KR20240077444A

KR20240077444A - 파우치형 이차 전지

Info

Publication number: KR20240077444A
Application number: KR1020230164379A
Authority: KR
Inventors: 박은숙; 김상훈; 유형균; 이재호
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2022-11-24
Filing date: 2023-11-23
Publication date: 2024-05-31

Abstract

본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수납하는 수용부와 상기 수용부를 밀봉하는 실링부를 포함하는 파우치형 케이스, 상기 전극 조립체와 연결되고 상기 실링부를 경유하여 상기 파우치형 케이스 외부로 돌출되는 전극 리드, 상기 전극 리드와 상기 파우치형 케이스 사이에 배치되는 리드 필름, 상기 전극 리드와 상기 리드 필름 사이에 배치되는 가스 유도부를 포함하고, 상기 가스 유도부는 상기 리드 필름과 접하는 제1 층을 포함하며, 상기 제1 층은 100℃에서 측정한 저장 탄성률이 30 MPa 내지 650 MPa인 고분자 필름을 포함한다.

Description

파우치형 이차 전지{POUCH TYPE SECONDARY BATTERY}

본 발명은 파우치형 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 유도부를 포함하는 파우치형 이차 전지에 관한 것이다.

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 장치까지 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다.

이차 전지는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하고 전해질을 주입한 후 전지 케이스를 실링하여 제조될 수 있다. 이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라 파우치형(Pouch Type) 및 캔형(Can Type) 등으로 분류된다. 그 중 파우치형 전지는 유연성을 가지는 파우치 필름 적층체에 프레스 가공을 수행하여 컵부를 형성한 후 컵부 내측 수용 공간에 전극 조립체를 수납하고 실링부를 실링하여 제조될 수 있다.

파우치형 이차 전지는 고온 구동 시, 과충전 시 또는 단락 발생 시 파우치 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 파우치 내부에 가스 압력이 높아질 경우 파우치가 벤팅되면서 폭발 또는 발화하는 문제가 있다. 상기 문제를 해결하고자 종래에는 파우치의 실링부에 가스 배출부를 배치하였다. 이 경우, 파우치 내부의 가스 압력이 높아지면 파우치와 가스 배출부의 계면이 개봉됨으로써 파우치 외부로 가스를 배출시킬 수 있다. 그러나, 종래에는 가스 발생에 의해 파우치의 내부 압력이 높아짐에도 불구하고 상기 계면이 미개봉됨으로써 파우치의 내부 압력이 임계치를 벗어나 파우치가 폭발하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 파우치의 내부 압력이 과도하게 높아지기 전에 가스를 외부로 배출할 수 있는 파우치형 이차 전지를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수납하는 수용부와 상기 수용부를 밀봉하는 실링부를 포함하는 파우치형 케이스, 상기 전극 조립체와 연결되고 상기 실링부를 경유하여 상기 파우치형 케이스 외부로 돌출되는 전극 리드, 상기 전극 리드와 상기 파우치형 케이스 사이에 배치되는 리드 필름, 상기 전극 리드와 상기 리드 필름 사이에 배치되는 가스 유도부를 포함하는 파우치형 이차 전지가 제공된다. 이 경우, 상기 가스 유도부는 상기 리드 필름과 접하는 제1 층을 포함하고, 상기 제1 층은 100℃에서 측정한 저장 탄성률이 30 MPa 내지 650 MPa인 고분자 필름을 포함한다.

본 발명에 따른 파우치형 이차 전지에서, 60℃ 내지 120℃에서 측정한 고분자 필름의 열팽창계수(B)와 -30℃ 내지 10℃에서 측정한 고분자 필름의 열팽창계수(A)의 비율(B/A)은 1.2 내지 3.0일 수 있다. 이때, 60℃ 내지 120℃에서 측정한 고분자 필름의 열팽창계수(B)는 25 ㎛/cm·℃ 이상이고, -30℃ 내지 10℃에서 측정한 고분자 필름의 열팽창계수(A)는 25 ㎛/cm·℃ 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 파우치형 이차 전지에서, 고분자 필름의 통기도는 100 sec/100cc 이상일 수 있다. 또한, 고분자 필름의 물방울 접촉각은 100° 이상일 수 있다. 고분자 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 파우치형 이차 전지에서, 가스 유도부는 전극 리드와 접하는 제2 층을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 전극 리드, 상기 제2 층, 상기 제1 층 및 상기 리드 필름이 순차 적층될 수 있다. 또한, 제2 층은 산변성 폴리올레핀을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 100℃에서 측정한 저장 탄성률이 30 MPa 내지 650 MPa인 고분자 필름이 적용된 가스 유도부를 전극 리드와 리드 필름 사이에 배치함으로써, 파우치 내부 압력이 과도하게 높아지기 전에 가스 유도부와 리드 필름의 계면이 개봉되어 가스를 파우치 외부로 용이하게 배출할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는 가스 발생에 의해 파우치 내부 압력이 과도하게 높아짐으로써 파우치가 폭발하는 문제를 예방함으로써 우수한 안전성을 갖는다.

명세서에 첨부되는 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지의 분해 조립도이다.
도 2는 실링된 파우치형 이차 전지의 단면도이다.
도 3은 파우치형 케이스가 개봉되기 전 파우치형 이차 전지의 단면도의 일 예이다.
도 4는 파우치형 케이스가 개봉될 때의 파우치형 이차 전지의 단면도의 일 예이다.
도 5는 파우치형 케이스가 개봉되기 전 파우치형 이차 전지의 단면도의 다른 일 예이다.
도 6은 파우치형 케이스가 개봉되기 전 파우치형 이차 전지의 단면도의 다른 일 예이다.

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.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 명세서에서 "A 및/또는 B"의 기재는 A, 또는 B, 또는 A 및 B를 의미한다.

본 명세서에서, "%"는 명시적인 다른 표시가 없는 한 중량%를 의미한다.

본 명세서에서, "저장 탄성률" 동적 기계 분석(dynamic mechanical analysis, DMA)을 사용하여 100℃ 온도 조건에서 측정한 고분자 필름의 MD(Machine Direction) 방향의 저장 탄성률을 의미한다.

본 명세서에서, "열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)"는 고분자 필름의 온도가 1℃ 증가하였을 때 MD 방향으로 늘어난 길이를 의미한다.

본 명세서에서, "통기도"는 공기가 고분자 필름을 통과하는 정도를 의미한다.

