KR20170100134A - 단열층을 포함하는 전지케이스 및 이를 포함하고 있는 전지셀 - Google Patents

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KR20170100134A
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Abstract

본 발명은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 전극조립체 수납부에 장착한 상태에서 전해액과 함께 내장하기 위한 전지케이스로서, 전지케이스의 외면을 이루는 고분자 수지를 기반으로 한 외부 피복층; 외부 피복층의 내측에 위치하고, 수분 차단성 및 기계적 물성을 제공하기 위한 금속을 포함하는 금속 베리어층; 및 금속 베리어층의 내측에 위치하고, 가열 가압시 열융착되는 열융착성 고분자 수지를 기반으로 한 내부 실란트층; 을 포함하고, 상기 내부 실란트층은, 일부 또는 전체가, 전지셀의 충방전시 수납부 내부에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 억제하는 단열층으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스를 제공한다.

Description

단열층을 포함하는 전지케이스 및 이를 포함하고 있는 전지셀{Battery Case Including Adiabatic Layer And Battery Cell Comprising the Same}
본 발명은 단열층을 포함하는 전지케이스 및 이를 포함하고 있는 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 작동 전위를 나타내고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로는 주로 니켈 수소금속(Ni-MH) 이차전지가 사용되고 있지만, 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 상용화 되어 있다.
이러한 리튬 이차전지는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(30), 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(40, 50), 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극리드(60, 70), 및 전극조립체(30)를 수용하는 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있고, 전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다.
한편, 이러한 리튬 이차전지는 리튬 이온을 흡장 및 방출하는 탄소재 등의 음극, 리튬 함유 산화물 등으로 된 양극 및 혼합 유기용매에 리튬염이 적당량 용해된 비수 전해액으로 구성되어 있다.
그러나, 일반적으로 리튬 이차전지에 사용되는 전해액은, 대체적으로, Ni-MH 또는 Ni-Cd전지에서 사용하는 이른바 수계(水系) 전해액에 비하여 이온전도도가 현저히 낮기 때문에 고율 충방전 등에는 불리하다는 단점을 가지고 있기도 하다.
즉, -15℃정도의 저온에서는 리튬 이온의 이동도가 현저히 낮아지기 때문에 이러한 종래의 리튬 이차전지에 사용되는 전해액의 경우, 고율(1C) 충방전시 급격한 내부 저항의 증가로 인해 충방전 특성이 급격히 떨어지는 것을 방지하기 어렵다는 단점을 여전히 가지게 된다.
특히, 리튬 이차전지를 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로 사용하기 위해서는, 휴대폰, 노트북, PDA 등에서 보다 가혹한 조건에서 작동할 수 있는 성능이 요구되며, 차량 등의 디바이스는 겨울철과 같이 낮은 기온에서도 작동될 수 있어야 하는 바, 고온에서의 출력 특성뿐만 아니라 저온에서의 우수한 출력 특성 또한 요구된다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 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, 전지케이스의 구성으로서, 외부 피복층, 금속 베리어층 및 내부 실란트층을 포함하는 구성에서, 상기 내부 실란트층의 일부 또는 전체가 전지셀의 충방전시 수납부 내부에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 억제하는 단열층으로 형성됨으로써, 저온에서의 충방전시 전지셀의 내부에서 발생한 열이 전지케이스 외부로 열 확산되는 것을 방지하여 상대적으로 높은 온도에서 충방전을 수행할 수 있도록 하는 효과가 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지케이스는, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 전극조립체 수납부에 장착한 상태에서 전해액과 함께 내장하기 위한 전지케이스로서,
전지케이스의 외면을 이루는 고분자 수지를 기반으로 한 외부 피복층;
외부 피복층의 내측에 위치하고, 수분 차단성 및 기계적 물성을 제공하기 위한 금속을 포함하는 금속 베리어층; 및
금속 베리어층의 내측에 위치하고, 가열 가압시 열융착되는 열융착성 고분자 수지를 기반으로 한 내부 실란트층;
을 포함하고,
상기 내부 실란트층은, 일부 또는 전체가, 전지셀의 충방전시 수납부 내부에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 억제하는 단열층으로 형성되어 있는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지케이스는 외부 피복층, 금속 베리어층 및 내부 실란트층을 포함하는 구성에서, 상기 내부 실란트층의 일부 또는 전체가 전지셀의 충방전시 수납부 내부에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 억제하는 단열층으로 형성됨으로써, 저온에서의 충방전시 전지셀의 내부에서 발생한 열이 전지케이스 외부로 열 확산되는 것을 방지하여 상대적으로 높은 온도에서 충방전을 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공할 수 있다.
