KR20220046817A - 파우치형 이차전지 - Google Patents

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KR20220046817A
KR20220046817A KR1020200129928A KR20200129928A KR20220046817A KR 20220046817 A KR20220046817 A KR 20220046817A KR 1020200129928 A KR1020200129928 A KR 1020200129928A KR 20200129928 A KR20200129928 A KR 20200129928A KR 20220046817 A KR20220046817 A KR 20220046817A
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type secondary
electrode
notch
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한준희
김문성
류상백
육승현
장환호
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에스케이온 주식회사
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Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 내부에 수용하도록 테두리를 따라 밀봉된 실링부 및 전극리드가 위치하는 실링부 측으로 연장되어 형성된 테라스부를 포함하는 파우치 외장재;를 포함하고, 상기 실링부에는 천공기의 바디(body)가 안착되는 노치부가 형성되어 테라스부 상에 천공부를 형성하는 파우치형 이차전지에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 천공기 접촉면과 동일한 형상 및 면적의 노치부가 형성되어 파우치와 천공기 사이의 밀착도를 향상시킬 수 있고, 상기 노치부에서 천공 작업 수행을 통하여, 안정적인 천공이 가능하고, 금속재질의 천공 핀(Pin)을 이용한 천공 공정에서 발생할 수 있는 내부 단락 및 이차전지 발화 문제를 사전에 예방할 수 있다. 또한, 실링 면적 증가를 통해, 파우치 내부 공간의 체적을 감소시켜 소량의 가스가 발생하더라도 포집을 용이하게 할 수 있으므로, 미량의 가스의 분석 가능이 가능한 효과가 있다.

Description

파우치형 이차전지 {Pouch type Secondary Battery}
본 발명은 파우치형 이차전지에 관한 것으로 보다 상세하게는, 파우치 내에 발생하는 가스의 포집 및 분석을 위한 파우치의 천공이 용이한 구조를 갖는 파우치형 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 큰 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가하는 추세에 있다.
리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 포함한다.
이러한 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
파우치형 이차 전지는 제조과정에서 음극, 분리막 및 양극을 포함하는 전극 조립체를 파우치 외장재 안에 넣고, 전해액을 주입한 후 가장자리를 실링한다. 그 다음, 몇 회의 충방전 사이클을 통해 전지를 활성화시키며, 이 과정에서 셀 내부에 가스가 발생하게 된다.
이와 같이, 이차전지 내부에서 발생하는 가스 성분의 분석과 발생량 및 내압 등의 분석을 위해 가스 분석 장비를 사용하고 있으나, 충전된 상태의 이차전지의 파우치를 천공함에 있어서는, 자칫 발화나 폭발이 발생할 수 있다. 이러한 위험으로부터 안전성을 확보하기 위한 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여, 파우치 내에 발생하는 가스의 포집 및 분석을 위한 파우치의 천공이 용이한 구조를 갖는 파우치형 이차 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 내부에 수용하도록 테두리를 따라 밀봉된 실링부 및 전극리드가 위치하는 실링부 측으로 연장되어 형성된 테라스부를 포함하는 파우치 외장재;를 포함하고, 상기 실링부에는 천공기의 바디(body)가 안착되는 노치부가 형성되어 테라스부 상에 천공부를 형성하는 파우치형 이차전지가 제공된다.
상기 노치부는 천공기의 바디 형상으로 형성될 수 있다.
상기 노치부의 단면적은 천공기의 바디의 단면적과 동일하거나 클 수 있다.
상기 노치부는 전극리드가 돌출된 측의 실링부 모서리에 형성될 수 있다.
상기 노치부는 전극리드 및 전극리드 사이의 실링부에 형성될 수 있다.
상기 노치부는 1개 이상 형성될 수 있다.
상기 노치부는 일면이 개방되어 있을 수 있다.
상기 천공부는 천공기의 핀(pin)의 형상으로 형성될 수 있다.
상기 파우치 외장재는 전극조립체를 포장하기 위해 사용되는 1 단위의 시트형 파우치 외장재일 수 있다.
본 발명에 따르면, 천공기 접촉면과 동일한 형상 및 면적의 노치부가 형성되어 파우치와 천공기 사이의 밀착도를 향상시킬 수 있고, 상기 노치부에서 천공 작업 수행을 통하여, 안정적인 천공이 가능하고, 금속재질의 천공 핀을 이용한 천공 공정에서 발생할 수 있는 내부 단락 및 이차전지 발화 문제를 사전에 예방할 수 있다.
