KR20190064724A - 파우치형 이차전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

파우치형 이차전지 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 이차전지는 전극조립체; 전극조립체에 연결된 전극탭; 전극조립체와 전극탭을 밀봉 상태로 수용하는 파우치 외장재; 및 전극탭과 연결된 상태로 파우치 외장재를 통과해 외부로 연장되는 리드탭을 포함하고, 리드탭은 파우치 외장재 내에 마련된 굴절연결부; 및 굴절연결부 일측에 상대적으로 단면적이 작게 마련되어 과전류 통전 또는 파우치 외장재의 팽창 시 끊어지는 파단부를 포함한다.

Description

파우치형 이차전지 및 그 제조방법{POUCH TYPE SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 파우치 외장재 내에서 전극탭과 리드탭 연결부가 점유하는 공간을 최소화할 수 있는 파우치형 이차전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
충전과 방전이 가능한 이차전지는 모바일기기의 에너지원 뿐 아니라 전기자동차, 하이브리드 자동차 등 다양한 산업분야의 에너지원으로 광범하게 이용되고 있다.
이차전지는 형태에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등으로 구분할 수 있다. 이 중 파우치형 이차전지는 중량당 에너지밀도가 높고 가격이 저렴하며 변형도 용이하기 때문에 다양한 분야에서 이용하고 있다.
파우치형 이차전지는 양극판, 음극판, 분리막을 갖춘 전극조립체, 전극조립체와 연결된 양과 음의 전극탭들, 전극조립체를 밀봉 상태로 수용하는 파우치 외장재, 전극탭들에 각각 연결된 상태로 파우치 외장재의 외측으로 연장되는 리드탭들을 포함할 수 있다.
한편, 파우치형 이차전지는 과충전 시, 고온에 노출 시, 낙하 등으로 충격을 받을 경우 등 비 정상적인 상태에서 과열되어 내부의 가스가 팽창할 수 있고, 심하면 폭발할 수도 있다. 따라서 파우치형 이차전지는 과열이나 폭발을 방지하는 안전수단을 강구하는 것이 중요하다.
종래에는 과열 등으로 파우치 외장재가 팽창할 경우 리드탭이 끊어지도록 하여 전류 흐름을 차단되도록 하기도 하였다. 그러나 안전수단을 갖춘 파우치형 이차전지는 파우지 외장재 내에 전극탭과 리드탭을 연결하기 위한 공간 뿐 아니라, 안전수단의 배치를 위한 공간도 확보해야 하기 때문에 부피가 커질 수 있다. 즉 파우지 외장재 내에 전극조립체가 점유하는 공간 외 사공간(전극탭 등의 연결을 위한 공간)이 증대하기 때문에 에너지 밀도를 높이는데 한계가 있었다.
본 발명의 일 측면은 전극탭과 리드탭의 연결부 및 안전수단이 점유하는 공간을 최소화하여 에너지 밀도를 높일 수 있도록 하는 파우치형 이차전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극조립체; 상기 전극조립체에 연결된 전극탭; 상기 전극조립체 및 상기 전극탭을 밀봉 상태로 수용하는 파우치 외장재; 및 상기 전극탭과 연결된 상태로 상기 파우치 외장재를 통과해 외부로 연장되는 리드탭;을 포함하고, 상기 리드탭은 상기 파우치 외장재 내에 마련된 굴절연결부; 및 상기 굴절연결부 일측에 상대적으로 단면적이 작게 마련되어 과전류 통전 또는 상기 파우치 외장재의 팽창 시 끊어지는 파단부;를 포함하는 파우치형 이차전지가 제공될 수 있다.
상기 파우치 외장재는 상기 전극조립체 둘레를 덮는 둘레부; 및 상기 둘레부의 양단 개구에 밀봉 결합되며, 상기 리드탭이 관통하는 커버부;를 포함할 수 있다.
상기 둘레부의 양단 개구와 상기 커버부는 상기 커버부 둘레에 부착된 실런트에 의해 밀봉 결합될 수 있다.
상기 리드탭은 상기 커버부의 성형 시 상기 커버부에 일체화된 형태로 결합되고, 상기 굴절연결부가 상기 커버부 내측에 위치할 수 있다.
