KR20220094160A - 가스 배출부가 형성되어 있는 이차전지용 전극 리드 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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김상훈
강민형
유형균
황수지
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Abstract

본 실시예에 따르면, 이차전지용 전극 리드로서,
상기 리드는 금속 기재와, 상기 금속 기재의 표면에 형성된 코팅층을 포함하며,
상기 리드의 상면 및 하면 중 적어도 일면에는, 미접착 물질로 표면 처리되어 있거나, 상기 코팅층이 제거된 구조의 가스 배출부가 형성되어 있는 이차전지용 전극 리드 및 이를 포함하는 이차전지가 제공된다.

Description

가스 배출부가 형성되어 있는 이차전지용 전극 리드 및 이를 포함하는 이차전지{ELECTRODE LEAD FOR SECONDARY BATTERY WITH GAS PASSAGE AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 가스 배출부가 형성되어 있는 이차전지용 전극 리드 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중에서, 높은 충방전 특성과 수명특성을 나타내고 친환경적인 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
그러나, 이와 같이 리튬 이차전지의 사용 범위가 확대되면서 에너지 밀도의 증가 요구가 있었고, 이에 따라 이차전지 에너지 밀도를 높임으로써 이차전지 내부에서 발생하는 가스량이 증가하고 있다.
더욱이, 이차전지 내부에 수분이 침투할 경우, 부반응이 발생하고, 이에 따라 이차전지 성능의 저하와 가스 발생이 더욱 가속화되는 문제가 있다.
이에 따라, 이차전지 내부에서 발생한 가스를 외부로 보내도록 이차전지에 가스 배출부를 형성하여 안전성 문제를 해결하고 있으나, 이차전지가 벤트되면, 이차전지의 수명이 현격히 줄어들게 되므로, 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술의 개발이 절실한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 가스 배출 통로를 효율적으로 구조화하여 이차전지의 안전성이 향상될 수 있는 이차전지용 전극 리드 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예들의 전극리드가 제공된다.
제1 구현예는,
금속 기재와, 상기 금속 기재의 표면에 형성된 코팅층을 포함하며,
상기 전극 리드의 상면 및 하면 중 적어도 일면에는, 미접착 물질로 표면 처리되어 있거나, 상기 코팅층이 제거된 구조의 가스 배출부가 형성되어 있는 이차전지용 전극 리드에 관한 것이다.
제2 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 코팅층의 두께는 0.1 내지 5㎛일 수 있다.
제3 구현예는, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,
상기 가스 배출부는 물리적 또는 화학적 식각 방법에 의해 상기 코팅층이 두께 방향으로 일부 또는 전부가 제거된 구조일 수 있다.
제4 구현예는, 제3 구현예에 있어서,
상기 가스 배출부?z 상기 코팅층이 두께 방향으로 코팅층 전체 두께의 50% 내지 100% 제거된 구조일 수 있다.
제5 구현예는, 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 가스 배출부는 폴리이미드계 물질, 불소계 물질, 및 폴리메틸펜텐로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 미접착 물질이 코팅되어 있는 구조일 수 있다.
제6 구현예는, 제5 구현예에 있어서,
상기 불소계 물질이 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
제7 구현예는, 제1 구현예 내지 제6 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 미접착 물질은 30nm 내지 10㎛의 두께로 코팅되어 있을 수 있다.
제8 구현예는, 제1 구현예 내지 제7 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 가스 배출부는 그 평면상 형상이 원형, 타원형, 또는 다각형일 수 있다.
제9 구현예는, 제1 구현예 내지 제8 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 전극 리드 전체 면적에 대하여 10 내지 70%의 면적으로 형성되어 있을 수 있다.
제10 구현예는, 제1 구현예 내지 제9 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 금속 기재는 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 스테인리스스틸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
제11 구현예는, 제1 구현예 내지 제10 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 코팅층은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 콜럼븀(Cb), 실리콘 산화물, 주석 산화물, 및 티타늄 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예들의 이차전지가 제공된다.
제12 구현예는,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있으며,
상기 양극은 양극 탭을 포함하고, 상기 음극은 음극 탭을 포함하며,
상기 양극 탭은 양극 리드에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 음극 탭은 음극 리드에 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 양극 리드와 상기 음극 리드는, 상기 전지케이스의 밀봉부를 통해 외부로 노출되어 있고,
상기 양극 리드와 상기 음극 리드가 상기 전지케이스의 밀봉부와 접촉하는 부위에는 절연 필름이 부착되어 있으며,
상기 양극 리드 및 상기 음극 리드 중 적어도 하나의 전극 리드는,
금속 기재와, 상기 금속 기재의 표면에 형성된 코팅층을 포함하며, 상기 전극 리드의 상면 및 하면 중 적어도 일면에는, 미접착 물질로 표면 처리되어 있거나, 상기 코팅층이 제거된 구조의 가스 배출부가 절연 필름이 부착되는 부위 내에 형성되어 있는 이차전지에 관한 것이다.
