KR20180071982A - 파우치형 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 파우치형 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 탭이 인출된 전극 조립체를 수용하는 외장재; 상기 전극 조립체의 외곽을 따라 상기 외장재가 접합되어 형성되는 실링부; 및 상기 외장재 외부로 인출되어 있는 상기 전극 탭이 형성되지 않은 면의 상기 실링부가 폴딩되는 폴딩부;를 포함하고, 폴딩된 상기 폴딩부의 길이는 상기 전극 조립체의 두께와 다음과 같은 관계식을 가지는, 파우치형 이차 전지를 제공한다.
H≤T/2
(전극 조립체의 전극 탭이 인출된 방향과 수직 방향의 단면을 기준으로, H는 폴딩된 폴딩부의 길이, T는 전극 조립체의 두께)

Description

파우치형 이차 전지{POUCH TYPE SECONDARY BATTERY}
본 발명의 실시예는 파우치형 이차 전지에 관한 것이다.
충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 셀룰라 폰, 노트북, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행중이다. 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지를 들 수 있다. 이중에서, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자기기의 전원으로 사용되거나, 또는 다수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
파우치형 이차 전지는 전극 조립체를 외장재로 감싸서 형성될 수 있다. 이때, 전극 조립체가 수용되는 외장재의 최외곽 부분을 실링하여 실링부가 형성된다. 실링부가 돌출되어 있는 상태에서 이차 전지 모듈을 조립 하게 되면, 실링부에 의해 이차 전지 모듈의 전체 부피가 증가하게 되어, 이차 전지 모듈의 에너지 밀도가 낮아질 수 있다. 또한, 실링부가 전극 조립체의 외곽을 둘러싸고 있기 때문에 방열에 방해가 된다. 예를 들어, 방열을 위한 냉각 플레이트에 이차 전지를 배치하여도, 실링부 때문에 전극 조립체로부터 냉각 플레이트까지 열 전달이 원활하지 않을 수 있다.
한국등록특허공보 제10-1520153호(2015.05.07)
본 발명의 실시예들은, 파우치형 이차 전지의 폴딩부를 전극 조립체에서 돌출되지 않도록 폴딩하여 이차 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 파우치형 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 파우치형 이차 전지의 실링부를 폴딩하여, 실링부에 의한 이차 전지 모듈의 부피 증가 및 외관 불량을 개선할 수 있는 파우치형 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 접착 부재를 통해 폴딩부를 전극 조립체에 밀착하여, 폴딩부의 나풀거림, 휨, 뒤틀림 현상을 방지할 수 있는 파우치형 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 접착 부재가 사출되는 위치를 제한하여, 접착 부재가 경화 된 후 폴딩부의 벌어짐 현상이 발생하지 않도록 하기 위한 파우치형 이차 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 탭이 인출된 전극 조립체를 수용하는 외장재; 상기 전극 조립체의 외곽을 따라 상기 외장재가 접합되어 형성되는 실링부; 및 상기 외장재 외부로 인출되어 있는 상기 전극 탭이 형성되지 않은 면의 상기 실링부가 폴딩되는 폴딩부;를 포함하고, 폴딩된 상기 폴딩부의 길이는 상기 전극 조립체의 두께와 다음과 같은 관계식을 가지는, 파우치형 이차 전지를 제공한다.
H≤T/2
(전극 조립체의 전극 탭이 인출된 방향과 수직 방향의 단면을 기준으로, H는 폴딩된 폴딩부의 길이, T는 전극 조립체의 두께)
상기 폴딩부는 상기 폴딩부 전체 길이의 1/2 이하가 180도 폴딩되는 제1 폴딩 상태; 및 상기 제1 폴딩 상태 에서 상기 전극 조립체에 완전히 접촉되도록 폴딩되는 제 2 폴딩 상태;를 포함할 수 있다.
폴딩된 상기 폴딩부는 접착부재에 의해 상기 외장재의 일면에 부착되며, 상기 접착부재는 폴리우레탄계 접착제로 형성될 수 있다.
폴딩된 상기 폴딩부와 상기 외장재의 일면 사이의 각도는 5도 이상 25도 이내일 수 있다.
폴딩된 상기 폴딩부와 상기 외장재 사이에서 경화된 상기 접착 부재의 두께는 0.5mm 이상 2mm 이하일 수 있다.
상기 폴딩부에 위치되는 상기 접착부재의 위치는 상기 폴딩된 폴딩부의 길이와 다음과 같은 관계식을 가질 수 있다.
1/2H ≤W<H
(W는 접착부재가 폴딩부에 사출되어, 전극 탭이 형성되지 않은 면의 외장재와 폴딩부가 접착되는 거리)
상기 폴딩부에 위치되는 상기 접착부재의 위치는 상기 폴딩된 폴딩부의 길이와 다음과 같은 관계식을 가질 수 있다.
