KR20170043926A

KR20170043926A - 파우치형 이차전지 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20170043926A
Application number: KR1020150143613A
Authority: KR
Inventors: 김동연; 공진학; 최용석; 이수항
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2017-04-24
Also published as: KR102099905B1

Abstract

파우치형 이차전지 내부에 가스가 발생하여도 파우치형 이차전지 바디 부분의 두께가 증가하지 않도록 하여 스웰링을 제어할 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체; 및 수납부에 상기 전극 조립체와 전해질을 수납하고 열융착에 의해 밀봉하는 파우치형 전지 케이스를 포함하는 전지로서, 상기 전지 케이스의 외주부를 따라 상기 열융착에 따른 실링부가 형성되며, 상기 실링부 내부에는 미융착 영역이면서 상기 전지 내부에서 발생한 가스를 수용하는 가스 포켓이 형성되어 있고, 상기 가스 포켓은 상기 전해질은 통과시키지 않고 상기 가스는 통과시키는 가스 멤브레인에 의해 상기 수납부와 연통되어 있는 것이다.

Description

파우치형 이차전지 및 그 제조방법 {Pouch type secondary battery and fabricating method thereof}

본 발명은 파우치형 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파우치형 이차전지 내부에 가스가 발생하여도 파우치형 이차전지 바디(body) 부분의 두께가 증가하지 않도록 하여 스웰링(swelling)을 제어할 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차(EV) 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 큰 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.

리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해질과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다. 리튬 이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류될 수 있다.

파우치형 이차전지는 전지의 양/음극 탭(tab)에 연결된 전극 리드가 한쪽으로 나와 있는 단방향 전지 또는 마주보고 있는 방향으로 나와 있는 양방향 전지로 나뉜다. 그 중에서 양방향 전지는 도 1과 같은 구조를 가진다. 도 1에 도시한 파우치형 이차전지(10)는, 전극 조립체(20), 전극 리드(30, 40), 파우치형 전지 케이스(50)를 포함한다. 참조번호 "55"는 열융착이 이루어진 실링부이다.

파우치형 이차전지는 가볍고 전해질의 누액(leakage) 가능성이 적으며 형태에 융통성을 가질 수 있어 보다 작은 부피 및 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있는 장점이 있는 한편, 고온에의 노출, 외부에서의 충격 등을 포함해 사용에 따른 퇴화에 따라 전극이 팽창되고 전지 내부에 가스가 발생하는 문제가 있다.

도 1에 도시한 파우치형 이차전지(10)는 실링부(55)와 전극 조립체(20) 사이에 빈 공간(dead space, 60, 70)이 구성되어 있고, 다양한 이유로 전지 내부에서 가스 발생시 이 부위로 가스가 모인다.

그런데 빈 공간(60, 70)은 가스를 가두어 두는 것이 아니므로 가스는 전극 조립체(20)와 같은 공간에 가스가 머무르게 되어 전극 조립체(20) 쪽으로도 가스가 차게 되면 전극 조립체(20)가 위치하는 바디 부분에서 일종의 부풀음 현상인 스웰링(swelling) 현상이 일어나게 된다.

도 2의 (a)는 도 1의 파우치형 이차전지(10)에서 스웰링이 일어나기 전의 단면모식도이고 (b)는 스웰링이 일어난 후의 단면모식도이다. 이와 같이 기존에는 스웰링에 의해 파우치형 이차전지 바디 부분 두께가 증가하게 되는 문제가 있다. 파우치형 이차전지를 여러 개 모아 배터리 모듈이나 배터리 팩으로 제조하여 사용하는 경우 어느 하나의 이차전지의 스웰링은 전체 배터리 모듈이나 배터리 팩에도 영향을 미치게 되어 사용상의 제한을 가져오므로, 스웰링을 제어할 수 있는 기술이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 파우치형 이차전지 내부에 가스가 발생하여도 파우치형 이차전지 바디 부분의 두께가 증가하지 않도록 하여 스웰링을 제어할 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체; 및 수납부에 상기 전극 조립체와 전해질을 수납하고 열융착에 의해 밀봉하는 파우치형 전지 케이스를 포함하는 전지로서, 상기 전지 케이스의 외주부를 따라 상기 열융착에 따른 실링부가 형성되며, 상기 실링부 내부에는 미융착 영역이면서 상기 전지 내부에서 발생한 가스를 수용하는 가스 포켓이 형성되어 있고, 상기 가스 포켓은 상기 전해질은 통과시키지 않고 상기 가스는 통과시키는 가스 멤브레인에 의해 상기 수납부와 연통되어 있는 것이다.

