KR20190051855A - 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지 - Google Patents

선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지 Download PDF

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KR20190051855A
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Abstract

본 발명은 적어도 하나 또는 그 이상의 선형 전지를 각기 종·횡방향으로 동일한 수량으로 제공하여 일단부 교차부분에서 접착수단으로 서로 접착시킨 후, 반복적으로 교차 구조물 형태로 절곡하여 적층시킨 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지를 제공한다.

Description

선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지 {CROSS-FOLDED FLEXIBLE LITHIUM SECONDARY BATTERY}
본 발명은 플렉서블 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 종·횡방향으로 동일한 수량의 선형 전지(배터리)를 반복적으로 교차, 절곡시켜 스프링과 유사한 구조물 형태로 구성하여 종·횡방향으로 유연성(flexibility)을 갖는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능하다는 이점으로 인하여 최근 그 개발 및 사용이 증가하고 있다. 이차전지는 양극, 음극 및 분리막으로 이루어지는 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 구비한다. 이와 같은 기존의 원통형, 각형, 파우치형, 코인형 전지와 같이 정형화된 전지는 유연성이 없고, 최근 개발된 와이어 배터리의 경우 유연성은 있지만 원통형, 각형, 파우치형에 대비하여 단위 전지 당 용량이 낮은 단점이 있다.
도 1은 종래 플렉서블 이차전지(150)의 구조를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 플렉서블 이차전지(150)는, 코일 형태로 권취되어 구비되는 음극(110)과, 원통형으로 구비되고 내측에 음극(110)이 마련되어 음극(110)의 외측면을 감싸는 분리막(120)과, 분리막(120)의 외측면에 코일 형태로 권취되어 마련되는 양극(130)과, 원통형으로 구비되고 내측에 양극(130)이 마련되는 외장재(140)를 포함한다. 즉, 코일 형상으로 구비되는 음극(110)을 중심으로 그 외측면에 분리막(120), 양극(130), 외장재(140)를 순차적으로 권취하여 플렉서블 이차전지(150)를 마련한다. 이와 같이, 종래의 플렉서블 이차전지(150)는 케이블 형상으로 구비되어 휘어질 수 있도록 마련된다.
이러한 종래 플렉서블 이차전지(150)는 코일 형상의 음극(110)을 중심으로 하여 외주면에 분리막(120) 및 양극(130)을 순차적으로 권취하여야 하므로 그 제조 공정이 복잡하여 생산성이 떨어진다. 또한 에너지 밀도에 있어서도 한계가 있는 문제점이 있었다.
이를 개선한 기술로서, 본 출원인 명의의 특허출원(공개 제2016-0112235호 : "플렉서블 이차전지")은, 도 2에 도시된 바와 같이, 양극(130)/음극(110)/분리막(120)이 개재된 상태로 적층되고, 양/음극 활물질이 형성되지 않은 무지부를 절곡하여 복수개의 산(111, 121, 131)과 골(113, 123, 133)을 형성하여 산과 골의 형성방향으로 벤가능하도록 구현되고, 유연성을 갖는 재질로 형성되는 외장재에 벤딩가능한 전극조립체를 수납한 플렉서블 이차전지를 제시하고 있다. 그러나, 이와 같은 구성의 이차전지는 산과 골의 형성방향(일방향)으로만 벤딩되는 한계가 있다.
이에 본 발명자들은 선형으로 이루어진 선형 전지(배터리)를 종·횡방향으로 반복적으로 교차, 절곡시켜 종·횡방향으로 유연성을 갖도록 한 플렉서블 이차전지를 개발하기에 이르렀다.
한국 공개특허 제2016-0112235호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 종· 횡방향으로 동일한 수량의 선형 전지(배터리)를 반복적으로 교차, 절곡시켜 스프링과 유사한 구조물 형태로 구성하여 종·횡방향으로 유연성(flexibility)을 갖는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 선형 전지가 종·횡방향으로 서로 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지는 적어도 하나 또는 그 이상의 동일한 수량의 선형 전지를 각기 종·횡방향으로 제공하여 일단부 교차부분에서 접착수단으로 서로 접착시킨 후, 반복적으로 교차 구조물 형태로 절곡하여 적층시킨 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 플렉시블 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있고, 각각의 선형 전지는 전형적으로 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 패키징된 구조이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 각각의 선형 전지는 둘 이상의 단위셀들이 평면상으로 배열된 상태로 셀 케이스의 내부에 장착되어 있을 수 있으며, 상기 단위셀들 사이에는 단위셀들 상호 간의 전기적 연결을 이루면서 절곡 또는 굴곡이 가능한 접속 경계부가 형성되어 있을 수 있다.
