KR20230039938A - 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈 - Google Patents

이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈 Download PDF

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KR20230039938A
KR20230039938A KR1020210122905A KR20210122905A KR20230039938A KR 20230039938 A KR20230039938 A KR 20230039938A KR 1020210122905 A KR1020210122905 A KR 1020210122905A KR 20210122905 A KR20210122905 A KR 20210122905A KR 20230039938 A KR20230039938 A KR 20230039938A
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이경민
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Abstract

본 발명은 전극조립체; 및 상부 파우치 및 하부 파우치의 테두리를 실링하여 형성되는 내부 공간에 상기 전극조립체를 수납하는 파우치 케이스;를 포함하고, 상기 테두리를 실링한 실링부의 일부가 절곡되어 형성되며, 내부에 가스흡수재가 삽입된 가스흡착부;를 포함하는 이차전지에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 이차전지 내부에서 발생되는 가스를 흡착하여 파우치가 부풀어 오르는 현상(swelling)을 방지 할 수 있고, 벤팅 시점을 늦출 수 있으며, 이에 따라, 이차전지의 수명을 증대시킬 수 있다.

Description

이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈 {SECONDARY BATTERY, AND SECONDARY BATTERY MODULE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이러한, 리튬 이온 전지는 고온에서의 사이클(cycle), 저장 방치 평가 실험 및 장기간 사용 등에 있어서의 충방전의 반복, 과충전, 혹은 단락 등의 이상시의 전지 내부의 온도 상승에서 기인되어 셀 열화 또는 전기 분해를 일으킨다. 이로써 전지 내부에서 CO 나 CO2 등의 가스가 발생되어, 내압이 상승하여 기밀 용기가 변형되고, 내부 저항이 증대하며, 과량의 가스로 인한 벤팅(venting)을 일으킬 우려가 있다.
한편, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있으며, 파우치형 전지는 실링 특성이 셀의 내구성에 직결되기 때문에 별도의 장치로 인해 오히려 내구성이 감소할 수 있으므로, 내부에서 발생되는 가스를 분출할 수 있는 장치 또는 방법이 전무한 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 파우치의 실링 강도를 강화하거나 PET/Nylon/Al/PP으로 구성되는 파우치 필름의 폴리프로필렌(PP) 층을 두껍게 형성 하여 가스 압력을 막아 보고자 하는 시도 등이 이루어지고 있으나, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 이차전지 내부에서 발생되는 가스를 흡착할 수 있는 가스흡착부를 구비하는 이차전지 및 상기 이차전지를 포함하는 이차전지 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극조립체; 상부 파우치 및 하부 파우치의 테두리를 실링하여 형성되는 내부 공간에 상기 전극조립체를 수납하는 파우치 케이스;를 포함하고, 상기 테두리를 실링한 실링부의 일부가 절곡되어 형성되며, 내부에 가스흡수재가 삽입된 가스흡착부를 포함하는 이차전지가 제공된다.
상기 가스흡수재는 실리카겔, 다공성 탄소 및 다공성 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 가스흡수재는 시트(sheet) 형상일 수 있다.
상기 가스흡착부가 형성되는 실링부는 이를 제외한 다른 실링부 영역보다 약한 강도로 실링될 수 있다.
상기 가스흡착부는 전극리드가 돌출되는 측과 대향하는 측의 실링부에 형성될 수 있다.
상기 파우치 케이스는 사각 평면의 둘레면이 접혀진 1면과 실링 부착된 3면을 포함하고, 상기 가스흡착부는 상기 파우치형 케이스의 둘레 부분에서 상기 전극 조립체를 덮기 위해 접혀진 1면 측에 형성될 수 있다.
전극 리드가 인출되는 측에 위치하는 실링부에 가스흡수재를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 이차전지 모듈이 제공된다.
상기 이차전지의 가스흡착부가 지면으로부터 위를 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차전지 내부에서 발생되는 가스를 흡착하여 파우치가 부풀어 오르는 현상(swelling)을 방지 할 수 있고, 벤팅 시점을 늦출 수 있으며, 이에 따라, 이차전지의 수명을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 이차전지 모듈을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 파우치 셀의 용량 유지율 및 DC-IR 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
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 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈에 관한 것으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 이차전지 모듈을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 개략적으로 나타낸 것이다. 이하 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극조립체; 및 상부 파우치 및 하부 파우치의 테두리를 실링하여 형성되는 내부 공간에 상기 전극조립체를 수납하는 파우치 케이스;를 포함하고, 상기 테두리를 실링한 실링부의 일부가 절곡되어 형성되며, 내부에 가스흡수재가 삽입된 가스흡착부;를 포함하는 이차전지가 제공된다.