본 명세서에서, "물방울 접촉각"은 고분자 필름의 표면 상에 물과 고분자 필름의 접하는 면 사이가 이루는 각도를 의미한다.

본 발명에 따른 파우치형 이차 전지는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수납하는 수용부와 상기 수용부를 밀봉하는 실링부를 포함하는 파우치형 케이스, 상기 전극 조립체와 연결되고 상기 실링부를 경유하여 상기 파우치형 케이스 외부로 돌출되는 전극 리드, 상기 전극 리드와 상기 파우치형 케이스 사이에 배치되는 리드 필름, 상기 전극 리드와 상기 리드 필름 사이에 배치되는 가스 유도부를 포함한다. 상기 가스 유도부는 상기 리드 필름과 접하는 제1 층을 포함하고, 상기 제1 층은 100℃에서 측정한 저장 탄성률이 30 MPa 내지 650 MPa인 고분자 필름을 포함한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 파우치형 이차 전지의 각 구성을 보다 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 파우치형 이차 전지(100)의 분해 조립도이고, 도 2는 실링된 파우치형 이차 전지(100)의 단면도이다. 도 2에서 파우치형 이차 전지(100)의 구성 중 일부는 이해의 편의를 위해 생략되었다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 파우치형 이차 전지(100)는 파우치형 케이스(110), 전극 조립체(160), 전극 리드(180), 리드 필름(190) 및 가스 유도부(200)를 포함한다.

(1) 파우치형 케이스

파우치형 케이스(110)는 전극 조립체(160)를 내측에 수납할 수 있다. 파우치형 케이스(110)는 파우치 필름 적층체를 성형하여 제조될 수 있다. 이 경우, 파우치 필름 적층체는 기재층, 가스 배리어층 및 실런트층을 포함할 수 있다. 파우치 필름 적층체에서 상기 기재층, 가스 배리어층 및 실런트층은 순차 적층될 수 있다.

기재층은 파우치 필름 적층체의 최외층에 형성되어 외부와의 마찰 및 충돌로부터 이차 전지를 보호하기 위한 것이다. 기재층은 폴리머로 제조되어 전극 조립체를 외부로부터 전기적으로 절연시킬 수 있다.

기재층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재질로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 기재층은 내마모성 및 내열성을 가지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 나일론(Nylon) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.

기재층은 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 기재층은 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수 있다.

기재층의 두께는 5 ㎛ 내지 50 ㎛, 구체적으로 7 ㎛ 내지 40 ㎛, 보다 구체적으로 25 ㎛ 내지 38 ㎛일 수 있다. 기재층의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우, 외부 절연성이 우수하고, 파우치 전체의 두께가 두껍지 않아 이차 전지의 부피 대비 에너지 밀도가 우수할 수 있다.

가스 배리어층은 기재층 및 실런트층의 사이에 적층되어 파우치의 기계적 강도를 확보하고, 이차 전지 외부의 가스 또는 수분 등의 출입을 차단하며, 파우치형 케이스 내부로부터의 전해질 누수를 방지하기 위한 것이다.

가스 배리어층은 금속으로 형성될 수 있으며, 구체적으로 알루미늄 합금 박막으로 형성될 수 있다. 알루미늄 합금 박막을 이용하여 가스 배리어층을 형성할 경우, 소정 수준 이상의 기계적 강도를 확보할 수 있으면서도 무게가 가볍고 전극 조립체와 전해질에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 확보할 수 있다. 상기 알루미늄 합금 박막에는 알루미늄(Al) 이외의 금속 원소, 예를 들어, 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 포함될 수 있다.

가스 배리어층의 두께는 40 ㎛ 내지 100 ㎛, 구체적으로 50 ㎛ 내지 90 ㎛, 보다 구체적으로 55 ㎛ 내지 85 ㎛일 수 있다. 가스 배리어층의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 컵부 성형 시 성형성 및 가스 배리어 성능이 우수하다.

실런트층은 내측에 전극 조립체를 수용하고 있는 파우치형 케이스가 실링될 때, 실링부에서 상호 열 접착됨으로써 파우치형 케이스 내부를 완전히 밀폐시키기 위한 것이다. 이를 위해, 실런트층은 우수한 열 접착 강도를 갖는 소재로 형성될 수 있다.

실런트층은 절연성, 내식성, 실링성을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 실런트층은 파우치형 케이스 내측의 전극 조립체 및/또는 전해질과 직접 접촉하므로, 절연성 및 내식성을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 또한, 실런트층은 파우치형 케이스 내부를 완전히 밀폐하여 내부/외부 간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성(예를 들어, 우수한 열 접착 강도)을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 이러한 절연성, 내식성, 실링성의 확보를 위해, 실런트층은 폴리머 재질로 형성될 수 있다.

파우치 필름 적층체는 파우치형 케이스(110)의 제조를 위해 펀치 등에 의해 드로잉(Drawing) 성형 및 연신될 수 있다. 그 결과, 파우치형 케이스(110)는 컵부(122)와 수용부(124)를 포함할 수 있다. 상기 수용부(124)는 전극 조립체를 수납하는 곳으로써, 컵부(122)가 형성됨에 따라 컵부(122) 내측에 주머니 형태로 형성되는 수용 공간을 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 파우치형 케이스(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 케이스(120)와 제2 케이스(130)를 포함할 수 있다. 제1 케이스(120)는 전극 조립체(160)를 수용할 수 있는 수용부(124)를 포함하고, 제2 케이스(130)는 전극 조립체(160)가 전지 케이스(110)의 외부로 이탈되지 않도록 수용부(124)를 상방에서 커버할 수 있다. 제1 케이스(120)와 제2 케이스(130)는 도 1에 도시된 바와 같이 일측이 서로 연결되어 제조될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 서로 분리되어 별도로 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 파우치 필름 적층체에 컵부를 성형하는 경우, 하나의 파우치 필름 적층체에 대칭이 되는 두 개의 컵부(122, 132)를 서로 이웃하게 드로잉 성형할 수 있다. 이 경우 제1 케이스(120)와 제2 케이스(130)에는 도 1에 도시된 바와 같이 각각 컵부(122, 132)가 형성될 수 있다. 제1 케이스(120)의 컵부(122)에 마련된 수용부(124)에 전극 조립체(160)를 수납한 후, 두 개의 컵부(122, 132)가 서로 마주보도록 두 컵부(122, 132)의 사이에 형성된 브릿지부(140)를 폴딩할 수 있다. 이 경우, 제2 케이스(130)의 컵부(132)가 전극 조립체(160)를 상방에서 수용할 수 있다. 따라서, 두 개의 컵부(122, 132)가 하나의 전극 조립체(160)를 수용하므로, 컵부(122)가 하나일 때보다 두께가 더 두꺼운 전극 조립체(160)가 수용될 수 있다. 또한, 파우치형 케이스(110)가 폴딩됨으로써 이차 전지(100)의 하나의 모서리가 형성되므로, 추후에 실링 공정을 수행할 때 실링할 모서리의 개수가 줄어들 수 있다. 이에 따라, 파우치형 이차 전지(100)의 공정 속도를 향상시킬 수 있고, 실링 공정 수를 감소시킬 수 있다.