상기 단열층은, 비 기공성 구조의 제 1 외층과 비 기공성 구조의 제 2 외층 사이에 다공성 구조의 내층을 포함하는 다층 구조로 이루어질 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 내부 실란트층은 가열 가압시 열융착되는 열융착성 고분자 수지를 기반으로 하는 재료가 사용되며, 이러한 내부 실란트층은 전극조립체가 전극조립체 수납부에 장착된 상태에서 외주면을 실링할때, 내부 실란트층이 열융착되어 밀봉되는 구조로 구성된다.
따라서, 비 기공성 구조의 제 1 외층과 비 기공성 구조의 제 2 외층이 가열 가압시 열융착되어 전지케이스를 밀봉하고, 이들 사이에 위치하는 다공성 구조의 내층이 열 확산을 막아주는 단열 기능을 수행하게 된다.
상기 다공성 구조의 내층의 두께는 소망하는 정도의 단열 기능을 발휘하기 위하여 10 내지 100 마이크로미터 범위인 것이 바람직하며, 제 1 외층 및 제 2 외층의 두께는 다공성 내층보다 얇은 범위에서 10 내지 100 마이크로미터 범위인 것이 바람직하다.
상기 제 1 외층, 내층, 제 2 외층의 두께가 너무 얇으면 소망하는 정도의 단열 기능 또는 열융착시의 밀봉성을 확보하기 어려울 수 있고, 반대로 너무 두꺼운 경우, 전반적인 전지케이스의 두께가 두꺼워지고, 수납부등을 형성할 시 딥 드로잉 등의 공정이 용이하지 않으므로 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 다공성 구조의 내층은 개방형 기공들(open pores) 또는 밀폐형 기공들(closed pores)을 포함하고 있는 구조일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 다공성 구조의 내층은 제 1 외층 및 제 2 외층에 의해 전해액이 도입되지 않는 폐쇄형의 다공성 구조를 가질 수 있다.
즉, 상기 다공성 구조는 내층이 밀폐형 기공을 가진 경우에 그 자체로 폐쇄형의 다공성 구조로 형성될 수 있고, 개방형 기공들을 가진 경우에도 제 1 외층 및 제 2 외층으로 인하여 폐쇄형 다공성 구조를 가지는 바, 내층을 형성하는 과정에서 기공의 크기 등을 조절하여 전반적으로 내부에 다수의 기공을 가지는 폐쇄형 기공 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 단열층은 내부 실란트층 전체에 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 예를 들어, 필름 내부의 다수의 기공을 포함하는 다공성 내층이 형성되어 있는 발포 필름으로 이루어져 있고, 금속 베리어층의 내측에 상기 발포 필름을 부착하는 방식으로 단열층을 형성할 수 있다.
또 다른 구체적인 에에서, 본 발명에 따른 전지케이스는 전지케이스는 전극조립체가 전극조립체 수납부에 장착된 상태에서 외주면을 실링할 수 있도록 수납부의 외주면에 실링 예정부가 형성되어 있고, 단열층이 실링 예정부를 제외한 부위에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 단열층은 다공성 내층이 형성되어 있는 발포 필름 자체를 부착하여 형성할 수 있고, 또한, 내부 실란트층 일부를 변형하여 다수의 기공을 포함하는 다공성 내층을 포함하는 구조로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 전지케이스는, 일 단위의 부재로서, 전극조립체 수납부를 기준으로 상부 및 하부 라미네이트 시트들의 일측 단부가 상호 연결되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 또한, 이 단위의 부재로서, 전극조립체 수납부를 기준으로 상부 라미네이트와 하부 라미네이트의 조합으로 이루어 질 수 있다.
