KR20240054255A - 이차 전지용 전지 케이스 및 가스 배출부 제조 방법 - Google Patents

이차 전지용 전지 케이스 및 가스 배출부 제조 방법 Download PDF

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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전지 케이스는 이차 전지용 전지 케이스에 있어서, 전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 전극 조립체를 수용하는 수용 공간이 마련된 컵부; 상기 컵부의 외측 방향으로 연장 형성되는 실링부; 및 상기 컵부 또는 상기 실링부 중 적어도 하나에 타공되어 형성된 홀에, 내측으로부터 부착되며, 가스가 투과되는 가스 배출부를 포함하되, 상기 가스 배출부는, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 포함하고, 가스가 투과되는 가스 배출층; 및 상기 가스 배출층의 외측면에 형성되는 외부 기능성 층을 포함한다.

Description

이차 전지용 전지 케이스 및 가스 배출부 제조 방법{The Case For Secondary Battery And The Method For Manufacturing Gas Discharger}
본 발명은 이차 전지용 전지 케이스 및 가스 배출부 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파우치의 내부 압력이 증가하면 내부의 가스를 외부로 배출하여 압력을 조절할 수 있는 이차 전지용 전지 케이스 및 가스 배출부 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.
한편, 이차 전지는 외부 충격에 의한 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의해 가스가 발생할 수 있다. 또는 고온에서 보관하거나 저장하는 경우, 높은 온도가 전해질 및 전극 활물질의 전기화학적 반응을 빠르게 촉진하여 가스가 발생할 수 있다.
이 때, 상기 발생한 가스는 이차 전지의 내부 압력을 상승시켜 부품간의 결합력 약화, 이차 전지의 케이스 파손, 보호회로의 조기 작동, 전극의 변형, 내부 단락, 폭발 등의 문제를 발생시킨다. 이를 방지하기 위해, 캔 형(Can Type)의 이차 전지의 경우에는, CID 필터 및 안전 벤트와 같은 보호 부재가 마련되었다. 따라서, 케이스의 내부의 압력이 증가하면 전기적 연결을 물리적으로 차단하였다. 그러나, 종래의 파우치 형(Pouch Type)의 이차 전지의 경우에는, 이러한 보호 부재가 충분히 마련되지 않았다.
한국공개공보 제10-2019-0042215호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 파우치의 내부 압력이 증가하면 내부의 가스를 외부로 배출하여 압력을 조절할 수 있는 이차 전지용 전지 케이스 및 가스 배출부 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지용 전지 케이스는 이차 전지용 전지 케이스에 있어서, 전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 전극 조립체를 수용하는 수용 공간이 마련된 컵부; 상기 컵부의 외측 방향으로 연장 형성되는 실링부; 및 상기 컵부 또는 상기 실링부 중 적어도 하나에 타공되어 형성된 홀에, 내측으로부터 부착되며, 가스가 투과되는 가스 배출부를 포함하되, 상기 가스 배출부는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 포함하고, 가스가 투과되는 가스 배출층; 및 상기 가스 배출층의 외측면에 형성되는 외부 기능성 층을 포함한다.
또한, 상기 외부 기능성 층은, 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 배출층은, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 배출층의 내측면에 형성되는 내부 기능성 층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 실링부는, 상기 컵부에 인접한 내측 영역; 및 상기 내측 영역보다 외측에 위치하여 테두리가 되고, 실링됨으로써 상기 컵부를 밀폐하는 외측 영역을 포함하고, 상기 홀은, 상기 실링부에서, 상기 내측 영역에 형성될 수 있다.
또한, 상기 가스 배출부는, 복수로 형성될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가스 배출부 제조 방법은 가스가 투과되는 가스 배출층을 마련하는 단계; 고분자 용액을 교반하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 가스 배출층의 적어도 일면에, 상기 혼합물을 분사하는 단계; 및 상기 혼합물을 건조하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 가스 배출층은, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고분자 용액은, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 혼합물을 분사하는 단계는, 상기 가스 배출층으로부터 8 내지 15 cm 이격된 거리에서, 노즐을 이용하여 0.2 내지 0.5 MPa의 압력으로 상기 혼합물을 분사할 수 있다.
