KR20230082217A - 파우치형 이차전지 - Google Patents

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안용주
이시열
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 파우치형 이차전지를 개시한다. 본 발명의 파우치형 이차전지는: 셀 바디부; 셀 바디부의 일측에 연결되는 아노드 리드; 셀 바디부의 타측에 연결되는 캐소드 리드; 셀 바디부가 수용되도록 수용컵부가 함몰되게 형성되는 파우치; 및 파우치의 둘레에 형성되고, 수용컵부와 이격되게 배치되는 실링부를 포함한다.

Description

파우치형 이차전지{POUCH TYPE SECONDARY BATTERY}
본 발명은 파우치형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실링 영역에 가해지는 열에 의해 파우치와 분리막이 손상되는 것을 방지하고, 절연 불량률을 현저히 감소시킬 수 있는 파우치형 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대해 많은 연구 및 상용화가 이루어지고 있다.
이차전지의 형상 측면에서 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높다. 이차전지의 재료 측면에서 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬 이온전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이러한 이차전지는 그 형상에 따라 원통형 이차전지, 각형 이차전지, 파우치형 이차전지 등으로 구분할 수 있다. 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 중량당 에너지 밀도가 높으며, 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 이차전지가 많은 관심을 모으고 있다.
파우치형 이차전지는 연성의 라미네이트 시트부재로 제작된 파우치를 이용하고, 파우치의 내부에 전극조립체와 전해액이 내장된 구조로 이루어져 있다. 이때, 전극조립체가 안착되어 있는 파우치를 밀봉하기 위해 파우치의 외주면은 열융착 등에 의한 실링 공정을 거쳐 접합된다.
그러나, 종래의 파우치형 이차전지는 파우치의 실링부와 전극조립체가 접촉되거나 거의 접촉되게 설치되므로, 실링부를 가열하여 융착시킬 때에 전극조립체나 파우치의 실란트층이 손상될 수 있다. 또한, 파우치의 실란트층이 손상되면, 파우치의 금속층이 전극조립체와 통전되어 파우치형 이차전지가 파손될 수 있다.
본 발명에 대한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제2124824호(2020.06.19 공고)에 개시되어 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 실링 영역에 가해지는 열에 의해 파우치와 분리막이 손상되는 것을 방지하고, 절연 불량률을 현저히 감소시킬 수 있는 파우치형 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 파우치형 이차전지는: 셀 바디부; 상기 셀 바디부의 일측에 연결되는 아노드 리드; 상기 셀 바디부의 타측에 연결되는 캐소드 리드; 상기 셀 바디부가 수용되도록 수용컵부가 함몰되게 형성되는 파우치; 및 상기 파우치의 둘레에 형성되고, 상기 수용컵부와 이격되게 배치되는 실링부를 포함한다.
상기 수용컵부의 벽면부와 상기 실링부의 내측 단부는 2.5-3.0mm 이격될 수 있다.
상기 파우치는 상기 수용컵부의 외곽부에서 연장되는 플랜지부를 포함하고, 상기 실링부는 플랜지부의 길이방향을 따라 형성될 수 있다.
상기 실링부는 상기 플랜지부, 상기 아노드 리드 및 상기 캐소드 리드를 실링할 수 있다.
상기 실링부와 상기 수용컵부간의 절연 저항은 100MΩ 이상 형성될 수 있다.
상기 수용컵부의 벽면부는 상기 수용컵부의 바닥부보다 얇게 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 실링부와 수용컵부가 이격되게 배치되므로, 실링부와 수용컵부 사이의 절연 저항이 현저히 증가될 수 있다. 이에 따라, 파우치의 실링 공정에서 실링 영역에 열과 압력이 가해지면, 실링 영역에 가해지는 열에 의해 수용컵부의 실란트층 또는 셀 바디부의 분리막이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 결과적으로, 분리막이나 파우치가 전극조립체와 통전되는 것을 방지하여 파우치형 이차전지의 불량률을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 수용컵부의 벽면부와 실링부의 내측 단부를 2.5-3.0mm 정도 이격시도록 파우치형 이차전지를 제조함으로써, 파우치형 이차전지의 절연 불량률을 현저히 낮출 수 있었다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 파우치 상면을 절개한 구조를 개략적으로 도시한 평단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 파우치 상면을 절개한 구조를 개략적으로 도시한 확대도이다.
