KR20190081106A - 박형 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 젤 전해질층 가장자리를 따라 고융점 및 저융점 필름의 다층으로 이루어진 밀봉 필름을 적용하므로 박형 전지의 제조 공정을 단순화할 뿐만 아니라 밀봉성을 개선하여 생산성을 한층 향상시키는 박형 전지에 관한 것이다.

Description

박형 전지{thin type battery}

본 발명은 박형 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지 조립 시 다층으로 이루어진 밀봉 필름을 적용함으로써 전지의 밀봉효과를 개선함과 동시에 제조공정을 단순화하여 생산성을 향상시키는 박형 전지에 관한 것이다.

최근 사물인터넷과 관련된 각종 센서태그, 스마트 카드, 그리고 화장품 및 의료용 패치 산업 등의 활기에 힘입어 박형 전지의 수요가 증가하는 추세에 있다.

특히, 센서태그 중에서도 라벨형 센서의 시장은 향후 잠재성이 큰 분야로 예측되고 있으며 센서를 가동시킬 수 있는 전원으로 저렴하면서 수백 미크론 이내의 두께를 가진 박형 전지가 요구되고 있다.

박형 전지는 필름 모양의 얇은 전지를 일컫는 것으로서 전지의 기본 요소인 양극, 음극, 전해질 및 격리막을 포함하는데, 특히 금속이 배제된 집전층과 필름형 외장재를 사용하기 때문에 전지 자체가 얇고 우수한 유연성을 보이게 된다. 이러한 박형 전지는 현재 주로 리튬계열과 망간계열 전지 등이 개발되고 있다.

박형 전지는 금속 외장재를 사용하는 기존의 전지에 비해 열화율이 크다는 단점이 있으며 이는 전지내의 전해액이나 전지 외부의 기체가 고분자 형태의 외장 필름을 투과함으로써 수반되는 현상으로 이해되고 있다.

특히 전지 포장재 사이에 위치하는 접착부위에서 밀봉이 취약한 것으로 알려져 있으며, 이의 개선을 위해 많은 시도들이 진행되어 오고 있다.

대한민국 특허등록 제10-1220575호에서는 기판 위에 밀봉층을 도포하여 전지를 밀봉하는 방법이 개시되어 있으며, 대한민국 특허등록 제10-1111210호는 양면접착제를 전지 외장재 사이에 위치시켜 박형 전지를 밀봉하는 방법과 전지의 외장재에 열을 가하여 외장재 일부를 녹여 융착하는 방법들이 개시되어 있다.

양면접착제를 사용한 밀봉방법은 전지를 제조하는 공정에서 복잡한 과정을 거치게 되어 전지의 제조단가를 상승시키는 결과를 가져와 경제성이 떨어지게 되며, 열융착 제조법에서는 가해진 높은 열로 인해 전지의 성능에 영향을 미치는 등의 문제점들이 수반되었다.

대한민국 특허등록 제10-1220575호(2013.01.03. 등록) 대한민국 특허등록 제10-1111210호(2012.01.25. 등록)

이에 상술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 젤 전해질층 가장자리를 따라 고융점 및 저융점 필름의 다층으로 이루어진 밀봉 필름을 적용하므로 박형 전지의 제조 공정을 단순화할 뿐만 아니라 밀봉성을 개선하여 생산성을 한층 향상시키는 박형 전지를 제공함에 있다.

본 발명 박형 전지는, 제1 외장재 필름 위에 형성되는 제1 집전층;

상기 제1 집전층 위에 형성되는 양극층;

제2 외장재 필름 위에 형성되는 제2 집전층;

상기 제2 집전층 위에 형성되는 음극층;

상기 양극층과 음극층 사이에 형성되는 격리막;

상기 격리막을 기준으로 상기 양극층과 음극층 사이에 형성되며 상기 격리막의 양면이 젤 전해질로 덮혀지는 젤 전해질층; 및

상기 제1 외장재 필름과 제2 외장재 필름 사이에 위치하되, 상기 젤 전해질층 가장자리를 따라 형성되는 다층 구조의 밀봉 필름을 포함하여 구성된다.

상기 제1 외장재 필름 및 제2 외장재 필름은 각각 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 또는 이들의 조합으로 이루어진다.

상기 제1 외장재 필름 및 제2 외장재 필름은 각각 단면 또는 양면에 코로나 처리 또는 우레탄으로 코팅하게 된다.