또한, 상기 혼합물을 분사하는 단계 및 상기 혼합물을 건조하는 단계는, 2회 내지 4회 반복하여 수행될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지는 전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 내부에 수용하는 전지 케이스를 포함하고, 상기 전지 케이스는 상기 전극 조립체를 수용하는 수용 공간이 마련된 컵부; 상기 컵부의 외측 방향으로 연장 형성되는 실링부; 및 상기 컵부 또는 상기 실링부 중 적어도 하나에 타공되어 형성된 홀에, 내측으로부터 부착되며, 가스가 투과되는 가스 배출부를 포함하되, 상기 가스 배출부는, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 포함하고, 가스가 투과되는 가스 배출층; 및 상기 가스 배출층의 외측면에 형성되는 외부 기능성 층을 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
전지 케이스에 홀이 타공되고, 이러한 홀에 가스를 투과하는 가스 배출부가 부착되어, 이차 전지의 내부 압력이 증가하면 내부의 가스를 외부로 배출하여 압력을 조절할 수 있다.
또한, 가스 배출부에 외부 기능성 층 또는 내부 기능성 층이 형성되어, 외부의 수분 침투 및 내부의 전해액 누출을 방지할 수 있다.
또한, 가스 배출부가 홀에 내측으로부터 부착되어, 홀의 내주면으로 노출된 가스 배리어층의 금속이, 전해액에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 조립도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출부의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출부를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름의 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 조립도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)의 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 양극, 음극 등의 전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 전극 조립체(10) 및 상기 전극 조립체(10)를 내부에 수용하는 파우치 형의 전지 케이스(13)를 포함한다.
파우치 형 이차 전지(1)를 제조하기 위해, 먼저 전극 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극 등의 전극을 제조한다. 이를 분리막(Separator)의 양 측에 적층함으로써 소정 형상의 전극 조립체(10)를 형성한 다음에, 전극 조립체(10)를 전지 케이스(13)에 삽입하고 전해액 주입 후 실링한다.
구체적으로, 전극 조립체(Electrode Assembly, 10)는 양극 및 음극 두 종류의 전극과, 전극들을 상호 절연시키기 위해 전극들 사이에 개재되거나 어느 하나의 전극의 좌측 또는 우측에 배치되는 분리막을 구비한 적층 구조체일 수 있다. 상기 적층 구조체는 소정 규격의 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층될 수도 있고, 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 권취될 수 있는 등 제한되지 않고 다양한 형태일 수 있다. 두 종류의 전극, 즉 양극과 음극은 각각 알루미늄과 구리를 포함하는 금속 포일 또는 금속 메쉬 형태의 전극 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조이다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조 도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 용매는 후속 공정에서 제거된다.
전극 조립체(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 탭(Electrode Tab, 11)을 포함한다. 전극 탭(11)은 전극 조립체(10)의 양극 및 음극과 각각 연결되고, 전극 조립체(10)의 외부로 돌출되어, 전극 조립체(10)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로가 된다. 전극 조립체(10)의 집전체는 전극 활물질이 도포된 부분과 전극 활물질이 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부로 구성된다. 그리고 전극 탭(11)은 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다. 이러한 전극 탭(11)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에는 전극 리드(Electrode Lead, 12)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결된다. 그리고, 전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위된다. 절연부(14)는 전지 케이스(13)의 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)가 열 융착되는 실링부(134)에 한정되어 위치하여, 전지 케이스(13)에 접착된다. 그리고, 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(12)를 통해 전지 케이스(13)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스(13)의 실링을 유지한다. 따라서, 이러한 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 일반적으로 절연부(14)로는, 전극 리드(12)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되지 않고 전극 리드(12)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.