본 발명에 다른 전지케이스의 내부 실란트층은 열융착성 고분자 수지로서, 무연신 폴리프로필렌을 포함할 수 있다.
상기 내부 실란트층에서 단열층을 형성하는 방법은 예를 들어, 상기 내부 실란트층의 일부 또는 전체에 포함된 발포제가, 상기 발포제의 분해 온도 이상으로의 가열에 의해 발포되어, 내부 실란트층의 일부 또는 전체가 단열층으로 변환되는 방법으로 형성될 수 있다.
상기 발포제는 기포를 형성하는 물질로서, 용매 중에 용해되어 고분자 용액의 형태로 내부 실란트층에 도포되고 가열에 의해 발포되는 물질로서, 예를 들어, 아조계(azo), 우레아계(urea), 탄산염계(carbonate salt), 히드라지드계(hydrazide), 카바지드계(carbazide), 니트릴계(nitrile) 및 아민계(amine)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있지만 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
더욱 구체적으로, 상기 발포제가 아조디카본아미드(azodicarbonamide, ADCA), 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨, 탄산리튬, 탄산암모늄, 벤젠 설포닐 히드라지드, 톨루엔 설포닐 히드라지드(toluene sulfonyl hydrazide, TSH), 4,4'-옥시디벤젠설포닐 히드라지드(4,4'-oxydibenzene sulfonyl hydrazide, OBSH), 세미카바지드, 카바지드, 아조비스포름아미드, 아조비스이소부티로니트릴(azobis isobutyro nitrile, AIBN), 디니트로소펜타 메틸렌 테트라민(dinitrosopenta methylene tetramine, DPT) 및 디아조아미노벤젠으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 전지케이스는 전지케이스의 외면을 이루는 고분자 수지를 기반으로 한 외부 피복층 및 외부 피복층의 내측에 위치하고, 수분 차단성 및 기계적 물성을 제공하기 위한 금속을 포함하는 금속 베리어층을 포함하는 바, 상기 외부 피복층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 베리어층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있다.
이들의 두께는 종래의 전지케이스의 두께를 벗어나지 않는 범위로 구성될 수 있고, 내부 실란트층에 형성되는 단열층의 두께는 20 내지 80㎛ 범위인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 전지케이스에 전극조립체 및 전해액이 내장되어 있는 전지셀을 제공할 수 있다.
참고로, 상기 이차전지는 리튬이온 전지셀 또는 리튬이온 폴리머 전지셀일 수 있으며, 상기 전지셀은 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성될 수 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 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 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 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 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 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.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 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.
본 발명은 또한 상기 전지셀을 단위전지로 포함하는 전지팩을 제공할 수 있고, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공할 수 있는 바, 상기 디바이스는 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지케이스는 외부 피복층, 금속 베리어층 및 내부 실란트층을 포함하는 구성에서, 상기 내부 실란트층의 일부 또는 전체가 전지셀의 충방전시 수납부 내부에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 억제하는 단열층으로 형성됨으로써, 저온에서의 충방전시 전지셀의 내부에서 발생한 열이 전지케이스 외부로 열 확산되는 것을 방지하여 상대적으로 높은 온도에서 충방전을 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 전지셀의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 2 는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스를 포함하는 전지셀의 구조에 대한 분해 사시도이다.
도 3 은 도 2의 전지케이스의 A 부위에 대한 수직 단면도이다;
도 4 는 도 3의 내부 실란트층에 대한 확대도이다;
도 5 는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지케이스를 포함하는 전지셀의 구조에 대한 분해 사시도이다;
도 6 은 도 5의 전지케이스의 B 부위에 대한 수직단면도이다.
