KR20220017058A - 파우치형 이차전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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김문성
한준희
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장환호
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Abstract

본 발명은 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 전극조립체; 상기 전극 조립체의 전극 탭과 연결되는 전극 리드; 상부 케이스 및 하부 케이스로 이루어지고, 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 밀봉되는 파우치 케이스; 및 상기 전극 리드와 파우치 케이스를 절연하는 절연층을 포함하고, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스가 융착되는 실링부에 접착부재가 배치된 파우치형 이차전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 가스발생으로 인한 내부 압력 증가시 힘을 분산시켜 파우치 파단을 억제할 수 있고, 나아가, 균일한 형태로 파우치 실링부가 개폐되어 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

파우치형 이차전지 및 이의 제조방법{Pouch type secondary battery and method of making the same}
본 발명은 파우치형 이차전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 전지 내부에서 발생하는 가스로 인하여 파우치가 파단되는 현상을 제어하여 안정적인 전지 성능을 유지할 수 있는 파우치형 이차전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔으며, 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다.
최근 모바일 기기의 소형화 경향으로 인해, 두께가 얇은 각형 전지, 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히, 형태의 변형이 용이하고 제조비용이 저렴하며 중량이 작은 파우치형 전지에 대한 관심이 높은 실정이다.
이러한 파우치형 이차전지는 출력 또는 용량 특성을 향상시키기 위해 유기 용매 및 가소제들이 첨가되어 제조된다. 그리고 파우치형 이차전지는 충방전 과정에서 과충전이 발생하거나 고장으로 인한 내부 쇼트 발생 등에 의해 순식간에 셀 내부의 온도가 상승하고, 이로 인한 발화성 가스 발생으로 파우치가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생할 수 있다.
이러한 스웰링 현상이 계속되면 파우치 용접 부위나 파우치 외관중 기계적 강도가 약한 부위가 찢어지며 전지가 파손되게 되는데 이러한 경우 전지의 급격한 성능저하는 물론, 안전성 측면에서 위험에 노출되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가스발생으로 인한 내부 압력 증가시 힘을 분산시켜 파우치 파단을 억제할 수 있고, 나아가, 균일한 형태로 파우치 실링부가 개폐될 수 있는 파우치형 이차전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 전극조립체; 상기 전극 조립체의 전극 탭과 연결되는 전극 리드; 상부 케이스 및 하부 케이스로 이루어지고, 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 밀봉되는 파우치 케이스; 및 상기 전극 리드와 파우치 케이스를 절연하는 절연층을 포함하고, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스가 융착되는 실링부에 접착부재가 배치된 파우치형 이차전지가 제공된다.
상기 접착부재는 전극리드가 인출되는 실링부에 배치될 수 있다.
상기 접착부재는 절연층이 형성되는 실링부에 배치될 수 있다.
상기 접착부재는 0.1 내지 100㎜ 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 접착부재는 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에폭시, 실리콘 및 폴리이미드로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 상부 케이스 및 하부 케이스는 금속층 및 열융착성 수지층을 포함하고, 상기 수지층의 접착력보다 상기 접착부재의 접착력이 더 강한 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 소정의 수납 공간이 구비된 파우치 하부 케이스에 전극조립체를 수납하고 전극 탭과 전극리드를 용접하는 단계; 상기 하부 케이스와 상부 케이스가 융착되는 실링부에 접착부재를 배치하는 단계; 상기 전극리드상에 절연필름을 배치하는 단계; 및 상기 하부 케이스와 상부케이스를 융착하여 실링하는 단계를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법이 제공된다.
상기 접착부재는 전극리드가 인출되는 실링부에 배치될 수 있다.
상기 접착부재는 절연층이 형성되는 실링부에 배치될 수 있다.