전극조립체는 상부 파우치 및 하부 파우치의 테두리를 실링하여 형성된 소정의 공간을 포함하는 파우치 케이스 내부에 수납될 수 있다. 상기 상부 파우치 및 하부 파우치는 각각 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 특별하게 한정하는 것은 아니나, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 등의 외부층, 알루미늄 등이 금속층 및 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 등의 내부층으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지는 상기 테두리를 실링한 실링부의 일부가 절곡되어 형성되며, 내부에 가스흡수재가 삽입된 가스흡착부를 포함할 수 있으며, 상기 가스흡착부는 전극리드가 인출되는 측과 대향하는 측의 실링부에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현예에 따른 이차전지는 전극 리드가 인출되는 측에 위치하는 실링부(테라스부)에 가스흡수재를 추가로 포함할 수 있다.
파우치 테두리를 실링한 실링부의 일부가 절곡된 부분 또는 테라스부의 부피 또는 실링 강도는 벤팅 시점에 영향을 미친다. 구체적으로, 셀 열화에 따라 파우치 내부에서 발생한 가스는 파우치 테두리를 실링한 실링부의 일부가 절곡된 부분 또는 테라스부로 밀집하게 되며, 압력이 증가하면 전극탭 부분 또는 절곡된 부분으로 벤팅이 발생한다. 그러나, 본 발명에 따른 이차전지는 테두리를 실링한 실링부의 일부가 절곡되어 형성되는 부분 내부에 가스흡수재가 삽입된 가스흡착부를 포함함으로써, 내부에서 발생하는 가스를 흡수하여 벤팅 시점을 늦출 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 파우치 내부에서 발생한 가스는 파우치 테두리를 실링한 실링부의 일부가 절곡된 부분 또는 테라스부로 밀집하게 되므로, 테라스부에도 가스흡수재를 추가로 포함함으로써, 보다 효율적으로 내부에서 발생한 가스를 흡착할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 가스흡착부가 형성되는 실링부는 이를 제외한 다른 실링부 영역보다 약한 강도로 실링되는 것이 바람직하다. 상기 가스흡착부가 형성되는 실링부의 실링 강도를 다른 영역에 비해 약하게 함으로써, 가스 발생시 가스흡착재가 위치하는 영역의 실링이 가장 먼저 해제되어 가스를 흡착할 수 있을 뿐만 아니라, 가스흡착부로 가스를 유도하는 역할 또한, 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 전극리드가 양방향으로 인출된 형태의 양방향셀 또는 하나의 방향으로 인출된 형태의 단방향 셀 모두에 적용될 수 있다. 예를 들어, 단방향 셀일 경우, 파우치 케이스는 사각 평면의 둘레면이 접혀진 1면과 실링 부착된 3면을 포함하고, 상기 가스흡착부는 상기 파우치형 케이스의 둘레 부분에서 상기 전극 조립체를 덮기 위해 접혀진 1면 측에 형성될 수 있다.
한편, 상기 가스흡수재는 이차전지 내부에서 발생한 가스를 흡수할 수 있는 특성을 갖는 물질로서, 특별하게 한정하는 것은 아니나, 예를 들어, 실리카겔, 다공성 탄소 및 다공성 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스흡수재는 시트(sheet) 형상인 것이 바람직하다. 시트 형상의 가스흡수재를 가스흡착부를 형성하고자 하는 소정의 영역에 배치한 후 파우치를 실링하여, 내부에 가스흡착재가 삽입된 구조의 가스흡착부를 형성할 수 있다.
가스를 흡착할 수 있는 구조물 또는 물질이 이차전지 내부에 존재하는 경우, 저항으로 작용하거나, 셀 거동에 부정적인 영향을 줄 수 있는 문제점이 있다. 그러나, 본 발명의 경우, 셀 내부에 영향을 미치지 않는 위치에 가스흡착재가 배치되고, 상기 가스흡착재가 배치된 영역으로 가스를 유도할 수 있으므로, 상기와 같은 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.
한편, 전극 조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 발전소자를 지칭하며, 본 발명에서 상기 전극조립체는 모든 공지된 양극, 음극 및 분리막을 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들어, 양극은 양극집전체 상에 형성된 양극합제층을 포함할 수 있다. 양극집전체로는 특별하게 한정하는 것은 아니나, 알루미늄, 스테인레스강 또는 니켈 재질의 박판을 사용할 수 있으며, 알루미늄 재질의 박판을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 망상 또는 메시 모양 등의 다공체를 사용할 수도 있고, 산화를 방지하기 위하여 내산화성의 금속 또는 합금 피막으로 피복될 수도 있다.
양극합제층은 양극활물질, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있고, 양극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물로서, 구체적으로는 니켈, 코발트, 망간 및 알루미늄으로 이루어진 적어도 1종의 전이금속과 리튬을 포함하는 리튬 전이금속 복합 산화물, 바람직하게는 니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 전이금속과 리튬을 포함하는 리튬 전이금속 복합 산화물을 포함할 수 있다.
활물질과 도전재 등의 결착과 집전체에 대한 접착력을 향상시키기 위한 바인더는 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무 및 불소 고무로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종, 바람직하게는 폴리비닐리덴플루오라이드를 포함할 수 있다.
도전성을 향상시키기 위한 도전재는 흑연, 카본 블랙, 탄소나노튜브,금속 분말 및 도전성 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.