파우치형 케이스(110)는 후술할 전극 리드(180)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(160)를 수용한 상태에서 실링될 수 있다. 구체적으로, 전극 조립체(160)의 전극 탭(170)에 전극 리드(180)가 연결되고, 전극 리드(180)의 일부분에 리드 필름(190)이 형성되면, 제1 케이스(120)의 컵부(122)에 마련된 수용부(124)에 전극 조립체(160)가 수용되고, 제2 케이스(130)가 수용부(124)를 상부에서 커버할 수 있다. 이어서, 수용부(124)의 내부에 전해질이 주입되고 제1 케이스(120)와 제2 케이스(130)의 테두리에 형성된 실링부(150)가 실링될 수 있다.

실링부(150)는 수용부(124)를 밀봉하는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 실링부(150)는 상기 수용부(124)의 테두리를 따라 형성되면서 수용부(124)를 밀봉할 수 있다.

실링부(150)를 실링하는 온도는 180℃ 내지 250℃, 구체적으로 200℃ 내지 250℃, 보다 구체적으로 210℃ 내지 240℃일 수 있다. 실링 온도가 상기 수치 범위를 만족할 경우, 파우치형 케이스(110)가 열 접착에 의해 충분한 실링 강도를 확보할 수 있다.

(2) 전극 조립체

전극 조립체(Electrode Assembly)(160)는 파우치형 케이스(110)에 삽입되고 전해질 주입 후 파우치형 케이스(110)에 의해 실링될 수 있다.

전극 조립체(160)는 양극, 분리막, 음극이 순차 적층되어 형성될 수 있다. 구체적으로, 전극 조립체(160)는 양극 및 음극 두 종류의 전극과, 상기 전극들을 상호 절연시키기 위해 전극들 사이에 개재되는 분리막을 포함할 수 있다.

양극과 음극은 각각 알루미늄과 구리를 포함하는 금속 포일 또는 금속 메쉬 형태의 전극 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조일 수 있다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조 도체, 바인더 및 도전재 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 용매는 후속 공정에서 제거될 수 있다.

전극 활물질과 바인더 및/또는 도전재를 혼합한 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극을 제조하고, 이를 분리막(Separator)의 양 측에 적층함으로써, 전극 조립체(160)를 소정의 형상으로 제조할 수 있다. 전극 조립체(160)의 유형으로는 스택형, 젤리롤형, 스택 앤 폴딩형 등이 있을 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

전극 조립체(160)는 전극 탭(Electrode Tab)(170)을 포함할 수 있다.

전극 탭(170)은 전극 조립체(160)의 양극 및 음극과 각각 연결되고, 전극 조립체(160)로부터 외부로 돌출되어, 전극 조립체(160)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로가 될 수 있다. 전극 조립체(160)에 포함된 전극 집전체는 전극 활물질이 도포된 부분과 전극 활물질이 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부로 구성될 수 있다. 전극 탭(170)은 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 탭(170)은 전극 조립체(160)의 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있으나, 이에 한정되지 않고 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출되는 등 다양한 방향을 향해 돌출 형성될 수 있다.

(3) 전극 리드

전극 리드(180)는 이차 전지(100)의 외부로 전기를 공급할 수 있다. 전극 리드(180)는 전극 조립체(160)의 전극 탭(170)에 스팟(Spot) 용접 등으로 연결될 수 있다.

전극 리드(180)는 상기 전극 조립체(160)와 연결되고 상기 실링부(150)를 경유하여 상기 파우치형 케이스(110)의 외부로 돌출될 수 있다. 구체적으로, 전극 리드(180)의 일단은 전극 조립체(160), 그 중에서도 전극 탭(170)과 연결되고, 전극 리드(180)의 타단은 파우치형 케이스(110)의 외부로 돌출될 수 있다.

전극 리드(180)는 양극 탭(172)에 일단이 연결되고 양극 탭(172)이 돌출된 방향으로 연장되는 양극 리드(182)와, 음극 탭(174)에 일단이 연결되고 음극 탭(174)이 돌출된 방향으로 연장되는 음극 리드(184)를 포함할 수 있다. 양극 리드(182) 및 음극 리드(184)는 모두 타단이 전지 케이스(110)의 외부로 돌출될 수 있다. 따라서, 전극 조립체(160)의 내부에서 생성된 전기를 외부로 공급할 수 있다. 또한, 양극 탭(172) 및 음극 탭(174)이 각각 다양한 방향으로 돌출 형성되므로, 양극 리드(182) 및 음극 리드(184)도 각각 다양한 방향으로 연장될 수 있다. 양극 리드(182) 및 음극 리드(184)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(182)는 양극 집전체와 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(184)는 음극 집전체와 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 전지 케이스(110)의 외부로 돌출된 전극 리드(180)의 일부분은 단자부가 되어 외부 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.

(4) 리드 필름

리드 필름(190)은 전극 조립체(160)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(180)를 통해 전지 케이스(110)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스(110)의 실링을 유지할 수 있다. 이를 위해 리드 필름(190)은 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 형성될 수 있다. 일반적으로 리드 필름(190)은 전극 리드(180) 및/또는 가스 유도부(200)에 부착되기 용이하고 두께가 비교적 얇은 절연 테이프가 많이 사용되나 이에 한정되지 않으며, 전극 리드(180)를 절연할 수 있는 임의의 부재가 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리드 필름(190)은 가스 투과성 필름일 수 있고, 전극 리드(180) 및 가스 유도부(200)의 외주면을 감싸도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 전극 리드(180) 및 가스 유도부(200)는 일측에서 서로 접하며, 이때 전극 리드(180) 및 가스 유도부(200)의 적어도 일부가 리드 필름(190)에 의해 둘러싸일 수 있다. 리드 필름(190)은 파우치형 케이스(110)의 제1 케이스(120)와 제2 케이스(130)가 열 융착되는 실링부(150)에 한정되어 위치할 수 있으며, 전극 리드(180)와 가스 유도부(200)를 전지 케이스(110) 접착시킬 수 있다.

