KR20220047107A - 개선된 고정성을 가지는 파우치형 전지 - Google Patents
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Abstract
본원발명은 진동이나 외부 충격에도 전지케이스 내의 전극조립체를 고정하는 고정력을 개선하고, 전극조립체의 성능 및 안전성을 향상시킨 파우치형 전지셀에 관한 것이다.
Description
본원발명은 개선된 고정성을 가지는 파우치형 전지에 관한 것이다. 구체적으로 본원발명은 파우치형 전지 내의 전극조립체가 진동이나 외부 충격에도 초기 적층 상태를 유지할 수 있는 고정성을 가지며 이에 따라 전지의 성능 및 안전성이 향상된 파우치형 전지에 관한 것이다.
최근 전지를 사용하는 기기가 다양해짐에 따라 고용량, 고밀도의 전지에 대한 수요가 증가하고 있다. 그 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지는 다양한 형태로 상용화되어 사용되고 있다.
일례로 전지케이스의 형상에 따라 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차전지의 사시도이고, 도 2는 일반적인 파우치형 이차전지의 측면도이다.
일반적인 파우치형 이차전지는 평평한 판 형태의 양극(11), 분리막(12), 음극(13)이 하나 이상 적층되어 있는 전극조립체(10)를 전지케이스(20) 내의 수납부에 수납한 후 이를 밀봉하여 형성된다. 이러한 파우치형 전지는 전지케이스(20) 내에 양극(11), 분리막(12), 음극(13)의 형태 및 그 수에 따라 형태 및 용량을 간단하게 변화시킬 수 있어 자주 사용된다.
하지만 파우치형 전지는 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스(20) 내에 형성된 수납부에 상기 전극조립체(10)를 수납하고 있어 외부 충격 등에 의해 전극조립체(10)가 이동하거나 전극조립체(10) 내부 또는 전극 탭에서의 단락이 일어나는 문제점이 발생할 수 있다.
도 3은 이러한 문제를 해결하기 위한 종래기술에 따른 파우치형 이차전지의 전극조립체의 측면도이다.
도 3과 같이 종래기술에 따른 파우치형 이차전지의 전극조립체(10)는 돌출부(A)와 함몰부(B)를 포함하는 패턴을 가지고 있는 양극(11), 분리막(12), 음극(13)이 차례로 적층되어 있고, 이러한 전극조립체(10)의 형상에 맞춘 전지케이스를 구비하여 유동을 방지하고 있다. 도 3과 같은 구성은 양극(11), 분리막(12), 음극(13)이 함몰된 함몰부(B)에서 전극 활물질의 쏠림 현상이 일어나거나 전극 활물질의 탈리가 발생할 수 있고, 전류가 일정하게 흐르지 않아 전지의 안전성이 저하될 우려가 있다.
특허문헌 1은 상기와 같은 문제점에 대해 언급하지는 않고 있으나, 둘 이상의 곡면이 형성된 전극조립체와 셀 케이스에 대해 언급하고 있어, 전극조립체 내부의 유동을 방지하는 효과를 가질 것으로 예측된다. 하지만 특허문헌 1과 같은 형상을 가진 전극조립체를 휘어있는 형상으로 제작하기 어렵고, 또한 전극조립체가 휘어지는 경우, 전극 활물질이 탈리되거나, 전극조립체 내부에서 단락이 발생하는 문제점이 있을 수 있다.
특허문헌 2는 제1패턴부와 제2 패턴부를 가지고 있는 전극조립체에 대하여 언급하고 있고 외장재의 수축 및 이완, 비틀림에 대응하고 있어 전극조립체의 고정력이 향상될 수 있으나, 전극조립체를 구부려 형성하는 경우, 전극활물질의 탈리 및 전극조립체 내부 단락이 발생할 수 있다.
따라서 전지의 성능을 유지하면서 고정성 향상시킬 수 있는 구성이 필요하다.