상기한 바와 같이 복수의 단위셀 및 접속 경계부가 형성되어 있는 경우, 상호 인접한 단위셀들과 접속 경계부들의 배열 구조 및 길이가 상호 일치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단위셀들의 면적 합은 셀 케이스 내부의 전체 면적을 기준으로 바람직하게는 50% 내지 95%일 수 있고, 더욱 바람직하게는 70% 내지 90%일 수 있다.
또한, 상기 접속 경계부는 단위셀들의 전극단자들이 직접 연결된 부위 또는 전극단자들을 연결하는 버스 바인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 버스 바는 선형 전지의 부피를 최소화하기 위해 판상형 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 접속 경계부의 일면 또는 양면에는 절연물질이 코팅되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 접속 경계부의 일면 또는 양면에는 절연 테이프가 부착되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단위셀은 집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단위셀은 스택형 셀 구조, 폴딩형 셀 구조, 및 스택/폴딩형 셀 구조로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상으로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 셀 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 선형 전지가 교차 구조물 형태로 이루어진 플렉서블 이차전지를 둘 이상 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 선형 전지가 교차 구조물 형태로 이루어진 플렉서블 이차전지에 따르면, 적어도 하나 또는 그 이상의 선형 전지 쌍을 각기 일단부에서 종·횡방향으로 서로 교차 접착시킨 후, 반복적으로 교차 구조물 형태로 절곡하여 적층시켜 놓음으로써, 종·횡방향으로 유연성(flexibility)을 가질 수 있다.
또한, 전극이 접힌 구조로 구비됨에 따라 에너지 집적도를 극대화할 수 있다.
또한, 유연성을 구현하기 위하여 접히는 전극의 영역에는 별도로 활물질을 도포하지 않음으로써, 전지의 수명이 줄어드는 것을 사전에 예방할 수 있다.
도 1은 종래 플렉서블 이차전지의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 또 다른 종래 플렉서블 이차전지의 전극 조립체를 도시한 것이다
도 3은 본 발명에 따른 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지의 형성과정 및 변형예의 예시도로서, (a)도 내지 (c)도는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 절곡, 적층되는 과정을 보여주고, (d)도 내지 (f)도는 각 방향으로의 다양한 변형예(유연성)를 나타낸다.
도 4는 도 3의 형성과정에 의해 제조된 본 발명에 따른 플렉서블 이차전지의 전면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 교차 구조물 형태의 플렉서블 이차전지를 형성하기 위해 사용될 수 있는 선형 전지의 일례로서, 내부 평면도 및 측면도를 나타낸 것이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 적용된 알루미늄 포일, 구리 포일 및 파우치이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 선형 더미 셀이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 의한 선형 더미 셀로 제작한 교차 구조물이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의한 선형 더미 셀 교차 구조물을 상하로 연장시킨 일자 형태의 교차 구조물이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 'ㄱ'자 형태의 교차 구조물이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 'U'자 형태의 교차 구조물이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 플렉서블 이차전지(10)에 있어 도 3에서는 선형 전지(11 : 11', 11")가 종·횡방향으로 각기 2개씩 배치된 것으로 보여주고 있으나, 본 발명에 따른 플렉서블 이차전지(10)는 여기에 한정되지 않고, 각 방향(종, 횡방향)마다 동일한 수량의 하나 또는 그 이상의 선형 전지가 제공되는 것으로 이해하여야 한다. 본 발명에서, 선형 전지(11' , 11")는 각 방향마다 1 내지 3개가 바람직하다. 한 개의 선형 전지가 제공되는 경우에는 작업성이 좋고, 복수개의 선형 전지가 제공되는 경우에는 이차전지(10)의 변형 스트레스가 폭넓게 분산되는 이점이 있다.
