KR20190023650A - 부분적으로 증가된 두께를 가지는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 이차전지로서,
전극 탭이 일 방향 또는 양 방향으로 돌출된 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층된 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 수납되고,
상기 전극 탭은 상기 전지케이스 외부로 연장되는 전극 리드와 결합되어 있으며,
상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부가 상기 전극조립체와 상기 전지케이스 사이에 위치하도록 상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부는 절곡되어 있고,
상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부와 인접하는 전지케이스의 일부에는, 상대적으로 전지케이스의 다른 부분보다 두껍게 형성된 강성부를 포함하는 파우치형 이차전지에 대한 것입니다.

Description

부분적으로 증가된 두께를 가지는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 이차전지 {Pouch-Type Secondary Battery Comprising Laminate Sheet Having Partially Enhanced Thickness}
본 발명은 전극조립체 및 전지케이스 사이에 전극 탭 및 전극 리드 결합부가 절곡된 상태로 위치하는 파우치형 이차전지에 대한 것으로서, 상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부와 인접하는 부분의 전지케이스가 상대적으로 두꺼운 두께로 이루어진 구조로 이루어지는 바, 탈기 과정에서 전지케이스가 변형되는 것을 방지할 수 있는 파우치형 이차전지에 대한 것이다.
와이어리스 모바일(wireless mobile)기기의 사용이 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지가 에너지원으로서 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 기존 내연 기관 자동차의 대기오염 및 온실가스 문제를 해결하기 위한 대체방안으로도 이차전지는 주목받고 있다.
이차전지가 적용되는 디바이스들이 다양화됨에 따라, 적용되는 디바이스에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 리튬 이차전지는 다양화되고 있으며, 더불어, 소형 경박화가 강력히 요구되고 있다.
이차전지는 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.
상기 파우치형 전지셀은 전지케이스가 라미네이트 시트로 이루어진 전지셀을 의미하며, 상기 전지케이스 내부에 전극조립체와 전해액이 내장되는 구조이다.
일반적으로 파우치형 전지셀은 전해액 주입 후 최초 충방전 및 활성화 과정 등을 거치면서 전지셀 내부에서 발생하는 가스 배출을 위한 탈기 과정이 수회 이루어지는데, 상기 탈기 과정은 전지셀의 내압과 외압의 차이를 이용하기 때문에 케이스의 변형을 동반하게 된다.
도 1은 일반적인 파우치형 전지셀의 일부분에 대한 수직 단면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 전지케이스는 상부케이스(11a) 및 하부케이스(11b)로 구성되고, 하부케이스(11b)의 수납부(15)에 수용된 전극조립체(도시하지 않음)의 일측 끝단에서 연장된 전극 탭(13)은 전극 리드(14)와 연결되어 있다.
전극 탭(13)과 연결된 전극 리드(14)의 타측 끝단은 전지케이스 외부로 연장되어 있으며, 전극 리드(14)와 전지케이스 사이에는 밀봉력을 향상시키기 위하여 리드 필름(12)이 개재된 상태로 열융착되어 있다.
전극 탭(13) 및 전극 리드(14)의 결합부위는 V자 형상으로 이루어지는 바 상기 결합부위를 V-포밍(V-forming) 부위라고 하는데, 탈기 과정 진행시 상부케이스의 V-포밍 상부(17) 및 하부케이스의 전극 리드가 인출되는 방향의 전극조립체 수납부(15)가 전지케이스 내측으로 수축되어 오목한 곡면(18)을 형성하게 된다.
상기 부위들은 전지케이스 내에서 전지케이스와 전극조립체 사이에 존재하는 잉여 공간이기 때문에, 다른 부분의 전지케이스 보다 내측으로 수축되면서 변형이 일어날 위험이 높은 부분이다.
따라서, 파우치형 전지셀의 탈기 과정 진행시 전지케이스의 형상 변형을 방지하기 위하여 많은 연구가 수행되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에서는 상부케이스 보다 하부케이스의 두께가 더 큰 형태의 전지케이스를 개시하고, 특허문헌 2에서는 상부케이스의 금속층 두께는 하부케이스의 금속층 두께보다 작은 전지케이스를 개시하고 있는 바, 상부케이스가 변형되는 문제를 해결하지 못하고 있다.
한편, 특허문헌 3 및 특허문헌 4는 상부케이스의 두께가 하부케이스의 두께보다 더 두꺼운 형태의 전지케이스를 개시하고 있는 바, 하부케이스가 변형되는 문제를 해결하지 못하고 있다.
