KR20180080528A - 고분자 수지에 의해 밀봉된 각형 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체;
상단이 개방되어 있고, 상기 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 내장된 장방형의 캔 본체; 및
상기 캔 본체의 상단부에 결합되어 밀봉되며, 전극조립체의 전극단자에 연결되는 캡 단자를 포함하는 탑 캡;
을 포함하고,
상기 탑 캡의 하면과 외주변에는 열가소성의 고분자 수지가 코팅되어 있으며,
상기 캔 본체와 탑 캡은 상호 접하는 외주변들 사이에서 상기 고분자 수지의 열융착에 의해 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀에 관한 것이다.

Description

고분자 수지에 의해 밀봉된 각형 전지셀 {Prismatic Type Battery Cell Sealed by Polymer Resin}
본 발명은, 고분자 수지에 의해 밀봉된 각형 전지셀에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 어플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
여기서, 상기 각형 전지셀의 일반적인 구조와 그 간략한 제조방법을 설명하기 위한 모식도가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 각형 전지셀(10)은 일반적으로, 전극조립체(11)를 제조하여 이를 캔(12) 내부에 삽입한 후, 전극조립체(11)의 상부에 절연판(14)을 개재하여 전극조립체(11)와 탑 캡(13)의 쇼트를 방지하고, 상기 캔(12)의 상단 개구에 탑 캡(13)을 용접(빨간색으로 표시)에 의해 결합하여 제조한다. 도면에 도시하지 않았으나, 이후, 상기와 같이 용접이 완료되면 탑 캡에 형성된 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입한 후 주입구가 밀봉된다.
그러나, 이와 같이 용접에 의해 캔과 탑 캡의 밀봉을 행하는 경우에는, 레이저 등의 용접시 용접에 따라 두께가 상승하며, 이물이 생성될 수 있어 용접에 어려움이 있을 뿐 아니라, 이물에 따른 용접 부분의 두께가 달라질 수 있고, 완벽히 용접되지 않은 부분이 존재하거나, 이물에 따른 용접 효과가 미미한 곳으로부터 완전 밀폐가 되지 않아, 수분침투가 가능할 수 있어 방습성 또한 낮은 바, 이후 전지의 작동과정에서 안전성의 문제가 있다.
또한, 종래 각형 전지셀은 상기와 같이 전극조립체와 탑 캡의 쇼트를 방지하기 위해, 전극조립체의 상단에 절연판을 개재하는 것이 필수적인 바, 절연판의 부피만큼 전지의 부피가 증가하여야 하고, 이에 따라 전지의 부피 대비 용량을 최대화할 수 없는 문제가 있었다.
따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있는 각형 전지에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 캔 본체와 탑 캡을 용접이 아닌 고분자 수지를 사용하여 융착 밀봉함으로써 용접시 발생하는 두께 상승 및 이물 생성 등을 방지하고, 방습성을 향상시킬 뿐 아니라, 상기 고분자 수지의 융점 및 파단 강도를 조절하여 벤트의 역할도 수행할 수 있도록 함으로써 보다 안전성이 향상된 각형 전지셀을 제공하는 것이다.
또한, 탑 캡의 하면에도 고분자 수지를 도포함으로써 전극조립체와 탑 캡의 절연성을 확보함으로써 별도의 절연부재를 필요치 않게 하여 용량 확보에 유리한 각형 전지셀을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은,
양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체;
상단이 개방되어 있고, 상기 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 내장된 장방형의 캔 본체; 및
상기 캔 본체의 상단부에 결합되어 밀봉되며, 전극조립체의 전극단자에 연결되는 캡 단자를 포함하는 탑 캡;
을 포함하고,
상기 탑 캡의 하면과 외주변에는 열가소성의 고분자 수지가 코팅되어 있으며,
상기 캔 본체와 탑 캡은 상호 접하는 외주변들 사이에서 상기 고분자 수지의 열융착에 의해 밀봉되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 각형 캔은 금속 소재로 이루어질 수 있다.
따라서, 기존에는 상기 캔 본체와 탑 캡의 결합을 위해, 레이저 용접 또는 초음파 용접과 같은 용접 방식으로 금속 캔을 녹여 결합하였다.
반면에, 본 발명에 따르면 상기 탑 캡과 캔 본체는 만나는 부위에서 고분자 수지가 개재되어 열융착되는 형태로 결합되는데 예를 들어, 고주파 가열 방식 등에 의해 고분자 수지가 열융착 방식으로 접합될 수 있다.