또한, 상기 밀봉 필름은 융점이 서로 다른 고융점 필름 및 저융점 필름으로 이루어진다.

여기서, 상기 밀봉 필름은 고융점 필름을 사이에 두고 고융점 필름 양면에 저융점 필름이 위치하여 다층 구조를 이루게 된다.

상기 고융점 필름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어지며, 5~500μ의 두께를 가지게 되고, 상기 고융점 필름의 양면 또는 한 면에 코로나 처리하거나 또는 우레탄으로 코팅하게 된다.

상기 저융점 필름은 에틸렌비닐아세테이트, 우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어지며, 5~500μ의 두께를 가지게 된다.

본 발명 박형 전지에 따르면, 젤 전해질층 가장자리를 따라 고융점 및 저융점 필름의 다층으로 이루어진 밀봉 필름을 적용하므로 외장재 필름에 열과 압력을 가하게 되면 저융점 필름이 녹으면서 박형 전지가 밀봉되어 제조되므로 제조공정을 단순화하여 생산성을 한층 향상시킬 뿐만 아니라 밀봉성이 우수하여 박형 전지의 성능을 장시간 유지할 수 있어 제품의 상품성과 신뢰도를 높일 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명 박형 전지의 양극 시트를 나타낸 평면구성도
도 2는 본 발명 박형 전지의 음극 시트를 나타낸 평면구성도
도 3은 본 발명 음극 시트에 격리막과 젤 전해질층이 위치한 평면구성도
도 4는 본 발명 박형 전지가 조립된 상태의 정단면도
도 5는 본 발명 박형 전지가 조립된 상태의 평면도
도 6은 실시예와 비교예에 따른 박형 전지의 무게 변화를 나타낸 그래프

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 1 은 제1 외장재 필름(100) 위에 제1 집전층(200), 양극층(300), 상기 양극층(300)의 가장자리를 따라 다층 구조의 밀봉 필름(400)이 위치한 양극 시트를 나타낸 것이다.

도 2는 제2 외장재 필름(100'), 제2 집전층(200'), 음극층(300')으로 이루어진 음극 시트를 나타낸 것이다.

도 1에서 나타낸 양극 시트와 도 2에서 나타낸 음극 시트 사이에 밀봉 필름(400), 그리고 격리막(500)과 젤 전해질층(600)이 자리하게 된다.

박형 전지(10)를 조립하는데 있어, 격리막(500)과 젤 전해질층(600), 그리고 밀봉 필름(400)은 양극 시트나 음극 시트 어느 쪽에도 배치가 가능하고 조립 공정 등을 검토하여 이들의 배치 위치를 결정하게 된다.

여기에서는 도 3에서 나타낸 바와 같이 음극 시트 위에 격리막(500)과 젤 전해질층(600)을 배치하고, 상기 밀봉 필름(400)은 도 1에 나타낸 바와 같이 양극 시트 위에 안착되는 공정을 상정하여 설명하고자 한다.

도 4는 조립된 박형 전지의 정단면도이다. 제1 외장재 필름(100)과 제2 외장재 필름(100')사이에 박형 전지(10)의 구성물들 즉, 제1,2집전층(200,200'), 양극층(300), 음극층(300'), 격리막(500)과 젤 전해질층(600)이 자리하고, 상기 구성물의 가장자리에 다층 구조의 밀봉 필름(400)이 배치된다.

상기 밀봉 필름(400)은 중앙에 고융점 필름(410)이 위치하고, 상기 고융점 필름(410)의 양면에 저융점 필름(420)이 접하는 형태로 구성된다.

상기 저융점 필름(420)과 접하는 고융점 필름(410)의 양면에는 코로나(corona) 처리하거나, 또는 우레탄으로 코팅하는 것이 바람직하며, 이는 저융점 필름(420)과 고융점 필름(410)사이의 접합력을 강화시키는데 효과적이다.

동일한 이유로 밀봉 필름(400)의 저융점 필름(420)과 접하는 제1 외장재 필름(100)과 제2 외장재 필름(100') 내측에 코로나 처리나 우레탄 코팅하는 것이 바람직하다.