제13 구현예는, 제12 구현예에 있어서,
상기 코팅층의 두께는 0.1 내지 5㎛일 수 있다.
제14 구현예는, 제12 구현예 또는 제13 구현예에 있어서,
상기 가스 배출부는 물리적 또는 화학적 식각 방법에 의해 상기 코팅층이 두께 방향으로 일부 또는 전부가 제거된 구조일 수 있다.
제15 구현예는, 제14 구현예에 있어서,
상기 가스 배출부는 상기 코팅층이 두께 방향으로 코팅층 전체 두께의 50% 내지 100% 제거된 구조일 수 있다.
제16 구현예는, 제12 구현예 내지 제15 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 가스 배출부는 폴리이미드계 물질, 불소계 물질, 및 폴리메틸펜텐로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 미접착 물질이 코팅되어 있는 구조일 수 있다.
제17 구현예는, 제16 구현예에 있어서,
상기 불소계 물질이 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
제18 구현예는, 제12 구현예 내지 제17 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 미접착 물질은 30nm 내지 10㎛의 두께로 코팅되어 있을 수 있다.
제19 구현예는, 제12 구현예 내지 제18 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 가스 배출부는 그 평면상 형상이 원형, 타원형, 또는 다각형일 수 있다.
제20 구현예는, 제12 구현예 내지 제19 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 전극 리드와 상기 절연 필름이 접촉하는 전체 면적에 대하여 20 내지 90%의 면적으로 형성되어 있을 수 있다.
제21 구현예는, 제12 구현예 내지 제20 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 가스 배출부와 상기 절연 필름 사이의 접착 강도는 상기 가스 배출부를 제외한 전극 리드와 상기 절연 필름 사이의 접착 강도의 20% 내지 80%일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차전지용 전극 리드에 가스 배출부를 형성함으로써, 효용가치를 높일 수 있다.
또한, 상기 가스 배출부는 이후 상기 전극 리드와 접착되는 절연 필름에 비접착면을 제공하는 간소화된 방법으로 형성할 수 있으므로 매우 빠르고 효율적인 형성이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 전극 리드의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전극 리드를 포함하는 이차전지 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전극 리드를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 상기 전극 리드를 제조하는 방법의 모식도들이다.
도 8은 실시예 3에 따른 전극 리드를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명의 실험예 1에 따른 실시예 1의 양극 리드와 절연 필름의 접착 강도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실험예 1에 따른 실시예 2의 음극 리드와 절연 필름의 접착 강도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실험예 2에 따른 실시에 1의 양극 리드와 절연 필름의 접착 강도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실험예 2에 따른 실시예 2의 음극 리드와 절연 필름의 접착 강도를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예 3의 가스 배출부의 시간의 경과에 따른 가스 배출량을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면,
이차전지용 전극 리드로서,
상기 전극 리드는 금속 기재와, 상기 금속 기재의 표면에 형성된 코팅층을 포함하며,
상기 전극 리드의 상면 및 하면 중 적어도 일면에는, 미접착 물질로 표면 처리되어 있거나, 상기 코팅층이 제거된 구조의 가스 배출부가 형성되어 있는 이차전지용 전극 리드가 제공된다.
이때, 상기 코팅층은 강산 등에 의해 전극 리드가 부식되는 것을 방지함과 동시에 절연 필름과의 접착력 향상을 위한 코팅층이 형성되어 있을 수 있다.
이러한 상기 코팅층의 두께는 0.1 내지 5㎛일 수 있다.
상기 범위를 만족할 때, 이차전지 내부에서 발생하는 강산으로 인해 전극 리드의 부식을 방지하면서도 전극 리드의 두께가 지나지게 두꺼워지는 것을 방지할 수 있으므로 바람직하다.
한편, 종래에는 이차전지 내부에 가스 발생시 가스를 외부로 배출시키기 위한 상기 가스 배출부를 형성하는 다양한 방법이 개발되어 왔다, 예를 들어, 파우치에 노치를 형성하거나, 리드부 사이에 별도의 가스배출부재를 형성하는 등으로, 내부에서 발생한 가스를 외부로 배출시켜 이차전지의 안전성을 확보하고자 하였다.
그러나, 상기 방법들은 벤트 시 이차전지를 더 이상 사용할 수 없어, 이차전지의 수명이 현저하게 감소하거나, 별도의 부재가 필요한 등으로, 공정 효율성 및 가격 경쟁력에서 우위를 차지할 수 없었다.