구체적으로, 상기 고분자 수지는 가열 용융된 상태로 캔 본체와 접하는 탑 캡의 밀봉 외주변에 코팅되고, 캔 본체와 결합 후 냉각 고화되어 캔 본체와 탑 캡을 밀봉시킬 수 있다.
이와 같이, 캔 본체와 탑 캡을 상호 접하는 외주변들 사이에서 상기 고분자 수지의 열융착에 의해 밀봉하는 경우에는, 용접 방식을 사용할 때 나타나는 용접에 따른 두께 상승 및 불균일, 이물의 생성 등에 따른 공정상 어려움과 외관 불량 등의 문제가 없고, 완전히 밀봉되어 방습에도 유리한 효과가 있다.
본 발명의 또 하나의 특징으로서, 상기 고분자 수지는 탑 캡의 하면에 코팅되어 있을 수 있고, 전극조립체과 탑 캡의 완전한 절연을 위해, 상기 고분자 수지는 캡 단자를 제외한 탑 캡의 하면 전체에 코팅되어 있을 수 있다.
이 경우, 전극조립체의 상단부는, 별도의 부재 없이, 탑 캡의 하면에 코팅되어 있는 고분자 수지에 의해, 탑 캡에 대한 전기절연성을 제공할 수 있는 바, 종래 전극조립체와 탑 캡의 전기절연성을 확보하기 위한 별도의 절연 부재를 생략할 수 있고, 이에, 상기 절연 부재가 추가되는 경우에 필요한 부피를 없앨 수 있는 바, 내부 공간을 줄이거나, 전극조립체의 크기를 키우는 것과 같이 부피당 용량을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이때, 상기 탑 캡의 하면에 코팅되는 고분자 수지 역시 가열 용융된 상태로 탑 캡의 하면에 코팅된 후 냉각 고화되어 코팅층을 형성함으로써 전기절연성의 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 고분자 수지의 코팅은 탑 캡의 하면과 외주변에 서로 상이한 시점에 행해질 수 있다.
이는, 탑 캡의 하면에 코팅된 고분자 수지가 냉각 고화되기 전에 캔 본체와 탑 캡을 결합시키는 경우, 탑 캡의 하면에 코팅되어 있던 고분자 수지가 흘러내릴 수 있고, 캔 본체와 탑 캡의 결합시 상기 설명한 바와 같이 탑 캡의 외주변에 코팅된 가열 용융된 고분자 수지를 냉각 고화시킴으로써 밀봉을 시키기 때문에, 탑 캡의 외주변에 코팅된 고분자 수지를 냉각 고화시킨 후에 탑 캡과 캔 본체를 밀봉시킬 수는 없기 때문이다.
따라서, 가열 용융된 상태의 고분자 수지를 먼저, 탑 캡의 하면에 코팅한 후 냉각 고화시키고, 이후, 탑 캡이 캔 본체와 접하는 밀봉 외주변에 상기 가열 용융된 상태의 고분자 수지를 코팅하고 캔 본체와 결합시킨 뒤 냉각 고화시킴으로써 캔 본체를 탑 캡과 결합, 밀봉시킨다.
여기서, 사용되는 상기 고분자 수지는 접착성, 및 절연성을 가지는 것이라면 한정되지 아니하나, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 무연신 폴리프로필렌(CPP), 네오프렌, 고무계 수지, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 방향족 폴리아마이드, 폴리아마이드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 열방성 액정고분자, 폴리술폰(PSF), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아릴레이트, 폴리메틸메틸아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴로니트릴-부타디엔스타이렌 공중합체(PAN-PB-PS), 폴리테트라메틸렌옥사이드-1,4-부탄디올 공중합체(폴리부틸렌테레프랄레이트 탄성체), 스티렌을 포함하는 공중합체, 불소계 수지, 폴리비닐클로라이드(PVC), 및 폴리아크릴로니트릴(PAN)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 상세하게는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 무연신 폴리프로필렌, 네오프렌, 고무계 수지, 폴리아미드, 폴리아세탈, 및 폴리카보네이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일수 있으며, 더욱 상세하게는, 무연신 폴리프로필렌일 수 있다.
상기와 같은 무연신 폴리프로필렌은 용융점 및 접착성을 조절하는데 유리할 뿐 아니라, 전지 분야에서 다양한 구성의 스펙으로 개발되어 있어 소망하는 효과를 고려하여 적용하는데 보다 유리하다.