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 전지케이스를 포함하는 전지셀의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전지케이스의 A 부위에 대한 수직 단면도가 도시되어 있다.
먼저, 도 2를 참조하면, 전지셀(100)은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체(130), 상기 전극조립체(130)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(140, 150)에 용접되어 있는 전극리드(160, 170), 전극 탭들(140, 150)과 전극리드(160, 170)의 용접 부위에 부가되어 있는 보호 필름(180)을 포함하고 있으며, 전극조립체(130)를 수용하는 수납부(210)가 형성된 전지케이스(200)에 내장되는 구조로 구성되어 있다.
전지케이스(200)는 일 단위의 부재로서, 전극조립체 수납부(210)를 기준으로 상부 및 하부 라미네이트 시트들의 일측 단부가 상호 연결되어 있는 구조로 구성되어 있고, 전지케이스(200)의 외주면에는 실링 예정부(220)가 형성되어 있다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 전지케이스(200)는 전지케이스(200)의 외면을 이루는 고분자 수지를 기반으로 한 외부 피복층(232), 외부 피복층(232)으로부터 전극조립체(130)가 위치하는 내측에 위치하고, 수분 차단성 및 기계적 물성을 제공하기 위한 금속을 포함하는 금속 베리어층(231)을 포함하고 있다.
금속 베리어층(231)으로부터 전극조립체(130)가 위치하는 내측에는 가열 가압시 열융착되는 열융착성 고분자 수지를 기반으로 한 내부 실란트층(300)이 위치하는 구조로 구성되어 있고, 내부 실란트층(300)이 충방전시 수납부 내부에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 억제하는 단열층으로 형성되어 있다.
도 4에는 도 3의 내부 실란트층에 대한 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 내부 실란트층(300)은 비 기공성 구조의 제 1 외층(310)과 비 기공성 구조의 제 2 외층(330)을 포함하고 있고, 제 1 외층(310) 및 제 2 외층(330) 사이에 다공성 구조의 내층(320)을 포함하고 있는 다층 구조로 구성되어 있다.
구체적으로, 다공성 구조의 내층(320)은 개방형 기공들 또는 밀폐형 기공들이 다수 형성되어 있는 구조로서, 제 1 외층(310) 및 제 2 외층(330)에 의하여 전해액이 도입되지 않는 폐쇄형의 다공성 구조를 가지고 있으며, 내부 실란트층(300)의 전체에 형성되어 있는 구조로 구성되어 있다.
즉, 내부 실란트층(300)은 제 1 외층(310) 및 제 2 외층(330), 이들 사이에 다공성 구조의 내층(320)을 포함하는 다층 구조의 발포 필름으로 구성되어 있으며, 상기 발포 필름이 전지케이스(200)의 내측에 부착되어 내부 실란트층(300)을 형성하고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지케이스(200)를 포함하는 전지셀(100)은 전지케이스(200)의 내측에 다공성 구조의 내층(320)을 포함하는 단열층이 형성되어 있으므로, 저온에서의 충방전시 전지셀의 내부에서 발생한 열이 전지케이스 외부로 열 확산되는 것을 방지하여 상대적으로 높은 온도에서 충방전을 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지케이스를 포함하는 전지셀의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 전지케이스의 B 부위에 대한 수직 단면도가 도시되어 있다.
먼저, 도 5를 참조하면, 전지케이스(500)는 도 2와 마찬가지로, 전극조립체(430)를 내부에 수용한 상태에서 밀봉되는 구조로서, 전극조립체 수납부(510)를 기준으로 상부 및 하부 라미네이트 시트들의 일측 단부가 상호 연결되어 있는 구조로 구성되어 있고, 전지케이스(500)의 외주면에는 실링 예정부(520)가 형성되어 있다.