2/3H ≤W<H
(W는 접착부재가 폴딩부에 사출되어, 전극 탭이 형성되지 않은 면의 외장재와 폴딩부가 접착되는 거리)
상기 폴리우레탄이게 접착제의 온도 85℃, 습도 85%에서의 정전전단(static shear) 유지시간은 250시간 이상일 수 있다.
상기 폴리우레탄계 접착제의 120℃에서의 점도는 10000~15000 cps일 수 있다.
상기 폴리우레탄계 접착제의 절연파괴전압은 5~20 kV/mm일 수 있다.
상기 폴리우레탄계 접착제의 절연파괴전압은 8~15 kV/mm일 수 있다.
상기 실링부가 상기 전극 조립체의 둘레를 따라 네(4) 측에 형성될 수 있다.
상기 실링부가 상기 전극 조립체의 둘레를 따라 세(3) 측에 형성될 수 있다.
상기 실링부가 형성되지 않은 일 측에는 바닥부가 형성될 수 있다.
상기 외장재에는 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 포함하는 포밍부가 형성될 수 있다.
상기 포밍부는 상기 전극 조립체가 수용될 수 있는 포밍부 깊이를 가지고, 상기 포밍부 깊이는 3.8mm이상 7mm이하일 수 있다.
상기 포밍부는 상기 포밍부의 내부에 포밍 각도를 가지며, 상기 포밍 각도는 114°이하 96°이상일 수 있다.
상기 포밍부 깊이에 따라, 상기 폴딩부와 상기 외장재 사이에 도포되는 접착 부재의 두께가 결정되고, 상기 포밍부 깊이가 3.8mm이상 7mm이하일 때, 상기 접착 부재의 도포 두께는 2.12mm이하 0.36이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 본 발명의 실시예들은, 파우치형 이차 전지의 폴딩부를 전극 조립체에서 돌출되지 않도록 폴딩하여 이차 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 파우치형 이차 전지를 제공할 수 있다.
또한, 파우치형 이차 전지의 실링부를 폴딩하여, 실링부에 의한 이차 전지 모듈의 부피 증가 및 외관 불량을 개선할 수 있는 파우치형 이차 전지를 제공할 수 있다.
또한, 접착 부재를 통해 폴딩부를 전극 조립체에 밀착하여, 폴딩부의 나풀거림, 휨, 뒤틀림 현상을 방지할 수 있는 파우치형 이차 전지를 제공할 수 있다.
또한, 접착 부재가 사출되는 위치를 제한하여, 접착 부재가 경화 된 후 폴딩부의 벌어짐 현상이 발생하지 않도록 하기 위한 파우치형 이차 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴딩부가 폴딩되는 상태를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지 및 폴딩부의 단면을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴딩부가 접착 부재에 의해 접착된 것을 단면으로 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 실링부 및 바닥부를 단면으로 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지를 나타낸 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지(100)는 이차 전지(10)를 감싸고 있는 외장재(21), 외장재(21)에 형성되는 실링부(22) 및 실링부(22)가 폴딩되어 형성되는 폴딩부(23)를 포함할 수 있다.
이차 전지(10)는 전극 조립체(11) 및 전극 조립체(11)에서 인출되는 양극 및 음극의 전극 탭(12)을 포함할 수 있다. 전극 조립체(11)는 양극의 전극 탭과 음극의 전극 탭 사이에 세퍼레이터를 개재하여 각각이 교대로 겹친 상태로 타원형 등의 형상으로 권취된 젤리롤일 수 있다. 양극 및 음극의 전극 탭(12)은 전극 조립체(11)의 양 단에 형성될 수 있다. 파우치형 이차 전지(100)는 외장재(21)에 이차 전지(10)가 수용되는 형태 일 수 있다. 구체적으로, 파우치형 이차 전지(100)는 외장재(21)내에 이차 전지(10)의 전극 조립체(11)가 수용되어 외장재(21)가 전극 조립체(11)를 감싸고, 전극 탭(12)은 외장재(21) 외부로 인출되어 있는 형태 일 수 있다.
외장재(21)는 전극 탭(12)이 인출된 전극 조립체(11)를 수용할 수 있다. 외장재(21)는 알루미늄을 포함할 수 있다. 외장재(21)에 알루미늄을 사용하는 것은 소형화, 경량화, 박형화를 하는 동시에, 혹독한 열적 환경과 기계적 충격을 견디기 위함일 수 있다. 외장재(21) 내에 움푹 들어간 형상의 수용공간(미도시됨)을 형성하고, 수용공간에 전극 조립체(11)를 배치시킬 수 있다. 전극 조립체(11)를 배치 시킨 후, 전극 조립체(11)의 외곽을 따라서 외장재(21)를 접합할 수 있다.