리드 필름(190)은 상기 전극 리드(180) 및/또는 가스 유도부(200)와 상기 파우치형 케이스(110) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 하부 케이스(110), 리드 필름(190), 전극 리드(180), 가스 유도부(200), 리드 필름(190), 상부 케이스(110)가 실링부(150) 영역에서 순서대로 적층된 상태로 배치될 수 있다. 또한, 도면으로 도시하지는 않았으나, 또 다른 예로, 하부 케이스, 리드 필름, 가스 유도부, 전극 리드, 리드 필름 및 상부 케이스가 순서대로 적층된 상태로 배치될 수 있고, 또 다른 예로, 하부 케이스, 리드 필름, 가스 유도부, 전극 리드, 가스 유도부, 리드 필름 및 상부 케이스가 순서대로 적층된 상태로 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3 또는 도 5에서와 같이, 상기 리드 필름(190)은 파우치형 케이스(110)의 외측 방향으로 돌출된 일단이, 파우치형 케이스(110)의 외측 방향으로 돌출된 가스 유도부(200)의 일단보다 더 돌출되어 상기 전극 리드(180)와 직접 접하도록 배치될 수 있다. 상기 리드 필름(190)의 일단이 전극 리드(180)와 직접 접하도록, 즉 전극 리드(180)상에 배치된 가스 유도부(200)보다 더 연장되어 배치되는 경우, 가스 배출이 실행되면서 가스 유도부(200) 상의 리드 필름(190)이 개봉될 때, 상기 리드 필름(190)을 통해 가스가 투과되는 면적을 확보하기가 용이하고, 리드 필름(190) 연장되어 배치되지 않은 경우 대비, 리드 필름(190)과 전극 리드(180)의 강한 접착력으로, 가스 배출시 리드 필름(190)의 개봉에 의한 내구성 저하를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 3 또는 도 6에서와 같이, 가스 유도부(200)의 제2 층(220)이 제1 층(210)보다 파우치형 케이스(110)의 외측 방향으로 더 길게 형성될 수 있으며, 파우치형 케이스(110)의 외측 방향으로 돌출된 리드 필름(190)의 일단은 제1 층(210)이 아닌 제2 층(220)과 직접 접하도록 배치될 수 있다.

특히, 상기 도 3에서와 같이, 리드 필름(190)의 일 단이 전극 리드 돌출 방향으로 더 돌출되어 전극 리드(180)와 접하고, 가스 유도부(200)의 제2 층(220)이 제1 층(210)보다 더 연장되어, 리드 필름(190)의 일부가 상기 제2 층(220)과 접하도록 배치되는 경우에는, 리드 필름(190)과 전극 리드(180)의 접착력에 더하여 리드 필름(190)과 가스 유도부(200)의 접착력 또한 강하게 유지될 수 있어서, 전극 리드(180)와 가스 유도부(200)의 접착력까지도 시너지 효과를 받아 내구성이 우수한 가스 배출 부품을 구현할 수 있다.

한편, 리드 필름(190)은 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 리드 필름(190)은 순차 적층된 메탈 접착층, 코어층 및 파우치 접착층을 포함할 수 있다.

메탈 접착층은 전극 리드(180)와 직접 접하며, 리드 필름(190)을 전극 리드(180)에 접착시키기 위한 것일 수 있다. 메탈 접착층은 전극 리드(180)와의 접착이 용이한 임의의 소재를 포함할 수 있다. 구체적으로, 메탈 접착층은 산변성 폴리올레핀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 메탈 접착층은 PPa(acid modified polypropylene), PEa(acid modified polyethylene) 및 플라즈마 처리된 PP(plasma-treated polypropylene) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 두께는 50 ㎛ 내지 80 ㎛, 구체적으로 50 ㎛ 내지 75 ㎛, 보다 구체적으로 60 ㎛ 내지 75 ㎛일 수 있다. 메탈 접착층의 두께가 상기 수치 범위를 만족하는 경우 전극 리드와 리드 필름 간 융착 시 에지(edge)부에서의 관통형 핀홀(Pinhole) 및 누설(Leak)을 방지하는 효과가 있다.

코어층은 리드 필름(190)의 중심부에 위치하는 층일 수 있다. 코어층은 폴리프로필렌, 폴리올레핀계 엘라스토머(POE, Polyolefin Elastomer), 불소계 폴리올레핀 및/또는 착색제 등의 첨가제를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 코어층에 포함된 폴리머는 단일중합체(homopolymer)일 수 있다. 코어층에 단일중합체가 포함되는 경우 코어층의 녹는점을 상기 수치 범위로 제어할 수 있으며 열에 의한 변형을 최소화할 수 있어 절연성 확보 측면에서 유리하다. 또 다른 예로, 상기 코어층에 포함된 폴리머는 불소계 폴리올레핀으로 폴리테트라플루오르에틸렌일 수 있고, 상기 폴리테트라플루오르에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물일 수 있고, 혼합물인 경우, 9:1 내지 1:9의 중량비로 혼합된 것일 수 있다. 이 경우, 상기 가스 유도부(200)를 통해 리드 필름(190)으로 가스가 투과될 때 보다 더 우수한 가스 투과 성능을 갖게 할 수 있다. 코어층의 두께는 40 ㎛ 내지 70 ㎛, 구체적으로 50 ㎛ 내지 70 ㎛, 보다 구체적으로 60 ㎛ 내지 70 ㎛일 수 있다. 코어층의 두께가 상기 수치 범위를 만족하는 경우 융착 및 실링 시 가해지는 열에 의한 변형을 막아 절연성 확보 측면에서 강건 설계 효과가 있다.