도 3은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지를 개략적으로 도시한 분해도이다.
도 4는 본 발명에 따른 파우치형 이차전지에서 수용컵부와 실링부의 간격에 따른 절연 불량률을 개략적으로 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 변경을 가할 수 있고 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 어느 하나의 실시예의 구성과 다른 실시예의 구성을 서로 치환하거나 부가하는 것은 물론 본 발명의 기술적 사상과 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께가 과장되게 크거나 작게 표현될 수 있으나, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 될 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예나 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 그리고 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이다. 즉 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는. 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들이 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에 있다"거나 "하부에 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 배치되어 있는 것뿐만 아니라 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지에 관해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 파우치 상면을 절개한 구조를 개략적으로 도시한 평단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 파우치형 이차전지의 파우치 상면을 절개한 구조를 개략적으로 도시한 확대도이고, 도 3은 본 발명에 따른 파우치형 이차전지를 개략적으로 도시한 분해도이고, 도 4는 본 발명에 따른 파우치형 이차전지에서 수용컵부와 실링부의 간격에 따른 절연 불량률을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 이차전지(100)는, 셀 바디부(110), 아노드 리드(120), 캐소드 리드(130), 파우치(140) 및 실링부(150)를 포함한다.
셀 바디부(110)는 폭이 좁고 길이가 긴 롱셀 형태로 형성된다. 롱셀은 길이방향 길이가 대략 500mm 이상인 셀조립체를 의미한다. 롱셀은 분리막에 아노드 전극과 캐소드 전극을 적층한 후 절단하여 전극셀을 형성하는 라이메이션 공정(lamination process)과, 전극셀을 적층하는 스택킹 공정(stacking process) 등을 통해 제조될 수 있다. 이러한 셀 바디부(110)는 캐소드 전극, 분리막, 아노드 전극, 분리막 및 캐소드 전극를 포함하는 적층체로 이루어지거나, 아노드 전극, 분리막, 캐소드 전극, 분리막 및 아노드 전극을 포함하는 적층체로 이루어질 수 있다.
아노드 리드(120)는 셀 바디부(110)의 일측에 연결된다. 아노드 리드(120)는 복수의 아노드 전극(미도시)에 형성되는 복수의 음극탭(미도시)을 접합함에 의해 형성된다.
캐소드 리드(130)는 셀 바디부(110)의 타측에 연결된다. 캐소드 리드(130)는 복수의 캐소드 전극(미도시)에 형성되는 복수의 양극탭(미도시)을 접합함에 의해 형성된다.
파우치(140)는 셀 바디부(110)가 수용되도록 수용컵부(141)가 함몰되게 형성된다. 이때, 파우치(140)는 셀 바디부(110)의 양측을 커버하도록 한 쌍이 겹쳐진다. 수용컵부(141)는 셀 바디부(110)를 수용하도록 사각 박스 형태로 형성될 수 있다. 파우치(140)는 파우치(140)는 외측면을 이루는 외측 수지층(L1), 알루미늄과 같은 차단성을 갖는 금속층(L2), 열용융성과 내화학성을 갖는 실란트층(L3)을 포함하여 이루어진다.