상기 가스 포켓은 사각 형상일 수 있다.

상기 가스 포켓은 서로 분리되어 두 개 이상이 형성될 수 있다. 이 때, 상기 가스 포켓마다 상기 가스 멤브레인이 구비된다.

상기 가스 포켓은 상기 전지 케이스의 외주부를 따라 일체형으로 형성된 하나일 수도 있다.

상기 파우치형 이차전지는 상기 전극 조립체에 연결된 전극 리드가 상기 전지 케이스 외부로 돌출되어 있고 상기 가스 포켓은 상기 전극 리드가 돌출되지 않은 변에 형성되어 있을 수 있다. 이 때, 상기 전극 리드는 상기 전극 조립체의 한 변에서 돌출되어 있으며 상기 가스 포켓은 상기 전극 조립체의 나머지 변을 따라 일체형으로 형성된 하나일 수 있고, 상기 가스 멤브레인은 상기 전극 리드가 돌출된 변과 수직인 나머지 변에 형성되어 있을 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 가스 멤브레인은 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole) 또는 폴리이미드(polyimide) 필름일 수 있다.

상기 가스 멤브레인은 플랫 쉬트(flat sheet) 또는 둘둘 말은 모듈 형태일 수 있다.

본 발명에서는 이러한 파우치형 이차전지를 제조하는 방법도 제안한다. 이 방법은 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체를 준비하여 파우치형 전지 케이스의 수납부에 전해질과 함께 수납하는 단계; 상기 전지 케이스 상면과 하면 사이에 가스 멤브레인을 배치하는 단계; 및 상기 전지 케이스의 외주부를 따라 열융착에 따른 실링부를 형성하면서 상기 실링부 내부에 미융착 영역이면서 상기 가스 멤브레인에 의해 상기 수납부와 연통되어 상기 전지 내부에서 발생한 가스를 수용하는 가스 포켓을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 가스 멤브레인은 상기 전해질은 통과시키지 않고 상기 가스는 통과시키는 것이다.

본 발명에 따르면, 실링부, 이른바 테라스 영역에 가스 포켓을 둠으로써 빈 공간을 최소화할 수 있다. 이에 따라 종래와 동일한 규격의 전지 케이스를 이용하는 경우에 전극 조립체를 더 크게 만들 수 있으므로 전지 용량을 증가시키는 효과도 있다.

테라스 영역을 활용해 가스를 포집하므로 전지 내부에서 가스 발생시 가스에 의한 전극 조립체 부분의 팽창을 최소화할 수 있어 배터리 모듈이나 배터리 팩을 구성하는 다른 이차전지에 영향을 끼치지 않을 수 있다.

가스 멤브레인을 이용하여 가스만 포집하므로 전해질의 유출없이 스웰링을 방지할 수 있다.

가스 포켓은 파우치형 이차전지를 제조하기 위해 열융착하는 과정에서 형성할 수 있다. 무리한 공정 변경없이 가스 포켓을 가진 파우치형 이차전지를 제조할 수 있다.

도 1은 종래 파우치형 이차전지의 평면도이다.
도 2의 (a)는 도 1의 파우치형 이차전지에서 스웰링이 일어나기 전의 단면모식도이고 (b)는 스웰링이 일어난 후의 단면모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지에 포함될 수 있는 가스 멤브레인의 다양한 형태를 도시한다.
도 5는 도 3의 파우치형 이차전지의 단면모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조방법의 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지(110)는, 전극 조립체(120), 전극 탭(T1, T2), 전극 리드(130, 140), 파우치형 전지 케이스(150)를 포함한다.