전극 리드(12)는 양극 탭(111)에 일단이 연결되고, 양극 탭(111)이 돌출된 방향으로 연장되는 양극 리드(121) 및 음극 탭(112)에 일단이 연결되고, 음극 탭(112)이 돌출된 방향으로 연장되는 음극 리드(122)를 포함한다. 한편, 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 도 1에 도시된 바와 같이, 모두 타단이 전지 케이스(13)의 외부로 돌출된다. 그럼으로써, 전극 조립체(10)의 내부에서 생성된 전기를 외부로 공급할 수 있다. 또한, 양극 탭(111) 및 음극 탭(112)이 각각 다양한 방향을 향해 돌출 형성되므로, 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)도 각각 다양한 방향을 향해 연장될 수 있다.
양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(121)는 양극 집전체와 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(122)는 음극 집전체와 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 그리고 전지 케이스(13)의 외부로 돌출된 전극 리드(12)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결된다.
전지 케이스(13)는 유연성의 재질로 제조된 파우치이다. 그리고 전지 케이스(13)는 전극 리드(12)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링된다. 이러한 전지 케이스(13)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)를 포함한다. 하부 케이스(132)에는 컵부(133)가 형성되어 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 수용 공간(1331)이 마련되고, 상부 케이스(131)는 상기 전극 조립체(10)가 전지 케이스(13)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 수용 공간(1331)을 상부에서 커버한다. 이 때, 도 1에 도시된 바와 같이 상부 케이스(131)에도 수용 공간(1331)이 마련된 컵부(133)가 형성되어, 전극 조립체(10)를 상부에서 수용할 수도 있다. 다만 이에 제한되지 않고, 컵부(133)가 하부 케이스(132)에만 형성될 수 있는 등 다양하게 형성될 수 있다. 또한, 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)는 도 1에 도시된 바와 같이 일측이 서로 연결되어 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 서로 분리되어 별도로 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.
전지 케이스(13)는 가스가 투과되는 가스 배출부(136)를 포함한다. 가스 배출부(136)는 컵부(133) 또는 실링부(134) 중 적어도 하나에 타공되어 형성된 홀(137)에, 내측으로부터 부착된다.
홀(137)은 상부 케이스(131) 또는 하부 케이스(132) 중 적어도 하나에 형성된다. 즉, 홀(137)은 하나만 형성될 수도 있으나, 복수로 형성될 수도 있다. 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 컵부(133)의 외측 방향으로 연장 형성된 실링부(134)는, 컵부(133)에 인접한 내측 영역(1341) 및 상기 내측 영역(1341)보다 외측에 위치하여 테두리가 되고, 실링됨으로써 상기 컵부(133)를 밀폐하는 외측 영역(1342)을 포함한다. 이 때, 홀(137)은 실링부(134)에서, 외측 영역(1342)보다는 내측 영역(1341)에 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 추후에 실링부(134)를 실링할 때, 홀(137)이 위치한 내측 영역(1341)은 실링하지 않고, 외측 영역(1342)만을 실링하는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 평소에는 상부 및 하부 케이스(131, 132)의 두 실링부(134)가 서로 접하면서 홀(137)을 폐쇄하여, 외부의 수분 침투 및 내부의 전해액 누출을 방지할 수 있다. 그리고 이차 전지(1)의 내부에서 가스가 많이 발생할 때는, 이차 전지(1)의 부피가 팽창하면서 서로 접하던 두 실링부(134)의 내측 영역(1341)이 이격된다. 그러면 홀(137)이 개방되어, 가스가 가스 배출부(136)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고, 홀(137)은 컵부(133)의 일면에 형성되는 등 가스를 용이하게 배출할 수 있다면 다양한 위치에 형성될 수 있다.
가스 배출부(136)를 통해, 가스는 용이하게 투과할 수 있으나, 물, 전해액 등의 액체는 투과하는 것이 용이하지 않은 것이 바람직하다. 가스 배출부(136)에 대한 자세한 설명은 후술한다.