상기 접착부재는 0.1 내지 100 ㎜ 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 접착부재는 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에폭시, 실리콘 및 폴리이미드로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스발생으로 인한 내부 압력 증가시 힘을 분산시켜 파우치 파단을 억제할 수 있고, 나아가, 균일한 형태로 파우치 실링부가 개폐되어 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 일반적으로 사용되는 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 종래 일반적으로 사용되는 파우치형 이차전지에서 스웰링 발생시 파우치가 파단되는 현상을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지에서 스웰링 발생시 균일하게 파우치 형상이 부풀어오르는 것을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 파우치형 이차전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 전지 내부에서 발생하는 가스로 인하여 파우치가 파단되는 현상을 제어하여 안정적인 전지 성능을 유지할 수 있는 파우치형 이차전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 종래 일반적으로 사용되는 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 이러한 파우치형 이차전지에서 스웰링 발생시 파우치가 파단되는 현상을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 1 및 2를 참조하면, 스웰링 발생시 파우치는 불균일한 형태로 부풀어오르며, 특히, 전극 리드(10) 및 전극 탭(60)이 용접되어 있는 부분으로, 압력이 집중되는 경향을 나타낸다. 이와 같이, 압력이 특정 부분에 집중됨에 따라, 파우치의 파단이 발생하게 된다.
본 발명자들은 파우치 내부에서 발생하는 압력이 특정 부분에 집중되지 않게 분산시킴으로써, 파우치의 파단이 발생하는 것을 현저하게 저감할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것이다. 이하 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 전극조립체(50); 상기 전극 조립체의 전극 탭(60)과 연결되는 전극 리드(10); 상부 케이스 및 하부 케이스로 이루어지고, 상기 전극 조립체(50)를 수용하며 상기 전극 리드(10)가 외부로 인출되도록 밀봉되는 파우치 케이스(30); 및 상기 전극 리드(10)와 파우치 케이스(30)를 절연하는 절연층(20)을 포함하고, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스가 융착되는 실링부(40)에 접착부재(70)가 배치된 파우치형 이차전지가 제공된다.
전극 조립체(50)는 양극 및 음극 사이에 분리막을 개재하여 형성된 단위 적층체를 적어도 하나 이상 포함하는 적층형 전극 조립체일 수 있으며, 특별하게 한정하는 것은 아니나, 상기 전극 조립체는 z-폴딩, 젤리-롤, 스택, 스택 앤 폴딩 전극조립체(50)일 수 있으며, 바람직하게는 분리막이 지그재그 방향으로 폴딩된 z-폴딩 전극조립체(50)일 수 있다.
양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질이 도포되어 형성될 수 있으며, 상기 양극 집전체로는 예를 들어, 알루미늄 박판이 사용될 수 있다. 양극활물질로는 예를 들어, 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, 리튬 니켈 망간 코발트 복합산화물(NMC) 등을 제한 없이 사용할 수 있으며, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
마찬가지로, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질이 도포되어 형성될 수 있으며, 상기 음극 집전체로는 예를 들어, 구리 박판이 사용될 수 있다. 음극활물질로는 예를 들어, 결정질 인조 흑연, 결정질 천연 흑연, 비정질 하드카본, 저결정질 소프트 카본, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 수퍼 P, 그래핀 (graphene), 및 섬유상 탄소 중에서 선택되는 1종 이상의 탄소계 물질, Si계 물질, 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, SiO, SiO2, 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, 티타늄 산화물, 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있다.
분리막은 예를 들어, 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 폴리올레핀(polyolefin) 계열, 폴리에스테르(polyester) 계열, 천연고분자인 펄프(pulp), 셀룰로오스(cellulose), 코르크(cork) 등의 다공성 고분자 막 또는 부직포 형태가 사용될 수 있고, 단층(single layer)막 또는 다층(multi layer)막의 구조가 사용될 수 있다. 또한, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 열가소성 폴리올레핀 고분자 다공성 다층막(Tm 100 내지 150 ℃)이나 고분자량 열가소성 내열 폴리올레핀 고분자 다공성 막(Tm 150 내지 200℃)이 사용될 수 있다.
전극 리드(10)는 얇은 판상의 금속으로서 전극 탭(60)에 부착되어 전극 조립체의 외측 방향으로 연장되며, 양극리드와 음극리드로 이루어져 있다. 상기 양극 리드는 알루미늄 재질로 이루어질 수 있고, 음극 리드는 구리 재질로 이루어질 수 있다.