일반적으로, 이러한 구조의 전지케이스(500)는 라미네이트 시트를 드로잉 가공 등을 통해 전극조립체(430)의 형상에 대응하는 전극조립체 수납부(510)를 형성하고, 상기 전극조립체 수납부(510)이 형성된 부위의 외주면에 실링 예정부(520)가 형성되는 구조로서 제작하며, B 부위의 경우, 전극조립체 수납부(510)와 실링 예정부(520)의 경계로서 형성된다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 전지케이스(500)는 전지케이스(500)의 외면을 이루는 고분자 수지를 기반으로 한 외부 피복층(532), 외부 피복층(532)으로부터 전극조립체(430)가 위치하는 내측에 위치하고, 수분 차단성 및 기계적 물성을 제공하기 위한 금속을 포함하는 금속 베리어층(531)을 포함하고 있으며, 금속 베리어층(531)으로부터 전극조립체(530)가 위치하는 내측에는 가열 가압시 열융착되는 열융착성 고분자 수지를 기반으로 한 내부 실란트층(600)이 위치하는 구조로 구성되어 있다.
이때, 내부 실란트층(600)은 와 도 4에 도시되어 있는 다공성 구조의 내층을 포함하는 다층 구조의 단열층(610)이 전극조립체 수납부(510)에 해당하는 부위에 형성되어 있고, 상기 다공성 구조의 내층을 포함하지 않는 단층 구조의 실란트층(620)이 실링 예정부(520)에 해당하는 부위에 형성되어 있는 구조로서, 저온에서의 충방전시 전지셀의 내부에서 발생한 열이 전지케이스 외부로 열 확산되는 것을 방지하는 구조의 단열층(610)가 본래의 가열 가압시 열융착되어 밀봉되는 단층 구조의 실란트층(620)이 전극조립체 수납부(510)와 실링 예정부(520)의 경계를 기준으로 각각 형성되어 있는 구조로 구성되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 전극조립체 수납부에 장착한 상태에서 전해액과 함께 내장하기 위한 전지케이스로서,
    전지케이스의 외면을 이루는 고분자 수지를 기반으로 한 외부 피복층;
    외부 피복층의 내측에 위치하고, 수분 차단성 및 기계적 물성을 제공하기 위한 금속을 포함하는 금속 베리어층; 및
    금속 베리어층의 내측에 위치하고, 가열 가압시 열융착되는 열융착성 고분자 수지를 기반으로 한 내부 실란트층;
    을 포함하고,
    상기 내부 실란트층은, 일부 또는 전체가, 전지셀의 충방전시 수납부 내부에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 억제하는 단열층으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단열층은, 비 기공성 구조의 제 1 외층과 비 기공성 구조의 제 2 외층 사이에 다공성 구조의 내층을 포함하는 다층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 다공성 구조의 내층은 개방형 기공들(open pores) 또는 밀폐형 기공들(closed pores)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 구조의 내층은 제 1 외층 및 제 2 외층에 의해 전해액이 도입되지 않는 폐쇄형의 다공성 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단열층은 내부 실란트층 전체를 형성하는 구조의 발포 필름인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 전극조립체가 전극조립체 수납부에 장착된 상태에서 외주면을 실링할 수 있도록 수납부의 외주면에 실링 예정부가 형성되어 있고, 단열층이 실링 예정부를 제외한 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는, 일 단위의 부재로서, 전극조립체 수납부를 기준으로 상부 및 하부 라미네이트 시트들의 일측 단부가 상호 연결되어 있는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는, 전극조립체 수납부를 기준으로 상부 라미네이트와 하부 라미네이트의 조합으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 실란트층은 열융착성 고분자 수지로서 무연신 폴리프로필렌을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 실란트층의 일부 또는 전체에 포함된 발포제가, 상기 발포제의 분해 온도 이상으로의 가열에 의해 발포되어, 내부 실란트층의 일부 또는 전체가 단열층으로 변환되는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 피복층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스의 금속 배리어층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스의 외부 피복층, 금속 배리어층 및 내부 실란트층 각각의 사이에는 접착층이 추가로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 단열층의 두께는 20 내지 80㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 전지케이스에 전극조립체 및 전해액이 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 15 항에 따른 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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