KR20170060278A - 자가치유 코팅층을 포함하는 파우치형 전지케이스 및 그것을 포함하고 있는 파우치형 전지셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트가 파우치 형태를 이루고 있는 파우치형 전지케이스로서, 상기 라미네이트 시트의 표면에는 자가치유 물질을 포함하는 코팅층이 형성되어 있고,
상기 코팅층은,
코팅용 고분자 매트릭스;
상기 고분자 매트릭스에 매립되어 있고 중합용 단량체를 상분리된 상태로 내장하고 있는 복수의 중합 채널들; 및
상기 고분자 매트릭스에 매립되어 있고 중합용 단량체의 중합 반응을 유도하는 개시제를 내장하고 있는 복수의 개시 채널들;
을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스를 제공한다.

Description

자가치유 코팅층을 포함하는 파우치형 전지케이스 및 그것을 포함하고 있는 파우치형 전지셀 {Pouch-typed Battery Case Having Self-Healing Coating Layer and Pouch-typed Battery Cell Having the Same}

본 발명은 자가치유 코팅층을 포함하는 파우치형 전지케이스 및 그것을 포함하고 있는 파우치형 전지셀에 관한 것이다.

화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.

현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.

최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고 사이클 수명이 길며 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

또한, 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.

최근에는, 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 적은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조를 나타낸 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 스택형 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극 리드(30, 31), 및 이러한 전극 리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 스택형 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

또한, 전지케이스(40)는 스택형 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 스택형 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 이러한 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 스택형 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 전지케이스(40) 외주면을 열융착하여 밀봉한다.

이때, 전극조립체(20)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(21, 22)은 전극조립체(20)의 각 극판으로부터 연장되고, 전극리드(410, 420)는 각 극판으로부터 연장된 복수개의 전극 탭들(21, 22)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(40)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(30, 31)의 상하면 일부에는 전지케이스(40)과의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(43)이 부착되어 있다.

이러한 파우치형 이차전지는 소형화 및 얇은 두께를 갖는 형태로 개발됨에 따라 스마트폰 또는 노트북 등의 모바일 기기를 소형화가 가능하게 되었다.

또한, 파우치형 이차전지는 고객 요구에 맞게 다양한 형태의 구조변경이 가능하여 제품응용력이 뛰어나고, 금속캔 형태의 전지케이스를 사용한 이차전지에 비해 다품종 소량생산에 유리하다. 이처럼, 파우치형 이차전지를 에너지 밀도가 높고 다양한 형태로 가공할 수 있는 바, 최근에는 자동차 디자인을 다양화가 쉬워져 자동차 전지에도 사용되고 있다.

그러나, 일반적으로, 파우치형 전지는 상기와 같이 중량이 작고 형태 변형이 용이하다는 장점이 있지만, 이러한 장점으로 인하여 기계적 물성이 우수하지 못하다는 문제점도 가지고 있다. 예를 들어, 파우치형 이차전지를 대량 생산할 경우, 품질관리(QC)가 어렵고, 고강도 파우치임에도 불구하고 기계적 충격, 진동에는 다소 불리한 점이 있다.

또한, 파우치형 케이스의 라미네이트 시트에 균열이 발생하는 경우, 이러한 균열을 통하여 수분이 침투하거나, 알루미늄의 노출로 인하여 전기적 단락을 일으킬 수 있다.