상기 굴절연결부는 'ㄹ'형으로 굴절되고, 상기 파단부는 상기 커버부와 인접한 쪽에 노치(notch)형태로 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극탭이 마련된 전극조립체의 둘레에 파우치 외장재의 둘레부를 결합시키는 둘레부 결합공정; 리드탭에 상기 파우치 외장재의 커버부를 일체화 상태로 성형하는 커버부 성형공정; 상기 리드탭을 상기 전극탭에 결합하는 리드탭 결합공정; 상기 커버부와 상기 전극탭 사이의 상기 리드탭을 굴절시켜 굴절연결부를 만드는 공정; 및 상기 굴절연결부 성형 후 상기 커버부의 둘레를 상기 둘레부의 단부에 밀봉 결합시키는 커버부 결합공정을 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 리드탭에 파우치 외장재의 커버부를 일체화 상태로 성형하는 커버부 성형공정; 상기 리드탭을 전극조립체와 연결된 전극탭에 결합하는 리드탭 결합공정; 상기 커버부와 상기 전극탭 사이의 상기 리드탭을 굴절시켜 굴절연결부를 만드는 공정; 및 상기 굴절연결부 성형 후 상기 전극조립체의 둘레에 상기 파우치 외장재의 둘레부를 결합시킴과 동시에 상기 둘레부 양단을 상기 커버부의 둘레에 밀봉 결합시키는 둘레부 결합공정을 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법이 제공될 수 있다.
상기 파우치형 이차전지의 제조방법은 상기 커버부 성형공정 전에 상기 리드탭에 노치형태의 파단부를 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 이차전지는 굴절연결부의 성형에 의해 리드탭의 파단부(안전수단)이 전극탭에 근접하여 위치할 수 있고, 파우치 외장재의 둘레부와 커버부가 연결되는 부분이 전극탭과 리드탭이 연결되는 부분의 외측에 위치할 수 있다. 따라서 파우치 외장재 내에서 전극탭과 리드탭 연결부분 및 리드탭에 파단부가 형성된 부분이 점유하는 공간을 최소화하여 에너지 밀도를 높일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 이차전지는 과전류가 흐르거나 전극조립체의 과열로 인하여 파우치 외장재가 팽창할 경우 리드탭의 파단부가 ?D어짐으로써 전류의 흐름을 차단할 수 있다. 따라서 파우치형 이차전지가 폭발하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 이차전지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법 중 리드탭 연결공정을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법 중 커버부 결합공정을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 이차전지의 팽창 시 리드탭의 파단부가 끊어지는 상태를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법을 나타낸다.
도 7과 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 파우치형 이차전지의 제조방법을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 이차전지의 커버부와 리드탭 결합부분 변형 예를 나타낸다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략할 수 있고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기 등을 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 이차전지의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는 전극조립체(110), 전극조립체(110)를 밀봉상태로 수용하는 파우치 외장재(120), 전극조립체(110)의 양측으로부터 각각 파우치 외장재(120) 외측으로 연장된 양극과 음극의 전극탭(111,112), 전극탭(111,112)과 연결된 상태로 파우 외장재(120) 외측으로 연장된 리드탭(113,114)을 포함한다.
전극조립체(110)는 양극판, 음극판 및 분리막을 포함한다. 전극조립체(110)는 분리막이 개재된 상태에서 양극판과 음극판이 순차적으로 적층된 형태일 수 있다. 또 전극조립체(110)는 긴 시트형의 양극판과 음극판이 분리막을 개재한 상태로 권취된 권취형 전극조립체, 소정 단위의 양극판과 음극판을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 일 수 있다.
양극판은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극 집전체와 그 양면에 코팅된 양극 활물질층을 포함할 수 있다. 양극판은 양 면에 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체 영역, 즉 양극 무지부가 형성될 수 있다. 양극판은 양극 무지부의 일측단에 금속 재질 이를 테면 알루미늄(Al) 재질로 된 양의 전극탭(111)이 접합될 수 있다.
음극판은 전도성 금속 박판, 예를 들면 구리(Cu) 호일로 이루어진 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 음극판은 양 측부에 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체 영역, 즉 음극 무지부가 형성된다. 음극판은 일측단에 금속 재질, 이를 테면 니켈(Ni) 재질로 된 음의 전극탭(112)이 접합될 수 있다.
분리막은 양극판과 음극판 사이에 위치하여, 양극판과 음극판을 서로 전기적으로 절연시키며, 양극판과 음극판 사이에서 리튬 이온 등이 서로 통과할 수 있도록 다공성막 형태로 형성될 수 있다. 이러한 분리막은 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP), 또는 이들의 복합필름을 사용한 다공성막으로 이루어질 수 있다.