반면, 본 발명은, 보다 간소화된 방법으로 이차전지용 전극 리드 상에 가스 배출부를 형성함으로써, 이차전지의 안전성을 확보하면서도 수명을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
구체적으로, 상기 전극 리드의 적어도 일면에 형성되는 상기 가스 배출부는 매우 간단하고 저가인 공정을 통해 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 가스 배출부는 물리적 또는 화학적 식각 방법에 의해 상기 코팅층을 두께 방향으로 일부 또는 전부 제거함으로써 형성할 수 있으며, 이때, 상기 가스 배출부는 코팅층이, 두께 방향으로 코팅층 전체 두께의 50% 내지 100% 제거된 구조일 수 있다.
상기 코팅층이 제거된 범위가 전술한 범위를 만족하는 경우, 벤트 효과를 확보할 수 있으면서 전극 리드 자체에 손상을 주는 것을 방지하기 더욱 용이할 수 있다.
이때, 상기 물리적 또는 화학적 식각 방법은, 상기 코팅층을 제거할 수 있는 방식이라면 한정되지 아니하고, 가능하며, 예를 들어, 울트라 바이올렛 오존(UVO) 처리 및 산성 용액의 노출을 통한 습식 식각 방법, 스퍼터(sputter) 식각법, 및 플라즈마 에칭법(plasma etching) 등으로 수행될 수 있다. 즉, 상기 전극 리드 상에 형성할 가스 배출부의 형상의 개구를 가지는 마스크를 전극 리드 상에 배치하고, 다양한 식각방법에 의해 상기 전극 리드의 코팅층을 제거함으로써, 가스 배출부를 형성할 수 있다.
이러한 제조 방법은 이하에서 더욱 자세히 설명한다.
또는, 상기 가스 배출부는 녹는점이 220℃ 이상의 고분자를 코팅함으로써 형성할 수 있다. 또한, 상기 가스 배출부는 유리전이온도가 100℃ 이상의 고분자를 코팅함으로써 형성할 수 있다. 상기 가스 배출부가 전술한 범위의 유리전이온도를 가지는 고분자를 사용하는 경우, 후술하는 절연 필름과 전극 리드를 부착할 때 가스 배출부가 형성되기 더욱 용이할 수 있다.
상기 녹는점은 시차 주사 열량계(Differential scanning calorimeter; DSC)를 이용하여 측정할 수 있다. 예컨대, 시료의 온도를 30℃로부터 10℃/min으로 280℃까지 증가시킨 후, 280℃에서 10분 간 유지하고, 10℃/min으로 30℃까지 냉각한 후, 30℃에서 10분간 유지한다. 이후, 30℃로부터 10℃/min으로 280℃까지 증가시킨 후 280℃에서 10분간 유지하여 용융 피크들의 온도를 측정하고, 이 때, DSC 곡선의 꼭대기를 녹는점으로 하여 측정할 수 있다.
상기 유리전이온도는 시차 주사 열량계(Differential scanning calorimeter; DSC)를 이용하여 측정할 수 있다. 예컨대, 시료의 온도를 30℃로부터 10℃/min으로 280℃까지 증가시킨 후, 280℃에서 10분 간 유지하고, 10℃/min으로 30℃까지 냉각한 후, 30℃에서 10분간 유지한다. 이후, 30℃로부터 10℃/min으로 280℃까지 증가시킨 후 280℃에서 10분간 유지하는 과정에서 얻어지는 엔탈피 곡선의 변곡점에서의 접선과 온도를 유지하고 있었을 때의 흡열량의 교점을 측정하여 구할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상기 가스 배출부는 폴리이미드계 물질, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드계 물질, 및 폴리메틸펜텐으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 미접착 물질을 코팅함으로써 형성할 수 있다.
상기 미접착 물질들은, 이후 전극 리드 상에 부착되는 절연 필름과 접착되지 않는 물질이다.
이와 같은 미접착 물질들의 코팅은 종래 알려진 코팅 방법이라면 한정되지 아니하고, 다양하게 사용될 수 있으며, 예를 들어, 스핀 코팅, 블레이드 코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 프린팅의 방법으로 수행될 수 있고, 이때 상기와 유사하게 특정 형상의 가스 배출부를 형성하기 위해 상기 가스 배출부의 형상의 개구를 가지는 마스크를 사용하여 수행할 수 있다. 또는 롤 압연 방식에 의해 전사하는 형태로 형성할 수도 있다.
더욱 자세한 제조 방법은 이하에서 설명한다.
이때, 상기 미접착 물질은 30nm 내지 10㎛의 두께로 코팅되어 있을 수 있다.
상기 미접착 물질의 두께가 전술한 범위를 만족하는 경우, 공정상 어려움이 없으면서 다른 부분의 밀봉이 잘 이루어지지 않아 전해액 누출과 같은 문제가 발생하는 것을 방지하기 더욱 용이할 수 있다.