파우치 접착층은 전지 케이스(110), 구체적으로 파우치 필름 적층체의 실런트층과 직접 접하는 층일 수 있다. 파우치 접착층은 폴리프로필렌, 폴리올레핀계 엘라스토머(POE, Polyolefin Elastomer)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 그 중에서도, 파우치 접착층에 포함된 폴리머는 공중합체(copolymer)일 수 있다. 파우치 접착층에 공중합체가 포함되는 파우치 접착층의 녹는점을 상기 수치 범위로 제어할 수 있으며 파우치 필름 적층체의 실런트층 내 폴리머와 유사한 녹는점을 가져 실링 공정성 확보에 유리하다. 파우치 접착층의 두께는 40 ㎛내지 100 ㎛, 구체적으로 40 ㎛ 내지 80 ㎛, 보다 구체적으로 40 ㎛ 내지 60 ㎛ 일 수 있다. 파우치 접착층의 두께가 상기 수치 범위를 만족하는 경우 전극 리드와 파우치 필름 적층체 간 실링 시 강도 확보에 충분한 폴리머(예를 들어, 폴리프로필렌) 잔존율을 확보하는 효과가 있다.

(5) 가스 유도부

가스 유도부(200)는 파우치형 케이스(110) 내부에서 외부로 가스를 배출하기 위한 경로를 형성하는 역할을 하는 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 가스 유도부(200)는 전극 리드(180)와 리드 필름(190) 사이에 배치될 수 있다.

도 3은 파우치형 케이스가 개봉되기 전 파우치형 이차 전지의 단면도이고, 도 4는 파우치형 케이스가 개봉될 때의 파우치형 이차 전지의 단면도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 가스 유도부(200)는 리드 필름(190)과 접하는 제1 층(210)을 포함하며, 상기 제1 층(210)은 고분자 필름을 포함한다. 파우치형 케이스(110)의 내부 압력이 높아지면, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 층(210)과 리드 필름(190) 사이의 계면이 개봉됨으로써 가스 배출 경로(300)가 형성될 수 있다. 그런데, 종래의 가스 유도부가 적용된 파우치형 이차 전지의 경우, 가스 유도부의 작동압이 높아 파우치 내부의 가스 발생에 따른 고압 조건에서 가스 유도부가 작동하지 않아 파우치가 폭발하는 문제가 있었다.

이에 따라, 본 발명자들은 이러한 문제를 해결하기 위해 연구를 거듭한 결과, 가스 유도부(200)의 저장 탄성률을 특정 수치 범위로 제어함으로써, 파우치 내부 압력이 과도하게 높아지기 전에 가스 유도부(200)와 리드 필름(190) 사이의 계면이 개방되어 리드 필름(190)을 통해서 가스를 외부로 배출시킬 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.

구체적으로, 상기 제1 층(210)의 저장 탄성률은 케이스(110)의 내압이 상승할 때 발생하는 전단 응력에 따라 리드 필름(190)과의 접착력과 복원력에 영향을 줄 수 있다. 즉, 제1 층(210)의 저장 탄성률이 낮을수록 내압 상승에 따라 쉽게 개봉되어 가스 유도부의 작동압을 낮출 수 있고, 가스 배출을 통해 내압이 다시 낮아졌을 때 들뜸이 없는 원 상태로 복원됨으로써 전해액 누액이나 수분 침투를 최소화할 수 있다. 그러나, 제1 층(210)의 저장 탄성률이 너무 낮을 경우, 리드 필름(190)의 개봉 이후 내압이 낮아짐에도 불구하고 들뜸 상태가 원 상태로 복원되지 않고, 제1 층(210)이 리드 필름(190)을 잡아 주지 못하여 가스 배출 경로(300)에 전해액이 침투할 수 있고, 외부로부터 수분 침투 가능성이 높아질 가능성이 높아질 수 있으며, 실링시 제1 층(210)이 녹아버릴 우려가 있다. 즉, 적절한 수준의 저장 탄성률의 제어를 통해서 케이스(110)의 내부 압력이 과도하게 높아지기 전에 상기 가스 배출 경로(300)를 통해 케이스(110) 내부의 가스가 외부로 배출됨으로써, 파우치형 케이스(110)의 내부 압력을 낮추어 케이스(110)의 폭발이나 발화를 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 100℃에서 측정한 상기 고분자 필름의 저장 탄성률은 30 MPa 내지 650 MPa이며, 구체적으로 600 MPa 이하, 500 MPa 이하, 450 MPa 이하, 400 MPa 이하 또는 350 MPa 이하일 수 있고, 또한 50 MPa 이상, 70 MPa 이상 또는 100 MPa 이상일 수 있다. 상기 고분자 필름의 저장 탄성률이 30 MPa 미만인 경우, 파우치형 케이스(110)의 실링 시 제1 층(210)이 녹기 때문에 가스 배출 경로(300)가 형성되지 않는 문제가 있다. 상기 고분자 필름의 저장 탄성률이 650 MPa를 초과하는 경우, 제1 층(210)이 쉽게 변형되지 않음으로써 제1 층(210)과 리드 필름(190) 사이의 계면이 개봉되지 않는 문제가 있다.

본 발명에 따르면, 바람직하게, 상기 저장 탄성률과 함께 열팽창계수의 비율이 제어된 고분자 필름을 포함하는 제1 층(210)을 적용할 수 있다. 구체적으로, 60℃ 내지 120℃에서 측정한 상기 고분자 필름의 열팽창계수(B)와 -30℃ 내지 10℃에서 측정한 상기 고분자 필름의 열팽창계수(A)의 비율(B/A)은 1.2 내지 3.0, 구체적으로 1.2 내지 2.5, 보다 구체적으로 1.3 내지 2.0일 수 있다. 고분자 필름의 열팽창계수 비율(B/A)이 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 실링 과정에서 제1 층(210)이 녹지 않으면서도 케이스(110) 내부 압력 상승 시 제1 층(210)과 리드 필름(190) 사이의 계면이 개봉되어 가스 배출 경로(300)가 형성될 수 있다.