특히, 이차전지의 제조공정 중에 전지셀을 포장(packaging)공정 또는 전지셀의 윙-폴딩(wing folding) 공정 등에서 파우치형 케이스의 약한 내구성으로 인해 표면이 찍히거나, 기스가 발생함에 따라, 제품의 외관 불량으로 처리되어 양품 수율이 좋지 않았다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 파우치형 케이스의 구조의 개발 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 상기 라미네이트 시트의 표면에는 자가치유 물질을 포함하는 코팅층이 형성되어 있고, 상기 코팅층은, 코팅용 고분자 매트릭스, 상기 고분자 매트릭스에 매립되어 있고 중합용 단량체를 상분리된 상태로 내장하고 있는 복수의 중합 채널들, 및 상기 고분자 매트릭스에 매립되어 있고 중합용 단량체의 중합 반응을 유도하는 개시제를 내장하고 있는 복수의 개시 채널들을 포함하고 있을 경우, 라미네이트 시트 외표면의 손상이 발생할 시 이를 복구하여 이차전지의 안전성을 높이고, 그에 따라 제품의 외관 불량이 감소되어 양품 수율이 향상되는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 파우치형 전지케이스는,

금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트가 파우치 형태를 이루고 있는 파우치형 전지케이스로서, 상기 라미네이트 시트의 표면에는 자가치유 물질을 포함하는 코팅층이 형성되어 있고,

상기 코팅층은,

코팅용 고분자 매트릭스;

상기 고분자 매트릭스에 매립되어 있고 중합용 단량체를 상분리된 상태로 내장하고 있는 복수의 중합 채널들; 및

상기 고분자 매트릭스에 매립되어 있고 중합용 단량체의 중합 반응을 유도하는 개시제를 내장하고 있는 복수의 개시 채널들;

을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, '고분자 매트릭스'는 다수의 채널들을 내장하고 상기 채널들이 유동하지 않도록 고정될 수 있는 소재여야 하며, 상기 코팅층을 형성하기 위한 코팅액을 제조시 고분자 매트릭스를 이루는 소재는 수지형태가 적절하며, 코팅 후 경화가 가능한 소재가 적절하다.

또한, 상기 중합용 단량체는 상기 고분자 매트릭스에 상분리된 형태로 존재함으로써, 개시제와 반응하여 중합될 수 있다. 또한, 개시제는 상기 중합용 단량체와 분리되어 있어야 하는 바, 개시제가 고분자 매트릭스 내부에 중합용 단량체와 함께 존재한다면, 반응에 의하여 중합되어 유사시 자가치유능력을 발휘하지 못하게 된다.

상기와 같이, 고분자 매트릭스와 상분리되고 개시제와 분리되어 존재하기 위하여, 중합용 단량체는 중합 채널에 내장된 상태로 존재하고, 개시제 또한 개시 채널에 내장된 상태로 고분자 매트릭스와 상분리되어 존재하게 되므로, 코팅층에 균열이 발생하는 경우 상기 채널들이 절단 내지 파열되면서 중합용 단량체와 개시제가 각각의 채널들로부터 유출 되면서 서로 혼합되고 중합용 단량체의 개시 반응을 통해 단량체가 경화되면서 발생된 균열을 치유하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 파우치형 전지케이스는, 라미네이트 시트의 표면에 자가치유 물질을 포함하는 코팅층이 형성됨으로써, 라미네이트 시트 외표면에 표면이 찍히거나, 기스 등의 손상이 발생할 시 이를 복구하여 이차전지의 안전성 및 내구성을 높이고, 그에 따라 제품의 외관 불량이 감소되어 양품 수율이 향상되는 효과를 발휘한다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 라미네이트 시트는, 내후성을 가진 고분자 수지로 이루어진 외부 수지층, 기체와 액체에 대해 차단성을 가진 금속층, 및 열융착성을 가진 고분자 수지로 이루어진 내부 수지층을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 외부 수지층은 외부 환경에 대해 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성이 필요하다. 이러한 측면에서 외부 수지층의 고분자 수지는 인장강도 및 내후성이 우수한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론을 포함할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 외부 수지층이 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외부 수지층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)와 비교하여 얇은 두께에서도 우수한 인장강도와 내후성을 가지므로 외부 수지층으로 사용하기에 바람직하다.