본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전지의 성능을 유지하면서 고정성 향상시킬 수 있는 파우치형 전지를 제공하고자 한다.
또한 본원발명은 상기와 같은 구성을 손쉽게 제조할 수 있는 고정력이 개선된 파우치형 전지를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본원발명은, 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스 및 상기 전지케이스에 수용되는 전극조립체를 포함하고, 상기 전지케이스의 적어도 일면에는 상기 파우치형 전지셀의 이동을 방지하는 굴곡부가 형성되어 있는 파우치형 전지를 제공한다.
이 때, 상기 굴곡부는 상기 전극조립체 최외각에 형성된 굴곡된 형상에 의해서 변형된 것 또는 상기 굴곡된 형상에 맞추어 상기 파우치형 전지셀 조립전에 상기 전지케이스를 변형한 것일 수 있다.
또한 상기 굴곡된 형상은, 상기 전극조립체 최외각에 위치하는 전극의 표면이 굴곡된 형상이거나, 상기 전극조립체 최외각에 위치하는 분리막의 표면이 굴곡된 형상이거나, 상기 전극조립체 최외각면에 부가된 별도의 층이 굴곡된 형상일 수 있다.
상기 별도의 층은 금속층 또는 수지층일 수 있다.
상기 굴곡부는 돌출된 부분과 함몰된 부분 중 적어도 하나가 반복적으로 패턴을 이룰 수 있다.
또한 상기 굴곡부는 상기 전지케이스 모서리 부분에만 배치될 수 있다.
상기 굴곡부는 상기 라미네이트 시트에만 마련될 수 있다.
상기 라미네이트 시트는 상기 전극조립체와 접하는 면은 굴곡이 없는 평면이고, 상기 굴곡부는 상기 라미네이트 시트의 외부면에만 형성될 수 있다.
또한, 상기 굴곡부는, 상기 라미네이트의 금속층에 형성되거나, 상기 라미네이트 시트의 최외각에 별도의 굴곡부를 갖는 층을 부가하거나, 상기 라미네이트 시트에 별도의 수지층을 부가될 수 있다.
이 때, 상기 굴곡부는, 마찰력이 있는 소재가 부가되거나, 돌출되거나 함몰된 부분이 없이 별도의 마찰력이 있는 소재만 부가될 수 있다.
상기 굴곡부는 상기 전지케이스 양면에 형성되고, 적층되는 다른 파우치형 전지셀의 굴골부에 대응하여 결합할 수 있는 형상일 수 있다.
또한 본원발명은 상기 파우치형 전지를 포함하는 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 제공한다. 또한 상기 전극조립체가 장착된 디바이스를 제공한다.
본원발명은 상기와 같은 구성들 중 상충되지 않는 구성을 하나 또는 둘 이상 택하여 조합할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 전극조립체의 유동을 방지하여 진동 또는 이동에 따른 전극조립체 또는 전극 탭 등의 단락을 방지한다.
또한, 전극조립체의 고정성을 개선하면서 전극조립체 내부의 전류가 균일하게 이동하는 전극조립체를 사용함으로써 전지의 안전성을 보다 향상시킨다.
게다가 파우치형 전지끼리의 결합력을 높여 전지 모듈 또는 전지 팩이 외부 충격에도 단락되거나 손상되는 것을 방지한다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차전지의 사시도이다.
도 2는 일반적인 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 3은 종래기술에 따른 파우치형 이차전지의 전극조립체의 측면도이다.
도 4는 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지 중 분리막 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 5는 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지 중 전극 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 6은 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 변형예 중 분리막 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 7은 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 변형예 중 전극 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 8은 본원발명의 제2 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 9는 본원발명에 따른 파우치형 이차전지 제조방법의 일례이다.
도 10은 본원발명에 따른 파우치형 이차전지 제조방법의 또 다른 예이다.
