히 파단부(38)는 전단 일부가 커팅되어 있으므로 파단시 매우 신속하게 파단이 되어 전류 경로를 신속하게 차단할 수 있다. 커팅된 정도는 다양하게 조절할 수 있다. 파단부(38) 길이를 어느 정도 유지하여 전류 경로는 확보하고, 이차전지 내압 상승시 파단은 신속하게 일어날 수 있는 정도를 고려하여, 커팅 깊이를 조절할 수 있다.

파단 가능한 전극리드(40)는 양극 리드 및 음극 리드에 모두 적용할 수 있지만 둘 중 하나에 적용하여도 된다. 보통 양극 집전판으로는 알루미늄 재질을, 음극 집전판으로는 구리 재질을 사용하는데, 스웰링 현상 발생시 알루미늄 호일보다는 구리 호일이 더 쉽게 파열되는 경향이 있으므로, 양극 리드보다는 음극 리드의 파열 가능성이 더 높을 수 있다. 그러한 경우에는 음극 리드를 이러한 파단 가능한 전극리드(40)로 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이 전극리드(40)와 파우치 외장재(70) 사이에 개재되는 제1 및 제2 실런트(50, 55)가 모양이 달라 제1 및 제2 실런트(50, 55)를 통해 실링이 되는 부분이 이차전지(100)의 상면과 하면이 각각 다르다. 전극리드(40)의 파단은 파우치 외장재(70)의 변형력을 통해 진행되므로 파단되는 부위, 즉 파단부(38)를 기준으로 실링되는 지점이 달라지도록 한 것이다.

도 8은 도 6의 VⅢ-VⅢ' 단면에 해당하며 정상 상태를 도시한다. 도 9는 도 8의 파우치형 이차전지 내압이 상승하여 스웰링된 경우의 상태를 도시한다.

도 8에서 전극탭(60)은 집전판의 무지부들이 모여 웰딩된 부분을 의미하고 전극리드(40)의 접합부(10)가 전극탭(60)에 웰딩된 것으로 도시하였다.

파우치형 이차전지(100)에서 비정상적인 상황이 발생하여 파우치형 이차전지(100)가 과충전될 경우, 파우치형 이차전지(100) 내부의 고온상태에 기인한 가스 발생 등으로 내압이 상승하게 되고, 이에 따라 파우치형 이차전지(100)가 부풀어오르는 스웰링 현상이 발생하게 된다. 이러한 파우치 외장재(70)의 변형에 따라 파우치 외장재(70)와 접착된 전극리드(40)도 파우치 외장재(70)와 동일한 방향으로 변형하게 된다.

도시한 바와 같이, 상측, 하측 파우치 외장재(70)에 제1 및 제2 실런트(50, 55)를 통해 각각 접착된 전극리드(40)는 서로 반대 방향으로 변형되며, 이 변형력에 의해 파단부(38), 바람직하게는 노치(V)가 형성된 경계면에 파단이 발생하게 된다.

즉, 파우치 외장재(70)가 부풀어오르면서 가해지는 힘에 의해 전극리드(40)가 더욱 용이하게 파열, 분리되도록 하여 더 이상의 전류 흐름을 막고 극한 상황으로 치닫는 것을 방지함으로써 안전성을 향상시킨 것이다. 결국 스웰링 현상 발생시에 종래 전극탭 일부만이 파열되는 것과는 달리 전극리드(40)의 단자부(20)가 전극리드(40) 나머지 부분과 용이하게 완전 분리되도록 한 것으로, 본 발명에서의 전극리드(40)는 원통형 전지 등에서의 CID와 유사한 기능을 수행할 수 있게 된다.

도 10은 전극리드(40)의 파단 전, 후의 모습을 나타내는데, 파단과 함께 전류 경로의 제한이 동반됨을 알 수 있다. 파단부(38)가 파단되면서 전극리드(40)의 단자부(20)가 전극리드(40)의 나머지 부분과 서로 반대 방향으로 이격되어 완전분리됨에 따라 전류 차단이 완벽하게 이루어진다. 전극리드(40)의 단자부(20)는 제1 실런트(50)에 의해 윗쪽으로 당겨지는 힘을 받고 나머지 부분은 제2 실런트(55)에 의해 아래쪽으로 당겨지는 힘을 받는다. 즉, 본 발명에서는 전극리드(40) 및 실런트(50, 55) 형상을 변형함으로써, 스웰링 현상이 발생할 경우 전극리드(40) 자체가 보다 작은 힘에 의해서도 파단되어 단자부(20)와 나머지 부분이 용이하게 완전 분리되도록 하여 더 이상의 전류 흐름을 막고 과충전 안전성을 확보할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 내압 상승시 파우치 외장재의 변형력을 통해 전극리드가 절단되고 이를 통해 전류가 차단된다.