음극은 음극집전체 상에 형성된 음극합제층을 포함할 수 있다. 음극집전체는 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 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.
음극활물질은 실리콘계 음극활물질 및 탄소계 음극활물질일 수 있다. 특별하게 한정하는 것은 아니나, 실리콘계 음극활물질은 SiOx(0≤x<2) 입자, Si-C 복합체 및 Si-Y 합금(여기서, Y는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이금속, 13족 원소, 14족 원소, 희토류 원소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으며, 예를 들어, SiO일 수 있다. 탄소계 음극활물질은 에를 들어, 음극활물질은 인조흑연, 천연흑연, 및 흑연화 메조카본마이크로비드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 인조흑연인 것이 바람직하다.
음극합제층 또한, 바인더 및 도전재를 포함할 수 있다. 바인더는 수계 바인더 및 고무계 바인더를 포함할 수 있고, 상기 수계 바인더는 물 등 수계 용매에 용해될 수 있는 것으로서 폴리비닐알코올(PVA: polyvinyl alcohol), 폴리아크릴산(PAA: polyacrylic acid), 폴리에틸렌 글리콜(PEG: polyethylene glycol), 폴리아크릴로니트릴(PAN: polyacrylonitrile) 및 폴리아크릴 아미드(PAM: polyacryl amide), 카르복실메틸셀룰로오즈(CMC: carboxylmethyl cellulose) 중에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다. 고무계 바인더는 물 등 수계 용매에 잘 용해되지 않으나 수계 용매에 원활한 분산이 가능한 것으로 정의될 수 있다. 구체적으로 상기 고무계 바인더는 스티렌부타디엔 고무(SBR: styrene butadiene rubber), 수소화 니트릴부타디엔 고무(HNBR: hydrogenated nitrile butadiene rubber), 아크릴로니트릴부타디엔 고무(acrylonitrile butadiene rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 부틸 고무(butyl rubber) 및 플루오르 고무(fluoro rubber)로부터 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 분산에 용이하고, 상 안정성이 우수하다는 측면에서 스티렌부타디엔 고무 및 수소화 니트릴부타디엔 고무로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종, 더 바람직하게는 스티렌부타디엔 고무를 포함할 수 있다.
또한, 도전재는, 흑연, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 금속 분말 및 도전성 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.
분리막 또한, 종래에 분리막으로 사용된 통상적인 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있으며, 또는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 상술한 이차전지를 하나 이상 포함하는 이차전지 모듈이 제공된다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 이차전지 모듈을 개략적으로 나타낸 것으로, 도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 이차전지 모듈은 이차전지의 가스흡착부가 지면으로부터 위를 향하도록 배치되어 있을 수 있다.
이차전지 내부에서 발생한 가스는 위로 이동하게 되므로, 본 발명의 이차전지 모듈에서와 같이, 가스흡착부가 지면으로부터 위를 향하도록 이차전지를 배치하는 경우, 가스 흡착효과를 극대화할 수 있으며, 또한, 가스흡착부를 실링한 영역의 실링이 해제되더라도, 전해액이 유입될 가능성을 차단할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 이차전지팩을 형성할 수 있다. 상술한 이차전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 이차전지 모듈 및 이를 포함하는 이차전지팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 발명의 가스 흡착부(도 2에서 가스흡착재(50)가 내삽되어 있는 부분)에 가스 흡착재로 다공성 탄소섬유시트를 삽입한 이차전지(실시예) 및 가스흡착재가 삽입되어 있지 않은 이차전지(비교예)를 제조한 후, 60℃, SOC97 조건으로 저장방치 평가 실험을 수행하였다.
상기 실시예 및 비교예에 대해, 용량 유지율(Capacity retention) 및 DC-IR을 측정하였다. 용량 유지율을 표 1에, DC-IR은 표 2에 나타내었으며, 도 3은 용량 유지율 및 DC-IR 모두를 나타낸 그래프이다.
0 2주 4주 8주 12주 16주 20주
실시예 100.0% 98.5% 98.2% 97.1% 96.2% 95.7% 95.3%
비교예 100.0% 98.9% 97.7% 97.2% 95.8% 94.6% -
0 2주 4주 8주 12주 16주 20주
실시예 100.0% 98.8% 101.3% 101.2% 107.4% 108.2% 110.1%
비교예 100.0% 97.8% 99.1% 102.9% 105.3% 119.2% -
표 1을 참조하면, 비교예의 경우, vent가 발생하여 16주 이후의 용량유지율이 측정되지 않은 반면, 실시예의 경우, 20주 경과 후에도 95.3%의 용량 유지율을 보이며, 20주 이상으로 vent 시점이 지연된 것을 확인할 수 있다.
한편, 표 2를 참조하면, 전지 내부에서 발생하는 가스에 의해 저항이 증가하여 DC-IR이 증가하는 경향을 보이나, 실시예의 경우, 비교예에 비해, 가스 흡착을 통하여 DC-IR 증가량이 감소된 것을 확인할 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, 100: 이차전지
30: 가스흡착부 실링부
50: 가스흡착재
200: 이차전지 모듈