따라서, 파우치형 전지셀의 치수 안전성을 향상시키기 위하여 상부케이스 및 하부케이스에서 변형이 쉽게 일어나는 부분의 변형을 방지하기 위한 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
한국 공개특허공보 제 2014-0009047 호 한국 공개특허공보 제 2011-0055254 호 한국 공개특허공보 제 2011-0128594 호 한국 공개특허공보 제 2011-0128594 호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하기 위하여, 전극 탭 및 전극 리드 결합부가 절곡되는 파우치형 이차전지에서 상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부와 대면하는 전지케이스 수납부의 일측면이 수납부의 다른 부분보다 상대적으로 두꺼운 강성부를 포함하는 구조로 이루어지는 경우, 이차전지의 제조 과정에서 전지케이스의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트를 전지케이스로 하는 파우치형 이차전지로서,
전극 탭이 일 방향 또는 양 방향으로 돌출된 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층된 전극조립체가 전해액과 함께 상기 전지케이스에 수납되고,
상기 전극 탭은 상기 전지케이스 외부로 연장되는 전극 리드와 결합되어 있으며,
상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부가 상기 전극조립체와 상기 전지케이스 사이에 위치하도록 상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부는 절곡되어 있고,
상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부와 인접하는 전지케이스의 일부에는, 상대적으로 전지케이스의 다른 부분보다 두껍게 형성된 강성부를 포함하는 구조일 수 있다.
일반적으로 파우치형 이차전지의 외장재는 수지층과 금속층으로 구성된 라미네이트 시트로서, 강도가 비교적 약한 고분자 수지가 주된 재료인 바, 이러한 파우치형 외장재를 포함하는 파우치형 이차전지는 외부 충격 등에 대한 안전성이 낮은 것이 단점으로 지적되고 있다.
또한, 최근 다기능성 디바이스의 등장에 따라 고용량의 이차전지를 제조하기 위하여, 단위 부피당 전지의 용량을 증가시키기 위하여 파우치형 외장재의 두께가 더욱 얇아지면서 내구성을 확보하기 어렵고, 이에 따라 파우치에 수용되는 전극 조립체 등의 안전성을 확보하기 어려운 문제가 있다.
또한, 이와 같이 두께가 얇은 외장재를 사용하는 경우, 파우치형 이차전지의 제조 과정에서 전지셀 내부에서 발생된 가스를 배출할 때 전지케이스의 형상이 쉽게 변형되는 문제가 있다.
특히, 전극 탭 및 전극 리드 결합부와 인접한 전지케이스 부분은 전지케이스와 전극조립체가 밀착되도록 위치하는 부분과 달리 내부의 잉여 공간으로 남아 있게 되는 바, 전지케이스의 수축되는 정도가 더욱 심화된다.
따라서, 본 발명과 같이, 전극 탭 및 전극 리드 결합부와 대면하는 전지케이스 수납부의 일측면이 상기 수납부의 다른 부분보다 상대적으로 두꺼운 구조로 이루어지는 경우, 전지케이스가 전지셀 내측으로 오목하게 변형되는 것을 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 파우치형 이차전지는 전극 탭 및 전극 리드 결합부와 대면하는 전극 리드 돌출 방향의 수납부의 형태 변형이 용이하게 일어나는 것을 고려할 때, 상기 강성부는 상기 전극 리드가 인출되는 전지케이스 수납부 일측면에 형성된 제 1 강성부를 포함하는 구조일 수 있다.
또는, 상기 강성부는 상기 전극 리드가 인출되는 전지케이스 수납부 일측면에 형성된 제 1 강성부 뿐만 아니라, 상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부의 상부 절곡부와 인접하는 부분에 형성된 제 2 강성부를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전극조립체는 전극 탭 및 전극 리드 결합부가 V-포밍되는 경우에 발생하는 문제를 방지하기 위한 점을 고려할 때, 예를 들어, 스택형 전극조립체, 스택/폴딩형 전극조립체 및 라미네이션/스택형 전극조립체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 전지케이스의 변형이 가장 크게 일어나는 부분에 강성을 부여하여 전지케이스가 변형되는 것을 방지하기 위한 목적을 고려할 때, 상기 강성부의 두께는 다른 부분보다 50% 이상 두꺼운 구조로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들어, 상기 강성부의 두께는 0.15㎜ 이상으로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 강성부의 두께와 상기 제 2 강성부의 두께는 서로 동일한 구조로 이루어질 수 있으며, 또는, 상기 제 1 강성부가 제 2 강성부보다 변형이 더 크게 일어날 수 있는 점을 고려할 때, 상기 제 1 강성부의 두께는 0.15 ㎜ 보다 크고, 상기 제 2 강성부의 두께는 0.1 ㎜ 이상 0.15 ㎜ 이하일 수 있다.