도 11은 본원발명의 제3 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 12는 본원발명에 따른 파우치형 이차전지를 적층한 형태의 모식도이다.
도 13은 본원발명에 따른 전지케이스의 굴곡부 또는 전극조립체의 굴곡된 형상의 일례이다.
도 14은 본원발명에 따른 전지케이스의 굴곡부 또는 전극조립체의 굴곡된 형상의 또 다른 예이다.
도 15는 본원발명에 따른 파우치형 이차전지의 상면도이다.
도 2는 일반적인 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 3은 종래기술에 따른 파우치형 이차전지의 전극조립체의 측면도이다.
도 4는 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지 중 분리막 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 5는 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지 중 전극 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 6은 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 변형예 중 분리막 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 7은 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 변형예 중 전극 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 8은 본원발명의 제2 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 9는 본원발명에 따른 파우치형 이차전지 제조방법의 일례이다.
도 10은 본원발명에 따른 파우치형 이차전지 제조방법의 또 다른 예이다.
도 11은 본원발명의 제3 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 12는 본원발명에 따른 파우치형 이차전지를 적층한 형태의 모식도이다.
도 13은 본원발명에 따른 전지케이스의 굴곡부 또는 전극조립체의 굴곡된 형상의 일례이다.
도 14은 본원발명에 따른 전지케이스의 굴곡부 또는 전극조립체의 굴곡된 형상의 또 다른 예이다.
도 15는 본원발명에 따른 파우치형 이차전지의 상면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명으로 한정하지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
또한, 모든 수치 범위는 명확하게 제외한다는 기재가 없는 한, 양 끝의 값과 그 사이의 모든 중간 값을 포함한다.
도 4는 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지 중 분리막 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이고, 도 5는 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지 중 전극 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이다.
본원발명에 따른 파우치형 이차전지는, 양극(110), 분리막(120), 음극(130)을 포함하는 전극조립체(100), 상기 전극조립체(100)를 수납하는 전지케이스(200)를 포함한다.
상기 전지케이스(200)의 적어도 일면에는 파우치형 전지셀의 이동을 방지하는 굴곡부(a, b)가 형성되어 있다.
상기 양극(110)은, 예를 들어, 양극 집전체에 양극 활물질 입자들로 구성된 양극 활물질과, 도전재 및 바인더가 혼합된 양극 합제를 도포하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 상기 양극 합제에 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께로 제조되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 상기 양극 활물질 입자 외에, 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 내지 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 내지 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 내지 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등으로 구성될 수 있으며, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 30중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 양극(110)에 포함되는 바인더는 양극 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 30중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 분리막(120)은 양극(110)과 음극(130) 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막(120)의 기공 직경은 일반적으로 0.01㎛ 내지 10㎛이고, 두께는 일반적으로 5㎛ 내지 300㎛이다. 이러한 분리막(120)으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막(120)을 겸할 수도 있다.
상기 음극(130)은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; 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; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, 및 Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
본원발명에 따른 전극조립체(100)는 전고체전지이거나, 리튬염 함유 비수 전해액을 포함하는 이차전지일 수 있다.
상기 리튬염 함유 비수 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐알코올, 폴리불화비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수 전해액에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
상기 전극조립체(100)는 긴 시트형의 양극(110) 및 음극(130) 사이에 분리막(130)이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 조립체, 또는 장방형의 양극(110) 및 음극(130)이 분리막(120)을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 단위셀들로 구성되는 스택형 조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 조립체, 또는 단위셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 조립체 등으로 이루어질 수 있다.
상기 전극조립체(100)에서 돌출되는 전극 탭은 전극조립체(100)를 기준으로 서로 다른 방향으로 돌출되는 형태 또는 같은 방향으로 돌출된 형태일수 있다.
상기 전지케이스(200)는 전극조립체를 수납하는 수납부(210) 및 상기 수납부(210) 주변을 밀봉하는 밀봉부(220)를 포함한다.