실링부(22)는 전극 조립체(11)의 외곽을 따라 외장재(21)가 접합되어 형성될 수 있다. 실링부(22)는 외장재(21)가 접합되어 형성되는 것으로, 전극 조립체(11)의 측면 둘레의 4 측면을 따라 형성될 수 있다. 이때, 전극 조립체(11)의 양 단에는 전극 탭(12)이 실링부(22) 외측으로 인출될 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(11)의 길이 방향으로 양 단에 전극 탭(12)이 인출될 수 있다. 실링부(22)는 외장재(21)가 접합 된 후, 외장재(21)의 잉여 부분일 수 있다.
이차 전지의 외측에 실링부(22)가 형성되는 길이만큼, 이차 전지의 부피가 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지(100)는 잉여 부분의 실링부(22)를 폴딩하여 폴딩부(23)를 형성하여, 이차 전지의 부피가 감소될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴딩부가 폴딩되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 2a는 폴딩부(23)가 폴딩 되기 전의 실링부 상태 일 때를 나타낸 도면이고, 도 2b는 폴딩부(23)가 한번 접힌 상태의 제 1 폴딩 상태를 나타낸 도면이고, 도 2c는 폴딩부(23)가 두번 접힌 상태의 제 2 폴딩 상태를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 폴딩부(23)는 외장재(21)의 외부로 인출되어 있는 전극 탭(12)이 형성되지 않은 면의 실링부(22)가 폴딩되어 형성될 수 있다.
폴딩부(23)가 두번 폴딩되는 형태로, 제 1 폴딩 상태(S1) 및 제 2 폴딩 상태(S2)를 포함할 수 있다. 제1 폴딩 상태(S1)는 폴딩부(23)의 전체 길이의 1/2 이하가 180도 폴딩될 수 있다. 제 2 폴딩 상태(S2)는 제1 폴딩 상태(S1) 에서 전극 조립체(11)의 외장재(21)에 완전히 접촉되도록 폴딩될 수 있다. 폴딩부(23)는 적어도 한번 폴딩 될 수 있으며, 바람직하게는 두 번 이상 폴딩될 수 있다.
제 1 폴딩 상태(S1) 및 제 2 폴딩 상태(S2)를 포함하여 완전히 폴딩된 상태의 폴딩부(23)의 높이는 전극 조립체(11)의 두께(전극 조립체(11)에서 전극 탭(12)이 인출된 방향과 수직 단면을 기준으로 할 때, 전극 조립체(11)의 두께)보다 작을 수 있다. 구체적으로, 폴딩된 폴딩부(23)의 길이는 전극 조립체(11)의 두께와 다음과 같은 관계식을 가질 수 있다.
H≤T/2
(전극 조립체의 전극 탭이 인출된 방향과 수직 단면을 기준으로, H는 폴딩된 폴딩부의 높이, T는 전극 조립체의 두께, 도 3 참조)
상기와 같은 관계식에 따라 폴딩부(23)를 형성함으로써, 이차 전지 모듈을 조립할 때 폴딩부(23)에 의해 인접한 이차 전지 간에 불필요한 공간이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 폴딩부(23)가 전극 조립체(11)의 두께보다 작게 형성되므로, 폴딩부(23)가 돌출되지 않아, 인접한 이차 전지 간에 공간이 생기지 않고 서로 밀착할 수 있다. 따라서, 이차 전지 모듈 조립 시에, 체적 효율이 증가할 수 있다.
또한, 폴딩부(23)는 접착부재(30)에 의해 외장재(21)의 일면에 부착될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3a는 폴딩부를 나타낸 도면이고, 도 3b는 폴딩부에 외장재에 밀착할 경우를 나타낸 도면이다.
도 3를 참조하면, 폴딩부(23)는 접착부재(30)에 의해 전극 조립체(11)를 감싸고 있는 외장재(21)에 완전히 접착될 수 있다. 도 3a와 도 3b를 비교하여 설명하면, 폴딩된 상태의 폴딩부(23)를 외장재(21)에 밀착하여 접착 시킨 파우치형 이차 전지(100)의 길이(L2)가 폴딩된 상태의 폴딩부(23)를 포함하는 파우치형 이차 전지(100)의 길이(L1)보다 감소될 수 있다. L1과 L2의 길이의 차이만큼 이차 전지 모듈의 부피가 감소될 수 있다.
폴딩부(23)를 전극 조립체(11)를 감싸고 있는 외장재(21)에 완전히 접착시키기 위해 폴딩부(23)에 접착부재(30)를 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴딩부가 접착 부재에 의해 접착된 것을 단면으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 접착 부재(30)는 폴딩부(23)에 사출되어, 폴딩부(23)가 형성된 외장재(21)의 일면(즉, 폴딩부(23)와 접촉되는 외장재(21)의 일면)과 폴딩부(23)를 외장재(21)에 접촉 고정시킬 수 있다. 폴딩부(23)에 위치되는 접착부재(30)의 위치는 다음과 같은 관계식을 가질 수 있다.