한편, 파우치형 전지셀의 전지케이스의 두께가 얇아지는 추세와 전지케이스의 내구성이 보장될 필요가 있는 점을 고려할 때, 상기 강성부를 포함하는 파우치형 이차전지의 경우, 상기 강성부를 제외한 전지케이스의 두께는 0.1 ㎜ 보다 작은 범위로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 0.05 ㎜ 이상 0.1 ㎜ 미만의 범위로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 강성부 및 제 2 강성부를 포함하는 파우치형 이차전지의 경우, 상기 제 1 강성부 및 제 2 강성부를 제외한 전지케이스의 두께는 0.1 ㎜ 보다 작은 범위로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 0.05 ㎜ 이상 0.1 ㎜ 미만의 범위로 이루어질 수 있다.
일반적으로 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트를 전지 외장재로 사용하는 경우, 상기 금속층이 외장재의 강성을 좌우하는 요소인 점을 고려할 때, 상기 제 1 강성부 및 제 2 강성부의 금속층의 두께는 전지케이스의 다른 부분의 금속층의 두께를 기준으로 150% 이상일 수 있고, 바람직하게는 200% 내지 250%의 범위로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 파우치형 이차전지는 라미네이트 시트 자체의 두께가 두껍게 형성되는 강성부를 포함하는 구조일 수 있으나, 이와 별도로, 라미네이트 시트에 별도의 부재가 추가되는 구성으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 강도 향상 필름이 상기 강성부에 부가되는 구조일 수 있는 바, 이와 같은 경우, 종래에 사용되던 일반적인 파우치형 전지케이스를 그대로 사용 가능하기 때문에 적용 범위가 넓어지는 장점이 있다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 강성부의 금속층은 SUS 소재로 이루어지고, 전지케이스의 다른 부분의 금속층은 알루미늄 소재로 이루어질 수 있는 바, SUS 소재는 알루미늄 소재에 비해 고강도의 금속인 점을 고려할 때, SUS 소재이면서 두께가 더 두꺼운 강성부를 구성하는 경우, 강성부의 강도가 상대적으로 더욱 증가하는 효과를 얻을 수 있다.
상기 예에서 강성이 높은 금속으로 일부가 대체되는 경우, 해당 부분은 다른 부분과 동일한 두께를 유지하면서 본 발명에서 필요하는 목적을 달성할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 또한, 상기 파우치형 이차전지를 단위전지로서 둘 이상 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로서 포함하는 디바이스를 제공한다.
구체적으로, 상기 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 상세한 예로는, 모바일(Mobile) 전자기기, 웨어러블 디바이스(Wearable device), 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 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); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 전극 탭 및 전극 리드 결합부와 인접하는 전지케이스 부분의 두께를 상대적으로 두꺼운 형태의 전지케이스를 사용함으로써, 이차전지의 제조 과정에서 전지케이스의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기와 같이 전지케이스의 형상 변형을 방지함으로써, 전지셀의 크기 변형에 따른 재설계 과정을 생략할 수 있으며, 수치 안전성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 전지셀의 일부분에 대한 수직 단면도이다.
도 2는 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지셀의 일부분에 대한 수직 단면도이다.
도 3은 다른 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지셀의 일부분에 대한 수직 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 2는 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지셀의 일부분에 대한 수직 단면도이다.
도 2를 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는 전극조립체 수납부가 형성된 하부케이스(101b) 및 및 하부케이스(101b) 상에 위치하는 상부케이스(101a)로 이루어지고, 전극집전체에서 일측으로 돌출된 전극탭(103)들은 전지케이스 외부로 연장된 전극 리드(104)와 연결되어 있고, 상부케이스(101a) 및 하부케이스(101b)의 실링부 사이에는 전극 리드와 전지케이스의 밀봉력이 저하되는 것을 방지하기 위하여 리드 필름(102)이 개재된 상태로 밀봉되어 있다.
하부케이스(101b)에서 전극 탭(103) 및 전극 리드(104) 결합부와 인접하는 전극 리드(104)가 돌출된 방향의 전극조립체 수납부(105)의 측면(118)의 두께(D1)는 하부케이스(101b)의 다른 부분의 두께(D2)에 비해 상대적으로 두꺼운 구조로 이루어져 있다.
도 3은 다른 하나의 실시예에다른 파우치형 전지셀의 일부분에 대한 수직 단면도이다.
도 3을 참조하면, 파우치형 이차전지(200)는 전극조립체 수납부가 형성된 하부케이스(201b) 및 및 하부케이스(201b) 상에 위치하는 상부케이스(201a)로 이루어지고, 전극집전체에서 일측으로 돌출된 전극탭(203)들은 전지케이스 외부로 연장된 전극 리드(204)와 연결되어 있고, 상부케이스(201a) 및 하부케이스(201b)의 실링부 사이에는 전극 리드와 전지케이스의 밀봉력이 저하되는 것을 방지하기 위하여 리드 필름(202)이 개재된 상태로 밀봉되어 있다.