상기 내부 수지층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 전해액에 대한 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 더욱 구체적으로, 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어질 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 라미네이트 시트는, 외부 수지층의 두께가 5 내지 40 ㎛이고, 베리어층의 두께가 20 내지 150 ㎛이며, 내부 실란트층의 두께가 10 내지 50 ㎛인 구조로 이루어질 수 있다. 상기 라미네이트 시트의 각 층들의 두께가 너무 얇은 경우에는 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.

상기 전극조립체는 충방전이 가능할 수 있도록 양극과 음극으로 구성되어 있으며, 예를 들어, 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조로서 젤리-롤 방식, 스택형 방식, 또는 스택-폴딩형 방식으로 이루어져 있다. 상기 전극조립체의 양극과 음극은 그것의 전극 탭이 직접 전지의 외부로 돌출된 형태이거나, 또는 상기 전극 탭이 별도의 리드에 접속되어 전지의 외부로 돌출된 형태일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 중합 채널 또는 개시 채널은, 중공형의 유리 섬유 또는 중공형의 탄소 섬유를 포함한 구조일 수 있고, 또는, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리스틸렌로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 소재로 이루어진 중공관을 포함하는 구조일 수 있다.

한편, 상기 코팅층의 채널들은 라미네이트 시트의 내부 피복층과 동일하거나 유사한 특성의 물질을 사용할 수 있는 바, 실링 공정 이전에 상기 코팅층을 형성하는 경우, 실링 공정에서 채널들이 열화되어 유사시 자가치유 능력을 나타내지 못할 수 있다.

따라서, 상기 코팅층은 라미네이트 시트의 실링 공정 후 코팅될 수 있다.

구체적으로, 상기 코팅층은 라미네이트 시트의 전체 외표면적 대비 10% 내지 100%의 범위로 라미네이트 시트의 표면에 코팅되어 있는 구조일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 중합 채널들 및 개시 채널들이 서로 교차되지 않고 서로 평행하게 배열된 구조의 1차원 네트워크를 형성하고 있을 수 있다. 이러한 다수의 채널들로 이루어진 1차원 네트워크는 기존의 자기치유 물질을 내부에 수용하고 있는 구형의 캡슐 형태와 비교하여 치유 매개체의 저장량을 늘릴 수 있고, 손상이 발생한 부위에 길게 형성된 채널들을 따라 충분한 치유 매개체를 공급할 수 있는 바, 손상된 부위가 클 경우에도 복구율을 높게 유지할 수 있는 장점이 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 중합 채널들은 임의의 면을 기준으로 수평한 방향으로 연장되어 있고 동일 레벨(level)에 위치하고 있는 다른 중합 채널들과 서로 교차되어 있는 구조의 2차원 네트워크를 형성할 수 있고, 상기 개시 채널들은 동일 레벨에 위치하고 있는 다른 개시 채널들과 서로 교차되어 있는 구조의 2차원 네트워크를 형성할 수 있다.

또한, 상기 중합 채널들로 이루어진 2차원 네트워크는 내장되어 있는 중합용 단량체를 공유하고 있을 수 있고, 상기 개시 채널들로 이루어진 2차원 네트워크는 내장되어 있는 개시제를 공유하고 있을 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 중합 채널들은 임의의 면을 기준으로 수평 방향으로 연장되어 있고 동일 레벨에 위치하고 있는 다른 중합 채널들과 서로 교차되는 동시에, 상기 중합 채널들의 일측에는 다른 레벨들에 위치하고 있는 다른 중합 채널들과도 서로 교차되도록 수직 방향으로 연장된 하나 이상의 지관이 형성된 구조의 3차원 네트워크를 형성할 수 있고,

상기 개시 채널들은 임의의 면을 기준으로 수평 방향으로 연장되어 있고 동일 레벨에 위치하고 있는 다른 개시 채널들과 서로 교차되는 동시에, 상기 개시 채널들의 일측에는 다른 레벨들에 위치하고 있는 다른 개시 채널들과도 서로 교차되도록 수직 방향으로 연장된 하나 이상의 지관이 형성된 구조의 3차원 네트워크를 형성할 수 있다.