또한, 노치부 형성에 의한 실링 면적 증가를 통해, 파우치 내부 공간의 체적을 감소시켜 소량의 가스가 발생하더라도 포집을 용이하게 할 수 있으므로, 미량의 가스의 분석이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 천공기가 안착되는 노치부 및 천공부가 형성되어 있는 본 발명의 파우치형 이차전지에 천공기를 적용하는 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
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 이차전지에 관한 것으로 보다 상세하게는, 파우치 내에 발생하는 가스의 포집 및 분석을 위한 파우치의 천공이 용이한 구조를 갖는 파우치형 이차 전지에 관한 것이다. 도 1 내지 3은 본 발명의 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것으로 이하 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
일반적으로, 전지셀은 전극조립체를 전지케이스의 수납부에 안착시키고, 커버를 덮은 후, 외주변을 열융착시켜 제조 되며, 양극리드 및 음극리드로 구성되는 전극리드가 위치하는 실링부 및 실링부의 외주변(또는 '전지셀의 테라스 부')이 형성된다. 한편, 이차전지 내부에서 발생하는 가스 성분의 분석과 발생량 및 내압 등의 분석을 위해 충전된 상태의 이차전지 상기 테라스 부를 천공기를 이용하여 천공하여 가스를 포집하게 되는데, 이 때, 천공기와 파우치 사이의 밀착이 원활하게 이루어지지 않는 경우, 천공 작업 시 금속 재질의 천공 핀에 의한 내부 단락이 발생하여, 발화나 폭발 등이 발생할 수 있는 위험성이 존재한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 내부에 수용하도록 테두리를 따라 밀봉된 실링부 및 전극리드가 위치하는 실링부 측으로 연장되어 형성된 테라스부를 포함하는 파우치 외장재;를 포함하고, 상기 실링부에는 천공기의 바디(body)가 안착되는 노치부가 형성되어 테라스부 상에 천공부를 형성하는 파우치형 이차전지가 제공된다.
보다 상세하게, 본 발명에 따른 이차전지의 실링부의 일부 영역, 특히 실링부와 테라스부의 경계 영역에는 오목 형상으로 패여진 노치부가 형성되며, 이에 따라, 상기 테라스부 상에는 천공부가 형성된다. 이와 같은 천공부의 외주인 노치부에는 후술하는 것과 같이 천공기의 바디가 안착되고, 천공부는 천공기의 핀에 의해 천공이 이루어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것으로, 전극리드가 각각 반대방향으로 돌출된 양방향 셀로서, 도 1을 참조하면, 전극리드가 돌출된 측의 실링부 모서리에 천공기 바디가 안착되는 노치부가 형성되어 있을 수 있으며, 상기 노치부의 형상에 의해, 테라스부에는 천공기 핀이 천공을 수행하는 천공부가 형성될 수 있다.
상기 노치부는 실링부에 안착되는 천공기의 바디 형상과 동일한 형상으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 노치부와 천공기의 바디의 단면적은 동일하거나 노치부의 단면적이 바디의 단면적보다 크게 설계되는 것이 더욱 바람직하다. 이에 따라, 천공을 수행하기 위한 위치를 보다 정확하게 안내할 수 있을 뿐만 아니라, 천공기를 보다 안정적으로 밀착시킬수 있다. 도 4는 천공기가 안착되는 노치부가 형성되어 있는 본 발명의 파우치형 이차전지에 천공기를 적용하는 것을 개략적으로 나타낸 모식도 이다. 이와 같이, 실링부에 천공기의 바디 형상과 동일한 형상을 갖는 노치부를 형성하고, 이에 따라 테라스부에 형성된 천공부를 통하여 천공 작업이 수행되므로, 천공 작업 부위를 안내하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 상기 실링부는 테라스부와는 달리, 파우치가 열융착을 통해 경화되어 있으므로, 천공하고자 하는 부분 주위에서 지지체 역할을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 천공기와 파우치 간의 밀착도가 더욱 향상되어 안정적인 천공 작업을 수행할 수 있다.