상기 전지케이스(200)는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다. 상기 라미네이트 시트는 파우치형 전지셀의 절연성을 확보하기 위한 외부 수지층, 수분을 차단하기 위한 금속층, 및 전지케이스의 밀봉을 위한 접착층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진다.
상기 전지케이스(200)는 상부케이스와 하부케이스가 일체인 형태로 3개의 외주변에서 열융착 실링이 이루어지거나, 상부케이스와 하부케이스가 서로 분리되어 4개의 외주변에서 열융착 실링이 이루어지는 형태일 수 있다.
상기 전지케이스(200)의 적어도 일면에는 상기 파우치형 전지셀의 이동을 방지하는 굴곡부가 형성되어 있을 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 굴곡부는 케이스 돌출부(a)와 케이스 함몰부(b)가 일정하게 연속된 패턴으로 나타나 있는 형태이거나, 이들이 불규칙하게 나타나 있는 형태일 수 있다.
상기 굴곡부는 상기 전극조립체(100) 최외곽에 형성된 돌출부(A)와 오목부(B)에 대응된 형상일 수 있다. 상기 굴곡부가 상기 상기 전극조립체(100) 최외곽에 형성된 돌출부(A)와 오목부(B)에 대응된 형상을 가지기 때문에 상기 전극조립체(100)가 상기 전지케이스(200) 내에서 이동하는 현상을 방지할 수 있다.
도 6은 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 변형예 중 분리막 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이고, 도 7은 본원발명의 제1 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 변형예 중 전극 굴곡층을 포함하는 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 6 및 도 7에서 볼 수 있듯, 본원발명에 따른 제1 실시예의 변형예는 도 4 및 도 5와 달리 전극조립체(100)의 최외곽면의 일부에만 굴곡부가 형성되어 있을 수 있다. 상기 굴곡부는 도 6 및 도 7과 같이 전극조립체(100)의 최외곽면에 돌출부(A)가 형성되어 있는 형태일 수 있다. 이 때, 도 4 및 도 5와 같은 오목부(B)는 굴곡이 있는 형태가 아닌 평평한 형태일 수 있다. 상기 돌출부(A)는 규칙적으로 돌출되어 있을 수 있고, 불규칙적으로 돌출되어 있을 수 있다.
본원발명에 따른 전극조립체(100)의 굴곡된 형상은 도 4 내지 도 7과 같이 전극조립체 최외각면에 부가된 별도의 층, 즉 분리막이 굴곡된 분리막 굴곡층(141), 전극 굴곡층(142) 또는 상기 분리막(120) 또는 양극(110) 및 음극(120)과 같은 전극 외의 물질을 사용한 별도의 굴곡층일 수 있다.
상기 굴곡층이 양극(110) 또는 음극(130)의 표면이 굴곡된 형상인 전극 굴곡층(142)인 경우, 상기 전극 굴곡층(142)은 상기 양극(110) 또는 음극(130)의 활물질층이 굴곡된 형상을 가질 수도 있으나, 상기 양극(110) 또는 음극(130)에 별도의 물질을 부가한 코팅층이 일정한 굴곡된 패턴을 가지고 있을 수도 있다.
상기 굴곡층(140)은 금속층 또는 수지층일 수 있다.
일례로, 상기 금속층은 알루미늄, 구리, 철 등을 포함하는 금속 박막일 수 있다. 또한 상기 수지층은 PE, PP 등의 박막이나 상기 분리막(120)과 동일한 재질을 사용할 수도 있다.
도 8은 본원발명의 제2 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 측면도이다.
본원발명의 제2 실시예에 따른 파우치형 이차전지는 전지케이스(200)에만 케이스 돌출부(a) 및 케이스 함몰부(b)를 포함하는 굴곡부가 존재하는 형태일 수 있다. 이 때, 상기 전지케이스(200)는 상기 전극조립체(100)와 접하는 면은 굴곡이 없는 평면이고, 상기 굴곡부는 상기 전지케이스(200)의 외부면에만 형성되어 있을 수 있다.