또한, 상기 중합 채널들로 이루어진 3차원 네트워크는 내장되어 있는 중합용 단량체를 공유하고 있을 수 있고, 상기 개시 채널들로 이루어진 3차원 네트워크는 내장되어 있는 개시제를 공유하고 있을 수 있다.

따라서, 이러한 2차원 및 3차원 네트워크들은 1차원 네트워크와 비교하여 치유 매개체의 저장량을 더욱더 늘릴 수 있고, 특히, 다중 손상들의 유발에 따른 치유 매체의 고갈 이후에도 채널 간의 복합적인 연결들로 인해 손쉽게 네트워크의 재충전이 가능한 바, 반복적인 치유 능력이 향상된다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 고분자 매트릭스는 예를 들어, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리에테르, 에폭시 폴리머, 에폭시 비닐 에스테르 폴리머, 폴리이미드, 페놀-포름알데히드 폴리머, 아민-포름알데히드 폴리머, 폴리술폰, 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리(알킬아크릴레이트) 및 폴리실란으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.

또한, 상기 중합용 단량체는 예를 들어, 아크릴레이트, 알킬아크릴레이트, 스티렌, 이소프렌, 부타디엔, 올레핀, 환형 올레핀, 비닐 에테르, 에폭사이드, 락톤, 락탐, 및 관능화된 실록산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.

또한, 상기 개시제는 주석계 촉매(tin catalyst), 백금계 촉매(platinum catalyst), SiO₂계 촉매, 및 Al₂O₃계 촉매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이러한 예시들로만 한정되는 것은 아니고, 중합용 단량체의 개시 반응을 일으킬 수 있는 개시제는 모두 적용 가능하다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 코팅층의 두께는 5 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있고, 상세하게는 상기 코팅층의 두께가 5 ㎛ 미만일 경우, 얇은 두께로 인해 중합 채널 또는 개시 채널이 외부로 노출되어, 내부에 수용된 자가치유 매개체가 밖으로 유출될 수 있는 문제가 있고, 반대로 500 ㎛를 초과할 경우, 파우치형 전지케이스의 두께가 증가됨에 따라 소재의 유연성이 떨어져 다양한 디자인의 제품에 적용이 어려워질 수 있다.

또한, 상기 중합 채널 또는 개시 채널의 관경은 1 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다.

본 발명은, 또한 파우치형 전지케이스에 음극, 양극, 상기 음극과 양극 사이에 개재된 분리막을 포함한 전극조립체가 비수 전해액과 함께 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지를 제공한다.

이러한 리튬 이차전지는, 예를 들면, 양극, 분리막, 음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 전지셀일 수 있고, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다.

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 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi_1-yM_yO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li_1+zNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂, Li_1+zNi_0.4Mn_0.4Co_0.2O₂ 등과 같이 Li_1+zNi_bMn_cCo_1-(b+c+d)M_dO_(2-e)A_e (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li_1+xM_1-yM'_yPO_4-zX_z(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 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 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 음극 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.

상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 마이크로미터 내지 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 마이크로미터 내지 300 마이크로미터이다. 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.

본 발명은, 또한 리튬 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

본 발명은, 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다. 구체적으로, 상기 디바이스는 예를 들어, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 파우치형 전지케이스는, 라미네이트 시트 외표면에 표면이 찍히거나, 기스 등의 손상이 발생할 시 이를 복구하여 이차전지의 안전성 및 내구성을 높이고, 그에 따라 제품의 외관 불량이 감소되어 양품 수율이 향상되는 효과를 발휘한다.