전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에 전극 리드(12)가 연결되고, 전극 리드(12)의 일부분에 절연부(14)가 형성되면, 하부 케이스(132)의 컵부(133)에 마련된 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)가 수용되고, 상부 케이스(131)가 상기 공간을 상부에서 커버한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)의 테두리에 형성된 실링부(134)를 실링한다. 전해액은 이차 전지(1)의 충, 방전 시 전극의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것으로, 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머를 포함할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해, 도 2에 도시된 바와 같이, 파우치 형 이차 전지(1)가 제조될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출부(136)의 단면도이다.
가스 배출부(136)는 컵부(133) 또는 실링부(134) 중 적어도 하나에 타공되어 형성된 홀(137)에, 내측으로부터 부착되며, 가스가 투과된다. 이러한 가스 배출부(136)는 도 3에 도시된 바와 같이, 가스가 투과되는 가스 배출층(1362) 및 가스 배출층(1362)의 외측면에 형성되며, 소수성 성질을 가지는 외부 기능성 층(1361)을 포함한다. 또한, 가스 배출층(1362)의 내측면에 형성되며, 소수성 성질을 가지는 내부 기능성 층(1363)을 더 포함할 수 있다.
가스 배출층(1362)은 가스는 용이하게 투과할 수 있으나, 물, 전해액 등의 액체는 투과하는 것이 용이하지 않은 반투과성 멤브레인(Semipermeable Membrane)으로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 가스 배출층(1362)은 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 가스 배출층(1362)을 제조하기 위해, 2축 연신 방법을 이용할 수 있다. 즉, 상기 재질이 포함된 원소재를 이용하여 필름 형태로 압출한 후, 압출 방향(MD, Mechanical Diraction) 및 수직 방향(Transverse Direction)으로 각각 연신을 수행하여 가스 배출층(1362)을 제조할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 상분리 방법을 이용할 수도 있다. 즉, 상기 재질이 포함된 원소재를 필름 형태로 플레이트에 도포하고, 온도를 달리하여 용매를 증발시킨 후, 상기 별도의 용액이 채워진 수조에 침지시켜 가스 배출층(1362)을 제조할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지 케이스(13)에 형성된 홀(137)을 개폐하는 별도의 커버가 존재하지 않는다. 만약 커버가 존재한다면, 커버가 홀(137)을 개방한 후에 다시 홀(137)을 폐쇄하는 것이 용이하지 않다. 그리고, 이를 해결하기 위해 커버가 홀(137)을 개폐하도록 별도의 힌지를 설치해야 하는 등 구조가 복잡해지고 내구성이 저하될 수 있다. 그런데 커버가 존재하지 않으면, 아무리 가스 배출층(1362)을 통해 액체가 투과하는 것이 용이하지 않더라도, 가스 배출층(1362)을 통해 소량의 수분이 외부로부터 침투할 수 있다.
따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 배출층(1362)의 외측면에 소수성 성질을 가지는 외부 기능성 층(1361)이 형성된다. 상기 외부 기능성 층(1361)은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서 가스 배출층(1362)의 외측면이란, 이차 전지(1)가 제조되었을 때, 이차 전지(1)의 외측, 즉 전극 조립체(10)의 반대를 향하는 방향으로 형성된 면을 말한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이러한 외부 기능성 층(1361)은, 외측면에 복수의 미세 돌기들이 분포할 수 있다. 그러면, 복수의 미세 돌기들이 외부 기능성 층(1361)의 외측면에서 수분들의 응축을 방해하여, 소수성을 가질 수 있다. 여기서 외부 기능성 층(1361)의 외측면은 가스 배출층(1362)과 접착된 면의 반대 면을 말한다. 미세 돌기의 직경은 50 nm 내지 10 μm, 바람직하게는 직경이 100 nm 내지 1 μm일 수 있다. 만약 미세 돌기의 직경이 과도하게 작다면, 소수성 성질이 저하될 수 있고, 직경이 과도하게 크다면 추후에 가스 배출부(136)와 파우치 필름(135) 사이의 융착력이 저하될 수 있기 때문이다.