1/2H ≤W<H
(W는 접착부재가 폴딩부에 사출되어, 전극 탭이 형성되지 않은 면의 외장재와 폴딩부가 접착되는 부위와 풀딩부와 외장재 간의 연결부위 간의 거리)
다시 말해, 접촉 부재(30)는 폴딩부(23)의 전체 높이와 폴딩부(23) 전체 높이의 1/2 이상 사이에 사출될 수 있다. 이때, 전체 높이의 1/2 이상은 외장재(21)에서 폴딩부(23)가 연결되는 부분을 기준으로 한다.
폴딩부(23)의 1/2 미만에 접착 부재(30)를 사출하여 접착할 경우, 폴딩부(23)의 벌어진 부분에 나풀거림, 휨, 비틀림 등이 발생할 수 있다.
따라서, 폴딩부(23)의 전체 높이(H)와 전체 높이의 1/2 이상(1/2H) 사이에 접착 부재(30)를 사출하여, 폴딩부(23)를 외장재(21)에 접착할 경우, 접착 되지 않은 폴딩부(23)의 길이가 감소되므로 폴딩부(23)의 나풀거림, 휨, 비틀림이 발생하지 않을 수 있다.
폴딩된 폴딩부(23)와 외장재(21)의 일면 사이의 각도는 5도 이상 25도 이하 일 수 있다. 접착 부재(30)가 폴딩부(23)와 외장재(21) 사이에 사출되어 경화되기 위해서, 폴딩부(23)와 외장재(21)사이는 각도 5도 이상의 거리를 가질 수 있다. 반대로, 폴딩부(23)와 외장재(21) 사이의 거리가 멀게 되면 많은 양의 접착 부재(30)가 필요하게 되며, 접착성 등의 효율성이 떨어질 수 있으므로, 폴딩부(23)와 외장재(21)는 25도 이하의 각도로 형성될 수 있다.
접착 부재(30)는 폴리우레탄(polyurethane)계 접착제로 형성되어, 접착 부재(30)가 경화 된 후에도 일정 탄성력을 가질 수 있다. 경화 후에도 탄성을 가질 수 있는 접착 부재(30)에 의해 외부에서 가해지는 충격을 완화시킬 수 있다.
폴딩된 폴딩부(23)와 외장재(21) 사이에 경화된 접착 부재(30)의 두께는 0.5mm 이상 2mm이하일 수 있다. 폴딩부(23)와 외장재(21) 사이의 접착 부재(30)가 두껍게 경화되면, 이차 전지 모듈의 체적 및/또는 부피가 증가할 수 있으며, 접착성의 효율성이 떨어질 수 있다. 따라서, 폴딩부(23)와 외장재(21)사이에 경화된 접착 부재(30)는 0.5mm이상 2mm이하일 수 있다.
폴리우레탄계 접착제는 경화 후에 형상이 날카롭지 않으며, 말랑말랑한 형태의 탄성을 유지할 수 있다. 폴리우레탄계 접착제는 당 업계에 잘 알려진 바와 같이 폴리올(polyol)과 사슬연장제(chain extender)를 디이소시네이트(Diisocyanate)와 합성하여 얻어질 수 있으며, 합성 시 사용되는 사슬연장제는 다이올(Diol)이나 디아민(Diamine) 일 수 있다. 접착제의 물성은 상기 사슬연장제, 디이소시네이트 및 폴리올 단량체의 종류나 분자량을 조절하여 다양하게 확보할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 사용할 수 있는 폴리우레탄계 접착제의 점도(viscosity)는 120℃에서 브룩필드(Brookfield) 회전 점도계로 측정하였을 때 10000~15000 cps일 수 있다. 상기 범위의 점도를 가지는 폴리우레탄계 접착제를 사용하여 폴딩부(23)를 부착할 경우에 작업의 능률 및 결과 등의 작업성이 좋아지고, 접착제가 경화되는 중에 접착제(접착 부재(30))의 형상이 유지될 수 있다. 만약, 접착제의 점도가 상기 범위에서 벗어나는 경우(즉, 상기 범위 미만 또는 초과인 경우)에는 접착제가 경화되는 과정에서 접착제의 형상이 유지되기 어렵고 작업성이 떨어지게 되어 이차 전지(10)의 제조에 문제가 될 수 있다. 필요한 경우, 접착제의 점도는 점도조절제를 통해 조절 가능하다. 예를 들어, 요변성부여제 등을 사용하면 접착제의 점도를 높일 수 있고, 희석제나 분산제 등을 사용하면 접착제의 점도를 낮출 수 있다. 점도조절제는 통상 알려진 물질을 사용할 수 있으며 점도조절제의 사용량은 특별히 제한되지 않는다.