전극 조립체(120)는, 도면의 편의상 자세히 도시하지는 않았으나, 양극/분리막/음극 구조이고, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 구성되며, 전지 케이스(150)에 수납된다. 이 때, 전극 조립체(120)는 다수의 양극판 및 음극판이 적층된 상태로 전지 케이스(150)에 수납되거나, 하나의 양극판 및 음극판이 권취된 상태로 전지 케이스(150)에 수납될 수 있다. 이와 같이 전극 조립체(120)는 양극과 음극 및 그 사이에 개재되어 있는 분리막으로 이루어진 구조라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴딩형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다.

전극 조립체(120)의 전극판들은 알루미늄(Al) 재질이나 구리(Cu) 재질의 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등에 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 그리고, 각각의 전극판들에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있고, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 탭(T1, T2)이 형성될 수 있다.

양극 활물질은 리튬 이온이 흡장(intercalation)/탈리(deintercalation)할 수 있도록 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용될 수 있으며, 예를 들어 LiCoO₂, LiMn₂O₄, LiNiO₂, LiNi₁ _- _xCo_xO₂(0<x<1), LiMnO₂ 등의 복합 금속 산화물들을 사용하여 형성될 수 있다. 음극 활물질도 리튬 이온이 흡장/탈리할 수 있도록 탄소(C) 계열의 물질, 실리콘(Si), 주석(Sn), 주석 산화물, 주석 합금 복합체(tin alloy composite), 전이금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등의 물질로 형성될 수 있다.

분리막은 양극판과 음극판 사이에 개재되어 양극판과 음극판 사이에 발생할 수 있는 쇼트를 차단시킬 수 있으며, 분리막으로 인해 리튬 이온의 이동만이 가능하다. 분리막은 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 또는 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 등의 열가소성 수지로 형성될 수 있으며, 그 표면은 다공막 구조일 수 있다.

전극 탭(T1, T2)은, 예컨대 양극 탭(T1)과 음극 탭(T2)으로 구성되며, 각각 전극 조립체(120)로부터 돌출되도록 형성된다. 즉, 양극 탭(T1)은 전극 조립체(120)의 양극판으로부터 돌출되도록 형성되고, 음극 탭(T2)은 전극 조립체(120)의 음극판으로부터 돌출되도록 형성된다. 이 때, 양극 탭(T1) 또는 음극 탭(T2)은 양극판 또는 음극판에 부착되는 형태로 돌출되게 형성될 수 있으며, 각각 양극 집전체 또는 음극 집전체와 동일 재질로 구성될 수 있다.

전극 탭(T1, T2)은, 하나의 전극 조립체에서 복수개 구비될 수 있다. 예를 들어, 양극 탭(T1)은 양극판에 복수개 구비될 수 있고, 음극 탭(T2)은 음극판에 복수개 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 양극 탭(T1)은 하나의 양극 리드(130)에 연결될 수 있고, 복수의 음극 탭(T2)은 하나의 음극 리드(140)에 연결될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 양극 탭(T1)과 음극 탭(T2)은 하나의 전극 조립체에서 각각 한 개씩 구비될 수도 있다.

양극 탭(T1)과 음극 탭(T2)은 전극 조립체(120)를 기준으로 서로 반대 방향으로 돌출되어 있다. 전극 리드(130, 140)는, 얇은 판상의 금속으로서, 일단이 전극 탭(T1, T2)에 부착되고, 타단, 즉 반대 단부가 전지 케이스(150) 외부로 돌출되어 노출된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(110)는 양방향 전지이다.

다시 말하면 전극 조립체(120)는 일면 및 그에 대향되는 타면에서 제1 전극 리드, 본 실시예에서는 양극 리드(130) 및 제2 전극 리드, 본 실시예에서는 음극 리드(140)가 서로 반대 방향으로 돌출된다.

전극 리드(130, 140)는 전극 탭(T1, T2)의 상부 또는 하부에 부착될 수 있다. 전극 탭(T1, T2)과 전극 리드(130, 140)가 부착된 접합부의 위치는 빈 공간(160, 170) 내부, 실링부(155) 또는 전지 케이스(150) 외부일 수 있다.

양극 리드(130) 및 음극 리드(140)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(130)는 양극판과 동일하게, 예컨대 알루미늄 재질이며, 음극 리드(140)는 음극판과 동일하게, 예컨대 구리 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다.