박형 전지(10)의 제1,2외장재 필름(100, 100')은 제1,2 집전층(200, 200')과의 결착력, 밀봉 필름(400)과의 접착력, 그리고 열적 안정성 및 기체의 투과성 등을 고려하여 선정되며, 이런 측면에서 알루미늄 호일 내, 외측에 폴리에틸렌 나프탈레이트 (Polyethylene Naphthalate), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate) 필름 중 어느 하나가 배치되어 형성되며, 이 중에서 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate) 필름이나 폴리에틸렌 나프탈레이트 (Polyethylene Naphthalate)필름이 배치된 알루미늄 라미네이트 필름이 바람직하다.

또한, 알루미늄이 배제된 폴리에틸렌 나프탈레이트 (Polyethylene Naphthalate)나 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate) 필름 단독으로도 사용이 가능하다.

박형 전지(10)를 밀봉하기 위해서 제1,2 외장재 필름(100, 100') 사이에 위치한 밀봉 필름(400) 부위의 제1,2 외장재 필름(100, 100') 외측에 열과 압력을 가하게 되면, 다층 구조의 밀봉 필름(400)의 저융점 필름(420)이 용해되어 제1,2 외장재 필름(100, 100') 내측과 접착되면서 밀봉된다.

이때 가해지는 압력은 2~8 kg/㎠ 정도이고, 온도는 110~150 ℃ 정도가 바람직하며, 상기와 같이 저융점 필름(420)이 낮은 온도에서 열융착되므로 전지 성능에 영향을 미치지 않게 된다.

상기 밀봉 필름(400)은 가운데 고융점 필름(410)을 사이에 두고 양쪽에 저융점 필름(420)이 자리하게 되는데, 상기 저융점 필름(420)은 주로 에틸렌비닐아세테이트(EVA: Ethylene vinyl acetate) 필름이나 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene)필름 등이 바람직하고 한 층의 두께는 10~200μ이 적당하다.

상기 밀봉 필름(400) 가운데 위치하는 고융점 필름(410)으로는 폴리에틸렌 나프탈레이트나 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름이 바람직하고 두께는 10~500μ이 적당하다.

상기 밀봉 필름(400)을 다층으로 구성하는 것은, 각 층마다 고유의 역할을 함으로써 박형 전지(10)의 밀봉 공정을 원활하게 하고 밀봉 실패로 인한 불량을 방지하는데 있다.

상기 고융점 필름(410)은 밀봉 필름(400)의 공정 투입 시 적당한 기계적 강도 유지와 밀봉 시 가해지는 열과 압력에서 밀봉 필름(400)의 적당한 두께를 유지하게 하는 역할을 한다. 만약 밀봉 시 가해지는 열과 압력에 밀봉 필름(400)의 두께가 일정 수준 이하로 낮아지면 젤 전해질의 짜짐 현상이 발생하여 전지의 밀봉을 어렵게 만들 수 있는데, 상기 밀봉 필름(400)의 가운데 위치한 고융점 필름(410)은 이러한 현상을 방지하는 역할을 하게 된다.

상기 고융점 필름(410)의 양면에는 코로나 처리하거나, 또는 우레탄 코팅을 함으로서 저융점 필름(420)과 접착력을 개선시키도록 하며, 열접착시 밀봉 필름(400)의 두께를 일정하게 유지하는 역할을 하게 됨과 동시에 기계적 강도를 유지함으로써 박형 전기의 제조 공정성을 개선시키는 효과가 있는 것이다.

상기 저융점 필름(420)은 밀봉 시 낮은 온도와 압력에도 잘 녹아 제1 외장재필름(100)과 제2 외장재 필름(100') 내측면과 접착하기 쉽도록 한다.

상기 밀봉 필름(400)의 전체 두께는 20~1,000μ 정도의 두께를 가지는 것이 박형 전지(10)의 제조 공정에 적합하다.

상기 밀봉 필름(400)은 유연성을 요구하는 다양한 박형 전지(10)에 적용 가능하며, 전지 포장재로 적용되는 제1,2 외장재 필름(100,100')의 종류와 밀봉 필름(400)에서 저융점 필름(420)의 재질 및 두께에 따라 밀봉 조건인 열과 압력의 조정은 가능하다.

[실시예]

하기와 같은 제조방법으로 박형 전지(10)를 제조하였다.

알루미늄 호일 내,외측에 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethylene terephthalate) 필름이 라미네이트된 제1,2외장재 필름(100)(100')을 사용하여 제1 집전층(200)과 양극층(300), 그리고 제2 집전층(200')과 음극층(300')을 형성시켜 각각 양극 시트와 음극 시트를 제조하였다.