한편, 본 발명은 전지 안전성을 더욱 효과적으로 확보하기 위해, 상기 구성으로 가능한 방법에 대해 심도 있는 연구를 거듭하였고, 이에, 상기 캔 본체와 탑 캡의 밀봉에 따른 고분자 수지의 용융점과 접착력을 조절함으로써 전지셀이 소정의 온도 및 내압에 도달하였을 때, 파단되도록 함으로써, 전지의 발화, 전지셀의 폭발에 따라 전극조립체가 추진력을 받아 외부로 발사되는 현상과 같은 문제를 막아 안전성을 확보할 수 있다.
이와 같은 효과를 발휘하기 위한, 상기 고분자 수지의 융점은 섭씨 120도 내지 250도, 상세하게는 120도 내지 180도일 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 섭씨 120도보다 낮은 경우에는, 전지의 작동 과정 중에도 고분자 수지가 용융되어, 전지의 밀봉성을 확보할 수 없어, 전지의 사용이 어렵고, 섭씨 250도를 초과하는 경우에는, 고온으로 인한 셀 내부에 분리막이 녹는 등의 손상이 가해질 수 있어 단락 문제가 유발될 가능성이 있고, 전지셀 내부의 전극재들의 발화점을 넘어 전지가 발화, 폭발될 수 있는 바 바람직하지 않다.
또는, 상기 캔 본체와 탑 캡 사이에서 고분자 수지의 캔 본체 및 탑 캡에 대한 접착력은 15 내지 25 kgf/cm2일 수 있다. 이는 종래 각형 전지셀에 형성되는 벤트와 유사한 작동 범위로서, 상기 범위를 만족하는 경우, 전지셀의 내압의 상승에 따라 고분자 수지의 접착력을 넘어가게 되고, 캔 본체와 탑 캡이 서로 분리되면서 가스를 방출시켜 벤트 역할을 수행할 수 있기 때문이다.
상기 범위를 벗어나, 너무 낮은 잡착력을 가지는 경우, 조그마한 내압에도 캔 본체와 탑 캡의 분리가 일어날 수 있어 바람직하지 않고, 25 kgf/cm2를 초과하는 접착력을 가지는 경우에는, 내압 상승에도 벤트 역할을 수행하지 못하므로, 전지가 폭발할 수 있는 문제가 있다.
여기서, 상기 접착력은 수중 파단압 측정방법에 의해 측정할 수 있다. 구체적으로, 표본이 될 전지셀의 중앙에 구멍을 낸 뒤, 공기를 주입할 틀에 전지셀을 공기주입기와 구멍이 완전히 일치하여 밀폐되도록 배치한 후, 이를 수조에 넣고 전지셀의 구멍으로 공기를 주입하면서, 일정 압력으로 일정 시간 동안 변화를 확인하는 것으로, 수조에서 거품이 발생하는 경우, 공기 누출이 있는 것으로 보고 그 압력을 측정하는 것이다.
상기 고분자 수지에 의한 밀봉 외에 본 발명에 따른 각형 전지셀은, 캔 본체 상에 전지 내부의 고압 발생시 파단되는 노치홈의 벤트(vent)가 별도로 형성되어 있을 수 있고, 이때, 상기 벤트의 작동 압력은, 상기 고분자 수지의 접착력과 유사하게, 15 내지 25 kgf/cm2일 수 있다. 따라서, 전지 내압이 상승했을 때, 고분자 수지에 따른 캔 본체와 탑 캡의 분리 외에 캔 본체 측면으로도 가스 방출이 일어날 수 있어, 가스 배출의 방향이 분산될 수 있어, 전지 내부의 물질들이 가스와 함께 추진력을 받아 전지 밖으로 빠져나가면서 전지 주변에 물리적 충격을 가하는 문제를 방지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 전극조립체의 종류는, 특별히 한정되지는 아니하고, 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 적층한 구조의 스택형 전극조립체, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체, 또는 상기 바이셀 또는 풀셀들을 분리막이 개재된 상태로 적층한 구조의 라미네이트/스택형 전극조립체일 수 있고, 상세하게는, 젤리-롤형, 또는 스택/폴딩형 전극조립체일 수 있다.