전지 케이스(150)는 오목한 형태의 수납부를 구비하고, 이러한 수납부에 전극 조립체(120)가 수납되며 파우치형 이차전지(110)의 종류에 따라 액체, 고체 또는 겔형 등의 전해질(미도시)이 충진되어 수납된다. 본 발명에 따른 이차전지는 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으며, 특히, 리튬 함유 전해액이 겔의 형태로 전극 조립체(120)에 함침되어 있는, 이른바, 리튬이온 폴리머 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

본 실시예에서 전지 케이스(150)는, 폴리머 재질의 절연층과 접착층 사이에 알루미늄 박막이 개재된 알루미늄 파우치 형태로 구성될 수 있다. 폴리머 재질의 절연층은 기재 및 보호층의 역할을 할 수 있으며, 내부에 수용되는 전극 조립체(120)를 외부의 충격 등으로부터 1차적으로 보호하는 역할을 할 수 있다. 폴리머 재질의 절연층은 나일론, 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET)와 같은 수지재로 형성될 수 있으나, 이와 같은 물질에 한정되는 것은 아니다. 알루미늄 박막은 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 침투를 방지하는 배리어층의 역할을 할 수 있다. 접착층은 열융착층이라고도 하며, 열접착성을 가져 실링제 역할을 할 수 있다. 접착층은 폴리올레핀(Polyolepin) 계열의 수지 물질로 형성될 수 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다. 또한, 접착층은 폴리올레핀계 수지인 염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌과 아크릴산 공중합체, 및 폴리프로필렌과 아크릴산의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질로 형성될 수 있으나, 이와 같은 물질에 한정되는 것은 아니다. 파우치의 전체 두께는 통상 40~120㎛이며, 상기 절연층과, 접착층은 10~40㎛, 알루미늄 박막은 20~100㎛인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

전지 케이스(150)는, 상부 케이스와 하부 케이스로 이루어질 수 있다. 그리고, 전극 조립체(120)가 수납될 수 있는 공간은 상부 케이스나 하부 케이스 중 어느 하나, 또는 상부 케이스나 하부 케이스 모두에 형성될 수 있다. 한편, 상부 케이스나 하부 케이스의 수납 공간에 전극 조립체(120)가 수납되면, 상부 케이스와 하부 케이스가 열융착에 의해 접착되어 실링부(155)가 형성되어 이차전지(110)를 밀봉한다.

실링부(155)는 전지 케이스(150)의 외주부를 따라 형성된다. 그리고, 실링부(155) 내부에는 미융착 영역이면서 전지 내부에서 발생한 가스를 수용하는 가스 포켓(180)이 형성되어 있다. 본 실시예에서 가스 포켓(180)은 직사각 형상이지만 이를 포함해 정사각 형상과 같은 사각 형상으로 구성될 수 있고, 다양한 형상, 예를 들면 원형, 타원형, 다각형 등으로 구성될 수도 있다.

가스 포켓(180)은 수납부 안의 전해질은 통과시키지 않고 전극 조립체(120)에서 발생한 가스는 통과시키는 가스 멤브레인(190)에 의해 수납부와 연통되어 있다.

본 실시예에서, 가스 포켓(180)은 서로 분리되어 두 개 이상이 형성되어 있다. 그리고, 가스 포켓(180)마다 가스 멤브레인(190)이 구비되어 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 실링부(155) 내부에는 가스 포켓(180)이 6개 형성되어 있다. 가스 포켓(180)은 전극 조립체(120)의 네 변에 고르게 배치되어 상하좌우 대칭적으로 형성되어 있다. 가스 포켓(180)의 개수와 배치는 물론 이에 한정되는 것은 아니다.

가스 멤브레인(190)은 기체 분리를 위한 고분자막일 수 있다. 여러 고분자 소재 중 고온고압에서도 화학적, 기계적으로 안정한 것이 바람직하다. 대표적으로 폴리벤조티아졸(polybenzothiazole), 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxazole), 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole : PBI) 등이 가능하다. 이러한 고분자들은 이산화탄소, 수소 등 전지 내부에서 발생될 수 있는 종류의 가스를 포집하는 성능이 우수하다.