전극조립체(110)를 밀봉하는 파우치 외장재(120)는 전극조립체(110)의 둘레를 포위하여 밀봉하는 둘레부(121)와, 둘레부(121) 양단의 개구에 밀봉 결합되는 양측의 커버부(122,123)를 포함할 수 있다. 둘레부(121)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연질소재로 마련될 수 있다. 커버부(122,123)는 둘레부(121) 양단의 개구 크기에 대응하도록 수지재의 사출성형에 의해 마련될 수 있다. 커버부(122,123)의 둘레는 도 2에 도시한 바와 같이, 실런트(125)에 의해 둘레부(121)의 양단에 밀봉 상태로 결합된다.
전극탭(111,112)은 커버부(122,123)와 대향하는 전극조립체(110)의 양단 쪽에 각각 마련되고, 파우치 외장재(120)의 외측으로 연장된 리드탭(113,114)과 각각 연결된다. 즉 리드탭(113,114)은 전극탭(111,112)과 연결된 상태로 파우치 외장재(120)의 커버부(123)를 통과해 외부로 연장된다. 리드탭(122,123)은 사출성형을 통해 커버부(122,123)를 성형하는 과정에서 금형 내에 인서트됨으로써 그 중간부분이 커버부(122,123)에 일체화된 형태로 결합될 수 있다.
리드탭(113,114)은 굴절연결부(113a,114a)와 파단부(115)를 포함한다. 굴절연결부(113a,114a)는 전극탭(111,112)과 커버부(122,123) 사이의 위치에서 리드탭(113,114)의 굴절변형에 의해 형성된다. 그리고 파단부(115)는 굴절연결부(113a,114a)의 일측에 상대적으로 단면적이 작은 노치(Notch)형태로 마련될 수 있다.
이러한 파우치형 이차전지(100)는 도 5에 도시한 바와 같이, 과전류나 과충전이 발생할 경우 내부에서 가스가 발생하여 파우치 외장재(120) 내부의 압력이 상승하고, 내부압력의 상승에 의해 파우치 외장재(120)의 커버부(122,123) 쪽이 팽창하여 파단부(115)가 끊어짐으로써 전류의 흐름을 차단해 파우치형 이차전지(100)가 폭발하는 것을 방지할 수 있다. 파단부(115)는 커버부(122,123)가 팽창할 때 끊어질 수 있도록 커버부(122,123)와 인접한 위치에 마련될 수 있다.
이러한 구성은 굴절연결부(113a,114a)에 의해 파단부(115,안전수단)의 위치가 전극탭(111,112) 쪽으로 근접 배치됨으로써 파우치 외장재(120) 내에서 전극탭(111,112)과 리드탭(113,114)의 연결부 및 파단부(115)가 형성된 부분이 점유하는 공간을 최소화 하기 위함이다.
도 9는 커버부(122,123)와 리드탭(113,114) 결합부분 변형 예를 나타낸다. 도 9의 예는 커버부(122,123)를 성형하는 과정에서 파단부(115)를 사이에 두고 리드탭(114)의 굴절연결부(114a)의 양측이 커버부(123)에 고정된 형태다. 즉 리드탭(114)은 파단부(115)를 사이에 두고 커버부(123) 외측으로 연장되는 제1부분(114b)과 굴절연결부(114a) 일측의 제2부분(114c)이 커버부(123)에 고정될 수 있다. 이 경우, 파우치 외장재(120) 내부의 압력 상승으로 커버부(123)가 벌어지는 형태로 변형되면 파단부(115)가 쉽게 끊어질 수 있다.
다음은 이러한 파우치형 이차전지의 제조방법에 대해 설명한다.
파우치형 이차전지(100)의 제조방법은 도 6에 도시한 바와 같이, 둘레부 결합공정(141), 커버부 성형공정(142), 리드탭 결합공정(143), 굴절연결부 성형공정(144), 커버부 결합공정(145)을 포함할 수 있다.
둘레부 결합공정(141)은 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 양단 쪽에 전극탭(111,112)이 마련된 전극조립체(110)의 둘레를 포위하여 밀봉하도록 파우치 외장재(120)의 둘레부(121) 결합시킨다. 이렇게 하면, 둘레부(121)는 양단이 개방된 상태에서 전극조립체(110)의 둘레를 밀봉상태로 덮는다. 아울러, 전극탭(111,112)도 둘레부(111,112) 내측에 위치한다.