즉, 상기 가스 배출부는, 이후, 이차전지 제조시 절연 필름을 전극 리드 상에 부착할 때, 절연 필름이 전극 리드에 부착되지 않는 부위를 형성하는 매우 간단한 방법으로 형성할 수 있다.
따라서, 절연 필름과 부착되지 않는 부위를 통해 이차전지 내부의 가스가 외부로 배출될 수 있도록 하는 것이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 상기 가스 배출부는 절연 필름과 부착성이 좋은 상기 전극 리드의 코팅층을 제거하거나, 아예 절연 필름과 부착성을 가지지 않는 물질을 코팅하는 매우 간단하고 저가의 공정으로 형성하여, 본원이 의도한 효과를 발휘할 수 있는 바, 공정 및 경제적으로 매우 효율적이다.
이때, 상기 가스 배출부는 이후 절연 필름이 부착되는 면적을 고려하여, 상기 전극 리드의 평면상 전체 면적에 대하여 10% 내지 70%의 면적으로 형성될 수 있고, 상세하게는, 20% 내지 50%의 면적으로 형성될 수 있다.
상기 가스 배출부의 면적이 전술한 범위를 만족하는 경우, 절연 필름 부착 부위에 가스 배출부를 형성할 수 있으면서 코팅층이 지나치게 벗겨져 전해액 누출과 같은 밀봉성 등의 문제를 방지하기 더욱 용이할 수 있다.
한편, 상기 가스 배출부는, 그 평면상 형상은 한정되지 아니하고, 원형, 타원형, 또는 다각형으로 다양하게 형성될 수 있고, 다만, 전해액 누출과 같은 문제가 발생하지 않으면서 가스를 효율적으로 배출할 수 있는 패턴으로 형성될 수 있다.
도 1에는 이러한 전극 리드 상의 가스 배출부(101)의 형상의 예를 모식적으로 도시하였다.
도 1을 참조하면, 도 1 (a)는 직사각형, 도 1 (b)는 타원형, 도 1 (c)는 요철형상과 같은 다각형, 도 1 (d)는 삼각형의 가스 배출부(101)가 도시되어 있다.
다만, 도면은 하나의 예시일 뿐 이러한 형상에 한정되지는 않는다.
한편, 본 발명에 따른 전극 리드는 금속 기재와 상기 금속 기재 상에 코팅된 코팅층을 포함한다.
이때, 상기 금속 기재는, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 및 스테인리스스틸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 전극 리드가 양극 리드인지 음극 리드인지에 따라 바람직한 금속 기재의 재질이 상이할 수 있고, 예를 들어, 양극 리드인 경우, 알루미늄, 니켈, 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금일 수 있고, 음극 리드인 경우, 구리, 니켈, 또는 이들 중 적어도 1종 이상이 포함된 합금일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전극 리드는 상기와 같은 금속 기재 상에 이차전지에 수분이 침투하여 전해액과 반응함으로써 발생하는 강산 등에 의해 부식되는 것을 방지함과 동시에 절연 필름과의 접착력 향상을 위한 코팅층이 형성되어 있을 수 있다. 이때, 상기 코팅층은 금속 또는 금속 산화물을 포함할 수 있으며, 상세하게는, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 콜럼븀(Cb), 실리콘 산화물, 주석 산화물, 및 티타늄 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상기 코팅층의 두께는 5㎛ 이하일 수 있고, 상세하게는, 0.1㎛ 내지 5㎛, 더욱 상세하게는, 0.1㎛ 내지 0.5㎛, 가장 상세하게는 0.2㎛ 내지 0.3㎛일 수 있다.
상기 범위를 만족할 때, 이차전지 내부에서 발생하는 강산으로 인해 전극 리드의 부식을 방지하면서도 전극 리드의 두께가 지나지게 두꺼워지는 것을 방지하기 더욱 용이할 수 있다.
또한, 상기 코팅층은 당해 기술분야에 잘 알려진 방법을 이용하여 형성될 수 있으며 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들면, 전기 도금 등에 의해 형성될 수 있다.
본원의 가스 배출부는 이러한 코팅층을 두께 방향으로 일부 또는 전부 제거하는 형태로 형성되거나, 상기 코팅층 상에 미접착 물질이 표면 처리되는 형태로 형성되는 것이다.