한편, 상기 천공부는, 이에 따라, 금속 재질의 천공 핀을 이용한 천공 작업시, 전극조립체와의 접촉이 이루어지지 않는 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 전극리드가 각각 파우치 외장재의 반대방향으로 돌출된 양방향 셀의 경우에는 노치부 및 천공부가 전극리드가 돌출된 측의 실링부 모서리에 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 도 3과 같이, 전극리드가 파우치 외장재의 동일한 방향으로 돌출된 단방향 셀의 경우에는 노치부 및 천공부가 전극리드 사이, 즉, 양극리드와 음극리드 사이에 형성되는 것이 바람직하며, 이에 따라, 금속 재질의 천공 핀에 의한 내부 단락이 발생할 가능성을 현저하게 저감할 수 있다.
상기 노치부의 개수는 특별하게 한정되지 않는다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우치형 이차전지를 개략적으로 나타낸 것으로, 도 2를 참조하면, 노치부가 전극리드가 돌출된 측의 실링부 양 모서리에 각각 형성되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도 1 내지 4에 기재되어 있는 것과 같이 상기 노치부는 일면이 개방되도록 형성되는 것이 바람직하다. 일면이 개방된 형태로 노치부를 형성함으로써, 천공 후 특정 방향으로 가스 배출을 유도하여 포집이 용이하다는 장점이 있다.
한편, 상기 파우치 외장재는 전극조립체를 포장하기 위해 사용되는 1 단위의 시트형 파우치 외장재일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 이차전지는 하나의 알루미늄 라미네이트 시트에 서로 대응하는 두 개의 수납부를 포밍하여 상호 중첩시키고 3면을 실링하는　방식으로 제조될 수 있다. 2 단위의 파우치 외장재, 즉, 각각 상부 파우치 및 하부 파우치로 구성되며, 상기 상부 및 하부 파우치를 상호 겹쳐 밀봉하는 방식으로 결합하는 방식으로 제조되는 이차전지의 경우, 4면에서 결합되어 실링부를 형성하므로, 상기 4면 모두에서 대기와 접하게 되어 가스의 유출(leak) 또는 외부로부터 공기가 유입될 우려가 1 단위의 시트형 파우치 외장재를 사용하는 경우보다 크다. 본 발명에서는 1 단위의 시트형 파우치 외장재를 사용함으로써, 이차전지 내부의 가스 포집을 보다 용이하게 할 수 있다.
한편, 본 발명이 파우치형 이차전지에 포함되는 양극, 음극 및 세퍼레이터는 특별하게 한정되지 않으며, 일반적으로 사용되는 양극 음극 및 세퍼레이터일 수 있다.
음극인 경우, 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.
양극인 경우, 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.
또한, 양극 및 음극은 필요에 따라, 전극집전체와 전극합제층 사이 및 전극합제층 내부 결합력 향상을 위해, 바인더를 더 포함할 수 있으며, 구체적으로 한정하는 것은 아니나, 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVdF) 호모폴리머, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머 (Polyvinylidene fluoride-Hexafluoropropylene copolymer, PVdF-HFP), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 및 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체 (acrylonitrilestyrene-butadiene copolymer)로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
또한, 전극에 도전성을 부여하기 위해 도전재를 사용할 수 있으며, 도전재는 이차전지의 기타 요소들과 부반응을 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
한편, 세퍼레이터는 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.
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, 20: 전극리드
30: 파우치형 이차전지
40: 사이드 실링부
50, 90: 노치부
60: 천공기 바디
70: 천공기 펀치-핀
80: 테라스부
100: 천공부

Claims (9)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 및
    상기 전극조립체를 내부에 수용하도록 테두리를 따라 밀봉된 실링부 및 전극리드가 위치하는 실링부 측으로 연장되어 형성된 테라스부를 포함하는 파우치 외장재;를 포함하고,
    상기 실링부에는 천공기의 바디(body)가 안착되는 노치부가 형성되어 테라스부 상에 천공부를 형성하는 파우치형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노치부는 천공기의 바디 형상으로 형성되는 파우치형 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노치부의 단면적은 천공기의 바디의 단면적과 동일하거나 큰 것인 파우치형 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노치부는 전극리드가 돌출된 측의 실링부 모서리에 형성되는 파우치형 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노치부는 양극리드 및 음극리드 사이의 실링부에 형성되는 파우치형 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 노치부는 1개 이상 형성되는 파우치형 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 노치부는 일면이 개방되어 있는 파우치형 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 천공부는 천공기의 핀의 형상으로 형성되는 파우치형 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 파우치 외장재는 전극조립체를 포장하기 위해 사용되는 1 단위의 시트형 파우치 외장재인 파우치형 이차전지.
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