하부케이스(201b)에서 전극 탭(203) 및 전극 리드(204) 결합부와 인접하는 전극 리드(204)가 돌출된 방향의 전극조립체 수납부(205)의 측면에 형성되는 제 1 강성부(218)의 두께(D1)는 하부케이스(201b)의 다른 부분의 두께(D2)에 비해 상대적으로 두꺼운 구조로 이루어져 있다.
상부케이스(201a)에서 전극 탭(203) 및 전극 리드(204) 결합부의 상부와 인접하는 제 2 강성부(217)의 두께(D3)는 상부케이스의 다른 부분의 두께(D4)에 비해 상대적으로 두꺼운 구조로 이루어져 있다.
하부케이스의 두께(D2)와 상부케이스의 두께(D4)는 동일한 두께로 이루어지고, 제 1 강성부의 두께(D1)와 제 2 강성부의 두께(D3)는 동일한 두께일 수 있고, 또는 제 1 강성부의 두께(D1)가 제 2 강성부의 두께(D3) 보다 더 두꺼운 구조로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 구성에서 D1 및 D3에 사용되는 금속이 강도가 높은 재료인 SUS 등으로 대치되는 경우 D2 및 D4와 동일한 두께를 유지할 수 도 있다.
이와 같이, 하부케이스에서 전극 탭 및 전극 리드 결합부와 인접하는 전극 리드가 돌출된 방향의 전극조립체 수납부의 측면에 형성되는 제 1 강성부의 두께, 또는 상기 제 1 강성부 및 제 2 강성부의 두께를 전지케이스의 나머지 부분의 두께보다 두껍게 형성함으로써 탈기 과정에서 전지케이스의 수축시 형태가 변형되는 것을 완화할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
10, 100, 200 : 파우치형 이차전지
11a, 101a, 201a : 상부케이스
11b, 101b, 201b : 하부케이스
12, 102, 202 : 리드 필름
13, 103, 203 : 전극 탭
14, 104, 204 : 전극 리드
15, 105, 205 : 전극조립체 수납부
17 : 상부케이스의 V-forming 상부
18 : 하부케이스의 오목부
217 : 제 2 강성부
118, 218 : 제 1 강성부
D1 : 제 1 강성부 두께
D2 : 하부케이스 두께
D3 : 제 2 강성부 두께
D4 : 상부케이스 두께

Claims (13)

  1. 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 이차전지로서,
    전극 탭이 일 방향 또는 양 방향으로 돌출된 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층된 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 수납되고,
    상기 전극 탭은 상기 전지케이스 외부로 연장되는 전극 리드와 결합되어 있으며,
    상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부가 상기 전극조립체와 상기 전지케이스 사이에 위치하도록 상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부는 절곡되어 있고,
    상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부와 인접하는 전지케이스의 일부에는, 상대적으로 전지케이스의 다른 부분보다 두껍게 형성된 강성부를 포함하는 파우치형 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 강성부는 상기 전지케이스 수납부 일측면에 형성된 제 1 강성부를 포함하는 파우치형 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 강성부는 상기 전지케이스 수납부 일측면에 형성된 제 1 강성부 및 상기 전극 탭 및 전극 리드 결합부의 상부 절곡부와 인접하는 부분에 형성된 제 2 강성부를 포함하는 파우치형 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 전극조립체, 스택/폴딩형 전극조립체 및 라미네이션/스택형 전극조립체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 파우치형 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 강성부의 두께는 다른 부분보다 50% 이상 두꺼운 파우치형 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 강성부의 두께는 0.15㎜ 이상인 파우치형 이차전지.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 강성부의 두께와 상기 제 2 강성부의 두께는 서로 동일한 파우치형 이차전지.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 강성부의 두께는 0.15 ㎜ 보다 크고, 상기 제 2 강성부의 두께는 0.1 ㎜ 이상 0.15 ㎜ 이하인 파우치형 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 강성부를 제외한 전지케이스의 두께는 0.1 ㎜ 보다 작은 파우치형 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 강성부의 금속층의 두께는 전지케이스의 다른 부분의 금속층의 두께를 기준으로 150% 이상인 파우치형 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 강성부에는 강도 향상 필름이 부가된 파우치형 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 강성부의 금속층은 SUS 소재로 이루어지고, 전지케이스 수납부의 다른 부분의 금속층은 알루미늄 소재로 이루어진 파우치형 이차전지.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 파우치형 이차전지를 포함하는 전지팩.
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