도 3에 대해 설명하자면, 선형 전지(11', 11")가 종, 횡 양방향으로 2개씩 제공되고(도 3 (a) 참조), 그 일단부 교차부분에서 종,횡방향 선형 전지(11', 11")가 통상적인 접착수단(11a)에 의해 접착된다(도 3(a) 참조). 그런 다음, 2개의 횡방향 선형 전지(11")가 우측으로 절곡되고(도 3(b) 참조), 이어서, 2개의 종방향 선형 전지(11")가 하측으로 절곡된다(도 3(c) 참조). 이와 같은 절곡 과정을 반복함으로써, 플렉서블 이차전지(10)는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 이루어지게 된다. 물론, 선형 전지의 종단부 교차부분도 상기 일단부 교차부분에서와 같이 통상적인 접착수단(11a)에 의해 접착된다.
여기서, 상기 플렉서블 이차전지(10)는 리튬 이차전지일 수 있고, 상기 선형 전지(11', 11")는 도시하지는 않았지만 전형적으로 양극, 분리막 및 음극이 순차적으로 적층된 후 패키징된 선형 구조이다.
도 4는 도 3의 형성과정에 의해 제조된 선형 전지(11', 11")가 교차 구조물 형태로 이루어진 플렉서블 이차전지(10)의 전면도를 보여준다.
도 5는 본 발명에서 교차 구조물 형태를 형성하기 위해 사용할 수 있는 선형 전지의 일례를 보여주는 것으로, 단위셀(12)들이 길이방향을 향해서 평면상으로 배열된 상태로 셀 케이스(13) 내부에 장착되어 있고, 상기 단위셀(12)들 사이에는 단위셀(12)들 상호 간의 전기적 연결을 이루면서 절곡 또는 굴곡이 가능한 복수의 접속경계부(14)들이 일정한 폭으로 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이 때, 전지가 용이하게 절곡 또는 굴곡이 가능함과 동시에 소망하는 정도의 전지 용량을 얻기 위해서 상기 단위셀(12)들의 면적 합은 셀 케이스(13) 내부의 전체 면적을 기준으로 50% 내지 95%일 수 있고, 상세하게는, 70% 내지 90%일 수 있다. 상기 면적 합이 50% 미만인 경우 전지 용량이 저하될 수 있으며, 95%를 초과하는 경우 절곡 또는 굴곡이 어려워져 가요성이 떨어질 수 있다.
상기와 같이 둘 이상의 단위셀들을 평면상으로 배열하고 상기 단위셀들 사이에 단위셀들 상호 간의 전기적 연결을 이루면서 절곡 또는 굴곡이 가능한 접속 경계부를 형성하는 경우, 접속 경계부를 기준으로 전지가 장착되는 다양한 디자인의 디바이스 또는 플렉서블 디바이스에 대응하여 유연하게 휘거나 굽힐 수 있는 바, 하나의 단위셀로 이루어진 전지와 달리 전지를 구부릴 때 활물질 코팅층에 크랙이 생김으로 인해 전지의 기능을 상실하는 문제점이 없이 디바이스의 형상에 정밀하게 대응할 수 있다. 다만, 전지 내부는 상기한 복수의 단위셀로 이루어진 것에 구조에 한정되지 아니하며, 하나의 단위셀로 이루어질 수도 있다. 만약 하나의 단위셀을 포함하는 선형 전지의 경우, 전지 외면의 절곡 부위에 활물질의 크랙을 방지하기 위한 테이프가 부착될 수 있다.
상기 단위셀 및 접속 경계부의 배치는, 특별히 한정되지 아니하나, 단위셀을 포함하는 전지가 디바이스에 내장되어 사용되는 경우를 고려하여, 절곡 또는 굴곡이 많이 이루어지는 부분에 접속 경계부가 존재하고, 그 외의 부분에 단위셀들이 위치하도록 함이 바람직하다.
이때, 단위셀들의 배열 형태는, 전지가 절곡 또는 굴곡되는 방향을 크게 길이방향 및 폭방향으로 구분하여 필요에 따라 결정될 수 있고, 한정되지 아니하나, 둘 이상의 방향으로 절곡 또는 굴곡이 가능할 수 있도록 단위셀들이 길이방향 및 폭방향으로 모두 배열된 경우에는, 전지가 하나의 방향으로 절곡 또는 굴곡될 수 있도록 단위셀들이 일방향으로 배열된 구성에 비해, 디바이스의 변형의 방향에 상관없이 유연하게 대응할 수 있고, 길이방향과 폭방향으로 모두 축소된 형상을 가질 수도 있는 바, 디바이스의 형상에 더욱 정밀하게 대응할 수 있다.