한편, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있으며,
상기 양극은 양극 탭을 포함하고, 상기 음극은 음극 탭을 포함하며,
상기 양극 탭은 양극 리드에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 음극 탭은 음극 리드에 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 양극 리드와 상기 음극 리드는, 상기 전지케이스의 밀봉부를 통해 외부로 노출되어 있고,
상기 양극 리드와 상기 음극 리드가 상기 전지케이스의 밀봉부와 접촉하는 부위에는 절연 필름이 부착되어 있으며,
상기 양극 리드 및 상기 음극 리드 중 적어도 하나의 전극 리드는,
금속 기재와, 상기 금속 기재의 표면에 형성된 코팅층을 포함하며, 상기 전극 리드의 상면 및 하면 중 적어도 일면에는, 미접착 물질로 표면 처리되어 있거나, 상기 코팅층이 제거된 구조의 가스 배출부가 절연 필름이 부착되는 부위 내에 형성되어 있는 이차전지가 제공된다.
이러한 이차전지의 형태를 보다 구체적으로 설명하기 위해, 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(200)가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체(201)가 전해액과 함께 전지케이스(202)에 내장되어 있으며, 상기 양극은 양극 탭(203)을 포함하고, 상기 음극은 음극 탭(204)을 포함하며, 양극 탭(203)은 양극 리드(110)에 전기적으로 연결되어 있고, 음극 탭(204)은 음극 리드(100)에 전기적으로 연결되어 있으며, 양극 리드(110)와 음극 리드(100)는, 전지케이스(202)의 밀봉부를 통해 외부로 노출되어 있고, 양극 리드(110)와 음극 리드(100)가 전지케이스(202)의 밀봉부와 접촉하는 부위에는 절연 필름(205, 206)이 각각 부착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이때, 음극 리드(100)를 확대(A)하여 그 구조를 검토하면, 음극 리드(100)에 절연 필름(206)이 부착되는 부위 내 일부에서 가스 배출부(101)가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
이때, 가스 배출부(101)는 절연 필름(206)과 미접착되면서 가스 배출 통로가 되는 것이다.
도면에 도시하지 않았으나, 양극 리드(110)에 가스 배출부가 형성될 수도 있으며, 양극 리드(110)와 음극 리드(120) 모두에 가스 배출부가 형성될 수 있다.
한편, 가스 배출부(101)는 전극 리드와 절연 필름이 접촉하는 면적을 기준으로 할때, 20% 내지 90%의 면적, 상세하게는 30% 내지 80%의 면적으로 형성될 수 있다.
가스 배출부(101)의 면적이 전술한 범위를 만족하는 경우, 전극 리드와 전연 필름 간 밀봉성을 확보할 정도의 면적을 확보할 수 있으면서 벤트 효과를 확보하기 더욱 용이할 수 있다.
또한, 이러한 가스 배출부(101)의 형성 구조, 형상, 물질 등도 상기에서 설명한 바와 같다. 더 나아가, 전극 리드의 그 밖의 구성 요소 역시 상기에서 설명한 바와 같다.
도 3에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 리드(100)를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 전극 리드(100)는 전지케이스(202)의 밀봉부를 통해 외부로 노출되어 있고, 전극 리드(100)가 전지케이스(202)의 밀봉부와 접촉하는 부위에는 절연 필름(205)이 부착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이때, 전극 리드(100)의 일부에서 가스 배출부(101)가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 가스 배출부(101)는 서로 연결되어 있는 제1 가스 배출부(101A) 및 제2 가스 배출부(101B)를 포함하고, 상기 제1 가스 배출부(101A)는 상기 전극 리드의 폭 방향을 따라 연장되어 있고, 상기 제2 가스 배출부(101B)는 상기 전극 리드의 돌출 방향을 따라 연장되어 있을 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 가스 배출부(101A)의 길이는 상기 전극 리드의 폭보다 작을 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 전극 리드의 돌출 방향을 기준으로, 상기 제2 가스 배출부(101B)의 전지 외측 방향의 일단이 상기 전극 리드와 절연 필름이 대응하는 부위의 전지 외측 방향 쪽 단부보다 전지 내측 방향에 위치할 수 있다. 또한, 상기 제2 가스 배출부(101B)의 전지 내측 방향의 타단이 상기 전극 리드와 절연 필름이 대응하는 부위의 전지 내측 방향쪽 단부보다 전지 내측 방향에 위치할 수 있다. 한편, 상기 절연 필름(205, 206)의 재질은 전기 절연성을 지니는 열가소성, 열경화성 및 광경화형 수지 중 어느 하나일 수 있고, 일 예로서 스티렌 부타디엔 수지, 스티렌 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아크릴계 수지, 페놀 수지, 아미드계 수지, 아크릴레이트계 수지, 및 그 변성 수지일 수 있으나 상기와 같은 기능들을 수행할 수 있는 수지라면 특별히 제한하지 않는다.
그 밖의 상기 절연 필름의 구체적인 내용은 종래 알려진 내용을 포함한다.
본 발명에 따라 형성된 전극 리드(100)의 가스 배출부(101)와 절연 필름(206) 사이의 접착 강도는 가스 배출부(101)를 제외한 전극 리드(100)와 절연 필름(206) 사이의 접착 강도의 20% 내지 80%일 수 있고, 상세하게는 30% 내지 70%일 수 있다.