또한, 2시간 이상 경화시킨 경우 T-peel 테스트에 의한 박리력이 3kgf/in 이상이며, 정적전단(static shear) 테스트를 통해 온도 85℃, 습도 85%에서 측정한 유지 시간이 250 시간 이상 일 수 있다. 상기와 같은 물성을 갖는 폴리우레탄계로 형성되는 접착 부재(30)는 일정 탄성을 유지하여, 전극 조립체(11)를 찌르거나, 전극 조립체(11)에 충격을 완화시켜줄 수 있다.
또한, 이차 전지(10)의 성능을 유지하고 이의 안정성을 확보하기 위해서 이차 전지(10)의 내외측 간의 절연성이 중요할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 접착부재(30)로서의 폴리우레탄계 접착제에는 절연성을 확보하기 위한 절연파괴 전압이 요구될 수 있다. 바람직하게는, 본 실시예에 따른 폴리우레탄계 접착제의 ASTM D149에 준거하여 측정한 절연파괴 전압은 5~20 kV/mm일 수 있다. 더 바람직하게는, 본 실시예에 따른 폴리우레탄계 접착제의 절연파괴 전압은 8~15 kV/mm일 수 있다.
본 실시예의 폴리우레탄계 접착제에서 요구되는 절연파괴 전압은 폴리우레탄계 수지에 절연성 물질을 혼합하는 방식으로 확보할 수 있다. 이에 사용되는 절연성 물질은, 예를 들어, 알루미나, SiC, ZnO 등의 세라믹 입자일 수 있다.
또한, 폴리 우리탄계가 경화 되는 속도는 아크릴계 또는 에폭시계에 비해 느리기 때문에, 폴딩부(23)에 접착 부재(30)를 사출 시킨 후, 폴딩부(23)를 외장재(21)에 접촉시키는 사이에 경화되지 않을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 실링부 및 바닥부를 단면으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 실링부(22)가 전극 조립체(11)의 둘레를 따라 세(3) 측에 형성될 수 있다. 실링부(22)가 형성되지 않은 일 측에는 바닥부(24)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 실링부(22)는 이차 전지(10)의 둘레를 따라서, 전극 탭(12)이 인출되어 있는 부분과, 전극 탭(12)이 인출되는 부분의 상측에 형성될 수 있다. 하측에는 실링이 되지 않고 바닥부(24)가 형성될 수 있다. 바닥부(24) 측에는 실링부(22)가 형성되지 않기 때문에, 실링부(22)에 의해 차지되는 공간 만큼을 줄일 수 있다. 실링부(22)를 폴딩하여 폴딩부를 형성하더라도 폴딩부도 공간을 차지하기 때문에 아예 이러한 부재가 형성되지 않도록 함으로써 이차 전지(10)가 차지하는 공간을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
바닥부(24)는 전극 조립체(11)의 일 측이 실링이 되지 않은 채, 외장재(13)와 접촉되어 있는 상태에 의해 형성될 수 있다. 바닥부(24)는 전지 셀(11)의 면적 및 형태와 대응할 수 있다. 바닥부(24)가 형성된 이차 전지(10)는 바닥부(24)측에 냉각 플레이트(20)가 배치되어, 냉각 플레이트(20)가 전극 조립체(11)를 냉각 시킬 수 있다. 바닥부(24)에서는 폴딩부가 개재되지 않은 상태로 냉각 플레이트 등의 냉각 부재와 직접 접촉할 수 있기 때문에, 바닥부(24)를 형성함으로써 이차 전지(10)의 냉각 효율이 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지(100)는 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 형태로 다수의 전극체를 포함하는 전극 조립체(11)를 포함하고, 외장재(21)로 전극 조립체(11)를 패키징 할 수 있다. 전극 조립체(11)를 패키징하기 위하여, 파우치 필름(212) 및 파우치 필름(212)의 외주에 형성되는 실링부(22)를 포함하는 외장재(21)가 사용될 수 있다.
전극 조립체(11)는 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재하여 각각이 교대로 겹친 상태로 타원형 등의 형상으로 권취된 젤리롤일 수 있다. 전극 조립체(11)의 양단에는 전극 탭(12)이 인출될 수 있으며, 전극 탭(12)과 전극 조립체(11)의 사이에는 이들을 연결하기 위하여 웰딩부(미도시됨)가 형성될 수 있다.
파우치 필름(212)은 알루미늄 박막을 포함할 수 있다. 파우치 필름(212)에 알루미늄을 사용하는 것은 소형화, 경량화, 박형화를 하는 동시에, 혹독한 열적 환경과 기계적 충격 등을 견디기 위함일 수 있다.