따라서, 상기 전지는, 전지가 길이방향 및 폭방향으로 절곡 또는 굴곡이 가능할 수 있도록, 길이방향으로 배열된 둘 이상의 단위셀들과 폭방향으로 배열된 둘 이상의 단위셀들을 포함할 수 있다.
또한, 상호 인접한 단위셀들과 접속 경계부들의 배열 구조 및 길이가 상호 일치하지 않아서 하나의 접속 경계부가 절곡 또는 굴곡 되는 위치에 인접한 단위셀이 배열되는 경우, 접속 경계부의 절곡 또는 굴곡 시 인접한 단위셀의 활물질층의 크랙이 발생하는 문제점이 있을 수 있는 바, 전지가 활물질의 탈리 없이 용이하게 절곡 또는 굴곡될 수 있도록, 상호 인접한 단위셀들과 접속 경계부들의 배열 구조 및 길이는 상호 일치할 수 있다.
여기서, 길이방향은 전지에서의 전극단자 형성방향을 의미하고, 폭방향은 이에 수직인 방향을 의미한다.
더욱이, 일반적으로 디바이스의 중심부에서 절곡 또는 굴곡이 주로 이루어지고, 상기 디바이스에 장착되는 전지 또한 중심부에서 절곡 또는 굴곡되는 경우가 많으므로, 전지의 중심에 위치한 접속 경계부의 폭이 크되, 전지의 가장자리에 위치한 접속 경계부의 폭은 작은 것이 전지의 용량적인 측면에서 바람직하다.
따라서, 상호 인접한 단위셀들의 간격인 접속 경계부의 폭은 전지의 중심에서 가장자리 쪽으로 감소하는 구조일 수 있고, 이때, 가장 큰 크기의 접속 경계부 폭을 기준으로 50% 내지 95% 범위에서 일정하게 감소할 수 있다.
한편, 상기 접속 경계부는 단위셀들의 전극단자들이 직접 연결된 부위 또는 전극단자들을 연결하는 버스 바일 수 있다.
상기 버스 바는, 전기 전도성을 가지고, 절곡 또는 굴곡이 가능하도록 연성이 뛰어난 소재로서 상세하게는 금속 소재로 이루어질 수 있고, 예를 들어 Zn, Cu, Ni, Al 등의 금속으로 이루어질 수 있으며, 전지모듈의 부피 증가를 최소한으로 하기 위한 판상형 구조로 형성될 수 있다
이러한 상기 접속 경계부가 단위셀들 상호 간의 전기적 연결을 이룰 때, 상기 전기적 연결은 직렬 연결 또는 병렬 연결일 수 있다. 또한, 병렬 연결일 때에는 단위셀의 배열 방향에 따라 별도의 전기적 연결이 필요할 수 있는데, 특히 단위셀들 상호 간 전극단자들이 직접 연결된 경우에는 전지의 중심자리에 있는 단위셀들로부터 전지의 전극단자로 연결되는 별도의 전기적 연결이 있을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 접속 경계부의 일면 또는 양면에는, 쇼트의 방지와 안전성의 향상을 위해 절연물질이 코팅되어 있거나, 절연 테이프가 부착되어 있을 수 있다.
상기 단위셀은 집전체 상에 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고 있을 수 있다.
상기 단위셀의 종류는 한정되지 아니하나, 상세하게는 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 셀 구조, 또는 양극과 음극과 분리막을 개재한 상태에서 권취심을 중심으로 권취한 구조의 폴딩형 셀 구조, 또는 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 셀 구조로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상으로 이루어질 수 있다. 이때 상기 스택형 단위셀의 양극, 분리막, 음극, 또는 폴딩형 단위셀의 양극, 분리막, 음극, 또는 스택/폴딩형 단위셀의 바이셀 또는 풀셀들은 접합(laminate)되어 있는 구조일 수 있다.
여기서, 상기 바이셀은 같은 종류의 전극이 셀이 양측에 위치하는 스택형 구조로 이루어져 있고, 예를 들어, 양극-분리막-음극-분리막-양극 또는 음극-분리막-양극-분리막-음극으로 이루어진 셀이다. 상기 풀셀은 다른 종류의 전극이 셀의 양측에 위치하는 스택형 구조로 이루어져 있으며, 예를 들어, 양극-분리막-음극으로 이루어진 셀이다.