도 11은 도 1에 비하여 파단부(38)의 모양이 다른 실시예를 도시한다. 파단부(38) 전단 일부는 커팅되어 있고, 파단부(38)에는 하나 이상의 관통구(H)가 천공되어 있을 수 있다. 이 때에도 상측, 하측 파우치 외장재에 모양이 서로 다른 제1 및 제2 실런트를 가지고 전극리드(40)를 접착하면 전극리드(40)는 서로 반대 방향으로 변형되며, 이 변형력에 의해 관통구(H) 사이의 좁은 틈을 따라 파단부(38) 파단이 발생하게 된다.

도 12는 전극리드의 다른 실시예를 도시한다.

도 12에 도시한 실시예는 제1 실시예에 비하여 수직슬릿(34)을 갖지 않는다. 파단부(38)는 전단 일부가 커팅되어 있고, 앞선 실시예들에서처럼 노치가 형성되거나 관통구가 형성되어 있을 수 있다. 본 실시예와 같이 수직슬릿(34)을 갖지 않는 경우에, 파단부(38) 전단이 커팅된 길이는 수직슬릿(34)을 갖는 경우에 비하여 길게 할 수 있다.

도 13은 또 다른 실시예를 도시한다.

도 13에서, 전극리드(40)는 반전된 T자형과 같은 형태를 가지는 모양으로 도시하였는데, 직사각형 구조의 모양을 가질 수도 있다. 수평슬릿(32)은 단자부(20)의 폭보다 짧은 길이이다. 분리홈(36)은 수평슬릿(32) 양단에 단자부(20)를 향하는 사선슬릿(35)을 더 포함한다. 파단부(38)는 사선슬릿(35)의 연장선상에 단자부(20)를 향하여 위치한다. 이 때에도 파단부(38)는 전단 일부가 커팅되어 있고, 앞선 실시예들에서처럼 노치가 형성되거나 관통구가 형성되어 있을 수 있다. 사선슬릿(35)은 단자부(20)의 폭, 수평슬릿(32)의 폭 등에 따라 소정의 각도로 기울어진 경사 슬릿이 될 수 있다. 변형예로서 소정의 곡률 반경으로 휘어진 슬릿(곡선 슬릿)이 수평슬릿(32)과 파단부(38) 사이에 형성될 수도 있다.

도 14는 전류 경로가 추가로 확보된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극리드의 상면도이다.

도 14의 전극리드(40)는 파단부(38) 전단 일부는 커팅되어 있고, 분리홈(36)에 연결부(33)가 포함되어 있다. 연결부(33)는 분리홈(36) 어느 곳에든 포함이 되어 추가적인 전류 경로를 확보하도록 할 수 있으며, 본 실시예에서는 특히 수평슬릿(32)에 형성이 된 것을 도시하였다. 연결부(33)는 수평슬릿(32) 중앙에 형성되어 접합부(10), 단자부(20)로 이어지는 전류 경로를 구성한다. 파단이 일어나는 경우에 파단의 위치를 결정하고 파단이 신속하게 이루어질 수 있도록, 이 연결부(33)에도 노치가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 노치는 앞서 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 노치들과 동일하거나 유사한 모양과 방법으로 형성할 수 있다. 연결부(33) 길이는 다양하게 조절할 수 있다. 연결부(33) 길이를 어느 정도 유지하여 전류 경로는 확보하고, 이차전지 내압 상승시 파단은 신속하게 일어날 수 있는 정도를 고려하여, 연결부(33) 길이를 조절할 수 있다.

본 실시예를 통해 정상시에는 연결부(33)를 통한 추가적인 전류 경로를 확보하여 두고 비상시에는 파단부(38) 및 분리홈(36)을 통해 파단이 이루어져 전류 경로를 차단함으로써 본 발명의 목적하는 바를 이룰 수 있다. 전류의 흐름이 좁을 경우 전극리드(40) 저항 증가 및 발열의 우려가 있으나, 본 실시예에서와 같이 연결부(33)를 포함하면 추가 전류 경로를 확보함에 따라 전류의 흐름을 좀 더 원활히 할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 접합부 20 : 단자부
30 : 퓨즈부 32 : 수평슬릿
33 : 연결부
34 : 수직슬릿 35 : 사선슬릿
36 : 분리홈 38 : 파단부
40 : 전극리드 50, 55 : 실런트
60 : 전극탭 65 : 전극조립체
70 : 파우치 외장재 100 : 파우치형 이차전지
V, V', V": 노치 H : 관통구

Claims (22)