전극 리드(10)의 상하면 일부에는 파우치 케이스(30)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름이 부착되어 절연층(20)이 형성된다. 상기 절연층은 특별하게 한정하는 것은 아니나, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리이미드 성분 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 폴리프로필렌을 사용할 수 있다.
파우치 케이스(30)는 내측 면에 열융착층이 형성된 파우치 필름으로 이루어진다. 상기 파우치 케이스(30)는 상부 파우치와 하부 파우치로 구성되며, 전극 리드(10)가 외부로 인출되도록 전극 조립체를 수용한 채로 열융착에 의해 단부의 실링부(40)가 밀봉된다.
본 발명은 상기 상부 케이스 및 하부 케이스가 융착되는 실링부(40)에 접착부재(70)가 배치된다. 상기 접착부재(70)를 포함한 상태로 상부 케이스 및 하부 케이스를 열융착함에 따라, 상기 접착부재(70)는 실링부(40)에 일정한 접착 강도를 균일하게 갖는 부분을 형성하게 된다.
일정한 접착 강도를 균일하게 갖는 부분을 형성하기 위해, 상기 접착부재(70)는 일정한 부피를 갖는 물질인 것이 바람직하며, 예를 들어, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에폭시, 실리콘 및 폴리이미드로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 에폭시를 사용할 수 있다.
한편, 상기 접착부재(70)는 상부 및 하부 파우치 케이스(30)의 열융착성 수지층보다 접착력이 더 강한 것이 바람직하다. 구체적으로, 상부 및 하부 파우치 케이스(30)는 물질 차단을 위한 금속층(배리어층) 및 상부 및 하부 파우치 케이스(30)의 열융착을 위한 수지층을 포함한다. 상기 금속층은 알루미늄을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 수지층은 열융착성이 뛰어난 폴리프로필렌(PP), 무연신 폴리프로필렌(CPP) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌(CPP)을 사용할 수 있다. 본 발명의 접착부재(70)는 상기 열융착을 위한 수지층의 접착력보다 강한 것이 바람직하다. 접착부재(70)의 접착력이 열융착을 위한 수지층의 접착력보다 강한 경우 파우치의 벤트(vent)압력이 상승하고 vent형상이 균일하게 나타난다.
한편, 상술한 것과 같이, 스웰링 현상 발생으로 인한 파우치의 파단은 파우치 내압이 가장 약한 곳에서 나타나는데 이는, 전극 리드(10)가 인출되는 부분 및 상기 전극 리드(10)와 절연필름이 접착되어 형성되는 부분의 실링부(40)에 집중되는 경향이 있으므로, 상기 접착부재(70)는 파우치 케이스(30)에서 전극리드가 인출되는 부분의 실링부(40)에 배치되는 것이 바람직하며 나아가, 상기 접착부재(70)는 절연층(20)이 형성되는 실링부(40)에 배치되는 것이 보다 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 접착부재(70)가 배치된 파우치를 개략적으로 나타낸 것이다. 접착부재(70)는 도 4와 같이, 다양한 형상 및 개수로 파우치의 단부에 배치될 수 있으며, 압력을 보다 고르게 분산시킬 수 있도록 0.1 내지 100 ㎜간격으로 이격되어, 배치되는 것이 바람직하다. 간격이 0.1 ㎜미만인 경우 압력을 고르게 분산시키는데 어려운 문제점이 있고, 100 ㎜초과인 경우 접착력의 균일성이 떨어질수 있는 문제점이 있다. 또한, 이와 같이 소정의 간격으로 접착부재(70)를 배치하여 실링하는 경우, 파우치의 실링부(40)의 파단이 발생하더라도 균일한 형태로 파우치 실링부(40)가 개폐되므로 전지의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지에서 스웰링 발생시 발생하는 현상을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 5를 참조하면, 실링부(40)에 일정한 접착 강도를 균일하게 갖는 부분이 형성됨에 따라, 파우치는 상대적으로 균일하게 형상으로 부풀어오르게 된다. 즉, 압력을 분산시키게 되어, 파우치의 파단이 발생하는 것을 현저하게 저감할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 소정의 수납 공간이 구비된 파우치 하부 케이스에 전극조립체(50)를 수납하고 전극 탭(60)과 전극리드를 용접하는 단계; 상기 하부 케이스와 상부 케이스가 융착되는 실링부(40)에 접착부재(70)를 배치하는 단계; 상기 전극리드상에 절연필름을 배치하는 단계; 및 상기 하부 케이스와 상부케이스를 융착하여 실링하는 단계를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법이 제공된다.