상기 열팽창계수의 비율(B/A)은 저온에서의 열팽창계수 대비 고온에서의 열팽창계수가 크다는 것을 의미할 수 있고, 이는 가스가 발생되는, 즉 케이스(110)의 내부 압력이 높아지는 환경은 고온이 일반적이므로, 고온에서 열팽창계수가 높을 경우 낮은 작동압을 갖는 가스 유도부를 구현할 수 있다. 또한, 저온에서의 열팽창계수가 상대적으로 낮은 것이 적용되기 때문에, 가스 배출을 요하지 않는 환경에서는 불필요한 가스 배출 경로(300)의 오픈을 방지할 수 있어, 수분 침투나 전해액 누출의 가능성을 낮출 수 있으며, 이 경우에는 상기 저장 탄성률의 제어를 통해 가스 배출을 수행할 수 있으므로, 열팽창계수의 비율은 전술한 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

이때, 60℃ 내지 120℃에서 측정한 상기 고분자 필름의 열팽창계수(B)는 25 ㎛/cm·℃ 이상, 구체적으로 100 ㎛/cm·℃ 내지 450 ㎛/cm·℃, 보다 구체적으로 150 ㎛/cm·℃ 내지 300 ㎛/cm·℃일 수 있다. 또한, -30℃ 내지 10℃에서 측정한 상기 고분자 필름의 열팽창계수(A)는 25 ㎛/cm·℃ 이상, 구체적으로 30 ㎛/cm·℃ 내지 200 ㎛/cm·℃, 보다 구체적으로 90 ㎛/cm·℃ 내지 150 ㎛/cm·℃일 수 있다.

본 발명에 따르면, 고분자 필름의 통기도는 100 sec/100cc 이상, 구체적으로 100 sec/100cc 내지 50,000 sec/100cc, 보다 구체적으로 100 sec/100cc 내지 40,000 sec/100cc일 수 있다. 상기 통기도는 100cc의 공기가 고분자 필름을 통과하는데 걸리는 시간을 나타내며, 그 값이 낮을수록 통기도가 우수함을 의미한다. 고분자 필름의 통기도가 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 파우치 실링 시 녹은 리드 필름에 의해 고분자 필름 내 기공 막혀 가스 배출 경로가 형성되지 않는 문제를 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 바람직하게, 상기 저장 탄성률 및 열팽창계수의 비율과 함께 접촉각이 제어된 고분자 필름을 포함하는 제1 층(210)을 적용할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 필름의 물방울 접촉각은 100° 이상, 구체적으로 100° 내지 150°, 보다 구체적으로 100° 내지 130°일 수 있다. 고분자 필름의 물방울 접촉각이 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 실링 후 제1 층(210)과 리드 필름(190) 간의 반데르발스 힘이 작아져 가스 배출 경로(300)가 조기에 형성되는 효과가 있다.

고분자 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리이미드(PI) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 그 중에서도 고분자 필름이 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 경우 낮은 파우치 내부 압력 조건에서도 가스 배출 경로(300)가 형성될 수 있다는 점에서 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 가스 유도부(200)는 가스 발생으로 인해 파우치형 케이스(110)의 내부 압력이 높아짐에 따라, 제1 층(210)과 리드 필름(190)이 일시 박리되도록 하여 그 계면이 개봉됨으로써 가스 배출 경로(300)를 형성할 수 있고, 전술한 저장 탄성률을 만족하는 고분자 필름을 제1 층에 적용하여, 낮은 내부 압력에서 가스 배출 경로(300)를 형성할 수 있다. 리드 필름(190)과 제1 층(210) 사이의 계면이 개봉된 후 가스가 배출되어 내압이 낮아지게 되면, 전술한 것과 같이 저장 탄성률이 제어된 제1 층(210)에 의해 원 상태로 복원이 쉽게 되며 이를 통해 수분 침투와 전해액 누액 방지 효과에도 기여할 수 있다.

전술한 가스 배출 경로(300)의 형성에 관한 메커니즘은 전술한 것과 같이, 저장 탄성률을 만족하는 고분자 필름을 제1 층(210)에 적용하는 경우 구현할 수 있고, 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 필름이 전술한 범위로 고온에서의 열팽창계수가 저온에서의 열팽창계수보다 적절하게 높아서 열팽창계수 비율을 만족할 경우 바람직하며, 또 다른 예로써, 상기 고분자 필름이 전술한 접촉각 범위를 만족할 경우 최적으로 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 가스 유도부(200)는 내구성을 위해서, 바람직하게, 전술한 것과 같이, 리드 필름(190)이 케이스(110)의 외측 방향으로 가스 유도부(200)의 말단보다 더 돌출되어 전극 리드(180)와 직접 접하도록 배치되는 구조를 채택할 수 있고, 이 경우, 가스 배출 경로(300)의 형성이 반복적으로 일어나도 전극 리드(180)와 리드 필름(190)의 강한 접착력으로 인해 케이스(110) 자체가 개방되어 벤트되는 현상을 방지할 수 있다.

추가적으로, 본 발명에 따른 가스 유도부(200)는 상기 전극 리드(180)와 접하는 제2 층(220)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 층(220)은 전극 리드(180) 상에 배치되고, 제1 층(210)은 제2 층(220) 상에 배치될 수 있다. 제2 층(220)은 가스 유도부(200)를 전극 리드(180)에 접착시키기 위한 것일 수 있다. 상기 제2 층(220)은 전술한 것과 같이, 케이스(110)의 외측 방향으로 상기 제1 층(210)의 말단보다 더 돌출되어 리드 필름(190)과 접하도록 배치되는 구조를 채택할 수 있고, 이 경우에는 전극 리드(180), 가스 유도부(200) 및 리드 필름(190) 사이의 접착 유지력이 뛰어나 내구성 개선에 기여할 수 있다.

제2 층(220)은 전극 리드(180)와의 접착이 용이한 임의의 소재를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 층(220)은 산변성 폴리올레핀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 층(220)은 PPa(acid modified polypropylene), PEa(acid modified polyethylene) 및 플라즈마 처리된 PP(plasma-treated polypropylene) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

(6) 전해질

본 발명에 따른 파우치형 이차 전지(100)는 파우치형 케이스(110) 내부에 주액되는 전해질(미도시)을 더 포함할 수 있다. 전해질은 이차 전지(100)의 충/방전 시 전극의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것으로, 리튬염과 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머를 포함할 수 있다. 나아가, 전해질은 황화물계, 산화물계 또는 폴리머계의 고체 전해질을 포함할 수 있고, 이러한 고체 전해질은 외력에 의해 쉽게 변형되는 유연성을 가질 수 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 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 및 비교예

실시예 1

(1) 파우치형 케이스의 제조

가로 266mm, 세로 50m, 두께 60 ㎛의 알루미늄 합금 박막의 일면에 가로 266mm, 세로 50m, 두께 12 ㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름과 가로 266mm, 세로 50m, 두께 25 ㎛의 나일론 필름을 적층하고, 타면에 가로 266mm, 세로 50m, 두께 50 ㎛의 폴리프로필렌 필름을 적층하여, 폴리에틸렌테레프탈레이트/나일론/알루미늄 합금 박막/폴리프로필렌 필름 구조의 파우치 필름 적층체를 제조하였다.