도 1은 종래기술에 따른 파우치형 전지셀의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 수직 단면도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 코팅층의 손상된 부위를 확대한 확대도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 코팅층의 내부구조를 나타낸 사시도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 코팅층의 내부구조를 나타낸 사시도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 코팅층의 내부구조를 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 파우치형 전지케이스(100)의 수직 단면도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 파우치형 전지케이스(100)는 라미네이트 시트(110)의 표면에는 자가치유 물질을 포함하는 코팅층(140)이 형성되어 있다.

우선, 라미네이트 시트(110)는, 내후성을 가진 고분자 수지로 이루어진 외부 수지층(130), 기체와 액체에 대해 차단성을 가진 금속층(120), 및 열융착성을 가진 고분자 수지로 이루어진 내부 수지층(111)을 포함하는 구조로 이루어진다.

이 경우, 외부 수지층(130)의 고분자 수지는 인장강도 및 내후성이 우수한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론을 포함한다.

내부 수지층(111)의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어져 있다.

한편, 코팅층(140)은, 코팅용 고분자 매트릭스(160), 고분자 매트릭스(160)에 매립되어 있고 중합용 단량체(171)를 상분리된 상태로 내장하고 있는 복수의 중합 채널들(170), 및 고분자 매트릭스(160)에 매립되어 있고 중합용 단량체(171)의 중합 반응을 유도하는 개시제(181)를 내장하고 있는 복수의 개시 채널들(180)을 포함하고 있다.

이러한 중합용 단량체(171)는 고분자 매트릭스(160)와 상분리되고 개시제(181)와 분리되어 존재하기 위하여, 중합 채널(170)에 내장된 상태로 존재하고, 개시제(181) 또한 개시 채널(180)에 내장된 상태로 고분자 매트릭스(160)와 상분리되어 존재한다.

이러한 코팅층(140)의 중합 채널(170) 또는 개시 채널(180)은, 중공형의 유리 섬유를 포함한 구조이다.

또한, 코팅층(140)은 라미네이트 시트(110)의 실링 공정 후 코팅된 것이며, 이러한 코팅층(140)은 라미네이트 시트(110)의 전체 외표면적 대비 10% 내지 100%의 범위로 라미네이트 시트(110)의 표면에 코팅되어 있다.

또한, 고분자 매트릭스(160)는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리에테르, 에폭시 폴리머, 에폭시 비닐 에스테르 폴리머, 폴리이미드, 페놀-포름알데히드 폴리머, 아민-포름알데히드 폴리머, 폴리술폰, 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리(알킬아크릴레이트) 및 폴리실란으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어져 있다.

또한, 중합용 단량체(171)는 아크릴레이트, 알킬아크릴레이트, 스티렌, 이소프렌, 부타디엔, 올레핀, 환형 올레핀, 비닐 에테르, 에폭사이드, 락톤, 락탐, 및 관능화된 실록산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이다.

또한, 개시제(181)는 주석계 촉매(tin catalyst), 백금계 촉매(platinum catalyst), SiO₂계 촉매, 및 Al₂O₃계 촉매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하고 있다.

이러한 코팅층(140)의 두께(T)는 5 ㎛ 내지 500 ㎛이다. 또한, 중합 채널 또는 개시 채널의 관경(D)은 1 ㎛ 내지 100 ㎛이다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 코팅층의 손상된 부위를 확대한 확대도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 따른 파우치용 전지케이스(100)의 코팅층(140)의 구조에 의해, 코팅층(140)에 균열이 발생하는 경우 채널들이 절단 내지 파열되면서 중합용 단량체(171)와 개시제(181)가 각각의 채널들로부터 유출 되면서 서로 혼합되고 중합용 단량체(171)의 개시 반응을 통해 단량체가 경화(190)되면서 발생된 균열을 복구하여 치유하게 된다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 코팅층의 내부구조를 나타낸 사시도가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 코팅층(140A)은, 중합 채널들(170) 및 개시 채널들(180)이 서로 교차되지 않고 서로 평행하게 배열된 구조의 1차원 네트워크를 형성하고 있다. 이러한 다수의 채널들로 이루어진 1차원 네트워크는 기존의 자기치유 물질을 내부에 수용하고 있는 구형의 캡슐 형태와 비교하여 치유 매개체의 저장량을 늘릴 수 있고, 손상이 발생한 부위에 길게 형성된 채널들을 따라 충분한 치유 매개체를 공급할 수 있는 바, 손상된 부위가 클 경우에도 복구율을 높게 유지할 수 있는 장점이 있다.