상기 스택/폴딩형 전극조립체는 구체적으로, 상기 바이셀 및/또는 풀셀이 권취 후 반대되는 극성이 대면하도록 배열되어 분리필름에 의해 권취된 구조로서, 상기 바이셀은 같은 종류의 전극이 셀의 양측에 위치하는 스택형 구조로 이루어져 있으며, 예를 들어, 양극-분리막-음극-분리막-양극과 같이 양극이 유닛셀의 양단에 위치하는 구조의 A형 바이셀과 음극-분리막-양극-분리막-음극과 같이 음극이 유닛셀의 양단에 위치하는 구조의 C형 바이셀을 들 수 있다. 이러한 바이셀들만을 이용하여 상기 전극조립체를 구성하는 경우에는 상기 A형 바이셀과 C형 바이셀을 모두 포함할 수 있다. 풀셀은 다른 종류의 전극이 셀의 양측에 위치하는 스택형 구조로 이루어져 있으며, 예를 들어, 양극-분리막-음극으로 이루어진 셀 또는 양극-분리막-음극-분리막-양극으로 이루어진 셀을 들 수 있다.
기타 스택/폴딩형 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원의 내용은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
상기 전극조립체를 구성하는 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 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 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; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 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 상기 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 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 음극 활물질은, 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. 전극조립체가 스택/폴딩형 전극조립체인 경우 사용되는 분리필름 역시 상기 분리막의 설명에 대응된다.
한편, 본 발명에 따른 전지셀은 리튬 이차전지일 수 있는 바, 상기 전해액은 리튬염 함유 비수 전해액일 수 있다.
상기 리튬염 함유 비수 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있고, 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 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 중합제 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, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해액을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 둘 이상 포함하는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩을 제공하며, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스의 구체적인 예로는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북 등의 모바일 전자기기; 전기적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); LEV(Light Electronic Vehicle); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장장치; 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전지모듈 및 전지팩의 구조 및 그것들의 제작 방법과, 상기 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 캔 본체와 탑 캡을 용접이 아닌 고분자 수지를 사용하여 융착 밀봉함으로써 용접시 발생하는 두께 상승 및 이물 생성 등을 방지하고, 방습성을 향상시킬 뿐 아니라, 상기 고분자 수지의 융점 및 파단 강도를 조절하여 벤트의 역할도 수행할 수 있도록 함으로써 보다 안전성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 탑 캡의 하면에도 고분자 수지를 도포함으로써 전극조립체와 탑 캡의 절연성을 확보함으로써 별도의 절연부재를 필요치 않게 하여 내부 공간의 추가 활용이 가능하여 부피 대비 용량을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래 각형 전지셀의 단면도이다;
도 2는 종래 각형 전지셀을 제조하는 방법의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 분해 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탑 캡을 나타낸 모식도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀을 제조하는 방법의 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3 내지 도 4에는, 이해의 편의를 위해, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 분해 사시도 및 탑 캡을 뒤집은 상태의 모식도가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(100)은, 양극, 음극, 및 분리막을 포함하는 젤리-롤형의 전극조립체(110); 상단이 개방되어 있어, 양극, 음극, 전극조립체(110)가 내장되는 장방형의 캔 본체(120), 및 캔 본체(120)의 상단부에 결합되어 밀봉되면 전극조립체(110)의 양극 단자(111)에 연결되는 캡 단자(131)를 포함하는 구조의 탑 캡(130)으로 구성되고, 탑 캡(130)의 하면(133)과 외주변(132)에는 열가소성의 고분자 수지(140, 색칠된 부분)가 코팅되어 있다. 여기서, 전극조립체(110)에서 돌출되는 또 다른 전극 단자인 음극 단자(도시하지 않음)는 캔 본체(120)의 하부 등에서 캔 본체(120)와 직접 접촉된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 용접이 아닌 캔 본체(120)와 접하는 탑 캡(130)의 외주변(132)에 코팅되는 고분자 수지(140, 색칠된 부분)의 열융착에 의해 밀봉된다.
이러한, 본 발명에 따른 전지셀(100)을 제조하는 방법을 도 4에 도시하였다.
도 5를 도 3 및 도 4와 함께 참조하면, 고분자 수지(140, 색칠된 부분)은 가열 용융된 상태로 캔 본체(120)와 접하는 탑 캡(130)의 밀봉 외주변(132)에 코팅되고, 캔 본체(120)와 결합 후 냉각 고화되어 캔 본체(120)와 탑 캡(130)을 밀봉한다.
이와 같이, 캔 본체(120)와 탑 캡(130)을 상호 접하는 외주변들(121, 132) 사이에서 고분자 수지(140, 색칠된 부분)의 열융착에 의해 밀봉하는 경우에는, 용접 방식을 사용할 때 나타나는 용접에 따른 두께 상승 및 불균일, 이물의 생성 등에 따른 공정상 어려움과 외관 불량 등의 문제가 없고, 완전히 밀봉되어 방습에도 유리한 효과가 있다.