이러한 미세 돌기들이 분포하기 위해, 외부 기능성 층(1361)에는 미세 입자들이 포함되며, 미세 입자는 실리카 입자, 탄소나노튜브(CNT), 알루미나 입자 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 특히 탄소나노튜브(CNT)를 포함하는 것이 가장 바람직하다. 그런데, 외부 기능성 층(1361)은 소수성 성질을 가져야 하나, 실리카 입자는 친수성 성질을 가진다. 따라서, 만약 미세 입자가 실리카 입자를 포함한다면, 대략 0.1 내지 2 wt% 이하의 매우 적은 양만을 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 외부 기능성 층(1361)은 오일 또는 왁스 성분을 가질 수도 있다. 오일 또는 왁스는 수분과 혼합되지 않는 친유성의 성질을 가지므로, 소수성을 가질 수 있다. 여기서 오일은 플루오르화 탄소 오일, 실리콘 오일, 탄소계 오일, 지방산 아마이드 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 왁스는 파라핀 왁스, 탄소계 왁스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
만약 홀(137)에 커버가 존재하지 않으면, 소량의 수분만이 침투하는 것이 아니라, 가스 배출층(1362)을 통해 소량의 전해액이 내부로부터 누출될 수도 있다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 배출층(1362)의 내측면에 소수성 성질을 가지는 내부 기능성 층(1363)이 형성될 수 있다. 여기서 가스 배출층(1362)의 내측면이란, 이차 전지(1)가 제조되었을 때, 이차 전지(1)의 내측, 즉 전극 조립체(10)를 향하는 방향으로 형성된 면을 말한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부 기능성 층(1363)도 외측면에 복수의 미세 돌기들이 분포할 수 있다. 이를 위해 내부 기능성 층(1363)에도 미세 입자들이 포함되며, 미세 입자는 실리카 입자, 탄소나노튜브(CNT), 알루미나 입자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서 내부 기능성 층(1363)의 외측면은 가스 배출층(1362)과 접착된 면의 반대 면을 말한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 내부 기능성 층(1363)은 오일 또는 왁스 성분을 가질 수도 있다. 여기서 오일은 플루오르화 탄소 오일, 실리콘 오일, 탄소계 오일, 지방산 아마이드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이와 같이, 외부 기능성 층(1361) 및 내부 기능성 층(1363)이 형성됨으로써, 외부의 수분 침투 및 내부의 전해액 누출을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출부(136)를 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출부(136)를 제조하는 방법은, 가스가 투과되는 가스 배출층(1362)을 마련하는 단계; 미세 입자와 고분자 용액을 교반하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 가스 배출층(1362)의 적어도 일면에, 상기 혼합물을 분사하는 단계; 및 상기 혼합물을 건조하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 먼저 가스가 투과되는 가스 배출층(1362)을 마련한다(S401). 이러한 가스 배출층(1362)은 상기 기술한 바와 같이, 가스는 용이하게 투과할 수 있으나, 물, 전해액 등의 액체는 투과하는 것이 용이하지 않은 반투과성 멤브레인(Semipermeable Membrane)으로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 가스 배출층(1362)은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 미세 입자와 고분자 용액을 교반하여 혼합물을 제조한다(S402). 여기서 미세 입자는 실리카 입자, 탄소나노튜브(CNT), 알루미나 입자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그런데, 외부 기능성 층(1361)은 소수성 성질을 가져야 하나, 실리카 입자는 친수성 성질을 가진다. 따라서, 만약 실리카 입자를 포함한다면, 대략 0.1 내지 2 wt% 이하의 매우 적은 양만을 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 미세 입자의 직경은 50 nm 내지 10 μm, 바람직하게는 직경이 100 nm 내지 1 μm일 수 있다. 만약 미세 입자의 직경이 과도하게 작다면, 소수성 성질이 저하될 수 있고, 직경이 과도하게 크다면 추후에 가스 배출부(136)와 파우치 필름(135) 사이의 융착력이 저하될 수 있기 때문이다.