이러한 단위셀들의 크기는 한정되지 아니하고, 다양하게 가능하며, 전지가 장착되는 디바이스의 종류에 따라 절곡 또는 굴곡되는 횟수 등을 고려하여 결정될 수 있다. 구체적으로, 단위셀들의 크기가 작을수록, 접속 경계부가 형성되는 간격이 좁아지고, 따라서, 보다 플렉서블한 단위셀을 구성할 수 있는 바, 절곡 또는 굴곡되는 횟수가 많이 필요한 경우에, 단위셀들의 크기를 작게 하고, 절곡 또는 굴곡되는 횟수가 적게 필요한 경우에, 단위셀들의 크기를 크게 하여 디바이스에 보다 정밀하게 대응할 수 있다.
다만, 이때 상기 단위셀들의 면적 합은, 상세하게는 셀 케이스 내부의 전체 면적을 기준으로 50% 내지 95%일 수 있고, 더욱 상세하게는, 70% 내지 90%일 수 있다. 상기 단위셀들의 면적 합이 셀 케이스 내부의 전체 면적을 기준으로 50 % 미만일 경우에는, 하나의 전지로부터 발휘되는 전지 용량의 감소에 의해 소망하는 정도의 용량을 얻기 위해 전지의 크기가 매우 커지는 문제가 있을 수 있고, 단위셀들의 면적 합이 셀 케이스 내부의 전체 면적을 기준으로 95 % 를 초과하는 경우에는, 접속 경계부가 면적이 줄어 전지를 용이하게 절곡 또는 굴곡하지 못할 수 있고, 절곡 또는 굴곡시 단위셀에까지 응력이 가해져 접속 경계부 주위의 단위셀에 있는 전극 합제층의 탈리가 쉽게 일어날 수 있어 바람직하지 않다.
한편, 단위셀들은 셀 케이스에 의해 고정되어 있어 셀 케이스 내부에서의 움직임을 방지할 수 있다.
상세하게는, 셀 케이스 내부에 단위셀들의 장착 공간 이외의 공간을 최소한으로 줄여 달성할 수 있고, 또는 단위셀들을 고정하기 위한 셀 케이스의 상단 또는 하단에 형성되는 별도의 플라스틱 고정 부재, 단위셀들의 경계면에 대응하는 셀 케이스에 형성된 돌기형 스트립 등을 더 포함할 수 있다.
상기 셀 케이스는, 단위셀들의 상면에 접하는 상부 케이스와 하면에 접하는 하부 케이스를 포함하고 있고, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스 중의 적어도 하나에는 접속 경계부에 대응하는 부위가 만입되어 있는 만입부가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 만입부는 셀 케이스에 여유면을 더 형성하기 위한 부위로서, 셀 케이스의 절곡 또는 굴곡이 일어나는 부위의 표면적을 넓혀주어, 전지가 절곡 또는 굴곡될 때 셀 케이스에 가해지는 응력을 분산함으로써 각 부위에 가해지는 응력을 완화하는 효과를 가지며, 이 때, 상기 만입부의 깊이는 단위셀의 평균 두께를 기준으로 3 내지 40% 크기일 수 있다.
상기 셀 케이스는, 상세하게는, 다양한 디자인의 디바이스 내에 쉽게 장착될 수 있는 전지의 유연한 특성을 가지고 수지층과 금속층을 포함하고 있는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스일 수 있다.
이때, 상기 라미네이트 시트는, 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있고, 상세하게는 금속층의 일면(외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 수지 실란트층이 부가되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 수지 외곽층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 것이 필요하다. 그러한 측면에서 수지 외곽층의 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속층은 가스, 습기 등 이물질의 유입 내지 누출을 방지하는 기능 이외에 전지케이스의 강도를 향상시키는 기능을 발휘할 수 있도록, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다.
상기 수지 실란트층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 폴리올레핀(polyolefin)계 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 더욱 상세하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)이 사용될 수 있다.