1. 전극탭이 구비된 전극조립체;
   상기 전극탭과 연결되는 전극리드;
   상기 전극리드의 일부가 노출되도록 상기 전극조립체를 수용하여 밀봉하는 파우치 외장재; 및
   상기 전극리드의 상면과 상기 파우치 외장재의 내측면 사이에 개재되는 제1 실런트 및 상기 전극리드의 하면과 상기 파우치 외장재의 내측면 사이에 개재되는 제2 실런트를 포함하는 파우치형 이차전지이며,
   상기 전극리드는, 상기 전극탭과 접합되는 접합부, 상기 파우치 외장재의 외부로 노출되는 단자부, 및 상기 접합부와 단자부 사이의 퓨즈부를 포함하고,
   상기 퓨즈부는 상기 전극리드의 폭 방향과 평행한 수평슬릿을 중앙에 포함하는 분리홈, 및 상기 분리홈과 연결되며 상기 단자부를 상기 접합부로부터 분리시키기 위한 파단부를 포함하고,
   상기 파단부 전단이 일부 커팅되어 있으며,
   상기 이차전지 내압 상승시 상기 파우치 외장재의 변형력이 상기 전극리드 상면 및 하면에 반대 방향으로 작용하여 상기 파단부가 파단되도록 상기 제1 실런트와 제2 실런트는 모양이 서로 다른 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 분리홈에 연결부가 더 포함된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
3. 제2항에 있어서, 상기 연결부는 상기 수평슬릿 중앙에 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
4. 제2항에 있어서, 상기 연결부에는 노치가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
5. 제4항에 있어서, 상기 노치는 상기 전극리드의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
6. 제4항에 있어서, 상기 노치는 쐐기 형상, 라운드진 형상 및 사각 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
7. 제2항에 있어서, 상기 연결부에는 관통구가 하나 이상 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
8. 제1항에 있어서, 상기 파단부가 파단되면서 상기 전극리드의 단자부가 상기 전극리드의 나머지 부분과 서로 반대 방향으로 이격되어 완전분리되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
9. 제1항에 있어서, 상기 파우치 외장재는 테두리에 실링 영역을 구비하고, 상기 수평슬릿은 상기 실링 영역으로부터 상기 접합부 쪽으로 이격되어 있으며, 상기 파단부는 상기 실링 영역 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
10. 제9항에 있어서, 상기 제1 실런트는 상기 수평슬릿 위쪽 전극리드 부분에 형성되고, 상기 제2 실런트는 상기 수평슬릿 양측 전극리드 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
11. 제9항에 있어서, 상기 접합부는 상기 단자부보다 폭이 넓은 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
12. 제11항에 있어서, 상기 수평슬릿은 상기 단자부의 폭과 같은 길이인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
13. 제12항에 있어서, 상기 분리홈은 상기 수평슬릿 양단에 상기 전극리드의 폭 방향과 수직이면서 상기 단자부를 향하는 수직슬릿을 더 포함하고, 상기 파단부는 상기 수직슬릿의 연장선상에 상기 단자부를 향하여 위치하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
14. 제13항에 있어서, 상기 제1 실런트는 상기 파우치 외장재와 접착되도록 상기 전극리드 상면을 가로지르는 띠 형상으로 형성이 되고 상기 수평슬릿 위쪽 전극리드 상면을 덮을 수 있도록 상기 수평슬릿을 향하여 돌출되는 부분을 가지며, 상기 제2 실런트는 상기 파우치 외장재와 접착되도록 상기 전극리드 하면을 가로지르는 띠 형상으로 형성이 되고 상기 수직슬릿 외측으로 상기 전극리드 하면에 형성이 되도록 양쪽 돌출된 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
15. 제9항에 있어서, 상기 수평슬릿은 상기 단자부의 폭보다 짧은 길이이고 상기 분리홈은 상기 수평슬릿 양단에 상기 단자부를 향하는 사선슬릿을 더 포함하고, 상기 파단부는 상기 사선슬릿의 연장선상에 상기 단자부를 향하여 위치하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
16. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 파단부에는 노치가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
17. 제16항에 있어서, 상기 노치는 상기 전극리드의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
18. 제16항에 있어서, 상기 노치는 쐐기 형상, 라운드진 형상 및 사각 형상 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
19. 제1항에 있어서, 상기 파단부에는 관통구가 하나 이상 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
20. 제1항에 있어서, 상기 전극리드는 양극 리드 및 음극 리드 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
21. 제9항에 있어서, 상기 전극리드는 반전된 T자 형상이며 T자의 다리 부분이 상기 파우치 외장재 외측으로 돌출되고 T자의 머리 부분 일부가 상기 실링 영역 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
22. 제1항에 있어서, 상기 파우치 외장재는 테두리에 실링 영역을 구비하고, 상기 수평슬릿은 상기 실링 영역으로부터 상기 접합부 쪽으로 이격되어 있으며, 상기 파단부의 전단은 상기 실링 영역 내에 커팅되어 있으며 상기 파단부의 후단은 상기 실링 영역보다 상기 전극조립체 쪽으로 나오도록 형성되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.

Images