커버부 성형공정(142)은 도 6에 도시한 바와 같이, 둘레부 결합공정(141)과 동시에 별도의 공정에서 이루어지거나 그 이전에 이루어질 수 있다. 커버부 성형공정(142)은 리드탭(113,114)을 금형에 인서트한 상태로 사출성형을 통해 커버부(122,123)를 성형한다. 이렇게 하면, 리드탭(113,114)과 커버부(122,123)가 일체화된 상태로 제조될 수 있다.
리드탭(113,114)에 마련된 파단부(115)는 커버부 성형공정(142) 전에 리드탭(113,114)의 표면에 노치형태로 형성될 수 있다.
리드탭 결합공정(143)은 도 3에 도시한 바와 같이, 커버부(122,123)가 결합된 직선형 리드탭(113,114, 굴절연결부가 성형되기 전)을 용접을 통해 전극조립체(110)의 전극탭(111,112)에 연결한다. 이때는 파우치 외장재(120)의 둘레부(121)와 커버부(122,123)가 이격된 상태이므로 간섭을 최소화한 상태에서 리드탭(113,114)을 결합할 수 있다.
굴절연결부 성형공정(144)은 도 4에 도시한 바와 같이, 리드탭(113,114) 결합 후 전극탭(111,112)과 커버부(122,123) 사이의 리드탭(커버부 내측의 리드탭)을 'ㄹ'형으로 굴절시켜 굴절연결부(113a,114a)을 성형한다. 굴절연결부(113a,114a)를 성형할 때는 별도의 지그를 이용할 수 있다. 이처럼 굴절연결부(113a,114a)를 성형하면 커버부(122,123)의 둘레가 둘레부(121)의 양단에 근접하여 둘레부(121)에 결합 가능한 상태가 된다.
커버부 결합공정(145)은 굴절연결부(113a,114a) 성형 후 커버부(122,123) 둘레에 미리 부착해 둔 실런트(125)와 둘레부(121)의 개구를 부착시켜 밀봉함으로써 제조를 마친다. 이렇게 하면, 전극조립체(110), 전극탭(111,112), 굴절연결부(113a,114a), 파단부(115)가 파우치 외장재(120) 내에 위치한 상태로 밀봉된다.
본 실시 예의 파우치형 이차전지(100)는 굴절연결부(113a,114a)의 성형에 의해 리드탭(113,114)에 파단부(115,안전수단)가 형성된 부분이 전극탭(111,112)에 근접하여 위치할 수 있고, 파우치 외장재(120)의 둘레부(121)와 커버부(122,123)가 연결되는 부분이 전극탭(111,112)과 리드탭(113,114)이 연결되는 부분의 외측에 위치할 수 있다. 따라서 파우치 외장재(120) 내에서 전극탭(111,112)과 리드탭(113,114) 연결부 및 리드탭(113,114)에 파단부(115)가 형성된 부분이 점유하는 공간을 최소화하여 에너지 밀도를 높일 수 있다.
본 실시 예의 파우치형 이차전지(100)는 도 5와 도 9에 도시한 바와 같이, 과전류나 과충전 시 전극조립체(110)의 과열로 인하여 파우치 외장재(120)가 팽창할 경우 리드탭(113,114)의 파단부(115)가 ?D어짐으로써 전류의 흐름을 차단할 수 있다. 따라서 파우치형 이차전지(100)가 폭발하는 것을 방지할 수 있다.
도 7과 도 8은 파우치형 이차전지 제조방법의 다른 실시 예를 나타낸다. 도 7과 도 8에 도시한 제조방법은 도 6의 예와 다르게 커버부 성형공정(151), 리드탭 결합공정(152), 굴절연결부 성형공정(153), 둘레부 결합공정(154)을 순차적으로 수행하여 파우치형 이차전지(100)를 제조할 수 있다.
커버부 성형공정(151)은 앞서 설명한 바와 같이, 리드탭(113,114)에 파우치 외장재(120)의 커버부(122,123)를 일체화 상태로 성형한다. 도 7과 도 8의 예에서도 리드탭(113,114)에 마련된 파단부(115)는 커버부 성형공정(151) 전에 리드탭(113,114)의 표면에 노치형태로 형성될 수 있다.