고분자 용액은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 고분자 용액은 가스 배출층(1362)과 동일하거나 유사한 재질을 포함하므로, 외부 기능성 층(1361) 또는 내부 기능성 층(1363)이 가스 배출층(1362)에 용이하게 적층될 수 있다.
그리고, 가스 배출층(1362)의 적어도 일면에, 상기 혼합물을 분사한다(S403). 만약, 가스 배출층(1362)의 외측면에 분사한다면, 외부 기능성 층(1361)이 형성되고, 가스 배출층(1362)의 내측면에 분사한다면, 내부 기능성 층(1363)이 형성된다.
혼합물을 분사할 때에는, 스프레이 코팅 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 가스 배출층(1362)으로부터 대략 8 내지 15 cm, 특히 10 cm 이격된 거리에서, 노즐을 이용하여 대략 0.2 내지 0.5 MPa의 압력, 특히 0.4 MPa의 압력으로 상기 혼합물을 분사할 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고 다양한 코팅 방법을 사용할 수 있다.
그 다음에는 열을 인가하여 혼합물을 건조한다(S404). 이 때, 인가하는 열의 온도가 과도하게 낮다면, 혼합물의 건조에 시간이 과도하게 많이 소요되고, 온도가 과도하게 높다면, 가스 배출층(1362)의 형상이 변형될 수도 있다. 따라서, 50 내지 140 ℃, 특히 50 내지 100 ℃의 온도로 열을 인가하는 것이 바람직하다.
그럼으로써, 외부 기능성 층(1361) 또는 내부 기능성 층(1363)이 형성될 수 있다. 그리고 상기 S403 내지 S404 단계는 2 내지 4회 반복하여 수행될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 필름(135)의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지 케이스(13)에 홀(137)이 타공되고, 이러한 홀(137)에 가스를 투과하는 가스 배출부(136)가 부착되어, 이차 전지(1)의 내부 압력이 증가하면 내부의 가스를 외부로 배출하여 압력을 조절할 수 있다. 또한, 가스 배출부(136)에 외부 기능성 층(1361) 또는 내부 기능성 층(1363)이 형성되어, 외부의 수분 침투 및 내부의 전해액 누출을 방지할 수 있다. 또한, 가스 배출부(136)가 홀(137)에 내측으로부터 부착되어, 홀(137)의 내주면(1371)으로 노출된 가스 배리어층(1351)의 금속이, 전해액에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면 이차 전지(1)용 전지 케이스(13)는, 전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 전극 조립체(10)를 수용하는 수용 공간(1331)이 마련된 컵부(133); 상기 컵부(133)의 외측 방향으로 연장 형성되는 실링부(134); 및 상기 컵부(133) 또는 상기 실링부(134) 중 적어도 하나에 타공되어 형성된 홀(137)에, 내측으로부터 부착되며, 가스가 투과되는 가스 배출부(136)를 포함하되, 상기 가스 배출부(136)는, 가스가 투과되는 가스 배출층(1362); 및 상기 가스 배출층(1362)의 외면에 형성되며, 소수성 성질 가지는 외부 기능성 층(1361)을 포함한다. 또한, 상기 가스 배출층(1362)의 내측면에 형성되며, 소수성 성질 가지는 내부 기능성 층(1363)을 더 포함할 수 있다.
전지 케이스(13)를 제조하기 위해, 먼저 파우치 필름(135)을 드로잉(Drawing) 성형하여 연신시켜, 컵부(133)를 형성한다. 이러한 파우치 필름(135)은 도 5에 도시된 바와 같이, 가스 배리어층(Gas Barrier Layer, 1351), 표면 보호층(Surface Protection Layer, 1352) 및 실란트층(Sealant Layer, 1353)을 포함한다.