특히 폴리벤즈이미다졸 계열의 고분자는 다른 방향족 고분자에 비해 높은 밀도(1.34 g/㎤)를 갖고(폴리카보네이트: 1.2 g/㎤, 폴리술폰: 1.24 g/㎤, 폴리아릴레이트: 1.212 g/㎤), 500℃ 이상의 열분해온도를 보이며, 400℃ 이상의 유리전이온도를 나타내는 것으로 알려져 있다. 이러한 폴리벤즈이미다졸은 열적, 화학적, 물리적 안정성이 우수하므로 가스 멤브레인(190)의 소재로 적합하다. 가스 멤브레인(190)의 다른 예로는 폴리이미드(polyimide) 필름을 들 수 있다.

폴리벤즈이미다졸 고분자사슬에 존재하는 이미다졸 고리의 수소분자는 사슬간 수소결합을 일으켜 조밀한 사슬 패킹(chain packing)을 이루기도 한다. 이에 의해 낮은 가스 투과도가 제한되는 사슬 패킹을 저해하고 사슬의 회전운동을 감소시키며 고분자 사슬간의 자유 부피(free volume)를 증가시켜 가스 투과도를 향상시키기 위해 적용되는 고분자 주쇄의 개질과 작용기 치환법도 이용될 수 있다.

가스 멤브레인(190)은 플랫 쉬트(flat sheet) 또는 둘둘 말은 모듈 형태일 수 있다.

도 4는 파우치형 이차전지(110)에 포함될 수 있는 가스 멤브레인의 다양한 형태를 도시한다.

도 4의 (a)는 플랫 쉬트 형태의 가스 멤브레인(191)이고, (b)는 모듈 형태의 가스 멤브레인(192)이다.

폴리벤즈이미다졸 또는 폴리이미드 필름은 지지체 없이 고분자 자체를 보조 필름에 아주 치밀하고 얇게 코팅하고 건조시킨 뒤 떼어내서 자유 기립(free standing) 필름 형태로 사용할 수 있다. 떼어낸 상태 그대로를 적당한 크기로 절단하여 플랫 쉬트 형태의 가스 멤브레인(191)으로 적용해도 되고 둘둘 말아 모듈 형태의 가스 멤브레인(192)으로 적용해도 된다.

다시 도 3을 참조하면, 가스 포켓(180)은 가스 멤브레인(190)을 제외하고는 실링부(155)로 둘러싸여 있어 외부와 단절되어 있는 소정의 밀폐 공간을 형성한다. 가스 멤브레인(190)은 수납부 안의 전해질은 통과시키지 않고 전지 내부에서 발생한 가스는 통과시키기 때문에, 다양한 이유로 전지 내부에서 발생하는 가스는 가스 멤브레인(190)을 통해 가스 포켓(180)에 포집되고 가스 포켓(180) 쪽으로 전해질이 유출되지 않는다.

가스 멤브레인(190)의 일단은 가스 포켓(180)에 연결되고 타단은 실링부(155)에 놓여지거나 실링부(155)보다 안쪽으로, 전지 케이스(150)의 수납부 안으로까지 연장되어 있을 수 있다. 도 3에는 이러한 두 가지 모두에 대하여 도시하여 놓았다.

도 5는 도 3의 파우치형 이차전지의 단면모식도이다.

도 5의 (a)는 가스 발생 전의 상태를 도시한다. 전지 내부에서 가스 발생시 (b)와 같이 전극 조립체(120)가 위치하는 파우치형 이차전지(110) 바디 부분 두께는 증가하는 일이 없이 가스 포켓(180)에 가스가 포집되므로 스웰링을 제어할 수 있다.

가스 포켓(180)이 위치하는 부분은 이른바 테라스 영역이다. 파우치형 이차전지(110) 여러 개를 모아 배터리 모듈이나 배터리 팩을 구성할 때 파우치형 이차전지(110) 바디 부분들은 서로 적층이 되면서 오버랩이 되지만 테라스 영역들은 서로 닿지 않아 그들 사이에 여유 공간이 마련될 수 있다. 따라서, 전지 내부 가스 발생으로 인해 가스 포켓(180)에 가스가 모여 이 부분이 팽창하더라도 서로에게 간섭되는 일이 없으므로 배터리 모듈이나 배터리 팩 사용 상의 문제가 발생하지 않는다.