여기서, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름 및 나일론 필름은 기재층, 알루미늄 합금 박막은 가스 배리어층, 폴리프로릴렌 필름은 실런트층이다.

상기 파우치 필름 적층체를 성형하여 수용부와 실링부를 포함하는 파우치형 케이스를 제조하였다.

(2) 이차 전지의 제조

음극　및 양극과 다공성 폴리에틸렌 분리막을 스태킹(Stacking) 방식으로 조립한 후 라미네이션하여 전극 조립체를 제조하였다. 이후, 상기 전극 조립체에 전극 리드를 결합시켰다.

용매(EC:EMC:DMC = 3:3:4 부피비)에 LiPF₆가 1.0M이 되도록 용해하여 전해질을 제조하였다. 상기 전극 리드의 선단이 외부로 인출된 상태로 상기 전극 조립체를 상기 파우치형 케이스에 수납하고 상기 전해질을 주액하였다.

상기 전극 리드의 상면에 20 ㎛ 두께의 산변성 폴리프로필렌 필름(제2 층)과 50 ㎛ 두께의 폴리테트라플루오로에틸렌 필름(제1 층)을 순차 적층하여 가스 유도부를 형성하였다. 이어서, 상기 전극 리드의 하면과 상기 가스 유도부의 상면에 200 ㎛ 두께의 폴리프로필렌 필름(리드 필름)을 각각 적층하였다.

이후, 상기 파우치형 케이스의 실링부를 seal bar 면적 200mm × 10mm, 220℃, 0.27MPa 조건에서 2초 간 실링한 후, 60℃에서 4시간 방치하여 파우치형 이차 전지를 제조하였다. 이때, 실링부 중 리드 필름이 형성된 부분은, 하부 케이스 / 리드 필름 / 전극 리드 / 가스 유도부 / 리드 필름 / 상부 케이스가 순차 적층된 구조를 갖는다.

실시예 2

제1 층에 적용되는 고분자 필름으로써 50 ㎛ 두께의 폴리테트라플루오로에틸렌 필름과 50 ㎛ 두께의 폴리프로필렌 필름을 순차 적층하여 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.

실시예 3

제1 층에 적용되는 고분자 필름으로써 100 ㎛ 두께의 폴리테트라플루오로에틸렌 필름을 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.

비교예 1

제1 층에 적용되는 고분자 필름으로써 100 ㎛ 두께의 폴리우레탄 필름을 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.

비교예 2

제1 층에 적용되는 고분자 필름으로써 50 ㎛ 두께의 폴리이미드 필름을 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.

비교예 3

제1 층에 적용되는 고분자 필름으로써 100 ㎛ 두께의 폴리프로필렌 필름을 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 파우치형 케이스 및 이차 전지를 제조하였다.

실험예 1: 고분자 필름의 물성 평가

파우치를 실링하기 전 실시예 1~3, 비교예 1~3에서 제1 층에 적용된 각각의 고분자 필름(가스 유도부)의 물성을 측정하였다.

구체적으로, 고분자 필름의 통기도는 Asahi Seiko 社의 EG01-55-1MR을 사용하여 0.05 MPa의 압력을 갖는 100ml의 공기가 고분자 필름을 통과하는데 걸리는 시간을 측정함으로써 계산하였다.

고분자 필름의 물방울 접촉각은 SEO 社의 Phoenix mt을 사용하여 상온에서 각 기재의 정적 접촉각을 측정하였다.

고분자 필름의 저장 탄성률은 TA Instrument 社의 DMA 850을 사용하여 100℃ 온도 조건에서 고분자 필름의 MD(Machine Direction) 방향에서의 저장 탄성률을 측정하였다.

고분자 필름의 열팽창계수는 TA Instrument 社의 TMA Q400을 사용하여 4.4mm 폭, 길이 50mm의 샘플을 취하여 측정하였다. -30℃~120℃의 온도 범위에서 승온 속도 5℃/min 로 N₂ 퍼징하여 pre load 0.1N의 조건으로 측정하였다. 그 후, 60℃ 내지 120℃에서 측정한 상기 고분자 필름의 열팽창계수(B)를 -30℃ 내지 10℃에서 측정한 상기 고분자 필름의 열팽창계수(A)로 나누어 열팽창계수 비율(B/A)을 계산하였다.

상기 측정 결과들은 하기 표 1에 나타내었다.

	통기도 (sec/100cc)	물방울 접촉각 (°)	저장 탄성률 (MPa)	열팽창계수 비율 (B/A)
실시예 1	22,840	108	150	1.43
실시예 2	36,811	107	55	1.67
실시예 3	32,112	107	250	1.8
비교예 1	19,642	91	10	1.13
비교예 2	27,648	98	1700	0.907
비교예 3	30,043	94	3	4.569

실험예 2: 가스 유도부의 작동 여부 평가

실시예 1~3, 비교예 1~3에서 각각 제조된 파우치형 이차 전지의 가스 유도부가 정상적으로 작동할지 평가하기 위해 진공 분위기에서 파우치형 이차 전지로부터 배출되는 특정 가스의 양을 측정하였다. 구체적으로, INFICON 社의 ELT3000을 사용하여 파우치형 이차 전지 외부에 진공 분위기를 조성하였을 때 파우치형 케이스 내부로부터 외부로 배출되는 기체상의 디메틸 카보네이트(DMC)의 유량 측정하였다. 측정 결과는 하기 표 2에 나타내었다.

실험예 3: 가스 배출 성능 평가

실시예 1~3, 비교예 1~3에서 각각 제조된 이차 전지의 가스 유도부의 성능 평가를 위해 가스 배출 속도를 측정하고 가스 배출 경로가 형성되었는지를 확인하였다. 구체적으로, 아이티에스 社의 내압 장비를 사용하여 파우치형 이차 전지 내부에 CO₂ 를 주입하여 파우치 내부와 외부의 압력 차이가 1.0 ~ 2.5 bar가 될 때까지 파우치 내부 압력을 증가시킨 후 60℃ 챔버에 1~2일 정도 저장하였다. 상기 저장 기간동안 파우치 내부 압력의 감소폭을 확인하여 유량 및 압력 감소 값을 바탕으로 가스 배출 속도를 계산하였다. 또한, 실링부가 팽창하는 것을 육안으로 확인함으로써 가스 배출 경로 형성 여부를 평가하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.