이 때, 상기 굴곡부는 상기 전지케이스(200) 라미네이트 시트의 금속층에 형성되어 있거나, 상기 전지케이스(200)의 최외각, 즉 라미네이트 시트의 최외곽에 별도의 굴곡부를 갖는 층을 부가하거나, 라미네이트 시트에 별도의 수지층을 부가하는 방식으로 상기 전지케이스(200)에 형성된다.
상기 굴곡부는 상기 전지케이스(200)의 양면에 형성되어, 적층되는 다른 파우치형 전지셀의 굴곡부에 대응하여 결합할 수 있다.
또한 본원발명에 따른 전극조립체(100) 및/또는 전지케이스(200)는 별도의 돌출부(A, a) 또는 함몰부(B, b)가 없이 마찰력 있는 소재가 부가되거나, 상기 돌출부(A, a) 또는 함몰부(B, b)에 마찰력이 있는 소재를 부가할 수 있다.
상기 마찰력이 있는 소재는 마찰계수가 큰 소재면 그 소재에 제한은 없다. 다만, 전극조립체(100)에 부가되는 경우, 전지 성능에 영향이 없는 소재여야 한다. 상기 마찰계수가 큰 소재는, 알루미늄과 같은 금속이나, 천연 고무, 합성 고무와 같은 수지일 수 있다. 이 때, 천연 고무나 합성 고무와 같은 탄성력이 있는 소재를 사용하는 경우, 상기 소재는 특정 방향으로만, 즉 전극조립체의 적층 방향으로만 수축과 이완을 할 수 있는 것이 바람직하고, 일정한 형태를 유지할 수 있는 경도를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전극조립체(100)와 상기 전지케이스(200) 사이의 결합력을 향상시키기 위해 상기 함몰부에 별도의 접착물질을 부가할 수 있다.
상기 접착물질은 전극조립체(100)에서 사용한 바인더와 동일한 성분을 사용할 수도 있고, 상기 전극조립체(100)에서 사용한 바인더(100) 보다 접착력이 강한 접착제를 사용할 수도 있다.
도 9는 본원발명에 따른 파우치형 이차전지 제조방법의 일례이다.
본원발명에 따른 파우치형 이차전지 제조방법은, 상기 전극조립체(100)를 상부 가압부(310)와 하부 가압부(320)를 포함하는 가압부를 이용하여 최외곽면에만 돌출부(A) 및 오목부(B)를 형성하고, 이를 전지케이스(200)에 수납한 후, 상기 전지케이스(200)를 상기 전극조립체(100)의 형태에 따라 변형한 것일 수 있다.
상기 전극조립체(100)의 굴곡된 형상에 의해 변형된 경우, 상기 전지케이스(200)는 라미네이트 시트를 상기 전극조립체(100) 상에 배치한 후, 이를 가압하거나, 수납부(210) 내부를 진공상태로 두어 상기 전극조립체(100)에 상기 라미네이트 시트가 밀착되도록 하는 등의 방법으로 변형될 수 있다.
이 때, 상기 전지케이스(200)는 라미네이트 시트로 이루어져 있어 손상될 가능성이 있으므로 상기 라미네이트 시트는 일정한 두께를 가져야 한다. 라미네이트 시트가 두꺼운 경우, 상기 전극조립체(100)의 형상이 복잡하여도 상기 전지케이스(200)를 형성하기 쉽다. 또한 제작과정이 간편해지기 때문에 생산성이 향상된다.
도 10은 본원발명에 따른 파우치형 이차전지 제조방법의 또 다른 예이다.