여기서, 상기 접착 강도는 상기와 같은 가스 배출부(101)를 형성한 전극 리드(100)에 폴리프로필렌의 절연 필름(206)을 융착하고, 이를 전해액 30g과 드라이 아이스 1.3g이 포함되고, 60℃, 90%RH의 챔버에 2주동안 보관한 후, 일부 박리 후 전극 리드와 절연 필름을 180도 방향으로 당기면서 변형률에 따라 부하되는 강도를 UTM을 통해 측정하여 구할 수 있다.
한편, 상기 전지케이스는 한정되지 아니하나, 상기 구성이 적절히 활용되는 파우치형 전지케이스일 수 있다.
그 밖의 양극, 음극, 분리막, 양극 탭, 음극 탭, 전지케이스, 전해액 등의 구성은 종래 알려져 있으므로 본 발명에서는 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 상기에서 설명한 바와 같이, 가스 배출부(101)는 코팅층이 제거된 구조이거나, 미접착 물질로 표면 처리된 것으로, 이러한 구조들의 구체적인 제조방법은 하기 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가스 배출부는 코팅층을 제거하는 방법으로 형성될 수 있다.
구체적으로, (a) 금속 기재와, 상기 금속 기재의 표면에 코팅층이 형성되어 있는 예비 전극 리드를 준비하는 단계;
(b) 상기 전극 리드에 형성할 가스 배출부의 형상에 대응되는 개구부를 포함하는 마스크를 준비하는 단계; 및
(c) 상기 예비 전극 리드의 상면 및 하면 중 적어도 일면에 상기 마스크를 위치시키고, 상기 마스크의 개구부에 대응되는 형상으로 코팅층 일부를 제거하는 단계;
를 포함하여 형성될 수 있다.
하기 도 4 내지 도 5에 이러한 코팅층의 일부를 제거하는 방법의 예를 도시하였다.
먼저, 도 4를 참조하면, 물리적 식각 방법에 의한 가스 배출부의 형성방법이 도시되어 있다.
구체적으로, 예비 전극 리드(300) 상에 제조하고자 하는 가스 배출부(301)의 형상에 대응되는 개구부(311)를 포함하는 마스크(310)를 위치시키고, 마스크(310)의 개구부(311)를 통해 스퍼터(320)에 의해 이온화된 기체를 사용하여 충격을 줌으로써 예비 전극 리드(300) 상에 개구부(311)에 대응되는 형상으로 코팅층을 제거함으로써 가스 배출부(301)를 형성할 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 화학적 식각 방법에 의한 가스 배출부의 형성방법이 도시되어 있다.
구체적으로, 예비 전극 리드(400) 상에 개구부(411)를 포함하는 마스크(410)를 위치시키고, 개구부(411)에 산성 용액(420)을 투입하여 화학적으로 식각 처리하여 예비 전극 리드(400)의 코팅층을 제거함으로써 가스 배출부(401)를 형성할 수 있다.
여기서, 상기 산성 용액(420)은 산성을 띄어 코팅층을 제거할 수 있는 용액이라면 한정되지 아니하고, 예를 들어, 퍼클로릭산(Perchloric acid)와 암모늄 나이트레이트(ammonium nitrate)의 혼합 용액일 수 있다.
또 하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 리드 상의 가스 배출부는 절연 필름과 비접착성을 가지는 미접착 물질로 전극 리드를 표면 처리하는 방법으로도 수행될 수 있다.
구체적으로, (a) 금속 기재와, 상기 금속 기재의 표면에 코팅층이 형성되어 있는 예비 전극 리드를 준비하는 단계; 및
(b) 상기 예비 전극 리드의 상면 및 하면 중 적어도 일면에서 일부를 미접착 물질로 표면 처리하여 가스 배출부를 형성하는 단계;
를 포함할 수 있다.
이러한 방법의 구체적인 예들을 도 5 및 도 6에 도시하였다.
먼저, 도 6을 참조하면, 스프레이, 잉크젯, 블레이드 등의 코팅방법이 도시되어 있다.
구체적으로, 예비 전극 리드(500)의 상면 및 하면 중 적어도 일면 상에 형성할 가스 배출부(501)의 형상에 대응되는 개구부(511)를 포함하는 마스크(510)를 위치시키고, 마스크(510)의 개구부(511)를 통해 미접착 물질(521)을 다양한 방법, 예를 들어, 스프레이 코터(520) 등으로 도포함으로써 가스 배출부(501)를 형성할 수 있다.
또는, 도 7을 참조하면, 롤 압연 방식에 의한 미접착 물질의 코팅방법이 도시되어 있다.