한편, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀(100)은 전극조립체(110)의 상단부에 탑 캡(130)과의 전기적 절연성을 확보하기 위한 별도의 절연성 부재를 포함하지 않는다.
이는 본 발명의 또 하나의 특징으로서, 도 4을 참조하면, 고분자 수지(140, 색칠된 부분)가 탑 캡(130)의 하면(133)에도 코팅되기 때문이다.
이 경우, 전극조립체(110)의 상단부는, 별도의 부재 없이, 탑 캡(130)의 하면(133)에 코팅되어 있는 고분자 수지(140, 색칠된 부분)에 의해, 탑 캡(130)에 대한 전기절연성을 제공할 수 있는 바, 종래 전극조립체와 탑 캡의 전기절연성을 확보하기 위한 별도의 절연 부재를 생략할 수 있고, 이에, 상기 절연 부재가 추가되는 경우에 필요한 부피를 없앨 수 있어, 내부 공간을 줄이거나, 전극조립체의 크기를 키우는 것과 같이 부피당 용량을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이때, 상기 탑 캡의 하면에 코팅되는 고분자 수지 역시 가열 용융된 상태로 탑 캡의 하면에 코팅된 후 냉각 고화되어 코팅층을 형성함으로써 전기절연성의 역할을 수행할 수 있다.
상기에서 도면을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀(100)은, 캔 본체와 탑 캡을 용접이 아닌 고분자 수지를 사용하여 융착 밀봉함으로써 용접시 발생하는 두께 상승 및 이물 생성 등을 방지하고, 방습성을 향상시킬 뿐 아니라, 상기 고분자 수지의 융점 및 파단 강도를 조절하여 벤트의 역할도 수행할 수 있도록 함으로써 보다 안전성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 탑 캡의 내면에도 고분자 수지를 도포함으로써 전극조립체와 탑 캡의 절연성을 확보함으로써 별도의 절연부재를 필요치 않게 하여 내부 공간의 추가 활용이 가능하여 부피 대비 용량을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체;
    상단이 개방되어 있고, 상기 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 내장된 장방형의 캔 본체; 및
    상기 캔 본체의 상단부에 결합되어 밀봉되며, 전극조립체의 전극단자에 연결되는 캡 단자를 포함하는 탑 캡;
    을 포함하고,
    상기 탑 캡의 하면과 외주변에는 열가소성의 고분자 수지가 코팅되어 있으며,
    상기 캔 본체와 탑 캡은 상호 접하는 외주변들 사이에서 상기 고분자 수지의 열융착에 의해 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 각형 캔은 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 캡 단자를 제외한 탑 캡의 하면 전체에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체의 상단부는, 별도의 부재 없이, 탑 캡의 하면에 코팅되어 있는 고분자 수지에 의해, 탑 캡에 대한 전기절연성이 제공되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 무연신 폴리프로필렌(CPP), 네오프렌, 고무계 수지, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 방향족 폴리아마이드, 폴리아마이드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 열방성 액정고분자, 폴리술폰(PSF), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아릴레이트, 폴리메틸메틸아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리아크릴로니트릴-부타디엔스타이렌 공중합체(PAN-PB-PS), 폴리테트라메틸렌옥사이드-1,4-부탄디올 공중합체(폴리부틸렌테레프랄레이트 탄성체), 스티렌을 포함하는 공중합체, 불소계 수지, 폴리비닐클로라이드(PVC), 및 폴리아크릴로니트릴(PAN)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 무연신 폴리프로필렌, 네오프렌, 고무계 수지, 폴리아미드, 폴리아세탈, 및 폴리카보네이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 무연신 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지의 융점은 섭씨 120도 내지 180도인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 캔 본체와 탑 캡 사이에서 고분자 수지의 캔 본체 및 탑 캡에 대한 접착력은 15 내지 25 kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 캔 본체에는 전지 내부의 고압 발생시 파단되는 노치홈의 벤트(vent)가 형성되어 있고, 상기 벤트의 작동 압력은 15 내지 25 kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 가열 용융된 상태로 탑 캡의 하면 및 외주변에 코팅된 후 냉각 고화되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 가열 용융된 상태로 캔 본체와 접하는 탑 캡의 밀봉 외주변에 코팅되고, 캔 본체와의 결합 후 냉각 고화되어 캔 본체와 탑 캡을 밀봉시키는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 적층한 구조의 스택형 전극조립체, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체, 또는 상기 바이셀 또는 풀셀들을 분리막이 개재된 상태로 적층한 구조의 라미네이트/스택형 전극조립체인 것을 특징으로 하는 전지셀.
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