파우치 필름(212)은 이차 전지를 외부로부터 보호하기 위하여 상기 알루미늄 박막의 외부에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Poly ethylene terephthalate, PET)수지, 폴리에틸렌 나프탈레이트(Poly ethylene naphthalate, PEN), 나일론(Nylon)수지 등의 고분자 필름을 외부층으로 더 포함할 수 있다.
파우치 필름(212)은 실링부에서 열융착 등에 의하여 서로 접합되는데, 상호 간의 접착을 위하여 폴리에틸렌(poly ethylene, PE), 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene, cPP) 또는 폴리프로필렌(poly propylene, PP) 등의 폴리올레핀 또는 이들의 공중합체에 의한 접착층을 내부층으로 더 포함할 수 있다.
파우치 필름(212) 내에는 전극 조립체(11)를 수납하기 위한 한 쌍의 포밍(forming)부(213)가 형성될 수 있다. 포밍부(213)는 파우치 필름(212) 내에 움푹 들어간 형상으로, 파우치 필름(212)의 내부를 프레스(press)하는 등의 방식으로 눌러서 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차 전지(100)에 따르면, 실링부(22)가 돌출되는 범위를 최소화하여 파우치형 이차 전지(100)의 부피 및 체적을 최소화할 수 있다. 실링부(22)가 돌출되는 범위는 포밍 각도(a)에 의해 결정될 수 있다.
전극 조립체(11)가 수납될 수 있는 포밍부(213)는 테이퍼 진 형상으로 형성될 수도 있다. 이때, 포밍부(213)는 전극 조립체(11)가 수납되는 내측에 소정의 포밍 각도(a)를 가질 수 있다. 포밍 각도(a)는 파우치 필름(212)의 내부에 프레스 된 측에 형성될 수 있다. 포밍 각도(a)에 의해 포밍부(213)가 테이퍼 진 형상을 이룰 수 있다.
포밍 각도(a)가 직각에 근접할수록, 폴딩부(23)를 전극 조립체(11)의 외장재(21)에 부착시킨 파우치형 이차 전지(100)의 부피 및 체적이 최소화 될 수 있다. 왜냐하면, 포밍 각도(a)가 직각과 근접하지 않은 각도를 가질수록, 폴딩부(23)를 형성하는 실링부(22)가 돌출되게 된다. 실링부(22)가 돌출될 수록, 파우치형 이차 전지 모듈 내부에 여분의 공간이 증가하게 됨에 따라 파우치형 이차 전지 모듈의 부피 및 체적이 증가하게 된다.
포밍 각도(a)는 포밍부 깊이(D)에 따라 결정될 수 있다. 포밍부 깊이(D)는 3.8mm이상 7mm이하일 수 있다. 이때, 포밍부(213)의 깊이(D)에 따라 폴딩부(23)가 폴딩되는 각도가 정해질 수 있는데, 포밍부 깊이(D)가 3.8mm이상일 경우 포밍 각도(a)는 114°를 이루고, 포밍부 깊이(D)가 7mm이상일 경우 포밍 각도(a)는 96°를 이룰 수 있다.
다시 말해, 파우치형 이차 전지(100)의 부피 및 체적을 최소화하기 위한 바람직한 포밍부 깊이(D)가 3.8mm이상 7mm이하 일 때, 포밍 각도(a)는 114°이하 96°이상을 포함할 수 있다.
또한, 포밍부 깊이(D)에 따라, 접착 부재(30)의 도포 두께가 결정될 수 있다. 포밍부 깊이(D)에 따라 포밍 각도(a)가 결정되고, 포밍 각도(a)에 따라 외장재(21)와 폴딩부(23) 사이의 각도가 결정될 수 있다. 외장재(21)와 폴딩부(23) 사이의 각도에 따라 접착 부재(30)의 도포 두께가 결정될 수 있다.
포밍부 깊이(D)가 3.8mm이상 7.0mm이하 일때, 접착 부재(30)의 도포 두께는 2.12mm이하 0.36이상을 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 접착부재(30)에 사용되는 폴리우레탄계 접착제의 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 및 비교예
하기 표 1에 기재된 바와 같은 폴리우레탄계 접착제를 준비하고, 알루미늄 박막에 PET 보호필름층이 형성된 파우치 필름에 대해 각 폴리우레탄계 접착제의 T-peel test, 점도지수, 전단접착력을 측정하였다.
i) T-peel test
하기 표 1에 기재된 폴리우레탄계 접착제 간의 물성 중 박리 저항성을 확인하기 위하여 "접착제의 박리 저항성을 결정하기 위한 시험 방법(T-Peel Test)"인 표준 실험 규격 ASTM D1876-01에 따라 시험한다.