도 5에는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 코팅층의 내부구조를 나타낸 사시도가 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 코팅층(140B)은, 중합 채널들(170)은 임의의 면을 기준으로 수평한 방향으로 연장되어 있고, 동일 레벨(level)에 위치하고 있는 다른 중합 채널들(170)과 서로 교차되어 있는 구조의 2차원 네트워크를 형성하고 있으며, 개시 채널들(180)은 동일 레벨에 위치하고 있는 다른 개시 채널들(180)과 서로 교차되어 있는 구조의 2차원 네트워크를 형성한다.

또한, 중합 채널들(170)로 이루어진 2차원 네트워크는 내장되어 있는 중합용 단량체(171)를 공유하고 있고, 개시 채널들(180)로 이루어진 2차원 네트워크는 내장되어 있는 개시제(181)를 공유하고 있다.

도 6에는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 코팅층의 내부구조를 나타낸 사시도가 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지케이스의 코팅층(140C)은, 중합 채널들(170)이 임의의 면을 기준으로 수평 방향으로 연장되어 있고 동일 레벨에 위치하고 있는 다른 중합 채널들(170)과 서로 교차되는 동시에, 중합 채널들(170)의 일측에는 다른 레벨들에 위치하고 있는 다른 중합 채널들(170)과도 서로 교차되도록 수직 방향으로 연장된 하나 이상의 지관이 형성된 구조의 3차원 네트워크를 형성하고 있다.

또한, 개시 채널들(180)은 임의의 면을 기준으로 수평 방향으로 연장되어 있고 동일 레벨에 위치하고 있는 다른 개시 채널들(180)과 서로 교차되는 동시에, 개시 채널들(180)의 일측에는 다른 레벨들에 위치하고 있는 다른 개시 채널들(180)과도 서로 교차되도록 수직 방향으로 연장된 하나 이상의 지관이 형성된 구조의 3차원 네트워크를 형성한다.

또한, 중합 채널들(170)로 이루어진 3차원 네트워크는 내장되어 있는 중합용 단량체(171)를 공유하고 있고, 개시 채널들(180)로 이루어진 3차원 네트워크는 내장되어 있는 개시제(181)를 공유하고 있다.

따라서, 이러한 2차원 및 3차원 네트워크들은 1차원 네트워크와 비교하여 치유 매개체의 저장량을 더욱더 늘릴 수 있고, 특히, 다중 손상들의 유발에 따른 치유 매체의 고갈 이후에도 채널 간의 복합적인 연결들로 인해 손쉽게 네트워크의 재충전이 가능한 바, 반복적인 치유 능력이 향상된다.

앞서 설명하였듯이, 본 발명에 따른 파우치형 전지케이스는, 라미네이트 시트의 표면에 자가치유 물질을 포함하는 코팅층이 형성됨으로써, 라미네이트 시트 외표면에 표면이 찍히거나, 기스 등의 손상이 발생할 시 이를 복구하여 이차전지의 안전성 및 내구성을 높이고, 그에 따라 제품의 외관 불량이 감소되어 양품 수율이 향상되는 효과를 발휘한다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