실링부(150)는 파우치(140)의 둘레에 형성되고, 수용컵부(141)와 이격되게 배치된다. 이때, 파우치(140)의 수용컵부(141)에 셀 바디부(110)를 안착시킨 후 파우치(140)를 겹치고, 파우치(140)의 둘레를 대략 210-230℃의 온도, 0.2-0.4mPa의 압력, 2.0-3.0sec의 시간으로 압착하면, 2개로 겹쳐진 파우치(140)의 실란트층(L3)이 용융되어 파우치(140)의 둘레를 실링한다. 이러한 파우치(140)의 온도, 압력 및 가열 시간은 파우치(140)의 소재, 실링부(150)의 크기에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기와 같이, 실링부(150)와 수용컵부(141)가 일정 간격 이격되게 배치되므로, 실링부(150)와 수용컵부(141) 사이의 절연 저항이 현저히 증가될 수 있다. 이에 따라, 파우치(140)의 실링 공정에서 실링 영역에 열과 압력이 가해지면, 실링 영역에 가해지는 열에 의해 수용컵부(141)의 실란트층(L3) 또는 셀 바디부(110)의 분리막이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로, 분리막이나 파우치(140)가 통전되는 것을 방지하여 파우치형 이차전지(100)의 불량률을 현저히 감소시킬 수 있다.
수용컵부(141)의 벽면부(142)와 실링부(150)의 내측 단부는 2.5-3.0mm 이격된다. 이에 관한 시험 결과에 관해 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
시험 조건은 수용컵부(141)의 벽면부(142)와 실링부(150)의 내측 간격(G)이 2.0mm인 파우치형 이차전지(100)의 측정 수량은 1150개 이고, 상기 간격(G)이 2.5mm인 파우치형 이차전지(100)의 측정 수량은 1779개를 적용하였으며, 상기 간격(G)이 2.8mm인 파우치형 이차전지(100)의 측정 수량은 1128개를 적용하였다. 또한, 파우치(140)의 두께를 183㎛, 가열 온도 220℃, 압력 0.3mPa, 가열 시간 2.5sec를 적용하였으며, 파우치(140)의 실링 공정, 전해액 주입 공정, 가스 배출 공정 및 진공 실링 공정까지 완료한 후 하이 팟 테스터기(Hi-pot tester)를 이용하여(25V의 전압 인가) 파우치형 이차전지(100)의 절연 측정을 수행하였다.
수용컵부(141)의 벽면부(142)와 실링부(150)의 내측 단부 사이의 간격(G)이 2.0mm인 경우 파우치형 이차전지(100)의 절연 불량률은 평균 30% 정도 발생하였고, 상기 간격(G)이 2.5mm인 경우 파우치형 이차전지(100)의 절연 불량률은 평균 6% 정도 발생하였다. 즉, 상기 간격(G)이 2.0mm에서 0.5mm만큼 증가될 경우, 절연 불량률이 대략 5배 정도 감소되는 것을 알 수 있다.
또한, 수용컵부(141)의 벽면부(142)와 실링부(150)의 내측 단부 사이의 간격(G)이 2.8mm인 경우 파우치형 이차전지(100)의 절연 불량률은 평균 1.4% 정도 발생하였다. 즉, 상기 간격(G)이 2.5mm에서 0.3mm만큼 증가될 경우, 절연 불량률이 대략 4.3배 정도 감소되는 것을 알 수 있다. 그리고, 상기 간격(G)이 3.0mm 이상 증가될 경우, 절연 불량률은 거의 감소되지 않는 경향을 나타내는 것을 알 수 있다.
따라서, 수용컵부(141)의 벽면부(142)와 실링부(150)의 내측 단부간의 간격(G)이 2.5mm미만인 경우, 절연 뷸량률이 30% 이상이 되어 파우치형 이차전지(100)의 수율이 현저히 감소되며, 상기 간격(G)이 3.0mm 이상인 경우, 절연 불량률의 감소에는 거의 영향을 미치지 못하는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서, 수용컵부(141)의 벽면부(142)와 실링부(150) 사이의 간격(G)이 절연 불량률의 유효 인자임을 확인할 수 있으며, 본 발명에서는 수용컵부(141)의 벽면부(142)와 실링부(150)의 내측 단부를 2.5-3.0mm 정도 이격시킴으로써, 파우치형 이차전지(100)의 절연 불량률을 현저히 낮출 수 있었다.