도 9와 같은 방법의 경우, 라미네이트 시트의 두께가 얇은 경우, 가압과정 또는 진공상태에서의 밀착과정에서 라미네이트 시트가 손상될 우려가 있다. 이를 위해, 도 10에 따른 파우치형 이차전지 제조방법은, 상기 전극조립체(100)를 전지케이스(200)에 수납한 후, 이를 동시에 상부 가압부(310)와 하부 가압부(320)로 눌러 일정한 굴곡부를 형성하는 방법을 이용할 수 있다.
또한, 상기 도 9와 도 10의 방법의 변형예로, 상기 전극조립체(100)와 상기 전지케이스(200) 각각에 일정한 굴곡을 가지게 형성 후, 변형된 전지케이스(200) 내부에 변형된 전극조립체(100)를 수납할 수도 있다.
본원발명에 따른 전극조립체(100)는 도 9 및 도 10과 같이 가압부(300)로 가압하여 일정한 패턴을 형성할 수 있다. 상기 가압부(300)는 상부 가압부(310)와 하부 가압부(320)의 형태가 서로 대응되는 형상으로 형성되어 있거나, 서로 동일한 형태를 가지고 있을 수 있다.
상기 가압부(300)의 형태가 서로 대응되는 형상으로 이루어져 있는 경우, 상기 전극조립체(100)를 수납하는 전지케이스(200)의 외면 또한 상기 전극조립체(100)와 같이 상부와 하부가 대응되는 형상으로 형성되고, 파우치형 이차전지를 둘 이상 사용하는 경우, 서로 별도의 결합부재 없이도 고정력을 향상시킬 수 있다.
상기 전극조립체(100) 및 전지케이스(200)는 고온에서 가압될 수 있다. 가압시 압력은 약 1톤 내지 3톤일 수 있다. 이 때, 가장 바람직한 범위는 약 1.5 톤 내지 2톤일 수 있다. 가압시 압력이 3톤을 초과하는 경우, 전지케이스 또는 전극조립체가 손상될 수 있고, 가압시 압력이 1톤 미만일 경우, 원하는 형상을 얻기 어려울 수 있다.
이 때, 가압 온도는 90℃ 내지 130℃일 수 있다. 바람직한 온도는 100℃ 또는 125℃이다. 상기 가압 온도가 90℃ 미만인 경우, 전지케이스(200)의 라미네이트 시트에 크랙이 발생될 우려가 커지고, 130℃를 초과하는 경우, 전극조립체가 손상될 우려가 있어 바람직하지 않다.
상기 가압 시간은 약 1분 내지 3분일 수 있다. 이 때, 가장 바람직하게는 상기 가압은 약 1.5분 내지 2.5분 동안 이루어질 수 있다. 상기 가압 시간이 3분을 초과하는 경우, 전지케이스 또는 전극조립체가 구조적으로 변형될 수 있고, 가압 시간이 1분 미만인 경우, 원하는 형상을 형성하지 못하게 된다.
또한 본원발명에 따른 전극조립체(100)는 별도의 가압 없이 전극조립체의 최외각면에 굴곡된 형상을 가진 코팅층, 활물질층 또는 별도의 굴곡층(140)을 부가할 수 있다.
도 11은 본원발명의 제3 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 측면도이다.
도 11과 같이 본원발명의 제3 실시예에 따른 파우치형 이차전지는 분리막 굴곡층(141)과 전극 굴곡층(142)를 모두 가지고 있을 수 있다. 상기와 같이 굴곡층이 두 층으로 되어 있는 경우, 최외곽에 절연을 위한 별도의 층을 형성하지 않아도 된다. 또한 상기 전극조립체(100)의 최외곽에 굴곡층을 형성하기 위한 가압시 두 층으로 된 굴곡층을 형성함으로서 분리막 굴곡층(141)은 전지케이스(200)에 상기 전극조립체를 고정하고, 상기 전극 굴곡층(142)은 전극조립체(100)의 손상을 방지하는 완충 역할을 수행할 수 있다.
도 12는 본원발명에 따른 파우치형 이차전지를 적층한 형태의 모식도이다.