또한, 본 발명에 따르면, 실링부(155), 이른바 테라스 영역에 가스 포켓(180)을 둠으로써 도 3에서와 같이 빈 공간(160, 170)을 최소화할 수 있다. 이에 따라 종래와 동일한 규격의 전지 케이스를 이용하는 경우에 전극 조립체를 더 크게 만들 수 있고, 전지 케이스의 체적 대부분을 내부 공간으로 사용함으로써, 전체 체적 대비 전지 용량이 향상될 수 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 6의 파우치형 이차전지(110')는 도 3의 파우치형 이차전지(110)와 다르게 전극 리드(130, 140)가 전극 조립체(120)의 한 변에서 돌출되어 있는 단방향 전지이다. 가스 포켓(180')은 실링부(155') 내부에 형성되며 전지 케이스(150)의 외주부를 따라 일체형으로 형성된 하나로 구성되는 예를 들었다.

이 때, 가스 포켓(180')은 전극 리드(130, 140)가 돌출되지 않은 변에 형성되어 있다. 그리고, 가스 멤브레인(190')은 전극 리드(130, 140)가 돌출된 변과 수직인 나머지 변에 형성되어 있다.

본 실시예는 일체형으로 형성된 하나의 가스 포켓(180')의 예를 보여주기 위한 것으로, 단방향 전지라도 앞선 실시예와 같이 여러 개의 가스 포켓(180)을 적용할 수 있음은 물론이고 앞선 실시예와 같은 양방향 전지라도 본 실시예와 같이 일체형으로 형성된 하나의 가스 포켓(180')을 적용할 수 있음은 당연하다.

본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 이것을 단위전지로서 포함하는 중대형 배터리 모듈이나 배터리 팩으로도 이용될 수 있다. 스웰링을 제어할 수 있음에 따라, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 특히, 장시간의 수명과 우수한 내구성이 요구되는 고출력 대용량의 전지, 또는 이러한 전지를 단위전지로서 다수 개 포함하는 중대형 배터리 모듈이나 배터리 팩에 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 중대형 배터리 모듈이나 배터리 팩은, 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 동력원이나 전력저장 장치 등에 사용될 수 있다. 이러한 중대형 배터리 모듈이나 배터리 팩의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.

한편, 위 실시예들에서는 가스 멤브레인(190, 190')이 가스 포켓(180, 180')에 비하여 좁은 폭으로 형성되는 예들을 도시하였지만 가스 멤브레인(190, 190')이 가스 포켓(180, 180')과 동일한 폭으로 형성될 수도 있다.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 파우치형 이차전지(110, 110')의 제조방법에 대해 간략히 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지 제조방법의 순서도이다.

먼저, 전극 조립체(120)의 전극 탭(T1, T2)의 단부 상면 또는 하면과 각 전극 리드(130, 140)의 일단 하면 또는 상면을 포개어 초음파 용접 방식 등으로 부착하는 등, 전지 케이스(150)에 수납할 전극 조립체(120)를 준비한다. 그 다음, 전극 리드(130, 140)의 타단이 전지 케이스(150)의 외부로 돌출되어 노출될 수 있게 전극 조립체(120)를 전지 케이스(150)의 수납부에 수납한다(단계 S1 : 전극 조립체 수납).

다음, 가스 포켓(180, 180')을 형성할 위치를 고려하여 전지 케이스(150)의 상면과 하면, 즉 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 가스 멤브레인(190, 190')을 배치한다(단계 S2 : 가스 멤브레인 배치).

그런 다음, 전지 케이스(150) 내부에 전해액과 같은 전해질을 주입하고 전지 케이스(150)를 열융착하여 실링부(155, 155')를 형성한다. 경우에 따라서는 전해질 주입 부위를 제외한 나머지 부분을 실링하는 열융착을 먼저 한 후 전해질을 주입하고 전해질 주입 부위마저 실링하는 방법을 이용할 수도 있다(단계 S3 : 열융착).

가스 포켓(180, 180')은 가스 멤브레인(190, 190')과 연통된 부분을 제외하고는 열융착으로 인한 실링부(155, 155')로 둘러싸인다. 따라서, 히팅 지그의 모양을 변경하거나 열이 가해지는 부분의 위치를 조정하여 열융착을 하면 가스 포켓(180, 180')을 내부에 가지는 실링부(155, 155')를 형성할 수 있다. 열융착시에는 가스 멤브레인(190, 190')과 전지 케이스(150) 사이도 긴밀한 접착이 이루어지도록 하여 밀봉력을 확보해야 한다.