상기 파우치형 이차전지의 구성요소에 대해서는 상술하였으므로, 여기에서는 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이, 본 발명의 파우치형 이차전지에 따르면, 가스발생으로 인한 내부 압력 증가시 힘을 분산시켜 파우치 파단을 억제할 수 있고, 나아가, 균일한 형태로 파우치 실링부가 개폐되어 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
상부 케이스 및 하부 케이스가 융착되는 실링부로서, 전극리드가 인출되는 부분에 에폭시 수지를 이용하여 접착층을 형성한 후 열 융착하여 파우치형 이차전지를 제조하였다.
실시예 2
실링층 상에 접착층을 10㎜ 간격으로 이격하여 복수개 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 이차전지를 제조하였다.
비교예 1
접착층을 형성하지 않고 열 융착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 이차전지를 제조하였다.
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1의 파우치형 이차전지에 대하여 Vent Test를 실시하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에서 확인할 수 있는 것과 같이, 접착층이 형성되지 않은 비교예 1에 비하여, 파우치의 벤트 압력이 상승한 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 가스발생으로 인한 내부 압력 증가시 힘을 분산시켜 파우치 파단을 효율적으로 억제할 수 있음을 알 수 있다.
조건 Vent Test(kgf/cm2)
실시예 1 실링층에 접착층 형성 3.5 ~ 4.0
실시예 2 실링층에 일정 간격을 두고 접착층 형성 4.0 ~ 4.5
비교예 1 실링층에 접착층 미형성 2.5 ~ 3.0
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10: 전극리드
20: 절연층
30: 파우치
40: 파우치 실링부
50: 전극조립체
60: 전극탭
70: 접착부재

Claims (11)

  1. 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 전극조립체;
    상기 전극 조립체의 전극 탭과 연결되는 전극 리드;
    상부 케이스 및 하부 케이스로 이루어지고, 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 밀봉되는 파우치 케이스; 및
    상기 전극 리드와 파우치 케이스를 절연하는 절연층을 포함하고,
    상기 상부 케이스 및 하부 케이스가 융착되는 실링부에 접착부재가 배치된 파우치형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접착부재는 전극리드가 인출되는 실링부에 배치되는 파우치형 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접착부재는 절연층이 형성되는 실링부에 배치되는 파우치형 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접착부재는 0.1 내지 100㎜ 간격으로 이격되어 배치되는 파우치형 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접착부재는 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에폭시, 실리콘 및 폴리이미드로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 파우치형 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부 케이스 및 하부 케이스는 금속층 및 열융착성 수지층을 포함하고, 상기 수지층의 접착력보다 상기 접착부재의 접착력이 더 강한 것인 파우치형 이차전지.
  7. 소정의 수납 공간이 구비된 파우치 하부 케이스에 전극조립체를 수납하고 전극 탭과 전극리드를 용접하는 단계;
    상기 하부 케이스와 상부 케이스가 융착되는 실링부에 접착부재를 배치하는 단계;
    상기 전극리드상에 절연필름을 배치하는 단계; 및
    상기 하부 케이스와 상부케이스를 융착하여 실링하는 단계를 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 접착부재는 전극리드가 인출되는 실링부에 배치되는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 접착부재는 절연필름이 배치되는 실링부에 배치되는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 접착부재는 0.1 내지 100 ㎜ 간격으로 이격되어 배치되는 파우치형 이차전지의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 접착부재는 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에폭시, 실리콘 및 폴리이미드로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 파우치형 이차전지의 제조방법.
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