1. 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트가 파우치 형태를 이루고 있는 파우치형 전지케이스로서, 상기 라미네이트 시트의 표면에는 자가치유 물질을 포함하는 코팅층이 형성되어 있고,
   상기 코팅층은,
   코팅용 고분자 매트릭스;
   상기 고분자 매트릭스에 매립되어 있고 중합용 단량체를 상분리된 상태로 내장하고 있는 복수의 중합 채널들; 및
   상기 고분자 매트릭스에 매립되어 있고 중합용 단량체의 중합 반응을 유도하는 개시제를 내장하고 있는 복수의 개시 채널들;
   을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는, 내후성을 가진 고분자 수지로 이루어진 외부 수지층, 기체와 액체에 대해 차단성을 가진 금속층, 및 열융착성을 가진 고분자 수지로 이루어진 내부 수지층을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 중합 채널 또는 개시 채널은, 중공형의 유리 섬유 또는 중공형의 탄소 섬유를 포함하거나, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리스틸렌로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 소재로 이루어진 중공관을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅층은 라미네이트 시트의 실링 공정 후 코팅되는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅층은 라미네이트 시트의 전체 외표면적 대비 10% 내지 100%의 범위로 라미네이트 시트의 표면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 중합 채널들 및 개시 채널들이 서로 교차되지 않고 서로 평행하게 배열된 구조의 1차원 네트워크를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 중합 채널들은 임의의 면을 기준으로 수평한 방향으로 연장되어 있고 동일 레벨(level)에 위치하고 있는 다른 중합 채널들과 서로 교차되어 있는 구조의 2차원 네트워크를 형성하고, 상기 개시 채널들은 동일 레벨에 위치하고 있는 다른 개시 채널들과 서로 교차되어 있는 구조의 2차원 네트워크를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 중합 채널들로 이루어진 2차원 네트워크는 내장되어 있는 중합용 단량체를 공유하고 있고, 상기 개시 채널들로 이루어진 2차원 네트워크는 내장되어 있는 개시제를 공유하고 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 중합 채널들은 임의의 면을 기준으로 수평 방향으로 연장되어 있고 동일 레벨에 위치하고 있는 다른 중합 채널들과 서로 교차되는 동시에, 상기 중합 채널들의 일측에는 다른 레벨들에 위치하고 있는 다른 중합 채널들과도 서로 교차되도록 수직 방향으로 연장된 하나 이상의 지관이 형성된 구조의 3차원 네트워크를 형성하고,
   상기 개시 채널들은 임의의 면을 기준으로 수평 방향으로 연장되어 있고 동일 레벨에 위치하고 있는 다른 개시 채널들과 서로 교차되는 동시에, 상기 개시 채널들의 일측에는 다른 레벨들에 위치하고 있는 다른 개시 채널들과도 서로 교차되도록 수직 방향으로 연장된 하나 이상의 지관이 형성된 구조의 3차원 네트워크를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 중합 채널들로 이루어진 3차원 네트워크는 내장되어 있는 중합용 단량체를 공유하고 있고, 상기 개시 채널들로 이루어진 3차원 네트워크는 내장되어 있는 개시제를 공유하고 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 매트릭스는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리에테르, 에폭시 폴리머, 에폭시 비닐 에스테르 폴리머, 폴리이미드, 페놀-포름알데히드 폴리머, 아민-포름알데히드 폴리머, 폴리술폰, 폴리(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌), 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리(알킬아크릴레이트) 및 폴리실란으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 중합용 단량체는 아크릴레이트, 알킬아크릴레이트, 스티렌, 이소프렌, 부타디엔, 올레핀, 환형 올레핀, 비닐 에테르, 에폭사이드, 락톤, 락탐, 및 관능화된 실록산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 개시제는 주석계 촉매(tin catalyst), 백금계 촉매(platinum catalyst), SiO₂계 촉매, 및 Al₂O₃계 촉매로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 5 ㎛ 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 중합 채널 또는 개시 채널의 관경은 1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 파우치형 전지케이스.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 하나에 따른 파우치형 전지케이스에 전극조립체가 전해액과 함께 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
17. 제 16 항에 따른 따른 리튬 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
18. 제 17 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.

Images