리드탭 결합공정(152)은 커버부(122,123)가 결합된 리드탭(113,114)을 전극조립체(110)의 전극탭(111,112)에 연결한다. 이때는 리드탭(113,114)에 굴절연결부(113a,114a)가 성형되지 않은 상태다. 아울러, 전극조립체(110) 둘레에 파우치 외장재(120)의 둘레부(121)가 결합되지 않은 상태다.
굴절연결부 성형공정(153)은 리드탭(113,114) 결합 후 전극탭(111,112)과 커버부(122,123) 사이의 리드탭(커버부 내측의 리드탭)을 'ㄹ'형으로 굴절시켜 굴절연결부(113a,114a)을 성형한다.
둘레부 결합공정(154)은 굴절연결부(113a,114a) 성형 후 전극조립체(110)의 둘레에 파우치 외장재(120)의 둘레부(121)를 결합시킴과 동시에 둘레부(121) 양단을 커버부(122,123)의 둘레에 미리 부착된 실런트(125)에 부착시켜 밀봉 결합시킴으로써 제조를 마친다.
도 6의 파우치형 이차전지 제조방법과 도 7 및 도 8의 파우치형 이차전지 제조방법은 공정이 일부 다르지만 최종 이차전지를 동일한 형태로 제조할 수 있다.
100: 파우치형 이차전지, 110: 전극조립체,
111,112: 전극탭, 113,114: 리드탭,
113a,114a: 굴절연결부, 115: 파단부,
120: 파우치 외장재, 121: 둘레부,
122,123: 커버부, 125: 실런트.

Claims (8)

  1. 전극조립체;
    상기 전극조립체에 연결된 전극탭;
    상기 전극조립체 및 상기 전극탭을 밀봉 상태로 수용하는 파우치 외장재; 및
    상기 전극탭과 연결된 상태로 상기 파우치 외장재를 통과해 외부로 연장되는 리드탭;을 포함하고,
    상기 리드탭은,
    상기 파우치 외장재 내에 마련된 굴절연결부; 및
    상기 굴절연결부 일측에 상대적으로 단면적이 작게 마련되어 과전류 통전 또는 상기 파우치 외장재의 팽창 시 끊어지는 파단부;를 포함하는 파우치형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파우치 외장재는,
    상기 전극조립체 둘레를 덮는 둘레부; 및
    상기 둘레부의 양단 개구에 밀봉 결합되며, 상기 리드탭이 관통하는 커버부;를 포함하는 파우치형 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 둘레부의 양단 개구와 상기 커버부는 상기 커버부 둘레에 부착된 실런트에 의해 밀봉 결합되는 파우치형 이차전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 리드탭은 상기 커버부의 성형 시 상기 커버부에 일체화된 형태로 결합되고, 상기 굴절연결부가 상기 커버부 내측에 위치하는 파우치형 이차전지.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 굴절연결부는 'ㄹ'형으로 굴절되고,
    상기 파단부는 상기 커버부와 인접한 쪽에 노치(notch)형태로 마련되는 파우치형 이차전지.
  6. 전극탭이 마련된 전극조립체의 둘레에 파우치 외장재의 둘레부를 결합시키는 둘레부 결합공정;
    리드탭에 상기 파우치 외장재의 커버부를 일체화 상태로 성형하는 커버부 성형공정;
    상기 리드탭을 상기 전극탭에 결합하는 리드탭 결합공정;
    상기 커버부와 상기 전극탭 사이의 상기 리드탭을 굴절시켜 굴절연결부를 만드는 공정; 및
    상기 굴절연결부 성형 후 상기 커버부의 둘레를 상기 둘레부의 단부에 밀봉 결합시키는 커버부 결합공정을 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  7. 리드탭에 파우치 외장재의 커버부를 일체화 상태로 성형하는 커버부 성형공정;
    상기 리드탭을 전극조립체와 연결된 전극탭에 결합하는 리드탭 결합공정;
    상기 커버부와 상기 전극탭 사이의 상기 리드탭을 굴절시켜 굴절연결부를 만드는 공정; 및
    상기 굴절연결부 성형 후 상기 전극조립체의 둘레에 상기 파우치 외장재의 둘레부를 결합시킴과 동시에 상기 둘레부 양단을 상기 커버부의 둘레에 밀봉 결합시키는 둘레부 결합공정을 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 커버부 성형공정 전에 상기 리드탭에 노치형태의 파단부를 형성하는 공정을 더 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
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