본 발명의 실시예에서는 양극 시트 상에 다층 구조의 밀봉 필름(400)을 배치하고 음극 시트에는 격리막(500)과 젤 전해질층(600)을 위치시킨 상태에서, 상기 양극 시트와 음극 시트를 서로 마주보도록 한 후 외장제 필름에 열과 압력을 가해 박형 전지(10)를 조립하였다.

상기에서 사용된 밀봉 필름(400)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름 양면에 에틸렌비닐아세테이트 필름이 라미네이트된 다층 구조이며, 고융점 필름(410)인 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름의 두께는 100μ이고, 저융점 필름(420)인 에틸렌비닐아세테이트 필름의 두께는 50μ으로 밀봉 필름(400)의 전체 두께는 약 200μ이다.

박형 전지(10)의 밀봉 시 밀봉 필름(400)이 자리하는 외장재 필름의 바깥부위에 가한 압력과 열은 각각 3kg/㎠ 과 140℃ 이었고 시간은 3초 동안 이었다.

[비교예]

실시예에서 양극 시트 상에 다층 구조의 밀봉 필름 대신에 양면접착필름을 사용한 것 외에 여타 조건은 실시예와 동일하게 진행되었다.

[박형 전지의 밀봉성 비교]

상기와 같이 제조된 박형 전지는 1일 동안 상온에서 안정화한 후 45℃로 설정된 오븐에 방치시켜 가면서 10일 간격으로 60일 동안 전지의 무게를 측정하여 밀봉성을 확인하였다.

도 6에서 나타낸 바와 같이 45℃로 설정된 오븐에서 보관된 전지는 경시에 따라 무게 손실이 일어남을 확인할 수 있다.

박형 전지의 외장재 필름으로 금속 성분인 알루미늄 라미네이트 필름을 사용하였기 때문에 오븐에서 방치한 전지의 무게 손실은 양극 시트와 음극 시트 사이에 배치된 접착 부위를 통해 전해질의 증발로 인해 발생한 것으로 판단되었다.

다층구조의 밀봉 필름을 적용한 실시예에서는 60일 동안 0.4% 이내에서 무게 손실이 일어났지만 양면접착필름을 적용한 비교예에서는 0.7%를 초과하는 무게 손실이 벌어짐을 확인 할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 기술 분야의 통상의 지식을 가지 자에게 자명할 것이다.

10: 박형 전지
100: 제1 외장재 필름
100': 제2 외장재 필름
200: 제1 집전층
200': 제2 집전층
300: 양극층
300': 음극층
400: 밀봉 필름
410: 고융점 필름
420: 저융점 필름
500: 격리막
600: 젤 전해질층

Claims (8)

1. 제1 외장재 필름 위에 형성되는 제1 집전층;
   상기 제1 집전층 위에 형성되는 양극층;
   제2 외장재 필름 위에 형성되는 제2 집전층;
   상기 제2 집전층 위에 형성되는 음극층;
   상기 양극층과 음극층 사이에 형성되는 격리막;
   상기 격리막을 기준으로 상기 양극층과 음극층 사이에 형성되며 상기 격리막의 양면이 젤 전해질로 덮혀지는 젤 전해질층; 및
   상기 제1 외장재 필름과 제2 외장재 필름 사이에 위치하되, 상기 젤 전해질층 가장자리를 따라 형성되는 다층 구조의 밀봉 필름을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 박형 전지.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 외장재 필름 및 제2 외장재 필름은 각각 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박형 전지.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 외장재 필름 및 제2 외장재 필름은 각각 단면 또는 양면에 코로나 처리 또는 우레탄으로 코팅한 것을 특징으로 하는 박형 전지.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 밀봉 필름은 융점이 서로 다른 고융점 필름 및 저융점 필름으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박형 전지.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 밀봉 필름은 고융점 필름을 사이에 두고 고융점 필름 양면에 저융점 필름이 위치하여 다층 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 박형 전지.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 고융점 필름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어지며, 5~500μ의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 박형 전지.
   
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 고융점 필름은 양면 또는 한 면에 코로나 처리 또는 우레탄으로 코팅한 것을 특징으로 하는 박형 전지.
   
8. 청구항 4에 있어서,
   상기 저융점 필름은 에틸렌비닐아세테이트, 우레탄, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어지며, 5~500μ의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 박형 전지.

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