가스 배리어층(1351)은 전지 케이스(13)의 기계적 강도를 확보하고, 이차 전지(1) 외부의 가스 또는 수분 등의 출입을 차단하며, 전해액의 누수를 방지한다. 일반적으로 가스 배리어층(1351)은 금속을 포함하며 주로 알루미늄 박막(Al Foil)이 사용되는 것이 바람직하다. 알루미늄은 소정 수준 이상의 기계적 강도를 확보할 수 있으면서도 무게가 가볍고 전극 조립체(10)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 확보할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 다양한 재질이 가스 배리어층(1351)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다. 이 때 상기 가스 배리어층(1351)을 철이 함유된 재질로 제조할 경우에는 기계적 강도가 향상되고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 향상되므로, 각각의 특성을 고려하여 사용될 수 있을 것이다.
표면 보호층(1352)은 폴리머로 제조되고, 최외층에 위치하여 외부와의 마찰 및 충돌로부터 이차 전지(1)를 보호하면서, 전극 조립체(10)를 외부로부터 전기적으로 절연시킨다. 여기서 최외층이란, 상기 가스 배리어층(1351)을 기준으로 전극 조립체(10)가 위치하는 방향의 반대 방향으로, 가장 멀리 위치한 층을 말한다. 이러한 표면 보호층(1352)을 제조하는 폴리머는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다. 특히, 주로 내마모성 및 내열성을 가지는 나일론(Nylon) 수지 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리머가 사용되는 것이 바람직하다. 그리고 표면 보호층(1352)은 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 가지거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수도 있다.
실란트층(1353)은 폴리머로 제조되고, 최내층에 위치하여 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉한다. 여기서 최내층이란, 상기 가스 배리어층(1351)을 기준으로 전극 조립체(10)가 위치하는 방향으로, 가장 멀리 위치한 층을 말한다. 따라서, 가스 배리어층(1351)은 도 5에 도시된 바와 같이, 표면 보호층(1352) 및 실란트층(1353)의 사이에 적층된다. 실란트층(1353)은 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가져야 하며, 전해액과도 접촉하므로 내식성을 가져야 한다. 또한, 내부를 완전히 밀폐하여 내부 및 외부간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 실란트층(1353)끼리 접착된 실링부(134)는 우수한 열 접착 강도를 가져야 한다. 일반적으로 이러한 실란트층(1353)을 제조하는 폴리머는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다. 특히, 주로 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용되는 것이 바람직하다. 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 기계적 물성과 내식성 등의 화학적 물성이 뛰어나, 실란트층(1353)을 제조하는데 주로 사용된다. 나아가, 무연신 폴리프로필렌(Cated Polypropylene) 또는 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체로 구성될 수도 있다. 또한, 실란트층(1353)은, 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 갖거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수 있다.
한편, 가스 배리어층(1351), 표면 보호층(1352) 및 실란트층(1353)의 사이에는, 이들을 서로 접착시키는 접착층(1354)이 더 형성될 수 있다.
상기와 같은 적층 구조의 파우치 필름(135)을, 펀치 등을 이용하여 드로잉(Drawing) 성형하면, 일부가 연신되어 주머니 형태의 수용 공간(1331)을 포함하는 컵부(133)가 형성된다. 그리고, 컵부(133) 또는 실링부(134) 중 적어도 하나에 홀(137)을 타공한다.
홀(137)이 타공되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제조된 가스가 투과되는 가스 배출부(136)가 상기 홀(137)에 내측으로부터 부착된다. 홀(137)은 하나만 형성될 수도 있으나, 복수로 형성될 수도 있으므로, 가스 배출부(136)도 그에 대응하여, 하나만 형성될 수도 있으나, 복수로 형성될 수도 있다.