일반적으로 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀계 수지는 금속과의 접착력이 낮으므로, 상기 금속층과의 접착력을 향상시키기 위한 방안으로서, 상세하게는 상기 금속층과 수지 실란트층 사이에 접착층을 추가로 포함하여 접착력 및 차단 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 접착층의 소재로는, 예를 들어, 우레탄(urethane)계 물질, 아크릴(acryl)계 물질, 열가소성 일래스토머(elastomer)를 함유하는 조성물 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 상기 전지는 유연한 접속 경계부와 가변적인 셀 케이스로 인해 전지가 장착되는 디바이스의 형상에 따라 절곡 또는 굴곡될 수 있는 바, 디바이스에 장착되는 형태는 한정되지 아니하고, 디바이스의 종류에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 절곡 또는 굴곡되지 않은 형태로 디바이스에 장착된 후 디바이스의 형상 변형에 따라 유연하게 대응할 수도 있으며, 디바이스에 장착될 때 절곡 또는 굴곡된 형태로 장착될 수 있고, 절곡된 상태로 장착되는 경우에는, 한번 이상 절곡된 형태로 장착될 수도 있다.
한편, 본 발명은 또한, 상기 전지셀을 둘 이상 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다. 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서 에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 도면에 특별히 도시하여 설명하지는 않았지만, 셀 케이스 내부에 복수의 단위셀들을 장착하는 경우, 단위셀들의 움직임으로 인한 쇼트 등을 방지하기 위하여, 단위셀들은 셀 케이스에 의해 고정될 수 있고, 상세하게는, 셀 케이스 내부에 단위셀들의 장착 공간 이외의 공간을 최소한으로 하거나, 또는 셀 케이스가, 단위셀들을 고정하기 위한 셀 케이스의 상단 또는 하단에 형성되는 별도의 플라스틱 고정 부재, 단위셀들의 경계면에 대응하는 셀 케이스에 형성된 돌기형 스트립 등을 더 포함함으로써 달성할 수 있다.
도면을 참조하여 설명하였듯이, 본 발명에 따른 플렉서블 이차전지는, 둘 이상의 단위셀들이 평면상으로 배열된 상태로 셀 케이스의 내부에 장착되어 있을 수도 있으며, 단위셀들 사이에는 단위셀들 상호 간의 전기적 연결을 이루면서 절곡 또는 굴곡될 수 있다.
이 가능한 접속 경계부를 형성하여 구성됨으로써, 활물질 코팅층의 크랙(crack) 발생, 또는 접착력의 약화로 인한 탈리 등으로 인한 전지의 기능을 상실하는 문제점 없이, 다양한 절곡 또는 굴곡 형태로의 디자인이 가능하므로, 전지가 장착되는 다양한 디자인의 디바이스 또는 플렉서블 디바이스에 따라 다양한 형태로 유연하고 정밀하게 대응할 수 있다.
이와 더불어 전지의 패키징 전 단계에서 전극조립체의 절곡이 예정된 부위에 추가적인 테이핑 작업을 함으로써, 절곡부의 탈리 방지가 가능하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가지 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<선형 이차전지 더미 셀(Dummy Cell)의 제조>
본 발명의 일 실시예에 의한 플렉서블 이차전지 구조물을 구현하기 위하여, 도 6a와 같이 알루미늄 포일과 구리 포일, 그리고 절연성 고분자 소재로 이루어진 이차전지용 파우치을 각각 준비하였다. 상기 알루미늄 포일 및 구리 포일의 물성은 하기 표 1에 나타낸 것과 같으며, 파우치의 두께는 150㎛였다.
구분 알루미늄 포일 구리포일
두께(㎛) 15 10
인장강도
(kgf/㎟)		 28.3 32.5
신율(%) 2.3 10.6
상기 파우치를 반으로 접어 알루미늄 포일과 구리 포일을 파우치 내부에 넣은 후, 파우치의 개봉된 면을 열융착하여 밀봉하여 선형의 더미 셀을 제조하였다. 이후 같은 방법으로 상기 더미 셀을 도 6b와 같이 총 4개 제조하였다.
<플렉서블 교차 구조물의 제조>
실시예 1
도 3에 도시되어 있는 것과 같이, 상기 더미 셀들을 종방향으로 2개, 횡방향으로 2개 직교하도록 단부를 접착시켰다. 이후 종방향 및 횡방향으로 번갈아 가며 절곡을 반복하여, 도 7a와 같은 4개의 더미 셀로 이루어진 교차 구조물을 제작하였으며 구조물의 높이는 2cm였다.
상기 교차 구조물이 완성된 후 상단과 하단을 각각 상하 방향으로 잡아당겨 도 7b와 같은 플렉서블 구조의 교차 구조물을 제작하였다. 도 7a와 도 7b를 함께 참조하면 본 발명에 의한 교차 구조물은 신축성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 교차 구조물은 10cm이상의 높이로 5배 이상 상하 방향으로 연장하는 것이 가능하였다.