ii) 점도지수
하기 표 1에 기재된 폴리우레탄계 접착제 간의 물성 중 점도(viscosity)를 확인하기 위하여 브룩필드(Brookfield) 회전 점도계를 이용하여 측정온도 120℃에서 본 실시예 및 비교예들의 폴리우레탄계 접착제의 점도지수를 측정한다.
iii) 전단접착력
하기 표 1에 기재된 폴리우레탄계 접착제 간의 물성 중 정적전단(static shear) 유지력을 확인하기 위하여 "전단접착성을 결정하기 위한 시험 방법"인 표준 실험 규격 ASTM D3654에 따라 시험한다. 하기 표 1에서는 ASTM D3654 시험 방법에 따르되 측정온도 85℃, 측정습도 85%에서 시험한 각 폴리우레탄계 접착제의 유지시간(hour)을 나타낸다.
구분 T-peel test
(경화 2시간, kgf/in)		 점도지수
(cps, 120℃)		 전단접착력
(hr)		 비고
실시예 3.02 14000 >250 폴리우레탄계
3M사 1090B
(비교예 1)		 2.04 17000 44.5 폴리우레탄계
3M사 TE100
(비교예 2)		 - 7000 76.7 폴리우레탄계
3M사 TS230
(비교예 3)		 0.33 9000 >250 폴리우레탄계
실시예 및 비교예들의 각 폴리우레탄계 접착제를 파우치형 이차 전지의 폴딩부에 적용하여 평가한 결과는 하기 표 2와 같다.
접착성 및 도포성은 이차전지 폴딩부와 측면사이에 각 접착제가 0.5~1mm의 두께로 부착되도록 도4와 같이 도포 및 부착한 후 상온에서 2시간 후에 육안으로 확인한 결과이다. 고온고습평가는 폴딩부가 각 접착제에 의해 부착된 이차전지를 온도 85℃, 상대습도 85%에서 7일 동안 노출시킨 후에 상온환경에서 2시간 방치 후 외관을 확인하였다.
구분 접착성 도포성 고온고습평가
실시예 ○ ○ ○
비교예 1 △ ○ X
비교예 2 X X X
비교예 3 △ △ ○
상기 표 2에서 접착성은 폴딩부가 접착제와 떨어져 벌어진 부분이 있는지에 대한 여부로 판단하였으며, 벌어짐이 없는 경우는 ‘○’, 일부 벌어진 부분이 존재하는 경우는 ‘△’, 부착이 전혀 안된 경우는 ‘X’로 표기하였다.
도포성은 접착제 도포 후 접착 부위를 벗어나 흘러내리는 지에 대한 여부와 폴딩부 접착 후 외관으로 접착제가 밀려나오는지의 여부를 확인하여 둘다 만족하는 경우 ‘○’(양호), 둘 중 하나를 만족하는 경우 ‘△’(보통), 모두 만족하지 않는 경우 ‘X’(불량)으로 표기하였다.
고온고습평가의 경우도 접착성과 동일한 기준으로 평가하였다.
상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리우레탄계 접착제(실시예)는 접착성, 도포성, 고온고습평가(전단접착력 평가)에서 높은 평가를 받음을 알 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 폴리우레탄계 접착제의 경우에는 T-peel test에서 2시간 경화 이후 박리력이 3kgf/in 이상이어서, 폴딩부(23)를 부착한 경우에 시간이 지남에 따라 벌어지는 일이 발생하지 않는다. 그에 반해, 비교예 1 내지 3은 T-peel test에서 2시간 경화 이후 박리력이 본 실시예에서 보다 확연히 낮기 때문에 폴딩부(23)를 부착하고 시간이 경과한 경우에 폴딩부(23)와 외장재(21) 사이가 벌어지거나 떨어져 버릴 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 폴리우레탄계 접착제의 경우에는 점도가 충분히 높기 때문에 접착제를 도포하고 그 형태를 유지할 수 있다. 비교예 1을 제외한 비교예 2 및 3의 경우에는 본 실시예보다 점도가 확연히 낮기 때문에 접착제를 도포한 이후에 그 형태를 유지하지 못하고 흘러내려서 부착 작업을 방해할 수 있다. 비교예 1의 경우에는 본 실시예보다 오히려 점도가 높은데 점도가 지나치게 높은 경우에는 작업 능률 등의 작업성에 악영향을 미친다.
그리고, 본 실시예에 따른 폴리우레탄계 접착제의 경우에는 고온고습에서 행한 전단접착력에서 긴 시간 동안 접착력을 유지할 수 있다. 비교예 3의 경우에는 본 실시예와 유사한 결과를 보여주지만 비교예 1 및 2의 경우에는 고온고습에서 접착력을 유지하는 시간이 확연히 짧아서 이차 전지(10)가 놓이는 환경에서 사용하기에 적합하지 않음을 알 수 있다.