Claims (9)

  1. 전극조립체; 및
    상부 파우치 및 하부 파우치의 테두리를 실링하여 형성되는 내부 공간에 상기 전극조립체를 수납하는 파우치 케이스;를 포함하고,
    상기 테두리를 실링한 실링부의 일부가 절곡되어 형성되며, 내부에 가스흡수재가 삽입된 가스흡착부;를 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스흡수재는 실리카겔, 다공성 탄소 및 다공성 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스흡수재는 시트(sheet) 형상인 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스흡착부가 형성되는 실링부는 이를 제외한 다른 실링부 영역보다 약한 강도로 실링되는 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스흡착부는 전극리드가 인출되는 측과 대향하는 측의 실링부에 형성되는 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 파우치 케이스는 사각 평면의 둘레면이 접혀진 1면과 실링 부착된 3면을 포함하고, 상기 가스흡착부는 상기 파우치형 케이스의 둘레 부분에서 상기 전극 조립체를 덮기 위해 접혀진 1면 측에 형성되는 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    전극 리드가 인출되는 측에 위치하는 실링부에 가스흡수재를 추가로 포함하는 이차전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 이차전지를 하나 이상 포함하는 이차전지 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이차전지의 가스흡착부가 지면으로부터 위를 향하도록 배치되는 이차전지 모듈.
KR1020210122905A 2021-09-15 2021-09-15 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈 KR20230039938A (ko)

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