이 때 만약, 가스 배출부(136)가 외측으로부터 부착된다면, 홀(137)의 내주면(1371)으로 노출된 가스 배리어층(1351)의 금속이, 전해액에 의해 부식될 수 있다. 따라서, 가스 배출부(136)는 상기 홀(137)에, 내측으로부터 부착됨으로써, 홀(137)의 내주면(1371)으로 노출된 가스 배리어층(1351)의 금속이, 전해액에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있다.
가스 배출부(136)가 홀(137)에 부착되면, 가스 배출부(136)의 외부 기능성 층(1361)이 실란트층(1353)의 일면과 접착되며, 특히 전해액에 의해 쉽게 탈착되는 것을 방지하기 위해, 열 및 압력이 인가되어 실링되는 것이 바람직하다. 따라서, 외부 기능성 층(1361)이 실란트층(1353)에 용이하게 실링되기 위해, 실란트층(1353)과 외부 기능성 층(1361)이 동일하거나 유사한 재질을 포함하는 것이 바람직하다.
컵부(133)에 마련된 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)가 내부에 수용되면 전해액을 주입한다. 그 후에 상부 케이스(131)와 하부 케이스(132)를 서로 접촉시키고, 실링부(134)에 열 압착을 하면 실란트층(1353)끼리 접착됨으로써 전지 케이스(13)가 실링된다. 그럼으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)가 제조될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 이차 전지 10: 전극 조립체
11: 전극 탭 12: 전극 리드
13: 전지 케이스 14: 절연부
111: 양극 탭 112: 음극 탭
121: 양극 리드 122: 음극 리드
131: 상부 케이스 132: 하부 케이스
133: 컵부 134: 실링부
135: 파우치 필름 136: 가스 배출부
137: 홀 1351: 가스 배리어층
1352: 표면 보호층 1353: 실란트층
1361: 외부 기능성 층 1362: 가스 배출층
1363: 내부 기능성 층 1371: 내주면

Claims (7)

  1. 이차 전지용 전지 케이스에 있어서,
    전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 전극 조립체를 수용하는 수용 공간이 마련된 컵부;
    상기 컵부의 외측 방향으로 연장 형성되는 실링부; 및
    상기 컵부 또는 상기 실링부 중 적어도 하나에 타공되어 형성된 홀에, 내측으로부터 부착되며, 가스가 투과되는 가스 배출부를 포함하되,
    상기 가스 배출부는,
    폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 포함하고, 가스가 투과되는 가스 배출층; 및
    상기 가스 배출층의 외측면에 형성되는 외부 기능성 층을 포함하는, 이차 전지용 전지 케이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 기능성 층은, 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 포함하는, 이차 전지용 전지 케이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출층은, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는 이차 전지용 전지 케이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출층의 내측면에 형성되는 내부 기능성 층을 더 포함하는 이차 전지용 전지 케이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실링부는,
    상기 컵부에 인접한 내측 영역; 및
    상기 내측 영역보다 외측에 위치하여 테두리가 되고, 실링됨으로써 상기 컵부를 밀폐하는 외측 영역을 포함하고,
    상기 홀은,
    상기 실링부에서, 상기 내측 영역에 형성되는 이차 전지용 전지 케이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출부는,
    복수로 형성되는 이차 전지용 전지 케이스.
  7. 전극 및 분리막이 적층되어 형성되는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 내부에 수용하는 전지 케이스를 포함하고,
    상기 전지 케이스는
    상기 전극 조립체를 수용하는 수용 공간이 마련된 컵부;
    상기 컵부의 외측 방향으로 연장 형성되는 실링부; 및
    상기 컵부 또는 상기 실링부 중 적어도 하나에 타공되어 형성된 홀에, 내측으로부터 부착되며, 가스가 투과되는 가스 배출부를 포함하되,
    상기 가스 배출부는,
    폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF)으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 포함하고, 가스가 투과되는 가스 배출층; 및
    상기 가스 배출층의 외측면에 형성되는 외부 기능성 층을 포함하는 파우치 형 이차 전지.
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