상기 결과를 종합하면, 접착성, 도포성, 고온고습평가에 대해서 본 실시예에 따른 폴리우레탄계 접착제는 다른 비교예들의 접착제에 비해서 월등한 것으로 나타나고, 그에 따라 본 실시예에 따른 폴리우레탄계 접착제가 다른 비교예들의 접착제보다 이차 전지(10)의 폴딩부(23)를 부착하는데 적합함을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 이차 전지
11 : 전극 조립체
12 : 전극 탭
21 : 외장재
212 : 파우치 필름
213 : 포밍부
22 : 실링부
23 : 폴딩부
24 : 바닥부
30 : 접착부재
S1 : 제 1 폴딩 상태
S2 : 제 2 폴딩 상태
100 : 파우치형 이차 전지

Claims (17)

  1. 전극 탭이 인출된 전극 조립체를 수용하는 외장재;
    상기 전극 조립체의 외곽을 따라 상기 외장재가 접합되어 형성되는 실링부; 및
    상기 외장재 외부로 인출되어 있는 상기 전극 탭이 형성되지 않은 면의 상기 실링부가 폴딩되는 폴딩부;를 포함하고,
    폴딩된 상기 폴딩부의 길이는 상기 전극 조립체의 두께와 다음과 같은 관계식을 가지는, 파우치형 이차 전지.
    H≤T/2
    (전극 조립체의 전극 탭이 인출된 방향과 수직 방향의 단면을 기준으로, H는 폴딩된 폴딩부의 길이, T는 전극 조립체의 두께)
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴딩부는
    상기 폴딩부 전체 길이의 1/2 이하가 180도 폴딩되는 제1 폴딩 상태; 및
    상기 제1 폴딩 상태 에서 상기 전극 조립체에 완전히 접촉되도록 폴딩되는 제 2 폴딩 상태;를 포함하는, 파우치형 이차 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    폴딩된 상기 폴딩부는 접착부재에 의해 상기 외장재의 일면에 부착되며,
    상기 접착부재는 폴리우레탄계 접착제로 형성되는, 파우치형 이차 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    폴딩된 상기 폴딩부와 상기 외장재의 일면 사이의 각도는 5도 이상 25도 이내인, 파우치형 이차 전지.
  5. 청구항 3에 있어서,
    폴딩된 상기 폴딩부와 상기 외장재 사이에서 경화된 상기 접착 부재의 두께는 0.5mm 이상 2mm 이하인, 파우치형 이차 전지.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 폴딩부에 위치되는 상기 접착부재의 위치는 상기 폴딩된 폴딩부의 길이와 다음과 같은 관계식을 가지는, 파우치형 이차 전지.
    1/2H ≤W<H
    (W는 접착부재가 폴딩부에 사출되어, 전극 탭이 형성되지 않은 면의 외장재와 폴딩부가 접착되는 거리)
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 폴딩부에 위치되는 상기 접착부재의 위치는 상기 폴딩된 폴딩부의 길이와 다음과 같은 관계식을 가지는, 파우치형 이차 전지.
    2/3H ≤W<H
    (W는 접착부재가 폴딩부에 사출되어, 전극 탭이 형성되지 않은 면의 외장재와 폴딩부가 접착되는 거리)
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 폴리우레탄이게 접착제의 온도 85℃, 습도 85%에서의 정전전단(static shear) 유지시간은 250시간 이상인, 파우치형 이차 전지.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 폴리우레탄계 접착제의 120℃에서의 점도는 10000~15000 cps인, 파우치형 이차 전지.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 폴리우레탄계 접착제의 절연파괴전압은 5~20 kV/mm인, 파우치형 이차 전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 실링부가 상기 전극 조립체의 둘레를 따라 네(4) 측에 형성되는, 파우치형 이차 전지.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 실링부가 상기 전극 조립체의 둘레를 따라 세(3) 측에 형성되는, 파우치형 이차 전지.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 실링부가 형성되지 않은 일 측에는 바닥부가 형성되는, 파우치형 이차 전지.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 외장재에는 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 포함하는 포밍부가 형성되는, 파우치형 이차 전지.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 포밍부는 상기 전극 조립체가 수용될 수 있는 포밍부 깊이를 가지고,
    상기 포밍부 깊이는 3.8mm이상 7mm이하인, 파우치형 이차 전지.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 포밍부는 상기 포밍부의 내부에 포밍 각도를 가지며,
    상기 포밍 각도는 114°이하 96°이상인, 파우치형 이차 전지.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 포밍부 깊이에 따라, 상기 폴딩부와 상기 외장재 사이에 도포되는 접착 부재의 두께가 결정되고,
    상기 포밍부 깊이가 3.8mm이상 7mm이하일 때, 상기 접착 부재의 도포 두께는 2.12mm이하 0.36이상인, 파우치형 이차 전지.
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