실시예 2
실시예 1과 같은 방법으로 교차 구조물을 제조한 후 도 8에 나타난 것과 같이 'ㄱ'자 형태로 구조물 형태를 변형하였다.
실시예 3
실시예 1과 같은 방벙으로 교차 구조물을 제조한 후 도 9에 나타난 것과 같이 'U'자 형태로 구조물 형태를 변형하였다.
고찰
상기 실시예 1 내지 3에서 나타난 바와 같이 본 발명에 의한 교차 구조물은 가요성이 매우 우수하여 모든 방향으로 자유롭게 변형이 가능하다. 따라서, 이차전지 제조 시 종래의 플렉서블 이차전지보다도 더욱 다양한 형태의 전자 제품에 적용하는 것이 가능하다.
<시험예>
선형 전지를 교차하여 절곡시킬 경우 절곡부에서 발생할 수 있는 포일의 파단 여부를 확인하기 위하여 폴딩 내구도 시험을 시행하였다. 폴딩 내구도 시험은 알루미늄 포일, 구리 포일, 더미 셀을 대상으로 하여 다음과 같은 방법으로 수행하였다.
먼저 시험 대상의 양 끝단을 손으로 잡고 외력을 가하여 길이 방향으로 시험 대상을 면과 면이 맞닿을 때까지 완전히 접었다. 접혀진 시험 대상을 평평하게 편 다음, 방향을 바꾸어 접힌 흔적을 따라 반대 방향으로 다시 완전히 접었다가 폈다.
이런 방법으로 각각의 시험 대상에 대하여 최대 200 cycle까지 반복하여 파단 여부를 관찰하였다. 더미셀의 경우 200 cycle을 수행한 후 파우치 내부의 포일들을 꺼내어 파단 여부를 관찰하였다. 시험 결과는 아래 표 2에 나타내었다.
구분 알루미늄 포일 구리 포일 더미 셀
폴딩 내구도(Cycle) 14 Cycle 후 파단 16 Cycle 후 파단 200 cycle 후에도
파단되지 않음
고찰
위 표 2에 나타난 것과 같이 알루미늄 포일과 구리 포일은 20 cycle 이내에 모두 파단되었다. 그러나, 더미 셀 안의 알루미늄 포일과 구리 포일은 200 cycle 후에도 파단되지 않는 것이 확인되었다. 즉, 선형 전지를 이용하여 제작하는 경우 가요성 뿐만 아니라 내구성도 우수하여 바람직하다.
10 : 플렉서블 이차전지 11 : 선형 전지
12 : 단위셀 13 : 셀 케이스
14 : 접속경계부

Claims (13)

  1. 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지로서,
    적어도 하나 또는 그 이상의 선형 전지를 각기 종·횡방향으로 동일한 수량으로 제공하여 일단부 교차부분을 접착수단으로 서로 접착시킨 후, 상기 선형 전지를 각기 종·횡방향으로 반복적으로 교차 구조물 형태로 절곡시킨 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 선형 전지는 둘 이상의 단위셀들이 평면상으로 배열된 상태로 셀 케이스의 내부에 장착되어 있고, 상기 단위셀들 사이에는 단위셀들 상호 간의 전기적 연결을 이루면서 절곡 또는 굴곡이 가능한 접속 경계부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상호 인접한 상기 단위셀들과 접속 경계부들의 배열 구조 및 길이가 상호 일치하는 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지.

  4. 제2항에 있어서,
    상기 접속 경계부는 단위셀들의 전극단자들이 직접 연결된 부위 또는 전극단자들을 연결하는 버스 바인 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 버스 바는 판상형 구조인 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 접속 경계부의 일면 또는 양면에는 절연물질이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 접속 경계부의 일면 또는 양면에는 절연 테이프가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 단위셀은 스택형 셀 구조, 폴딩형 셀 구조 또는 스택/폴딩형 셀 구조로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 단위셀들의 면적의 합은 셀 케이스 내부의 전체 면적을 기준으로 50% 내지 95%인 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 단위셀들의 면적의 합은 셀 케이스 내부의 전체 면적을 기준으로, 70% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 선형 전지는 파우치형 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 파우치형 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트인 것을 특징으로 하는 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지.
  13. 제1항에 의한 선형 전지가 교차 구조물 형태로 형성된 플렉서블 이차전지를 포함하는 전지팩.
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