파우치(140)는 수용컵부(141)의 외곽부에서 연장되는 플랜지부(145)를 포함하고, 실링부(150)는 플랜지부(145)의 길이방향을 따라 형성된다. 플랜지부(145)는 수용컵부(141)의 둘레를 따라 동일한 폭으로 형성되고, 실링부(150)의 폭방향 내측 단부는 수용컵부(141)의 벽면부(142)에서 대략 2.5-3.0mm 정도 이격된 위치에 배치된다.
실링부(150)는 플랜지부(145), 아노드 리드(120) 및 캐소드 리드(130)를 실링한다. 즉, 실링부(150)는 2겹으로 겹쳐진 플랜지부(145)를 실링하고, 플랜지부(145)와 아노드 리드(120)를 실링하며, 플랜지부(145)와 캐소드 리드(130)를 실링한다.
수용컵부(141)의 벽면부(142)와 실링부(150)의 내측 단부를 2.5-3.0mm 정도 이격시키면, 실링부(150)와 수용컵부(141)간의 절연 저항은 100MΩ 이상으로 형성된다. 따라서, 파우치형 이차전지(100)의 절연 저항이 100MΩ 이상이면, 파우치형 이차전지(100)를 양품으로 판정할 수 있다.
수용컵부(141)의 벽면부(142)는 수용컵부(141)의 바닥부(143)보다 얇게 형성된다(도 3 참조). 이때, 파우치(140)를 프레스에 위치시킨 후 파우치(140)를 프레스기로 가압하면, 파우치(140)의 수용컵부(141)의 벽면부(142)가 늘어나면서 수용컵부(141)가 형성된다. 이때, 벽면부(142)의 두께(t3)는 플랜지부(145)의 두께(t1)와 바닥부(143)의 두께(t2)의 두께보다 얇게 형성된다. 따라서, 수용컵부(141)의 벽면부(142)에서는 실란트층(L3)의 두께가 가장 얇아지므로, 상기 벽면부(142)가 절연 저항이 가장 취약한 부분이 된다. 본 발명에서는 절연 저항이 가장 취약한 수용컵부(141)의 벽면부(142)로부터 실링부(150)를 2.5-3.0mm 정도 이격시킴으로써, 대략 2-3초 동안 실링부(150)에 가해지는 열에 의해 벽면부(142)의 실란트층(L3)이 손상된 것을 방지할 수 있도록 하였다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 파우치형 이차전지 110: 셀 바디부
120: 아노드 리드 130: 캐소드 리드
140: 파우치 140a: 제1파우치
140b: 제2파우치 141: 수용컵부
142: 벽면부 143: 바닥부
145: 플랜지부 150: 실링부
G: 간격 t1,t2,t3: 두께

Claims (6)

  1. 셀 바디부;
    상기 셀 바디부의 일측에 연결되는 아노드 리드;
    상기 셀 바디부의 타측에 연결되는 캐소드 리드;
    상기 셀 바디부가 수용되도록 수용컵부가 함몰되게 형성되는 파우치; 및
    상기 파우치의 둘레에 형성되고, 상기 수용컵부와 이격되게 배치되는 실링부를 포함하는, 파우치형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수용컵부의 벽면부와 상기 실링부의 내측 단부는 2.5-3.0mm 이격되는, 파우치형 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파우치는 상기 수용컵부의 외곽부에서 연장되는 플랜지부를 포함하고,
    상기 실링부는 플랜지부의 길이방향을 따라 형성되는, 파우치형 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실링부는 상기 플랜지부, 상기 아노드 리드 및 상기 캐소드 리드를 실링하는, 파우치형 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실링부와 상기 수용컵부간의 절연 저항은 100MΩ 이상 형성되는, 파우치형 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수용컵부의 벽면부는 상기 수용컵부의 바닥부보다 얇게 형성되는, 파우치형 이차전지.
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