○: 가스 배출 경로 형성됨

X: 가스 배출 경로 형성되지 않음

	가스 배출 속도 (cc/day, @60℃)				가스 배출 경로 형성 여부	작동 여부 (mbar/s)
내외부 압력차 (bar)	1.0	1.5	2.0	2.5	가스 배출 경로 형성 여부	작동 여부 (mbar/s)
실시예1	3.18	5.68	8.33	11.09	O	> 1.0 x 10
실시예2	3.82	5.33	7.51	10.41	O	> 1.0 x 10
실시예3	3.41	3.96	6.11	7.62	O	> 1.0 x 10
비교예1	-	-	-	-	X	1.5 x 10^-6
비교예2	0.50	0.77	1.00	9.6	O	1.0 x 10^-6 미만
비교예3	-	-	-	-	X	1.0 x 10^-6 미만

표 1~2에 따르면, 100℃에서 측정한 고분자 필름의 저장 탄성률이 30~650 MPa 범위에 속하는 실시예 1~3의 경우, 측정된 증기량으로부터 가스 배출 경로가 용이하게 형성된다는 점을 알 수 있고, 실제로도 파우치 내부 압력이 파우치 외부 대비 상대적으로 높아짐에 따라, 가스 배출 경로가 형성됨을 육안으로도 확인할 수 있으며, 가스 배출 속도가 비교예 대비 현저히 높은 것을 확인할 수 있다. 특히, 실시예 1~3의 파우치형 이차 전지는 파우치 내부/외부 간 압력 차이가 낮은 경우에서도 높은 가스 배출 속도를 가짐을 확인할 수 있다.

반면, 비교예 1 및 3의 경우 고분자 필름의 저장 탄성률이 너무 낮아 파우치형 케이스 실링 시 가스 유도부의 제1 층이 녹았기 때문에, 측정된 증기량이 매우 작아 가스 배출 경로가 형성되지 않을 것이 예상되었고, 실제로도 가스 배출 경로가 형성되지 않고 가스 배출 속도의 측정이 불가하였다.

비교예 2의 경우 측정된 증기량 데이터를 보았을 때 가스 배출 경로는 형성되지 않을 것으로 예상되었으나, 실제 내압이 높아졌을 때 육안으로 가스 배출 경로가 형성되는 것을 확인하였으나, 고분자 필름의 저장 탄성률이 너무 높기 때문에 가스 유도부가 쉽게 변형되지 않음에 따라, 가스 배출 속도가 실시예 대비 현저히 작음을 확인할 수 있었다.

100: 파우치형 이차 전지
110: 파우치형 케이스
120: 제1 케이스
122: 컵부
124: 수용부
130: 제2 케이스
132: 컵부
140: 브릿지부
150: 실링부
160: 전극 조립체
170: 전극 탭
172: 양극 탭
174: 음극 탭
180: 전극 리드
182: 양극 리드
184: 음극 리드
190: 리드 필름
200: 가스 유도부
210: 제1 층
220: 제2 층
300: 가스 배출 경로

Claims

전극 조립체;
상기 전극 조립체를 수납하는 수용부와, 상기 수용부를 밀봉하는 실링부를 포함하는 파우치형 케이스;
상기 전극 조립체와 연결되고 상기 실링부를 경유하여 상기 파우치형 케이스의 외부로 돌출되는 전극 리드;
상기 전극 리드와 상기 파우치형 케이스 사이에 배치되는 리드 필름;
상기 전극 리드와 상기 리드 필름 사이에 배치되는 가스 유도부를 포함하는 파우치형 이차 전지로서,
상기 가스 유도부는 상기 리드 필름과 접하는 제1 층을 포함하고,
상기 제1 층은, 100℃에서 측정한 저장 탄성률이 30 MPa 내지 650 MPa인 고분자 필름을 포함하는, 파우치형 이차 전지.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자 필름은 60℃ 내지 120℃에서 측정한 열팽창계수(B)와 -30℃ 내지 10℃에서 측정한 열팽창계수(A)의 비율(B/A)이 1.2 내지 3.0인, 파우치형 이차 전지.
청구항 2에 있어서,
상기 고분자 필름은 60℃ 내지 120℃에서 측정한 열팽창계수(B)가 25 ㎛/cm·℃ 이상인, 파우치형 이차 전지.
청구항 2에 있어서,
상기 고분자 필름은 -30℃ 내지 10℃에서 측정한 열팽창계수(A)가 25 ㎛/cm·℃ 이상인, 파우치형 이차 전지.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자 필름의 통기도는 100 sec/100cc 이상인, 파우치형 이차 전지.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자 필름의 물방울 접촉각은 100° 이상인, 파우치형 이차 전지.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는, 파우치형 이차 전지.
청구항 1에 있어서,
상기 가스 유도부는 상기 전극 리드와 접하는 제2 층을 더 포함하는, 파우치형 이차 전지.
청구항 8에 있어서,
상기 전극 리드, 상기 제2 층, 상기 제1 층 및 상기 리드 필름이 순차 적층된, 파우치형 이차 전지.
청구항 8에 있어서,
상기 제2 층은 산변성 폴리올레핀을 포함하는, 파우치형 이차 전지.
청구항 1에 있어서,
상기 리드 필름은, 파우치형 케이스의 외측 방향으로 돌출된 일단이, 파우치형 케이스의 외측 방향으로 돌출된 가스 유도부의 일단보다 더 돌출되어 상기 전극 리드와 직접 접하도록 배치된, 파우치형 이차 전지.
청구항 8에 있어서,
상기 가스 유도부의 제2 층은, 파우치형 케이스의 외측 방향으로 돌출된 일단이, 파우치형 케이스의 외측 방향으로 돌출된 가스 유도부의 제1 층보다 더 돌출되어 상기 전극 리드와 직접 접하도록 배치된, 파우치형 이차 전지.
청구항 1에 있어서,
상기 파우치형 이차 전지는, 상기 파우치형 케이스 내부의 압력이 상승할 경우, 상기 리드 필름과 제1 층의 계면이 개봉되어 가스 배출 경로를 형성하는, 파우치형 이차 전지.