이와 같이, 가스 포켓(180, 180')은 파우치형 이차전지(110, 110')를 제조하기 위해 열융착하는 과정에서 형성할 수 있다. 따라서, 무리한 공정 변경없이 가스 포켓(180, 180')을 가진 파우치형 이차전지(110, 110')를 제조할 수 있다.

그 다음, 에이징(aging), 충방전, 포메이션(formation) 및 디개싱(degasing) 등의 통상적인 이차전지 제조를 위한 후속 공정이 진행될 수 있다(단계 S4 : 후속 공정).

이상과 같이 가스 포켓의 형성은 실링부의 형성을 위한 열융착시에 실링 예정부(예를 들어, 전지 케이스의 외주면)에 열과 압력을 가하면서 동시에 진행된다. 실링 예정부의 모양이 반영되도록 히팅 지그를 변경함으로써 가스 포켓과 실링부를 동시에 형성할 수 있으므로, 종래의 제조 공정에서 히팅만을 변경한 상태에서 그대로 적용될 수 있다.

이상과 같이, 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.

110, 110' : 이차전지
120 : 전극 조립체
T1, T2 : 전극 탭
130, 140 : 전극 리드
150 : 파우치형 전지 케이스
155, 155' : 실링부
180, 180' : 가스 포켓
190, 190' : 가스 멤브레인

Claims

양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체; 및
수납부에 상기 전극 조립체와 전해질을 수납하고 열융착에 의해 밀봉하는 파우치형 전지 케이스를 포함하는 전지로서,
상기 전지 케이스의 외주부를 따라 상기 열융착에 따른 실링부가 형성되며,
상기 실링부 내부에는 미융착 영역이면서 상기 전지 내부에서 발생한 가스를 수용하는 가스 포켓이 형성되어 있고,
상기 가스 포켓은 상기 전해질은 통과시키지 않고 상기 가스는 통과시키는 가스 멤브레인에 의해 상기 수납부와 연통되어 있는 파우치형 이차전지.
제1항에 있어서, 상기 가스 포켓은 사각 형상인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
제1항에 있어서, 상기 가스 포켓은 서로 분리되어 두 개 이상이 형성된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
제3항에 있어서, 상기 가스 포켓마다 상기 가스 멤브레인이 구비된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
제1항에 있어서, 상기 가스 포켓은 상기 전지 케이스의 외주부를 따라 일체형으로 형성된 하나인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
제1항에 있어서, 상기 전극 조립체에 연결된 전극 리드가 상기 전지 케이스 외부로 돌출되어 있고 상기 가스 포켓은 상기 전극 리드가 돌출되지 않은 변에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
제6항에 있어서, 상기 전극 리드는 상기 전극 조립체의 한 변에서 돌출되어 있으며 상기 가스 포켓은 상기 전극 조립체의 나머지 변을 따라 일체형으로 형성된 하나인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
제7항에 있어서, 상기 가스 멤브레인은 상기 전극 리드가 돌출된 변과 수직인 나머지 변에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
제1항에 있어서, 상기 가스 멤브레인은 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole) 또는 폴리이미드(polyimide) 필름인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.　
제1항에 있어서, 상기 가스 멤브레인은 플랫 쉬트(flat sheet) 또는 둘둘 말은 모듈 형태인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체를 준비하여 파우치형 전지 케이스의 수납부에 전해질과 함께 수납하는 단계;
상기 전지 케이스 상면과 하면 사이에 가스 멤브레인을 배치하는 단계; 및
상기 전지 케이스의 외주부를 따라 열융착에 따른 실링부를 형성하면서 상기 실링부 내부에 미융착 영역이면서 상기 가스 멤브레인에 의해 상기 수납부와 연통되어 상기 전지 내부에서 발생한 가스를 수용하는 가스 포켓을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 가스 멤브레인은 상기 전해질은 통과시키지 않고 상기 가스는 통과시키는 것인 파우치형 이차전지 제조방법.