도 12와 같이 본원발명에 따른 파우치형 이차전지는 전지케이스(200)에 케이스 돌출부(a)와 케이스 함몰부(b)를 가지고 있기 때문에 다른 파우치형 이차전지에 결합할 수 있다. 이는 상기 파우치형 이차전지를 다수 사용하는 배터리 모듈 등에서 상기 파우치형 이차전지의 유동을 감소시키는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해 상기 전지케이스(200)의 상면과 전지케이스(200)의 하면은 서로 대응되는 형상으로 형성되어 있을 수 있다.
도 13 및 도 14은 본원발명에 따른 전지케이스의 굴곡부 또는 전극조립체의 굴곡된 형상의 예이다.
본원발명에 따른 굴곡부 및/또는 전극조립체의 굴곡된 형상은 돌출된 부분과 함몰된 부분 중 적어도 하나가 반복적으로 패턴을 이루는 형태일 수 있다.
상기 패턴은 (P1) 내지 (P9)와 같이 돌출부와 함몰부가 일정하게 또는 불균일하게 반복될 수 있다. 상기 패턴은 (P1) 내지 (P5)와 같이 지속적으로 돌출부와 함몰부가 반복되는 형상일 수도 있고, (P6) 내지 (P9)와 같이 평평한 형상이 반복되고, 돌출부가 있는 형태일 수도 있다.
상기 패턴은 직선, 곡선, 다각형 패턴 등 다양한 형상을 가지고 있을 수 있으나, 전지케이스 및 전극조립체의 진동 및 움직임을 고정하기 위한 것이라는 점을 고려하여 보았을 때, 일정한 돌출부가 존재하고, 이러한 돌출부는 곡선형태인 것이 바람직하다.
도 15은 본원발명에 따른 파우치형 이차전지의 상면도이다.
본원발명에 따른 파우치형 이차전지는 전극조립체(100)를 전지케이스(200)의 수납부(210)에 수납한 후, 이를 밀봉부(220)에 의해 밀봉한다.
이러한 전극조립체(100) 및/또는 전지케이스(200)는 전지케이스의 모서리부(E), 즉, 전극조립체(100)의 중앙부(M)의 외곽 또는 전극조립체(100)를 수납하는 수납부(210)의 상기 전극조립체(100)에 대응되는 부분에만 굴곡부를 배치할 수 있다.
상기 굴곡부가 모서리부에만 존재하여 전지의 성능과 무관한 부분을 최소한으로 줄이면서 전지의 밀도 대비 성능을 향상시킬 수 있도록 할 수 있다. 또한, 모서리부(E)에 굴곡부를 배치함으로서 최소한의 구성으로 최대한의 고정력을 얻을 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 파우치형 이차전지를 포함하는 전지 모듈, 전지 팩 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기와 같은 전지셀, 전지 모듈, 전지팩 및 디바이스는 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
상기 디바이스는, 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
10, 100 : 전극조립체
11, 110 : 양극
12, 120 : 분리막
13, 130 : 음극
141 : 분리막 굴곡층
142 : 전극 굴곡층
20, 200 : 전지케이스
210 : 수납부
220 : 밀봉부
300 : 가압부
310 : 상부 가압부
320 : 하부 가압부
A : 돌출부
a : 케이스 돌출부
B : 함몰부
b : 케이스 함몰부
M : 중앙부
E : 모서리부
11, 110 : 양극
12, 120 : 분리막
13, 130 : 음극
141 : 분리막 굴곡층
142 : 전극 굴곡층
20, 200 : 전지케이스
210 : 수납부
220 : 밀봉부
300 : 가압부
310 : 상부 가압부
320 : 하부 가압부
A : 돌출부
a : 케이스 돌출부
B : 함몰부
b : 케이스 함몰부
M : 중앙부
E : 모서리부
Claims (11)
- 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스; 및
상기 전지케이스에 수용되는 전극조립체;를 포함하는 파우치형 전지셀에 있어서,
상기 전지케이스의 적어도 일면에는 상기 파우치형 전지셀의 이동을 방지하는 굴곡부가 형성된 파우치형 전지셀; - 제1항에 있어서,
상기 굴곡부는 상기 전극조립체 최외각에 형성된 굴곡된 형상에 의해서 변형된 것 또는 상기 굴곡된 형상에 맞추어 상기 파우치형 전지셀 조립전에 상기 전지케이스를 변형한 것인 파우치형 전지셀. - 제2항에 있어서,
상기 굴곡된 형상은
상기 전극조립체 최외각에 위치하는 전극의 표면이 굴곡된 형상이거나,
상기 전극조립체 최외각에 위치하는 분리막의 표면이 굴곡된 형상이거나,
상기 전극조립체 최외각면에 부가된 별도의 층이 굴곡된 형상인 파우치형 전지셀. - 제1항에 있어서,