구체적으로, 가스 배출부(601) 형상에 대응되는 미접착 물질(611)이 표면에 형성된 롤(610)을 사용하여, 압연하는 방식에 의해 미접착 물질(611)을 예비 전극 리드(600)의 표면에 전사, 코팅하는 방법으로 가스 배출부(601)를 형성할 수 있다.
이때, 미접착 물질(521, 611)의 구체적인 예들은 상기에서 설명한 바와 같다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예, 이에 대비되는 비교예, 이들을 평가하는 실험예를 기재한다. 그러나, 상기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
<실시예 1>
두께 200㎛의 알루미늄(Al) 호일에 크롬(Cr)이 0.2㎛ 두께로 코팅된 예비 전극 리드에 레이저를 조사(출력: 70W, 파장: 300nm)하여 Cr을 하기 도 1 (a)와 같이 직사각형으로 에칭(해당 부위에 Cr층이 남아 있지 않도록)하였다.
이후, 해당 부위를 덮도록 절연 필름으로서 폴리프로필렌 필름(두께: 100㎛)를 적층하고 이들을 융착시켜 전극 리드와 절연 필름의 적층체를 준비하였다.
<실시예 2>
두께 200㎛의 구리(Cu) 호일 표면에 니켈(Ni)층이 1㎛ 두께로 형성되어 있고, 니켈 표면에 크롬(Cr)이 0.2㎛ 두께로 코팅된 예비 전극 리드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 전극 리드와 절연 필름의 적층체를 준비하였다.
<실시예 3>
두께 200㎛의 알루미늄(Al) 호일에 크롬(Cr)이 0.2㎛ 두께로 코팅된 예비 전극 리드(100) 표면에 하기 도 8에서와 같이 T자 형으로 비닐리덴 모노머와 헥사플루오로프로필렌 모노머와 테트라플루오로에틸렌 모노머의 공중합체를 디스펜서로 도포하였다. 도포 완료 후 자외선을 3W 조사하여 30초간 경화를 진행하고 140℃에서 5분 동안 열풍 건조하여 가스 배출부(101)를 형성하였다.
이후, 하기 도 8과 같이 전극 리드를 덮도록 절연 필름(205)으로서 폴리프로필렌 필름(두께: 100㎛)를 적층하고 이들을 융착시켜 전극 리드와 절연 필름의 적층체를 준비하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1에서 제조된 적층체와 실시예 2에서 제조된 적층체를 1M의 LiFSI이 녹아있는 부피비 3:7의 플루오르에틸렌카보네이트(FEC)와 에틸메틸카보네이트(EMC) 용액 30g과 드라이 아이스 1.3g이 내장되어 있는 60℃, 90%RH 챔버에 2주동안 보관하였다.
2주 후, 상기 각각의 적층체들을 UTM 장비(LLOYD Instrument LF Plus)에 장착 후 측정 속도 300mm/min으로 180도로 힘을 가해 절연필름과 전극 리드가 분리되는데 필요한 분리 강도, 즉 접착 강도를 측정하여 그 결과를 도 9 및 도 10에 도시하였다.
이들 도면을 참조하면, 레이저가 처리에 의해 Cr이 제거된 부위에서 접착 강도가 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
상기 실시예 1에서 제조된 적층체와 실시예 2에서 제조된 적층체를 1M의 LiFSI이 녹아있는 부피비 3:7의 플루오르에틸렌카보네이트(FEC)와 에틸메틸카보네이트(EMC) 용액에 25℃(RT), 60℃, 80℃, 100℃의 오븐에서 1일동안 각각 담지후, 꺼내 UTM 장비(LLOYD Instrument LF Plus)에 장착 후 측정 속도 300mm/min으로 180도로 힘을 가해 절연필름과 전극 리드가 분리되는데 필요한 분리 강도, 즉 접착 강도를 측정하여 그 결과를 도 11 및 도 12에 도시하였다.
이들 도면을 참조하면, 온도가 올라갈수록 이러한 가스 배출부의 효과가 더욱 발휘됨을 알 수 있다.
<실험예 3>
실시예 3에서 제조한 전극 리드와 절연 필름의 적층체의 시간 경과에 따른 가스 배출량을 도 13에 나타내었다.
상기 시간 경과에 따른 가스 배출량은 실시예 3에서 제조한 전극 리드와 절연 필름의 적층체와 외부에서 가스를 주입할 수 있는 가스관을 구비한 이차전지를 3개 준비하고, 상기 가스관을 통해 외부에서 가스를 50 sc/cm의 속도로 주입하여 각각 1, 1.5, 2 atm의 압력에 도달하게 한 후, 시간 경과에 따라 압력이 어떻게 변화하는지를 측정한 후에, 압력과 가스 주입량의 상관관계식으로부터 배출한 가스량을 계산하였다.