상기 별도의 층은 금속층 또는 수지층인 파우치형 전지셀. - 제1항에 있어서,
상기 굴곡부는 돌출된 부분과 함몰된 부분 중 적어도 하나가 반복적으로 패턴을 이루는 파우치형 전지셀. - 제1항에 있어서,
상기 굴곡부는 상기 전지케이스 모서리 부분에만 배치되는 파우치형 전지셀. - 제1항에 있어서,
상기 굴곡부는 상기 라미네이트 시트에만 마련된 파우치형 전지셀. - 제7항에 있어서,
상기 라미네이트 시트는 상기 전극조립체와 접하는 면은 굴곡이 없는 평면이고, 상기 굴곡부는 상기 라미네이트 시트의 외부면에만 형성이 된 파우치형 전지셀. - 제7항에 있어서,
상기 굴곡부는
상기 라미네이트의 금속층에 형성되거나,
상기 라미네이트 시트의 최외각에 별도의 굴곡부를 갖는 층을 부가하거나,
상기 라미네이트 시트에 별도의 수지층을 부가한 파우치형 전지셀. - 제1항에 있어서,
상기 굴곡부는
마찰력이 있는 소재가 부가되거나,
돌출되거나 함몰된 부분이 없이 별도의 마찰력이 있는 소재만 부가된 파우치형 전지셀. - 제1항에 있어서,
상기 굴곡부는 상기 전지케이스 양면에 형성되고, 적층되는 다른 파우치형 전지셀의 굴골부에 대응하여 결합할 수 있는 형상인 파우치형 이차전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200130624A KR20220047107A (ko) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | 개선된 고정성을 가지는 파우치형 전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200130624A KR20220047107A (ko) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | 개선된 고정성을 가지는 파우치형 전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220047107A true KR20220047107A (ko) | 2022-04-15 |
Family
ID=81211928
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200130624A KR20220047107A (ko) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | 개선된 고정성을 가지는 파우치형 전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220047107A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024080837A1 (ko) * | 2022-10-14 | 2024-04-18 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 이차 전지 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120024108A (ko) | 2010-09-06 | 2012-03-14 | 주식회사 엘지화학 | 휘어진 형상의 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩 |
| KR20160058626A (ko) | 2014-11-17 | 2016-05-25 | 주식회사 아모그린텍 | 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 보조배터리 |
-
2020
- 2020-10-08 KR KR1020200130624A patent/KR20220047107A/ko active Search and Examination
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120024108A (ko) | 2010-09-06 | 2012-03-14 | 주식회사 엘지화학 | 휘어진 형상의 전지셀 및 이를 포함하는 전지팩 |
| KR20160058626A (ko) | 2014-11-17 | 2016-05-25 | 주식회사 아모그린텍 | 플렉서블 배터리 및 이를 포함하는 보조배터리 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024080837A1 (ko) * | 2022-10-14 | 2024-04-18 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 이차 전지 |
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