도 3으로부터 본 발명의 가스 배출부가 다양한 조건에서 기능할 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
100: 음극 리드
101: 가스 배출부
101A: 제1 가스 배출부
101B: 제2 가스 배출부
110: 양극 리드
200: 이차전지
201: 전극조립체
202: 전지케이스
203: 양극 탭
204: 음극 탭
205: 절연 필름
206: 절연 필름
300: 예비 전극 리드
301: 가스 배출부
310: 마스크
311: 개구부
320: 스퍼터
400: 예비 전극 리드
401: 가스 배출부
410: 마스크
411: 개구부
420: 산성 용액
500: 예비 전극 리드
501: 가스 배출부
510: 마스크
511: 개구부
520: 스프레이 코터
521: 미접착 물질
600: 예비 전극 리드
601: 가스 배출부
610: 롤
611: 미접착 물질

Claims (21)

  1. 이차전지용 전극 리드로서,
    상기 전극 리드는 금속 기재와, 상기 금속 기재의 표면에 형성된 코팅층을 포함하며,
    상기 전극 리드의 상면 및 하면 중 적어도 일면에는, 미접착 물질로 표면 처리되어 있거나, 상기 코팅층이 제거된 구조의 가스 배출부가 형성되어 있는 이차전지용 전극 리드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층의 두께는 0.1 내지 5㎛인 이차전지용 전극 리드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출부는, 물리적 또는 화학적 식각 방법에 의해 상기 코팅층이 두께 방향으로 일부 또는 전부가 제거된 구조인 이차전지용 전극 리드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스 배출부는 상기 코팅층이 두께 방향으로 코팅층 전체 두께의 50% 내지 100% 제거된 구조인 이차전지용 전극 리드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출부는 폴리이미드계 물질, 불소계 물질 및 폴리메틸펜텐으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 미접착 물질이 코팅되어 있는 구조인 이차전지용 전극 리드.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 불소계 물질이 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 이차전지용 전극 리드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미접착 물질은 30nm 내지 10㎛의 두께로 코팅되어 있는 이차전지용 전극 리드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출부는 그 평면상 형상이 원형, 타원형, 또는 다각형인 이차전지용 전극 리드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출부는 상기 전극 리드 전체 면적에 대하여 10 내지 70%의 면적으로 형성되어 있는 이차전지용 전극 리드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속 기재는 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 및 스테인리스스틸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 이차전지용 전극 리드.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 콜럼븀(Cb), 실리콘 산화물, 주석 산화물, 및 티타늄 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 이차전지용 전극 리드.
  12. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있으며,
    상기 양극은 양극 탭을 포함하고, 상기 음극은 음극 탭을 포함하며,
    상기 양극 탭은 양극 리드에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 음극 탭은 음극 리드에 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 양극 리드와 상기 음극 리드는, 상기 전지케이스의 밀봉부를 통해 외부로 노출되어 있고,
    상기 양극 리드와 상기 음극 리드가 상기 전지케이스의 밀봉부와 접촉하는 부위에는 절연 필름이 부착되어 있으며,
    상기 양극 리드 및 상기 음극 리드 중 적어도 하나의 전극 리드는,
    금속 기재와, 상기 금속 기재의 표면에 형성된 코팅층을 포함하며, 상기 전극 리드의 상면 및 하면 중 적어도 일면에는, 미접착 물질로 표면 처리되어 있거나, 상기 코팅층이 제거된 구조의 가스 배출부가 절연 필름이 부착되는 부위 내에 형성되어 있는 이차전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 코팅층의 두께는 0.1 내지 5㎛인 이차전지.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 가스 배출부는, 물리적 또는 화학적 식각 방법에 의해 상기 코팅층이 두께 방향으로 일부 또는 전부가 제거된 구조인 이차전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 가스 배출부는 상기 코팅층이 두께 방향으로 코팅층 전체 두께의 50% 내지 100% 제거된 구조인 이차전지.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 가스 배출부는 폴리이미드계 물질, 불소계 물질, 및 폴리메틸펜텐으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 미접착 물질이 코팅되어 있는 구조인 이차전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 불소계 물질이 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 이차전지.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 미접착 물질은 30 nm 내지 10㎛의 두께로 코팅되어 있는 이차전지.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 가스 배출부는 그 평면상 형상이 원형, 타원형, 또는 다각형인 이차전지.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 가스 배출부는 상기 전극 리드와 상기 절연 필름이 접촉하는 전체 면적에 대하여 20 내지 90%의 면적으로 형성되어 있는 이차전지.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 가스 배출부와 상기 절연 필름 사이의 접착 강도는 상기 가스 배출부를 제외한 전극 리드와 상기 절연 필름 사이의 접착 강도의 20% 내지 80%인 이차전지.
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